CN103625625B - 基于液压人工肌肉的仿生尾鳍水下推进器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液压人工肌肉的仿生尾鳍水下推进器，包括两节以上的摆动装置、尾鳍以及液压控制单元，摆动装置包括T形支架和对称布置于T形支架上的两个人工肌肉，人工肌肉包括伸缩组件，伸缩组件具有弹性液压腔，伸缩组件上设有用来与弹性液压腔和液压控制单元相连的接头，伸缩组件通过弹性液压腔的充液和排液实现直线拉伸和收缩，所有摆动装置的T形支架依次首尾铰接相连，伸缩组件一端铰接于T形支架上，另一端与下一节摆动装置的T形支架铰接；在同一个运动周期内一个人工肌肉处于拉伸状态时，另一个人工肌肉处于收缩状态，尾鳍与最后一节摆动装置相连。本发明具有结构简单、成本低廉、效率高、易于建模和控制等优点。

Description

基于液压人工肌肉的仿生尾鳍水下推进器

技术领域

本发明主要涉及仿生水下推进器领域，特指一种基于液压人工肌肉的仿生尾鳍水下推进器。

背景技术

目前，国内外很多科研机构开展水下生物如金枪鱼、鲨鱼、海豚等推进运动的研究，并且研制出一些机器鱼、仿鱼机器人或仿生水下推进器等。大量试验表明模仿鱼类身体-尾鳍（BodyandCaudalFin，缩写为BCF）推进方式的水下推进器具有效率高、流体扰动小、机动性好等特性。但这些装置仍然存在一些缺陷，如装置中的每个关节采用电动机驱动，往复摆动由凸轮摆杆机构实现，自身能量损耗大、效率低、摆动频率低、动作僵硬无柔性等，很难走出实验室并在实际的工程实践中加以应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对现有技术存在的不足，提供一种结构简单、成本低廉、效率高、易于建模和控制的基于液压人工肌肉的仿生尾鳍水下推进器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于液压人工肌肉的仿生尾鳍水下推进器，包括两节以上的摆动装置、尾鳍以及液压控制单元，所述摆动装置包括T形支架和对称布置于T形支架上的两个人工肌肉，所述人工肌肉包括伸缩组件，所述伸缩组件具有可通过充液产生单向直线膨胀的弹性液压腔，所述伸缩组件上设有用来与弹性液压腔和液压控制单元相连的接头，所述伸缩组件通过弹性液压腔充液后的直线膨胀实现直线拉伸、并通过弹性液压腔排液后的自身弹性回复力实现直线收缩，所述伸缩组件沿伸缩方向的一端连接有第一关节连接件，另一端连接有第二关节连接件；所有摆动装置的T形支架依次首尾铰接相连，相邻T形支架之间可做相对转动，所述第一关节连接件铰接于T形支架上，所述第二关节连接件与下一节摆动装置的T形支架铰接；在同一个运动周期内，同一个摆动装置上的一个人工肌肉处于拉伸状态时，另一个人工肌肉处于收缩状态，所述尾鳍与最后一节摆动装置相连。

作为本发明的进一步改进：

所述伸缩组件包括第一基座组、第二基座组以及可轴向伸缩的外胶管和内胶管，所述外胶管和内胶管均连接于第一基座组与第二基座组之间，所述内胶管位于外胶管之内，且内胶管与外胶管之间留有间隙，所述内胶管、外胶管、第一基座组和第二基座组之间形成所述弹性液压腔。

所述第一关节连接件为内连杆，所述第二关节连接件为外连杆，所述内连杆的一端与第二基座组固定连接，另一端从第一基座组中部开设的中心孔穿出；所述外连杆的一端与第一基座组固定连接，另一端从第二基座组上开设的槽穿出；所述外连杆内部中空，所述内连杆套设于外连杆内并可相对外连杆滑动，所述外连杆套设于内胶管内以限制内胶管的径向膨胀变形。

所述外连杆从第二基座组穿过的一端侧壁沿轴向开设有供内连杆与第二基座组连接的避让槽。

所述伸缩组件还包括连接于第一基座组或第二基座组上的外罩管，所述外罩管罩设于外胶管之外以限制外胶管的径向膨胀变形。

所述第一基座组和第二基座组均包括内基座和固定套接于内基座外的外基座，所述内胶管通过套接于内基座上的内卡环固定于内基座上，所述外胶管通过套接于外基座上的外卡环固定于外基座上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：1）本发明的基于液压人工肌肉的仿生尾鳍水下推进器，根据仿鱼身体和肌肉分布的生物学特点，设计了多关节的摆动装置及人工肌肉，依靠液压控制实现模拟尾鳍的往复摆动，具有效率高、控制简单等优点；（2）本发明的结构设计简单，重量较轻，能够实现柔性的模拟鱼类的游动行为，而且摆动频率高、负载能力大；（3）本发明有效地解决了电机结构的密封问题，充分利用水下环境中的水资源作为动力液体，易于工程应用；（4）本发明的人工肌肉结构简单、成本低廉，通过弹性液压腔的充液单向直线膨胀和排液收缩实现伸缩组件的单向直线伸缩，从而驱动人工肌肉伸缩，不会产生弯曲变形，自由度少，便于控制，而且弹性液压腔的体积变形容易设计和计算，肌肉的伸缩控制方法更为简单。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明中人工肌肉的立体结构示意图。

