【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及水下仿生機器人，尤其一種實現(xiàn)主被動模態(tài)切換的仿生機器魚系統(tǒng)及控制方法。
技術(shù)介紹
1、水下仿生機器人是一種通過模仿水生生物推進模式來實現(xiàn)水下運動的新型水下機器人。魚類歷經(jīng)億萬年的自然選擇，已進化出優(yōu)異的運動特性，其獨特的形態(tài)特征和推進機制為水下仿生機器人的設(shè)計提供了大量靈感和啟發(fā)。與傳統(tǒng)采用螺旋槳推進的水下機器人相比，仿生機器魚通過借鑒仿魚低阻外形和魚體波動推進機制，并整合機器人技術(shù)，具備了魚類水下航行的諸多優(yōu)點，如高機動性、高效率、低噪聲、強隱蔽型以及環(huán)境友好性等，因此在軍事和民用等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。現(xiàn)有仿生機器魚大部分采用多主動關(guān)節(jié)-多連桿的串聯(lián)式推進結(jié)構(gòu)設(shè)計，即分別控制每個電機以一定的旋轉(zhuǎn)幅值和相位差依次驅(qū)動各個關(guān)節(jié)，并帶動相應(yīng)的剛性連桿擺動，進而模仿魚類身體的波動運動，實現(xiàn)水下航行。此外，生物學研究表明，生物魚類的高性能運動特性以及環(huán)境適應(yīng)特性離不開其軀體的柔性被動特性以及主被動切換機制。因此，部分仿生機器魚樣機將單個柔性被動關(guān)節(jié)整合至推進結(jié)構(gòu)末端，以提升運動效率。
2、現(xiàn)有仿生機器魚的推進機構(gòu)通常采用多電機串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式組成多關(guān)節(jié)機器魚，并通過精確控制每個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動速度和角度實現(xiàn)生物魚類波動推進運動的模仿，該類機器魚往往具備較好的機動性和更強的運動控制精度；其次，面向高效游動，仿生機器魚也常采用電機驅(qū)動的主動關(guān)節(jié)和柔性被動關(guān)節(jié)串聯(lián)方式提升其推進效率；但是變剛度機制通常結(jié)構(gòu)復雜，顯著增加了仿生機器魚系統(tǒng)的質(zhì)量和外形尺寸，且由于剛度變化范圍有限、推進機構(gòu)模態(tài)差異不明顯，難以實現(xiàn)運動性能的有效
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本專利技術(shù)提供了一種實現(xiàn)主被動模態(tài)切換的仿生機器魚系統(tǒng)及控制方法，該專利技術(shù)包括外殼、控制模塊、電源模塊、胸鰭模塊、主動驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊、模態(tài)切換關(guān)節(jié)模塊、尾鰭和尾柄結(jié)構(gòu)，該模態(tài)切換關(guān)節(jié)模塊可實現(xiàn)主動驅(qū)動關(guān)節(jié)模態(tài)和柔性被動關(guān)節(jié)模態(tài)的切換，并采用運動模態(tài)選擇算法實現(xiàn)模態(tài)的選擇和仿生控制優(yōu)化算法實現(xiàn)仿生機器魚系統(tǒng)的運動控制，通過模態(tài)生成器控制主動驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊和模態(tài)切換關(guān)節(jié)模塊，得到仿生機器魚系統(tǒng)的最佳模態(tài)和穩(wěn)定航行姿態(tài)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中仿生機器魚系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式單一、變剛度機構(gòu)復雜和運動模態(tài)切換功能欠缺等問題，提高了仿生機器魚系統(tǒng)在復雜水域作業(yè)的運動性能和適應(yīng)能力。為實現(xiàn)上述目的，該技術(shù)方案如下：
2、一方面，本專利技術(shù)提供了一種實現(xiàn)主被動模態(tài)切換的仿生機器魚系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：
3、外殼，用于保護仿生機器魚系統(tǒng)的內(nèi)部并減少水中運動的阻力；
4、控制模塊，用于采集該仿生機器魚系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并實現(xiàn)模態(tài)的選擇和運動的控制；
5、電源模塊，用于為該仿生機器魚系統(tǒng)提供電能并進行低電壓預警；
6、胸鰭模塊，用于實現(xiàn)機器魚的俯仰機動運動；
