具有中性浮力的仿生柔性鱼尾及制作方法技术

本发明专利技术提供一种具有中性浮力的仿生柔性鱼尾和制作方法。该仿生柔性鱼尾包括：主骨架板、支撑骨架、固定件和柔性鱼尾外皮；主骨架板根据生物鱼尾的形状进行设计，包括主体部和尾鳍，主骨架板为弹性金属材料制成；支撑骨架根据生物鱼尾的形状进行设计且多个支撑骨架分为两组，两组支撑骨架对称设置于主骨架板的主体部的两个面上，与主骨架板组成鱼尾整体骨架；固定件与主骨架板远离尾鳍的一端连接；柔性鱼尾外皮设置于固定件和鱼尾整体骨架的外表面上，且与鱼尾整体骨架形成一密闭的中空气舱，通过中空气舱的设置以使仿生柔性鱼尾的总重量能够等于仿生柔性鱼尾的排水重量。该仿生柔性鱼尾是一种整体实现了柔顺优化的仿生柔性鱼尾。性鱼尾。性鱼尾。

【技术实现步骤摘要】
具有中性浮力的仿生柔性鱼尾及制作方法


[0001]本专利技术涉及仿生
，尤其涉及一种具有中性浮力的仿生柔性鱼尾及制作方法。

技术介绍

[0002]近年来，水下仿生机器人凭借其高效、高机动以及环境友好等特性受到了广泛关注，在海洋资源勘测和自主搜救等水下作业方面表现出了重要研究价值。经典的仿生游动模式包括身体/尾鳍模式(BCF)和中间鳍/对鳍模式(MPF)，其中BCF模式的主要推进力来源于柔顺的尾部摆动，适合执行高效巡游、自主搜索等任务，因而成为了研究热点。为了进一步提高BCF型水下机器人的游动速度和推进能效，科研人员近年来针对柔顺性鱼尾开展了大量研究。通过设计被动关节和柔性机构，研制了多种具有被动柔顺性的仿生鱼尾，极大地优化了水下机器人的游速和能耗，缩小了与生物鱼类的推进性能差距。
[0003]尽管仿生鱼尾的柔顺性研究较多，现有研究大多针对具体平台展开，缺乏系统和完备的方案，迁移能力有限。Kancharala等人在尾柄处设计了被动关节，使用扭簧作为关节的连接，实现了不同的柔顺性，并通过理论和实验验证了性能优化结果；Chen等人结合被动关节和柔性尾鳍，基于扭簧和碳纤维板设计了具有高爆发跃水能力的水下仿生机器人，但被动关节的扭簧弹性受限于机构的尺寸，柔顺性的选择难以达到最优；Lu等人通过弹簧片连接尾部的两个刚性机舱，加入了两个柔性连接器以模拟生物鱼尾，获得了仿鱼姿态和游速的提升；Zhong等人在仿鱼机器人尾部嵌入拉簧机构，拉簧两侧分别连接尾鳍和驱动器，通过驱动器施加在扭簧上的预张紧力实现了尾鳍柔顺性的可控改变，实现了机器人在宽速度范围内的推进效率增益；White等人在尾部加入多个自由关节，在不同频率下开展了广泛的实验测试，结果表明，柔性设计能有效提高游动速度，降低能耗成本。
[0004]但是，上述的各类仿生鱼尾通过加入柔性组件仅实现了局部的柔顺优化，难以模拟生物鱼尾部整体柔顺拍动的效果。此外，局部柔顺机构常常受限于弹性连接件的尺寸，极大地阻碍了柔性鱼尾性能的提升。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种具有中性浮力的仿生柔性鱼尾及制作方法，用以解决现有技术中的仿生鱼尾仅实现了局部的柔顺优化难以模拟生物鱼尾部整体柔顺拍动的效果的缺陷，实现一种整体实现了柔顺优化的仿生柔性鱼尾。
[0006]本专利技术提供一种具有中性浮力的仿生柔性鱼尾，包括：主骨架板、支撑骨架、固定件和柔性鱼尾外皮；
[0007]所述主骨架板根据生物鱼尾的形状进行设计，包括主体部和尾鳍，所述主骨架板为弹性金属材料制成；
