[發明專利]鰭面主動變形的咽頜模式仿生胸鰭

有效

• 申請號: 201310284130.8
• 申請日: 2013-07-08
• 公開（公告）號: CN103318394A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 劉強;龔成龍;楊慧珍
• 申請（專利權）人: 淮海工學院
• 主分類號: B63H1/36
• 分類號: B63H1/36
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 畢東峰

技術領域

本發明涉及一種水下仿生機器人技術，特別是一種鰭面主動變形的咽頜模式仿生胸鰭。

背景技術

咽頜型運動模式（Labriform?Mode）是大多數硬骨魚類所采用的一種重要操縱運動方式。它以胸鰭作為主要的操縱面，完成魚在水中的懸停、前進、倒退、剎車和轉彎等姿態操縱功能。而這些高效、靈活和機動性強的操縱性能正是常規推進水下運載工具所欠缺的。為了提高水下運載工具的操縱性能，適應海洋資源開發和海洋環境保護的需要，以魚類胸鰭為靈感的新型推進工具越來越受到人們的關注和重視。

通過對咽頜運動模式魚類胸鰭解剖結構、神經肌肉控制系統、鰭條和鰭面的機械特性等性能的研究發現，胸鰭的推進運動是由胸鰭鰭條的主被動變形和鰭條的擺動運動組合實現的，結構和控制復雜而精細，自由度較多。目前，有關咽頜運動模式柔性胸鰭仿生的研究還很不充分，處于剛剛起步階段。大多數研究采用剛性（或柔性）平板作為仿生胸鰭鰭面建立胸鰭仿生系統，如日本東海大學的Kato教授、中國科學院自動化研究所的譚浩民教授（見專利?CN1785747）、哈爾濱工程大學的蘇玉民教授和中國科學技術大學的陳宏博士等。日本東海大學的Kato教授和美國海軍科學研究實驗所的J.Palmisano等分別建立了能進行鰭條的主動彎曲變形，而不能進行鰭條擺動運動的胸鰭仿生裝置。麻省理工學院的J.L.Tangorra等建立了能進行主動彎曲變形的鰭條，并將其安裝在由彈性變形材料做成的基座上，然后，由電動機拖動尼龍繩來驅動鰭條和鰭基的變形運動，以實現胸鰭的推進運動。然而，由于對由彈性材料做成基座的變形運動進行精確控制是非常困難的，因此，該仿生胸鰭僅能對胸鰭的推進運動進行粗略的模仿。為了解決以上仿生胸鰭存在的問題，J.L.Tangorra?等對仿生胸鰭的基座進行了進一步的改進，建立了能實現鰭條兩個自由度旋轉運動的仿生機構，并將可進行被動彎曲變形的鰭條安裝在基座上，然后通過電動機帶動尼龍繩來實現胸鰭的各種運動形態。由于每個鰭條具有兩個旋轉自由度，驅動它需要四條尼龍繩，兩個電機，因此此仿生裝置存在結構復雜、體積龐大、鰭條的兩個旋轉自由度相互耦合等問題，同時這些問題也使得進一步增加此仿生胸鰭的控制自由度是非常困難的。為此,申請人在專利（申請號：201110125787.0）中,從魚類胸鰭的骨骼結構和神經肌肉控制的作用機理出發設計了一套新型的柔性胸鰭仿生裝置。此裝置結構緊湊、體積小，能夠實現胸鰭的推進運動，但是其鰭面只能在水流的作用下進行被動變形。

通過上面的分析可以看出，現有的胸鰭仿生裝置大多是利用剛性（或柔性）平板的擺動運動代替胸鰭的推進運動，或者是僅通過鰭條的主動彎曲變形來實現胸鰭的推進運動。專利（申請號：201110125787.0）和麻省理工學院J.L.Tangorra?等建立的仿生裝置只能實現鰭面的被動變形。

發明內容

本發明要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提出了一種可以減小仿生胸鰭的質量、體積，簡化控制系統的結構，使仿生胸鰭機構更緊湊的鰭面主動變形的咽頜模式仿生胸鰭。

本發明要解決的技術問題是通過以下技術方案來實現的，一種鰭面主動變形的咽頜模式仿生胸鰭，設有鰭基、鰭條及設置在相鄰鰭條之間的鰭間隔膜，鰭條包括兩根邊鰭條和設置在兩根邊鰭條之間的至少一根中間鰭條，鰭條通過背腹擺動構件與鰭基相接，兩根邊鰭條的背腹擺動構件為主動背腹擺動構件，主動背腹擺動構件與背腹擺動驅動電機相接，中間鰭條的背腹擺動構件為從動背腹擺動構件，從動背腹擺動構件與鰭基之間設有旋轉阻尼器，在所有的背腹擺動構件上均裝有鰭條的側向擺動驅動機構，其特點是：所述的鰭條包括與背腹擺動構件相接的連桿、鰭條座和鰭條本體，連桿的上端與鰭條座相接，鰭條座的內外兩側分別設有內側形狀記憶合金驅動器和外側形狀記憶合金驅動器，鰭條本體由內外兩片分支構成，兩片分支的上端固連在一起，兩片分支的下端部貼在鰭條座的內外兩側，兩片分支的下端分別與內側形狀記憶合金驅動器和外側形狀記憶合金驅動器的上端連接，在兩片分支靠近形狀記憶合金驅動器的下端部分別開有通孔，通孔中穿有一根細繩，細繩的兩端向上固定在兩片分支靠近上端的部位上，在鰭條座的頂端設有細繩通過的槽或孔，鰭條座頂端的槽或孔的位置高于兩片分支上的通孔，兩片分支之間的細繩擔在鰭條座頂端的槽或孔內，形成中間高兩邊低的結構，內側形狀記憶合金驅動器和外側形狀記憶合金驅動器通入電流后發熱，產生變形；通過對內、外兩側的形狀記憶合金驅動器通入電流大小的控制，使內、外兩側的形狀記憶合金驅動器產生相對位移差，從而控制鰭條的主動彎曲變形。