基于背鳍与鱼身双重耦合运动的仿生带鱼机器人及方法

1.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：

2.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 fin propulsion，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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于利用带鱼的外形特征和游动特点，通过建模仿真、3d打印、单片机控制以及水下测试等过程，以实现一种能满足水下管道质量检查和目标物识别等功能，同时有着背鳍与鱼身双重耦合运动的多关节仿生带鱼机器人的制作，极大地模拟现实中带鱼的真实运动模式，最终有效减少人工水下作业的需要。
6.一种基于背鳍与鱼身双重耦合运动的仿生带鱼机器人，其特征在于：包括带鱼头部、n个身体单元、带鱼尾部；上述带鱼头部由头部上部外壳、头部下部外壳以及安装于头部下部外壳内的系统板、航模电池、视觉识别模块、重心调节机构组成；该重心调节机构由鱼头内置电机、鱼头移动配置块、导杆、螺杆组成；其中螺杆安装于鱼头内置电机输出轴，鱼头内置电机和导杆固定于头部外壳内；鱼头移动配置块安装于螺杆和导杆上，且鱼头移动配置块的螺纹孔与螺杆相互旋合；上述身体单元包括身体单元左部外壳、身体单元右部外壳；还包括安装于身体单元右部外壳内的身体单元第一舵机、身体单元舵机第一舵盘、身体单元第一输出轴、身体单元第一轴承、身体单元第二舵机、身体单元舵机第二舵盘、身体单元二输出轴、身体单元第二轴承、身体单元大齿轮、身体单元小齿轮；其中身体单元第一输出轴与身体单元第一轴承配合后，并通过身体单元第一舵机舵盘固定于身体单元第一舵机输出旋转轴处，身体单元第一舵机固定在身体单元右部外壳的内部后方；身体单元大齿轮间隔身体单元第一轴承与身体单元第一输出轴配合并固定在身体单元右部外壳中间，且与身体单元小齿轮啮合，身体单元小齿轮伸出身体单元；身体单元第二输出轴与身体单元第二轴承配合后，并通过身体单元第二舵机舵盘固定于身体单元第二舵机输出旋转轴处，身体单元第二舵机固定在身体单元右部外壳的内部前方；身体单元第二输出轴末端伸出身体单元外壳；其中带鱼尾部由鱼尾左部外壳、鱼尾右部外壳、鱼尾第一舵机、鱼尾第一舵机舵盘、鱼尾第一输出轴、鱼尾第一轴承、鱼尾第二舵机、鱼尾第二舵机舵盘、鱼尾第二输出轴、鱼尾第二轴承、鱼尾大齿轮、鱼尾小齿轮、鱼尾末端薄片组成；其中鱼尾第一输出轴与鱼尾第一轴承配合后，并通过鱼尾第一舵机舵盘固定在鱼尾第一舵机输出旋转轴处，鱼尾第一舵机固定在鱼尾右部外壳的内部后方；身体单元大齿轮间隔鱼尾第一轴承与鱼尾第一输出轴配合并固定在鱼尾右部外壳中间，且与鱼尾小齿轮啮合，鱼尾小齿轮伸出带鱼尾部；鱼尾第二输出轴与鱼尾第二轴承配合后，并通过鱼尾第二舵机舵盘固定在鱼尾第二舵机输出旋转轴处，鱼尾第二舵机固定在鱼尾右部外壳的内部前方；鱼尾第二输出轴末端伸出鱼尾外
壳；上述头部下部外壳与相邻的第一个身体单元第二输出轴相连，身体单元左部外壳与身体单元右部外壳扣合后，共同与其后方相邻的身体单元第二输出轴相连；靠近带鱼尾部的身体单元与鱼尾第二输出轴相连；该多关节仿生带鱼机器人还包括扭簧和背鳍；扭簧依次穿过身体单元通孔，上述身体单元小齿轮和鱼尾小齿轮依次套在扭簧上并与扭簧固定连接；背鳍固定连接于扭簧上随其扭动实现波动。
