一种伺服驱动装置及使用该装置的仿生鱼的制作方法

【技术领域】

本发明涉及仿生鱼技术领域，尤其涉及的一种伺服驱动装置及使用该装置的仿生鱼。

背景技术：

随着科学技术的发展，人类对海洋监测和调查任务多样性的需求也日益增长。当作业任务需要远距离航行或长时序在位工作时，采用仿生模式，在该模式下通过变化自身排水体积进而改变浮力，通过调整内部压载质量的位置来改变自身姿态，并通过鱼鳍实现高效滑翔运动，是非常有必要的。当前深海鱼仿生鱼技术领域中，仿生鱼在海上作业时，经常出现能量不足，转向困难，与主站联络不便的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种伺服驱动装置及使用该装置的仿生鱼，能够满足人类未来对海洋监测和调查任务多样性的需求。当作业任务需要远距离航行或长时序在位工作时，采用仿生模式，在该模式下通过变化自身排水体积进而改变浮力，通过调整内部压载质量的位置来改变自身姿态，并通过鱼鳍实现高效滑翔运动，有效节约能量；当作业任务需要快速机动或精确监测、跟踪时伺服电机推进模式，在该模式下前进动力由螺旋桨提供，并通过调节舵角来改变航向，操纵机动灵活。

为解决上述技术问题，一方面，本发明一实施例提供了一种伺服驱动装置，包括通过电连接的控制主机、微控制器、无线电发射机、人造肌肉、第一伺服电机、第二伺服电机，所述伺服驱动装置由所述控制主机控制，控制主机发送信号到ble链路收发器无线传输到浮动站，浮动站的ble链路接收信号并将其传输给所述微控制器，所述微控制器的数据传输到基站。

优选地，所述人造肌肉包括生物金属纤维。

优选地，所述微控制器设于仿生鱼头顶部。

优选地，所述无线电发射机设于仿生鱼头侧部。

优选地，所述人造肌肉设于仿生鱼鱼鳍上。

优选地，所述仿生鱼鱼鳍包括胸鳍，背鳍，肛鳍，尾鳍。

优选地，所述第一伺服电机设于所述胸鳍和尾鳍的中间一侧。

优选地，所述第二伺服电机设于所述胸鳍和尾鳍的中间另一侧。

另一方面，本发明一实施例提供了一种仿生鱼，包括壳体，以及上述的伺服驱动装置。

优选地，所述人造肌肉附着在鱼鳍上，由电线通过穿线孔连接所述仿生鱼壳体内电路，由电路通断电来实现形变与复原，从而实现鱼鳍摆动。

优选地，当所述第一伺服电机臂向转弯方向移动90度时，所述第一伺服电机和第二伺服电机同时驱动；当所述第一伺服电机臂恢复到原来位置时，所述第一伺服电机和第二伺服电机异步驱动。

优选地，当所述第二伺服电机臂向转弯方向移动90度时，所述第一伺服电机和第二伺服电机同时驱动；当所述第二伺服电机臂恢复到原来位置时，所述第一伺服电机和第二伺服电机异步驱动。

优选地，还包括加速度传感器和陀螺仪感应器。

优选地，还包括摄像机，所述摄像机设于所述仿生鱼头部。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：融合仿生和伺服电机驱动方式的新型水下机器人，能满足人类未来对海洋监测和调查任务多样性的需求。当作业任务需要远距离航行或长时序在位工作时，采用仿生模式，在该模式下通过变化自身排水体积进而改变浮力，通过调整内部压载质量的位置来改变自身姿态，并通过鱼鳍实现高效滑翔运动，有效节约能量；当作业任务需要快速机动或精确监测、跟踪时伺服电机推进模式，在该模式下前进动力由螺旋桨提供，并通过调节舵角来改变航向，操纵机动灵活。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明伺服驱动装置驱动原理图。

