本發(fā)明屬于水下仿生機(jī)器人相關(guān)，更具體地，涉及一種可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、生物蝠鲼具有圓盤(pán)樣身體及對(duì)稱的三角形翼狀胸鰭，具有較好的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、較低的環(huán)境擾動(dòng)、較好的三維機(jī)動(dòng)性、較高的運(yùn)動(dòng)效率。研究表明，蝠鲼寬大扁平的翼狀胸鰭是其高效率、高機(jī)動(dòng)性游動(dòng)的關(guān)鍵。仿生機(jī)器蝠鲼是基于生物蝠鲼原型，模仿胸鰭的運(yùn)動(dòng)特性，使用機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與柔性材料制作的一種仿生機(jī)器。

2、現(xiàn)有仿生蝠鲼機(jī)器人的胸鰭在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，通常僅用作支撐和驅(qū)動(dòng)蒙皮往復(fù)振蕩，為了提升仿生蝠鲼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性和敏捷性，傳統(tǒng)的胸鰭結(jié)構(gòu)需要沿弦向布置多個(gè)驅(qū)動(dòng)鰭，增加蒙皮的可控自由度，同時(shí)搭配復(fù)雜的控制算法實(shí)時(shí)調(diào)整每個(gè)驅(qū)動(dòng)鰭的撲動(dòng)幅度、撲動(dòng)頻率、撲動(dòng)相位差、撲動(dòng)偏移等變量，調(diào)整蒙皮捕獲的水動(dòng)力大小和方向，使得機(jī)器人系統(tǒng)具有較高的復(fù)雜度也降低了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3、現(xiàn)有仿生蝠鲼機(jī)器人存在胸鰭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功能單一，限制了仿生蝠鲼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性和敏捷性的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人及其控制方法，用于解決現(xiàn)有仿生蝠鲼機(jī)器人存在胸鰭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功能單一，限制了仿生蝠鲼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性和敏捷性的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人，包括主體框架、在所述主體框架的兩側(cè)分別安裝的可折疊鰭以及覆蓋在所述可折疊鰭上方的柔性蒙皮；所述可折疊鰭包括撲動(dòng)機(jī)構(gòu)、折疊機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述撲動(dòng)機(jī)構(gòu)可轉(zhuǎn)動(dòng)連接于所述主體框架、用于通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)所述可折疊鰭的上下振蕩，所述折疊機(jī)構(gòu)設(shè)在所述撲動(dòng)機(jī)構(gòu)上且沿所述撲動(dòng)機(jī)構(gòu)的展向設(shè)為可伸縮結(jié)構(gòu)，所述柔性蒙皮連接在所述折疊機(jī)構(gòu)上，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝于所述主體框架且與所述折疊機(jī)構(gòu)相連、用于驅(qū)動(dòng)所述折疊機(jī)構(gòu)沿展向進(jìn)行伸縮移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)所述可折疊鰭的展長(zhǎng)變化。

3、根據(jù)本發(fā)明提供的可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人，所述撲動(dòng)機(jī)構(gòu)包括撲動(dòng)桿、撲動(dòng)座和撲動(dòng)舵機(jī)；所述撲動(dòng)座在一端連接所述撲動(dòng)桿，在另一端可轉(zhuǎn)動(dòng)鉸接于所述主體框架；所述撲動(dòng)舵機(jī)固定在所述主體框架上，與所述撲動(dòng)座連接并驅(qū)動(dòng)所述撲動(dòng)座振蕩。

4、根據(jù)本發(fā)明提供的可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人，所述折疊機(jī)構(gòu)包括沿展向依次相連的多個(gè)折疊單元，每個(gè)所述折疊單元包括在所述撲動(dòng)機(jī)構(gòu)的上下兩側(cè)對(duì)應(yīng)設(shè)置的兩組鉸接鏈以及在所述鉸接鏈端部連接的肋支撐座，每組所述鉸接鏈包括轉(zhuǎn)動(dòng)連接的兩個(gè)連接板，兩個(gè)連接板相背的兩端分別與所述肋支撐座轉(zhuǎn)動(dòng)連接，每個(gè)折疊單元中兩組所述鉸接鏈的對(duì)應(yīng)端連接于同一個(gè)所述肋支撐座，相鄰兩個(gè)折疊單元之間共用一個(gè)所述肋支撐座。

