一種變剛度擺動(dòng)推進(jìn)柔性仿生魚(yú)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種變剛度擺動(dòng)推進(jìn)柔性仿生魚(yú)的制作方法，步驟1：選取所研究的生物魚(yú)并測(cè)量相關(guān)生物參數(shù)；步驟2：選擇合適的驅(qū)動(dòng)單元和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；步驟3：選擇制作柔性仿生魚(yú)體的粘彈性材料；步驟4：將驅(qū)動(dòng)單元和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在仿生魚(yú)模具內(nèi)的某一位置，然后用已選擇的粘彈性材料進(jìn)行澆注，凝固后最終完成粘彈性柔性仿生魚(yú)的制作；步驟5：將制成的粘彈性柔性仿生魚(yú)在對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)頻率下進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量其游動(dòng)性能。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；外形匹配程度高，游動(dòng)效果好，且魚(yú)體質(zhì)量配重較靈活，仿生性能較好；可通過(guò)改變魚(yú)體的粘彈性材料以及魚(yú)體的驅(qū)動(dòng)單元的幅值、頻率等進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，進(jìn)而獲得柔性仿生魚(yú)的快速高效的游動(dòng)性能。
【專利說(shuō)明】-種變剛度擺動(dòng)推進(jìn)柔性仿生魚(yú)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要應(yīng)用到仿生水下機(jī)器人領(lǐng)域，具體為一種變剛度擺動(dòng)推進(jìn)柔性仿生魚(yú)的制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)上，采用螺旋槳推動(dòng)的船舶或者自主無(wú)人潛器(AVU)均具有游動(dòng)速度慢，游動(dòng)效率低，運(yùn)動(dòng)靈活性差，噪音大以及對(duì)環(huán)境擾動(dòng)大等較為明顯的缺陷。近年來(lái)，BCF魚(yú)類(如金槍魚(yú)、旗魚(yú)、鯊魚(yú)等)以其快速的巡游速度，高的推進(jìn)效率和強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性能的游動(dòng)性能吸引了越來(lái)越多的科研工作者。目前，研究人員在理論上逐漸從不同方面揭示魚(yú)類高效游動(dòng)的機(jī)理，但是，基于生物原型的仿生魚(yú)不論在巡游速度還是在游動(dòng)效率，游動(dòng)機(jī)動(dòng)性上均遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于自然界中魚(yú)類的游動(dòng)性能。雖然仿生機(jī)器魚(yú)的實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)過(guò)了多年的實(shí)踐，但其對(duì)應(yīng)的擺動(dòng)推進(jìn)模型的設(shè)計(jì)方法較少且尚不成熟。目前為止，仿生魚(yú)擺動(dòng)推進(jìn)模型的設(shè)計(jì)主要包括串聯(lián)機(jī)構(gòu)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)和串并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。
[0003]傳統(tǒng)上，BCF推進(jìn)模式下的仿生魚(yú)是以多關(guān)節(jié)剛體的串聯(lián)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)尾體的擺動(dòng)。該設(shè)計(jì)利用每個(gè)關(guān)節(jié)的單自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)復(fù)現(xiàn)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，具有代表性的是由Barrett制作的仿生魚(yú)“Robotuna”，Anderson和Chhabra仿金槍魚(yú)制作的鏇潤(rùn)控制式無(wú)人推進(jìn)器VCUUV(Vorticity control unmanned undersea vehicle), Yu 等制作的錄科類仿生魚(yú)等。此外，章永華等采用SMA彈簧制作并聯(lián)結(jié)構(gòu)的仿生機(jī)器魚(yú)，該結(jié)構(gòu)研究了魚(yú)體紅肌對(duì)魚(yú)類游動(dòng)性能的影響，但忽略了魚(yú)體脊椎對(duì)游動(dòng)性能的影響。近年來(lái)，姜洪洲教授等提出了以串并聯(lián)機(jī)構(gòu)來(lái)模擬魚(yú)類連續(xù)平滑的運(yùn)動(dòng)，該機(jī)器魚(yú)在整體上雖仍采用多關(guān)節(jié)的串聯(lián)形式，但關(guān)節(jié)之間的連接采用了靜定的三自由度空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅增大了推力，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)俯仰，偏航和扭轉(zhuǎn)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，這更接近魚(yú)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)方式。