[0008]所述支撑骨架根据生物鱼尾的形状进行设计且多个所述支撑骨架分为两组，两组所述支撑骨架对称设置于所述主骨架板的主体部的两个面上，与所述主骨架板组成鱼尾整
体骨架；
[0009]所述固定件与所述主骨架板远离所述尾鳍的一端连接；
[0010]所述柔性鱼尾外皮设置于所述固定件和所述鱼尾整体骨架的外表面上，且与所述鱼尾整体骨架形成一密闭的中空气舱，通过所述中空气舱的设置以使所述仿生柔性鱼尾的总重量能够等于所述仿生柔性鱼尾的排水重量，从而使所述仿生柔性鱼尾具有中性浮力的特性。
[0011]根据本专利技术提供的一种具有中性浮力的仿生柔性鱼尾，各所述支撑骨架垂直设置于所述主骨架板的主体部的两个面上，且各所述支撑骨架分别与所述主骨架板的轴线垂直设置。
[0012]根据本专利技术提供的一种具有中性浮力的仿生柔性鱼尾，所述支撑骨架包括弧形结构和支撑结构，所述支撑结构设置在所述弧形结构的内弧面上。
[0013]根据本专利技术提供的一种具有中性浮力的仿生柔性鱼尾，还包括防水膜，所述防水膜设置于所述固定件和所述鱼尾整体骨架的外表面上，位于所述鱼尾整体骨架与所述柔性鱼尾外皮之间。
[0014]本专利技术还提供一种水下仿生机器鱼，包括上述任一种所述具有中性浮力的仿生柔性鱼尾和仿生机器鱼主体；
[0015]所述仿生机器鱼主体通过连接件与所述仿生柔性鱼尾连接，其中所述连接件与所述仿生机器鱼主体转动连接，且所述连接件的转轴与所述仿生机器鱼主体的横剖面垂直，所述连接件与所述仿生柔性鱼尾固定连接。
[0016]本专利技术还提供一种具有中性浮力的仿生柔性鱼尾制作方法，包括：
[0017]基于生物鱼尾的3D模型，制作仿生柔性鱼尾的主骨架板、支撑骨架和固定件，所述主骨架板包括主体部和尾鳍，所述尾鳍为设置在所述主体部一端的镰刀型结构；
[0018]将多个所述支撑骨架分为两组，将两组所述支撑骨架分别对称安装于所述主骨架板的主体部的两个面上，与所述主骨架板组成鱼尾整体骨架；
[0019]将所述鱼尾整体骨架安装于所述固定件上，并在所述鱼尾整体骨架上的非尾鳍部位的外周面上缠绕至少一层防水薄膜以得到浇筑基础；
[0020]基于所述生物鱼尾的3D模型设计鱼尾模具；
[0021]将所述鱼尾模具装配到所述浇筑基础上，在所述鱼尾模具与所述浇筑基础之间浇筑硅胶，以在所述浇筑基础外周面上形成硅胶柔性鱼尾外皮，待硅胶凝固后拆除所述鱼尾模具，得到仿生柔性鱼尾；
[0022]其中，得到的所述仿生柔性鱼尾的重量等于所述仿生柔性鱼尾总重量等于所述仿生柔性鱼尾的排水重量。
[0023]根据本专利技术提供的一种具有中性浮力的仿生柔性鱼尾制作方法，所述基于生物鱼尾的3D模型，制作仿生柔性鱼尾的主骨架板、支撑骨架和固定件，所述主骨架板包括主体部和尾鳍，所述尾鳍为设置在所述主体部一端的镰刀型结构包括：
[0024]建立所述生物鱼尾的3D模型，根据所述3D模型设计所述主骨架板、所述支撑骨架和所述固定件的形状；
[0025]根据所述主骨架板、所述支撑骨架、所述固定件和所述柔性鱼尾外皮预使用的材料密度以及所述仿生柔性鱼尾的设计排水重量，确定所述主骨架板、所述支撑骨架和所述
固定件的尺寸；
[0026]基于所述主骨架板、所述支撑骨架和所述固定件的形状和尺寸，制作所述主骨架板、所述支撑骨架和所述固定件。
[0027]根据本专利技术提供的一种具有中性浮力的仿生柔性鱼尾制作方法，所述基于所述生物鱼尾的3D模型设计鱼尾模具，包括：
[0028]基于所述生物鱼尾的3D模型，分别设计第一模具、第二模具和第三模具，所述第一模具为所述固定件部分的模具，所述第二模具为所述尾鳍部分的模具，所述第三模具为所述主体部部分的模具。
