基于內(nèi)部流體壓力調(diào)節(jié)的變剛度柔性仿生魚(yú)模型制造技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)提出了一種基于內(nèi)部流體壓力調(diào)節(jié)的變剛度柔性仿生魚(yú)模型，包括魚(yú)頭部、魚(yú)體和尾鰭，魚(yú)頭部?jī)?nèi)安裝有氣動(dòng)動(dòng)力控制單元；所述魚(yú)體包括四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉和嵌套式串并聯(lián)單元，嵌套式串并聯(lián)單元作為仿生魚(yú)的脊柱和骨架，四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉分別位于嵌套式串并聯(lián)單元內(nèi)部，每個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉的前端與魚(yú)頭部連接，其末端通過(guò)剛性固定件與尾鰭連接，氣動(dòng)動(dòng)力控制單元分別與嵌套式串并聯(lián)單元和四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉連接，氣動(dòng)動(dòng)力控制單元通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉內(nèi)部壓強(qiáng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)魚(yú)體的擺動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，或改變平均壓強(qiáng)使得魚(yú)體的末尾部剛度發(fā)生變化。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)更加靈活；可以根據(jù)游動(dòng)速度調(diào)節(jié)尾部剛度，更加節(jié)能、高效。

Variable stiffness Flexible Biomimetic Fish model based on internal fluid pressure regulation

The invention provides a model of internal fluid pressure regulating variable stiffness based on Flexible Biomimetic Fish, including fish head, fish head and tail fin, are installed in the pneumatic power control unit; wherein the fish body comprises four internal conical pneumatic muscle and nested parallel unit, nested parallel as a unit of bionic fish spine and skeleton, four internal conical pneumatic muscles are located in nested parallel unit, front and head of each internal cone of pneumatic muscle at the end connected by rigid connection and fin fixing parts, pneumatic power control unit is respectively connected with the nested parallel unit and four the internal conical pneumatic muscle connection, pneumatic power control unit by adjusting the internal conical pneumatic pressure within the muscle, to realize the fish swing and twisting, or change the average pressure of the fish at the end of the The stiffness of the part varies. The invention is more flexible; the tail stiffness can be adjusted according to the swimming speed, and the utility model is more energy saving and high efficiency.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
基于內(nèi)部流體壓力調(diào)節(jié)的變剛度柔性仿生魚(yú)模型
本專(zhuān)利技術(shù)主要涉及到水下仿生機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種基于內(nèi)部流體壓力調(diào)節(jié)的變剛度柔性仿生魚(yú)模型。
技術(shù)介紹