图2是本发明仿生鱼的结构示意图。

图3(a)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中胸鳍1和尾鳍4的结构示意图。

图3(b)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中胸鳍1和尾鳍4的驱动图像示意图。

图3(c)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中背鳍2和肛鳍3的结构示意图。

图3(d)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中背鳍2和肛鳍3的驱动图像示意图。

图3(e)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中胸鳍1和尾鳍4的结构示意图。

图3(f)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中胸鳍1和尾鳍4的驱动图像示意图。

图4(a)是本发明仿生鱼鱼鳍阻力三分量力学测量示意图。

图4(b)是本发明仿生鱼的胸鳍1和尾鳍4原始的结构示意图。

图4(c)是本发明仿生鱼的胸鳍1和尾鳍4改进后的结构示意图。

图5(a)是本发明仿生鱼在原始的胸鳍1和尾鳍4上产生的阻力示意图。

图5(b)是本发明仿生鱼在改进后的胸鳍1和尾鳍4上产生的阻力示意图。

图6是本发明仿生鱼在直线轨迹中游动的第一伺服电机和第二伺服电机控制信号示意图。

图7是本发明仿生鱼在快速转弯试验期间对两台伺服电机的控制信号示意图。

图8(a)是本发明仿生鱼在快速转弯试验期间对背鳍的控制信号。

图8(b)是本发明仿生鱼在快速转弯试验期间对肛鳍的控制信号。

图8(c)是本发明仿生鱼在快速转弯试验期间对尾鳍的控制信号。

图8(d)是本发明仿生鱼在快速转弯试验期间对胸鳍的控制信号。

图9是本发明仿生鱼最大前进速度和计算得到的平均推力随驱动周期的变化示意图。

图10是本发明仿生鱼在无循环水流水箱中的加速度示意图。

图11是本发明仿生鱼在无循环水流水箱中的速度示意图。

图12是本发明仿生鱼在控制实验中的加速度示意图。

图13是本发明仿生鱼在控制实验中的速度示意图。

图14是推进器式航行器的布置示意图。

图15是本发明仿生鱼所处的仿真海藻环境示意图。

图中，1-胸鳍，2-背鳍，3-肛鳍，4-尾鳍，5-加速度传感器和陀螺仪感应器，6-摄像机，7-微处理器，8-电池，9-无线电发射器，10-第一伺服电机，11-第二伺服电机，12-人造肌肉，13-硅片，14-聚苯乙烯氯化物薄片,15-伺服电机，16-直流电机，17-推进器，18-推进器防护罩。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

一种伺服驱动装置，包括通过电连接的控制主机、微控制器、无线电发射机、人造肌肉、第一伺服电机、第二伺服电机，所述伺服驱动装置由所述控制主机控制，控制主机发送信号到ble链路收发器无线传输到浮动站，浮动站的ble链路接收信号并将其传输给所述微控制器，所述微控制器的数据传输到基站。所述人造肌肉包括生物金属纤维。所述微控制器设于仿生鱼头顶部。所述无线电发射机设于仿生鱼头侧部。所述人造肌肉设于仿生鱼鱼鳍上。所述仿生鱼鱼鳍包括胸鳍，背鳍，肛鳍，尾鳍。所述第一伺服电机设于所述胸鳍和尾鳍的中间一侧。所述第二伺服电机设于所述胸鳍和尾鳍的中间另一侧。

图1是本发明伺服驱动装置驱动原理图。如图1所示，本发明伺服驱动装置的驱动原理为：由ble链路输入指令，控制主机作为比较元件，微控制器作为调节元件，人造肌肉作为执行元件；仿生鱼作为被控对象；伺服电机为输出量，主机担任测量的任务，ble链路为反馈元件。具体实施时，控制主机可以但是不限于为手持遥控设备。

蓝牙低能耗(bluetooth即ble)技术是低成本、短距离、可互操作的鲁棒性无线技术，工作在免许可的2.4ghzism射频频段。它从一开始就设计为超低功耗(ulp)无线技术。它利用许多智能手段最大限度地降低功耗。蓝牙低能耗技术采用可变连接时间间隔，这个间隔根据具体应用可以设置为几毫秒到几秒不等。另外，因为ble技术采用非常快速的连接方式，因此平时可以处于“非连接”状态(节省能源)，此时链路两端相互间只是知晓对方，只有在必要时才开启链路，然后在尽可能短的时间内关闭链路。ble技术的工作模式非常适合用于从微型无线传感器(每半秒交换一次数据)或使用完全异步通信的遥控器等其它外设传送数据。这些设备发送的数据量非常少(通常几个字节)，而且发送次数也很少(例如每秒几次到每分钟一次，甚至更少)。蓝牙低能耗技术的三大特性成就了ulp性能，这三大特性分别是最大化的待机时间、快速连接和低峰值的发送/接收功耗。ble的链路层，主要有一个或多个状态机构成，状态机有5中状态，分别是standby(待机),advertise(广播),scan(扫描),init(初始化),connect(连接)。链路层上层是ble的host端(主机端)，下层是物理层(调制解调，rf等)。从空中的通道来看，ble的通道分成2类：广播通道和数据通道。

