一种基于液压驱动多通道流体结构的变刚度仿生机器鱼制造技术

本发明专利技术公开了一种基于液压驱动多通道流体结构的变刚度仿生机器鱼，本发明专利技术利用流体驱动的多通道结构来模拟鱼体肌肉，并通过改变流体压力来改变机器鱼的弯曲刚度，实现柔性机器鱼的变刚度特性。本发明专利技术分别推导了微流体多通道柔性仿生鱼的实验原理，并说明了该类型机器鱼的实验过程。该设计方法可通过多通道结构参数和液压驱动系统参数的优化使制作的仿生鱼实现刚度较大范围内的变化，并可获得较好的游动性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于液压驱动多通道流体结构的变刚度仿生机器鱼
本专利技术主要应用到水下仿生机器人领域，具体为一种基于微流体多通道结构的变刚度仿生机器鱼。
技术介绍
目前，大多数船舶和自主无人潜器(AVU)采用传统的螺旋桨进行推动，具有推进效率低、速度慢、机动性差和噪声大等较为明显的缺陷。但是，对于在自然界中的鱼类，它们有着快速高效的巡游性能和极高的机动性，这些游动特性吸引了越来越多的科研工作者。近年来，研究人员逐渐从运动学、动力学和流体力学等方面揭示鱼类高效游动的机理。但是，所设计的机器鱼不论在游动速度、推进效率还是在转弯机动性上均远远落后于自然界中的鱼类。这也迫使科研工作者进一步研究机器鱼的设计方法。从动力学的角度看，仿生机器鱼的结构模型主要包括多刚体串联模型和基于柔性材料的粘弹性体模型。传统上，仿生机器鱼以多关节刚体相串联的方式来模拟了鱼体的脊椎的往复摆动，且每个刚体都有单独的驱动器进行驱动。当采用的刚体数目较多时，该类型机器鱼能够较好的复现鱼类身体的弯曲情况，但是存在着结构体积大、控制复杂和游动效率低等明显的缺陷。该类型典型的机器鱼包括MIT开发的金枪机器鱼Robotuna、Draper实验室机器鱼VCUUV、英国埃塞克斯大学的G系列和MT系列机器鱼、日本NMRI开发的PF系列和UPF系列机器鱼和北航研制的两关节机器鱼SPC-II和SPC-III等。近年来，仿生学者提出了新型柔性鱼体结构，以进一步提高仿生机器鱼的游动性能。该类型结构考虑了鱼体脊椎和分布在脊椎周围鱼体肌肉对游动性能的影响。该机器鱼为粘弹性结构体，通过在机器鱼内部放置舵机，驱动连杆机构来产生往复运动，最终实现机器鱼的往复摆动推进。该类型结构和控制简单，能够实现俯仰、偏航和扭转三个自由度的运动，更接近鱼的真实运动方式。该类型代表性机器鱼包括Alvarado和Marchese等人由硅胶材料制作的柔性机器鱼。上述柔性机器鱼虽然具有一定的柔顺性，但是由于粘弹性材料的物理属性，所制作的柔性机器鱼并不能改变其身体的弯曲刚度，对外界流体环境的适应性较差。生物学研究表明鱼类可通过肌肉改变其身体刚度，以使其尾鳍摆动频率与身体自然频率相匹配，从而达到快速高效的游动性能。上述机器鱼虽然能够模仿鱼类的摆动推进，但在游动速度、推进效率和机动性方面还远不如自然界中的鱼类，在实验方案均有一定的缺陷。鉴于此，在机器鱼的设计制作等方面仍需要进一步的探索。
技术实现思路
本专利技术目的在于提出了一种基于微流体多通道结构的变刚度仿生机器鱼，该机器鱼有着较好的柔顺性，而且也充分考虑了鱼类变刚度特性对游动性能的影响，从而克服现有技术存在的不足。本专利技术采用以下技术方案予以实现：本专利技术利用流体驱动的多通道结构来模拟鱼体肌肉，并通过改变流体压力来改变机器鱼的弯曲刚度，实现柔性机器鱼的变刚度特性。本专利技术分别推导了微流体多通道柔性仿生鱼的实验原理，并说明了该类型机器鱼的实验过程。该设计方法可通过多通道结构参数和液压驱动系统参数的优化使制作的仿生鱼实现刚度较大范围内的变化，并可获得较好的游动性能。微流体多通道变刚度柔性仿生鱼的设计思路源于一个重要的生物学发现，即自然界中的鱼类可通过调节肌肉来改变其身体的刚度，以获得快速高效的游动性能。本专利技术采用液压驱动多通道肌肉系统的方式，实现机器鱼的变刚度特性。结合鱼类的生物学参数，通过对液压驱动系统和微流体多通道结构参数的优化选择，实现柔性仿生鱼的变刚度特性，从而获得快速高效的游动特性。设计的具体步骤为：步骤1：选取鱼类作为仿生对象并测量相关参数根据设计目标和鱼类的游动特点，选择某类型摆动推进鱼类(如鳗鲡科、鲹科、亚鲹科和鲔科鱼类等)作为仿生对象，初步测量鱼体的三维外形尺寸，包括长度、宽度、横截面面积和惯性矩等。此外，还需通过实验方法测量鱼体沿长度方向上弯曲刚度的分布情况。根据测量的三维尺寸，利用3D打印技术制作仿生机器鱼的外形模具。步骤2：设计并制作流体多通道结构所设计的流体多通道结构主要有通道分割层、柔性分通道、流体通道入口和出口等组成。在流体多通道结构中，通道分割层由不易变形的材料制成，主要用于固定多通道子系统(或单通道系统)，将各子系统进行分离，进行单通道驱动。