一种电磁驱动的变刚度仿生摆动推进装置，包括支座、两节以上的电磁摆动单元和尾鳍，所有的鱼体外形均由鱼体蒙皮所密封，首节电磁摆动单元与鱼体头部相连，其它各级电磁摆动单元均与柔性脊椎相连接，最后一节单节电磁摆动单元则与尾鳍相连，所述的电磁摆动单元包括上导磁体、下导磁体、控制线圈、柔性脊椎和衔铁，所述的柔性脊椎呈中空状，内部嵌有控制电流的线圈，上、下导磁体分别固定在柔性脊椎上，衔铁固定在上、下导磁体的中间位置，衔铁的中间位置与柔性脊椎固定连接，衔铁两端套有控制线圈，通过产生的电磁力矩带动柔性脊椎发生弯曲，以驱动鱼体的摆动推进；本发明专利技术具有体积小，重量轻，动作连续，容易实现、噪声低、机械损耗小的特点。
【技术实现步骤摘要】
—种电磁驱动的变刚度仿生摆动推进装置
本专利技术主要涉及到仿生水下机器人领域，具体涉及一种电磁驱动的变刚度仿生摆动推进装置。
技术介绍
鱼类以其快速、高效、高机动性等独特的游动性能吸引了众多学者的关注，同时鱼类的游动机理也成为了仿生学的研究热点。生物学研究表明鱼类的脊椎、肌肉、皮肤、骨骼等生理组织共同组成了一种复杂的串并联机构，具有俯仰、偏航和扭转三个自由度的运动。另一方面，鱼类能够主动地改变身体刚度，使鱼体的自然频率与尾鳍的摆动频率相一致，从而获得快速高效的游动性能。目前，一些仿生学者已经注意到这些研究成果并将其应用到仿生鱼的设计中。例如，哈尔滨工业大学姜洪洲教授等提出了基于串并联机构的变刚度柔性仿生鱼，该机构拟采用形状记忆合金(SMA)来进行驱动，解决了传统上采用电机驱动控制复杂、体积大的缺点，但由于SMA材料本身具有受温度影响大，变形小等缺陷。实际上，鱼体摆动推进所需的驱动力主要来源于鱼体拮抗肌群的对称收缩。根据电磁铁同性相斥，异性相吸的性质，本专利提出了由永久磁体、导磁体、衔铁和柔性脊椎等构成的一种电磁驱动的变刚度摆动推进装置。通过对电磁铁激磁电流大小和方向的控制，实现对驱动力矩方向和大小的控制，以复现了真实鱼类游动变刚度节能机理，具有驱动力矩可调、响应快、推力大、柔顺性好等优点。
技术实现思路
为复现鱼类快速高效的游动性能，本专利技术提供了一种电磁驱动的变刚度仿生装置，具体采用以下技术方案予以实现:一种电磁驱动的变刚度仿生摆动推进装置，包括支座、两节以上的电磁摆动单元和尾鳍，所有的鱼体外形均由鱼体蒙皮所密封，首节电磁摆动单元与鱼体头部相连，其它各级电磁摆动单元均与柔性脊椎相连接，最后一节单节电磁摆动单元则与尾鳍相连，所述的电磁摆动单元包括上导磁体、下导磁体、控制线圈、柔性脊椎和衔铁，所述的柔性脊椎呈中空状，内部嵌有控制电流的线圈，上、下导磁体分别固定在柔性脊椎上，衔铁固定在上、下导磁体的中间位置，衔铁的中间位置与柔性脊椎固定连接，衔铁两端套有控制线圈，衔铁两端分别与上、下导磁体的磁极形成四个工作气隙，通过电流控制衔铁的N、S磁极，产生对应的电磁力矩，通过产生的电磁力矩带动柔性脊椎发生弯曲，以驱动鱼体的摆动推进；根据柔性鱼体摆动推进装置所要求的推进姿态，将衔铁上的控制线圈通电，产生所需摆动的驱动激励，对各节推进装置的电磁摆动单元进行主动控制，通过控制各节衔铁上控制线圈通电电流的大小、方向、气隙大小和控制线圈匝数，控制发生柔性脊椎弯曲所对应的电磁力矩，即通过产生不同的内力来改变各级电磁摆动单元的刚度，在鱼体的游动过程中，根据所检测的游动速度等优化衔铁通电线圈的通电分配情况，使各级电磁摆动单元产生鱼体高效快速游动所需的连续鱼体波；柔性脊椎弹性变形所产生的反力矩与电磁力矩相平衡时，衔铁停止转动。