目前對(duì)BCF類(lèi)魚(yú)的游動(dòng)機(jī)理研究表明：1.魚(yú)脊柱上附有肌肉組織，牽動(dòng)魚(yú)尾在水中擺動(dòng)，產(chǎn)生逆卡門(mén)渦街，利用其產(chǎn)生的反作用力推動(dòng)魚(yú)體前進(jìn)；2.魚(yú)尾部分脊柱周?chē)植?塊大的肌肉群，在魚(yú)游動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)自身的緊繃程度來(lái)變化魚(yú)尾的剛度，由于不同的游動(dòng)速度需要不同的剛度以使身體的自然頻率與尾部擺動(dòng)頻率達(dá)到匹配，從而大大地降低能量消耗；3.脊柱周?chē)?塊肌肉群可以通過(guò)收縮自身來(lái)實(shí)現(xiàn)魚(yú)尾的各個(gè)方向彎曲，產(chǎn)生較大的沖量，實(shí)現(xiàn)了魚(yú)在游動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)向、逃逸、高速巡航等多種動(dòng)作，減小了轉(zhuǎn)彎半徑，使之更加靈活。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)對(duì)身體-魚(yú)鰭類(lèi)BodyandCaudalFin，BCF仿魚(yú)機(jī)器人的設(shè)計(jì)大多采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為魚(yú)尾的主要結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)各向同性和將解耦中心設(shè)置在月牙形尾鰭上。但是這種結(jié)構(gòu)不能滿足機(jī)器魚(yú)在水中運(yùn)動(dòng)的靈活性，轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)大，而且難以根據(jù)魚(yú)的游動(dòng)速度調(diào)節(jié)魚(yú)尾的剛度，推進(jìn)效率沒(méi)有真魚(yú)高，需要進(jìn)一步的研究和實(shí)驗(yàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
基于以上不足之處，本專(zhuān)利技術(shù)提供了一種基于內(nèi)部流體壓力調(diào)節(jié)的變剛度柔性仿生魚(yú)模型，更加貼近魚(yú)體的真實(shí)結(jié)構(gòu)。本專(zhuān)利技術(shù)采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種基于內(nèi)部流體壓力調(diào)節(jié)的變剛度柔性仿生魚(yú)模型，包括魚(yú)頭部、魚(yú)體和尾鰭，魚(yú)頭部和魚(yú)體外部包裹有蒙皮，魚(yú)頭部?jī)?nèi)安裝有氣動(dòng)動(dòng)力控制單元；所述魚(yú)體包括四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉和嵌套式串并聯(lián)單元，嵌套式串并聯(lián)單元作為仿生魚(yú)的脊柱和骨架，四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉分別位于嵌套式串并聯(lián)單元內(nèi)部，每個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉的前端與魚(yú)頭部連接，其末端通過(guò)剛性固定件與尾鰭連接，氣動(dòng)動(dòng)力控制單元分別與嵌套式串并聯(lián)單元和四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉連接，氣動(dòng)動(dòng)力控制單元通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉內(nèi)部壓強(qiáng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)魚(yú)體的擺動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，或改變平均壓強(qiáng)使得魚(yú)體的末尾部剛度發(fā)生變化。本專(zhuān)利技術(shù)還具有如下技術(shù)特征：如上所述的嵌套式串并聯(lián)單元包括左、右氣動(dòng)肌肉、多層直徑逐漸縮小的前斜韌帶環(huán)、多根柔性桿、多根牽引繩、中心剛性桿件、多根單支撐桿、多根雙支撐桿和多個(gè)定滑輪；嵌套式串并聯(lián)單元前端兩側(cè)鏡像安裝有左、右氣動(dòng)肌肉，多根柔性桿之間通過(guò)球鉸互相依次連接，最后一根柔性桿末端與中心剛性桿件通過(guò)球鉸相連接；每根單支撐桿和每根雙支撐桿的一端連接于其相對(duì)應(yīng)的前斜韌帶環(huán)上，每根單支撐桿和每根雙支撐桿的另一端連接于相對(duì)應(yīng)的柔性桿上，每層前斜韌帶環(huán)的圓周方向上平均間隔交錯(cuò)排列有兩根單支撐桿和兩根雙支撐桿，每個(gè)定滑輪固定連接于每根雙支撐桿和其在各層前斜韌帶環(huán)的連接處、雙支撐桿內(nèi)的間隙上；一側(cè)的第n根牽引繩一端與該側(cè)的氣動(dòng)肌肉相連接，另一端穿過(guò)第n-1層前斜韌帶環(huán)并繞過(guò)第n層前斜韌帶環(huán)的該側(cè)定滑輪后與第n+3根柔性桿相連接，一側(cè)的最下面三根牽引繩另一端則與中心剛性桿件該側(cè)相連接；氣動(dòng)動(dòng)力控制單元通過(guò)改變左、右氣動(dòng)肌肉內(nèi)部壓強(qiáng)，從而帶動(dòng)牽引繩牽引多根柔性桿和中心剛性桿件來(lái)實(shí)現(xiàn)魚(yú)體小幅度的擺動(dòng)。本專(zhuān)利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：本專(zhuān)利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：更加貼近魚(yú)體的真實(shí)結(jié)構(gòu)，可以完成更多的姿態(tài)變化，更加靈活；可以根據(jù)游動(dòng)速度調(diào)節(jié)尾部剛度，更加節(jié)能、高效。