7、主動驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊，用于實現(xiàn)關(guān)節(jié)的高精度運動控制，提供所述仿生機器魚系統(tǒng)推進運動的基礎(chǔ)動力；
8、模態(tài)切換關(guān)節(jié)模塊，用于在主動驅(qū)動關(guān)節(jié)模態(tài)和柔性被動關(guān)節(jié)模態(tài)之間進行切換；
9、尾鰭，用于通過仿生波動方式提供推進力；
10、尾柄結(jié)構(gòu)，用于連接該模態(tài)切換關(guān)節(jié)模塊和該尾鰭。
11、可選地，該控制模塊，包括：
12、處理器，用于通過運動模態(tài)選擇算法實現(xiàn)模態(tài)的選擇和通過仿生控制優(yōu)化算法實現(xiàn)該仿生機器魚系統(tǒng)的運動控制；
13、感知傳感器，用于感知該仿生機器魚系統(tǒng)的當前環(huán)境信息和自身狀態(tài)信息，并將該仿生機器魚系統(tǒng)的當前環(huán)境信息和自身狀態(tài)信息反饋至該處理器；
14、模態(tài)生成器，用于根據(jù)該處理器的指令，控制該主動驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊和該模態(tài)切換關(guān)節(jié)模塊。
15、可選地，該電源模塊，包括：
16、鋰電池，用于為該仿生機器魚系統(tǒng)提供電能；
17、電源管理單元，用于檢測該鋰電池的電量并進行低電壓預警。
18、可選地，該模態(tài)切換關(guān)節(jié)模塊的數(shù)量不少于1個。
19、可選地，該模態(tài)切換關(guān)節(jié)模塊，包括：
20、模態(tài)切換舵機，用于提供該仿生機器魚系統(tǒng)的主柔性被動關(guān)節(jié)模態(tài)切換的動力，
21、支架，用于固定和連接該模態(tài)切換關(guān)節(jié)模塊，
22、柔性繩索，用于將該模態(tài)切換舵機的動力傳遞到軸上齒輪，
23、線輪，用于將該柔性繩索進行纏繞和釋放，
24、舵機齒輪，用于在主動驅(qū)動關(guān)節(jié)模態(tài)下，與該軸上齒輪嚙合，
25、關(guān)節(jié)軸，用于連接下一個模態(tài)切換關(guān)節(jié)模塊，
26、扭簧，用于為該模態(tài)切換關(guān)節(jié)模塊提供彈性回復力?，
27、限位環(huán)，用于限制該軸上齒輪和彈簧的軸向位置，
28、該軸上齒輪，用于在主動驅(qū)動關(guān)節(jié)模態(tài)下，實現(xiàn)動力傳遞和該模態(tài)切換關(guān)節(jié)模塊的精準運動，
29、該彈簧，用于為該軸上齒輪提供輔助彈性力，保證模態(tài)切換的準確性，
30、導向鍵銷，用于對該軸上齒輪上下運動進行導向，確保該軸上齒輪帶動該關(guān)節(jié)軸運動。
31、可選地，該支架包括：前端c型結(jié)構(gòu)，中間凹槽結(jié)構(gòu)和后端c型結(jié)構(gòu)；
32、該前端c型結(jié)構(gòu)與該主動驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊或上一個模態(tài)切換關(guān)節(jié)模塊的關(guān)節(jié)軸固定連接，該后端c型結(jié)構(gòu)與下一個模態(tài)切換關(guān)節(jié)模塊連接，該后端c型結(jié)構(gòu)的上下端通過圓孔轉(zhuǎn)動安裝該關(guān)節(jié)軸，該關(guān)節(jié)軸與下一個模態(tài)切換關(guān)節(jié)模塊的支架的前端c型結(jié)構(gòu)固定連接，該關(guān)節(jié)軸從下到上依次轉(zhuǎn)動安裝該扭簧、該限位環(huán)、該彈簧、該軸上齒輪、該導向鍵銷、該限位環(huán)和該扭簧，該中間凹槽結(jié)構(gòu)固定安裝該模態(tài)切換舵機，該模態(tài)切換舵機的驅(qū)動軸上固定安裝該線輪和該舵機齒輪，且該線輪和該舵機齒輪固定連接，實現(xiàn)同軸轉(zhuǎn)動。
33、可選地，該主動驅(qū)動關(guān)節(jié)模態(tài)和柔性被動關(guān)節(jié)模態(tài)之間進行切換的過程，包括：
34、該主動驅(qū)動關(guān)節(jié)模態(tài)切換到該柔性被動關(guān)節(jié)模態(tài)的過程：
35、該模態(tài)切換舵機帶動該線輪順時針旋轉(zhuǎn)，該線輪纏繞該柔性繩索，使得該柔性繩索經(jīng)導向孔收縮并拉動該軸上齒輪沿該導向鍵銷方向向下滑動，直至該軸上齒輪和該舵機齒輪完全脫離，使得該軸上齒輪和該舵機齒輪無法嚙合驅(qū)動，該關(guān)節(jié)軸帶動后一模態(tài)切換關(guān)節(jié)模塊在該扭簧的作用下，快速回到初始位置，即該關(guān)節(jié)軸的關(guān)節(jié)角為0度的位置實現(xiàn)了該主動驅(qū)動關(guān)節(jié)模態(tài)切換到該柔性被動關(guān)節(jié)模態(tài)；