本专利技术的优点是:与现有技术相比，本专利技术的优点在于:(1)利用固定电流且通过激励线圈来建立极化磁场，可获得较大的极化磁通，能够产生足够的输出力矩，且动态性能好，响应速度快。同时，具有体积小，重量轻，不受环境温度影响等特点。(2)运用电磁原理通过改变控制信号来改变驱动力矩的大小和方向，并进一步通过设计复合控制策略实现鱼体刚度的变化，可实现鱼类游动过程中的变刚度控制，具有容易实现、噪声低、机械损耗小等特点。(3)运用连续柔性脊椎与电磁摆动单元并联的设计形式，模拟了与真实鱼体流线型外形匹配的多关节串并联机构，具有推力大，动作连续，柔顺性好的特点。【附图说明】图1为本专利技术的整体结构示意图；图2为本专利技术的单个电磁摆动单元示意图；图3为本专利技术的电磁摆动单元的磁路原理图。其中，1、支座，2、导磁体，3、柔性脊椎，4、衔铁，5、尾鳍，6、控制线圈，7、上导磁体，8、下导磁体，9、气隙①,10、气隙②,11、气隙③，12、气隙④。【具体实施方式】以下将结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的说明。实施例1如附图1所示，本专利技术提供了一种电磁驱动的变刚度仿生摆动推进装置，包括支座1、两节以上的电磁摆动单元和尾鳍5，所有的鱼体外形均由鱼体蒙皮所密封，首节电磁摆动单元与鱼体头部相连，其它各级电磁摆动单元均与柔性脊椎3相连接，最后一节单节电磁摆动单元则与尾鳍5相连，所述的摆电磁动单元包括上导磁体7、下导磁体8、控制线圈6、柔性脊椎3和衔铁4，所述的柔性脊椎3呈中空状，内部嵌有控制电流的线圈，上、下导磁体7、8分别固定在柔性脊椎3上，衔铁4固定在上、下导磁体7、8的中间位置，衔铁4的中间位置与柔性脊椎3固定连接，衔铁4两端套有控制线圈6，衔铁4两端分别与上、下导磁体7、8的磁极形成四个工作气隙，通过电流控制衔铁4的N、S磁极，产生对应的电磁力矩，通过产生的电磁力矩带动柔性脊椎发生弯曲，以驱动鱼体的摆动推进；根据柔性鱼体摆动推进装置所要求的推进姿态，将衔铁上的控制线圈通电，产生所需摆动的驱动激励，对各节推进装置的电磁摆动单元进行主动控制，通过控制各节衔铁上控制线圈通电电流的大小、方向、气隙大小和控制线圈6匝数，控制发生柔性脊椎3弯曲所对应的电磁力矩，即通过产生不同的内力来改变各级电磁摆动单元的刚度，在鱼体的游动过程中，根据所检测的游动速度等优化衔铁通电线圈的通电分配情况，使各级电磁摆动单元产生鱼体高效快速游动所需的连续鱼体波；柔性脊椎弹性变形所产生的反力矩与电磁力矩相平衡时，衔铁停止转动。实施例2电磁摆动单元实现驱动控制的具体原理为:永久磁铁将上、下导磁体磁化，一端为N极，另一端为S极。无信号电流时，衔铁在上、下导磁体的中间位置，由于电磁摆动单元结构是对称的，永久磁铁在两端的气隙中所产生的极化磁通是一样的，使衔铁两端所受是电磁吸力相同，无驱动力矩输出。当信号电流通过线圈时，控制线圈产生控制磁通，其大小和方向取决于信号电流的大小和方向。当柔性脊椎弹性变形所产生的反力矩与电磁力矩相平衡时，衔铁停止转动。根据设计要求，通过对控制线圈的通电电流大小和方向的控制，实现对仿生摆动推进装置驱动力矩大小和驱动频率的控制。级数越多，摆动的动作连续柔顺性越好。以某一电磁摆动单元为例，具体说明通过控制通电电流来改变驱动力矩的原理，如附图2和图3所示。