一种在线变刚度仿生机器鱼制造技术

本发明专利技术提供一种在线变刚度仿生机器鱼，包括仿生鱼头、仿生鱼尾、仿生尾鳍、驱动关节和刚度调节机构；仿生鱼头包括第一安装架，仿生鱼尾包括第二安装架；沿仿生机器鱼的移动方向，第一安装架的后端和第二安装架的前端通过驱动关节转动连接；刚度调节机构包括驱动组件、滑块和弹性片；驱动组件设于第一安装架和第二安装架的至少一者，驱动组件和滑块连接；滑块设有引导口，弹性片沿仿生鱼尾的延伸方向穿设于引导口，弹性片的前端和第二安装架的前端连接，弹性片的后端延伸至第二安装架的后端，并与仿生尾鳍连接。本发明专利技术提供的在线变刚度仿生机器鱼具有结构简单稳定、运动灵活、抗干扰性强的特点，能够实现对机器鱼尾刚度的大范围调节。节。节。

【技术实现步骤摘要】
一种在线变刚度仿生机器鱼


[0001]本专利技术涉及水下机器人
，尤其涉及一种在线变刚度仿生机器鱼。

技术介绍

[0002]近年来，水下机器人在探索和开发海洋中扮演着越来越重要的角色。仿生机器鱼作为一种特殊的水下机器人，也逐渐得到广泛的关注和应用。仿生机器鱼是机器人技术和仿生技术结合的产物，得益于其仿鱼的游动，相比于传统的基于螺旋桨推进的水下机器人，仿生机器鱼具有推进效率高、能耗低、机动性能好、噪音低与隐蔽性高等优点，因此，仿生机器鱼在海洋资源的探测和开发、军事侦察、水下考古、水下生物观察等领域具有广泛的应用前景。
[0003]研究表明，鱼类可以实时调节其尾部的刚度以适应周围的水流环境，提高游动性能。受此启发，许多研究学者开始探究可变刚度的仿生机器鱼。现有的仿生机器鱼进行刚度调节的方法分为离线方式和在线方式。其中，离线变刚度方法通过更换不同刚度的元件实现刚度调节，该方式不仅低效，而且成本高；在线变刚度方法可以实现实时刚度调节，类似鱼类的刚度调节机制，该方法不仅高效，而且能够达到更好的性能，因此也备受研究学者们的青睐。
[0004]目前，在线变刚度机器鱼主要有三种，第一种为基于液压或者气压的变刚度机器鱼，通过调节鱼尾内的压强来实现变刚度，这类机器鱼具有柔性好的特点，但是，控制精度低，在控制上存在迟滞效应。第二种为基于智能材料的变刚度机器鱼，通过改变形状记忆合金，电流变材料、磁流变材料、电活性聚合物等智能材料的特性，实现刚度调节。该类机器鱼同样具有高柔性，但是，相对于传统的机械结构而言，对智能材料控制的精度和不稳定性仍然具有挑战性。第三种为基于传统机械结构的变刚度机器鱼，具有代表性的一种为基于弹簧元件的变刚度机器鱼。在实际应用中，通过对弹簧施加一个预紧力，使得变刚度机器鱼的尾部抵抗水流的作用增大，从而达到提高变刚度机器鱼尾部的刚度的目的。但是，根据胡克定律，F为施加在弹簧上的作用力，k为弹簧的刚度系数，x为弹簧形变量。在对弹簧施加一个预紧力时，其实际上并未改变弹簧的刚度系数k，而是给弹簧形变添加一个阈值条件，即当外部作用力小于或等于设定阈值时，弹簧的形变量为0，当外部作用力大于设定阈值时，弹簧发生形变。随着预紧力的增大，外部作用力同样需要增大才能够使得弹簧发生形变，因此，从整体上看，通过施加预紧力，可以改变外部力和形变量的关系，即调节变刚度机器鱼的尾部的“刚度”。这种基于施加预紧力的变刚度方法会出现形变死区，即在给定预紧力的范围内，弹簧的形变量为0，这意味着此时变刚度机器鱼的尾部变为刚性，而在给定预紧力的范围外，弹簧呈现出一个柔性关节的作用；也就是说，当外部力作用时，变刚度机器鱼的尾部会呈现出刚性和柔性的切换，其本质上和鱼类尾部刚度的调节原理不同。
