非对称运动仿生机器鱼和其非对称驱动方法

技术领域

一种尾柄驱动（Body and Caudal Peduncle, BCP）和/或尾鳍驱动（Body andCaudal Fin, BCF）仿生机器鱼的驱动改进。

背景技术

在尾鳍驱动（Body and Caudal Fin, BCF）仿生机器鱼的研究中，大量的研究集中在鱼尾产生涡旋湍流的模拟仿真上，Lighthill提出了“细长体理论”， 关于尾鳍的形状对游速的影响也有大量研究。同时对不同种类的鱼的游动进行了研究分类，可以细分为鳗鲡模式（Anguilliform mode）、亚鲹科模式（Subcarangiform mode）、鲹科模式（carangiformmode）和金枪鱼（月牙尾）模式（Thunniform）4类。因为金枪鱼类游速较快，是主要研究对象。但是目前研究集中在尾鳍运动上，相对来讲对尾柄（Caudal Peduncle即鱼体的后1/3段，与尾鳍相连）的研究较少。

并且目前的研究都是采用正弦波、方波等对称信号，驱动仿生机器鱼尾鳍进行对称往复摆动的，而对这些摆动的细节，尤其是摆动过程中的推进力和侧向力的细致的力学分析欠奉。

因而，目前BCF模式的仿生机器鱼的研究进展不大，效率很低，仅有20%左右，远远低于实际鱼类游动的高达90%的效率。

发明内容

为此，本申请提出了改进设计。分析鱼尾摆动的过程，发现存在“正向驱动--反向驱动”两个有益和有害驱动阶段。如图1和图2所示，是刚性片状鱼尾柄或尾鳍往复摆动的动作示意。鱼尾摆动时有左右两个极大位置分别为“L”和“R”，而鱼尾中间平衡位是“M”。鱼尾往复摆动的轨迹为：L---M---R---M---L如此反复，因为对称性，仅需要分析L---M---R这个过程即可。图1是鱼尾处于L---M（鱼尾由L趋于M，下同）阶段，图2则是鱼尾继续摆动过了中点M后，处于M---R（由M趋于R）的阶段。这两个阶段鱼尾的运动方向都是朝向R，如图中的速度v所示。此时鱼尾驱动流体产生的反作用力F与速度v在一条直线上但方向相反。在图1中，反作用力F可以分解为水平方向和垂直方向的两个分力，此时垂直方向的分力F1方向是指向上，是鱼头方向，是正向驱动(相对鱼头向前游动而言)，故此阶段为有益驱动阶段。而在图2中，垂直方向的分力F1是与图1相反，指向下，是阻力，成为反向驱动，故此阶段为有害驱动阶段。

根据流体力学，以速度v运动的物体在流体中受到的力与运动速度的平方成正比，

式中，

而F1为垂直分量，需要乘于一个sinθ，因而

如果在L---M和M---R两个阶段的运动时长相等，速度相同且分布对称，则两个阶段获得的平均阻力F

而如果采用不同的速度或不对称，比如L---M阶段用时为t，而M---R阶段用时为2t或更多，则M---R阶段平均速度是L---M阶段的二分之一或以下，则M---R阶段的平均阻力F

这个冲量净值的积分就是尾柄一次摆动中鱼体所获得的正向游动的动量。如此不断地往复摆动高效地驱动，效率会远高于现有技术对称驱动相互抵消为零的效率。根据试验，现有技术的效率约为10~20%（这些是因为旋涡湍流等其它因素而获得的），而本申请的设计效率可以达到~70%。