设驱动单元的控制线圈由一个推挽放大器供电，放大器中的常值电压Eb在每个控制线圈中产生的常值电流Itl大小相等方向相反，因此在衔铁上不产生电磁力矩。当放大器有输入电压Ug时，将使一个控制线圈中的电流增加，另一个控制线圈中的电流减少，两个线圈中的电流分别为:I1 = 10+i(I)i2 = 10-1(2)式中，ipi2——每个线圈中的电流；10——每个线圈中的常值电流；i——每个线圈中的信号电流。两个线圈中的差动电流为:Ai = I1-12 = 2i = ic (3)差动电流Λ i即为输入力矩马达的控制电流i。，在衔铁中产生的控制磁通以及由此产生的电磁力矩比例于差动电流。通过力矩马达的磁路分析可以求出电磁力矩的计算公式，具体如附图3所示。假定磁性材料和非工作气隙的磁阻可以忽略不计，只考虑四个工作气隙的磁阻，则力矩马达的磁路可用附图3(b)所示的等效磁路表示。当衔铁处于中位时，每个工作气隙的磁阻为:本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电磁驱动的变刚度仿生摆动推进装置，包括支座、两节以上的电磁摆动单元和尾鳍，所有的鱼体外形均由鱼体蒙皮所密封，其特征在于：首节电磁摆动单元与鱼体头部相连，其它各级电磁摆动单元均与柔性脊椎相连接，最后一节单节电磁摆动单元则与尾鳍相连，所述的电磁摆动单元包括上导磁体、下导磁体、控制线圈、柔性脊椎和衔铁，所述的柔性脊椎呈中空状，内部嵌有控制电流的线圈，上、下导磁体分别固定在柔性脊椎上，衔铁固定在上、下导磁体的中间位置，衔铁的中间位置与柔性脊椎固定连接，衔铁两端套有控制线圈，衔铁两端分别与上、下导磁体的磁极形成四个工作气隙，通过电流控制衔铁的N、S磁极，产生对应的电磁力矩，通过产生的电磁力矩带动柔性脊椎发生弯曲，以驱动鱼体的摆动推进；根据柔性鱼体摆动推进装置所要求的推进姿态，将衔铁上的控制线圈通电，产生所需摆动的驱动激励，对各节推进装置的电磁摆动单元进行主动控制，通过控制各节衔铁上控制线圈通电电流的大小、方向、气隙大小和控制线圈匝数，控制发生柔性脊椎弯曲所对应的电磁力矩，即通过产生不同的内力来改变各级电磁摆动单元的刚度，在鱼体的游动过程中，根据所检测的游动速度等优化衔铁通电线圈的通电分配情况，使各级电磁摆动单元产生鱼体高效快速游动所需的连续鱼体波；柔性脊椎弹性变形所产生的反力矩与电磁力矩相平衡时，衔铁停止转动。...
【技术特征摘要】
1.一种电磁驱动的变刚度仿生摆动推进装置，包括支座、两节以上的电磁摆动单元和尾鳍，所有的鱼体外形均由鱼体蒙皮所密封，其特征在于:首节电磁摆动单元与鱼体头部相连，其它各级电磁摆动单元均与柔性脊椎相连接，最后一节单节电磁摆动单元则与尾鳍相连，所述的电磁摆动单元包括上导磁体、下导磁体、控制线圈、柔性脊椎和衔铁，所述的柔性脊椎呈中空状，内部嵌有控制电流的线圈，上、下导磁体分别固定在柔性脊椎上，衔铁固定在上、下导磁体的中间位置，衔铁的中间位置与柔性脊椎固定连接，衔铁两端套有控制线圈，衔铁两端分别与上、下导磁体的磁极形成四个工作气隙，通过电流控制衔铁的N、S磁极，产生...
【专利技术属性】
技术研发人员：崔祚，姜洪洲，何景峰，佟志忠，黄群，
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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