[發明專利]一種精確控制機器魚關節運動的方法

有效

• 申請號: 201710563872.2
• 申請日: 2017-07-12
• 公開（公告）號: CN107783419B
• 公開（公告）日: 2019-08-06
• 發明（設計）人: 婁保東;叢宇
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;B63C11/52
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 祁文彥

本發明公開了一種精確控制機器魚關節運動的方法，本發明以機器魚原始運動學模型為基礎，在考慮魚頭晃動的條件下推導出機器魚尾部運動學模型，可以以此為基礎研究減小機器魚頭部晃動的方法；用最小誤差法擬合得到各關節的運動方程，控制結果精確，使機器魚的游動姿態更加接近真實魚類的游動姿態，從而提高機器魚的游動姿態更加柔和，且提高游動速度和效率。為研究和分析機器魚的運動姿態提供了運動學模型，進而使機器魚具備良好的推進性能。

技術領域

本發明涉及機器魚技術領域，特別是一種精確控制機器魚關節運動的方法。

背景技術

生物學家通過對魚類的研究，總結得到魚類在穩態巡游的過程中會產生一種行波。這種波從魚體軀干的波動起點向尾部傳播，且波幅逐漸增大，稱之為魚體波。為了獲得機器魚游動時魚體波的參數化模型，需要對機器魚模型進行簡化。機器魚沿其體干方向，體厚成對稱分布，因此將機器魚的體干抽象成其體厚方向的對稱中心線，并以此作為機器魚運動曲線的研究對象，如圖1所示。根據Lighthill提出的細長體理論，魚體波由一個多項式和正弦曲線合成來近似描述，即：

f_B(x,t)＝(c₁x+c₂x²)sin(ωt+kx)

該方程建立在機器魚運動過程中頭部始終平行于游動方向，然而實際上由于機器魚制造工藝、魚體比例配置、慣性以及反作用力等各方面影響，機器魚魚頭并不是保持不動，其在中心線兩側具有小幅度晃動。因此機器魚游動過程中頭部晃動是目前機器魚制造上普遍存在的問題，其不可能完全消除只能盡可能減小其晃動的幅度，因此上述細長體理論的魚體波方程精確控制機器魚關節運動的方法，得到的控制結果并不精確。

發明內容

本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，而提供用精確控制機器魚關節運動的方法，先用魚體波基礎方程推導出機器魚尾部運動方程f_T(x,t)，用該方程繪制尾部運動曲線，再用該曲線采用數值逼近法得到各個關節實際需要轉動的角度，即后一關節相對于前一關節偏轉的角度，去擬合得到多關節機器魚的尾部運動方程。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

一種精確控制機器魚關節運動的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一，以機器魚原始運動學模型f_B(x,t)為基礎，在考慮魚頭晃動的條件下，建立機器魚尾部運動方程f_T(x,t)：

f_T(x,t)＝[c₁(x-m)+c₂(x-m)²]sin[ωt+k'(x-m)]-c₁sin(ωt)(x-m)

其中：f_T(x,t)為魚體的橫向位移；c₁為魚體波波幅包絡線的一次項系數；c₂為魚體波波幅包絡線的二次項系數；m為機器魚魚頭的晃動中心距離頭部與尾部運動關節連接點的距離；ω為魚體波頻率；k'為魚體波波數，k'＝2π/λ，λ為魚體波波長；

步驟二，將步驟一中的機器魚尾部運動方程離散成隨時間變化的N個尾部運動姿態F_T(x,i)(i＝0......N)，據此方程繪制出機器魚巡游時某一時刻的運動姿態曲線，以及對應這個運動姿態的魚尾部運動曲線；

步驟三，假設機器魚共有k個關節，對步驟二得到的魚尾部運動曲線，用數值逼近和最小誤差法得到機器魚各個關節在該時刻的運動姿態下實際需要轉動的角度，并建立角度控制方程：

其中：j＝1...k，a_j為每個關節轉動的擺動幅值；為每個關節轉動的初始相位值；

優選地，所述機器魚共有三個關節。