这里把鱼尾的一次摆动分为了两个阶段，从极大位置到中间位置的大力击水的高速阶段，和过了中间位置后到另一极大位置的减速滑行低速阶段。

因此，本申请提出，可以采用非对称的驱动模式改进仿生机器鱼的驱动效率，压电(或其它电致动材料或机械驱动)致动部件尾柄（或/和尾鳍）由自由状态可以左右摆动，从左L向中M摆动阶段是正向的、有益驱动阶段（指对于该设计指定的游动方向：鱼头向前而言），从中M向右R摆动阶段是反向的、有害驱动阶段。因为对称性，反向摆动与此相仿，从右R到M是有益阶段，从M到L是有害阶段。因而驱动信号波形可以选用图4中示意的波形。其中，+Umax电压对应尾柄的右极限位置L，-Umax电压对应尾柄的左极限位置R。其关键是驱动信号波形中，对应有益驱动阶段（L--M和R--M）的方波部分的时长为t1，而对应有害驱动阶段(R--M和M--L)的三角波部分时长为t2，而设置t2大于t1，优选t2至少3/2倍于t1，进一步优选t2至少2倍于t1。使得有益驱动阶段的平均速度明显大于有害驱动阶段的平均速度，优选为1.5倍，进一步优选大于2倍。

本申请的机理是在仿生机器鱼的设计中，依据对往复摆动的致动部件驱动流体的力学分析，而提出非对称的往复摆动方式以减少阻力，避免完全对消，进而达到最小抵消，从而提高游动的效率。具体是往复摆动可以分为两个部分：左摆动到右和右摆动到左。每个部分又分为两个阶段：一个阶段获得有益的、正向游动，是有益驱动阶段；另一个阶段获得的是相反的有害的、逆向游动，是有害驱动阶段。如果按现有技术的对称驱动，则有益的正向驱动和有害的逆向驱动两相近乎完全抵消。而本申请设计是：降低往复摆动中有害驱动阶段的平均速度，如仅为有益驱动阶段运动速度的一半或以上（或设置为有害驱动阶段的时长是有益驱动阶段的时长的两倍或以上）。如此可以获得总体抵消后仍有有益驱动阶段的一半冲量的有效驱动，效率大为提高。因而本申请可以简单地推广到使用各种材料设计的、如IPMC离子致动材料，形状记忆合金 (SMA)、超磁致伸缩材料 (GMM)、电活性高分子聚合物 (EAP) 等，往复摆动的类似的尾鳍驱动（Body and Caudal Fin, BCF）仿生机器鱼中。并且也可以简单地移用到机械驱动的往复摆动驱动流体的仿生机器鱼中。并且可以用于多关节仿生机器鱼设计中。在这些设计中，可以简单地类推分析出其驱动流体的往复摆动中，同样存在前述的有益和有害的两个驱动阶段，设置驱动信号模式或机械结构使得两个驱动阶段的时长不同、波形不同、平均速度不同，避免完全抵消，进而达到最小抵消，即可获得效率的显著提高。

同时，本申请也对传统的尾鳍驱动（Body and Caudal Fin, BCF）理论提出改进，指出对于金枪鱼等绝大多数鱼类来说，尾柄的驱动作用要大于尾鳍，因而应该是尾柄驱动BCP（Body and Caudal Peduncle）。

而现实中的鱼尾鳍是柔性的，尾鳍摆动带来的驱动力是次要的、辅助的，大多数鱼类、包括金枪鱼游动的驱动力主要来自于尾柄摆动。只有某些特殊的鱼类如具有非常大尾鳍的金鱼等，面积很大甚至超过鱼身面积的尾鳍才是其主要驱动力的提供者。而对于仿金鱼类尾鳍驱动设计，推力分析完全相同，一样可以采用非对称驱动设计。

附图说明

图1尾柄或尾鳍往复摆动的力学分析示意之一。

图2尾柄或尾鳍往复摆动的力学分析示意之二。

图3是本申请设计的非对称尾柄驱动仿生机器鱼的示意，上面是顶视，下面是侧视。

图4是本申请设计的非对称驱动信号电压随时间变化的曲线。

图5是本申请设计的非对称驱动的尾柄的运动速度和驱动电压随尾柄位置变化的示意。

图6是现有技术正弦波对称驱动的尾柄或尾鳍的运动速度和驱动电压随尾柄位置变化的示意。

图中，1 是仿生机器鱼的压电或其它材料的致动部件尾柄，2仿生机器鱼的头和身体，3是尾鳍。

具体实施方式

结合附图3和图1、2、4、5，给出本申请具体的实施方式，进一步阐述本申请的设计思想。根据本申请提出的机理，可以不需要创造性劳动，即可推广用于各种尾鳍驱动或本申请提出的尾柄驱动的仿生机器鱼中，只需要仿照本申请中对往复摆动中有益和有害两个驱动阶段运动的推力分析，就可以在各种设计中，有目的地实现非对称往复摆动，获得效率的显著提高。这里的往复摆动，可以是图1和图2中的左右摆动，也可以是上下摆动。

