本发明专利技术涉及一种变刚度的平面串并联仿生摆动推进机构，包括多个“T”型结构刚性体单元和多个模拟鱼体侧向肌单元，每个“T”型结构单元包括模拟鱼肋骨的刚性体和模拟鱼脊椎的刚性体，模拟鱼脊椎的刚性体的一端与模拟鱼肋骨的刚性体的中间位置铰接；模拟鱼脊椎的刚性体的另外一端与下一个模拟鱼肋骨的刚性体中间位置铰接，从而使多个“T”型结构刚性体单元依次互相串联；模拟鱼体侧向肌单元包括弹簧和阻尼器，弹簧的两端分别与阻尼器的两端连接，若对首端“T”型结构单元施加正旋的驱动力矩，则该串并联机构能够产生平面往复摆动的运动。本发明专利技术结构紧凑，控制简单有效，能更有效的提高仿生鱼的游动效果。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及仿生水下机器人领域，具体是一种变刚度的平面串并联仿生摆动推进机构。
技术介绍
目前国内外科研机构对水下生物如金枪鱼、旗鱼、鲨鱼类游泳时身体摆动的研究证实这类鱼把身体-尾鳍(Body and Caudal Fin，BCF)作为推进器，身体左右摆动击水，产生逆卡门涡街，利用其产生的反作用力使鱼体向前推进。由于这些鱼推进效率高、速度快、机动性强，被众多学者作为仿生研究的对象。生物学对BCF类鱼的游动机理研究表明其肌肉、肌腱、皮肤、骨骼系统组成了一种复杂的串并联机构，这种构造能够有效的增大推力，提高机动性能和游动效率，其中鱼类独特的游动性能很大程度上依赖于其肌肉机械性能的改变。研究表明鱼在游动过程中能够改变自身刚度而且不同的游动速度需要不同的刚度以使身体的自然频率与尾部摆动频率达到匹配，从而大大降低能量消耗。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种变刚度的平面串并联仿生摆动推进机构及其设计方法。为最大程度的复现鱼游动的高性能，将鱼体的生物学结构简化为机械的串并联机构，有着粘弹性特点的肌肉则被简化为弹簧和阻尼器的串联装置。本专利技术避免传统串联机构使用多个驱动源的弊端，使用单个驱动源来使串并联机构实现鱼体波(或者包络线)的拟合，同时为进一步明确肌肉在鱼体游动过程刚度的变化提供依据。本专利技术采用以下技术方案予以实现:一种变刚度的平面串并联仿生摆动推进机构，包括多个“T”型结构刚性体单元和多个模拟鱼体侧向肌单元(2)，每个“T”型结构单元包括模拟鱼肋骨的刚性体(I)和模拟鱼脊椎的刚性体(4)，模拟鱼脊椎的刚性体(4)的一端与模拟鱼肋骨的刚性体(I)的中间位置铰接；模拟鱼脊椎的刚性体的另外一端与下一个模拟鱼肋骨的刚性体中间位置铰接，从而使多个“T”型结构刚性体单元依次互相串联；模拟鱼体侧向肌单元(2)包括弹簧(2-1)和阻尼器(2-2)，弹簧(2-1)的两端分别与阻尼器(2-2)的两端连接，第一个“T”型结构单元的模拟鱼肋骨的刚性体(I)的一侧与模拟鱼体侧向肌单元(2)的一端连接，该模拟鱼体侧向肌单元(2)的另外一端与下一个“T”型结构单元的模拟鱼肋骨的刚性体的一侧连接，每个“T”型结构单元另外一侧的连接结构也相同，从而使整体机构形成平面超冗余串并联机构，若对首端“T”型结构单元施加正旋的驱动力矩，则该串并联机构能够产生平面往复摆动的运动；本专利技术还具有如下特征:如上所述的一种变刚度的平面串并联仿生摆动推进机构，其所述的首端驱动力矩和各结构单元对应的刚性体的刚度计算方法如下，步骤1:选取所要拟合的鱼体波和平面串并联机构的几何参数选取鱼游动时鱼体发生最大弯曲时鱼体波形成的包络线为所要拟合曲线，由生物观测得到；确定串并联机构的几何参数，包括“T”型结构刚性体单元的个数N，第i个“T”型结构刚性体单元的模拟鱼肋骨的刚性体长度A和模拟鱼脊椎的刚性体的长度hi;连接在“T”型结构刚性体单元之间的模拟鱼体侧向肌单元的弹簧未变形之间的长度Itli ；对于结构参数确定的平面串并联机构，转动惯量I1，相对转角θΜχ1，结构单元的变形尺寸f(0_i+1)均为非零常数，则第k个串并联结构单元中弹簧所对应的刚度ki的计算表达式为:权利要求1.一种变刚度的平面串并联仿生摆动推进机构，其特征在于: 包括多个“T”型结构刚性体单元和多个模拟鱼体侧向肌单元(2)，每个“T”型结构单元包括模拟鱼肋骨的刚性体(I)和模拟鱼脊椎的刚性体(4)，模拟鱼脊椎的刚性体(4)的一端与模拟鱼肋骨的刚性体(I)的中间位置铰接；模拟鱼脊椎的刚性体的另外一端与下一个模拟鱼肋骨的刚性体中间位置铰接，从而使多个“T”型结构刚性体单元依次互相串联；模拟鱼体侧向肌单元(2)包括弹簧(2-1)和阻尼器(2-2)，弹簧(2-1)的两端分别与阻尼器(2-2)的两端连接，第一个“T”型结构单元的模拟鱼肋骨的刚性体(I)的一侧与模拟鱼体侧向肌单元(2)的一端连接，该模拟鱼体侧向肌单元(2)的另外一端与下一个“T”型结构单元的模拟鱼肋骨的刚性体的一侧连接，每个“T”型结构单元另外一侧的连接结构也相同，从而使整体机构形成平面超冗余串并联机构，若对首端“T”型结构单元施加正旋的驱动力矩，则该串并联机构能够产生平面往复摆动的运动。