一種剛度可控的水下仿生推進(jìn)裝置制造方法及圖紙

本實(shí)用新型專利技術(shù)公開了一種剛度可控的水下仿生推進(jìn)裝置，該裝置包括：仿生推進(jìn)裝置主體、變剛度關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)連接框架、仿生魚尾鰭，其中：仿生推進(jìn)裝置主體是有兩個(gè)或以上的變剛度系統(tǒng)組成，每個(gè)變剛度系統(tǒng)由變剛度關(guān)節(jié)和關(guān)節(jié)連接框架組成；一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)節(jié)連接框架與前一個(gè)系統(tǒng)的變剛度關(guān)節(jié)中部活動零件轉(zhuǎn)動連接，用于仿生水下推進(jìn)裝置的擺動；變剛度關(guān)節(jié)通過改變磁感線圈電流大小來改變磁場強(qiáng)度，從而改變關(guān)節(jié)剛度。本實(shí)用新型專利技術(shù)能夠使機(jī)器人在同一環(huán)境下進(jìn)行不同任務(wù)時(shí)，調(diào)整自身剛度，達(dá)到各任務(wù)的最優(yōu)推進(jìn)性能；也可在復(fù)雜環(huán)境下改變自身剛度，提高對環(huán)境的適應(yīng)能力；同時(shí)在一個(gè)行進(jìn)周期內(nèi)，可各自改變仿生推進(jìn)裝置的關(guān)節(jié)剛度，以提高推進(jìn)性能，達(dá)到最佳的推進(jìn)狀態(tài)。

Underwater Bionic propulsion device with controllable rigidity

The utility model discloses a controllable stiffness of Underwater Bionic propulsion device, the device comprises: a bionic propulsion device main body, variable stiffness, joint articulated frame, bionic tail fin, including: bionic propulsion unit main body is two or more variable stiffness system, each variable stiffness system by variable stiffness of joints and joints connecting frame; a system within the joint framework and a system of variable stiffness joint central parts rotating connection, for bionic underwater propulsion device swing; variable stiffness and joint strength of the magnetic field by changing the magnetic induction coil current, thereby changing the joint stiffness. The utility model can make the robot for different tasks in the same environment, adjust its stiffness, optimal propulsion performance of each task; also can change the stiffness in a complex environment, improve the ability to adapt to the environment; at the same time in a running cycle, can change their bionic propulsion device joint stiffness in order to improve the propulsion performance, and to promote the best state.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)屬于仿生機(jī)器人