图3为本发明中人工肌肉的主视剖视结构示意图。

图4为图3中去掉内连杆和外连杆的结构示意图。

图5为图4中A向结构示意图。

图6为内连杆和外连杆的装配结构示意图。

图例说明：1、尾鳍；2、T形支架；21、横梁；22、纵梁；3、人工肌肉；301、弹性液压腔；302、接头；303、内连杆；304、外连杆；305、第一基座组；306、第二基座组；307、外胶管；308、内胶管；309、中心孔；310、槽；311、连接头；312、避让槽；313、外罩管；314、内基座；315、外基座；316、内卡环；317、外卡环。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的基于液压人工肌肉的仿生尾鳍水下推进器，包括两节以上的摆动装置、尾鳍1以及液压控制单元（图中未示出），摆动装置包括T形支架2和对称布置于T形支架2上的两个人工肌肉3。参见图2、图3，每个人工肌肉3包括伸缩组件，伸缩组件具有可通过充液产生单向直线膨胀的弹性液压腔301，伸缩组件上设有用来与弹性液压腔301和液压控制单元相连的接头302。工作时，将接头302与外部的液压控制单元相连，通过液压控制单元的控制实现弹性液压腔301的充液和排液。弹性液压腔301充液后发生直线膨胀，使伸缩组件直线拉伸；弹性液压腔301排液后通过自身的弹性回复力直线收缩，使伸缩组件直线收缩。伸缩组件沿伸缩方向的一端连接有第一关节连接件，另一端连接有第二关节连接件。所有摆动装置的T形支架2依次首尾铰接相连，相邻T形支架2之间可做相对转动。第一关节连接件铰接于T形支架2上，第二关节连接件与下一节摆动装置的T形支架2铰接。在同一个运动周期内，同一个摆动装置上的一个人工肌肉3处于拉伸状态时，另一个人工肌肉3处于收缩状态，尾鳍1与最后一节摆动装置相连。通过T形支架2两侧人工肌肉3的交替伸缩，使所有的摆动装置左右来回摆动，带动尾鳍1往复拍水，产生向前的推进力。

液压控制单元可以采用电磁阀调节的形式，其包括液压源和电磁控制阀，液压源通过电磁控制阀以及液压管路后与液压油缸上的油嘴接头相连，即可由2n个双向电磁阀组成分配回路，每两个为一组控制一个摆动关节，每组之间按照一定的时序进行控制，驱动所有关节按照一定的相位顺序进行摆动。在本实施例中，液压控制单元为液压源和单通道旋转式流体分配阀，单通道旋转式流体分配阀包括伺服电机和阀体，伺服电机的输出端与阀体内的旋转阀芯相连，阀体通过管道与液压源相连，并通过管道与伸缩组件上的接头302相连。

本实施例中，摆动装置为3节，每节摆动装置的结构均相同，以第二节摆动装置为例，它包括T形支架2和两个人工肌肉3，T形支架2由纵梁22和横梁21组成，纵梁22的端部与下一节T形支架2的横梁21中部铰接，横梁21的中部与上一节T形支架2的纵梁22端部铰接，两个人工肌肉3分别位于纵梁22的两侧，并分别铰接于横梁21的两端。

本实施例中，伸缩组件包括第一基座组305、第二基座组306以及可轴向伸缩的外胶管307和内胶管308，第一基座组305和第二基座组306分别位于伸缩组件的两端，外胶管307和内胶管308均连接于第一基座组305与第二基座组306之间。内胶管308位于外胶管307之内并与外胶管307同轴设置，内胶管308与外胶管307之间留有间隙，使内胶管308、外胶管307、第一基座组305和第二基座组306之间形成弹性液压腔301。向弹性液压腔301内充液时，外胶管307和内胶管308在液压作用下轴向拉伸，使弹性液压腔301直线膨胀，伸缩组件也随之直线拉伸；弹性液压腔301排液时，外胶管307和内胶管308在自身的弹性回复力作用下轴向收缩，使弹性液压腔301直线收缩，伸缩组件也随之直线收缩。弹性液压腔301由外胶管307和内胶管308构成，弹性良好、形变量大，可保证伸缩组件伸缩动作的灵活性和可靠性。