7.上述基于背鳍与鱼身双重耦合运动的仿生带鱼机器人的运动方法，其特征在于包括以下过程：首先，将多关节仿生带鱼机器人的身体上下对称平面的对称线称为身体中线，当身体中线位于水平面时，将多关节仿生带鱼机器人的背鳍（q1）处于水平面的正上方的姿态，称作竖直姿态。将每个身体单元与靠近带鱼头部方向的相邻身体单元夹角称之为前向偏置角，与远离带鱼头部方向的相邻身体单元的夹角称之为后向偏置角，相对于前进方向左偏为正值，相对于运动方向右偏为负值；其中，身体中线的正方向为由带鱼尾部（w1）指向带鱼头部（t1），当带鱼头部（t1）偏向水平面上部时，将身体中线正方向与水平面的夹角称之为仰角，当带鱼头部（t1）偏向水平面下部时，将身体中线正方向与水平面的夹角称之为俯角；整体竖直前向游动：所有身体单元由其后身体单元第一舵机及鱼尾第一舵机带动，其摆动频率、摆动幅度完全一样，但存在固定、相等的相位差，从而达到标准正弦波式的运动；采用柔性背鳍，在所有身体单元左右摆动的时候，所有身体单元第一舵机和鱼尾第一舵机共同通过身体单元大齿轮及鱼尾大齿轮带动身体单元小齿轮及鱼尾小齿轮，驱动扭簧进行频率、振幅相同但有相位差的扭转，从而带动背鳍实现相对身体单元独立的正弦波动；各个身体单元的竖直截面与背鳍的柔性面，同时对水产生向后的作用力，水对多关节仿生带鱼机器人产生向前的推力，实现整体前向运动；整体竖直向左侧或右侧转向游动：靠近带鱼头部的若干身体单元保持相对静止，同时具有固定的前向偏置角；靠近带鱼尾部的若干身体单元摆动频率完全一致，但摆动幅度存在线性增加的关系，同时具有固定的相位差；采用柔性背鳍，在所有身体单元左右摆动的时候，所有身体单元第一舵机和鱼尾第一舵机共同通过身体单元大齿轮及鱼尾大齿轮带动身体单元小齿轮及鱼尾小齿轮，驱动扭簧进行频率、振幅相同但有相位差的扭转，从而带动背鳍实现相对身体单元独立的正弦波动；当前向偏置角为正值，水对右侧的推力大于左侧，受到不平衡的力，即左转扭矩，实现左转；当前向偏置角为负值，水对左侧的推力大于右侧，受到不平衡的力，即右转扭矩，实现右转。
8.整体竖直上下俯仰转化：带鱼头部配置一个重心调节机构；后面n个身体单元和带鱼尾部内部都配置有四个配置块，四个配置块分上下、左右各两个，对称布置，安装时通过调整配置块的位置，实现每个身体单元或带鱼尾部的重心与浮心相互重合；在保证n个身体
单元和带鱼尾部的部分重心与浮心重合后，通过带鱼头部的重心调节机构的相关运动实现俯仰转化。
9.上述基于背鳍与鱼身双重耦合运动的仿生带鱼机器人的运动方法，其特征在于包括以下过程：通过带鱼头部的重心调节机构的相关运动实现俯仰转化，具体实现如下：初始状态时，鱼头移动配置块位于导杆中间位置；要实现仰视的姿态时，鱼头内置电机通过螺杆转动带动鱼头移动配置块向前或向后运动；在整个鱼头移动配置块运动过程中，带鱼头部重心逐渐向前或向后移动，重力与浮力之间形成一个转矩，到达目标仰视的姿态，该仰视的程度，即仰角的大小，与鱼头移动配置块向前或向后移动位移大小成正比。
10.本发明与现有技术相比有如下优点：1. 相较于以往的少关节仿生鱼，实现一种多关节仿生带鱼机器人的制作。
11.2. 每个身体单元设置有两个舵机，实现一种多关节仿生带鱼机器人的背鳍与鱼身双重耦合运动。
12.3. 本发明的结构简单、设计巧妙、运动原理清晰、实现方便。
13.4. 本发明更加真实实现了深海中带鱼的游动过程，能够实现在水中高机动性能的游动，具有高效、低耗、环境隐蔽性强等特点。
14.5.带鱼头部内部安装有一个重心调节机构，可以实现包括上下俯仰姿态的转变，实现多关节仿生带鱼机器人在水中高机动性的游动和姿态调节。
15.所述的一种多关节仿生带鱼机器人,其特征在于:主要由带鱼头部、n个相同的身体单元和带鱼尾部组成。身体主体由多个类似的身体单元构成；外加一段扭簧和柔性的背鳍，辅助运动。其结构简单、设计巧妙、运动原理清晰，有利于机器人的运动稳定。
