一种变刚度仿生摆动推进装置的制作方法

专利名称：一种变刚度仿生摆动推进装置的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及到仿生水下机器人领域，具体涉及ー种变刚度仿生摆动推进装置。
背景技术：
目前国内外科研机构对水下生物如金枪鱼、旗鱼、鲨鱼类游泳时身体摆动的研究证实这类鱼把身体-尾鳍(Body and Caudal Fin，BCF)作为推进器，身体左右摆动击水，产生逆卡门涡街，利用其产生的反作用力使鱼体向前推迸。由于这些鱼推进效率高、速度快、机动性强，被众多学者作为仿生研究的对象。多种形式的机器鱼、仿鱼机器人或仿生水下推进器已经相继问世，但仍然存在许多问题，推进效率和速度与鱼类存在较大的差距。目前对BCF类鱼的游动机理研究表明1.其肌肉、肌腱、皮肤、骨骼系统组成了一种复杂的串并联机构，这种构造能够有效的增大推力，并且具有俯仰、偏航和扭转三个自由度的运动。2.鱼在游动过程中能够改变自身刚度而且不同的游动速度需要不同的刚度以使身体的自然频率与尾部摆动频率达到匹配，从而大大降低能量消耗。

发明内容
为复现上述两点鱼游动速度快及推进效率高的重要机理，本发明提供了一种基于超冗余串并联机构的变刚度仿生摆动推进装置。本发明采用以下技术方案予以实现包括支座、两节以上的摆动装置和尾鰭，所述摆动装置包括上平台、下平台、18个柔性铰点、8个支腿和脊骨柱，上平台中心处有柔性铰点O’，下平台中心处有柔性铰点O，柔性铰点O’与柔性铰点ο用脊骨相连接；下平台分布有8个柔性铰点在半径为rb的圆心为ο的圆上，这8个柔性铰点分为四组,柔性铰点为一組，柔性铰点b3b4为一組，柔性铰点b5b6为一組，柔性铰点b7b8为ー组，下平台的柔性铰点组所形成的直线与相邻的柔性铰点组所形成的直线相差90° ;上平台也分布有8个柔性铰点在半径为ra的圆心为O’的圆上，这8个柔性铰点分为四组，柔性铰点a2a3为一組，柔性铰点a4a5为一組，柔性铰点a6a7为一組，柔性铰点B8B1为ー组，上平台的柔性铰点组所形成的直线与相邻的柔性铰点组所形成的直线相差90° ;所述的圆心为O的圆与圆心为O’的圆为同心圆；八条支腿分别为支腿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的两端分别与柔性铰点B1和柔性铰点bi连接，支腿a2b2的两端分别与柔性铰点a2和柔性铰点b2连接，
支腿a3b3的两端分别与柔性铰点a3和柔性铰点b3连接，支腿a4b4的两端分别与柔性铰点a4和柔性铰点b4连接，支腿a5b5的两端分别与柔性铰点a5和柔性铰点b5连接，
支腿a6b6的两端分别与柔性铰点a6和柔性铰点b6连接，支腿a7b7的两端分别与柔性铰点a7和柔性铰点b7连接，支腿a8b8的两端分别与柔性铰点a8和柔性铰点b8连接；上平台的柔性铰点组所形成的直线与其相邻的下平台的柔性铰点组所形成的直线相差45° ;第一级摆动装置的下平台与支座固定，其上平台作为第二级摆动装置的下平台，以此类推将多个摆动装置串联起来，最后ー级摆动装置的上平台与尾鰭固定连接，整体结构形成超冗余串并联机构。
本发明还具有如下特征I、所述的摆动装置，其节数为3，则其各级并联机构參数设计如下设摆动装置总长为L,鱼体中部宽度为D1第一级并联机构上下平台的距离H1 =入山，其λ 1值根据鱼体外形长度匹配确定，丨く;L1 く *下平台半径rbl = D1，上下平台的半径比值— =1设计其解耦中心使之位于鱼体的中部
,Iニ-H1根据解耦中心公式求得α+β，0。< α彡18。，0° < β彡18。，且满足柔性铰点排列不干渉原则；第二级并联机构上下平台的距离H2= A2L, λ 2值根据鱼体外形长度匹配确定，み幺全下平台半径rb2 = ral，上下平台的半径比值根据距离H2处鱼体外形宽度D2确定^ = -Z- = Yi
hi A-<χ2<1设计其解耦中心使之稍偏向鱼尾方向
