[发明专利]一种基于改进鱼体波方程的机器鱼三关节设计方法

摘要

本发明公开了一种基于改进鱼体波方程的机器鱼三关节设计方法，为机器鱼研究提供理论基础，改进的鱼体波方程是在考虑鱼头晃动的条件下推导得到的，本发明设计方法是基于改进的鱼体波方程进行设计计算的，使设计的机器鱼游动更加符合真实鱼类的运动规律，通过控制各个主驱动关节的控制方程，能使仿生机器鱼具有快速转向的能力，使机器鱼能够获得更大的转弯力矩，最终能够使机器鱼具备良好的推进性能。三关节结构具有主驱动关节和从驱动关节，从驱动关节的脊椎骨铰链依真实鱼类的脊椎骨而设计，使机器鱼的运动自由度增多，使机器鱼游动起来更好的切合鱼类运动曲线，游动也更加接近真实的鱼类，且游动时没有再发生脱节现象。

主权项

1.一种基于改进鱼体波方程的机器鱼三关节设计方法，其特征在于：所述机器鱼包括三个主驱动关节，分别为第一主驱动关节、第二主驱动关节和第三主驱动关节，设计方法包括：步骤一，以仿生机器鱼原始运动学模型fB(x,t)为基础，在考虑鱼头晃动的条件下，推导得到改进的鱼体波方程：fb(x,t)＝[c1(x‑m)+c2(x‑m)2]sin[ωt+k(x‑m)]其中：fb(x,t)为鱼体的横向位移；c1为鱼体波波幅包络线的一次项系数；c2为鱼体波波幅包络线的二次项系数；m为机器鱼鱼头的晃动中心距离头部与尾部运动关节连接点的距离；ω为鱼体波频率；k为鱼体波波数，k＝2π/λ，λ为鱼体波波长；步骤二，以成年金龙鱼为原型，根据步骤一得到的改进后鱼体波方程计算得到三个主驱动关节的长度比例为1:1:1.2；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；步骤三，根据步骤一得到的改进后的鱼体波方程，利用最小误差拟合曲线法推导得到每个主驱动关节的控制方程：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；为第j个关节在转弯时释放阶段的用时；步骤四，在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方向设置有若干个从驱动关节，并计算得到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的从驱动关节的数量均为四个；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，脊椎骨铰链具有第一连接部和第二连接部，第二连接部呈U型，第二连接部卡设于支撑环的卡槽中，第一连接部通过脊椎骨铰链连接杆与前一个从驱动关节的第二连接部转动连接，第二连接部通过脊椎骨铰链连接杆与后一个从驱动关节的第一连接部转动连接，多个从驱动关节的脊椎骨铰链首尾相连形成机器鱼的脊椎。