專利名稱：變剛度的平面串并聯仿生擺動推進機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及仿生水下機器人領域，具體是一種變剛度的平面串并聯仿生擺動推進機構。
背景技術：
目前國內外科研機構對水下生物如金槍魚、旗魚、鯊魚類游泳時身體擺動的研究證實這類魚把身體-尾鰭(Body and Caudal Fin，BCF)作為推進器，身體左右擺動擊水，產生逆卡門渦街，利用其產生的反作用力使魚體向前推進。由于這些魚推進效率高、速度快、機動性強，被眾多學者作為仿生研究的對象。生物學對BCF類魚的游動機理研究表明其肌肉、肌腱、皮膚、骨骼系統組成了一種復雜的串并聯機構，這種構造能夠有效的增大推力，提高機動性能和游動效率，其中魚類獨特的游動性能很大程度上依賴于其肌肉機械性能的改變。研究表明魚在游動過程中能夠改變自身剛度而且不同的游動速度需要不同的剛度以使身體的自然頻率與尾部擺動頻率達到匹配，從而大大降低能量消耗。

發明內容
本發明的目的在于提供了一種變剛度的平面串并聯仿生擺動推進機構及其設計方法。為最大程度的復現魚游動的高性能，將魚體的生物學結構簡化為機械的串并聯機構，有著粘彈性特點的肌肉則被簡化為彈簧和阻尼器的串聯裝置。本發明避免傳統串聯機構使用多個驅動源的弊端，使用單個驅動源來使串并聯機構實現魚體波(或者包絡線)的擬合，同時為進一步明確肌肉在魚體游動過程剛度的變化提供依據。本發明采用以下技術方案予以實現:一種變剛度的平面串并聯仿生擺動推進機構，包括多個“T”型結構剛性體單元和多個模擬魚體側向肌單元(2)，每個“T”型結構單元包括模擬魚肋骨的剛性體(I)和模擬魚脊椎的剛性體(4)，模擬魚脊椎的剛性體(4)的一端與模擬魚肋骨的剛性體(I)的中間位置鉸接；模擬魚脊椎的剛性體的另外一端與下一個模擬魚肋骨的剛性體中間位置鉸接，從而使多個“T”型結構剛性體單元依次互相串聯；模擬魚體側向肌單元(2)包括彈簧(2-1)和阻尼器(2-2)，彈簧(2-1)的兩端分別與阻尼器(2-2)的兩端連接，第一個“T”型結構單元的模擬魚肋骨的剛性體(I)的一側與模擬魚體側向肌單元(2)的一端連接，該模擬魚體側向肌單元(2)的另外一端與下一個“T”型結構單元的模擬魚肋骨的剛性體的一側連接，每個“T”型結構單元另外一側的連接結構也相同，從而使整體機構形成平面超冗余串并聯機構，若對首端“T”型結構單元施加正旋的驅動力矩，則該串并聯機構能夠產生平面往復擺動的運動；本發明還具有如下特征:如上所述的一種變剛度的平面串并聯仿生擺動推進機構，其所述的首端驅動力矩和各結構單元對應的剛性體的剛度計算方法如下，步驟1:選取所要擬合的魚體波和平面串并聯機構的幾何參數
選取魚游動時魚體發生最大彎曲時魚體波形成的包絡線為所要擬合曲線，由生物觀測得到；確定串并聯機構的幾何參數，包括“T”型結構剛性體單元的個數N，第i個“T”型結構剛性體單元的模擬魚肋骨的剛性體長度A和模擬魚脊椎的剛性體的長度hi;連接在“T”型結構剛性體單元之間的模擬魚體側向肌單元的彈簧未變形之間的長度Itli ；對于結構參數確定的平面串并聯機構，轉動慣量I1，相對轉角θΜχ1，結構單元的變形尺寸f(0_i+1)均為非零常數，則第k個串并聯結構單元中彈簧所對應的剛度ki的計算表達式為:
權利要求
