CN106364648B - 一种刚度可控的水下仿生推进装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刚度可控的水下仿生推进装置，该装置包括：仿生推进装置主体、变刚度关节、关节连接框架、仿生鱼尾鳍，其中：仿生推进装置主体是有两个或以上的变刚度***组成，每个变刚度***由变刚度关节和关节连接框架组成；一个***内的关节连接框架与前一个***的变刚度关节中部活动零件转动连接，用于仿生水下推进装置的摆动；变刚度关节通过改变磁感线圈电流大小来改变磁场强度，从而改变关节刚度。本发明能够使机器人在同一环境下进行不同任务时，调整自身刚度，达到各任务的最优推进性能；也可在复杂环境下改变自身刚度，提高对环境的适应能力；同时在一个行进周期内，可各自改变仿生推进装置的关节刚度，以提高推进性能，达到最佳的推进状态。
Description
技术领域
本发明属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种刚度可控的水下仿生推进装置，能够实时控制水下机器仿生推进装置刚度变化，从而提高推进性能的装置。
背景技术
机器人技术是集仿生学、机构学、材料学、控制技术、机电一体化技术、传感技术与人工智能技术于一体的现代科学技术，是国家工业发展水平以及科技实力的重要体现，特别在军事上有很强的应用性。仿生潜航器的研究更是具有机动性强、噪声低、隐藏于生物环境中不易辨识等优势，相比传统常规海战兵器更具经济性、突发性、欺骗性、隐蔽性和高生存率。仿生水下潜航器的仿生对象多种多样，其中以仿鱼机器人最为普遍。鱼类经过上亿年的进化，能够通过调节自身肌肉来改变自身刚度，从而处在复杂的水下环境以及不同的运动状态时，都能保证良好的运动特性。
仿生水下潜航器要能适应水下环境并有效完成任务，需要应对两个挑战：一是水下复杂多变的环境。水中环境流动比较复杂，对于河流来说，有固定水流方向，同时也有暗流和漩涡，对于湖泊来说会有风浪，而对于海水，还有较大的风浪和潮汐。因此仿生潜航器要有较高的推进速度和推进力来防止被困；二是多任务多作业的完成。潜航器需要在水下完成多种作业，不同作业对其性能提出不同要求。如水下巡检，需具有较高的推进效率，在有限的能源供给下完成大范围游动；又如水下侦查，既需具有较高机动性，能穿越各种障碍迅速到达所需侦查的目的地，又需较好的稳定性和隐蔽性以防暴露目标。
研究表明，仿生水下推进装置的刚度变化会影响到机器人的运动要求以及其推进性能。然而传统的仿生水下潜航器的刚度固定，当在水下进行单一作业时，无法根据实时变化的水下复杂环境改变自身刚度，以达到最优游动性能；而在单一水域环境完成不同运动状态传统仿生水下潜航器又会受到自身刚度不可变的影响，很难做到在各种运动状态下都达到最佳的游动性能；另外，对于传统的仿生水下推进装置来说，想要改变刚度一般是通过更换材料等方式，效率低下，且不能在一个摆动周期内改变刚度，对推进性能提高有限。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，使仿生推进装置能够在游动中的每个周期内通过改变刚度，调整仿生推进装置在摆动周期内水中对其推进方向同向和反向的作用力大小以及作用方式，有效提高其推进性能。本发明提出的一种刚度可控水下仿生推进装置能够在机器人运动的同时，在一个周期内，通过改变不同变刚度关节的刚度，模拟自然界中鱼的肌肉的收缩与舒张，使仿生推进装置在水中一个周期摆动时能呈现出不同的游动姿态，以使得在有益于正向推进力产生的周期达到最适刚度，而在不利于正向推进力产生的周期改变刚度使产生的阻力最小，从而提高了一个拍动周期的推进能力。本发明的各个变刚度关节的刚度变化可以是同步的也可以是独立的，可通过对各个关节进行不同刚度变化，提高仿生水下推进机构的推进性能。
