一种刚柔耦合变刚度柔性机器鱼的设计方法及其仿生机器鱼与流程

本发明主要应用到仿生水下机器人领域，具体为一种刚柔耦合变刚度仿生鱼的设计方法及该方法设计的仿生机器鱼。

背景技术：

传统上，船舶或者自主无人潜器(avu)均采用螺旋桨进行驱动，具有推进速度慢、效率低、机动性差以及对流体环境扰动大等较为明显的缺陷。在自然界中，鱼类通过身体和/或尾鳍的摆动，获得快速高效的游动性能和极高的机动性，这些独特的游动性能吸引了越来越多的科研工作者。近年来，研究人员逐渐从流体力学等方面揭示鱼类高效游动的机理，但是，基于生物原型的仿生机器鱼不论在游动速度、推进效率还是在转弯机动性上均远远落后于自然界中的鱼类。虽然仿生机器鱼的实验研究经过了多年的实践，但其对应的设计方法较少且尚不成熟。目前为止，仿生机器鱼摆动推进模型的设计主要包括刚性串联机构和柔性结构。

传统上，仿生机器鱼是以多关节刚体相串联结构来实现尾体的摆动。该设计利用每个关节的单自由度的转动来复现摆动运动，代表性的机器鱼包括mit开发的金枪机器鱼robotuna、draper实验室机器鱼vcuuv、英国埃塞克斯大学的g系列和mt系列的机器鱼、日本nmri开发的pf系列和upf系列机器鱼和北航研制的两关节机器鱼spc-ii和spc-iii等。总体上，基于串联结构的机器鱼结构简单，各关节需要单独驱动，控制复杂，游动效率低。

近年来，仿生学者为提高仿生机器鱼的游动性能，提出了柔性鱼体结构，该结构考虑了鱼体脊椎和分布在脊椎周围鱼体肌肉对游动性能的影响。具有代表性的机器鱼包括alvarado和marchese等人制作了一种基于硅胶材料的柔性机器鱼。该机器鱼为柔性结构，通过在鱼体内部放置舵机，驱动连杆机构来产生往复运动，以实现鱼体的摆动推进。该类型机器鱼结构简单可靠，能够模拟鱼类的粘弹性动力学特性。但是，由于粘弹性材料(如硅胶)的物理属性，所制作的柔性机器鱼并不能改变其身体的弯曲刚度，对不同的外界流体环境的适应性较差。

上述柔性机器鱼虽然具有一定柔顺性，但在实验方案均具有一定的缺陷，在游动速度、推进效率和机动性方面还远不如自然界中的鱼类。因此，在机器鱼的设计制作等方面仍需要进一步的探索。实际上，生物学研究表明鱼类可通过肌肉改变其身体刚度，使尾鳍摆动频率与其身体自然频率相匹配，从而达到快速高效的游动性能。上述仿生机器鱼的设计并没有考虑鱼体刚度对游动性能的影响。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种刚柔耦合变刚度柔性仿生机器鱼的设计方法及该方法设计的仿生机器鱼，充分考虑了鱼类变刚度特性对游动性能的影响，以克服现有技术的不足。

本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明通过流体驱动的多通道结构来模拟鱼体肌肉，并利用柔性梁结构来模拟鱼体脊椎，以实现柔性机器鱼的变刚度特性。本发明分别推导了刚柔耦合柔性仿生鱼的实验原理。该设计方法可通过多通道结构参数和柔性梁参数的优化使设计的仿生鱼实现刚度较大范围内的变化，以获得较好的游动性能。

刚柔耦合变刚度柔性仿生鱼的设计思路源于一个重要的生物学发现，即柔性鱼类可通过调节肌肉来改变其身体的刚度，以获得快速高效的游动性能。本发明采用刚性脊椎梁与多通道肌肉系统相叠加的方式，对该机器鱼在流体中的运动情况进行受力分析，结合鱼体的生物参数，通过对刚性脊椎梁参数和多通道鱼体参数进行优化选择，实现柔性仿生鱼的变刚度特性，从而获得快速高效的游动特性。