16.附图说明
17.图1是本发明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斜视总体图；图2是本发明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模块分解示意图；图3是本发明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带鱼头部结构分解示意图；图4是本发明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身体单元结构分解示意图；图5是本发明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带鱼尾部结构分解示意图；图6是本发明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在水中垂直游动的运动示意图；图7是本发明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在水中实现上下俯仰的运动示意图；图8是本发明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在水下
管道转弯并识别目标物的运动示意图；图1-8中标号名称：带鱼头部t1；身体单元z1；身体单元z2；身体单元z3；身体单元z4；身体单元z5；带鱼尾部w1；扭簧n1；背鳍q1；头部上部外壳a1；鱼头移动配置块a2；鱼头内置电机a3；鱼头电机固定匣a4；航模电池a5；鱼头密封圈a6；头部下部外壳a7；视觉识别模块a8；系统板a9；导杆a10；螺杆a11；身体单元右部外壳b1；身体单元第一舵机b2；身体单元第一舵机舵盘b3；身体单元第一输出轴b4；身体单元第一轴承b5；身体单元大齿轮b6；身体单元左部外壳b7；身体单元第二轴承b8；身体单元第二输出轴b9；身体单元第二舵机舵盘b10；身体单元第二舵机b11；身体单元小齿轮b12；鱼尾右部外壳c1；鱼尾末端薄片c2；鱼尾第一舵机c3；鱼尾第一舵机舵盘c4；鱼尾第一输出轴c5；鱼尾第一轴承c6；鱼尾大齿轮c7；鱼尾左部外壳c8；鱼尾第二轴承c9；鱼尾第二输出轴c10；鱼尾第二舵机舵盘c11；鱼尾第二舵机c12；鱼尾小齿轮c13。其中x、y、z为对应三维空间坐标系。
具体实施方式
18.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：结合图1-8，本实施例为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，包括带鱼头部t1；身体单元z1；身体单元z2；身体单元z3；身体单元z4；身体单元z5；带鱼尾部w1；扭簧n1；背鳍q1；头部上部外壳a1；鱼头移动配置块a2；鱼头内置电机a3；鱼头电机固定匣a4；航模电池a5；鱼头密封圈a6；头部下部外壳a7；视觉识别模块a8；系统板a9；导杆a10；螺杆a11；身体单元右部外壳b1；身体单元第一舵机b2；身体单元第一舵机舵盘b3；身体单元第一输出轴b4；身体单元第一轴承b5；身体单元大齿轮b6；身体单元左部外壳b7；身体单元第二轴承b8；身体单元第二输出轴b9；身体单元第二舵机舵盘b10；身体单元第二舵机b11；身体单元小齿轮b12；鱼尾右部外壳c1；鱼尾末端薄片c2；鱼尾第一舵机c3；鱼尾第一舵机舵盘c4；鱼尾第一输出轴c5；鱼尾第一轴承c6；鱼尾大齿轮c7；鱼尾左部外壳c8；鱼尾第二轴承c9；鱼尾第二输出轴c10；鱼尾第二舵机舵盘c11；鱼尾第二舵机c12；鱼尾小齿轮c13。
