[发明专利]一种三关节仿生机器鱼的深度控制方法

权利要求书

1.一种三关节仿生机器鱼的深度控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，设计用以控制仿生机器鱼的上浮和下潜的浮潜机构；所述浮潜机构包括配重滑块、丝杆、电机、编码器和控制板，所述丝杆沿仿生智能机器鱼鱼身长度方向设置，配重滑块设置在丝杆上且与丝杆螺纹连接，丝杆固定在电机转轴的输出端上，丝杆上固定连接编码器，电机正反转动带动配重滑块在丝杆上来回滑动，电机和编码器均与控制板电性连接；

第二步，调节浮潜机构的配重滑块，使仿生机器鱼在水中处于悬浮状态，以仿生机器鱼的重心为原点建立坐标系，首先对平衡状态下的仿生机器鱼进行受力分析，然后调节配重滑块偏离平衡位置，使机器鱼整体重心发生偏移，使仿生机器鱼开始下潜状态，当仿生机器鱼处于稳定的下潜状态时，对处于该下潜状态的仿生机器鱼做受力分析，得到机器鱼的深度控制与其当前速度以及配重块移动的距离有关，并推导得到仿生机器鱼的实时深度控制方程为：

其中：v(t)是t时刻仿生机器鱼的速度，h₀为仿生机器鱼的初始深度，l(t)为t时刻配重滑块移动的距离，m₁为配重滑块的重量，m₂为除配重滑块外鱼体的重量，d为整体重心与浮心之间的距离，M为仿生机器鱼的总重，M＝m₁+m₂，L₁为配重滑块重心距离整体重心的距离，L₂为除配重滑块外鱼体的重心距离整体重心的距离；

第三步，将所述三关节仿生机器鱼放入水中，开启开关，三个主驱动关节开始在水中摆动，根据主驱动关节摆动的频率测得水流的流速，再利用三关节仿生机器鱼自带的重力传感器测得此时机器鱼所处深度，控制板接受指令信息，指令信息主要为在规定时间内到达指定位置，根据数据处理得出配重滑块的移动时间，然后控制浮潜机构的电机转动，带动丝杆转动，配重滑块在丝杠上移动，三关节仿生机器鱼进行上升下潜运动；同时编码器开始工作读取码盘转动角度，将数据传输给控制板，控制板实时测得配重滑块所处位置；当配重滑块移动到指定距离点后，配重滑块停止移动，配重滑块开始回移到平衡位置，三关节仿生机器鱼保持平衡，此时三关节仿生机器鱼完成指令。

2.根据权利要求1所述的三关节仿生机器鱼的深度控制方法，其特征在于：所述编码器选取WTK-20光电旋转编码器和100线金属码盘。

3.根据权利要求1所述的三关节仿生机器鱼的深度控制方法，其特征在于：所述三关节仿生机器鱼包括鱼头、鱼身和鱼尾，鱼身包括固定部和摆动部，固定部内安装有用于控制机器鱼运动姿态、无线充电的控制机构，摆动部包括三个主驱动关节，第一主驱动关节、第二主驱动关节与第三主驱动关节沿鱼身体长方向依次设置，第一主驱动关节、第二主驱动关节与第三主驱动关节的长度比例为1:1:1.2，固定部一端与鱼头固定连接，另一端与第一主驱动关节固定连接。

4.根据权利要求3所述的三关节仿生机器鱼的深度控制方法，其特征在于：所述每个主驱动关节均包括一个舵机和驱动杆，驱动杆一端与舵机的输出轴连接，另一端与相邻主驱动关节的舵机固定连接，舵机设置于舵机外壳内，舵机外壳上开设有弧形轨道，驱动杆中间部位向下垂直连接有一个支撑杆，支撑杆的底端连接有一个滚球，舵机带动驱动杆转动，驱动杆带动支撑杆连同滚球在弧形轨道内来回滚动。

5.根据权利要求3所述的三关节仿生机器鱼的深度控制方法，其特征在于：每个主驱动关节的运动控制方程为：

其中：j＝1...3；a_j为每个关节的摆动幅值；为第j个关节在转弯时收缩阶段的用时；T₁^j为第j个关节在转弯时释放阶段的用时。

6.根据权利要求3所述的三关节仿生机器鱼的深度控制方法，其特征在于：固定部与第一主驱动关节之间、第一主驱动关节与第二主驱动关节之间、第二主驱动关节与第三主驱动关节之间、第三主驱动关节与鱼尾之间沿鱼身体长度方向设置有四个从驱动关节，每个从驱动关节包括支撑环、脊椎骨铰链和脊椎骨铰链连接杆，支撑环上具有用于固定脊椎骨铰链的卡槽，多个支撑环的外部轮廓大小与机器鱼鱼身轮廓形状吻合，支撑环内部靠近鱼背处具有一个连接杆，该连接杆的上下两个端面上开设有用于卡接脊椎骨铰链第二连接部的卡槽，与主动驱动关节的舵机相连的支撑环内部，于靠近鱼腹处具有一个用于卡接舵机的卡槽，支撑环内部与脊椎骨铰链和舵机之间设置有泡沫。