基于液壓人工肌肉的仿生尾鰭水下推進(jìn)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于液壓人工肌肉的仿生尾鰭水下推進(jìn)器，包括兩節(jié)以上的擺動(dòng)裝置、尾鰭以及液壓控制單元，擺動(dòng)裝置包括T形支架和對(duì)稱布置于T形支架上的兩個(gè)人工肌肉，人工肌肉包括伸縮組件，伸縮組件具有彈性液壓腔，伸縮組件上設(shè)有用來與彈性液壓腔和液壓控制單元相連的接頭，伸縮組件通過彈性液壓腔的充液和排液實(shí)現(xiàn)直線拉伸和收縮，所有擺動(dòng)裝置的T形支架依次首尾鉸接相連，伸縮組件一端鉸接于T形支架上，另一端與下一節(jié)擺動(dòng)裝置的T形支架鉸接；在同一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)一個(gè)人工肌肉處于拉伸狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)人工肌肉處于收縮狀態(tài)，尾鰭與最后一節(jié)擺動(dòng)裝置相連。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、效率高、易于建模和控制等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】基于液壓人工肌肉的仿生尾鰭水下推進(jìn)器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及仿生水下推進(jìn)器領(lǐng)域，特指一種基于液壓人工肌肉的仿生尾鰭水下推進(jìn)器。
【背景技術(shù)】[0002]目前，國內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)開展水下生物如金槍魚、鯊魚、海豚等推進(jìn)運(yùn)動(dòng)的研究，并且研制出一些機(jī)器魚、仿魚機(jī)器人或仿生水下推進(jìn)器等。大量試驗(yàn)表明模仿魚類身體-尾鰭(Body and Caudal Fin,縮寫為BCF)推進(jìn)方式的水下推進(jìn)器具有效率高、流體擾動(dòng)小、機(jī)動(dòng)性好等特性。但這些裝置仍然存在一些缺陷，如裝置中的每個(gè)關(guān)節(jié)采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，往復(fù)擺動(dòng)由凸輪擺桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，自身能量損耗大、效率低、擺動(dòng)頻率低、動(dòng)作僵硬無柔性等，很難走出實(shí)驗(yàn)室并在實(shí)際的工程實(shí)踐中加以應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、效率高、易于建模和控制的基于液壓人工肌肉的仿生尾鰭水下推進(jìn)器。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種基于液壓人工肌肉的仿生尾鰭水下推進(jìn)器，包括兩節(jié)以上的擺動(dòng)裝置、尾鰭以及液壓控制單元，所述擺動(dòng)裝置包括T形支架和對(duì)稱布置于T形支架上的兩個(gè)人工肌肉，所述人工肌肉包括伸縮組件，所述伸縮組件具有可通過充液產(chǎn)生單向直線膨脹的彈性液壓腔，所述伸縮組件上設(shè)有用來與彈性液壓腔和液壓控制單元相連的接頭，所述伸縮組件通過彈性液壓腔充液后的直線膨脹實(shí)現(xiàn)直線拉伸、并通過彈性液壓腔排液后的自身彈性回復(fù)力實(shí)現(xiàn)直線收縮，所述伸縮組件沿伸縮方向的一端連接有第一關(guān)節(jié)連接件，另一端連接有第二關(guān)節(jié)連接件；所有擺動(dòng)裝置的T形支架依次首尾鉸接相連，相鄰T形支架之間可做相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，所述第一關(guān)節(jié)連接件鉸接于T形支架上，所述第二關(guān)節(jié)連接件與下一節(jié)擺動(dòng)裝置的T形支架鉸接；在同一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，同一個(gè)擺動(dòng)裝置上的一個(gè)人工肌肉處于拉伸狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)人工肌肉處于收縮狀態(tài)，所述尾鰭與最后一節(jié)擺動(dòng)裝置相連。
[0005]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):
所述伸縮組件包括第一基座組、第二基座組以及可軸向伸縮的外膠管和內(nèi)膠管，所述外膠管和內(nèi)膠管均連接于第一基座組與第二基座組之間，所述內(nèi)膠管位于外膠管之內(nèi)，且內(nèi)膠管與外膠管之間留有間隙，所述內(nèi)膠管、外膠管、第一基座組和第二基座組之間形成所述彈性液壓腔。