[0029]根据本专利技术提供的一种具有中性浮力的仿生柔性鱼尾制作方法，所述将所述鱼尾模具装配到所述浇筑基础上，在所述鱼尾模具与所述浇筑基础之间浇筑硅胶，以在所述浇筑基础外周面上形成硅胶柔性鱼尾外皮，待硅胶凝固后拆除所述鱼尾模具，得到仿生柔性鱼尾，包括：
[0030]将所述第一模具装配在所述浇筑基础的所述固定件的外周，装配成功后在所述第一模具与所述固定件之间浇筑硅胶，直至所述硅胶浸没距离最近的防水薄膜开口处；
[0031]待所述第一模具中的硅胶凝固后，将所述第二模具装配在所述浇筑基础的所述尾鳍的外周，装配成功后在所述第二模具于所述尾鳍之间浇筑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有中性浮力的仿生柔性鱼尾，其特征在于，包括：主骨架板、支撑骨架、固定件和柔性鱼尾外皮；所述主骨架板根据生物鱼尾的形状进行设计，包括主体部和尾鳍，所述主骨架板为弹性金属材料制成；所述支撑骨架根据生物鱼尾的形状进行设计且多个所述支撑骨架分为两组，两组所述支撑骨架对称设置于所述主骨架板的主体部的两个面上，与所述主骨架板组成鱼尾整体骨架；所述固定件与所述主骨架板远离所述尾鳍的一端连接；所述柔性鱼尾外皮设置于所述固定件和所述鱼尾整体骨架的外表面上，且与所述鱼尾整体骨架形成一密闭的中空气舱，通过所述中空气舱的设置以使所述仿生柔性鱼尾的总重量能够等于所述仿生柔性鱼尾的排水重量，从而使所述仿生柔性鱼尾具有中性浮力的特性。2.根据权利要求1所述的具有中性浮力的仿生柔性鱼尾，其特征在于，各所述支撑骨架垂直设置于所述主骨架板的主体部的两个面上，且各所述支撑骨架分别与所述主骨架板的轴线垂直设置。3.根据权利要求去2所述的具有中性浮力的仿生柔性鱼尾，其特征在于，所述支撑骨架包括弧形结构和支撑结构，所述支撑结构设置在所述弧形结构的内弧面上。4.根据权利要求1至3任一项所述的具有中性浮力的仿生柔性鱼尾，其特征在于，还包括防水膜，所述防水膜设置于所述固定件和所述鱼尾整体骨架的外表面上，位于所述鱼尾整体骨架与所述柔性鱼尾外皮之间。5.一种水下仿生机器鱼，其特征在于，包括权利要求1至4任一项所述的具有中性浮力的仿生柔性鱼尾和仿生机器鱼主体；所述仿生机器鱼主体通过连接件与所述仿生柔性鱼尾连接，其中所述连接件与所述仿生机器鱼主体转动连接，且所述连接件的转轴与所述仿生机器鱼主体的横剖面垂直，所述连接件与所述仿生柔性鱼尾固定连接。6.一种具有中性浮力的仿生柔性鱼尾制作方法，其特征在于，包括：基于生物鱼尾的3D模型，制作仿生柔性鱼尾的主骨架板、支撑骨架和固定件，所述主骨架板包括主体部和尾鳍，所述尾鳍为设置在所述主体部一端的镰刀型结构；将多个所述支撑骨架分为两组，将两组所述支撑骨架分别对称安装于所述主体部的两个面上，与所述主骨架板组成鱼尾整体骨架；将所述鱼尾整体骨架安装于所述固定件上，并在所述鱼尾整体骨架上的非尾鳍部位的外周面上缠绕至少一层防水薄膜以得到浇筑基础；基于所述生物鱼尾的3D模型设计鱼尾模具；将所述鱼尾模具装配到所述浇筑基础上，在所述鱼尾模具与所述浇筑基础之间浇筑硅胶，以在所述浇筑基础外周面上形成硅胶柔性鱼尾外皮，待硅胶凝固后拆...

【专利技术属性】
技术研发人员：喻俊志，吴正兴，仝茹，王健，陈迪，谭民，
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：