本發(fā)明涉及一種尾鰭，具體涉及一種柔性多運動模式仿生尾鰭，屬于仿魚水下推進(jìn)裝置領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的水下推進(jìn)器多數(shù)采用螺旋槳作為驅(qū)動單元，實踐證明這種方法存在著諸多不可避免的問題，如重量大、體積大、能耗高、效率低、可靠性差、機(jī)動性差，且運動過程中伴有較大的噪聲和尾渦，對海洋生物的生存和環(huán)境具有一定的負(fù)面影響。這些缺點在一定程度上限制了其在水下航行器領(lǐng)域的應(yīng)用。近10年來，隨著人類利用海洋、開發(fā)海洋的步伐逐步加快，仿生水下航行器也逐步得到了發(fā)展，在這一類航行器中，以仿魚機(jī)器人最為盛行。關(guān)于魚類運動機(jī)理研究的報道在一個世紀(jì)以前就已經(jīng)出現(xiàn)了，但一直不成系統(tǒng)。直到1926年才有Breder等人根據(jù)產(chǎn)生主要推進(jìn)力的部位的不同，將魚類的推進(jìn)模式分為兩大類：身體尾鰭推進(jìn)模式和中間鰭對鰭推進(jìn)模式。這種分類較為簡單和初級，對魚類的游動特點描述還不夠清晰。因此，在1984年Webb等人對該種分類方式進(jìn)行了完善，提出了波動和擺動的概念，而這一改進(jìn)后的分類方式也被沿用至今。其中軀體尾鰭推進(jìn)模式又稱為BCF模式，中間鰭對鰭推進(jìn)模式又稱為MPF模式。上述分類包含魚鰭的分類，由于尾鰭推進(jìn)模式廣泛存在于大多數(shù)的海洋魚類中，因此其推進(jìn)特性和相關(guān)的仿生裝置也一直是研究人員所關(guān)心的問題。尾鰭的運動波動軀體末端的柔性鉸鏈進(jìn)行帶動，包括繞鉸鏈關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動和在波動軀體波動平面的升潛運動。在運動過程中，由于自身的柔性以及附著流體的粘性會使得尾鰭表現(xiàn)出被動的柔性變形，這個變形的動力來源于流體阻力和運動慣性力，變形則體現(xiàn)了柔性結(jié)構(gòu)對流場能量的被動利用過程。研究表明，尾鰭的展向柔性和弦向柔性在一定范圍內(nèi)對其推進(jìn)特性具有積極的影響，比如有利于增大推進(jìn)力、提高推進(jìn)效率、增加流場能量利用效率等。人們根據(jù)這種柔性尾鰭的被動動力效應(yīng)，相繼開發(fā)出了多種形式的仿生推進(jìn)裝置。經(jīng)文獻(xiàn)檢索，授權(quán)公告日為2013年5月22日、授權(quán)公告號為CN102248995B的發(fā)明名稱為“咽頜運動模式欠驅(qū)動柔性胸鰭仿生裝置”的發(fā)明專利，它首次提出了一種采用欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)模式的仿生胸鰭，將主動擺動構(gòu)件和從動擺動構(gòu)件結(jié)合應(yīng)用，其中主動擺動構(gòu)件由電機(jī)直接驅(qū)動，而從動擺動構(gòu)件則由主動擺動構(gòu)件通過阻尼器傳遞運動，實現(xiàn)了胸鰭的波動運動。但由于帶動胸鰭運動的鰭條都是剛性的擺動構(gòu)件，因此只能實現(xiàn)胸鰭的展向柔性， 而不具備弦向柔性，這與自然界中真實魚鰭的結(jié)構(gòu)和運動有一定的區(qū)別，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修更換成本高。授權(quán)公告日為2010年6月16日、授權(quán)公告號為CN101323365B的發(fā)明名稱為“液壓驅(qū)動身體尾鰭方式仿生水下推進(jìn)器”的發(fā)明專利，它首次提出了一種利用液壓驅(qū)動關(guān)節(jié)進(jìn)行魚體波動同時帶動尾鰭進(jìn)行往復(fù)擺動的仿生推進(jìn)結(jié)構(gòu)，這種推進(jìn)器可以局部模擬自然界中真實魚類的游動，但由于尾鰭不具備直接可控硅的展向柔性和弦向柔性，因此其仿生效果跟真實魚類的尾鰭相比必然會受到一定程度的制約，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修更換成本高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明是為解決現(xiàn)有水下仿尾鰭推進(jìn)裝置存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修更換成本高、運動模式單一、仿生效果與自然界中真實魚類游動有較大差距的問題，進(jìn)而提供一種驅(qū)動關(guān)節(jié)內(nèi)嵌式的柔性多運動模式仿生尾鰭。本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：本發(fā)明的驅(qū)動關(guān)節(jié)內(nèi)嵌式的柔性多運動模式仿生尾鰭包括仿生柔性蒙皮、彈性夾持框、第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)和N個第二壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)；其中N偶數(shù)，且N≥2；彈性夾持框、第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)和N個第二壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)嵌入柔性蒙皮內(nèi)，第