[0004]上述的三種設(shè)計(jì)方案在仿生魚(yú)的實(shí)驗(yàn)研究中均具有一定的缺陷。基于超冗余串聯(lián)機(jī)構(gòu)的仿生機(jī)器魚(yú)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)魚(yú)體運(yùn)動(dòng)的模擬，但通常需要采用主動(dòng)控制，即每個(gè)剛性體均需要由單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)單元(直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)等)來(lái)驅(qū)動(dòng)，使得整個(gè)仿生魚(yú)的結(jié)構(gòu)龐大，并且協(xié)調(diào)多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的控制也較為復(fù)雜。由并聯(lián)結(jié)構(gòu)作為柔性魚(yú)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)較少見(jiàn)，因?yàn)椴捎迷撛O(shè)計(jì)的仿生魚(yú)很難實(shí)現(xiàn)魚(yú)體波的擬合，在結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式上與魚(yú)類的實(shí)際運(yùn)動(dòng)存在著較大的差距。采用串并聯(lián)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)魚(yú)體游動(dòng)的控制，目前理論研究尚不成熟，實(shí)際模型的制作難度較大，控制也較為復(fù)雜。
[0005]實(shí)際上，生物學(xué)研究表明魚(yú)類可通過(guò)肌肉改變其身體剛度使尾鰭擺動(dòng)頻率與其身體自然頻率相匹配，從而達(dá)到快速高效的游動(dòng)性能。傳統(tǒng)上的仿生機(jī)器魚(yú)的設(shè)計(jì)并沒(méi)有考慮魚(yú)體剛度對(duì)游動(dòng)性能的影響。故本專利提出一種采用粘彈性材料制作的柔性變剛度仿生魚(yú)模型，該模型充分考慮了魚(yú)體剛度對(duì)游動(dòng)性能的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本專利目的在于提供了一種變剛度擺動(dòng)推進(jìn)柔性仿生魚(yú)的制作方法，該方法為基于粘彈性材料的柔性變剛度仿生魚(yú)。該方法可通過(guò)優(yōu)化參數(shù)使制作的仿生魚(yú)獲得較好的游動(dòng)性能，且對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法較為簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單。
[0007]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0008]基于粘彈性材料柔性仿生魚(yú)的設(shè)計(jì)思路源于一個(gè)重要的生物學(xué)證據(jù)，即為:魚(yú)體可通過(guò)調(diào)節(jié)肌肉來(lái)改變其身體的剛度，以使其身體的自然頻率與尾鰭擺動(dòng)頻率(驅(qū)動(dòng)頻率)相一致從而獲得高效快速的游動(dòng)效果。本專利采用歐拉-伯努利柔性梁的分析方法對(duì)柔性魚(yú)體在流體中的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行受力分析，結(jié)合魚(yú)體的生物參數(shù)，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)單元(驅(qū)動(dòng)幅值和驅(qū)動(dòng)頻率)和制作魚(yú)體的所需的粘彈性材料進(jìn)行優(yōu)化選擇，實(shí)現(xiàn)柔性仿生魚(yú)的一階自然頻率與驅(qū)動(dòng)頻率相接近或一致，從而獲得快速高效的游動(dòng)特性。設(shè)計(jì)步驟具體為:
[0009]一種變剛度擺動(dòng)推進(jìn)柔性仿生魚(yú)的制作方法，步驟具體為:
[0010]步驟1:選取所研究的生物魚(yú)并測(cè)量相關(guān)生物參數(shù)
[0011]選擇生物魚(yú)作為仿生對(duì)象，測(cè)量魚(yú)體外形尺寸和密度，然后將魚(yú)體外形分為一定間隔，并分別測(cè)量魚(yú)體各段橫截面的長(zhǎng)度，寬度，面積，最后根據(jù)魚(yú)體外形尺寸制作柔性仿生魚(yú)|吳具；
[0012]步驟2:選擇合適的驅(qū)動(dòng)單元和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