本发明提出的一种刚度可控水下仿生推进装置，包括仿生推进装置主体，仿生推进装置主体包括一节或两节及以上变刚度***和仿生鱼尾鳍，所述仿生推进装置主体外部有防水蒙皮包裹；所述任意一节变刚度***由变刚度关节和关节连接框架连接而成，所述变刚度关节由铁芯，磁感线圈，磁流变弹性体(MRE)环，低碳钢片，永磁铁和铝质连接头组成，其中，磁感线圈围绕着铁芯，永磁铁中心穿过铁芯，并压紧州城外圈和转动零件，永磁铁提供一个恒定的磁场，使变刚度关节一开始就处在磁场环境中，当改变线圈磁场强度时，由永磁铁的磁场和线圈的磁场共同影响变刚度关节，从而可使变刚度关节的刚度实现正负方向的变化，或者不加永磁铁，则没有一开始的磁场环境，改变线圈磁场强度时，只能实现刚度的正向变化，磁流变弹性体(MRE)环和低碳钢片交错套在磁感线圈外，可通过调节电流大小来调节磁场，通过磁通量的变化来改变关节扭转刚度，变刚度关节的上下两端铝质连接头与关节连接框架一端相连接；关节连接框架另一端中部与另一变刚度关节中部相连接。
进一步的，所述仿生推进装置主体呈仿生鱼体形状。
进一步的，所述变刚度关节铝质连接头可根据仿生水下推进装置的要求不同，设计不同的连接方式，铝质连接头可与框架铰接上，也可与框架固定连接，也可被框架夹紧。
进一步的，所述变刚度关节为圆柱体、长方体或圆锥形状。
进一步的，所述仿生鱼尾鳍形状为长方形，新月形，梯形或扇形。
本发明的有益效果为：本发明刚度可控仿生推进装置在运动周期下通过刚度的变化提高其推进性能。在一个周期中，水给仿生推进装置的反作用力与机器人行进方向相同时，可将仿生推进装置的刚度变为最适值，即在此刚度下产生的推进力最大；而当水给仿生推进装置的反作用力与机器人行进方向相反时，可将仿生推进装置的刚度变为最小，即在此刚度下所产生的推进力最小，从而提高了仿生推进装置的推进性能。可以在推进时对不同关节改变不同刚度，增强了仿生推进装置对环境的适应性和对诸如巡游、转弯、加速等任务的快速实现能力，在不同环境和任务下都能达到最优推进性能。
附图说明
图1为本发明刚度可控水下仿生推进装置含两节及两节以上变刚度***的结构示意图，其中，1为变刚度关节，2为关节连接框架，3为仿生鱼鳍；
图2为本发明刚度可控水下仿生推进装置含一节变刚度***的结构示意图；
图3为根据本发明一实施例的变刚度关节的内部结构示意图，其中，4为铝质连接头，5为低碳钢端盖，6为低碳钢片，7为磁流变弹性体(MRE)环，8为永磁体，9为铁芯，10为磁感线圈，11为滚珠轴承，12为转动零件(低碳钢)，13为磁感应线；
图4为根据本发明一实施例的变刚度关节的结构示意图；
图5为根据本发明一实施例的变刚度关节的剖视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
以含两节及两节以上变刚度***的刚度可控水下仿生推进装置为例，图1为本发明刚度可控水下仿生推进装置含的结构示意图，如图1所示，所述刚度可控仿生推进装置是由仿生鱼尾鳍3和若干个变刚度***组成，每个变刚度***包括：变刚度关节1和关节连接框架2。其中：
所述变刚度***是有变刚度关节两端与关节连接架末端相连接，关节连接架的前端与另一组变刚度***的变刚度关节中部转动零件相连接。这样以来，两个或两个以上的变刚度***之间就能发生相对转动。仿生鱼尾鳍的前端与最后一组变刚度***的变刚度关节中部转动零件相连接。这样在摆动时各个***之间都会产生相对转动，从而实现仿生推进。
图2为所述一个变刚度***与仿生鱼尾鳍组成，原理与含两节及两节以上的变刚度***与仿生尾鳍组成的结构原理相同。
图3为变刚度关节的剖视图。变刚度关节由铝质连接头4、低碳钢端盖5、低碳钢片6、磁流变弹性体(MRE)环7、永磁铁(可以不要永磁铁换成有一定厚度的低碳钢片)8、铁芯9、磁感线圈10、滚珠轴承11和转动零件(低碳钢)12组成。其中，铝质连接头顶部与关节连接框架末端连接，底部与低碳钢端盖连接。变刚度关节两端的低碳钢端盖固定了铁芯的位置，铁芯中间套有滚珠轴承。滚珠轴承外侧与转动零件过盈配合。转动零件上下两侧与永磁铁(或厚低碳钢片)接触。在低碳钢端盖和永磁铁(或厚低碳钢片)中间，铁芯外侧缠绕多匝磁感线圈。在磁感线圈外侧，磁流变弹性体(MRE)环和低碳钢片交错放置。整个变刚度关节的外置部分全部粘接。磁感应线13方向可以为如图3所示方向，也可为相反方向。磁感应线方向与磁感线圈缠绕方向有关。