[0006]所述第一關(guān)節(jié)連接件為內(nèi)連桿，所述第二關(guān)節(jié)連接件為外連桿，所述內(nèi)連桿的一端與第二基座組固定連接，另一端從第一基座組中部開設(shè)的中心孔穿出；所述外連桿的一端與第一基座組固定連接，另一端從第二基座組上開設(shè)的槽穿出；所述外連桿內(nèi)部中空，所述內(nèi)連桿套設(shè)于外連桿內(nèi)并可相對(duì)外連桿滑動(dòng)，所述外連桿套設(shè)于內(nèi)膠管內(nèi)以限制內(nèi)膠管的徑向膨脹變形。[0007]所述外連桿從第二基座組穿過的一端側(cè)壁沿軸向開設(shè)有供內(nèi)連桿與第二基座組連接的避讓槽。
[0008]所述伸縮組件還包括連接于第一基座組或第二基座組上的外罩管，所述外罩管罩設(shè)于外膠管之外以限制外膠管的徑向膨脹變形。
[0009]所述第一基座組和第二基座組均包括內(nèi)基座和固定套接于內(nèi)基座外的外基座，所述內(nèi)膠管通過套接于內(nèi)基座上的內(nèi)卡環(huán)固定于內(nèi)基座上，所述外膠管通過套接于外基座上的外卡環(huán)固定于外基座上。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:1)本發(fā)明的基于液壓人工肌肉的仿生尾鰭水下推進(jìn)器，根據(jù)仿魚身體和肌肉分布的生物學(xué)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多關(guān)節(jié)的擺動(dòng)裝置及人工肌肉，依靠液壓控制實(shí)現(xiàn)模擬尾鰭的往復(fù)擺動(dòng)，具有效率高、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；(2)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，重量較輕，能夠?qū)崿F(xiàn)柔性的模擬魚類的游動(dòng)行為，而且擺動(dòng)頻率高、負(fù)載能力大；(3)本發(fā)明有效地解決了電機(jī)結(jié)構(gòu)的密封問題，充分利用水下環(huán)境中的水資源作為動(dòng)力液體，易于工程應(yīng)用；(4)本發(fā)明的人工肌肉結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，通過彈性液壓腔的充液?jiǎn)蜗蛑本€膨脹和排液收縮實(shí)現(xiàn)伸縮組件的單向直線伸縮，從而驅(qū)動(dòng)人工肌肉伸縮，不會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，自由度少，便于控制，而且彈性液壓腔的體積變形容易設(shè)計(jì)和計(jì)算，肌肉的伸縮控制方法更為簡(jiǎn)單。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2為本發(fā)明中人工肌肉的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3為本發(fā)明中人工肌肉的主視剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖4為圖3中去掉內(nèi)連桿和外連桿的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖5為圖4中A向結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖6為內(nèi)連桿和外連桿的裝配結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖例說明:1、尾鰭；2、T形支架；21、橫梁；22、縱梁；3、人工肌肉；301、彈性液壓腔;302、接頭;303、內(nèi)連桿；304、外連桿；305、第一基座組；306、第二基座組;307、外膠管；308、內(nèi)膠管;309、中心孔;310、槽;311、連接頭；312、避讓槽；313、外罩管；314、內(nèi)基座；315、外基座；316、內(nèi)卡環(huán)；317、外卡環(huán)。
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0019]如圖1所示，本發(fā)明的基于液壓人工肌肉的仿生尾鰭水下推進(jìn)器，包括兩節(jié)以上的擺動(dòng)裝置、尾鰭I以及液壓控制單元(圖中未示出)，擺動(dòng)裝置包括T形支架2和對(duì)稱布置于T形支架2上的兩個(gè)人工肌肉3。參見圖2、圖3，每個(gè)人工肌肉3包括伸縮組件，伸縮組件具有可通過充液產(chǎn)生單向直線膨脹的彈性液壓腔301，伸縮組件上設(shè)有用來與彈性液壓腔301和液壓控制單元相連的接頭302。工作時(shí)，將接頭302與外部的液壓控制單元相連，通過液壓控制單元的控制實(shí)現(xiàn)彈性液壓腔301的充液和排液。彈性液壓腔301充液后發(fā)生直線膨脹，使伸縮組件直線拉伸；彈性液壓腔301排液后通過自身的彈性回復(fù)力直線收縮，使伸縮組件直線收縮。伸縮組件沿伸縮方向的一端連接有第一關(guān)節(jié)連接件，另一端連接有第二關(guān)節(jié)連接件。所有擺動(dòng)裝置的T形支架2依次首尾鉸接相連，相鄰T形支架2之間可做相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。