一种鳍浆耦合驱动的翻车鱼形仿生机器人及其控制方法

本发明属于生物机器人、水下机器人领域，涉及一种鳍浆耦合驱动的翻车鱼形仿生机器人及其控制方法。

背景技术：

1、现有的仿生鱼形机器人的动力模式主要可以分为以下电机驱动、压缩气体驱动、液压驱动、形状记忆合金驱动、生物能源驱动等。电机驱动是最常见的机器鱼动力来源之一，电动机通过驱动鱼体内的机械结构或传动系统，产生推进力以推动机器鱼前进，电动机通常使用锂电池或其他充电式电池作为电源；有些机器鱼使用压缩气体驱动，通过如气囊产生的压缩气体作为动力来源。通过控制气体的释放，可以产生推进力，从而推动机器鱼前进；液压驱动通过控制液体在管道中的流动，产生推进力以推动机器鱼前进。液压驱动通常用于需要更大推进力或更复杂运动的机器鱼设计；形状记忆合金（shape memory alloys，sma）是一种能够通过外部刺激改变形状的材料。一些机器鱼使用sma作为驱动方式，利用其形状改变的特性来产生推进力以推动机器鱼前进；目前还有些机器鱼设计尝试模仿生物动物的能源来源，例如利用水中的化学能或生物能源来产生推进力。生物能源驱动的机器鱼可以通过水中化学反应或生物发电等方式获取能源。

2、一些传统的机器鱼设计可能在速度和机动性方面受到限制，无法快速移动或在复杂水下环境中灵活应对；使用单一推进方式的可能不够高效，无法提供足够的推进力，限制了其在水中的移动能力和应用范围，以及在操控方面可能存在一定的局限性，无法实现精确的导航和动作控制，影响了其在复杂水下任务中的应用效果，在面对复杂水流或海洋环境时，采用单一推进方式的机器鱼可能缺乏足够的稳定性和适应能力，导致其在水下操作中受到影响或困难。

3、综上所述，尽管现有的采用单一推进方式的机器鱼已经取得了一定的进展，但仍然存在速度、推进力、操控性、能效以及适应复杂环境的能力等方面的不足之处，需要进一步改进和优化。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种鳍浆耦合驱动的翻车鱼形仿生机器人及其控制方法，具有更强的速度、加速度、爬坡能力、作业范围、操控性和能效，其具体技术方案如下：

2、一种鳍浆耦合驱动的翻车鱼形仿生机器人，包括外壳，所述外壳的上下侧安装有仿生双尾鳍，外壳的尾部安装有助推装置，所述外壳的内部固定安装有直流伺服电机模块和控制系统，所述直流伺服电机模块的输出端向外延伸出外壳并与所述仿生双尾鳍配合连接，所述控制系统通过电信号线连接并控制所述直流伺服电机模块和助推装置，由直流伺服电机模块驱动仿生双尾鳍摆动来改变机器人行进方向，由助推装置提供推力来使机器人在水下加速推进。

3、进一步的，所述外壳包括上壳体和下壳体，所述上壳体顶部设有上轴孔，下壳体底部设有下轴孔，所述上轴孔和下轴孔的孔内壁均设有两层密封圆形沟槽，所述密封圆形沟槽内具有o型橡胶圈，形成两层密封圈结构。

4、进一步的，所述直流伺服电机模块包括上下两组对称设置的直流伺服电机、输出轴、电机外壳，所述直流伺服电机固定在电机外壳内并通过输出轴连接仿生双尾鳍，直流伺服电机与控制系统之间通过信号线连接。

