[发明专利]仿生机器鱼柔性关节配置方法和装置

说明书

本发明涉及水下机器人技术领域，提供一种仿生机器鱼柔性关节配置方法和装置，其中方法包括：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，确定仿生机器鱼的游速优化模型；以仿生机器鱼的游速最高为目标，对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；确定仿生机器鱼的最优鱼体波曲线；基于悬臂梁弯曲模型对仿生机器鱼中的各个柔性关节进行受力分析，确定满足最优鱼体波曲线的各个柔性关节的厚度。本发明提供的方法和装置，提高了仿生机器鱼的游动速度和推进效率。

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种仿生机器鱼柔性关节配置方法和装置。

背景技术

鱼类经过数百万年的自然界进化，具有卓越的运动能力，如高游速、低能耗、高机动性等。受这些特性的启发，在过去的几十年里，许多工程师和研究人员致力于机器鱼的研究，包括仿生机械设计、流体动力学机制和运动控制。在机械上，设计方法可以分为两大类，即离散体设计和连续体设计。前者通常与“多运动-多关节”结构相关，而后者通常与“单运动-多关节”结构或软体相关。“多运动-多关节”常以多个主动关节如舵机、电机等串联形式构成，该结构易于建模分析，但由于转动惯量较大，摆动频率低，磨损大等缺点，其游动速度、效率等性能指标与自然鱼类相差甚远。为了解决这些问题，越来越多的学者开始研究“单运动-多关节”机构设计，该机构可以实现较小的转动惯量和较高的摆动频率。

在仿生机器鱼的设计中，可以在尾部引入柔性材料，以其被动形变的特性模拟自然鱼类摆动，以提高仿生性和游动效率。但是，如何配置柔性材料才能提高仿生机器鱼的推进速度成为业界亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种仿生机器鱼柔性关节配置方法和装置，用于解决现有技术中如何配置柔性材料才能提高仿生机器鱼的推进速度的技术问题。

本发明提供一种仿生机器鱼柔性关节配置方法，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；所述第一柔性和所述第二柔性关节均为板状结构。

根据本发明提供的仿生机器鱼柔性关节配置方法，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、所述第一柔性关节对应的伪刚体模型的扭簧所在位置、所述第二柔性关节对应的伪刚体模型的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。