專利名稱：一種變剛度仿生擺動(dòng)推進(jìn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及到仿生水下機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及ー種變剛度仿生擺動(dòng)推進(jìn)裝置。
背景技術(shù)：
目前國(guó)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迸。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。多種形式的機(jī)器魚、仿魚機(jī)器人或仿生水下推進(jìn)器已經(jīng)相繼問(wèn)世，但仍然存在許多問(wèn)題，推進(jìn)效率和速度與魚類存在較大的差距。目前對(duì)BCF類魚的游動(dòng)機(jī)理研究表明1.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，并且具有俯仰、偏航和扭轉(zhuǎn)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。2.魚在游動(dòng)過(guò)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
為復(fù)現(xiàn)上述兩點(diǎn)魚游動(dòng)速度快及推進(jìn)效率高的重要機(jī)理，本發(fā)明提供了一種基于超冗余串并聯(lián)機(jī)構(gòu)的變剛度仿生擺動(dòng)推進(jìn)裝置。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)包括支座、兩節(jié)以上的擺動(dòng)裝置和尾鰭，所述擺動(dòng)裝置包括上平臺(tái)、下平臺(tái)、18個(gè)柔性鉸點(diǎn)、8個(gè)支腿和脊骨柱，上平臺(tái)中心處有柔性鉸點(diǎn)O’，下平臺(tái)中心處有柔性鉸點(diǎn)O，柔性鉸點(diǎn)O’與柔性鉸點(diǎn)ο用脊骨相連接；下平臺(tái)分布有8個(gè)柔性鉸點(diǎn)在半徑為rb的圓心為ο的圓上，這8個(gè)柔性鉸點(diǎn)分為四組,柔性鉸點(diǎn)為一組，柔性鉸點(diǎn)b3b4為一組，柔性鉸點(diǎn)b5b6為一組，柔性鉸點(diǎn)b7b8為ー組，下平臺(tái)的柔性鉸點(diǎn)組所形成的直線與相鄰的柔性鉸點(diǎn)組所形成的直線相差90° ;上平臺(tái)也分布有8個(gè)柔性鉸點(diǎn)在半徑為ra的圓心為O’的圓上，這8個(gè)柔性鉸點(diǎn)分為四組，柔性鉸點(diǎn)a2a3為一組，柔性鉸點(diǎn)a4a5為一組，柔性鉸點(diǎn)a6a7為一組，柔性鉸點(diǎn)B8B1為ー組，上平臺(tái)的柔性鉸點(diǎn)組所形成的直線與相鄰的柔性鉸點(diǎn)組所形成的直線相差90° ;所述的圓心為O的圓與圓心為O’的圓為同心圓；八條支腿分別為支腿S1Id1，支腿a2b2，支腿a3b3，支腿a4b4，支腿a5b5，支腿a6b6，支腿a7b7和支腿a8b8 ；支腿^b1的兩端分別與柔性鉸點(diǎn)B1和柔性鉸點(diǎn)bi連接，支腿a2b2的兩端分別與柔性鉸點(diǎn)a2和柔性鉸點(diǎn)b2連接，
支腿a3b3的兩端分別與柔性鉸點(diǎn)a3和柔性鉸點(diǎn)b3連接，支腿a4b4的兩端分別與柔性鉸點(diǎn)a4和柔性鉸點(diǎn)b4連接，支腿a5b5的兩端分別與柔性鉸點(diǎn)a5和柔性鉸點(diǎn)b5連接，