5、进一步的，所述仿生双尾鳍包括上尾鳍和下尾鳍，所述上尾鳍和下尾鳍以翻车鱼鱼鳍曲线为蓝本进行设计，对称分布设置在外壳的上下两侧并与所述输出轴相连接。

6、进一步的，所述直流伺服电机自带编码器，该编码器与控制系统信号连接，所述控制系统通过rs485对直流伺服电机进行控制。

7、进一步的，所述电机外壳包括电机上外壳和电机下外壳，电机上外壳顶部设有轴孔，所述输出轴底端通过顶丝和固定槽固定安装在直流伺服电机的中部，输出轴顶端依次从轴孔和上轴孔/下轴孔延伸出电机上外壳和上壳体/下壳体与仿生双尾鳍连接。

8、进一步的，所述输出轴和轴孔之间通过o型橡胶圈动密封。

9、进一步的，所述电机下外壳设有过孔，从直流伺服电机接出的导线通过所述过孔与控制系统电连接。

10、进一步的，所述助推装置是螺旋桨式助推器，通过螺钉安装在外壳1的尾部。

11、一种鳍浆耦合驱动的翻车鱼形仿生机器人的控制方法，包括以下步骤：

12、步骤1：所述仿生机器人入水时，下壳体、下尾鳍首先入水，机器人处于负浮力状态；

13、步骤2：上尾鳍逐渐浸于水中至完全浸没时，控制系统通过控制直流伺服电机运行从而控制输出轴旋转，使上下侧的仿生双尾鳍同时摆动；在上尾鳍和下尾鳍在向一侧摆动时，推动水流朝相反方向移动，这种摆动周期的重复使得水流产生连续的推力，此时上尾鳍和下尾鳍耦合摆动产生水平和垂直方向的推力，水平方向的推力使机器人向前移动，而垂直方向的推力维持机器人整体的姿态和稳定性；

14、步骤3：在机器人完全浸没水中并需要加速行进时，控制系统通过控制助推装置获得稳定的前进推力，使得机器鱼可以以仿生游动与螺旋桨推进相结合的方式快速前进。

15、有益效果：本发明的一种鳍浆耦合驱动的翻车鱼形仿生机器人能够在进行仿生游动的同时在尾部使用螺旋桨式助推器增加速率，从而使机器人具有更快的速度和加速度以及更好的灵活性和可控性，螺旋桨式助推器的推力可以帮助机器人克服水流或其他水下阻力，提高其爬坡能力，使其能够在不同水深和水流条件下更有效地运动，螺旋桨式助推器可以使机器人在水中移动的能力更强，因此可以覆盖更大的水域范围，扩大其在海洋勘探、水下科学研究等领域的应用范围，对监测海洋环境、水动力系统的研究、水下探测以及对海洋未知生态系统的探索具有重大意义，再者通过优化设计和控制算法，可以使螺旋桨式助推器的能效更高，从而延长机器人的工作时间和行程距离，提高其在水下任务中的持久性和效率。

16、本发明利用直流伺服电机模块和助推装置同时提供了精准的控制、高效的功率输出和即时的响应时间，减少了整机重量，所有驱动模式均由单一机构的变形实现，结构简单紧凑，实现了机器人的轻量化和小型化。

17、本发明具有较好的自动稳定性，能够在水中保持平衡和稳定的姿态，这得益于翻车鱼的特殊身体结构和游泳方式，使得仿生机器人在水中具有良好的适应性和控制性能。

技术特征：

1.一种鳍浆耦合驱动的翻车鱼形仿生机器人，包括外壳（1），所述外壳（1）的上下侧安装有仿生双尾鳍（2），外壳（1）的尾部安装有助推装置（3），其特征在于，所述外壳（1）的内部固定安装有直流伺服电机模块（4）和控制系统（5），所述直流伺服电机模块（4）的输出端向外延伸出外壳（1）并与所述仿生双尾鳍（2）配合连接，所述控制系统（5）通过电信号线连接并控制所述直流伺服电机模块（4）和助推装置（3），由直流伺服电机模块（4）驱动仿生双尾鳍（2）摆动来改变机器人行进方向，由助推装置（3）提供推力来使机器人在水下加速推进。