在图3中，压电材料或其它材料制成致动部件尾柄1，可以在鱼身后段如图1和图2左右摆动，左极限位置标注为L，右极限位置标注为R，鱼身轴线位置标注为M。驱动电压+Umax对应致动部件位置R，驱动电压-Umax对应致动部件位置L。尾柄的运动周期是：L---M---R---M---L。其中分为L--M，M---R，R---M，M---L四个1/4周期或阶段。其中L---M和R---M是有益驱动阶段，而M---R和M---L是反向的有害驱动阶段（针对设定的游向：沿鱼头方向前游，图1和图2中向上游动）。

需要指出的是，图中尾柄1只示意了驱动部件，未画出附着的仿型外观部分，实际上附着有仿鱼尾外观的高分子弹性体塑形。

在图4中给出了驱动电压随时间变化的曲线，每半个周期的信号波形中相邻的两个四分之一波形：方波和三角波分别对应鱼尾的运动的有益驱动阶段和有害驱动阶段，呈占空比较低的方波里叠加了三角波的形式。其中方波的四分之一波形的时长和三角波的四分之一波形的时长的比值小于1，优选为小于2/3，进一步优选为小于1/2，且可以由试验确定最佳比值（与水温、水含盐量和尾柄的质量、致动力特性等相关）。三角波的上升曲线也可以选用其它曲线形式，不限定为直线上升，可以是正弦波的一段或其它二次曲线或指数曲线等，可以根据致动材料的不同特性而由试验优选确定。与现有技术的对称驱动的正弦波方波驱动信号相比，有两处明显区别：一是相邻的两个四分之一波形的时长不相等；二是相邻的两个四分之一波形的波形不相同、不对称。这些不同产生不同的平均速度（如图5所示）。关键是驱动信号波形中，每半个周期的信号波形中相邻的两个四分之一波形分别对应鱼尾运动的有益驱动阶段和有害驱动阶段，对应有益驱动阶段的方波部分的四分之一波形的时长为t1，而对应有害驱动阶段的三角波部分的四分之一波形的时长为t2，而设置t2至少大于t1，优选t2至少1.5倍于t1，进一步优选t2至少2倍于t1。使得有益阶段的平均速度明显大于有害阶段的平均速度，优选为1.5倍，进一步优选大于2倍。

图5中给出了驱动电压U和致动部件尾柄1的速度随致动部件尾柄1的位置变化而变化的设计曲线，分别标注为电压U和速度v。首先尾柄在极限位置L时速度为零，此时馈入信号电压+Umax，驱动尾柄1加速趋向于另一极限位置R，在加速到某一位置时，馈入信号电压+Umax产生的驱动力和流体的阻力平衡，进入匀速。当接近或刚越过中点M时，驱动电压由+Umax变为零，此后电压沿斜线（或试验确定的其它更佳曲线）上升到+Umax。而尾柄在驱动电压由+Umax变为零后进入减速运动，直至到达右极限位置R并且速度减为零。然后另半个周期的R--M和M--L的运动类似，电压变为-Umax。并且给出了在L--M(或R--M)和M--R(或M--L)两个阶段的平均速度的示意，可以看出在L---M(或R--M)阶段的平均速度明显大于M--R(或M--L)阶段的平均速度的两倍。

进一步优化，可以根据F

进一步优化，可以根据F

以上示例仅是为了更好地理解本申请的原理和精神而给出的可行方案之一，实际驱动信号方案可选范围很大，比如变形的正弦波：编辑正弦波波形使得从正极大到零（或负极大到零）的1/4周（对应图1和图2中的有益驱动阶段L--M或R--M）的时长是从零到负极大（或零到正极大）的1/4周（对应图1和图2中的有害驱动阶段M--R或M--L）的时长的一半，信号的每半个周期中其中一个四分之一波形的时长小于另一个四分之一波形的时长的一半。也即正弦波的四个四分之一波形具有不同的时长：短——长——短——长。也比如方波和正弦波三角波的组合、示例中的方波部分替换成正弦波的半周、三角波的上升曲线不是直线，而是二次曲线、指数曲线等。同时根据致动原理不同，致动材料的特性不同，都决定了驱动信号的相应变化。关键是实现有益阶段的平均速度大于有害阶段的平均速度，或有益阶段的时长小于有害阶段的时长。实现两个阶段的推力不完全抵消，进而达到最小化抵消，优化推进效率。通过试验可以优选驱动信号的波形和/或时长来实现推动效率最大化、最优化。