1.一種變剛度的平面串并聯仿生擺動推進機構，其特征在于: 包括多個“T”型結構剛性體單元和多個模擬魚體側向肌單元(2)，每個“T”型結構單元包括模擬魚肋骨的剛性體(I)和模擬魚脊椎的剛性體(4)，模擬魚脊椎的剛性體(4)的一端與模擬魚肋骨的剛性體(I)的中間位置鉸接；模擬魚脊椎的剛性體的另外一端與下一個模擬魚肋骨的剛性體中間位置鉸接，從而使多個“T”型結構剛性體單元依次互相串聯；模擬魚體側向肌單元(2)包括彈簧(2-1)和阻尼器(2-2)，彈簧(2-1)的兩端分別與阻尼器(2-2)的兩端連接，第一個“T”型結構單元的模擬魚肋骨的剛性體(I)的一側與模擬魚體側向肌單元(2)的一端連接，該模擬魚體側向肌單元(2)的另外一端與下一個“T”型結構單元的模擬魚肋骨的剛性體的一側連接，每個“T”型結構單元另外一側的連接結構也相同，從而使整體機構形成平面超冗余串并聯機構，若對首端“T”型結構單元施加正旋的驅動力矩，則該串并聯機構能夠產生平面往復擺動的運動。
2.根據權利要求1所述的一種變剛度的平面串并聯仿生擺動推進機構，其特征在于:所述的首端驅動力矩和各結構單元對應的剛性體的剛度計算方法如下， 步驟1:選取所要擬合的魚體波和平面串并聯機構的幾何參數 選取魚游動時魚體發生最大彎曲時魚體波形成的包絡線為所要擬合曲線，由生物觀測得到； 確定串并聯機構的幾何參數，包括“T”型結構剛性體單元的個數N，第i個“T”型結構剛性體單元的模擬魚肋骨的剛性體長度A和模擬魚脊椎的剛性體的長度hi;連接在“T”型結構剛性體單元之間的模擬魚體側向肌單元的彈簧未變形之間的長度Itli ; 對于結構參數確定的平面串并聯機構，轉動慣量Ii,相對轉角0 maxi，結構單元的變形尺寸f(9maxi+1)均為非零常數，則第k個串并聯結構單元中彈簧所對應的剛度Ici的計算表達式為: kM =K +歷2(,.= 1，2,3-1)式=( 6 ) J V max/+I / J V max/+I /J V^niax η) Ii為第i節結構單元對應的轉動慣量；ω為串并聯機構的驅動頻率； 根據平面串并聯機構彈性力的傳遞性以及被動驅動的特點，根據(6)可由末端結構單元逐一遞推求解該串并聯機構各結構單元對應的剛度Ici和首端驅動源的驅動力矩M1 =kif ( θ maxi)； 其中，將需擬合的包絡線與串并聯結構對應，以串并聯結構單元為旋轉體，其旋轉中心為包絡線上的離散點，將連續的包絡線曲線離散為多段折線段，在起始點處建立以水平線為X軸的平面直角坐標系，確定各離散點的坐標值，計算出每段折線段與水平軸之間的夾角Qitl，然后計算后一段折線相對于前一段折線的相對轉角0maxi; 其具體計算方法為:在直角坐標系中，設相鄰離散點A，B, C的坐標分別為:(xa，ya)，(xb，yb)，(x。，y。)，該三點確定兩段直線段AB和BC，設其與x軸之間的夾角為Θ a(l、Θ b0,則θα0 = arctan yb ~ y°- ,0bo = arctan 尺一 yb ； Xb - xOxC - Xb 設直線段AB與BC之間的相對轉角為θ-b，則Θ fflaxb = I ebo-0ao|o
全文摘要
本發明涉及一種變剛度的平面串并聯仿生擺動推進機構，包括多個“T”型結構剛性體單元和多個模擬魚體側向肌單元，每個“T”型結構單元包括模擬魚肋骨的剛性體和模擬魚脊椎的剛性體，模擬魚脊椎的剛性體的一端與模擬魚肋骨的剛性體的中間位置鉸接；模擬魚脊椎的剛性體的另外一端與下一個模擬魚肋骨的剛性體中間位置鉸接，從而使多個“T”型結構剛性體單元依次互相串聯；模擬魚體側向肌單元包括彈簧和阻尼器，彈簧的兩端分別與阻尼器的兩端連接，若對首端“T”型結構單元施加正旋的驅動力矩，則該串并聯機構能夠產生平面往復擺動的運動。本發明結構緊湊，控制簡單有效，能更有效的提高仿生魚的游動效果。
文檔編號B63H1/36GK103224017SQ201310141208
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月6日 優先權日2013年4月6日
發明者姜洪洲, 崔祚, 何景峰, 佟志忠, 田體先 申請人:哈爾濱工業大學