，具體涉及一種剛度可控的水下仿生推進(jìn)裝置，能夠?qū)崟r(shí)控制水下機(jī)器仿生推進(jìn)裝置剛度變化，從而提高推進(jìn)性能的裝置。
技術(shù)介紹
機(jī)器人技術(shù)是集仿生學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、材料學(xué)、控制技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、傳感技術(shù)與人工智能技術(shù)于一體的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，是國家工業(yè)發(fā)展水平以及科技實(shí)力的重要體現(xiàn)，特別在軍事上有很強(qiáng)的應(yīng)用性。仿生潛航器的研究更是具有機(jī)動性強(qiáng)、噪聲低、隱藏于生物環(huán)境中不易辨識等優(yōu)勢，相比傳統(tǒng)常規(guī)海戰(zhàn)兵器更具經(jīng)濟(jì)性、突發(fā)性、欺騙性、隱蔽性和高生存率。仿生水下潛航器的仿生對象多種多樣，其中以仿魚機(jī)器人最為普遍。魚類經(jīng)過上億年的進(jìn)化，能夠通過調(diào)節(jié)自身肌肉來改變自身剛度，從而處在復(fù)雜的水下環(huán)境以及不同的運(yùn)動狀態(tài)時(shí)，都能保證良好的運(yùn)動特性。仿生水下潛航器要能適應(yīng)水下環(huán)境并有效完成任務(wù)，需要應(yīng)對兩個(gè)挑戰(zhàn)：一是水下復(fù)雜多變的環(huán)境。水中環(huán)境流動比較復(fù)雜，對于河流來說，有固定水流方向，同時(shí)也有暗流和漩渦，對于湖泊來說會有風(fēng)浪，而對于海水，還有較大的風(fēng)浪和潮汐。因此仿生潛航器要有較高的推進(jìn)速度和推進(jìn)力來防止被困；二是多任務(wù)多作業(yè)的完成。潛航器需要在水下完成多種作業(yè)，不同作業(yè)對其性能提出不同要求。如水下巡檢，需具有較高的推進(jìn)效率，在有限的能源供給下完成大范圍游動；又如水下偵查，既需具有較高機(jī)動性，能穿越各種障礙迅速到達(dá)所需偵查的目的地，又需較好的穩(wěn)定性和隱蔽性以防暴露目標(biāo)。研究表明，仿生水下推進(jìn)裝置的剛度變化會影響到機(jī)器人的運(yùn)動要求以及其推進(jìn)性能。然而傳統(tǒng)的仿生水下潛航器的剛度固定，當(dāng)在水下進(jìn)行單一作業(yè)時(shí)，無法根據(jù)實(shí)時(shí)變化的水下復(fù)雜環(huán)境改變自身剛度，以達(dá)到最優(yōu)游動性能；而在單一水域環(huán)境完成不同運(yùn)動狀態(tài)傳統(tǒng)仿生水下潛航器又會受到自身剛度不可變的影響，很難做到在各種運(yùn)動狀態(tài)下都達(dá)到最佳的游動性能；另外，對于傳統(tǒng)的仿生水下推進(jìn)裝置來說，想要改變剛度一般是通過更換材料等方式，效率低下，且不能在一個(gè)擺動周期內(nèi)改變剛度，對推進(jìn)性能提高有限。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本技術(shù)的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，使仿生推進(jìn)裝置能夠在游動中的每個(gè)周期內(nèi)通過改變剛度，調(diào)整仿生推進(jìn)裝置在擺動周期內(nèi)水中對其推進(jìn)方向同向和反向的作用力大小以及作用方式，有效提高其推進(jìn)性能。本技術(shù)提出的一種剛度可控的水下仿生推進(jìn)裝置，能夠在機(jī)器人運(yùn)動的同時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)，通過改變不同變剛度關(guān)節(jié)的剛度，模擬自然界中魚的肌肉的收縮與舒張，使仿生推進(jìn)裝置在水中一個(gè)周期擺動時(shí)能呈現(xiàn)出不同的游動姿態(tài)，以使得在有益于正向推進(jìn)力產(chǎn)生的周期達(dá)到最適剛度，而在不利于正向推進(jìn)力產(chǎn)生的周期改變剛度使產(chǎn)生的阻力最小，從而提高了一個(gè)拍動周期的推進(jìn)能力。