本研究提出了一种利用人造肌肉和伺服电机作为驱动机构来驱动仿生鱼实现游动的装置。该尾部由伺服电机驱动，尾鳍、两个胸鳍、背鳍和肛鳍均由聚苯乙烯氯化物制成，并且均由人造肌肉驱动。

实施例二

图2是本发明仿生鱼的结构示意图。从图2中可以看出，两台伺服电机均被安装在身体中间部分的一个“关节”处，“关节”在仿生鱼尾鳍和两个胸鳍的中间处。两台伺服电机分别置于尾鳍和胸鳍的两侧。与仿生鱼身体部分相连接的尾鳍、胸鳍、背鳍和肛鳍均由人造肌肉所驱动。由于使用两台伺服电机，该仿生鱼在关节中的最大角速度和角度范围均为单电机仿生鱼的两倍。这种振荡机构近似于两个旋转执行机构，即伺服电机。伺服电机的驱动通过连杆传递。这个机制有助于模拟真实的鱼类推进运动。

本研究就仅使用伺服电机的仿生鱼的运动与同时使用伺服电机和人造肌肉的仿生鱼进行了比较。真实的鱼类会使用其胸鳍进行转向和停止。在快速转弯过程中，身体部分会通过在一侧产生阻力而实现偏转。本研究还就在快速转弯过程中，仅使用伺服电机的仿生鱼的运动与同时使用伺服电机和人造肌肉的仿生鱼进行了比较。

在偏转过程中，尾鳍和胸鳍能够提供驱动力，而背鳍和肛鳍则能够提供俯仰方向的驱动力。背鳍和肛鳍的使用增加了机器人在相对流动方向的阻力系数。由于鱼鳍表面较平且是否轻巧，因此这将会增加作用在身体之上的转动扭矩，进而导致作用在鳍上的惯性力减小，而作用在鳍上的阻力增大。因此，这就使得该仿生鱼的转角增加。

图3(a)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中胸鳍1和尾鳍4的结构示意图。图3(b)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中胸鳍1和尾鳍4的驱动图像示意图。图3(c)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中背鳍2和肛鳍3的结构示意图。图3(d)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中背鳍2和肛鳍3的驱动图像示意图。图3(e)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中胸鳍1和尾鳍4的结构示意图。图3(f)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中胸鳍1和尾鳍4的驱动图像示意图。如图3(a)～图3(f)所示，x轴、y轴和z轴分别为沿机器人身体的长度、宽度和高度进行延伸的方向。该仿生鱼的鳍部均由人造肌肉、聚苯乙烯氯化物薄片和硅片制成。在身体连接处均是用粘合剂进行粘合。本研究所用粘合剂为丙烯基改性有机硅树脂。

与产生的惯性力相比，胸鳍和尾鳍所产生的阻力要大得多。该仿生鱼背鳍和肛鳍的存在增加了其后半部的垂直于流动方向的投影面积及阻力系数。当这些鳍展开时，该仿生鱼在执行快速转弯动作时的性能会显著提高。

对该仿生鱼的鱼鳍原始形状进行了一定程度上的改进以增加阻力，以进行作用在鱼鳍上的流体力进行研究。本研究利用三分量力学传感器对人造肌肉在通电过程中鱼鳍的阻力进行了测定。图4(a)是本发明仿生鱼鱼鳍阻力三分量力学测量示意图。图4(b)是本发明仿生鱼的胸鳍1和尾鳍4原始的结构示意图。图4(c)是本发明仿生鱼的胸鳍1和尾鳍4改进后的结构示意图。从图4(b)、图4(c)图中对比可以发现，改进后的鱼鳍上下部分增加了一定平滑的弧度。

图5(a)是本发明仿生鱼在原始的胸鳍1和尾鳍4上产生的阻力示意图。图5(b)是本发明仿生鱼在改进后的胸鳍1和尾鳍4上产生的阻力示意图。从图5(a)、图5(b)中可以看出，改进后鱼鳍上的阻力要大于原鱼鳍上的阻力，这是因为鱼鳍的面积集中于其鱼鳍尖部附近，而这一区域正是相对速度最大的一个部分。