附圖說(shuō)明圖1是本專(zhuān)利技術(shù)整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本專(zhuān)利技術(shù)的嵌套式串并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本專(zhuān)利技術(shù)的嵌套式串并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)局部示意圖；圖4是本專(zhuān)利技術(shù)的尾部連接結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本專(zhuān)利技術(shù)的氣動(dòng)動(dòng)力控制單元結(jié)構(gòu)圖；圖6是本專(zhuān)利技術(shù)的排氣閥部分與其相鄰管道在吸氣時(shí)氣流流動(dòng)方向圖；圖7是本專(zhuān)利技術(shù)的吸氣管在吸氣時(shí)氣流流動(dòng)方向圖；圖8是本專(zhuān)利技術(shù)的排氣閥部分與其相鄰管道在排氣時(shí)氣流流動(dòng)方向圖；圖9是本專(zhuān)利技術(shù)的吸氣管在排氣時(shí)氣流流動(dòng)方向圖。其中，1、內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉，2、魚(yú)體，3、尾鰭，4、左、右氣動(dòng)肌肉，5、前斜韌帶環(huán)，6、柔性桿，7、牽引繩，8、中心剛性桿件，9、單支撐桿，10、雙支撐桿，11、定滑輪，12、剛性固定件，13、吸氣管，14、分流器，15、輸氣管，16、排氣閥，17、比例控制閥，18、機(jī)械校準(zhǔn)器，19、儲(chǔ)氣罐。具體實(shí)施方式以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)作進(jìn)一步的說(shuō)明。實(shí)施例1如圖1-4所示，一種基于內(nèi)部流體壓力調(diào)節(jié)的變剛度柔性仿生魚(yú)模型，包括魚(yú)頭部、魚(yú)體2和尾鰭3，魚(yú)頭部和魚(yú)體外部包裹有蒙皮，魚(yú)頭部?jī)?nèi)安裝有氣動(dòng)動(dòng)力控制單元；所述魚(yú)體包括四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉1和嵌套式串并聯(lián)單元，嵌套式串并聯(lián)單元作為仿生魚(yú)的脊柱和骨架，四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉1分別位于嵌套式串并聯(lián)單元內(nèi)部，每個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉1的前端與魚(yú)頭部連接，其末端通過(guò)剛性固定件與尾鰭連接，氣動(dòng)動(dòng)力控制單元分別與嵌套式串并聯(lián)單元和四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉連接，氣動(dòng)動(dòng)力控制單元通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉內(nèi)部壓強(qiáng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)魚(yú)體的擺動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，或改變平均壓強(qiáng)使得魚(yú)體的末尾部剛度發(fā)生變化。所述的嵌套式串并聯(lián)單元包括左、右氣動(dòng)肌肉4、7層直徑逐漸縮小的前斜韌帶環(huán)5、14根柔性桿6、多根牽引繩7、中心剛性桿件8、14根單支撐桿9、14根雙支撐桿10和14個(gè)定滑輪11；嵌套式串并聯(lián)單元前端兩側(cè)鏡像安裝有左、右氣動(dòng)肌肉4，7根柔性桿6之間通過(guò)球鉸互相依次連接，最后一根柔性桿末端與中心剛性桿件8通過(guò)球鉸相連接；每根單支撐桿9和每根雙支撐桿10的一端連接于其相對(duì)應(yīng)的前斜韌帶環(huán)5上，每根單支撐桿9和每根雙支撐桿10的另一端連接于相對(duì)應(yīng)的柔性桿6上，每層前斜韌帶環(huán)5的圓周方向上平均間隔交錯(cuò)排列有兩根單支撐桿9和兩根雙支撐桿10，每個(gè)定滑輪11固定連接于每根雙支撐桿10和其在各層前斜韌帶環(huán)5的連接處、雙支撐桿內(nèi)的間隙上；一側(cè)的第2根牽引繩7一端與該側(cè)氣動(dòng)肌肉相連接，另一端穿過(guò)第1層前斜韌帶環(huán)5并繞過(guò)第2層前斜韌帶環(huán)5的該側(cè)定滑輪11后與第4根柔性桿6相連接，一側(cè)的最下面三根牽引繩7另一端則與中心剛性桿件8的該側(cè)相連接；依次第3根牽引繩一端與該側(cè)氣動(dòng)肌肉相連接另一端穿過(guò)第2層前斜韌帶環(huán)，一直到第7根(第1根牽引繩在之前沒(méi)有前斜韌帶，另一側(cè)對(duì)稱(chēng)分布)。氣動(dòng)動(dòng)力控制單元通過(guò)改變左、右氣動(dòng)肌肉內(nèi)部壓強(qiáng)，從而帶動(dòng)牽引繩7牽引多根柔性桿和中心剛性桿件8來(lái)實(shí)現(xiàn)魚(yú)體小幅度的擺動(dòng)。當(dāng)左氣動(dòng)肌肉收縮時(shí)，右氣動(dòng)肌肉相對(duì)地被拉伸相應(yīng)的長(zhǎng)度。工作時(shí)，一側(cè)的水平氣動(dòng)肌肉收縮，牽動(dòng)各環(huán)節(jié)的牽引線，使得整個(gè)串并聯(lián)結(jié)構(gòu)向收縮的一側(cè)擺動(dòng)，帶動(dòng)尾鰭，推動(dòng)水，受到反作用力從而向前游動(dòng)。本實(shí)施例改變魚(yú)體剛度與做出快速轉(zhuǎn)向、逃逸、高速巡航等多種動(dòng)作的關(guān)鍵，是根據(jù)鯖魚(yú)類(lèi)解刨結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)得來(lái)的。