專利名稱：變剛度的平面串并聯(lián)仿生擺動(dòng)推進(jìn)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及仿生水下機(jī)器人領(lǐng)域，具體是一種變剛度的平面串并聯(lián)仿生擺動(dòng)推進(jìn)機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)對(duì)水下生物如金槍魚、旗魚、鯊魚類游泳時(shí)身體擺動(dòng)的研究證實(shí)這類魚把身體-尾鰭(Body and Caudal Fin，BCF)作為推進(jìn)器，身體左右擺動(dòng)擊水，產(chǎn)生逆卡門渦街，利用其產(chǎn)生的反作用力使魚體向前推進(jìn)。由于這些魚推進(jìn)效率高、速度快、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，被眾多學(xué)者作為仿生研究的對(duì)象。生物學(xué)對(duì)BCF類魚的游動(dòng)機(jī)理研究表明其肌肉、肌腱、皮膚、骨骼系統(tǒng)組成了一種復(fù)雜的串并聯(lián)機(jī)構(gòu)，這種構(gòu)造能夠有效的增大推力，提高機(jī)動(dòng)性能和游動(dòng)效率，其中魚類獨(dú)特的游動(dòng)性能很大程度上依賴于其肌肉機(jī)械性能的改變。研究表明魚在游動(dòng)過程中能夠改變自身剛度而且不同的游動(dòng)速度需要不同的剛度以使身體的自然頻率與尾部擺動(dòng)頻率達(dá)到匹配，從而大大降低能量消耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種變剛度的平面串并聯(lián)仿生擺動(dòng)推進(jìn)機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。為最大程度的復(fù)現(xiàn)魚游動(dòng)的高性能，將魚體的生物學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為機(jī)械的串并聯(lián)機(jī)構(gòu)，有著粘彈性特點(diǎn)的肌肉則被簡(jiǎn)化為彈簧和阻尼器的串聯(lián)裝置。本發(fā)明避免傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)使用多個(gè)驅(qū)動(dòng)源的弊端，使用單個(gè)驅(qū)動(dòng)源來使串并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)魚體波(或者包絡(luò)線)的擬合，同時(shí)為進(jìn)一步明確肌肉在魚體游動(dòng)過程剛度的變化提供依據(jù)。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):一種變剛度的平面串并聯(lián)仿生擺動(dòng)推進(jìn)機(jī)構(gòu)，包括多個(gè)“T”型結(jié)構(gòu)剛性體單元和多個(gè)模擬魚體側(cè)向肌單元(2)，每個(gè)“T”型結(jié)構(gòu)單元包括模擬魚肋骨的剛性體(I)和模擬魚脊椎的剛性體(4)，模擬魚脊椎的剛性體(4)的一端與模擬魚肋骨的剛性體(I)的中間位置鉸接；模擬魚脊椎的剛性體的另外一端與下一個(gè)模擬魚肋骨的剛性體中間位置鉸接，從而使多個(gè)“T”型結(jié)構(gòu)剛性體單元依次互相串聯(lián)；模擬魚體側(cè)向肌單元(2)包括彈簧(2-1)和阻尼器(2-2)，彈簧(2-1)的兩端分別與阻尼器(2-2)的兩端連接，第一個(gè)“T”型結(jié)構(gòu)單元的模擬魚肋骨的剛性體(I)的一側(cè)與模擬魚體側(cè)向肌單元(2)的一端連接，該模擬魚體側(cè)向肌單元(2)的另外一端與下一個(gè)“T”型結(jié)構(gòu)單元的模擬魚肋骨的剛性體的一側(cè)連接，每個(gè)“T”型結(jié)構(gòu)單元另外一側(cè)的連接結(jié)構(gòu)也相同，從而使整體機(jī)構(gòu)形成平面超冗余串并聯(lián)機(jī)構(gòu)，若對(duì)首端“T”型結(jié)構(gòu)單元施加正旋的驅(qū)動(dòng)力矩，則該串并聯(lián)機(jī)構(gòu)能夠產(chǎn)生平面往復(fù)擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)；本發(fā)明還具有如下特征:如上所述的一種變剛度的平面串并聯(lián)仿生擺動(dòng)推進(jìn)機(jī)構(gòu)，其所述的首端驅(qū)動(dòng)力矩和各結(jié)構(gòu)單元對(duì)應(yīng)的剛性體的剛度計(jì)算方法如下，步驟1:選取所要擬合的魚體波和平面串并聯(lián)機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)
