[發明專利]一種變剛度擺動推進柔性仿生魚的制作方法

無效

• 申請號: 201310714347.8
• 申請日: 2013-12-12
• 公開（公告）號: CN103640680A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發明（設計）人: 崔祚;姜洪洲;何景峰;佟志忠
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B63C11/52
• 分類號: B63C11/52;B63H23/06;B63H21/17
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明主要應用到仿生水下機器人領域，具體為一種變剛度擺動推進柔性仿生魚的制作方法。

背景技術

傳統上，采用螺旋槳推動的船舶或者自主無人潛器(AVU)均具有游動速度慢，游動效率低，運動靈活性差，噪音大以及對環境擾動大等較為明顯的缺陷。近年來，BCF魚類(如金槍魚、旗魚、鯊魚等)以其快速的巡游速度，高的推進效率和強的機動性能的游動性能吸引了越來越多的科研工作者。目前，研究人員在理論上逐漸從不同方面揭示魚類高效游動的機理，但是，基于生物原型的仿生魚不論在巡游速度還是在游動效率，游動機動性上均遠遠落后于自然界中魚類的游動性能。雖然仿生機器魚的實驗研究經過了多年的實踐，但其對應的擺動推進模型的設計方法較少且尚不成熟。目前為止，仿生魚擺動推進模型的設計主要包括串聯機構，并聯機構和串并聯機構的設計方法。

傳統上，BCF推進模式下的仿生魚是以多關節剛體的串聯結構來實現尾體的擺動。該設計利用每個關節的單自由度的轉動來復現擺動運動，具有代表性的是由Barrett制作的仿生魚“Robotuna”，Anderson和Chhabra仿金槍魚制作的漩渦控制式無人推進器VCUUV(Vorticity?control?unmanned?undersea?vehicle)，Yu等制作的鲹科類仿生魚等。此外，章永華等采用SMA彈簧制作并聯結構的仿生機器魚，該結構研究了魚體紅肌對魚類游動性能的影響，但忽略了魚體脊椎對游動性能的影響。近年來，姜洪洲教授等提出了以串并聯機構來模擬魚類連續平滑的運動，該機器魚在整體上雖仍采用多關節的串聯形式，但關節之間的連接采用了靜定的三自由度空間并聯機構。該結構不僅增大了推力，同時能夠實現俯仰，偏航和扭轉三個自由度的運動，這更接近魚的真實運動方式。

上述的三種設計方案在仿生魚的實驗研究中均具有一定的缺陷。基于超冗余串聯機構的仿生機器魚雖然能夠實現對魚體運動的模擬，但通常需要采用主動控制，即每個剛性體均需要由單獨的驅動單元(直流電機或步進電機等)來驅動，使得整個仿生魚的結構龐大，并且協調多個驅動單元的控制也較為復雜。由并聯結構作為柔性魚體結構的設計較少見，因為采用該設計的仿生魚很難實現魚體波的擬合，在結構和運動形式上與魚類的實際運動存在著較大的差距。采用串并聯機構來實現魚體游動的控制，目前理論研究尚不成熟，實際模型的制作難度較大，控制也較為復雜。

實際上，生物學研究表明魚類可通過肌肉改變其身體剛度使尾鰭擺動頻率與其身體自然頻率相匹配，從而達到快速高效的游動性能。傳統上的仿生機器魚的設計并沒有考慮魚體剛度對游動性能的影響。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模型，該模型充分考慮了魚體剛度對游動性能的影響。

發明內容

本專利目的在于提供了一種變剛度擺動推進柔性仿生魚的制作方法，該方法為基于粘彈性材料的柔性變剛度仿生魚。該方法可通過優化參數使制作的仿生魚獲得較好的游動性能，且對應的實驗方法較為簡單，控制簡單。

本發明采用以下技術方案予以實現：

基于粘彈性材料柔性仿生魚的設計思路源于一個重要的生物學證據，即為：魚體可通過調節肌肉來改變其身體的剛度，以使其身體的自然頻率與尾鰭擺動頻率(驅動頻率)相一致從而獲得高效快速的游動效果。本專利采用歐拉-伯努利柔性梁的分析方法對柔性魚體在流體中的運動情況進行受力分析，結合魚體的生物參數，通過對驅動單元(驅動幅值和驅動頻率)和制作魚體的所需的粘彈性材料進行優化選擇，實現柔性仿生魚的一階自然頻率與驅動頻率相接近或一致，從而獲得快速高效的游動特性。設計步驟具體為：

一種變剛度擺動推進柔性仿生魚的制作方法，步驟具體為：

步驟1：選取所研究的生物魚并測量相關生物參數

選擇生物魚作為仿生對象，測量魚體外形尺寸和密度，然后將魚體外形分為一定間隔，并分別測量魚體各段橫截面的長度，寬度，面積，最后根據魚體外形尺寸制作柔性仿生魚模具；

步驟2：選擇合適的驅動單元和機械傳動機構

所選擇的驅動單元性能指標為驅動幅值和驅動頻率，設計對應的機械傳動裝置，使傳遞到魚體尾部的力矩為一定頻率的確定幅值的往復擺動運動；

步驟3：選擇制作柔性仿生魚體的粘彈性材料

結合魚體的生物參數和仿生魚的驅動特性，將流體中的柔性魚體作為伯努利-歐拉柔性梁進行受力分析，計算柔性魚體對應自然頻率下的所需材料的彈性模量，根據現有的粘彈性材料，選擇合適的材料制作柔性魚體，來滿足魚體剛度的要求；