*IH2 = η2Η2,~<η2 くI根据解耦中心公式求得α+β，0。< α彡18。，0° < β彡18。，且满足柔性铰点排列不干渉原则；第三级并联机构上下平台的距离H3= X3L其λ 3值根据鱼体外形长度匹配确定，金Sみ下平台半径rb3 = ra2，上下平台的半径比值根据距离H3处鱼体外形宽度D3确定
ra3 D3 _一 = —= ^3
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权利要求
1.一种变刚度仿生摆动推进装置，包括支座、两节以上的摆动装置和尾鳍，其特征在于: 所述摆动装置包括上平台、下平台、18个柔性铰点、8个支腿和脊骨柱，上平台中心处有柔性铰点o’，下平台中心处有柔性铰点O，柔性铰点o’与柔性铰点0用脊骨相连接；下平台分布有8个柔性铰点在半径为rb的圆心为0的圆上，这8个柔性铰点分为四组，柔性铰点I^b2为一组，柔性铰点b3b4为一组，柔性铰点b5b6为一组，柔性铰点b7b8为一组，下平台的柔性铰点组所形成的直线与相邻的柔性铰点组所形成的直线相差90° ; 上平台也分布有8个柔性铰点在半径为ra的圆心为o’的圆上，这8个柔性铰点分为四组,柔性铰点a2a3为一组，柔性铰点a4a5为一组，柔性铰点a6a7为一组，柔性铰点B8B1为一组，上平台的柔性铰点组所形成的直线与相邻的柔性铰点组所形成的直线相差90° ;所述的圆心为O的圆与圆心为o’的圆为同心圆； 八条支腿分另Il为支腿，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的两端分别与柔性铰点和柔性铰点Id1连接， 支腿a2b2的两端分别与柔性铰点a2和柔性铰点b2连接， 支腿a3b3的两端分别与柔性铰点a3和柔性铰点b3连接， 支腿a4b4的两端分别与柔性铰点a4和柔性铰点b4连接， 支腿a5b5的两端分别与柔性铰点a5和柔性铰点b5连接， 支腿a6b6的两端分别与柔性铰点a6和柔性铰点b6连接， 支腿a7b7的两端分别与柔性铰点a7和柔性铰点b7连接， 支腿a8b8的两端分别与柔性铰点a8和柔性铰点b8连接； 上平台的柔性铰点组所形成的直线与其相邻的下平台的柔性铰点组所形成的直线相差 45° ; 第一级摆动装置的下平台与支座固定，其上平台作为第二级摆动装置的下平台，以此类推将多个摆动装置串联起来，最后一级摆动装置的上平台与尾鳍固定连接，整体结构形成超冗余串并联机构。
2.根据权利要求I所述的一种变刚度仿生摆动推进装置，其特征在于所述的摆动装置，其节数为3，则其各级并联机构参数设计如下设摆动装置总长为L，鱼体中部宽度为Dl第一级并联机构上下平台的距离
3.根据权利要求I所述的一种变刚度仿生摆动推进装置，其特征在于所述的摆动装置，其节数大于3，则其各级并联机构参数设计如下 设摆动装置总长为L,鱼体中部宽度为D1, 第一级并联机构上下平台的距离H1= A1L，其X1值根据鱼体外形长度匹配确定，*Szl1SI 下平台半径rbl = D1，上下平台的半径比值
4.根据权利要求2或3所述的一种变刚度仿生摆动推进装置，其特征在于通过配置不同的上下平台半径比能够获得不同的解耦中心位置。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种变刚度仿生摆动推进装置，其特征在于所述的支腿采用形状记忆合金弹簧材料制成，平台为铝合金材料制成。
全文摘要
一种变刚度仿生摆动推进装置，包括支座、两节以上的摆动装置和尾鳍，所述摆动装置包括上平台、下平台、18个柔性铰点、8个支腿和脊骨柱，上平台中心处有柔性铰点o’，下平台中心处有柔性铰点o，柔性铰点o’与柔性铰点o用脊骨相连接；柔性铰点之间通过8个支腿分别连接。本发明的优点在于具有推力大，动作连续，柔顺性好的特点；提高了推进效率，复现了真实鱼类游动变刚度节能机理。
文档编号B63H1/36GK102673759SQ20121015212
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月7日 优先权日2012年5月7日
发明者何景峰, 佟志忠, 姜洪洲, 田体先 申请人:哈尔滨工业大学