一种软体机器鱼及其控制方法

本发明涉及水下机器人领域，特别是涉及一种软体机器鱼及其控制方法。

背景技术：

1、随着人类对海洋的探索日趋深入，越来越多的海洋观测装备被研究出来。水下环境复杂性和不确定性给海洋观测装备的使用带来巨大的挑战，比如大型的海洋探测装置操作受限，水下运动能量消耗巨大，且燃料难以补给。因此急切需要一种水下运动灵活且可长时间巡航的水下探测装备，软体仿生机器人应运而生。软体仿生机器人常用硅胶、pdms等柔性材料制成，具有良好的疏水性，可以包裹内部的电子器件并与水环境隔离。其次，软体机器人的运动自由度相较于传统的刚性机器人有了较大的提升，在水下复杂环境中可以提供更多的运动选择性。

2、鱼类作为海洋中最为常见、种类众多、游动性能良好的生物，其进化保留下的高效快速的游动能力得到了研究人员的青睐，大量的仿生机器鱼被研发用于模拟和探索鱼类优秀的游动性能。其中，仿生机器鱼结合软体智能材料，可以保证快速的游动性能并具有耐压防水的结构优势，成为了水下探测领域的新型实用装备。如何减少游动耗能，更高效地完成仿生机器鱼的游动控制，是现有技术所面临的挑战和难点。

3、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服上述现有技术中的缺陷，提供一种游动效率高、低耗能的软体机器鱼及其控制方法。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种软体机器鱼控制方法，包括：

4、通过传感器实时监测机器鱼游动时的速度、加速度和航向角；

5、根据摆动方程和实时监测的速度、加速度和航向角，确定出最优的摆动参数；其中，所述摆动方程由水环境阻力与游动速度的函数、机器鱼的运动动能、机器鱼外壳在受应力形变时的储存函数即熵弹性，表征机器鱼位姿的广义坐标，以及表征机器鱼所受的驱动力和流体作用力的广义力共同确定；

6、通过中央模式发生器cpg调节控制参数，控制机器鱼按照最优的摆动参数进行摆动，调整机器鱼的游动速度和游动方向。

7、进一步地：

8、所述摆动方程为：

9、

10、其中 ，e k为机器鱼的运动动能、 w为机器鱼外壳在受应力形变时的储存函数即熵弹性，为广义坐标，为广义力， t为时间。

11、取机器鱼的3个串联关节的相对角位移为广义坐标，取机器鱼的关节驱动力矩和流体与鱼体的相互作用力为广义力。

12、机器鱼外壳在受应力形变时的储存函数即熵弹性 w为：

13、

14、其中，g为剪切模量，机器鱼视为由有限的可拉伸的弹性单元连接组成，弹性单元视为长方体，其各边的伸长率表示为，定义为：

15、

16、其中，为各边的初始长度，为各边的长度改变量，当伸长率时，弹性单元被拉伸，当伸长率时，弹性单元被压缩。

17、所述中央模式发生器cpg的控制网络的特征如下：

18、

19、式中，，分别代表对应于机器鱼各个关节的第i个神经元当前的兴奋和抑制状态，，分别代表对应于机器鱼各个关节的第i-1个神经元当前的兴奋和抑制状态，，分别代表对应于机器鱼各个关节的第i+1个神经元当前的兴奋和抑制状态，，分别代表第i个神经元下一时刻的兴奋和抑制状态，代表第i个神经元的振荡频率，表示第i个振荡单元的最大振荡幅值；决定振荡器的收敛速度；是最近耦合的两个振荡器相位差，是最近耦合振荡器相位差的耦合系数。

20、机器鱼的内部采用三级舵机串联，所述cpg控制网络产生的控制信号作为所述三级舵机的输入，通过控制三级舵机的摆动驱动机器鱼游动。

21、所述传感器包括惯性测量单元imu，其感知机器鱼游动时空间状态的3轴瞬时加速度和航向角。

22、机器鱼的外壳采用硬度小于50的硅胶材料。

23、一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序由处理器执行时，实现所述的软体机器鱼控制方法。