支腿a6b6的兩端分別與柔性鉸點(diǎn)a6和柔性鉸點(diǎn)b6連接，支腿a7b7的兩端分別與柔性鉸點(diǎn)a7和柔性鉸點(diǎn)b7連接，支腿a8b8的兩端分別與柔性鉸點(diǎn)a8和柔性鉸點(diǎn)b8連接；上平臺(tái)的柔性鉸點(diǎn)組所形成的直線與其相鄰的下平臺(tái)的柔性鉸點(diǎn)組所形成的直線相差45° ;第一級(jí)擺動(dòng)裝置的下平臺(tái)與支座固定，其上平臺(tái)作為第二級(jí)擺動(dòng)裝置的下平臺(tái)，以此類推將多個(gè)擺動(dòng)裝置串聯(lián)起來(lái)，最后ー級(jí)擺動(dòng)裝置的上平臺(tái)與尾鰭固定連接，整體結(jié)構(gòu)形成超冗余串并聯(lián)機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明還具有如下特征I、所述的擺動(dòng)裝置，其節(jié)數(shù)為3，則其各級(jí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)如下設(shè)擺動(dòng)裝置總長(zhǎng)為L(zhǎng),魚體中部寬度為D1第一級(jí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)上下平臺(tái)的距離H1 =入山，其λ 1值根據(jù)魚體外形長(zhǎng)度匹配確定，丨く;L1 く *下平臺(tái)半徑rbl = D1，上下平臺(tái)的半徑比值— =1設(shè)計(jì)其解耦中心使之位于魚體的中部
,Iニ-H1根據(jù)解耦中心公式求得α+β，0。< α彡18。，0° < β彡18。，且滿足柔性鉸點(diǎn)排列不干渉原則；第二級(jí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)上下平臺(tái)的距離H2= A2L, λ 2值根據(jù)魚體外形長(zhǎng)度匹配確定，み幺全下平臺(tái)半徑rb2 = ral，上下平臺(tái)的半徑比值根據(jù)距離H2處魚體外形寬度D2確定^ = -Z- = Yi
hi A-<χ2<1設(shè)計(jì)其解耦中心使之稍偏向魚尾方向
*IH2 = η2Η2,~<η2 くI根據(jù)解耦中心公式求得α+β，0。< α彡18。，0° < β彡18。，且滿足柔性鉸點(diǎn)排列不干渉原則；第三級(jí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)上下平臺(tái)的距離H3= X3L其λ 3值根據(jù)魚體外形長(zhǎng)度匹配確定，金Sみ下平臺(tái)半徑rb3 = ra2，上下平臺(tái)的半徑比值根據(jù)距離H3處魚體外形寬度D3確定
ra3 D3 _一 = —= ^3
A
權(quán)利要求
1.一種變剛度仿生擺動(dòng)推進(jìn)裝置，包括支座、兩節(jié)以上的擺動(dòng)裝置和尾鰭，其特征在于: 所述擺動(dòng)裝置包括上平臺(tái)、下平臺(tái)、18個(gè)柔性鉸點(diǎn)、8個(gè)支腿和脊骨柱，上平臺(tái)中心處有柔性鉸點(diǎn)o’，下平臺(tái)中心處有柔性鉸點(diǎn)O，柔性鉸點(diǎn)o’與柔性鉸點(diǎn)0用脊骨相連接；下平臺(tái)分布有8個(gè)柔性鉸點(diǎn)在半徑為rb的圓心為0的圓上，這8個(gè)柔性鉸點(diǎn)分為四組，柔性鉸點(diǎn)I^b2為一組，柔性鉸點(diǎn)b3b4為一組，柔性鉸點(diǎn)b5b6為一組，柔性鉸點(diǎn)b7b8為一組，下平臺(tái)的柔性鉸點(diǎn)組所形成的直線與相鄰的柔性鉸點(diǎn)組所形成的直線相差90° ; 上平臺(tái)也分布有8個(gè)柔性鉸點(diǎn)在半徑為ra的圓心為o’的圓上，這8個(gè)柔性鉸點(diǎn)分為四組,柔性鉸點(diǎn)a2a3為一組，柔性鉸點(diǎn)a4a5為一組，柔性鉸點(diǎn)a6a7為一組，柔性鉸點(diǎn)B8B1為一組，上平臺(tái)的柔性鉸點(diǎn)組所形成的直線與相鄰的柔性鉸點(diǎn)組所形成的直線相差90° ;所述的圓心為O的圓與圓心為o’的圓為同心圓； 八條支腿分另Il為支腿，支腿a2b2,支腿a3b3，支腿a4b4,支腿a5b5,支腿a6b6,支腿a7b7和支腿a8b8 ； 支腿^b1的兩端分別與柔性鉸點(diǎn)和柔性鉸點(diǎn)Id1連接， 支腿a2b2的兩端分別與柔性鉸點(diǎn)a2和柔性鉸點(diǎn)b2連接， 支腿a3b3的兩端分別與柔性鉸點(diǎn)a3和柔性鉸點(diǎn)b3連接， 支腿a4b4的兩端分別與柔性鉸點(diǎn)a4和柔性鉸點(diǎn)b4連接， 