本发明设计的具体步骤为：

步骤1：选取鱼类仿生对象并测量相关参数

根据研究目的，选择某类型摆动推进的鱼类作为仿生对象，如鳗鲡科鱼类、鲹科鱼类、亚鲹科鱼类和鲔科鱼类等。初步测量鱼体的弯曲刚度，然后按照一定间隔将鱼体进行解剖，测量各区间段横截面的长度，宽度，面积等，得到鱼体外形参数，并根据鱼体外形尺寸制作仿生机器鱼的外形模具。

步骤2：设计并制作鱼体柔性脊椎结构

所设计的鱼体刚体脊椎结构主要有弹性梁、脊椎硬块、底板和绳索固定端组成。在脊椎结构中，脊椎硬块被固定在弹性梁的不同位置上，并通过绳索驱动末端脊椎块来实现弯曲变形。在该设计中，可通过选择不同数目的脊椎硬块和多个驱动绳索来实现不同的弯曲刚度。其中，柔性脊椎的弹性梁可由不同材料制作，不同材料有着不同的弹性模量。

步骤3：设计并制作多通道的鱼体肌肉系统

结合测量的鱼体外形参数，设计不同形式的多通道鱼体肌肉系统，以实现鱼体的变刚度特性。对于多通道肌肉系统，可设计不同的通道宽度、通道型式以及通道之间宽度。另外，多通道系统的变形还受材料特性的影响。该类型机器鱼可根据通道参数的设计优化，以获得机器鱼弯曲刚度的大范围变化。

步骤4：驱动系统和控制系统的设计

将所设计的驱动系统和控制系统固定在仿生机器鱼的头部位置，用来控制机器鱼的驱动幅值和驱动频率，以实现机器鱼不同的推进性能。可采用直流电机或者舵机进行驱动，并通过单片机等控制器来实现鱼体的往复摆动运动。通过绳索将驱动器产生的力矩传递到鱼体脊椎上，该部分设计要求结构简单，体积小，控制精度高。

步骤5：柔性变刚度仿生机器鱼整体成型

在本发明中，所设计的刚柔耦合变刚度机器鱼主要由鱼头部分和鱼尾部分组成，这两部分由连接隔板进行固联。鱼头部分约占机器鱼全长的三分之一，其内部主要用来放置锂电池、驱动系统(如舵机等)和控制系统。将所设计的柔性脊椎结构和多通道肌肉系统安置在鱼尾部分，并将这些结构放置在鱼体模具某一位置，并通过浇注粘弹性材料(如硅胶等)凝固形成粘弹性柔性尾体部分。通过控制多通道内流体的流动方向、流动速度和压力来改变鱼体的弯曲刚度。此外，该机器鱼还可以优化脊椎结构和多通道系统的参数，以进一步提高其推进性能。

本发明的优点是：

与现有仿生机器鱼的设计方法相比，本发明采用连续脊椎梁与多通道肌肉系统相叠加的方式来制作柔性机器鱼，从整体上充分考虑了鱼类变刚度特性对其推进性能的影响，对提高仿生机器鱼推进性能有着重要的意义。其优点在于：

(1)在连续柔性脊椎梁上，可通过改变脊椎硬块和绳索驱动数目，能够实现机器鱼不同的基础刚度。

(2)对于多通道肌肉系统，可通过通道型式、通道宽度以及通道之间距离的优化设计，通过实现机器鱼较大范围的变刚度。

(3)可通过单个驱动单元(电机或舵机等)进行驱动，结构简单，外形匹配程度高，整体柔顺性好。

(4)可通过调整驱动幅值和驱动频率来匹配鱼体弯曲刚度，以获得柔性仿生鱼的快速高效的游动性能。

附图说明

图1为仿生机器鱼的柔性脊椎结构a；

图2为仿生机器鱼的柔性脊椎结构b；

图3为仿生机器鱼的柔性脊椎结构c；

图4为仿生机器鱼脊椎的弯曲变形示意图；

图5为仿生机器鱼脊椎梁结构的受力分析图；

图6为仿生鱼多通道未变形状态示意图；

图7为仿生鱼多通道变形状态示意图；

图8为仿生机器鱼的总体结构示意图；

图9位图8中a-a剖视图。

附图标记说明：1-底板，2-弹性梁，3-绳索固定端，4-脊椎硬块，5-流体通道，6-硬质边界层，7-变形区域，8-直流伺服电机，9-连接隔板，10-多通道肌肉系统，11-尾鳍。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