为了对比，图6给出了传统的正弦波对称驱动的驱动电压U和致动部件尾柄1的速度随致动部件尾柄1的位置变化而变化的曲线。可以看出，正弦波的驱动电压U由正最大值经零、到负最大值交替变化，而尾柄和/或尾鳍由左右极大位置往复摆动，速度由零（左右极大位置）到极大（中间位置），速度曲线左右对称，L---M和M---R（或R---M和M---L）两个阶段具有相同的时长、对称的速度曲线和相同的平均速度，而由前面推力分析可知，推力完全抵消，效率极低。对比图4的非对称电压驱动信号，可以看出，正弦波信号或其它方波等对称驱动信号，具有以下相反的特点：1. 相邻的极大到零和零到极大的两个四分之一波形的信号波形是对称的，2. 相邻的极大到零和零到极大的四分之一波形的信号时长相等。而本申请的设计是：驱动信号的相邻的四分之一波形的信号波形和/或时长是非对称非相等的，是非对称驱动信号驱动，进而驱动鱼尾柄和/或尾鳍产生非对称往复运动，避免推力完全抵消。

本申请的技术核心就是尾柄和/或尾鳍的往复摆动部件的有益和有害两个运动阶段的非对称运动，设置往复摆动的两个有益和有害阶段的时长不相等，有益驱动阶段的时长小于有害驱动阶段的时长，优选为有益驱动阶段的时长小于有害驱动阶段的时长的三分之二，进一步优选为有益驱动阶段的时长小于有害驱动阶段的时长的二分之一。有益驱动阶段的平均速度大于有害驱动阶段的平均速度，优选是1.5倍以上，进一步优选为2倍以上。而现有技术的仿生机器鱼的往复摆动部件的运动是由对称的驱动信号（如正弦波、方波和三角波等电信号或电动机、齿轮等机械）对称驱动下，进行对称往复运动的。往复摆动的各个阶段的时长相同、速度曲线对称、平均速度相同，两个阶段在游动方向上产生大小相同、方向相反、互相抵消的驱动冲量，形成完全对消，驱动效率极低。

进一步，图3中的尾柄和尾鳍可以是主动驱动尾柄加柔性被动尾鳍，也可以是主动驱动尾柄和主动驱动尾鳍，也可以是固定尾柄加主动非对称驱动尾鳍。而且主动驱动尾柄和主动驱动尾鳍的驱动信号可以是优选不同步的，尾鳍的驱动流体的峰值与尾柄1的峰值交错，相位差90度，达到游速波动的平滑，避免游速波动变化太大，进一步提高驱动效率。

本申请有一个额外的益处就是，当改变驱动信号的模式，使得时长比（和/或波形）倒过来，由1：2变成2：1，则可以逆转游速的方向，仿生机器鱼具有倒游功能，使用更为方便。

本申请的仿生机器鱼的尾柄和/或尾鳍可以是压电致动，也可以采用任何其它致动方式和机械驱动，如IPMC离子致动材料，形状记忆合金 (SMA)、超磁致伸缩材料 (GMM)、电活性高分子聚合物 (EAP) 等。并且也可以简单地移用到机械驱动的往复摆动驱动流体的仿生机器鱼中。本申请的技术核心就是尾柄和/或尾鳍驱动的非对称驱动方式，具体讲就是把往复摆动细分为两个部分、每个部分又分为两个阶段：有益驱动阶段和有害驱动阶段，然后对两个阶段采用非对称的驱动，有效避免推力完全抵消，获得高的驱动效率。

本申请有效地解决了现有技术的驱动效率问题，避免了完全对消，可以从现有技术的20%左右提高到70%左右。