参见图3至图6，本实施例中，第一关节连接件为内连杆303，第二关节连接件为外连杆304，内连杆303的一端与第二基座组306固定连接，另一端从第一基座组305中部开设的中心孔309穿出；外连杆304的一端与第一基座组305固定连接，另一端从第二基座组306上开设的槽310穿出，并连接一连接头311。参见图5，槽310为弧形槽。外连杆304内部中空，内连杆303套设于外连杆304内并可相对外连杆304滑动，外连杆304套设于内胶管308内以限制内胶管308的径向膨胀变形，保证内胶管308的单向轴向伸缩。

参见图6，本实施中，外连杆304从第二基座组306穿过的一端侧壁沿轴向开设有供内连杆303与第二基座组306连接的避让槽312。

本实施例中，伸缩组件还包括连接于第一基座组305上的外罩管313，外罩管313罩设于外胶管307之外以限制外胶管307的径向膨胀变形，保证外胶管307的单向轴向伸缩。当然，在其他实施例中，外罩管313也可连接于第二基座组306上。

本实施例中，第一基座组305和第二基座组306均包括内基座314和固定套接于内基座314外的外基座315，内胶管308通过套接于内基座314上的内卡环316固定于内基座314上，外胶管307通过套接于外基座315上的外卡环317固定于外基座315上。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于液压人工肌肉的仿生尾鳍水下推进器，其特征在于：包括两节以上的摆动装置、尾鳍（1）以及液压控制单元，所述摆动装置包括T形支架（2）和对称布置于T形支架（2）上的两个人工肌肉（3），所述人工肌肉（3）包括伸缩组件，所述伸缩组件具有可通过充液产生单向直线膨胀的弹性液压腔（301），所述伸缩组件上设有用来与弹性液压腔（301）和液压控制单元相连的接头（302），所述伸缩组件通过弹性液压腔（301）充液后的直线膨胀实现直线拉伸、并通过弹性液压腔（301）排液后的自身弹性回复力实现直线收缩，所述伸缩组件沿伸缩方向的一端连接有第一关节连接件，另一端连接有第二关节连接件；所有摆动装置的T形支架（2）依次首尾铰接相连，相邻T形支架（2）之间可做相对转动，所述第一关节连接件铰接于T形支架（2）上，所述第二关节连接件与下一节摆动装置的T形支架（2）铰接；在同一个运动周期内，同一个摆动装置上的一个人工肌肉（3）处于拉伸状态时，另一个人工肌肉（3）处于收缩状态，所述尾鳍（1）与最后一节摆动装置相连；所述伸缩组件包括第一基座组（305）、第二基座组（306）以及可轴向伸缩的外胶管（307）和内胶管（308），所述外胶管（307）和内胶管（308）均连接于第一基座组（305）与第二基座组（306）之间，所述内胶管（308）位于外胶管（307）之内，且内胶管（308）与外胶管（307）之间留有间隙，所述内胶管（308）、外胶管（307）、第一基座组（305）和第二基座组（306）之间形成所述弹性液压腔（301）。

2.根据权利要求1所述的基于液压人工肌肉的仿生尾鳍水下推进器，其特征在于：所述第一关节连接件为内连杆（303），所述第二关节连接件为外连杆（304），所述内连杆（303）的一端与第二基座组（306）固定连接，另一端从第一基座组（305）中部开设的中心孔（309）穿出；所述外连杆（304）的一端与第一基座组（305）固定连接，另一端从第二基座组（306）上开设的槽（310）穿出；所述外连杆（304）内部中空，所述内连杆（303）套设于外连杆（304）内并可相对外连杆（304）滑动，所述外连杆（304）套设于内胶管（308）内以限制内胶管（308）的径向膨胀变形。

3.根据权利要求2所述的基于液压人工肌肉的仿生尾鳍水下推进器，其特征在于：所述外连杆（304）从第二基座组（306）穿过的一端侧壁沿轴向开设有供内连杆（303）与第二基座组（306）连接的避让槽（312）。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于液压人工肌肉的仿生尾鳍水下推进器，其特征在于：所述伸缩组件还包括连接于第一基座组（305）或第二基座组（306）上的外罩管（313），所述外罩管（313）罩设于外胶管（307）之外以限制外胶管（307）的径向膨胀变形。

5.根据权利要求1或2或3所述的基于液压人工肌肉的仿生尾鳍水下推进器，其特征在于：所述第一基座组（305）和第二基座组（306）均包括内基座（314）和固定套接于内基座（314）外的外基座（315），所述内胶管（308）通过套接于内基座（314）上的内卡环（316）固定于内基座（314）上，所述外胶管（307）通过套接于外基座（315）上的外卡环（317）固定于外基座（315）上。