2.如权利要求1所述的一种鳍浆耦合驱动的翻车鱼形仿生机器人，其特征在于，所述外壳（1）包括上壳体（11）和下壳体（12），所述上壳体（11）顶部设有上轴孔（111），下壳体（12）底部设有下轴孔（121），所述上轴孔（111）和下轴孔（121）的孔内壁均设有两层密封圆形沟槽，所述密封圆形沟槽内具有o型橡胶圈，形成两层密封圈结构。

3.如权利要求2所述的一种鳍浆耦合驱动的翻车鱼形仿生机器人，其特征在于，所述直流伺服电机模块（4）包括上下两组对称设置的直流伺服电机（41）、输出轴（42）、电机外壳，所述直流伺服电机（41）固定在电机外壳内并通过输出轴（42）连接仿生双尾鳍（2），直流伺服电机（41）与控制系统（5）之间通过信号线连接。

4.如权利要求3所述的一种鳍浆耦合驱动的翻车鱼形仿生机器人，其特征在于，所述仿生双尾鳍（2）包括上尾鳍（21）和下尾鳍（22），所述上尾鳍（21）和下尾鳍（22）以翻车鱼鱼鳍曲线为蓝本进行设计，对称分布设置在外壳（1）的上下两侧并与所述输出轴（42）相连接。

5.如权利要求3所述的一种鳍浆耦合驱动的翻车鱼形仿生机器人，其特征在于，所述直流伺服电机（41）自带编码器，该编码器与控制系统（5）信号连接，所述控制系统（5）通过rs485对直流伺服电机（41）进行控制。

6.如权利要求3所述的一种鳍浆耦合驱动的翻车鱼形仿生机器人，其特征在于，所述电机外壳包括电机上外壳（43）和电机下外壳（44），电机上外壳（43）顶部设有轴孔（431），所述输出轴（42）底端通过顶丝和固定槽固定安装在直流伺服电机（41）的中部，输出轴（42）顶端依次从轴孔（431）和上轴孔（111）/下轴孔（121）延伸出电机上外壳（43）和上壳体（11）/下壳体（12）与仿生双尾鳍（2）连接。

7.如权利要求6所述的一种鳍浆耦合驱动的翻车鱼形仿生机器人，其特征在于，所述输出轴（42）和轴孔（431）之间通过o型橡胶圈动密封。

8.如权利要求6所述的一种鳍浆耦合驱动的翻车鱼形仿生机器人，其特征在于，所述电机下外壳（44）设有过孔（441），从直流伺服电机（41）接出的导线通过所述过孔（441）与控制系统（5）电连接。

9.如权利要求1所述的一种鳍浆耦合驱动的翻车鱼形仿生机器人，其特征在于，所述助推装置（3）是螺旋桨式助推器，通过螺钉安装在外壳（1）的尾部。

10.一种采用权利要求1~9任意一项所述的一种鳍浆耦合驱动的翻车鱼形仿生机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明属于生物机器人、水下机器人领域，涉及一种鳍浆耦合驱动的翻车鱼形仿生机器人及其控制方法，该仿生机器人包括外壳，所述外壳的上下侧安装有仿生双尾鳍，外壳的尾部安装有助推装置，所述外壳的内部固定安装有直流伺服电机模块和控制系统，所述直流伺服电机模块的输出端向外延伸出外壳并与所述仿生双尾鳍配合连接，所述控制系统通过电信号线连接并控制所述直流伺服电机模块和助推装置，由直流伺服电机模块驱动仿生双尾鳍摆动来改变机器人行进方向，由助推装置提供推力来使机器人在水下加速推进。本发明的仿生机器人具有更强的速度、加速度、爬坡能力、作业范围、操控性和能效的优点。技术研发人员：黄忠,刘全超,宋至浩,黄立东,黄梦醒,毋媛媛,王杨受保护的技术使用者：海南大学技术研发日：技术公布日：2024/7/9