在每个单通道系统中，由多个柔性分通道组成，这些分通道的材料容易变形，并且存在着不同的阵列型式和结构参数。最后，每个单通道系统都存在着一个通道入口和一个通道出口，用于通道内流体的流进和流出。步骤3：设计并制作液压驱动和微控制系统在仿生机器鱼的结构中，根据其通道数目，设计多路液压传力系统，以实现机器鱼的变刚度控制。对于每个单通道系统，通过使用多个液压阀设计不同的流体通道。另外，多通道结构系统的变形还受材料特性的影响，可根据通道结构参数的优化，以获得仿生机器鱼较大程度的弯曲变形和弯曲刚度的大范围变化。在本专利技术的仿生机器鱼中，驱动系统为微型泵，控制系统是阀控液压系统。这些系统均固定在机器鱼的头部位置，以控制多通道流体系统的流体流动速度和压力。通过流体通道将微型泵驱动产生的高压流体泵入到机器鱼通道内，通道内流体的高压区使机器鱼一侧伸展，而低压区使机器鱼的另一侧收缩，这样就实现了机器鱼的往复摆动。该部分设计要求结构简单，体积小，控制精度高。步骤4：液压驱动多通道流体结构柔性机器鱼的整体装配本专利技术的微流体多通道变刚度机器鱼主要由刚性鱼体前端部分和流体多通道尾体两部分组成，这两部分由连接隔板进行固联。鱼体前端部分约占机器鱼全长的三分之一，其内部主要用来放置锂电池、舵机和控制系统。将所设计的柔性脊椎结构和多通道流体系统安置在鱼体尾部。通过控制多通道内流体的流动方向、流动速度和流体压力来改变鱼体的弯曲刚度。此外，若机器鱼未达到所需的游动性能，可进一步优化脊椎结构和多通道流体系统的结构参数，以提高仿生机器鱼的推进性能。本专利技术的优点是：与现有仿生机器鱼的设计方法相比，本专利技术采用液压驱动多通道流体系统来实现柔性机器鱼的往复摆动。通过改变流体通道内的压力和流速，以实现仿生机器鱼变形位移和弯曲刚度的有效控制。这些措施能有效地改善仿生机器鱼的推进性能，对提高仿生机器鱼的游动性能有着重要的意义。该方法的优点在于：(1)采用液压驱动多通道流体系统实现仿生机器鱼的往复摆动，外形匹配程度高，结构柔顺性好。(2)可通过改变多通道内流体的压力，实现仿生机器鱼的弯曲变形和变刚度控制。通过优化多通道流体系统的结构尺寸，如通道型式、通道宽度以及通道之间距离等参数，能够实现仿生机器鱼摆动幅值的有效控制。(3)可通过改变多通道内流体的流动速度，实现仿生机器鱼的往复摆动。通过优化多通道流体系统的结构尺寸，如通道型式、通道宽度以及通道之间距离等参数，能够实现仿生机器鱼的摆动频率的有效控制。该液压系统能很方便地实现无级调速，调速范围大，且可在系统运行过程中调速。(4)通过一个微泵进行驱动，驱动平稳，输出大的推力或大转矩，功率较高。该仿生机器鱼内的液压传动系统有过载保护能力，传动路线布置灵活。(5)在液压驱动多通道流体系统中，液压传动能使仿生机器鱼的往复摆动均匀平稳，往复摆动时无换向冲击。液压系统本身反应速度快，适合仿生机器鱼的频繁换向，调整控制方便，易于实现自动工作循环。附图说明图1为多通道未变形状态示意图；图2为多通道变形状态示意图；图3为仿生机器鱼本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于液压驱动多通道流体结构的变刚度仿生机器鱼的设计方法，其特征在于：利用流体驱动的多通道结构来模拟鱼体肌肉，并通过改变流体压力来改变机器鱼的弯曲刚度，实现柔性机器鱼的变刚度特性。

【技术特征摘要】
1.一种基于液压驱动多通道流体结构的变刚度仿生机器鱼的设计方法，其特征在于：利用流体驱动的多通道结构来模拟鱼体肌肉，并通过改变流体压力来改变机器鱼的弯曲刚度，实现柔性机器鱼的变刚度特性。2.根据权利要求1所述的基于液压驱动多通道流体结构的变刚度仿生机器鱼的设计方法，其特征在于：通过多通道结构参数和液压驱动系统参数的优化使制作的仿生鱼实现刚度变化来获得游动性能。3.根据权利要求2所述的基于液压驱动多通道流体结构的变刚度仿生机器鱼的设计方法，其特征在于：采用刚性脊椎梁与多通道肌肉系统相叠加的方式，对该机器鱼在流体中的运动情况进行受力分析，结合鱼体的生物参数，通过对刚性脊椎梁参数和多通道鱼体参数进行优化选择，实现柔性仿生鱼的变刚度特性。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的基于液压驱动多通道流体结构的变刚度仿生机器鱼的设计方法，其特征在于该设计方法的具体步骤为：步骤1：选取鱼类作为仿生对象并测量相关参数；步骤2：设计并制作流体多通道结构；步骤3：设计并制作液压驱动和微控制系统；步骤4：液压驱动多通道流体结构柔性机器鱼的整体装配。5.一种基于液压驱动多通道流体结构的变...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔祚，
申请(专利权)人：贵州理工学院，
类型：发明
国别省市：贵州,52