24、一种软体机器鱼，包括机器鱼身体和处理器，所述处理器经配置以执行所述的软体机器鱼控制方法。

25、本发明具有如下有益效果：

26、本发明提供一种软体机器鱼控制方法，通过传感器实时监测机器鱼游动时的速度、加速度和航向角；根据摆动方程和实时监测的速度、加速度和航向角，确定出最优的摆动参数；通过中央模式发生器cpg调节控制参数，控制机器鱼按照最优的摆动参数进行摆动，根据本发明的方法，能够减少机器鱼摆动消耗的能量，提高游动效率，延长机器鱼的游动续航时间。本发明兼具低耗能和多场景定速巡航的优点。

27、本发明实施例还具有如下优点：

28、1.软体仿生机器鱼采用软体硅胶外壳，和3级串行舵机结构，游动灵活，仿生性强，且能有效减少游动耗能。

29、2.软体仿生机器鱼的外壳采用硬度小于50的硅胶浇筑，其外形设计为流线型，硅胶材料可以大幅提高外壳柔顺性，减少游动受到的阻力，提高机器鱼的仿生性。

30、3.机器鱼的外壳紧贴骨架，减少额外空间，尾部向沿身体中心线外侧摆动时，硅胶外壳受到应力产生拉伸形变，一部分动能转化为熵弹性储存在硅胶外壳中，当尾部达到摆动预设方程的最外侧时，释放力矩，利用硅胶外壳中储存的熵弹性摆动回到沿身体中心线的起始位置，可以有效减少游动耗能。

31、4.机器鱼控制方程采用基于hopf的改进cpg控制方法，简化计算步骤，加强相邻关节耦合，可以更高效的完成机器鱼的实时闭环控制。

32、5.通过拉格朗日方程和能量守恒定律分析机器鱼运动状态，计算获得机器鱼在不同环境下的理论游速和舵机扭矩，产生相应控制信号输入舵机做出相应游动动作，收集传感数据调整控制信号参数完成闭环控制，实现在不同环境下的定速游动。

33、本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。

技术特征：

1.一种软体机器鱼控制方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的软体机器鱼控制方法，其特征在于，所述摆动方程为：

3.如权利要求2所述的软体机器鱼控制方法，其特征在于，取机器鱼的3个串联关节的相对角位移为广义坐标，取机器鱼的关节驱动力矩和流体与鱼体的相互作用力为广义力。

4.如权利要求1至3任一项所述的软体机器鱼控制方法，其特征在于，机器鱼外壳在受应力形变时的储存函数即熵弹性w为：

5.如权利要求1至3任一项所述的软体机器鱼控制方法，其特征在于，所述中央模式发生器cpg的控制网络的特征如下：

6.如权利要求5所述的软体机器鱼控制方法，其特征在于，机器鱼的内部采用三级舵机串联，所述cpg控制网络产生的控制信号作为所述三级舵机的输入，通过控制三级舵机的摆动驱动机器鱼游动。

7.如权利要求1至3任一项所述的软体机器鱼控制方法，其特征在于，所述传感器包括惯性测量单元imu，其感知机器鱼游动时空间状态的3轴瞬时加速度和航向角。

8.如权利要求1至3任一项所述的软体机器鱼控制方法，其特征在于，机器鱼的外壳采用硅胶材料。

9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序由处理器执行时，实现如权利要求1至8任一项所述的软体机器鱼控制方法。

10.一种软体机器鱼，包括机器鱼身体和处理器，其特征在于，所述处理器经配置以执行如权利要求1至8任一项所述的软体机器鱼控制方法。

技术总结
一种软体机器鱼及其控制方法，该方法包括：通过传感器实时监测机器鱼游动时的速度、加速度和航向角；根据摆动方程和实时监测的速度、加速度和航向角，确定出最优的摆动参数；其中，所述摆动方程由水环境阻力与游动速度的函数、机器鱼的运动动能、机器鱼外壳在受应力形变时的储存函数即熵弹性，表征机器鱼位姿的广义坐标，以及表征机器鱼所受的驱动力和流体作用力的广义力共同确定；通过中央模式发生器CPG调节控制参数，控制机器鱼按照最优的摆动参数进行摆动，调整机器鱼的游动速度和游动方向。本发明的方法能够减少机器鱼摆动消耗的能量，提高游动效率，延长机器鱼的游动续航时间，兼具低耗能和多场景定速巡航的优点。

技术研发人员：曲钧天,王云飞
受保护的技术使用者：清华大学深圳国际研究生院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17