[发明专利]仿生机器鱼柔性关节配置方法和装置

权利要求书

1.一种仿生机器鱼柔性关节配置方法，其特征在于，包括：

基于仿生机器鱼在游动稳定状态时的受力平衡条件，以及所述仿生机器鱼中的各个柔性关节的伪刚体模型，确定包含各个柔性关节的转动角的柔性鱼尾推力模型；

以所述柔性鱼尾推力模型中各个柔性关节的转动角为控制变量，确定所述仿生机器鱼的游速优化模型；

以所述仿生机器鱼的游速最高为目标，对所述游速优化模型进行求解，确定各个柔性关节的转动角的最优相位关系；

基于各个柔性关节的转动角的最优相位关系，以及理论鱼体波方程，确定所述仿生机器鱼的最优鱼体波曲线；

基于悬臂梁弯曲模型对所述仿生机器鱼中的各个柔性关节进行受力分析，确定满足所述最优鱼体波曲线的各个柔性关节的厚度；

其中，所述仿生机器鱼包括依次连接的头部、第一柔性关节、尾部、第二柔性关节和尾鳍；所述柔性关节为板状结构；

所述基于仿生机器鱼在游动稳定状态时的受力平衡条件，以及所述仿生机器鱼中的各个柔性关节的伪刚体模型，确定包含各个柔性关节的转动角的柔性鱼尾推力模型，包括：

以所述仿生机器鱼的头尾轴为轴，以左右轴为轴，以背腹轴为轴，建立惯性坐标系；

将各个柔性关节建模为连杆和扭簧连接的伪刚体模型，分别以所述仿生机器鱼的头部前端、所述仿生机器鱼的头部舵机输出轴所在位置、所述第一柔性关节伪刚体模型扭簧所在位置、所述第二柔性关节伪刚体模型扭簧所在位置为原点，以连杆所在直线为轴，以轴逆时针旋转90°为轴，以背腹轴为轴，建立多个连杆坐标系；

基于所述仿生机器鱼在游动稳定状态时的受力平衡条件，以及所述惯性坐标系和所述多个连杆坐标系，确定包含各个柔性关节的转动角的柔性鱼尾推力模型；

所述受力平衡条件为：

式中，表示所述仿生机器鱼的摆动周期，表示所述仿生机器鱼的头部在游动方向所受上的水阻力，表示作用在第连杆质心处的附加质量力在惯性坐标系轴上的分力，表示作用在第连杆质心处的水阻力在惯性坐标系轴上的分力，表示作用在尾鳍质心处的水阻力在惯性坐标系轴上的分力，表示作用在尾鳍质心处的升力在惯性坐标系轴上的分力，表示时间变量；

表示水密度，表示头部的阻力系数，表示头部迎流面积，表示所述仿生机器鱼在时刻的游速，表示第连杆的附加质量，表示第连杆质心在惯性坐标系中的位置矢量，表示第连杆坐标系，表示惯性坐标系，表示第连杆坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵，表示第连杆质心处的水阻力，表示第连杆质心处的水阻力在第连杆坐标系轴上的分力，表示第连杆质心处的水阻力在第连杆坐标系轴上的分力，表示第连杆的摩擦系数，表示第连杆的阻力系数，分别表示第连杆在第连杆坐标系轴上的投影面积，分别表示第连杆质心在惯性坐标系中的速度在第连杆坐标系轴上的投影，表示尾鳍的浸水面积，表示尾鳍在惯性坐标系中的速度，表示尾鳍升力系数，表示尾鳍阻力系数；

所述柔性鱼尾推力模型为：

式中，表示所述仿生机器鱼在游动稳定状态时鱼尾产生的推力，表示连杆的标号，表示第连杆的转动角，表示尾鳍的攻角，表示第1连杆的附加质量，表示第2连杆的附加质量，表示第1连杆质心速度在惯性坐标系轴上的投影，表示第2连杆质心速度在惯性坐标系轴上的投影。

2.根据权利要求1所述的仿生机器鱼柔性关节配置方法，其特征在于，所述以所述柔性鱼尾推力模型中各个柔性关节的转动角为控制变量，确定所述仿生机器鱼的游速优化模型，包括：

将头部舵机第一柔性关节、第二柔性关节和尾鳍作为运动关节，得到各个运动关节的转动角表示为：

式中，表示第个运动关节的摆动幅值，表示所述仿生机器鱼的摆动角频率，表示第个运动关节的相位差；表示头部舵机；表示第一柔性关节，表示第二柔性关节；表示尾鳍；

则所述仿生机器鱼的游速优化模型表示为：

式中，表示所述仿生机器鱼在第一柔性关节的相位差和第二柔性关节的相位差限制下的稳态平均游速；所述第一柔性关节的相位差是基于所述第一柔性关节的转动角确定的；所述第二柔性关节的相位差是基于所述第二柔性关节的转动角确定的。