[0013]所選擇的驅(qū)動(dòng)單元性能指標(biāo)為驅(qū)動(dòng)幅值和驅(qū)動(dòng)頻率，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)裝置，使傳遞到魚(yú)體尾部的力矩為一定頻率的確定幅值的往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)；
[0014]步驟3:選擇制作柔性仿生魚(yú)體的粘彈性材料
[0015]結(jié)合魚(yú)體的生物參數(shù)和仿生魚(yú)的驅(qū)動(dòng)特性，將流體中的柔性魚(yú)體作為伯努利-歐拉柔性梁進(jìn)行受力分析，計(jì)算柔性魚(yú)體對(duì)應(yīng)自然頻率下的所需材料的彈性模量，根據(jù)現(xiàn)有的粘彈性材料，選擇合適的材料制作柔性魚(yú)體，來(lái)滿足魚(yú)體剛度的要求；
[0016]步驟4:將驅(qū)動(dòng)單元和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在仿生魚(yú)模具內(nèi)的某一位置，然后用已選擇的粘彈性材料進(jìn)行澆注，凝固后最終完成粘彈性柔性仿生魚(yú)的制作；
[0017]步驟5:將制成的粘彈性柔性仿生魚(yú)在對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)頻率下進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量其游動(dòng)性能；若未達(dá)到所需的實(shí)驗(yàn)要求將并進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)，在設(shè)計(jì)頻率附近調(diào)整驅(qū)動(dòng)頻率或重新實(shí)驗(yàn)；
[0018]所述的步驟3選擇制作柔性仿生魚(yú)體的粘彈性材料方法是，魚(yú)體在流體中穩(wěn)定游動(dòng)時(shí)，采用伯努利-歐拉柔性梁的分析方法對(duì)柔性魚(yú)體的受力變形進(jìn)行分析，
【權(quán)利要求】
1.一種變剛度擺動(dòng)推進(jìn)柔性仿生魚(yú)的制作方法，其特征在于，步驟具體為: 步驟1:選取所研究的生物魚(yú)并測(cè)量相關(guān)生物參數(shù) 選擇生物魚(yú)作為仿生對(duì)象，測(cè)量魚(yú)體外形尺寸和密度，然后將魚(yú)體外形分為一定間隔，并分別測(cè)量魚(yú)體各段橫截面的長(zhǎng)度，寬度，面積，最后根據(jù)魚(yú)體外形尺寸制作柔性仿生魚(yú)模亙.N 9 步驟2:選擇合適的驅(qū)動(dòng)單元和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 所選擇的驅(qū)動(dòng)單元性能指標(biāo)為驅(qū)動(dòng)幅值和驅(qū)動(dòng)頻率，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)裝置，使傳遞到魚(yú)體尾部的力矩為一定頻率的確定幅值的往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)； 步驟3:選擇制作柔性仿生魚(yú)體的粘彈性材料 結(jié)合魚(yú)體的生物參數(shù)和仿生魚(yú)的驅(qū)動(dòng)特性，將流體中的柔性魚(yú)體作為伯努利-歐拉柔性梁進(jìn)行受力分析，計(jì)算柔性魚(yú)體對(duì)應(yīng)自然頻率下的所需材料的彈性模量，根據(jù)現(xiàn)有的粘彈性材料，選擇合適的材料制作柔性魚(yú)體，來(lái)滿足魚(yú)體剛度的要求； 步驟4:將驅(qū)動(dòng)單元和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在仿生魚(yú)模具內(nèi)的某一位置，然后用已選擇的粘彈性材料進(jìn)行澆注，凝固后最終完成粘彈性柔性仿生魚(yú)的制作；` 步驟5:將制成的粘彈性柔性仿生魚(yú)在對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)頻率下進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量其游動(dòng)性能；若未達(dá)到所需的實(shí)驗(yàn)要求將并進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)，在設(shè)計(jì)頻率附近調(diào)整驅(qū)動(dòng)頻率或重新實(shí)驗(yàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變剛度擺動(dòng)推進(jìn)柔性仿生魚(yú)的制作方法，其特征在于:所述的步驟3選擇制作柔性仿生魚(yú)體的粘彈性材料方法是，魚(yú)體在流體中穩(wěn)定游動(dòng)時(shí)，采用伯努利-歐拉柔性梁的分析方法對(duì)柔性魚(yú)體的受力變形進(jìn)行分析，
【文檔編號(hào)】B63C11/52GK103640680SQ201310714347
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】崔祚, 姜洪洲, 何景峰, 佟志忠 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)