第一關(guān)節(jié)連接件鉸接于T形支架2上，第二關(guān)節(jié)連接件與下一節(jié)擺動(dòng)裝置的T形支架2鉸接。在同一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，同一個(gè)擺動(dòng)裝置上的一個(gè)人工肌肉3處于拉伸狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)人工肌肉3處于收縮狀態(tài)，尾鰭I與最后一節(jié)擺動(dòng)裝置相連。通過T形支架2兩側(cè)人工肌肉3的交替伸縮，使所有的擺動(dòng)裝置左右來回?cái)[動(dòng)，帶動(dòng)尾鰭I往復(fù)拍水，產(chǎn)生向前的推進(jìn)力。
[0020]液壓控制單元可以采用電磁閥調(diào)節(jié)的形式，其包括液壓源和電磁控制閥，液壓源通過電磁控制閥以及液壓管路后與液壓油缸上的油嘴接頭相連，即可由2n個(gè)雙向電磁閥組成分配回路，每?jī)蓚€(gè)為一組控制一個(gè)擺動(dòng)關(guān)節(jié)，每組之間按照一定的時(shí)序進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)所有關(guān)節(jié)按照一定的相位順序進(jìn)行擺動(dòng)。在本實(shí)施例中，液壓控制單元為液壓源和單通道旋轉(zhuǎn)式流體分配閥，單通道旋轉(zhuǎn)式流體分配閥包括伺服電機(jī)和閥體，伺服電機(jī)的輸出端與閥體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)閥芯相連，閥體通過管道與液壓源相連，并通過管道與伸縮組件上的接頭302相連。
[0021]本實(shí)施例中，擺動(dòng)裝置為3節(jié)，每節(jié)擺動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)均相同，以第二節(jié)擺動(dòng)裝置為例，它包括T形支架2和兩個(gè)人工肌肉3，T形支架2由縱梁22和橫梁21組成，縱梁22的端部與下一節(jié)T形支架2的橫梁21中部鉸接，橫梁21的中部與上一節(jié)T形支架2的縱梁22端部鉸接，兩個(gè)人工肌肉3分別位于縱梁22的兩側(cè)，并分別鉸接于橫梁21的兩端。
[0022]本實(shí)施例中，伸縮組件包括第一基座組305、第二基座組306以及可軸向伸縮的外膠管307和內(nèi)膠管308，第一基座組305和第二基座組306分別位于伸縮組件的兩端，外膠管307和內(nèi)膠管308均連接于第一基座組305與第二基座組306之間。內(nèi)膠管308位于外膠管307之內(nèi)并與外膠管307同軸設(shè)置，內(nèi)膠管308與外膠管307之間留有間隙，使內(nèi)膠管308、外膠管307、第一基座組305和第二基座組306之間形成彈性液壓腔301。向彈性液壓腔301內(nèi)充液時(shí)，外膠管307和內(nèi)膠管308在液壓作用下軸向拉伸，使彈性液壓腔301直線膨脹，伸縮組件也隨之直線拉伸；彈性液壓腔301排液時(shí)，外膠管307和內(nèi)膠管308在自身的彈性回復(fù)力作用下軸向收縮，使彈性液壓腔301直線收縮，伸縮組件也隨之直線收縮。彈性液壓腔301由外膠管307和內(nèi)膠管308構(gòu)成，彈性良好、形變量大，可保證伸縮組件伸縮動(dòng)作的靈活性和可靠性。
[0023]參見圖3至圖6，本實(shí)施例中，第一關(guān)節(jié)連接件為內(nèi)連桿303，第二關(guān)節(jié)連接件為外連桿304，內(nèi)連桿303的一端與第二基座組306固定連接，另一端從第一基座組305中部開設(shè)的中心孔309穿出；外連桿304的一端與第一基座組305固定連接，另一端從第二基座組306上開設(shè)的槽310穿出，并連接一連接頭311。參見圖5，槽310為弧形槽。外連桿304內(nèi)部中空，內(nèi)連桿303套設(shè)于外連桿304內(nèi)并可相對(duì)外連桿304滑動(dòng)，外連桿304套設(shè)于內(nèi)膠管308內(nèi)以限制內(nèi)膠管308的徑向膨脹變形，保證內(nèi)膠管308的單向軸向伸縮。
[0024]參見圖6，本實(shí)施中，外連桿304從第二基座組306穿過的一端側(cè)壁沿軸向開設(shè)有供內(nèi)連桿303與第二基座組306連接的避讓槽312。
[0025]本實(shí)施例中，伸縮組件還包括連接于第一基座組305上的外罩管313，外罩管313罩設(shè)于外膠管307之外以限制外膠管307的徑向膨脹變形，保證外膠管307的單向軸向伸縮。當(dāng)然，在其他實(shí)施例中，外罩管313也可連接于第二基座組306上。
[0026]本實(shí)施例中，第一基座組305和第二基座組306均包括內(nèi)基座314和固定套接于內(nèi)基座314外的外基座315，內(nèi)膠管308通過套接于內(nèi)基座314上的內(nèi)卡環(huán)316固定于內(nèi)基座314上，外膠管307通過套接于外基座315上的外卡環(huán)317固定于外基座315上。
