[發明專利]一種氣動驅動仿魟魚波動推進軟體機器人及其制作方法

有效

• 申請號: 202010464170.0
• 申請日: 2020-05-27
• 公開（公告）號: CN111688893B
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 張進華;郭松子;李寶童;成海炎;楊雨寒;李秋陽
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B63H1/30
• 分類號: B63H1/30;B29C39/02;B29C64/124;B33Y10/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 朱海臨

本發明公開了一種氣動驅動仿魟魚波動推進軟體機器人及其制作方法，軟體機器人由鰭條安裝骨架、柔性胸鰭和多跟柔性氣管組成。機器人整體除鰭條安裝骨架以外全部由柔性材料制作。柔性胸鰭由驅動鰭條和柔性鰭面組成，其中驅動鰭條在“圓盤狀”的柔性鰭面上呈放射狀排布。驅動鰭條擁有上下兩個氣腔；驅動鰭條能通過內部氣壓值調節其剛度大小。驅動鰭條頂部連接有阻塞氣腔，可實現外側剛度大小調控。由于波動推進的魚類具有良好的機動性和隱蔽性，能夠在復雜的工作環境中保持穩定且靈活的運動狀態，模擬波動推進的水下推進器設計成為研究的熱點，本發明以“魟魚”為仿生對象，通過幾何和物理層面的深度仿生為水下推進器的設計提供了新的思路。

技術領域

本發明屬于水下機器人技術領域，涉及一種氣動驅動仿魟魚波動推進軟體機器人及其制作方法。

背景技術

目前的水下推進器設計更多的是一些采用螺旋槳和葉輪的常規推進器，并且驅動方式多為電磁馬達或者是液壓馬達，除了設計簡單的優點之外，這些推進器也存在很多不可忽視的缺點，比如說噪音大、擾動大、能源利用率低、結構重量大等，另外傳統水下推進器的運動性能也存在很多的局限性，比如說啟動加速性能較弱、運動靈活性、可控性較差等，這些問題都造成了目前水下推進設備使用條件受到限制。水下生物一直是新型水下推進器和仿生機器人設計研制的重要靈感來源，經過研究人員的反復研究對比發現采用波動鰭推進模式的魚類通過激活骨骼肌，促使胸鰭上產生多個類似于正弦波形的“推進波”驅動身體高速運動。其游動具有機動性強、穩定性好等諸多優點。波動鰭推進模式的這些優點為水下推進器的仿生設計提供了新的思路，成為了人們在進行水下推進器設計時不斷模仿和學習的對象。本發明以采用波動鰭胸推進的魟魚為仿生對象，利用空氣作為驅動源，通過壓縮空氣驅動環狀胸鰭上對稱布置的12根鰭條上下擺動，通過鰭條間的相位差實現波動推進，達到驅動仿生機器人游動的目的。

中國發明專利CN110588932A中公布了一種基于擺動式胸鰭的水下仿生航行器，由于驅動鰭條數目限制，現有的軟體仿生魚設計無法實現完整的波動推進。鰭條采用剛性材料制成重量較重，并且這種剛性胸鰭設計的方法僅考慮剛性胸鰭對流體的作用。而實際上由于魚體具有生物柔性，在魚類胸鰭對水流產生作用時，水流的反作用力促使柔性鰭面發生一定大小的柔性形變。這種柔性變形被認為是自然界中魟魚實現高效游動的關鍵因素之一。此外，自然界中魟魚能通過控制胸鰭上的骨骼肌實現其剛度（柔軟度）的主動調節。達到對周圍流場主動控制的目的。這種柔性變形機制和肌肉的主動變剛度調節被認為是自然界中魟魚高速靈活游動的關鍵因素。綜上所述，由于現有技術中所涉及的原型機器人采用剛性鰭條無法實現游動時類似魚類的身體柔性“大變形”并且鰭條剛度不能主動調節，因此限制了原型機器人的應用環境和運動性能。

發明內容

本發明的目的在于解決現有技術中的問題，提供一種氣動驅動仿魟魚波動推進軟體機器人及其制作方法，由于波動推進的魚類具有良好的機動性和隱蔽性，能夠在復雜的工作環境中保持穩定且靈活的運動狀態，模擬波動推進的水下推進器設計成為研究的熱點，本發明以“魟魚”為仿生對象，通過幾何和物理層面“形-態”的深度仿生為水下推進器的設計提供了新的思路。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：

一種氣動驅動仿魟魚波動推進軟體機器人，包括：

柔性鰭面，所述柔性鰭面為盤狀結構，柔性鰭面的上表面上開設若干用于安放驅動鰭條的方形槽；

驅動鰭條，所述驅動鰭條包括根部的鰭條驅動腔，以及端部的阻塞氣腔，阻塞氣腔安裝在鰭條驅動腔的外側端部，鰭條驅動腔的內側端部安裝在鰭條安裝骨架的側面；鰭條驅動腔能夠在氣壓的驅動下上下擺動；

鰭條安裝骨架，所述鰭條安裝骨架為橢圓環形，安裝于柔性鰭面的上表面，鰭條安裝骨架上開設有與鰭條驅動腔上下氣腔相連通的氣孔，氣孔通過氣管連接氣控柜。

本發明進一步的改進在于：