5、根據(jù)本發(fā)明提供的可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人，每組所述鉸接鏈中兩個(gè)連接板相背的兩端分別設(shè)有齒結(jié)構(gòu)，相鄰兩個(gè)折疊單元之間的齒結(jié)構(gòu)嚙合連接。

6、根據(jù)本發(fā)明提供的可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人，所述折疊機(jī)構(gòu)還包括帶齒牙側(cè)板，所述帶齒牙側(cè)板連接在所述連接板的側(cè)邊，所述帶齒牙側(cè)板的一端設(shè)有齒牙用于形成所述齒結(jié)構(gòu)。

7、根據(jù)本發(fā)明提供的可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括折疊繩、伸展繩、鰭尖導(dǎo)線輪和繞線舵機(jī)；所述繞線舵機(jī)安裝在所述主體框架上，所述折疊繩的一端纏繞在所述繞線舵機(jī)上、另一端連接在所述折疊機(jī)構(gòu)上，所述鰭尖導(dǎo)線輪設(shè)在所述撲動(dòng)機(jī)構(gòu)的鰭尖處，所述伸展繩的一端纏繞在所述繞線舵機(jī)上、另一端繞過(guò)所述鰭尖導(dǎo)線輪之后連接在所述折疊機(jī)構(gòu)上。

8、根據(jù)本發(fā)明提供的可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人，所述折疊繩和所述伸展繩在所述繞線舵機(jī)上的纏繞方向相反。

9、根據(jù)本發(fā)明提供的可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人，所述主體框架包括主底板、主頂板、支撐柱和浮塊；所述主底板與所述主頂板通過(guò)支撐柱固定在一起，所述浮塊安裝于所述主頂板上，提供機(jī)器人在水下的浮力。

10、根據(jù)本發(fā)明提供的可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人，還包括尾鰭和主控板，所述尾鰭包括左尾鰭板、左尾鰭舵機(jī)、右尾鰭板、右尾鰭舵機(jī)和尾鰭固定座；所述左尾鰭板與所述左尾鰭舵機(jī)相連，并受到所述左尾鰭舵機(jī)的角度控制；所述右尾鰭板與所述右尾鰭舵機(jī)相連，受所述右尾鰭舵機(jī)的角度控制；所述左尾鰭舵機(jī)和所述右尾鰭舵機(jī)通過(guò)所述尾鰭固定座安裝在所述主體框架的后端；

11、所述主控板放置于所述主體框架的前端，通過(guò)信號(hào)線與所述可折疊鰭和所述尾鰭相連。

12、按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人的控制方法，基于上述任一項(xiàng)所述的可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人，所述控制方法包括：

13、在一個(gè)撲動(dòng)周期的下沖程和上沖程過(guò)程中，分別控制兩側(cè)可折疊鰭的長(zhǎng)度保持不變，使得機(jī)器人水平向前運(yùn)動(dòng)；

14、在一個(gè)撲動(dòng)周期的下沖程中同時(shí)增大兩側(cè)可折疊鰭的長(zhǎng)度，和/或，在上沖程中同時(shí)縮短兩側(cè)可折疊鰭的長(zhǎng)度，使得機(jī)器人產(chǎn)生正升力引起上浮動(dòng)作；

15、在一個(gè)撲動(dòng)周期的下沖程中同時(shí)縮短兩側(cè)可折疊鰭的長(zhǎng)度，和/或，在上沖程中同時(shí)增加兩側(cè)可折疊鰭的長(zhǎng)度，使得機(jī)器人產(chǎn)生負(fù)升力引起下潛動(dòng)作；