支腿a5b5的兩端分別與柔性鉸點(diǎn)a5和柔性鉸點(diǎn)b5連接， 支腿a6b6的兩端分別與柔性鉸點(diǎn)a6和柔性鉸點(diǎn)b6連接， 支腿a7b7的兩端分別與柔性鉸點(diǎn)a7和柔性鉸點(diǎn)b7連接， 支腿a8b8的兩端分別與柔性鉸點(diǎn)a8和柔性鉸點(diǎn)b8連接； 上平臺(tái)的柔性鉸點(diǎn)組所形成的直線與其相鄰的下平臺(tái)的柔性鉸點(diǎn)組所形成的直線相差 45° ; 第一級(jí)擺動(dòng)裝置的下平臺(tái)與支座固定，其上平臺(tái)作為第二級(jí)擺動(dòng)裝置的下平臺(tái)，以此類推將多個(gè)擺動(dòng)裝置串聯(lián)起來(lái)，最后一級(jí)擺動(dòng)裝置的上平臺(tái)與尾鰭固定連接，整體結(jié)構(gòu)形成超冗余串并聯(lián)機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種變剛度仿生擺動(dòng)推進(jìn)裝置，其特征在于所述的擺動(dòng)裝置，其節(jié)數(shù)為3，則其各級(jí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)如下設(shè)擺動(dòng)裝置總長(zhǎng)為L(zhǎng)，魚體中部寬度為Dl第一級(jí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)上下平臺(tái)的距離
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種變剛度仿生擺動(dòng)推進(jìn)裝置，其特征在于所述的擺動(dòng)裝置，其節(jié)數(shù)大于3，則其各級(jí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)如下 設(shè)擺動(dòng)裝置總長(zhǎng)為L(zhǎng),魚體中部寬度為D1, 第一級(jí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)上下平臺(tái)的距離H1= A1L，其X1值根據(jù)魚體外形長(zhǎng)度匹配確定，*Szl1SI 下平臺(tái)半徑rbl = D1，上下平臺(tái)的半徑比值
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種變剛度仿生擺動(dòng)推進(jìn)裝置，其特征在于通過(guò)配置不同的上下平臺(tái)半徑比能夠獲得不同的解耦中心位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的一種變剛度仿生擺動(dòng)推進(jìn)裝置，其特征在于所述的支腿采用形狀記憶合金彈簧材料制成，平臺(tái)為鋁合金材料制成。
全文摘要
一種變剛度仿生擺動(dòng)推進(jìn)裝置，包括支座、兩節(jié)以上的擺動(dòng)裝置和尾鰭，所述擺動(dòng)裝置包括上平臺(tái)、下平臺(tái)、18個(gè)柔性鉸點(diǎn)、8個(gè)支腿和脊骨柱，上平臺(tái)中心處有柔性鉸點(diǎn)o’，下平臺(tái)中心處有柔性鉸點(diǎn)o，柔性鉸點(diǎn)o’與柔性鉸點(diǎn)o用脊骨相連接；柔性鉸點(diǎn)之間通過(guò)8個(gè)支腿分別連接。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于具有推力大，動(dòng)作連續(xù)，柔順性好的特點(diǎn)；提高了推進(jìn)效率，復(fù)現(xiàn)了真實(shí)魚類游動(dòng)變剛度節(jié)能機(jī)理。
文檔編號(hào)B63H1/36GK102673759SQ20121015212
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月7日
發(fā)明者何景峰, 佟志忠, 姜洪洲, 田體先 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)