19.结合图1~5，本实施例为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，包括带鱼头部t1；身体单元z1；身体单元z2；身体单元z3；身体单元z4；身体单元z5；带鱼尾部w1；扭簧n1；背鳍q1。头部下部外壳a7后端连接处上表面凹孔及连接处下表面凹孔，分别与身体单元z1的前端上部输出轴及下部连接处凸台相配合，呈现两两扣合的连接方式。图2中只给出了多关节仿生带鱼机器人身体单元z1~z5。理论上有z1~zn个。至此，图2中z1~z5的外形结构完全相同，z1~z5之间以及它们和w1的连接方式也与头部下部外壳a7和身体单元z1的连接方式相同。扭簧n1与身体单元z1~z5上的身体单元小齿轮b12和带鱼尾部w1上的鱼尾小齿轮c13固定连接，并依次穿过身体单元z1~z5与带鱼尾部w1外壳上部通孔，背鳍q1固定连接在扭簧n1上，身体单元z1~z5上的身体单元小齿轮b12和鱼尾小齿c13进行频率、振幅相同但是有相位差的转动，进而带动扭簧n1上相应各点产生一个频率、振幅相同但是有相位差的扭转，进而实现背鳍q1的正弦波动。
20.结合图6，本实施例为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，所有身体单元的摆动频率、摆动幅度完全一样但存在固定、相等的相位差，从而达到标准正弦波式的运动；采用柔性背鳍q1，在所有身体单元左右摆动的时候，所有身体单元第一舵机和鱼尾第一舵机共同通过身体单元大齿轮及鱼尾大齿轮，驱动扭簧进行有着相位差的
扭转，从而带动背鳍n1实现正弦波动。至此，各个身体单元的竖直截面与背鳍q1的柔性面，同时对水产生向后的作用力，水对多关节仿生带鱼机器人产生向前的推力。实现整体前向运动。
21.结合图7，本实施例为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，带鱼头部存在重心调节机构，在竖直游动的过程中，通过鱼头内置电机a3转动螺杆a11, 鱼头移动配置块向前或向后移动，从而调节重心向前或向后移动。由于重心与浮心不在同一竖直线上，会产生偏转力矩，从而使得多关节仿生带鱼机器人的身体中线与水平面产生一定的俯仰角，实现上下俯仰的姿态调节。
22.结合图8，本实施例为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，其中通过各个身体单元往复循环运动，可以实现多关节仿生带鱼机器人在水下模拟正弦波往复摆动，单独改变一个或同时改变多个身体单元的前向偏置角，推动水流，可增大运动推力，提高运动速度、同时减少转弯半径、提高转弯效率和运动机动性。
23.结合图8，本实施例为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，将每一个身体单元与靠近带鱼头部方向的相邻身体单元夹角称之为前向偏置角，与远离带鱼头部方向的相邻身体单元夹角称之为后向偏置角，相对于前进方向左偏为正值，相对于运动方向右偏为负值。靠近带鱼头部的若干关节保持相对静止，同时具有固定的前向偏置角。靠近带鱼尾部的若干关节摆动频率完全一致，但摆动幅度存在线性增加的关系，同时具有固定的相位差。采用柔性背鳍q1，在所有身体单元左右摆动的时候，所有身体单元第一舵机和鱼尾第一舵机共同通过身体单元大齿轮及鱼尾大齿轮，驱动扭簧进行有着相位差的扭转，从而带动背鳍n1实现正弦波动。各个身体单元的竖直截面与背鳍q1的柔性面，同时对水产生向后的作用力，水对多关节仿生带鱼机器人产生向前的推力。实现整体前向运动。当前行偏置角为正值，水对右侧的推力大于左侧，产生不平衡的力，即左转扭矩，实现整体左转运动。

