[发明专利]变刚度的平面串并联仿生摆动推进机构

说明书

技术领域

本发明涉及仿生水下机器人领域，具体是一种变刚度的平面串并联仿生摆动推进机构。

背景技术

目前国内外科研机构对水下生物如金枪鱼、旗鱼、鲨鱼类游泳时身体摆动的研究证实这类鱼把身体-尾鳍(Body and Caudal Fin，BCF)作为推进器，身体左右摆动击水，产生逆卡门涡街，利用其产生的反作用力使鱼体向前推进。由于这些鱼推进效率高、速度快、机动性强，被众多学者作为仿生研究的对象。生物学对BCF类鱼的游动机理研究表明其肌肉、肌腱、皮肤、骨骼系统组成了一种复杂的串并联机构，这种构造能够有效的增大推力，提高机动性能和游动效率，其中鱼类独特的游动性能很大程度上依赖于其肌肉机械性能的改变。研究表明鱼在游动过程中能够改变自身刚度而且不同的游动速度需要不同的刚度以使身体的自然频率与尾部摆动频率达到匹配，从而大大降低能量消耗。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种变刚度的平面串并联仿生摆动推进机构及其设计方法。为最大程度的复现鱼游动的高性能，将鱼体的生物学结构简化为机械的串并联机构，有着粘弹性特点的肌肉则被简化为弹簧和阻尼器的串联装置。本发明避免传统串联机构使用多个驱动源的弊端，使用单个驱动源来使串并联机构实现鱼体波(或者包络线)的拟合，同时为进一步明确肌肉在鱼体游动过程刚度的变化提供依据。

本发明采用以下技术方案予以实现：

一种变刚度的平面串并联仿生摆动推进机构，包括多个“T”型结构刚性体单元和多个模拟鱼体侧向肌单元(2)，每个“T”型结构单元包括模拟鱼肋骨的刚性体(1)和模拟鱼脊椎的刚性体(4)，模拟鱼脊椎的刚性体(4)的一端与模拟鱼肋骨的刚性体(1)的中间位置铰接；模拟鱼脊椎的刚性体的另外一端与下一个模拟鱼肋骨的刚性体中间位置铰接，从而使多个“T”型结构刚性体单元依次互相串联；模拟鱼体侧向肌单元(2)包括弹簧(2-1)和阻尼器(2-2)，弹簧(2-1)的两端分别与阻尼器(2-2)的两端连接，第一个“T”型结构单元的模拟鱼肋骨的刚性体(1)的一侧与模拟鱼体侧向肌单元(2)的一端连接，该模拟鱼体侧向肌单元(2)的另外一端与下一个“T”型结构单元的模拟鱼肋骨的刚性体的一侧连接，每个“T”型结构单元另外一侧的连接结构也相同，从而使整体机构形成平面超冗余串并联机构，若对首端“T”型结构单元施加正旋的驱动力矩，则该串并联机构能够产生平面往复摆动的运动；

本发明还具有如下特征：

如上所述的一种变刚度的平面串并联仿生摆动推进机构，其所述的首端驱动力矩和各结构单元对应的刚性体的刚度计算方法如下，

步骤1：选取所要拟合的鱼体波和平面串并联机构的几何参数

选取鱼游动时鱼体发生最大弯曲时鱼体波形成的包络线为所要拟合曲线，由生物观测得到；

确定串并联机构的几何参数，包括“T”型结构刚性体单元的个数N，第i个“T”型结构刚性体单元的模拟鱼肋骨的刚性体长度r_i和模拟鱼脊椎的刚性体的长度h_i，连接在“T”型结构刚性体单元之间的模拟鱼体侧向肌单元的弹簧未变形之间的长度l_0i；

对于结构参数确定的平面串并联机构，转动惯量I₁，相对转角θ_maxl，结构单元的变形尺寸f(θ_maxi+1)均为非零常数，则第k个串并联结构单元中弹簧所对应的刚度k_i的计算表达式为：