將四根內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉與傳動(dòng)環(huán)節(jié)一道用來(lái)連接頭部和尾鰭，內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉填充在串并聯(lián)機(jī)構(gòu)內(nèi)部的空隙中，當(dāng)其內(nèi)部充入氣體時(shí)，對(duì)整個(gè)尾部的剛度產(chǎn)生影響。錐形氣動(dòng)肌肉的平均壓強(qiáng)越大，尾部剛度越大。從而達(dá)到控制尾部剛度的目的。另外，由于四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉的壓強(qiáng)不同，各自的伸縮量不同，魚(yú)尾會(huì)呈現(xiàn)不同姿態(tài)，進(jìn)而完成快速轉(zhuǎn)向、逃逸、高速巡航等多種動(dòng)作。工作時(shí)分一般游動(dòng)和特殊游動(dòng)。前者由左、右氣動(dòng)肌肉牽動(dòng)的尾部擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)，后者則通過(guò)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉的伸縮完成。實(shí)施例2如圖1、4所示，本實(shí)施例包括魚(yú)頭部、魚(yú)體和尾部三部分。魚(yú)體是主要的運(yùn)動(dòng)部分。尾部，作為末端執(zhí)行器，是硬質(zhì)塑料材質(zhì)的月牙片，幾何參數(shù)的選取盡可能貼近現(xiàn)實(shí)中魚(yú)尾鰭的尺寸。剛性固定件12一端與錐形氣動(dòng)肌肉本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于內(nèi)部流體壓力調(diào)節(jié)的變剛度柔性仿生魚(yú)模型，包括魚(yú)頭部、魚(yú)體(2)和尾鰭(3)，魚(yú)頭部和魚(yú)體外部包裹有蒙皮，魚(yú)頭部?jī)?nèi)安裝有氣動(dòng)動(dòng)力控制單元；其特征在于：所述魚(yú)體包括四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉(1)和嵌套式串并聯(lián)單元，嵌套式串并聯(lián)單元作為仿生魚(yú)的脊柱和骨架，四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉(1)分別位于嵌套式串并聯(lián)單元內(nèi)部，每個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉(1)的前端與魚(yú)頭部連接，其末端通過(guò)剛性固定件與尾鰭連接，氣動(dòng)動(dòng)力控制單元分別與嵌套式串并聯(lián)單元和四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉連接，氣動(dòng)動(dòng)力控制單元通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉內(nèi)部壓強(qiáng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)魚(yú)體的擺動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，或改變平均壓強(qiáng)使得魚(yú)體的末尾部剛度發(fā)生變化。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于內(nèi)部流體壓力調(diào)節(jié)的變剛度柔性仿生魚(yú)模型，包括魚(yú)頭部、魚(yú)體(2)和尾鰭(3)，魚(yú)頭部和魚(yú)體外部包裹有蒙皮，魚(yú)頭部?jī)?nèi)安裝有氣動(dòng)動(dòng)力控制單元；其特征在于：所述魚(yú)體包括四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉(1)和嵌套式串并聯(lián)單元，嵌套式串并聯(lián)單元作為仿生魚(yú)的脊柱和骨架，四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉(1)分別位于嵌套式串并聯(lián)單元內(nèi)部，每個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉(1)的前端與魚(yú)頭部連接，其末端通過(guò)剛性固定件與尾鰭連接，氣動(dòng)動(dòng)力控制單元分別與嵌套式串并聯(lián)單元和四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉連接，氣動(dòng)動(dòng)力控制單元通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉內(nèi)部壓強(qiáng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)魚(yú)體的擺動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，或改變平均壓強(qiáng)使得魚(yú)體的末尾部剛度發(fā)生變化。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于內(nèi)部流體壓力調(diào)節(jié)的變剛度柔性仿生魚(yú)模型，其特征在于，所述的嵌套式串并聯(lián)單元包括左、右氣動(dòng)肌肉(4)、多層直徑逐漸縮小的前斜韌帶環(huán)(5)、多根柔性桿(6)、多根牽引繩(7)、中心剛性桿件(8)、多根單支撐桿(9)、多根雙支撐桿(10)和多個(gè)定滑輪(11)；嵌套式串...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：姜洪洲，陳巍巍，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：黑龍江,23