CN107839863A - 一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构。本发明主要包括躯干、尾部两大部分，在仿生鱼的尾部用柔性机构代替多刚体串联机构，该柔性机构由若干柔性连杆组成，利用铰链链接，利用两根带有直线驱动的驱动装置进行驱动，直线驱动装置运动时，利用柔性杆的变形，使整个机构呈现鱼尾的摆动运动。而柔性杆的双层结构与两部驱动装置能够实现鱼尾末梢与鱼尾整体相反的运动趋势，这样能够实现原有结构的功能，并且更加柔顺，起到了仿生的效果。该发明减少了机构与电路的复杂程度，同时能更好地模仿鱼的运动，增强了运动的灵活性与柔顺性。

Description

一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体地说是涉及一种仿生机器鱼的鱼尾摆动机构，可用于鱼尾摆动实验研究，可推广于小型水下设备或小型无人水下探测器。
背景技术
近年来，仿生机器人应用范围不断扩大，对仿生机器人的研究也越来越多，对于仿生鱼类的机器人数量也逐渐增加。鱼在游动的过程中需要通过尾部的摆动获取向前的速度，而尾部的摆动需要多个尾骨关节的配合，并不是仅依靠尾部的单独摆动，鱼尾末梢应与鱼尾整体的运动方向始终相反，因此应将尾部看作是多刚体***的串联而非单独一个刚体，在传统仿生鱼类的尾部结构中，需要在尾部每一处关节连接处设置一个驱动器。常用的仿鱼尾结构利用偏心轮或曲柄滑块机构模拟鱼尾的摆动，但仅能实现一自由度的摆动，不能真实模拟鱼类游动。若利用多节刚体的尾部结构，则使机器鱼外形与摆动存在不平滑的问题，为了实现连续的尾部变形，需要增加关节数量，而关节之间需要放置电机，尾部无法做到很薄。因此现有的仿生鱼尾在自由度少时无法真实模拟鱼类运动，在自由度多时不易控制。
因此为了更好更逼真地模仿鱼的柔性游动姿态，需要发明一种模仿鱼尾协调摆动的机器鱼，在前人所作中，中国专利(申请号01219339)由软质连接体相互密封连接骨架，骨架间由舵机操纵、连接；北京航空航天大学机器人所研制的仿鳗鲡波动推动的机器鱼，依靠身体的波动实现行进；中国专利(CN1256259C)利用驱动电机带动钢丝分别带动鱼尾与尾鳍，实现鱼尾的协调运动；中国专利(CN102963515B)使用线驱动拉动柔性骨架，可实现整个尾部较大程度的来回弯折；中国专利(CN104015904B)利用压电陶瓷制作人工肌肉，通过两侧的放松与拉紧实现鱼尾的摆动。而上述发明在实现鱼类仿生摆动的同时仍存在机构较复杂、运动仍不够平滑等问题，对现有专利技术的检索尚未发现能完全克服上述问题的摆动装置。
发明内容
本发明设计了一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构，能够利用柔性机构的的突出优势，将驱动装置完全置于仿生鱼的体内，减少了设计装配的复杂程度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在仿生鱼的尾部用柔性机构代替多刚体串联机构，该柔性机构由柔性材质的外缘骨架、内缘骨架，以及刚性的尾部整体连接件、尾部末梢连接件组成，利用铰链链接。在尾部设有与躯干相连的刚性连杆，其中两根带有直线驱动的驱动装置，一根固连于躯干上，直线驱动装置运动时，利用柔性杆的变形，使整个机构呈现鱼尾的摆动运动。而柔性杆的双层结构与两部驱动装置能够实现鱼尾末梢与鱼尾整体相反的运动趋势，这样能够实现原有结构的功能，并且更加柔顺，起到了仿生的效果。
本发明设计的有益效果是，提出了一种新型的基于柔性机构的仿生鱼尾部摆动驱动装置，将驱动装置完全置于仿生鱼的体内，避免了驱动装置在尾部较为紧促位置的安装，降低了鱼尾的厚度的同时减少了机构与电路的复杂程度，同时能更好地模仿鱼的运动，增强了运动的灵活性与柔顺性。
附图说明
图1是本发明一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构的整体外形图。
图2是本发明一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构的尾部去掉蒙皮后的骨架图。
图3是本发明一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构的尾部骨架图的俯视图以及驱动方式。
图4是本发明一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构的尾部整体向上摆动时尾部骨架的结构简图。
图5是本发明一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构的尾部整体向上摆动时的整体外形图。
图6是本发明一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构的尾部整体向上摆动并尾部末梢向下摆动时尾部骨架的结构简图。
图7是本发明一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构的尾部整体向上摆动并尾部末梢向下摆动时的整体外形图。
图8是本发明一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构的整体向下摆动时尾部骨架的结构简图。
图9是本发明一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构的整体向下摆动时的整体外形图。
图10是本发明一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构的整体向下摆动并尾部末梢向上摆动时尾部骨架的结构简图。
图11是本发明一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构的整体向下摆动并尾部末梢向上摆动时的整体外形图。
其中，各附图标记含义如下：
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种基于柔性机构的仿生鱼尾部摆动驱动装置，以下将利用仿生鱼尾部的不同方向的摆动的结构简图进行详细介绍。
如图1所示，该仿生鱼由躯干部分1与尾部部分2组成，而躯干部分1与尾部部分2由蒙皮固连。
如图2所示，该仿生鱼的尾部部分2由尾部骨架结构2A，尾部蒙皮2B组成，而尾部摆动的关键部分为尾部骨架结构2A。
如图3所示，该仿生鱼的尾部骨架结构2A由若干柔性连杆、铰链以及驱动装置与固定装置组成。尾部整体驱动装置1-1与尾部末梢驱动装置1-3分别与尾部外缘骨架2A-9固连；固定件1-2与尾部整体内缘骨架2A-4相固连；尾部整体连接件1(2A-1)、尾部整体连接件2(2A-2)、尾部整体连接件3(2A-3)的上端通过铰链与尾部外缘骨架2A-9相连，下端通过铰链与尾部整体内缘骨架2A-4相连，铰链均可灵活转动；尾部末梢连接件1(2A-5)、尾部末梢连接件2(2A-6)、尾部末梢连接件3(2A-7)、尾部末梢连接件4(2A-8)均为等长，它们的上端通过铰链与尾部整体内缘骨架2A-4相连，下端通过铰链与尾部外缘骨架2A-9相连铰链均可灵活转动。
如图4所示，该发明一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构的尾部需整体向上摆动时，尾部整体驱动装置1-1向左移动，同时尾部末梢驱动装置1-3固定不动，带动柔性连杆尾部外缘骨架2A-9向上翘曲，若尾部末梢驱动装置1-3向右移动，则能增加整个骨架结构的翘曲程度。
如图5所示，当该发明一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构的尾部骨架结构向上翘曲时，仿生鱼尾部向上摆动。
如图6所示，当该发明一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构的尾部需整体向上摆动但尾部末梢需向下摆动时，尾部整体驱动装置1-1向左移动，带动柔性连杆尾部外缘骨架2A-9向上翘曲，同时尾部末梢驱动装置1-3也向左移动，拉动柔性连杆尾部外缘骨架2A-9的右端尖端向下翘曲，同时尾部末梢连接件1(2A-5)、尾部末梢连接件2(2A-6)、尾部末梢连接件3(2A-7)、尾部末梢连接件4(2A-8)为尾部外缘骨架2A-9的双向翘曲提供稳定架构。
如图7所示，当该发明一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构的尾部骨架结构向上翘曲同时尾部末梢向下翘曲时，仿生鱼尾部向上同时末梢向下摆动，符合真实鱼类游动时的姿态。
如图8所示，该发明一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构的尾部需整体向下摆动时，尾部整体驱动装置1-1向右移动，同时尾部末梢驱动装置1-3固定不动，带动柔性连杆尾部外缘骨架2A-9向上翘曲，若尾部末梢驱动装置1-3向左移动，则能增加整个骨架结构的翘曲程度。
如图9所示，当该发明一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构的尾部骨架结构向下翘曲时，实际中，仿生鱼尾部向下摆动。
如图10所示，当该发明一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构的尾部需整体向下摆动但尾部末梢需向上摆动时，尾部整体驱动装置1-1向右移动，带动柔性连杆尾部外缘骨架2A-9向下翘曲，同时尾部末梢驱动装置1-3也向右移动，拉动柔性连杆尾部外缘骨架2A-9的右端尖端向上翘曲。
如图11所示，当该发明一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构的尾部骨架结构向下翘曲同时尾部末梢向上翘曲时，实际中，仿生鱼尾部向下同时末梢向上摆动，符合真实鱼类游动时的姿态。
该仿生鱼的工作过程如下：
先给驱动装置1-1与1-3供电，随后驱动装置1-1与1-3进行往复运动，驱动装置1-1与1-3之间相位相差四分之一个周期，使仿生鱼尾部来回摆动同时尾部末梢的运动方向与尾部整体始终相反，如图7与图11的姿态循环往复运动，在提供仿生鱼的推动力的同时符合真实鱼类的游动姿态。