本研究采用微控制器mbednxplpc1768(nxp半导体)对该仿生鱼进行运动控制。采用xbeepro(digiinternational)作为无线电发射机，以实现从岸上对仿生鱼工作情况的检查。电池机器人由playstation2控制。来自playstation2的信号通过ble链路收发器无线传输到浮动站。浮动站的ble链路接收信号并通过2线通信协议usart将其传输给微控制器。同样，来自机器人的数据传输到基站。它还致力于开发机器人鱼和基站之间的单一通信模式，克服了介质变化的困难，采用输出电压为11.1v的聚合物锂电池。具体实施时，该仿生鱼长度为258mm，在空气中的重量为394g。

图6是本发明仿生鱼在直线轨迹中游动的第一伺服电机和第二伺服电机控制信号示意图。如图6所示，本发明对鱼鳍形状改进后的仿生鱼的游动性能进行了实验评价。本研究在驱动周期为0.25、0.3、0.4、0.5和0.6s时，分别对该仿生鱼的最大前进速度进行了测量。图6中控制信号为两台伺服电机在直线游动时的偏航角度之和。

图7是本发明仿生鱼在快速转弯试验期间对两台伺服电机的控制信号示意图。如图7所示，本研究以细长体理论为基础，得到了仿生鱼驱动力t的计算公式：

h(x,t)＝f(x)g(t-x/c)(2)

x^*＝x-u(t-t^*)(4)

其中，ln是仿生鱼头顶部的x轴坐标，lm仿生鱼体最小高度的位置，lt是仿生鱼尾鳍的末端位置，h(x,t)是仿生鱼位移的y分量，f(x)仿生鱼体在x轴方向上的振幅分布，振幅的单位为牛顿；g(t-x/c)是鱼尾摆动周期函数，c是波相速度，ρw是水的密度，b(x)是x轴方向上的高度分布，u是环绕仿生鱼体的水流速度，t^*是在仿生鱼尾鳍处产生涡流的时间，x轴原点是仿生鱼体最大高度的位置，y轴原点是仿生鱼体宽度方向的中心位置，z轴原点是仿生鱼体的底部位置，u的正方向是指向仿生鱼的尾部方向,w和w(x,t)为函数，表示仿生鱼位移的x分量,t表示时间，x表示仿生鱼体在x轴方向上的位移。

然后，本研究通过实验验证了该仿生鱼的快速转向性能。研究结果表明，该机器人能够在0.62s内完成了快速转弯动作。伺服电机臂能够在90°的范围内转动，而后能够快速恢复回原来的位置。

图8(a)是本发明仿生鱼在快速转弯试验期间对背鳍的控制信号。图8(b)是本发明仿生鱼在快速转弯试验期间对肛鳍的控制信号。图8(c)是本发明仿生鱼在快速转弯试验期间对尾鳍的控制信号。图8(d)是本发明仿生鱼在快速转弯试验期间对胸鳍的控制信号。如图8(a)～图8(d)所示，当伺服电机臂转弯90°时，两台伺服电机同时驱动。然后，当伺服电机臂回复原来位置时，它们会再以不同的时间进行驱动。在快速转弯动作中，各个鱼鳍也会是在不同的时间被驱动，因为如果同时驱动两个鱼鳍，那么发送到人造肌肉的电流就会是分散的。对背鳍和肛鳍的驱动要早于尾鳍和胸鳍，因为背鳍和肛鳍必须在转弯的早期被驱动，只有这样才能获得足够的效果。

本研究在快速转向实验中对以下两种情况进行了研究，即由鱼鳍和伺服电机共同驱动的运动以及仅由伺服电机进行驱动的运动。除此之外，本研究还对连续快速转向动作的结果进行了评价。

图9是本发明仿生鱼最大前进速度和计算得到的平均推力随驱动周期的变化示意图。如图9所示，在大小为0.3s的驱动循环时间内能够达到最大推动力。在这种情况下，测量得到的最大前进速度约为0.4m/s，该仿生鱼在开始游动后的2s处达到的最大速度。

在快速向左转弯的过程中，对于仅装备有两台伺服电机的机器人而言，其偏航角度为38.7°，而对于同时装备有两台伺服电机和鱼鳍的机器人而言，其偏航角度则为48.8°。同样，在快速向右转弯时，它们分别为33.8°和45.2°。因此，仅装备有两台伺服电机的机器人左右转动的平均角速度分别为62.4°/s和54.5°/s，而同时装备有两台伺服电机和鱼鳍的机器人左右转动的平均角速度则分别为78.7°/s和72.9°/s。在人造肌肉的存在下，其产生的阻力更大，因此导致其平均角速度增加。可以认为，导致其发生改善的原因是由于该仿生鱼鱼鳍周围相对流速度以及身体投影面积的增大。

