[实用新型]一种刚柔耦合变刚度柔性机器鱼

说明书

本实用新型公开了一种刚柔耦合变刚度柔性机器鱼，本实用新型通过流体驱动的多通道结构来模拟鱼体肌肉，并利用柔性梁结构来模拟鱼体脊椎，以实现柔性机器鱼的变刚度特性。本实用新型分别推导了刚柔耦合柔性仿生鱼的实验原理。该设计方法可通过多通道结构参数和柔性梁参数的优化使设计的仿生鱼实现刚度较大范围内的变化，以获得较好的游动性能。本实用新型采用连续脊椎梁与多通道肌肉系统相叠加的方式来制作柔性机器鱼，从整体上充分考虑了鱼类变刚度特性对其推进性能的影响，对提高仿生机器鱼推进性能有着重要的意义。

技术领域

本实用新型主要应用到仿生水下机器人领域，具体为一种刚柔耦合变刚度仿生鱼的设计方法及该方法设计的仿生机器鱼。

背景技术

传统上，船舶或者自主无人潜器(AVU)均采用螺旋桨进行驱动，具有推进速度慢、效率低、机动性差以及对流体环境扰动大等较为明显的缺陷。在自然界中，鱼类通过身体和/或尾鳍的摆动，获得快速高效的游动性能和极高的机动性，这些独特的游动性能吸引了越来越多的科研工作者。近年来，研究人员逐渐从流体力学等方面揭示鱼类高效游动的机理，但是，基于生物原型的仿生机器鱼不论在游动速度、推进效率还是在转弯机动性上均远远落后于自然界中的鱼类。虽然仿生机器鱼的实验研究经过了多年的实践，但其对应的设计方法较少且尚不成熟。目前为止，仿生机器鱼摆动推进模型的设计主要包括刚性串联机构和柔性结构。

传统上，仿生机器鱼是以多关节刚体相串联结构来实现尾体的摆动。该设计利用每个关节的单自由度的转动来复现摆动运动，代表性的机器鱼包括MIT开发的金枪机器鱼Robotuna、Draper实验室机器鱼VCUUV、英国埃塞克斯大学的G系列和MT系列的机器鱼、日本NMRI开发的PF系列和UPF系列机器鱼和北航研制的两关节机器鱼 SPC-II和SPC-III等。总体上，基于串联结构的机器鱼结构简单，各关节需要单独驱动，控制复杂，游动效率低。

近年来，仿生学者为提高仿生机器鱼的游动性能，提出了柔性鱼体结构，该结构考虑了鱼体脊椎和分布在脊椎周围鱼体肌肉对游动性能的影响。具有代表性的机器鱼包括Alvarado和Marchese等人制作了一种基于硅胶材料的柔性机器鱼。该机器鱼为柔性结构，通过在鱼体内部放置舵机，驱动连杆机构来产生往复运动，以实现鱼体的摆动推进。该类型机器鱼结构简单可靠，能够模拟鱼类的粘弹性动力学特性。但是，由于粘弹性材料(如硅胶)的物理属性，所制作的柔性机器鱼并不能改变其身体的弯曲刚度，对不同的外界流体环境的适应性较差。

上述柔性机器鱼虽然具有一定柔顺性，但在实验方案均具有一定的缺陷，在游动速度、推进效率和机动性方面还远不如自然界中的鱼类。因此，在机器鱼的设计制作等方面仍需要进一步的探索。实际上，生物学研究表明鱼类可通过肌肉改变其身体刚度，使尾鳍摆动频率与其身体自然频率相匹配，从而达到快速高效的游动性能。上述仿生机器鱼的设计并没有考虑鱼体刚度对游动性能的影响。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种刚柔耦合变刚度柔性仿生机器鱼的设计方法及该方法设计的仿生机器鱼，充分考虑了鱼类变刚度特性对游动性能的影响，以克服现有技术的不足。

本实用新型采用以下技术方案予以实现：

本实用新型的机器鱼由鱼体部分和鱼尾部分组成，这两部分由连接隔板进行固联；鱼头部分设有锂电池、驱动系统和控制系统；鱼尾部分有柔性脊椎结构和多通道肌肉系统；所述柔性脊椎结构包括底板和弹性梁，在弹性梁上设有脊椎硬块，脊椎硬块被固定在弹性梁的不同位置上，并通过绳索驱动末端脊椎块来实现弯曲变形；在底板上设有绳索固定端；所述多通道肌肉系统由硬质边界层和变形区域构成，其内设有流体通道；所述变形区域由粘弹性材料构成。