本技術(shù)的各個(gè)變剛度關(guān)節(jié)的剛度變化可以是同步的也可以是獨(dú)立的，可通過對各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行不同剛度變化，提高仿生水下推進(jìn)機(jī)構(gòu)的推進(jìn)性能。本技術(shù)提出的一種剛度可控的水下仿生推進(jìn)裝置，包括仿生推進(jìn)裝置主體，仿生推進(jìn)裝置主體包括一節(jié)或兩節(jié)及以上變剛度系統(tǒng)和仿生魚尾鰭，所述仿生推進(jìn)裝置主體外部有防水蒙皮包裹；所述任意一節(jié)變剛度系統(tǒng)由變剛度關(guān)節(jié)和關(guān)節(jié)連接框架連接而成，所述變剛度關(guān)節(jié)由鐵芯，磁感線圈，磁流變彈性體(MRE)環(huán)，低碳鋼片，永磁鐵和鋁質(zhì)連接頭組成，其中，磁感線圈圍繞著鐵芯，永磁鐵中心穿過鐵芯，并壓緊州城外圈和轉(zhuǎn)動零件，永磁鐵提供一個(gè)恒定的磁場，使變剛度關(guān)節(jié)一開始就處在磁場環(huán)境中，當(dāng)改變線圈磁場強(qiáng)度時(shí)，由永磁鐵的磁場和線圈的磁場共同影響變剛度關(guān)節(jié)，從而可使變剛度關(guān)節(jié)的剛度實(shí)現(xiàn)正負(fù)方向的變化，或者不加永磁鐵，則沒有一開始的磁場環(huán)境，改變線圈磁場強(qiáng)度時(shí)，只能實(shí)現(xiàn)剛度的正向變化，磁流變彈性體(MRE)環(huán)和低碳鋼片交錯套在磁感線圈外，可通過調(diào)節(jié)電流大小來調(diào)節(jié)磁場，通過磁通量的變化來改變關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)剛度，變剛度關(guān)節(jié)的上下兩端鋁質(zhì)連接頭與關(guān)節(jié)連接框架一端相連接；關(guān)節(jié)連接框架另一端中部與另一變剛度關(guān)節(jié)中部相連接。進(jìn)一步的，所述仿生推進(jìn)裝置主體呈仿生魚體形狀。進(jìn)一步的，所述變剛度關(guān)節(jié)鋁質(zhì)連接頭可根據(jù)仿生水下推進(jìn)裝置的要求不同，設(shè)計(jì)不同的連接方式，鋁質(zhì)連接頭可與框架鉸接上，也可與框架固定連接，也可被框架夾緊。進(jìn)一步的，所述變剛度關(guān)節(jié)為圓柱體、長方體或圓錐形狀。進(jìn)一步的，所述仿生魚尾鰭形狀為長方形，新月形，梯形或扇形。本技術(shù)的有益效果為：本技術(shù)剛度可控仿生推進(jìn)裝置在運(yùn)動周期下通過剛度的變化提高其推進(jìn)性能。在一個(gè)周期中，水給仿生推進(jìn)裝置的反作用力與機(jī)器人行進(jìn)方向相同時(shí)，可將仿生推進(jìn)裝置的剛度變?yōu)樽钸m值，即在此剛度下產(chǎn)生的推進(jìn)力最大；而當(dāng)水給仿生推進(jìn)裝置的反作用力與機(jī)器人行進(jìn)方向相反時(shí)，可將仿生推進(jìn)裝置的剛度變?yōu)樽钚?，即在此剛度下所產(chǎn)生的推進(jìn)力最小，從而提高了仿生推進(jìn)裝置的推進(jìn)性能?？梢栽谕七M(jìn)時(shí)對不同關(guān)節(jié)改變不同剛度，增強(qiáng)了仿生推進(jìn)裝置對環(huán)境的適應(yīng)性和對諸如巡游、轉(zhuǎn)彎、加速等任務(wù)的快速實(shí)現(xiàn)能力，在不同環(huán)境和任務(wù)下都能達(dá)到最優(yōu)推進(jìn)性能。