[0005]基于以上原因，需要探索一种结构简单、控制便捷，性能稳定以及仿生度高的在线变刚度仿生机器鱼，以期实现对其尾部刚度的大范围调节。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供一种在线变刚度仿生机器鱼，用以解决现有的变刚度机器鱼存在结构复杂，灵活性差，难以对其尾部的刚度进行大范围地在线调节的问题。
[0007]本专利技术提供一种在线变刚度仿生机器鱼，包括：仿生鱼头、仿生鱼尾、仿生尾鳍、驱动关节和刚度调节机构；
[0008]所述仿生鱼头包括第一安装架，所述仿生鱼尾包括第二安装架；沿仿生机器鱼的移动方向，所述第一安装架的后端和所述第二安装架的前端通过所述驱动关节转动连接，所述驱动关节用于驱动所述仿生鱼尾相对于所述仿生鱼头往复摆动；
[0009]所述刚度调节机构包括驱动组件、滑块和弹性片；所述驱动组件设于所述第一安装架和所述第二安装架的至少一者，所述驱动组件和所述滑块连接；所述滑块设有引导口，所述弹性片沿所述仿生鱼尾的延伸方向穿设于所述引导口，所述弹性片的前端和所述第二安装架的前端连接，所述弹性片的后端延伸至所述第二安装架的后端，并与所述仿生尾鳍连接；
[0010]其中，所述驱动组件用于驱动所述滑块沿所述仿生鱼尾的延伸方向移动，以调节所述滑块相对于所述弹性片的位置，从而改变所述弹性片的刚度。
[0011]根据本专利技术提供的一种在线变刚度仿生机器鱼，所述驱动组件包括卷扬机构、牵引绳、引导结构和弹性件；
[0012]所述卷扬机构和所述第一安装架连接，所述引导结构和所述第二安装架连接，所述牵引绳的第一端卷绕于所述卷扬机构，所述牵引绳的第二端和所述滑块连接，并在所述引导结构的引导下朝向所述仿生尾鳍的一侧牵引所述滑块，所述弹性件设于所述滑块和所述第二安装架的后端之间；
[0013]其中，所述滑块可在所述牵引绳的牵引力和所述弹性件的弹性力的共同作用下沿所述仿生鱼尾的延伸方向往复移动。
[0014]根据本专利技术提供的一种在线变刚度仿生机器鱼，所述卷扬机构包括第一舵机、齿轮组、转轴和卷线器；
[0015]所述齿轮组包括第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮和所述第二齿轮啮合设置；
[0016]所述第一舵机设于所述第一安装架，所述第一舵机的输出端和所述第一齿轮连接，所述第二齿轮和所述转轴连接，所述转轴可转动地设于所述第一安装架，所述转轴和所述卷线器同轴连接，所述牵引绳的第一端卷绕于所述卷线器上。
[0017]根据本专利技术提供的一种在线变刚度仿生机器鱼，所述卷线器包括第一卷线器和第二卷线器；所述第一卷线器设于所述转轴的一端，所述第二卷线器设于所述转轴的另一端；
[0018]所述牵引绳包括第一牵引绳和第二牵引绳；所述引导结构包括第一引导结构和第二引导结构；
[0019]所述第一牵引绳的第一端卷绕于所述第一卷线器，所述第一牵引绳的第二端在所述第一引导结构的引导下朝向所述仿生尾鳍的一侧牵引所述滑块的一端；所述第二牵引绳的第一端卷绕于所述第二卷线器，所述第二牵引绳的第二端在所述第二引导结构的引导下朝向所述仿生尾鳍的一侧牵引所述滑块的另一端。
[0020]根据本专利技术提供的一种在线变刚度仿生机器鱼，所述引导结构包括第一穿绳件、第二穿绳件和导向轮；
[0021]所述第一穿绳件设于所述驱动关节，并位于与所述驱动关节的旋转轴线相对的位置；所述第二穿绳件设于所述滑块，所述导向轮设于所述第二安装架的后端；
[0022]所述牵引绳的第二端在依次穿过所述第一穿绳件和所述第二穿绳件后，绕过所述导向轮，再与所述滑块连接。