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)和N個第二壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)分別與彈性夾持框可拆卸連接，第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)沿軸向水平布置在仿生柔性蒙皮的中部，N個第二壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)以第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)為對稱軸對稱布置，且N個第二壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)向外傾斜，彈性夾持框由硅膠或聚四氟乙烯制成，彈性夾持框的中部加工有平直凹槽，位于平直凹槽的兩側(cè)的彈性夾持框上加工有N個傾斜凹槽，第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)和N個第二壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)均為板狀壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)，第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)的一端插裝在平直凹槽內(nèi)，N個第二壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)各自的一端插裝在相應(yīng)的傾斜凹槽內(nèi)。本發(fā)明的有益效果是：一、本發(fā)明的驅(qū)動關(guān)節(jié)內(nèi)嵌式的柔性多運動模式仿生尾鰭直接通過內(nèi)嵌于仿生柔性蒙皮的壓電纖維復(fù)合材料(MFC)驅(qū)動關(guān)節(jié)的彎曲變形帶動仿生柔性蒙皮進(jìn)行偏擺或扭轉(zhuǎn)，以模擬自然界中真實魚類尾鰭的變形模式，實現(xiàn)有效推進(jìn)。在本發(fā)明中，規(guī)定垂直于第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)的中心線的方向為展向，第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)的長度方向中心線為弦向。由于多數(shù)魚類的尾鰭呈軸對稱的幾何形態(tài)，且在展向和弦向都具有一定的柔性，因此本發(fā)明中根據(jù)尾鰭形態(tài)布置了三個壓電纖維復(fù)合材料(MFC)驅(qū)動關(guān)節(jié)，其中一個布置于仿生柔性蒙皮的中心軸線位置，另兩個則對稱地分布于中心軸線的兩側(cè)。這種布置方式一方面可以最大限度地利用展向長度空間，使得運 動執(zhí)行效率更高；另一方面有利于實現(xiàn)防身尾鰭的多種運動模式。二、根據(jù)自然界中魚類利用柔性尾鰭進(jìn)行推進(jìn)的水動力學(xué)機(jī)理，尾鰭作為推進(jìn)的重要部件具備相對獨立的運動特性，其升潛幅值、擺動角度、擺動頻率、擊水角度等運動學(xué)參數(shù)和形態(tài)參數(shù)都直接決定了系統(tǒng)的推進(jìn)速度、推進(jìn)效率等動力學(xué)性能。本發(fā)明根據(jù)這個原理，將仿生尾鰭進(jìn)行模塊化設(shè)計，做成獨立的便于安裝、維護(hù)和替換的部件。由于壓電纖維復(fù)合材料(MFC)驅(qū)動關(guān)節(jié)是嵌入柔性尾鰭的，因此其運動也會同步復(fù)現(xiàn)在柔性尾鰭的變形上。當(dāng)三個壓電纖維復(fù)合材料(MFC)驅(qū)動關(guān)節(jié)已有同一側(cè)長生延展時，便會帶動仿生柔性蒙皮產(chǎn)生彎曲變形，在柔性尾鰭的運動形態(tài)上體現(xiàn)出來的就是繞垂直于第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)的中心線的擺動，此時會產(chǎn)生擊水的動作效果；若合理規(guī)劃、控制壓電纖維復(fù)合材料(MFC)驅(qū)動關(guān)節(jié)的彎曲方向和幅值，則可以讓柔性胸鰭展現(xiàn)出可控的沿垂直于第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)的長度方向中心線傳播的波動形態(tài)或者繞第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)的中心線的扭轉(zhuǎn)擺動形態(tài)，即實現(xiàn)本發(fā)明提出的多運動模式。三、本發(fā)明的驅(qū)動關(guān)節(jié)內(nèi)嵌式的柔性多運動模式仿生尾鰭是通過控制MFC驅(qū)動關(guān)節(jié)兩側(cè)的電壓來實現(xiàn)運動的。根據(jù)壓電纖維復(fù)合材料MFC的動力學(xué)特性，在其兩端同正向電壓時會產(chǎn)生延展變形，通負(fù)向電壓時則會產(chǎn)生收縮變形，因此根據(jù)仿生尾鰭的運動學(xué)模型來控制MFC驅(qū)動關(guān)節(jié)的通電時間和方向來控制運動時間和變形幅度。對尾鰭上的三個MFC驅(qū)動關(guān)節(jié)進(jìn)行多點獨立控制，便可以將柔性尾鰭的運動模式復(fù)合出彎曲模式、偏擺模式、波動模式，有效實現(xiàn)本發(fā)明的意圖。