[發明專利]一種多關節機器海豚的翻滾運動控制方法

有效

• 申請號: 201110391856.2
• 申請日: 2011-11-30
• 公開（公告）號: CN102490885A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 喻俊志;蘇宗帥;吳正興;譚民
• 申請（專利權）人: 中國科學院自動化研究所
• 主分類號: B63H1/36
• 分類號: B63H1/36
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明涉及仿生學領域，尤其是一種多關節機器海豚的翻滾運動控制的方法。

背景技術

海豚，作為一種海洋哺乳動物，擁有令人驚嘆的游泳技術和減阻能力。海豚游動時，依靠尾柄和尾鰭的上下擺動及胸鰭的配合，游泳瞬時速度高達11m/s。海豚改變運動速度和方向時，皮膚會產生褶皺來抑制湍流的作用，從而大大降低水的阻力，使海豚的平均推進效率達到0.75～0.90之間。另外，海豚擁有超強的轉向機動性和靈活性，它的轉向角可達561.6°/s，旋轉半徑甚至可小于0.2個身長。鑒于海豚良好的機動性、靈活性和高效性，在危險、狹窄、復雜的水下環境中的監測、偵探、攻擊、救撈和維修中具有良好的應用價值。

仿生機器海豚的研究包含了生物學、水動力學、自動控制、材料學和機器人技術等多學科交叉問題，形態和機理比較復雜，在國際上尚處于起步階段。目前，國內外許多專家、學者和相關組織針對機器海豚的推進機理、減阻機制和運動控制開展研究。Nakashima制造的兩關節機器海豚，胸鰭和尾鰭分別具有1個自由度。Dlgangil先后制造了四關節機器海豚和五關節機器海豚。其中，四關節機器海豚以氣動裝置提供動力，五關節機器海豚的胸鰭和尾鰭分別具有2個自由度。Fish團隊一直致力于研究海豚游動的推進能力和機動靈活性。“Gray’s?Paradox”問題的成功解決，幫助我們對海豚的推進機理、減阻機制和運動控制有了更深的理解。很多觀點認為海豚之所以具有如此驚人的特征，原因與其通過尾鰭的不對稱擺動造就的高度靈活的俯仰運動有關系。但是，目前為止，對海豚俯仰運動的研究還處在起步階段，俯仰運動產生的影響還需進一步研究。

發明內容

本發明的目的是提供一種多關節機器海豚的翻滾運動控制方法，以解決仿生機器海豚的三維運動控制問題。該方法對海豚水下前翻滾、后翻滾運動進行系統研究和理論分析，將前翻滾、后翻滾運動所屬的俯仰運動分為彎曲階段和伸展階段，建立伸展階段的游動模型。同時，給出機器海豚前翻滾、后翻滾運動的控制方法和實現步驟。

本發明所提出的一種多關節機器海豚的翻滾運動控制方法，其特征在于，所述翻滾運動包括前翻滾運動和后翻滾運動，兩種運動均由上仰和下俯基本動作組合完成，在機器海豚的翻滾過程中，通過設置機器海豚的俯仰角和各個俯仰關節的轉動角，交替執行上仰、下俯動作，調整機器海豚的質心和浮心的相對位置，獲取相應的翻滾速度和轉向力矩，以完成翻滾運動。

本發明實現了對機器海豚俯仰運動的精確和靈活控制，首創機器海豚的前滾翻運動和后滾翻運動兩種動作，達成機器海豚垂直平面內的360°旋轉，驗證機器海豚俯仰運動的高度機動性與靈活性。同時，本發明中的俯仰控制算法精確控制機器海豚在運動中的俯仰角，獲得機器海豚俯仰運動控制的精確性。

附圖說明

圖1是仿生機器海豚結構示意圖。

圖2是仿生機器海豚俯仰運動伸展階段分析示意圖。

圖3是仿生機器海豚前翻滾實驗視頻截圖。

圖4是仿生機器海豚后翻滾實驗視頻截圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。

一、仿生機器海豚的機械結構

圖1是仿生機器海豚結構示意圖，如圖1所示，仿生機器海豚包括剛性前段身體2、具有多個俯仰關節的柔性后段身體6、尾鰭14、胸鰭片10、背鰭片3、控制電路板9、陀螺儀11、壓力傳感器12、紅外探測器8、移動滑塊1、配重銅塊4、偏航關節5、俯仰關節7、尾柄13。

所述仿生機器海豚中，前段身體2與具有多個關節的柔性后段身體6相連；前段身體2內部為中空結構，內部設置含有移動滑塊1、控制電路板9、電源模塊、陀螺儀11、配重銅塊4；前段身體2前部安裝紅外探測器8用來避障，左側安裝壓力傳感器12用來測量水的壓力，上側安裝電源開關；移動滑塊1中包括一個伺服電機，用于驅動俯仰關節J4，用來調節機器海豚的重心；胸鰭片10和背鰭片3分別安裝于前段身體2的兩側和上側，起平衡作用；后段身體6包含一個偏航關節5和三個俯仰關節7(J₁、J₂和J₃)，均由直流電機驅動；偏航關節5控制機器海豚的偏航運動；俯仰關節7產生機器海豚游動的推進力，控制機器海豚的俯仰運動；尾柄13連接機器海豚的后段身體6和尾鰭14；尾鰭14隨后段身體上下擺動產生推進力；所有關節采用鋁合金骨架相連；魚皮為防水魚皮。