[發明專利]一種基于改進魚體波方程的機器魚三關節設計方法

有效

• 申請號: 201710563877.5
• 申請日: 2017-07-12
• 公開（公告）號: CN107444598B
• 公開（公告）日: 2019-03-26
• 發明（設計）人: 婁保東;叢宇
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: B63H1/36
• 分類號: B63H1/36
• 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

1.一種基于改進魚體波方程的機器魚三關節設計方法，其特征在于：所述機器魚包括三個主驅動關節，分別為第一主驅動關節、第二主驅動關節和第三主驅動關節，設計方法包括：

步驟一，以仿生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，推導得到改進的魚體波方程：

f_b(x,t)＝[c₁(x-m)+c₂(x-m)²]sin[ωt+k(x-m)]

其中：f_b(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，以成年金龍魚為原型，根據步驟一得到的改進后魚體波方程計算得到三個主驅動關節的長度比例為1:1:1.2；

每個主驅動關節均包括一個舵機和驅動桿，驅動桿一端與舵機的輸出軸連接，另一端與相鄰主驅動關節的舵機固定連接；

步驟三，根據步驟一得到的改進后的魚體波方程，利用最小誤差擬合曲線法推導得到每個主驅動關節的控制方程：

其中：j＝1...3；a_j為每個關節的擺動幅值；為第j個關節在轉彎時收縮階段的用時；為第j個關節在轉彎時釋放階段的用時；

步驟四，在第一主驅動關節與第二主驅動關節之間、第二主驅動關節與第三主驅動關節之間、第三主驅動關節與魚尾之間沿魚身體長方向設置有若干個從驅動關節，并計算得到第一主驅動關節與第二主驅動關節之間、第二主驅動關節與第三主驅動關節之間、第三主驅動關節與魚尾之間的從驅動關節的數量均為四個；

每個從驅動關節包括支撐環、脊椎骨鉸鏈和脊椎骨鉸鏈連接桿，支撐環上具有用于固定脊椎骨鉸鏈的卡槽，脊椎骨鉸鏈具有第一連接部和第二連接部，第二連接部呈U型，第二連接部卡設于支撐環的卡槽中，第一連接部通過脊椎骨鉸鏈連接桿與前一個從驅動關節的第二連接部轉動連接，第二連接部通過脊椎骨鉸鏈連接桿與后一個從驅動關節的第一連接部轉動連接，多個從驅動關節的脊椎骨鉸鏈首尾相連形成機器魚的脊椎。

2.根據權利要求1所述的基于改進魚體波方程的機器魚三關節設計方法，其特征在于：多個支撐環的外部輪廓大小與機器魚魚身輪廓形狀吻合。

3.根據權利要求2所述的基于改進魚體波方程的機器魚三關節設計方法，其特征在于：支撐環內部靠近魚背處具有一個連接桿，該連接桿的上下兩個端面上開設有用于卡接脊椎骨鉸鏈第二連接部的卡槽，與主動驅動關節的舵機相連的支撐環內部，于靠近魚腹處具有一個用于卡接舵機的卡槽。

4.根據權利要求3所述的基于改進魚體波方程的機器魚三關節設計方法，其特征在于：支撐環內部與脊椎骨鉸鏈和舵機之間設置有泡沫。

5.根據權利要求1所述的基于改進魚體波方程的機器魚三關節設計方法，其特征在于：舵機設置于舵機外殼內，舵機外殼上開設有弧形軌道，驅動桿中間部位向下垂直連接有一個支撐桿，支撐桿的底端連接有一個滾球，舵機帶動驅動桿轉動，驅動桿帶動支撐桿連同滾球在弧形軌道內來回滾動。