四、本發(fā)明的驅(qū)動關(guān)節(jié)內(nèi)嵌式的柔性多運動模式仿生尾鰭具有結(jié)構(gòu)緊湊簡單、設(shè)計靈活、系統(tǒng)集成度高，維修更換成本的優(yōu)點，維修更換成本降低了35％-50％。通過內(nèi)嵌式壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)與仿生柔性蒙皮的一體化設(shè)計，以簡練的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了仿尾鰭推進(jìn)部件的模塊化。本發(fā)明的多個壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)分布方式沿仿生柔性蒙皮的中心軸線對稱布置，這種增加驅(qū)動節(jié)點數(shù)目有助于通過提高尾鰭的水動力推進(jìn)能力以及增加尾鰭結(jié)構(gòu)柔性控制和運動模式控制的自由度，與自然界中真實魚類尾鰭的結(jié)構(gòu)特性、力學(xué)特性和物理特性較為相近，提高仿生效果。本發(fā)明的動作行為與真實魚類的推進(jìn)行為接近，仿生效果與自然界中真實魚類游動差距很小。本發(fā)明可以用于研究魚類高效游動的流動控制機(jī)理，也可以作為海洋科學(xué)研究、海洋科技展覽的基礎(chǔ)平臺。附圖說明圖1是本發(fā)明的驅(qū)動關(guān)節(jié)內(nèi)嵌式的柔性多運動模式仿生尾鰭的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明的驅(qū)動關(guān)節(jié)內(nèi)嵌式的柔性多運動模式仿生尾鰭的分解結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是本發(fā)明驅(qū)動關(guān)節(jié)內(nèi)嵌式的柔性多運動模式仿生尾鰭的主剖面結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是本發(fā)明的彈性夾 持框與壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)連接的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是本發(fā)明的彈性夾持框的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖6是本發(fā)明的第一壓電纖維復(fù)合材料和第二壓電纖維復(fù)合材料同時向上運動的擺動模式運動狀態(tài)圖，圖7是本發(fā)明所述柔性仿生尾鰭的多運動模式中的第一壓電纖維復(fù)合材料靜止不動而第二壓電纖維復(fù)合材料向上運動或向下運動的彎曲模式運動狀態(tài)圖，圖8是本發(fā)明所述柔性仿生尾鰭的多運動模式中的第一壓電纖維復(fù)合材料靜止不動、一側(cè)的第二壓電纖維復(fù)合材料向下運動而另一側(cè)的第二壓電纖維復(fù)合材料向上運動的偏擺模式運動狀態(tài)圖。具體實施方式具體實施方式一：結(jié)合圖1-圖5說明，本實施方式的驅(qū)動關(guān)節(jié)內(nèi)嵌式的柔性多運動模式仿生尾鰭包括仿生柔性蒙皮5、彈性夾持框1、第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)4和N個第二壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)3；其中N偶數(shù)，且N≥2；彈性夾持框1、第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)4和N個第二壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)3嵌入柔性蒙皮5內(nèi)，第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)4和N個第二壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)3分別與彈性夾持框1可拆卸連接，第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)4沿軸向水平布置在仿生柔性蒙皮5的中部，N個第二壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)3以第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)4為對稱軸對稱布置，且N個第二壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)3向外傾斜。本實施方式的兩個第二壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)3漸擴(kuò)的方式傾斜布置，本實施方式的彈性夾持框1為中空結(jié)構(gòu)，具備一定的彈性；彈性夾持框1、三個壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)和仿生柔性蒙皮5一體化制成；所述一體化的多運動模式仿生尾鰭外形參照自然界中的鲹科或鮪科魚類進(jìn)行設(shè)計，具備良好的水動力學(xué)特性。具體實施方式二：結(jié)合圖1-圖3說明，本實施方式所述仿生柔性蒙皮5由硅膠制成。