16、在一個(gè)撲動(dòng)周期的下沖程或上沖程中增大一側(cè)可折疊鰭的長(zhǎng)度而縮短另一側(cè)可折疊鰭的長(zhǎng)度，使得機(jī)器人獲得翻滾和偏航力矩。

17、總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人及其控制方法：

18、1.通過(guò)在撲動(dòng)機(jī)構(gòu)上設(shè)置折疊結(jié)構(gòu)來(lái)連接柔性蒙皮，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)折疊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)柔性蒙皮在展向上進(jìn)行收縮，從而實(shí)現(xiàn)可折疊鰭在展向上的長(zhǎng)度變化以及投影面積的變化，在結(jié)構(gòu)上拓展了仿生蝠鲼機(jī)器人的胸鰭功能，有利于提高仿生蝠鲼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性和敏捷性；

19、2.可模仿蝠鲼生物在各類敏捷運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的胸鰭投影面積變化，且設(shè)計(jì)裝配簡(jiǎn)單、易于制造，有助于在簡(jiǎn)單的控制算法下實(shí)現(xiàn)仿生蝠鲼機(jī)器人的敏捷運(yùn)動(dòng)，以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境和多元任務(wù)；

20、3.在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了仿生蝠鲼機(jī)器人胸鰭的展長(zhǎng)變化，其中，所述可折疊鰭的長(zhǎng)度在撲動(dòng)過(guò)程中可以實(shí)時(shí)變化，通過(guò)在一個(gè)撲動(dòng)周期的上沖程、下沖程內(nèi)搭配不同的鰭長(zhǎng)度，可以獲得多樣化的動(dòng)力學(xué)性能；此外，所述仿生蝠鲼機(jī)器人左側(cè)可折疊鰭與右側(cè)可折疊鰭的不同長(zhǎng)度，也會(huì)在翻滾、偏航等方向產(chǎn)生更多的驅(qū)動(dòng)力矩。

技術(shù)特征：

1.一種可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人，其特征在于，包括主體框架、在所述主體框架的兩側(cè)分別安裝的可折疊鰭以及覆蓋在所述可折疊鰭上方的柔性蒙皮；所述可折疊鰭包括撲動(dòng)機(jī)構(gòu)、折疊機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述撲動(dòng)機(jī)構(gòu)可轉(zhuǎn)動(dòng)連接于所述主體框架、用于通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)所述可折疊鰭的上下振蕩，所述折疊機(jī)構(gòu)設(shè)在所述撲動(dòng)機(jī)構(gòu)上且沿所述撲動(dòng)機(jī)構(gòu)的展向設(shè)為可伸縮結(jié)構(gòu)，所述柔性蒙皮連接在所述折疊機(jī)構(gòu)上，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝于所述主體框架且與所述折疊機(jī)構(gòu)相連、用于驅(qū)動(dòng)所述折疊機(jī)構(gòu)沿展向進(jìn)行伸縮移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)所述可折疊鰭的展長(zhǎng)變化。

2.如權(quán)利要求1所述的可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人，其特征在于，所述撲動(dòng)機(jī)構(gòu)包括撲動(dòng)桿、撲動(dòng)座和撲動(dòng)舵機(jī)；所述撲動(dòng)座在一端連接所述撲動(dòng)桿，在另一端可轉(zhuǎn)動(dòng)鉸接于所述主體框架；所述撲動(dòng)舵機(jī)固定在所述主體框架上，與所述撲動(dòng)座連接并驅(qū)動(dòng)所述撲動(dòng)座振蕩。

3.如權(quán)利要求1所述的可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人，其特征在于，所述折疊機(jī)構(gòu)包括沿展向依次相連的多個(gè)折疊單元，每個(gè)所述折疊單元包括在所述撲動(dòng)機(jī)構(gòu)的上下兩側(cè)對(duì)應(yīng)設(shè)置的兩組鉸接鏈以及在所述鉸接鏈端部連接的肋支撐座，每組所述鉸接鏈包括轉(zhuǎn)動(dòng)連接的兩個(gè)連接板，兩個(gè)連接板相背的兩端分別與所述肋支撐座轉(zhuǎn)動(dòng)連接，每個(gè)折疊單元中兩組所述鉸接鏈的對(duì)應(yīng)端連接于同一個(gè)所述肋支撐座，相鄰兩個(gè)折疊單元之間共用一個(gè)所述肋支撐座。

