[发明专利]基于背鳍与鱼身双重耦合运动的仿生带鱼机器人及方法

说明书

一种基于背鳍与鱼身双重耦合运动的仿生带鱼机器人及方法，属于机器人技术应用领域。多关节仿生带鱼机器人包括带鱼头部、N个身体单元、带鱼尾部、扭簧和背鳍，共五大部分。其中带鱼头部内有一重心调节机构，可实现上下俯仰的姿态调节。可通过背鳍独立波动和各个身体单元的摆动带来的反作用力实现向前运动，极大地模拟现实中带鱼的真实运动模式，研究在实现机动性及稳定性的同时，提高推进效率。其对于水下管道质量检测、水质检测等领域具有重要研究意义和应用价值。

技术领域

该发明属于机器人技术应用领域，具体涉及到一种基于身体BCF推进和背鳍正弦运动耦合方式进行运动的多关节仿生带鱼机器人的机械结构、运动方式。该发明可以满足水下管道内水质以及泄漏点检测等功能，也可以应用在自然水域的环境中对野生生物活动进行观测。

背景技术

仿生机器鱼模仿鱼类的外形和运动模式，以求达到鱼类运动高效、快速的特点，摆脱了传统螺旋桨推进器水下机器人噪声大、效率低、耗能高等缺点，是近年来水下推进器研究的热点。据估计，85%的鱼类以身体和/或尾鳍推进(Body and/or caudal finpropulsion，BCF)模式作为常规推进模式。BCF模式游动连续、快速、效率高。BCF 推进通过躯干伸缩波动和尾鳍摆动形成推力，游动速度快、效率高、快速启动性能高，适合长时间、长距离高速度的游动或需要瞬时加速或转向的场合，而BCF模式又细分为括鳗鲡模式、亚鲹科模式、鲹科模式、鲔科模式和箱鲀科模式，该五种模式由波动逐渐向摆动过渡。目前对鳗鲡模式的仿生鱼研究主要集中于鳗鱼，对仿带鱼机器人的研究相对较少。而带鱼和鳗鱼相比，鳗鱼游动只靠身体的波动，而带鱼在身体波动的基础上加入了背鳍的波动。

相比于一些运动结构相似的机器人，由冯亿坤研发的“仿鳗鱼水下多自由度机器人”CN201510700641.2设计了一种十字架结构，单个十字架结构的上下两个框架内部各安装一个舵机，两个舵机协调配合，驱动十字架结构的三维旋转，单个十字架结构作为机器人的一个关节，组成机器人的身躯，舵机通过齿轮驱动各个关节的转动，实现机器人的运动，解决了类似的机器人结构复杂、自由度低和成本高的问题；由华南理工大学研发的“一种多段欠驱动仿生鳗鱼机器人”CN202210243311.5，针对类似机器人多电机控制能量转换效率低和采用的软体长度过长，驱动段对鳗鱼身体运动的控制有限，难以模拟鳗鱼游动时的波形传递的问题进行研究，发明了一种新型仿生鳗鱼机器人，包括至少两个牵引段和至少两个随动段，牵引段包括第一牵引段和第二牵引段，随动段包括中部随动段和尾部随动段，第一牵引段、中部随动段、第二牵引段和尾部随动段依次相连，通过两个牵引段加两个随动段的多段欠驱动结构，能够更好地模拟真实鳗鱼的波形传递和游动步态；由陈江研发的“一种水下多自由度鳗鱼机器人”CN201922376598.5针对现有的鳗鱼仿真机器相邻关节多通过导线连接，长时间扭动后导线易磨损，在水底活动时容易漏电短路，造成损坏的问题，设计了一种新型水下多自由度鳗鱼机器人，依次包括头端模块、第一节点模块、第二节点模块和尾端模块，所述第一节点模块和第二节点模块设于头端模块和尾端模块之间，第一节点模块铰接设于头端模块和第二节点模块上，第二节点模块铰接设于第一节点模块上，尾端模块铰接设于第一节点模块上，但是通过螺旋桨来进行推进；由浙江大学研发的“一种基于化学放能反应驱动的仿带鱼高速软体机器人”CN202010589341.2 针对传统刚性机器人具有体积大、重量高、噪声大以及环境适应能力差等缺点研发了一种软体机器人，包括鱼头模块、鱼身模块及鱼尾模块，鱼头模块包括鱼头壳体，鱼头壳体内设置刚性放能反应仓、可燃剂存储单元、助燃剂存储单元及放能反应激励装置，刚性放能反应仓内滑动配合刚性推板，鱼身模块包括柔性鱼骨、约束组件及柔性鱼皮，鱼尾模块包括鱼尾固定块，通过瞬变速现象与板材料后屈曲现象的共同作用，可实现软体机器人的快速驱动。

与以上案例相比，本发明的每个身体单元上，通过一个舵机驱动固定在扭簧上的背鳍摆动，另一个舵机驱动鱼身实现正弦波动，最终实现一种基于背鳍与鱼身双重耦合运动的仿生带鱼机器人的制作。其以较低廉的成本，巧妙的结构设计，外加合理有效的防水措施，实现并达到同等项目的实验结果，这种多关节仿生带鱼机器人及方法在国内并未开展过具体研究。

发明内容