当使用两个伺服电机和鱼鳍连续快速转向时，该鱼机器人的偏航旋转为167°，平均角速度为115°/s。因此，机器人可以在大约1.6秒内实现掉头。

本研究将一个加速度传感器以及一个角速度传感器与该仿生鱼相连接。采用加速度传感器来测量该机器人在水平方向上的加速度。然后对加速度进行积分，进而计算出其速度。当机器人倾斜游动时，加速度数据中就会加入因重力引起的加速度量。在利用角速度传感器测定该仿生鱼游动姿态的基础上，需要将因重力引起的加速度从原始加速度数据中进行扣除。

为了验证加速度传感器的有效性，本研究在无水流循环的水箱中对该仿生鱼进行了驱动测试。加速度传感器测量得到的加速度如图10所示，图10是仿生鱼在无循环水流水箱中的加速度示意图。通过积分加速度数据计算的速度如图11所示。图11是仿生鱼在无循环水流水箱中的速度示意图。机器人摆动速度约为0m/s，涌浪(surge)速度约为0.45m/s。经验证，估计速度与通过积分加速度数据计算得到的速度接近，进而证明了加速度传感器的准确性和有效性。

本研究随后就该仿生鱼在水箱中进行了相关控制实验。利用一根棍子对其施加外力，使其发生移动。使用摄像机将其在干扰下的运动状态进行记录。图12是仿生鱼在控制实验中的加速度示意图，图13是仿生鱼在控制实验中的速度示意图。

由于加速度传感器误差的积累，扰动后的浪涌速度和摇摆速度无法收敛。因此需要另外一个传感器与加速度传感器一起使用方能对其运动性能实现足够的控制。

与典型的水下机器人不同，该仿生鱼不会产生抽吸效应。由旋转推力器产生的吸流几乎为稳流。与之相反，仿生鱼在前进过程中的运动为往复运动。因此，仿生鱼在身体周围不会产生巨大的抽吸效应。这样就可以尽可能的减少机器人运动时对水下动物的直接伤害。除此之外，水下航行器推进器驱动轴经常遭受异物缠绕。而对于使用了仿生游动机制的仿生鱼而言，就可以避免这些与推进器相关的问题。

图14是推进器式航行器的布置示意图。该水下航行器的长度为365mm，在空气中的重量为792g，最大前进速度约为0.46m/s。本研究所提出的仿生鱼以及一种典型推进器式航行器的实验环境为一个装有大量仿真海藻的水箱。本研究在相同的条件下分别对上述两种装置进行驱动，并对水中障碍物对它们的影响进行了研究(记录异物缠绕次数)。仿真海藻由聚乙烯材料制成，由于其比重小于水，因此可以漂浮在水面之上。将总重量为4.8公斤的仿真海藻放入水箱之中。水面大小为2m*3m。图15是本发明仿生鱼所处的仿真海藻环境示意图。

上述两台水下机器人在水箱中均被纵向驱动50次(每5次实验一组，共5组)。然后统计每个装置中发生缠绕仿真海藻的试验次数。

在该实验过程中，对于推进器式航行器而言，共发生27次缠绕异物的情况(54％；27/54)；而对于该仿生鱼而言，并没发生一次异物缠绕的情况(0％；0/50)。这一实验证实了该仿生鱼能够在充满异物的水体中正常游动。

仿真海藻会与仿生鱼的鱼鳍和身体的突出部分发生缠绕。另一方面，该仿生鱼的游动方式不会对水下生物造成伤害。这是引起其不会产生巨大的吸力，进而可以使水下生物很容易的避开该装置。

由上述说明可知，使用根据本发明的伺服驱动装置及使用该装置的仿生鱼，融合仿生和伺服电机驱动方式的新型水下机器人，能满足人类未来对海洋监测和调查任务多样性的需求。当作业任务需要远距离航行或长时序在位工作时，采用仿生模式，在该模式下通过变化自身排水体积进而改变浮力，通过调整内部压载质量的位置来改变自身姿态，并通过鱼鳍实现高效滑翔运动，有效节约能量；当作业任务需要快速机动或精确监测、跟踪时伺服电机推进模式，在该模式下前进动力由螺旋桨提供，并通过调节舵角来改变航向，操纵机动灵活。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

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