選取魚游動(dòng)時(shí)魚體發(fā)生最大彎曲時(shí)魚體波形成的包絡(luò)線為所要擬合曲線，由生物觀測(cè)得到；確定串并聯(lián)機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)，包括“T”型結(jié)構(gòu)剛性體單元的個(gè)數(shù)N，第i個(gè)“T”型結(jié)構(gòu)剛性體單元的模擬魚肋骨的剛性體長(zhǎng)度A和模擬魚脊椎的剛性體的長(zhǎng)度hi;連接在“T”型結(jié)構(gòu)剛性體單元之間的模擬魚體側(cè)向肌單元的彈簧未變形之間的長(zhǎng)度Itli ；對(duì)于結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的平面串并聯(lián)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I1，相對(duì)轉(zhuǎn)角θΜχ1，結(jié)構(gòu)單元的變形尺寸f(0_i+1)均為非零常數(shù)，則第k個(gè)串并聯(lián)結(jié)構(gòu)單元中彈簧所對(duì)應(yīng)的剛度ki的計(jì)算表達(dá)式為:
權(quán)利要求
1.一種變剛度的平面串并聯(lián)仿生擺動(dòng)推進(jìn)機(jī)構(gòu)，其特征在于: 包括多個(gè)“T”型結(jié)構(gòu)剛性體單元和多個(gè)模擬魚體側(cè)向肌單元(2)，每個(gè)“T”型結(jié)構(gòu)單元包括模擬魚肋骨的剛性體(I)和模擬魚脊椎的剛性體(4)，模擬魚脊椎的剛性體(4)的一端與模擬魚肋骨的剛性體(I)的中間位置鉸接；模擬魚脊椎的剛性體的另外一端與下一個(gè)模擬魚肋骨的剛性體中間位置鉸接，從而使多個(gè)“T”型結(jié)構(gòu)剛性體單元依次互相串聯(lián)；模擬魚體側(cè)向肌單元(2)包括彈簧(2-1)和阻尼器(2-2)，彈簧(2-1)的兩端分別與阻尼器(2-2)的兩端連接，第一個(gè)“T”型結(jié)構(gòu)單元的模擬魚肋骨的剛性體(I)的一側(cè)與模擬魚體側(cè)向肌單元(2)的一端連接，該模擬魚體側(cè)向肌單元(2)的另外一端與下一個(gè)“T”型結(jié)構(gòu)單元的模擬魚肋骨的剛性體的一側(cè)連接，每個(gè)“T”型結(jié)構(gòu)單元另外一側(cè)的連接結(jié)構(gòu)也相同，從而使整體機(jī)構(gòu)形成平面超冗余串并聯(lián)機(jī)構(gòu)，若對(duì)首端“T”型結(jié)構(gòu)單元施加正旋的驅(qū)動(dòng)力矩，則該串并聯(lián)機(jī)構(gòu)能夠產(chǎn)生平面往復(fù)擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變剛度的平面串并聯(lián)仿生擺動(dòng)推進(jìn)機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述的首端驅(qū)動(dòng)力矩和各結(jié)構(gòu)單元對(duì)應(yīng)的剛性體的剛度計(jì)算方法如下， 步驟1:選取所要擬合的魚體波和平面串并聯(lián)機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù) 選取魚游動(dòng)時(shí)魚體發(fā)生最大彎曲時(shí)魚體波形成的包絡(luò)線為所要擬合曲線，由生物觀測(cè)得到； 確定串并聯(lián)機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)，包括“T”型結(jié)構(gòu)剛性體單元的個(gè)數(shù)N，第i個(gè)“T”型結(jié)構(gòu)剛性體單元的模擬魚肋骨的剛性體長(zhǎng)度A和模擬魚脊椎的剛性體的長(zhǎng)度hi;連接在“T”型結(jié)構(gòu)剛性體單元之間的模擬魚體側(cè)向肌單元的彈簧未變形之間的長(zhǎng)度Itli ; 對(duì)于結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的平面串并聯(lián)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ii,相對(duì)轉(zhuǎn)角0 maxi，結(jié)構(gòu)單元的變形尺寸f(9maxi+1)均為非零常數(shù)，則第k個(gè)串并聯(lián)結(jié)構(gòu)單元中彈簧所對(duì)應(yīng)的剛度Ici的計(jì)算表達(dá)式為: kM =K +歷2(,.= 1，2,3-1)式=( 6 ) J V max/+I / J V max/+I /J V^niax η) Ii為第i節(jié)結(jié)構(gòu)單元對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為串并聯(lián)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)頻率； 根據(jù)平面串并聯(lián)機(jī)構(gòu)彈性力的傳遞性以及被動(dòng)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，根據(jù)(6)可由末端結(jié)構(gòu)單元逐一遞推求解該串并聯(lián)機(jī)構(gòu)各結(jié)構(gòu)單元對(duì)應(yīng)的剛度Ici和首端驅(qū)動(dòng)源的驅(qū)動(dòng)力矩M1 =kif ( θ maxi)； 其中，將需擬合的包絡(luò)線與串并聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)，以串并聯(lián)結(jié)構(gòu)單元為旋轉(zhuǎn)體，其旋轉(zhuǎn)中心為包絡(luò)線上的離散點(diǎn)，將連續(xù)的包絡(luò)線曲線離散為多段折線段，在起始點(diǎn)處建立以水平線為X軸的平面直角坐標(biāo)系，確定各離散點(diǎn)的坐標(biāo)值，計(jì)算出每段折線段與水平軸之間的夾角Qitl，然后計(jì)算后一段折線相對(duì)于前一段折線的相對(duì)轉(zhuǎn)角0maxi; 其具體計(jì)算方法為:在直角坐標(biāo)系中，設(shè)相鄰離散點(diǎn)A，B, C的坐標(biāo)分別為:(xa，ya)，(xb，yb)，(x。，y。)，該三點(diǎn)確定兩段直線段AB和BC，設(shè)其與x軸之間的夾角為Θ a(l、Θ b0,則θα0 = arctan yb ~ y°- ,0bo = arctan 尺一 yb ； Xb - xOxC - Xb 設(shè)直線段AB與BC之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角為θ-b，則Θ fflaxb = I ebo-0ao|o
全文摘要
本發(fā)明涉及一種變剛度的平面串并聯(lián)仿生擺動(dòng)推進(jìn)機(jī)構(gòu)，包括多個(gè)“T”型結(jié)構(gòu)剛性體單元和多個(gè)模擬魚體側(cè)向肌單元，每個(gè)“T”型結(jié)構(gòu)單元包括模擬魚肋骨的剛性體和模擬魚脊椎的剛性體，模擬魚脊椎的剛性體的一端與模擬魚肋骨的剛性體的中間位置鉸接；模擬魚脊椎的剛性體的另外一端與下一個(gè)模擬魚肋骨的剛性體中間位置鉸接，從而使多個(gè)“T”型結(jié)構(gòu)剛性體單元依次互相串聯(lián)；模擬魚體側(cè)向肌單元包括彈簧和阻尼器，彈簧的兩端分別與阻尼器的兩端連接，若對(duì)首端“T”型結(jié)構(gòu)單元施加正旋的驅(qū)動(dòng)力矩，則該串并聯(lián)機(jī)構(gòu)能夠產(chǎn)生平面往復(fù)擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，控制簡(jiǎn)單有效，能更有效的提高仿生魚的游動(dòng)效果。
文檔編號(hào)B63H1/36GK103224017SQ201310141208
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月6日
發(fā)明者姜洪洲, 崔祚, 何景峰, 佟志忠, 田體先 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)