当仿生鱼尾鳍摆动时，关节连接框架会带动转动零件转动，转动零件会使整个变刚度关节发生扭转。在固定的环境、一定的摆动角度和频率下，变刚度关节扭转的角度是只与水的反作用力有关。通过改变磁感线圈电流大小来改变磁场强度，进一步改变磁流变弹性体的刚度，从而主动改变关节刚度，模拟鱼在游动时肌肉刚度的变化，从而能够找到最适与当前环境、频率和摆幅的刚度，提高仿生推进装置的推进性能。
当仿生推进装置在复杂的环境下进行作业时，可通过改变磁场强度来改变关节刚度，从而改变整个仿生推进装置在水中的游动特性，提高其环境适应能力和游动特性。而当仿生推进装置在进行诸如巡游、转弯或直线加速等任务时，可通过调节其刚度的变化来达到各个任务的最适刚度，以实现在巡游、转弯或直线加速时都能达到仿生推进装置的最优性能。
同时，所述变刚度水下仿生推进装置的每个变刚度***的刚度变化可以是一致的，也可以是各自独立的。因此，本变刚度水下仿生推进装置可在一个摆动周期内改变不同关节的刚度，使仿生推进装置在摆动时，在有助于推进力产生的周期达到各个关节的最适刚度，以提高推进力，而在产生反向力的周期调整刚度使反向力产生最小，从而减少阻力，进而提高了变刚度仿生推进装置的推进性能。
图4为所述变刚度关节的三维视图，图5为所述变刚度关节的三维剖视图。
总之，所述刚度可控水下仿生推进装置的工作原理是：改变磁场强度来改变各个关节的刚度，并进一步通过仿生推进装置的刚度变化来改变机器人的运动特性，从而增强了机器人的推进性能。
综上，本发明刚度可控水下仿生推进装置可以提高机器人在水下运动的长航时长航程能力，同时又具备高速、高机动推进的能力，并能在一个周期内通过不同关节刚度的变化提高每个周期的推进力，能够极大的改善推进性能。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种刚度可控的水下仿生推进装置，其特征在于：包括仿生推进装置主体，仿生推进装置主体包括一节或两节及以上变刚度***和仿生鱼尾鳍，所述仿生推进装置主体外部有防水蒙皮包裹；任意一节变刚度***由变刚度关节和关节连接框架连接而成，所述变刚度关节由铁芯，磁感线圈，磁流变弹性体(MRE)环，低碳钢片，永磁铁和铝质连接头组成，其中，磁感线圈围绕着铁芯，永磁铁中心穿过铁芯，并压紧轴承外圈和转动零件，永磁铁提供一个恒定的磁场，使变刚度关节一开始就处在磁场环境中，当改变线圈磁场强度时，由永磁铁的磁场和线圈的磁场共同影响变刚度关节，从而可使变刚度关节的刚度实现正负方向的变化，或者不加永磁铁，则没有一开始的磁场环境，改变线圈磁场强度时，只能实现刚度的正向变化，磁流变弹性体(MRE)环和低碳钢片交错套在磁感线圈外，可通过调节电流大小来调节磁场，通过磁通量的变化来改变关节扭转刚度，变刚度关节的上下两端铝质连接头与关节连接框架一端相连接；关节连接框架另一端中部与另一变刚度关节中部相连接。
2.根据权利要求1所述的一种刚度可控的水下仿生推进装置，其特征在于：所述仿生推进装置主体呈仿生鱼体形状。
3.根据权利要求1所述的一种刚度可控的水下仿生推进装置，其特征在于：所述变刚度关节铝质连接头可根据仿生水下推进装置的要求不同，设计不同的连接方式，铝质连接头可与框架铰接上，或与框架固定连接，或被框架夹紧。
4.根据权利要求1所述的一种刚度可控的水下仿生推进装置，其特征在于：所述变刚度关节为圆柱体、长方体或圆锥形状。
5.根据权利要求1所述的一种刚度可控的水下仿生推进装置，其特征在于：所述仿生鱼尾鳍形状为长方形，新月形，梯形或扇形。
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