Claims (3)

1.一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构，由躯干和尾部构成，其特征在于：该柔性机构由柔性材质的外缘骨架、内缘骨架，以及刚性的尾部整体连接件、尾部末梢连接件组成，利用铰链链接。尾部整体驱动装置1-1与尾部末梢驱动装置1-3分别与尾部外缘骨架2A-9固连；固定件1-2与尾部整体内缘骨架2A-4相固连；尾部整体连接件1(2A-1)、尾部整体连接件2(2A-2)、尾部整体连接件3(2A-3)的上端通过铰链与尾部外缘骨架2A-9相连，下端通过铰链与尾部整体内缘骨架2A-4相连，铰链均可灵活转动；尾部末梢连接件1(2A-5)、尾部末梢连接件2(2A-6)、尾部末梢连接件3(2A-7)、尾部末梢连接件4(2A-8)均为等长，它们的上端通过铰链与尾部整体内缘骨架2A-4相连，下端通过铰链与尾部外缘骨架2A-9相连铰链均可灵活转动。
2.根据权利要求1所述的柔性的尾部连杆平行分布，同时在内缘骨架与外缘骨架组成的三角形结构外侧增加尾部末梢并通过外缘骨架与尾部末梢的连杆进行控制，驱动装置与外缘骨架相固连。该仿生鱼尾部摆动驱动装置的特征在于利用三角形柔性结构变形实现摆动，柔性结构易于融入仿生鱼的设计中，实现外形的连续变形。
3.根据权利要求2所述的驱动装置的驱动方式为两个直线驱动装置分别前后来回往复运动，驱动装置的运动相位相差四分之一个周期，使仿生鱼尾部进行2自由度的摆动。
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