4.如權(quán)利要求3所述的可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人，其特征在于，每組所述鉸接鏈中兩個(gè)連接板相背的兩端分別設(shè)有齒結(jié)構(gòu)，相鄰兩個(gè)折疊單元之間的齒結(jié)構(gòu)嚙合連接。

5.如權(quán)利要求4所述的可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人，其特征在于，所述折疊機(jī)構(gòu)還包括帶齒牙側(cè)板，所述帶齒牙側(cè)板連接在所述連接板的側(cè)邊，所述帶齒牙側(cè)板的一端設(shè)有齒牙用于形成所述齒結(jié)構(gòu)。

6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括折疊繩、伸展繩、鰭尖導(dǎo)線輪和繞線舵機(jī)；所述繞線舵機(jī)安裝在所述主體框架上，所述折疊繩的一端纏繞在所述繞線舵機(jī)上、另一端連接在所述折疊機(jī)構(gòu)上，所述鰭尖導(dǎo)線輪設(shè)在所述撲動(dòng)機(jī)構(gòu)的鰭尖處，所述伸展繩的一端纏繞在所述繞線舵機(jī)上、另一端繞過(guò)所述鰭尖導(dǎo)線輪之后連接在所述折疊機(jī)構(gòu)上。

7.如權(quán)利要求6所述的可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人，其特征在于，所述折疊繩和所述伸展繩在所述繞線舵機(jī)上的纏繞方向相反。

8.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人，其特征在于，所述主體框架包括主底板、主頂板、支撐柱和浮塊；所述主底板與所述主頂板通過(guò)支撐柱固定在一起，所述浮塊安裝于所述主頂板上，提供機(jī)器人在水下的浮力。

9.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人，其特征在于，還包括尾鰭和主控板，所述尾鰭包括左尾鰭板、左尾鰭舵機(jī)、右尾鰭板、右尾鰭舵機(jī)和尾鰭固定座；所述左尾鰭板與所述左尾鰭舵機(jī)相連，并受到所述左尾鰭舵機(jī)的角度控制；所述右尾鰭板與所述右尾鰭舵機(jī)相連，受所述右尾鰭舵機(jī)的角度控制；所述左尾鰭舵機(jī)和所述右尾鰭舵機(jī)通過(guò)所述尾鰭固定座安裝在所述主體框架的后端；

10.一種可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人的控制方法，其特征在于，基于上述權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人，所述控制方法包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于水下仿生機(jī)器人相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，其公開(kāi)了一種可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人及其控制方法，其中可折疊鰭仿生蝠鲼機(jī)器人包括主體框架、在主體框架的兩側(cè)分別安裝的可折疊鰭以及覆蓋在可折疊鰭上方的柔性蒙皮；可折疊鰭包括撲動(dòng)機(jī)構(gòu)、折疊機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，撲動(dòng)機(jī)構(gòu)可轉(zhuǎn)動(dòng)連接于主體框架、用于通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)可折疊鰭的上下振蕩，折疊機(jī)構(gòu)設(shè)在撲動(dòng)機(jī)構(gòu)上且沿?fù)鋭?dòng)機(jī)構(gòu)的展向設(shè)為可伸縮結(jié)構(gòu)，柔性蒙皮連接在折疊機(jī)構(gòu)上，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝于主體框架且與折疊機(jī)構(gòu)相連、用于驅(qū)動(dòng)折疊機(jī)構(gòu)沿展向進(jìn)行伸縮移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)可折疊鰭的展長(zhǎng)變化。本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上拓展了仿生蝠鲼機(jī)器人的胸鰭功能，有利于提高仿生蝠鲼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性和敏捷性。

技術(shù)研發(fā)人員：龔澤宇,向陽(yáng),陶波,谷樂(lè),葉康杰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華中科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9