[0027] 以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于液壓人工肌肉的仿生尾鰭水下推進(jìn)器，其特征在于:包括兩節(jié)以上的擺動(dòng)裝置、尾鰭(I)以及液壓控制單元，所述擺動(dòng)裝置包括T形支架(2)和對(duì)稱布置于T形支架(2)上的兩個(gè)人工肌肉(3)，所述人工肌肉(3)包括伸縮組件，所述伸縮組件具有可通過充液產(chǎn)生單向直線膨脹的彈性液壓腔(301)，所述伸縮組件上設(shè)有用來與彈性液壓腔(301)和液壓控制單元相連的接頭(302)，所述伸縮組件通過彈性液壓腔(301)充液后的直線膨脹實(shí)現(xiàn)直線拉伸、并通過彈性液壓腔(301)排液后的自身彈性回復(fù)力實(shí)現(xiàn)直線收縮，所述伸縮組件沿伸縮方向的一端連接有第一關(guān)節(jié)連接件，另一端連接有第二關(guān)節(jié)連接件；所有擺動(dòng)裝置的T形支架(2)依次首尾鉸接相連，相鄰T形支架(2)之間可做相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，所述第一關(guān)節(jié)連接件鉸接于T形支架(2 )上，所述第二關(guān)節(jié)連接件與下一節(jié)擺動(dòng)裝置的T形支架(2 )鉸接；在同一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，同一個(gè)擺動(dòng)裝置上的一個(gè)人工肌肉(3)處于拉伸狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)人工肌肉(3)處于收縮狀態(tài)，所述尾鰭(I)與最后一節(jié)擺動(dòng)裝置相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液壓人工肌肉的仿生尾鰭水下推進(jìn)器，其特征在于:所述伸縮組件包括第一基座組(305)、第二基座組(306)以及可軸向伸縮的外膠管(307)和內(nèi)膠管(308 )，所述外膠管(307 )和內(nèi)膠管(308 )均連接于第一基座組(305 )與第二基座組(306 )之間，所述內(nèi)膠管(308 )位于外膠管(307 )之內(nèi)，且內(nèi)膠管(308 )與外膠管(307 )之間留有間隙，所述內(nèi)膠管(308)、外膠管(307)、第一基座組(305)和第二基座組(306)之間形成所述彈性液壓腔(301)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于液壓人工肌肉的仿生尾鰭水下推進(jìn)器，其特征在于:所述第一關(guān)節(jié)連接件為內(nèi)連桿(303)，所述第二關(guān)節(jié)連接件為外連桿(304)，所述內(nèi)連桿(303)的一端與第二基座組(306)固定連接，另一端從第一基座組(305)中部開設(shè)的中心孔(309)穿出；所述外連桿(304)的一端與第一基座組(305)固定連接，另一端從第二基座組(306)上開設(shè)的槽(310)穿出；所述外連桿(304)內(nèi)部中空，所述內(nèi)連桿(303)套設(shè)于外連桿(304 )內(nèi)并可相對(duì)外連桿(304 )滑動(dòng)，所述外連桿(304 )套設(shè)于內(nèi)膠管(308 )內(nèi)以限制內(nèi)膠管(308)的徑向膨脹變形。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于液壓人工肌肉的仿生尾鰭水下推進(jìn)器，其特征在于:所述外連桿(304)從第二基座組(306)穿過的一端側(cè)壁沿軸向開設(shè)有供內(nèi)連桿(303)與第二基座組(306)連接的避讓槽(312)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的基于液壓人工肌肉的仿生尾鰭水下推進(jìn)器，其特征在于:所述伸縮組件還包括連接于第一基座組(305)或第二基座組(306)上的外罩管(313)，所述外罩管(313)罩設(shè)于外膠管(307)之外以限制外膠管(307)的徑向膨脹變形。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的基于液壓人工肌肉的仿生尾鰭水下推進(jìn)器，其特征在于:所述第一基座組(305)和第二基座組(306)均包括內(nèi)基座(314)和固定套接于內(nèi)基座(314)外的外基座(315)，所述內(nèi)膠管(308)通過套接于內(nèi)基座(314)上的內(nèi)卡環(huán)(316)固定于內(nèi)基座(314)上，所述外膠管(307)通過套接于外基座(315)上的外卡環(huán)(317)固定于外基座(315)上。
【文檔編號(hào)】B63H1/36GK103625625SQ201310657909
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月9日
【發(fā)明者】張代兵, 沈林成, 馬兆偉, 朱華勇, 胡天江, 謝海斌, 周晗 申請(qǐng)人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)