36、該柔性被動關(guān)節(jié)模態(tài)切換到該主動驅(qū)動關(guān)節(jié)模態(tài)的過程：
37、該模態(tài)切換舵機帶動該線輪快速進行逆時針旋轉(zhuǎn)，該舵機齒輪回到初始位置，即該關(guān)節(jié)角為0度的位置，該線輪釋放該柔性繩索，使得該柔性繩索伸長放松該軸上齒輪，該軸上齒輪在該彈簧的作用下，沿該導向鍵銷方向向上滑動，直至該軸上本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種實現(xiàn)主被動模態(tài)切換的仿生機器魚系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)主被動模態(tài)切換的仿生機器魚系統(tǒng)，其特征在于，所述控制模塊，包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)主被動模態(tài)切換的仿生機器魚系統(tǒng)，其特征在于，所述電源模塊，包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)主被動模態(tài)切換的仿生機器魚系統(tǒng)，其特征在于，所述模態(tài)切換關(guān)節(jié)模塊的數(shù)量不少于1個。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)主被動模態(tài)切換的仿生機器魚系統(tǒng)，其特征在于，所述模態(tài)切換關(guān)節(jié)模塊，包括：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的實現(xiàn)主被動模態(tài)切換的仿生機器魚系統(tǒng)，其特征在于，所述支架包括：前端C型結(jié)構(gòu)，中間凹槽結(jié)構(gòu)和后端C型結(jié)構(gòu)；
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的實現(xiàn)主被動模態(tài)切換的仿生機器魚系統(tǒng)，其特征在于，所述主動驅(qū)動關(guān)節(jié)模態(tài)和柔性被動關(guān)節(jié)模態(tài)之間進行切換的過程，包括：
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實現(xiàn)主被動模態(tài)切換的仿生機器魚系統(tǒng)，其特征在于，所述通過運動模態(tài)選擇算法實現(xiàn)模態(tài)的選擇的過程，包括：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的實現(xiàn)主
10.一種實現(xiàn)主被動模態(tài)切換的仿生機器魚控制方法，所述實現(xiàn)主被動模態(tài)切換的仿生機器魚控制方法由權(quán)利要求1-9任一項的實現(xiàn)主被動模態(tài)切換的仿生機器魚系統(tǒng)實現(xiàn)，其特征在于，所述方法包括：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種實現(xiàn)主被動模態(tài)切換的仿生機器魚系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)主被動模態(tài)切換的仿生機器魚系統(tǒng)，其特征在于，所述控制模塊，包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)主被動模態(tài)切換的仿生機器魚系統(tǒng)，其特征在于，所述電源模塊，包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)主被動模態(tài)切換的仿生機器魚系統(tǒng)，其特征在于，所述模態(tài)切換關(guān)節(jié)模塊的數(shù)量不少于1個。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)主被動模態(tài)切換的仿生機器魚系統(tǒng)，其特征在于，所述模態(tài)切換關(guān)節(jié)模塊，包括：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的實現(xiàn)主被動模態(tài)切換的仿生機器魚系統(tǒng)，其特征在于，所述支架包括：前端c型結(jié)構(gòu)，中間凹槽結(jié)構(gòu)和后端...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳迪，董會杰，仝茹，張冬浩，于勐，王喻，
申請(專利權(quán))人：北京科技大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
還沒有人留言評論。發(fā)表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。