[0023]根据本专利技术提供的一种在线变刚度仿生机器鱼，所述第二安装架包括第一固定座、导向杆和第二固定座；沿所述仿生鱼尾的延伸方向，所述第一固定座、所述导向杆和所述第二固定座依次连接；
[0024]所述滑块上设有直线轴承，所述弹性件包括弹簧；所述导向杆穿设于所述直线轴承，以使得所述滑块可沿所述导向杆的延伸方向移动；所述弹簧套设于所述导向杆的周壁，并位于所述滑块和所述第二固定座之间。
[0025]根据本专利技术提供的一种在线变刚度仿生机器鱼，所述滑块上分别可转动地设有第一夹辊和第二夹辊；
[0026]所述第一夹辊和所述第二夹辊并排设置，所述第一夹辊和所述第二夹辊之间形成所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在线变刚度仿生机器鱼，其特征在于，包括：仿生鱼头、仿生鱼尾、仿生尾鳍、驱动关节和刚度调节机构；所述仿生鱼头包括第一安装架，所述仿生鱼尾包括第二安装架；沿仿生机器鱼的移动方向，所述第一安装架的后端和所述第二安装架的前端通过所述驱动关节转动连接，所述驱动关节用于驱动所述仿生鱼尾相对于所述仿生鱼头往复摆动；所述刚度调节机构包括驱动组件、滑块和弹性片；所述驱动组件设于所述第一安装架和所述第二安装架的至少一者，所述驱动组件和所述滑块连接；所述滑块设有引导口，所述弹性片沿所述仿生鱼尾的延伸方向穿设于所述引导口，所述弹性片的前端和所述第二安装架的前端连接，所述弹性片的后端延伸至所述第二安装架的后端，并与所述仿生尾鳍连接；其中，所述驱动组件用于驱动所述滑块沿所述仿生鱼尾的延伸方向移动，以调节所述滑块相对于所述弹性片的位置，从而改变所述弹性片的刚度。2.根据权利要求1所述的在线变刚度仿生机器鱼，其特征在于，所述驱动组件包括卷扬机构、牵引绳、引导结构和弹性件；所述卷扬机构和所述第一安装架连接，所述引导结构和所述第二安装架连接，所述牵引绳的第一端卷绕于所述卷扬机构，所述牵引绳的第二端和所述滑块连接，并在所述引导结构的引导下朝向所述仿生尾鳍的一侧牵引所述滑块，所述弹性件设于所述滑块和所述第二安装架的后端之间；其中，所述滑块可在所述牵引绳的牵引力和所述弹性件的弹性力的共同作用下沿所述仿生鱼尾的延伸方向往复移动。3.根据权利要求2所述的在线变刚度仿生机器鱼，其特征在于，所述卷扬机构包括第一舵机、齿轮组、转轴和卷线器；所述齿轮组包括第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮和所述第二齿轮啮合设置；所述第一舵机设于所述第一安装架，所述第一舵机的输出端和所述第一齿轮连接，所述第二齿轮和所述转轴连接，所述转轴可转动地设于所述第一安装架，所述转轴和所述卷线器同轴连接，所述牵引绳的第一端卷绕于所述卷线器上。4.根据权利要求3所述的在线变刚度仿生机器鱼，其特征在于，所述卷线器包括第一卷线器和第二卷线器；所述第一卷线器设于所述转轴的一端，所述第二卷线器设于所述转轴的另一端；所述牵引绳包括第一牵引绳和第二牵引绳；所述引导结构包括第一引导结构和第二引导结构；所述第一牵引绳的第一端卷绕于所述第一卷线器，所述第一牵引绳的第二端在所述第一引导结构的引导下朝向所述仿生尾鳍的一侧牵引所述滑块的一端；所述第二牵引绳的第一端卷绕于所述第二卷线器，所述第二牵引绳的第二端在所述第二引导结构的引导下朝向所述仿生尾鳍的一侧牵引所述滑块的另...

【专利技术属性】
技术研发人员：周超，廖晓村，范俊峰，王健，张灼亮，尹昭然，邓良伟，卢奔，邹茜茜，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：