技术特征：
1.一种基于背鳍与鱼身双重耦合运动的仿生带鱼机器人，其特征在于：包括带鱼头部、n个身体单元、带鱼尾部；上述带鱼头部由头部上部外壳（a1）、头部下部外壳（a7）以及安装于头部下部外壳（a7）内的系统板（a9）、航模电池（a5）、视觉识别模块（a8）、重心调节机构组成；该重心调节机构由鱼头内置电机（a3）、鱼头移动配置块（a2）、导杆（a10）、螺杆（a11）组成；其中螺杆（a11）安装于鱼头内置电机（a3）输出轴，鱼头内置电机（a3）和导杆（a10）固定于头部外壳内；鱼头移动配置块（a2）安装于螺杆（a11）和导杆（a10）上，且鱼头移动配置块（a2）的螺纹孔与螺杆相互旋合；上述身体单元包括身体单元左部外壳（b7）、身体单元右部外壳（b1）；还包括安装于身体单元右部外壳(b1)内的身体单元第一舵机（b2）、身体单元第一舵机舵盘（b3）、身体单元第一输出轴（b4）、身体单元第一轴承（b5）、身体单元第二舵机（b11）、身体单元第二舵机舵盘（b10）、身体单元第二输出轴（b9）、身体单元第二轴承（b8）、身体单元大齿轮（b6）、身体单元小齿轮（b12）；其中身体单元第一输出轴（b4）与身体单元第一轴承（b5）配合后，并通过身体单元第一舵机舵盘（b3）固定于身体单元第一舵机（b2）输出旋转轴处，身体单元第一舵机（b2）固定在身体单元右部外壳（b1）的内部后方；身体单元大齿轮（b6）间隔身体单元第一轴承（b5）与身体单元第一输出轴（b4）配合并固定在身体单元右部外壳（b1）中间，且与身体单元小齿轮（b12）啮合，身体单元小齿轮（b12）伸出身体单元；身体单元第二输出轴（b9）与身体单元第二轴承（b8）配合后，并通过身体单元第二舵机舵盘（b10）固定于身体单元第二舵机（b11）输出旋转轴处，身体单元第二舵机（b11）固定在身体单元右部外壳（b1）的内部前方；身体单元第二输出轴（b9）末端伸出身体单元外壳；其中带鱼尾部由鱼尾左部外壳(c8)、鱼尾右部外壳(c1)、鱼尾第一舵机（c3）、鱼尾第一舵机舵盘（c4）、鱼尾第一输出轴（c5）、鱼尾第一轴承（c6）、鱼尾第二舵机（c12）、鱼尾第二舵机舵盘（c11）、鱼尾第二输出轴（c10）、鱼尾第二轴承（c9）、鱼尾大齿轮（c7）、鱼尾小齿轮（c13）、鱼尾末端薄片（c2）组成；其中鱼尾第一输出轴（c5）与鱼尾第一轴承（c6）配合后，并通过鱼尾第一舵机舵盘（c4）固定在鱼尾第一舵机（c3）输出旋转轴处，鱼尾第一舵机（c3）固定在鱼尾右部外壳（c1）的内部后方；身体单元大齿轮（c7）间隔鱼尾第一轴承（c6）与鱼尾第一输出轴（c5）配合并固定在鱼尾右部外壳（c1）中间，且与鱼尾小齿轮（c13）啮合，鱼尾小齿轮（c13）伸出带鱼尾部；鱼尾第二输出轴（c10）与鱼尾第二轴承（c9）配合后，并通过鱼尾第二舵机舵盘（c11）固定在鱼尾第二舵机（c12）输出旋转轴处，鱼尾第二舵机（c12）固定在鱼尾右部外壳（c1）的内部前方；鱼尾第二输出轴（c10）末端伸出鱼尾外壳；上述头部下部外壳（a7）与相邻的第一个身体单元第二输出轴（b9）相连，身体单元左部外壳与身体单元右部外壳扣合后，共同与其后方相邻的身体单元第二输出轴（b9）相连；靠近带鱼尾部的身体单元与鱼尾第二输出轴（c10）相连；该多关节仿生带鱼机器人还包括扭簧（n1）和背鳍（q1）；扭簧依次穿过身体单元通孔，上述身体单元小齿轮（b12）和鱼尾小齿轮(c13)依次套在扭簧上并与扭簧固定连接；背鳍固定连接于扭簧上随其扭动实现波动。2.根据权利要求1所述的基于背鳍与鱼身双重耦合运动的仿生带鱼机器人的运动方法，其特征在于包括以下过程：首先，将多关节仿生带鱼机器人的身体上下对称平面的对称线称为身体中线，当身体