如此設(shè)置，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，有較高的機(jī)械強(qiáng)度，滿足設(shè)計要求和實際需要。具體實施方式三：結(jié)合圖1-圖3說明，本實施方式所述彈性夾持框1由硅膠或聚四氟乙烯制成。如此設(shè)置，使用方便，取材容易。其它與具體實施方式一或二相同。具體實施方式四：結(jié)合圖1-圖3說明，本實施方式的彈性夾持框1的中部加工有平直凹槽1-1，位于平直凹槽1-1的兩側(cè)的彈性夾持框1上加工有N個傾斜凹槽1-2，第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)4和N個第二壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)3均為板狀壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)，第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)4的一端插裝在平直凹槽1-1內(nèi)，N個第二壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)3各自的一端插裝在相應(yīng)的傾斜凹槽1-2內(nèi)。如此設(shè)置，拆裝方便，使用便捷。其它與具體實施方式三相同。具體實施方式五：結(jié)合圖2-圖4說明，本實施方式所述第二壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)3的數(shù)量為兩個。如此設(shè)置，使用方便，滿足實際仿生運動需要。其它與具體實施一、二或四相同。具體實施方式六：結(jié)合圖1-圖3說明，本實施方式的尾鰭還包括多個緊頂螺釘2，第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)4和N個第二壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)3分別通過緊頂螺釘2與彈性夾持框1可拆卸連接。如此設(shè)置，連接方便可靠。其它與具體實施方式一、二或四相同。工作原理本發(fā)明的驅(qū)動關(guān)節(jié)內(nèi)嵌式的柔性多運動模式仿生尾鰭在制造的時候，所述斜向布置的兩個第二壓電纖維復(fù)合材料(MFC)驅(qū)動關(guān)節(jié)3、軸向布置的第一壓電纖維復(fù)合材料(MFC)驅(qū)動關(guān)節(jié)4與仿生柔性蒙皮5進(jìn)行一體化成型，具體而言，是將制作好的第一壓電纖維復(fù)合材料(MFC)驅(qū)動關(guān)節(jié)4兩個第二壓電纖維復(fù)合材料(MFC)驅(qū)動關(guān)節(jié)3放入硅膠澆鑄模具內(nèi)部，按照設(shè)計好的空間位置分布，然后注入硅膠溶液，待硅膠溶液固化后，便可獲得一體化的柔性仿生尾鰭。本實發(fā)明的驅(qū)動關(guān)節(jié)內(nèi)嵌式的柔性多運動模式仿生尾鰭在應(yīng)用的時候，控制方式采用三關(guān)節(jié)獨立控制，以實現(xiàn)良好的運動效果。具體而言，以兩個第二壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)為例：每個壓電纖維復(fù)合材料(MFC)驅(qū)動關(guān)節(jié)(第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)4和N個第二壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)3)作為一個獨立的控制對象，通過導(dǎo)線6通電控制通電頻率和電流方向、幅值等參數(shù)便可以控制其彎曲變形的幅度和方向(如圖2所示)，通過讓若干個關(guān)節(jié)保持靜止而其余關(guān)節(jié)進(jìn)行有規(guī)劃的運動，則可以讓柔性尾鰭實現(xiàn)彎曲運動模式或者偏擺運動模式。如圖2和圖6-圖8所示，當(dāng)?shù)谝粔弘娎w維復(fù)合材料(MFC)驅(qū)動關(guān)節(jié)4和兩個第二壓電纖維復(fù)合材料(MFC)驅(qū)動關(guān)節(jié)3都往上彎曲時，此時柔性仿生尾鰭體現(xiàn)出來的是繞垂直于第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)的長度方向的中心線的擺動，稱為擺動模式(如圖6所示)；當(dāng)MFC驅(qū)動關(guān)節(jié)3都往上彎曲而MFC驅(qū)動關(guān)節(jié)4靜止不動或者往下彎曲時，此時柔性仿生尾鰭體現(xiàn)出來的是沿垂直于第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)的長度方向的中心線的彎曲，稱為彎曲模式(如圖7所示)；當(dāng)MFC驅(qū)動關(guān)節(jié)3中的一個關(guān)節(jié)往下而另一個關(guān)節(jié)往下同時MFC驅(qū)動關(guān)節(jié)4不動時，此時柔性仿生尾鰭體現(xiàn)出來的是繞第一壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動關(guān)節(jié)的長度方向的中心線的扭轉(zhuǎn)偏擺，稱為偏擺模式(如圖8所示)。這樣，便實現(xiàn)了本發(fā)明柔性仿生尾鰭的多種運動模式，同時還體現(xiàn)出來與自然界魚類尾鰭相似的展向柔性和弦向柔性，具有良好的仿生推進(jìn)效果。