首先介绍本发明的数学原理。

(1)仿生机器鱼柔性脊椎的刚度分析

柔性机器鱼的脊椎结构主要由底板1、弹性梁2和脊椎硬块4组成，并由绳索驱动实现往复摆动运动，参见附图1-3。对于某段脊椎硬块4，对应的刚度k为：

k(x)＝e1i1(x)+e2i2(x)(1)

其中，e1和e2分别是弹性梁2和脊椎硬块4对应材料的弹性模量，i1(x)和i2(x)分别是弹性梁2和环形脊椎硬块4的截面惯性矩，与形状尺寸相关。在本发明中，通过添加脊椎硬块4来改变截面尺寸和弹性模量，从而初步匹配柔性机器鱼的刚度分布情况。

将柔性脊椎看作是连续多段变截面的欧拉-伯努利梁，可利用积分法求解变形挠度。首先，利用脊椎硬块4的分布，将脊椎结构分成n段，各段截面尺寸一致。根据弯矩、剪力和载荷的关系，求解柔性脊椎挠度的表达式。

式中，mi(x)、hi和θi为第i段脊椎单元所受的弯矩、挠度和转角。利用各段之间的变形协调条件，即：

hi(x)e＝hi+1(x)b，θi(x)e＝θi+1(x)b(3)

式中，hi(x)e和θi(x)e分别表示第i段脊椎单元末端位置处的挠度和转角，hi+1(x)b和θi+1(x)b分别表示第(i+1)段脊椎单元初始位置处的挠度和转角。根据求解各段的变形情况，最后拟合得到柔性脊椎的变形曲线。

(2)多通道系统的变刚度分析

当柔性脊椎弯曲时，会挤压通道变形。将流体施加在多通道系统中，流体产生的压力会使通道变形，并通过改变流动方向和流体压力来改变弯曲刚度。设流体施加到通道轴向和侧向上的载荷分别为δ和p，对应的合力分别为f(x)和s(x)，具体见附图4-5所示。

在变形过程中，通道受到脊椎弯曲力矩的作用，对应的弯曲力矩记为m(x)，该侧向力方向垂直于通道表面。在本发明中，通道由粘弹性材料制作而成，在变形过程中会受弹性力和粘性力的作用。假设通道微段dx的转角为θ，在其横向上所受到的外力有弹性力q(x)和-q(x+dx)，外力-f(x)和f(x+dx)在轴上的投影，气压产生的侧向力s(x)在轴上的投影的代数和为0，在分析时不再考虑。

由牛顿第二定律，微段通道的横向运动满足方程：

式中ρ——通道单元的密度；

a——通道横截面的面积；

h——通道的变形位移。

根据材料力学，转角θ和弹性力q(x)可表示为：

式中e——通道材料的弹性模量；

i——通道横截面的截面惯性矩；

μ——鱼尾模型的粘性系数。

将θ和q(x)代入式(2)，可得到通道单元的弯曲振动微分方程为：

为了说明多通道肌肉系统的变刚度特性，设e(x)、μ(x)、i(x)和f(x)为常数，即通道单元等效为受外力作用的等截面均质梁，上式的解可写成：

h(x，t)＝h(x)sin(wt+θ)(7)

将解的一般形式代入方程(4)，得到：

eih⁽⁴⁾(x)-fh″(x)-ρaw²h(x)＝0(8)

根据该方程，求解变形通道的固有频率方程为：

由上式可知，f对柔性通道弯曲振动的固有频率有影响，而气压载荷的侧向力s对固有频率没有影响，鱼体尾部受到的轴向力f后，弯曲刚度增加，固有频率也增大。式(9)从理论上说明了气压改变弯曲刚度的可行性。在不考虑气压导致鱼尾的变形对弯曲振动固有频率的影响时，固有频率wn与气压p呈正比例关系。

其次介绍本发明的具体实施过程。以摆动推进鱼类为仿生对象，通过对其外形的测量建立机器鱼的三维模型，设计并制作对应机器鱼的外形模具。根据设计要求，分别设计柔性脊椎和流体多通道系统，并将其放置在鱼体模具中成型，并在无水条件下测试机器鱼弯曲刚度的变化情况。然后，将驱动系统和控制系统安装在鱼体头部，并将鱼体头部与变刚度尾体部分相固联。最后，在不同的驱动条件下，测试柔性机器鱼在水下的变刚度特性，并进一步优化机器鱼的游动性能。