2.根据权利要求1所述的一种变刚度的平面串并联仿生摆动推进机构，其特征在于:所述的首端驱动力矩和各结构单元对应的刚性体的刚度计算方法如下， 步骤1:选取所要拟合的鱼体波和平面串并联机构的几何参数 选取鱼游动时鱼体发生最大弯曲时鱼体波形成的包络线为所要拟合曲线，由生物观测得到； 确定串并联机构的几何参数，包括“T”型结构刚性体单元的个数N，第i个“T”型结构刚性体单元的模拟鱼肋骨的刚性体长度A和模拟鱼脊椎的刚性体的长度hi;连接在“T”型结构刚性体单元之间的模拟鱼体侧向肌单元的弹簧未变形之间的长度Itli ; 对于结构参数确定的平面串并联机构，转动惯量Ii,相对转角0 maxi，结构单元的变形尺寸f(9maxi+1)均为非零常数，则第k个串并联结构单元中弹簧所对应的刚度Ici的计算表达式为: kM =K +历2(,.= 1，2,3-1)式=( 6 ) J V max/+I / J V max/+I /J V^niax η) Ii为第i节结构单元对应的转动惯量；ω为串并联机构的驱动频率； 根据平面串并联机构弹性力的传递性以及被动驱动的特点，根据(6)可由末端结构单元逐一递推求解该串并联机构各结构单元对应的刚度Ici和首端驱动源的驱动力矩M1 =kif ( θ maxi)； 其中，将需拟合的包络线与串并联结构对应，以串并联结构单元为旋转体，其旋转中心为包络线上的离散点，将连续的包络线曲线离散为多段折线段，在起始点处建立以水平线为X轴的平面直角坐标系，确定各离散点的坐标值，计算出每段折线段与水平轴之间的夹角Qitl，然后计算后一段折线相对于前一段折线的相对转角0maxi; 其具体计算方法为:在直角坐标系中，设相邻离散点A，B, C的坐标分别为:(xa，ya)，(xb，yb)，(x。，y。)，该三点确定两段直线段AB和BC，设其与x轴之间的夹角为Θ a(l、Θ b0,则θα0 = arctan yb ~ y°- ,0bo = arctan 尺一 yb ； Xb - xOxC - Xb 设直线段AB与BC之间的相对转角为θ-b，则Θ fflaxb = I ebo-0ao|o全文摘要本专利技术涉及一种变刚度的平面串并联仿生摆动推进机构，包括多个“T”型结构刚性体单元和多个模拟鱼体侧向肌单元，每个“T”型结构单元包括模拟鱼肋骨的刚性体和模拟鱼脊椎的刚性体，模拟鱼脊椎的刚性体的一端与模拟鱼肋骨的刚性体的中间位置铰接；模拟鱼脊椎的刚性体的另外一端与下一个模拟鱼肋骨的刚性体中间位置铰接，从而使多个“T”型结构刚性体单元依次互相串联；模拟鱼体侧向肌单元包括弹簧和阻尼器，弹簧的两端分别与阻尼器的两端连接，若对首端“T”型结构单元施加正旋的驱动力矩，则该串并联机构能够产生平面往复摆动的运动。本专利技术结构紧凑，控制简单有效，能更有效的提高仿生鱼的游动效果。文档编号B63H1/36GK103224017SQ201310141208公开日2013年7月31日本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种变刚度的平面串并联仿生摆动推进机构，其特征在于：包括多个“T”型结构刚性体单元和多个模拟鱼体侧向肌单元(2)，每个“T”型结构单元包括模拟鱼肋骨的刚性体(1)和模拟鱼脊椎的刚性体(4)，模拟鱼脊椎的刚性体(4)的一端与模拟鱼肋骨的刚性体(1)的中间位置铰接；模拟鱼脊椎的刚性体的另外一端与下一个模拟鱼肋骨的刚性体中间位置铰接，从而使多个“T”型结构刚性体单元依次互相串联；模拟鱼体侧向肌单元(2)包括弹簧(2?1)和阻尼器(2?2)，弹簧(2?1)的两端分别与阻尼器(2?2)的两端连接，第一个“T”型结构单元的模拟鱼肋骨的刚性体(1)的一侧与模拟鱼体侧向肌单元(2)的一端连接，该模拟鱼体侧向肌单元(2)的另外一端与下一个“T”型结构单元的模拟鱼肋骨的刚性体的一侧连接，每个“T”型结构单元另外一侧的连接结构也相同，从而使整体机构形成平面超冗余串并联机构，若对首端“T”型结构单元施加正旋的驱动力矩，则该串并联机构能够产生平面往复摆动的运动。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：姜洪洲，崔祚，何景峰，佟志忠，田体先，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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