[實用新型]一種剛?cè)狁詈献儎偠热嵝詸C器魚

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201822116543.6
• 申請日: 2018-12-17
• 公開（公告）號: CN210063339U
• 公開（公告）日: 2020-02-14
• 發(fā)明（設計）人: 崔祚
• 申請（專利權）人: 貴州理工學院
• 主分類號: B63H1/36
• 分類號: B63H1/36;B63C11/52
• 代理公司: 52100 貴陽中新專利商標事務所
• 代理人: 劉楠;李余江

本實用新型公開了一種剛?cè)狁詈献儎偠热嵝詸C器魚，本實用新型通過流體驅(qū)動的多通道結(jié)構來模擬魚體肌肉，并利用柔性梁結(jié)構來模擬魚體脊椎，以實現(xiàn)柔性機器魚的變剛度特性。本實用新型分別推導了剛?cè)狁詈先嵝苑律~的實驗原理。該設計方法可通過多通道結(jié)構參數(shù)和柔性梁參數(shù)的優(yōu)化使設計的仿生魚實現(xiàn)剛度較大范圍內(nèi)的變化，以獲得較好的游動性能。本實用新型采用連續(xù)脊椎梁與多通道肌肉系統(tǒng)相疊加的方式來制作柔性機器魚，從整體上充分考慮了魚類變剛度特性對其推進性能的影響，對提高仿生機器魚推進性能有著重要的意義。

技術領域

本實用新型主要應用到仿生水下機器人領域，具體為一種剛?cè)狁詈献儎偠确律~的設計方法及該方法設計的仿生機器魚。

背景技術

傳統(tǒng)上，船舶或者自主無人潛器(AVU)均采用螺旋槳進行驅(qū)動，具有推進速度慢、效率低、機動性差以及對流體環(huán)境擾動大等較為明顯的缺陷。在自然界中，魚類通過身體和/或尾鰭的擺動，獲得快速高效的游動性能和極高的機動性，這些獨特的游動性能吸引了越來越多的科研工作者。近年來，研究人員逐漸從流體力學等方面揭示魚類高效游動的機理，但是，基于生物原型的仿生機器魚不論在游動速度、推進效率還是在轉(zhuǎn)彎機動性上均遠遠落后于自然界中的魚類。雖然仿生機器魚的實驗研究經(jīng)過了多年的實踐，但其對應的設計方法較少且尚不成熟。目前為止，仿生機器魚擺動推進模型的設計主要包括剛性串聯(lián)機構和柔性結(jié)構。

傳統(tǒng)上，仿生機器魚是以多關節(jié)剛體相串聯(lián)結(jié)構來實現(xiàn)尾體的擺動。該設計利用每個關節(jié)的單自由度的轉(zhuǎn)動來復現(xiàn)擺動運動，代表性的機器魚包括MIT開發(fā)的金槍機器魚Robotuna、Draper實驗室機器魚VCUUV、英國埃塞克斯大學的G系列和MT系列的機器魚、日本NMRI開發(fā)的PF系列和UPF系列機器魚和北航研制的兩關節(jié)機器魚 SPC-II和SPC-III等?？傮w上，基于串聯(lián)結(jié)構的機器魚結(jié)構簡單，各關節(jié)需要單獨驅(qū)動，控制復雜，游動效率低。

近年來，仿生學者為提高仿生機器魚的游動性能，提出了柔性魚體結(jié)構，該結(jié)構考慮了魚體脊椎和分布在脊椎周圍魚體肌肉對游動性能的影響。具有代表性的機器魚包括Alvarado和Marchese等人制作了一種基于硅膠材料的柔性機器魚。該機器魚為柔性結(jié)構，通過在魚體內(nèi)部放置舵機，驅(qū)動連桿機構來產(chǎn)生往復運動，以實現(xiàn)魚體的擺動推進。該類型機器魚結(jié)構簡單可靠，能夠模擬魚類的粘彈性動力學特性。但是，由于粘彈性材料(如硅膠)的物理屬性，所制作的柔性機器魚并不能改變其身體的彎曲剛度，對不同的外界流體環(huán)境的適應性較差。

上述柔性機器魚雖然具有一定柔順性，但在實驗方案均具有一定的缺陷，在游動速度、推進效率和機動性方面還遠不如自然界中的魚類。因此，在機器魚的設計制作等方面仍需要進一步的探索。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。上述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。

實用新型內(nèi)容

本實用新型目的在于提供一種剛?cè)狁詈献儎偠热嵝苑律鷻C器魚的設計方法及該方法設計的仿生機器魚，充分考慮了魚類變剛度特性對游動性能的影響，以克服現(xiàn)有技術的不足。

本實用新型采用以下技術方案予以實現(xiàn)：

本實用新型的機器魚由魚體部分和魚尾部分組成，這兩部分由連接隔板進行固聯(lián)；魚頭部分設有鋰電池、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；魚尾部分有柔性脊椎結(jié)構和多通道肌肉系統(tǒng)；所述柔性脊椎結(jié)構包括底板和彈性梁，在彈性梁上設有脊椎硬塊，脊椎硬塊被固定在彈性梁的不同位置上，并通過繩索驅(qū)動末端脊椎塊來實現(xiàn)彎曲變形；在底板上設有繩索固定端；所述多通道肌肉系統(tǒng)由硬質(zhì)邊界層和變形區(qū)域構成，其內(nèi)設有流體通道；所述變形區(qū)域由粘彈性材料構成。