下面以鲹科鱼类为仿生对象来说明实验步骤，具体为：

步骤1：生物原型的数据测量

选择鲹科鱼类为仿生对象，该类型鱼具有巡游速度快和游动效率高的特点。通过测量活体鱼的长度和密度，然后将鱼体进行等距解剖，测量各部分截面的形状尺寸，包括横向尺寸、径向尺寸、背鳍长度、腹鳍以及尾鳍长度等。最后，建立鱼体的三维模型，测量各部分的质量并计算其沿长度方向上的质量分布情况，并进一步计算鱼体刚度的分布情况。

步骤2：机器鱼脊椎结构的设计并制作

根据测量的鱼体刚度，选择合适尺寸的弹性梁2和脊椎硬块4，将脊椎硬块4等距安装在弹性梁2上。将绳索一端固定在末端件上的绳索固定端3，另一端穿过脊椎硬块4的细孔，并与驱动机构相连接，实现鱼体脊椎的弯曲以及柔性尾体的往复摆动。如附图1-3所示，还可通过脊椎硬块4数目和绳索驱动数目的优化设计，模拟鱼类身体不同的弯曲形式。

步骤3：机器鱼多通道肌肉系统的设计并制作

结合机器鱼的外形参数和柔性脊椎的尺寸，选择合适的多通道型式以及对应参数来满足仿生机器鱼的变刚度设计要求。如附图6-7所示，多通道系统的材料将会直接影响鱼体的变形，通道的阵列型式以及通道参数会直接影响鱼体的变刚度特性。因此多通道肌肉系统10由硬质边界层6和变形区域7构成，其内设有流体通道5；变形区域7由粘弹性材料如硅胶构成。另外，可选择多个通道回路来实现柔性鱼体不同位置处的单独控制，以实现鱼体的俯仰、偏航和扭转等运动。本例选择四个多通道流体回路，如附图9所示，附图9为附图8的结构剖视图。其中，回路中的流体由微型泵来驱动，而每个多通道回路可通过微型阀来实现控制。

步骤4：仿生机器鱼驱动和控制系统的设计与制作

柔性机器鱼的运动控制系统可由单片机、7.4v锂电池和5v稳压器等组成，而控制系统的选择主要取决于驱动器(直流电机、步进电机或舵机)的选择。在本例中，选择舵机hs-7940th作为驱动单元，无线遥控模块采用芯片pt2262/pt2272，具有低功耗和耐干扰的特点。将所有零件、控制系统和无线系统都集成到一个机器鱼内。

步骤5：仿生机器鱼的整体装配及推进性能测试

在本例中，所设计的仿鲹科机器鱼总长度为360mm，鱼体头部长度为140mm。鱼体头部外壳利用3d打印加工得到，鱼体尾部利用模具成型技术由粘弹性材料制作而成。本例选择的粘弹性材料是零度硅胶，具有流动性好、抗撕裂强度高和弹性好等优点。在机器鱼中，驱动元件、绳索传动机构以及控制系统均被放置在鱼体头部位置，由弹性蒙皮覆盖在鱼体表面以保证整体密封。

柔性机器鱼体采用流体多通道结构来改变弯曲刚度。在本例中，所设计机器鱼的多通道结构长度为120mm，能够有效地改善机器鱼结构的柔顺性。舵机位置是由连接隔板和舵机固定框来进行固定。舵机在鱼体头部产生力矩，通过传动绳索和活动板将力矩传递到鱼体尾部，而活动板与尾部硅胶固化为一个整体。为了避免控制模块和无线模块的导线与转动舵盘之间发生缠绕，鱼体头部上下两部分由舵机前挡板进行隔离。此外，在机器鱼尾体内部设置专门孔道来放置传动绳索，以减小摩擦。

最后，将研制的刚柔耦合变刚度柔性机器鱼放置在水中，通过无线遥控系统和控制系统来调整舵机的摆动频率和转动幅值，使机器鱼在不同刚度条件下获得不同的游动性能。

以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。