中线位于水平面时，将多关节仿生带鱼机器人的背鳍（q1）处于水平面的正上方的姿态，称作竖直姿态；将每个身体单元与靠近带鱼头部方向的相邻身体单元夹角称之为前向偏置角，与远离带鱼头部方向的相邻身体单元的夹角称之为后向偏置角，相对于前进方向左偏为正值，相对于运动方向右偏为负值；其中，身体中线的正方向为由带鱼尾部（w1）指向带鱼头部（t1），当带鱼头部（t1）偏向水平面上部时，将身体中线正方向与水平面的夹角称之为仰角，当带鱼头部（t1）偏向水平面下部时，将身体中线正方向与水平面的夹角称之为俯角；整体竖直前向游动：所有身体单元由其后身体单元第一舵机及鱼尾第一舵机带动，其摆动频率、摆动幅度完全一样，但存在固定、相等的相位差，从而达到标准正弦波式的运动；采用柔性背鳍，在所有身体单元左右摆动的时候，所有身体单元第一舵机和鱼尾第一舵机共同通过身体单元大齿轮及鱼尾大齿轮带动身体单元小齿轮及鱼尾小齿轮，驱动扭簧进行频率、振幅相同但有相位差的扭转，从而带动背鳍实现相对身体单元独立的正弦波动；各个身体单元的竖直截面与背鳍的柔性面，同时对水产生向后的作用力，水对多关节仿生带鱼机器人产生向前的推力，实现整体前向运动；整体竖直向左侧或右侧转向游动：靠近带鱼头部的若干身体单元保持相对静止，同时具有固定的前向偏置角；靠近带鱼尾部的若干身体单元摆动频率完全一致，但摆动幅度存在线性增加的关系，同时具有固定的相位差；采用柔性背鳍，在所有身体单元左右摆动的时候，所有身体单元第一舵机和鱼尾第一舵机共同通过身体单元大齿轮及鱼尾大齿轮带动身体单元小齿轮及鱼尾小齿轮，驱动扭簧进行频率、振幅相同但有相位差的扭转，从而带动背鳍实现相对身体单元独立的正弦波动；当前向偏置角为正值，水对右侧的推力大于左侧，受到不平衡的力，即左转扭矩，实现左转；当前向偏置角为负值，水对左侧的推力大于右侧，受到不平衡的力，即右转扭矩，实现右转；整体竖直上下俯仰转化：带鱼头部配置一个重心调节机构；后面n个身体单元（z1~zn）和带鱼尾部(w1)内部都配置有四个配置块，四个配置块分上下、左右各两个，对称布置，安装时通过调整配置块的位置，实现每个身体单元或带鱼尾部的重心与浮心相互重合；在保证n个身体单元和带鱼尾部的部分重心与浮心重合后，通过带鱼头部的重心调节机构的相关运动实现俯仰转化。3.根据权利要求2所述的基于背鳍与鱼身双重耦合运动的仿生带鱼机器人的运动方法，其特征在于包括以下过程：通过带鱼头部的重心调节机构的相关运动实现俯仰转化，具体实现如下：初始状态时，鱼头移动配置块（a2）位于导杆（a10）中间位置；要实现仰视的姿态时，鱼头内置电机（a3）通过螺杆（a11）转动带动鱼头移动配置块（a3）向前或向后运动；在整个鱼头移动配置块（a3）运动过程中，带鱼头部重心逐渐向前或向后移动，重力与浮力之间形成一个转矩，到达目标仰视的姿态，该仰视的程度，即仰角的大小，与鱼头移动配置块（a3）向前或向后移动位移大小成正比。

技术总结
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。意义和应用价值。意义和应用价值。


技术研发人员：俞志伟 刘思宇 王淳杰 张恩熙 任锦淳
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/3/7