附圖說明圖1為本技術(shù)剛度可控水下仿生推進(jìn)裝置含兩節(jié)及兩節(jié)以上變剛度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1為變剛度關(guān)節(jié)，2為關(guān)節(jié)連接框架，3為仿生魚鰭；圖2為本技術(shù)剛度可控水下仿生推進(jìn)裝置含一節(jié)變剛度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為根據(jù)本技術(shù)一實(shí)施例的變剛度關(guān)節(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，其中，4為鋁質(zhì)連接頭，5為低碳鋼端蓋，6為低碳鋼片，7為磁流變彈性體(MRE)環(huán)，8為永磁體，9為鐵芯，10為磁感線圈，11為滾珠軸承，12為轉(zhuǎn)動零件(低碳鋼)，13為磁感應(yīng)線；圖4為根據(jù)本技術(shù)一實(shí)施例的變剛度關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為根據(jù)本技術(shù)一實(shí)施例的變剛度關(guān)節(jié)的剖視圖。具體實(shí)施方式為使本技術(shù)的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本技術(shù)進(jìn)一步詳細(xì)說明。以含兩節(jié)及兩節(jié)以上變剛度系統(tǒng)的剛度可控水下仿生推進(jìn)裝置為例，圖1為本技術(shù)剛度可控水下仿生推進(jìn)裝置含的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，所述剛度可控仿生推進(jìn)裝置是由仿生魚尾鰭3和若干個(gè)變剛度系統(tǒng)組成，每個(gè)變剛度系統(tǒng)包括：變剛度關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)連接框架2。其中：所述變剛度系統(tǒng)是有變剛度關(guān)節(jié)兩端與關(guān)節(jié)連接架末端相連接，關(guān)節(jié)連接架的前端與另一組變剛度系統(tǒng)的變剛度關(guān)節(jié)中部轉(zhuǎn)動零件相連接。這樣以來，兩個(gè)或兩個(gè)以上的變剛度系統(tǒng)之間就能發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。仿生魚尾鰭的前端與最后一組變剛度系統(tǒng)的變剛度關(guān)節(jié)中部轉(zhuǎn)動零件相連接。這樣在擺動時(shí)各個(gè)系統(tǒng)之間都會產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)仿生推進(jìn)。圖2為所述一個(gè)變剛度系統(tǒng)與仿生魚尾鰭組成，原理與含兩節(jié)及兩節(jié)以上的變剛度系統(tǒng)與仿生尾鰭組成的結(jié)構(gòu)原理相同。圖3為變剛度關(guān)節(jié)的剖視圖。變剛度關(guān)節(jié)由鋁質(zhì)連接頭4、低碳鋼端蓋5、低碳鋼片6、磁流變彈性體(MRE)環(huán)7、永磁鐵(可以不要永磁鐵換成有一定厚度的低碳鋼片)8、鐵芯9、磁感線圈10、滾珠軸承11和轉(zhuǎn)動零件(低碳鋼)12組成。其中，鋁質(zhì)連接頭頂部與關(guān)節(jié)連接框架末端連接，底部與低碳鋼端蓋連接。變剛度關(guān)節(jié)兩端的低碳鋼端蓋固定了鐵芯的位置，鐵芯中間套有滾珠軸承。滾珠軸承外側(cè)與轉(zhuǎn)動零件過盈配合。轉(zhuǎn)動零件上下兩側(cè)與永磁鐵(或厚低碳鋼片)接觸。在低碳鋼端蓋和永磁鐵(或厚低碳鋼片)中間，鐵芯外側(cè)纏繞多匝磁感線圈。在磁感線圈外側(cè)，磁流變彈性體(MRE)環(huán)和低碳鋼片交錯放置。整個(gè)變剛度關(guān)節(jié)的外置部分全部粘接。磁感應(yīng)線本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種剛度可控的水下仿生推進(jìn)裝置，其特征在于：包括仿生推進(jìn)裝置主體，仿生推進(jìn)裝置主體包括一節(jié)或兩節(jié)及以上變剛度系統(tǒng)和仿生魚尾鰭，所述仿生推進(jìn)裝置主體外部有防水蒙皮包裹；所述任意一節(jié)變剛度系統(tǒng)由變剛度關(guān)節(jié)和關(guān)節(jié)連接框架連接而成，所述變剛度關(guān)節(jié)由鐵芯，磁感線圈，磁流變彈性體環(huán)，低碳鋼片，永磁鐵和鋁質(zhì)連接頭組成，其中，磁感線圈圍繞著鐵芯，永磁鐵中心穿過鐵芯，并壓緊州城外圈和轉(zhuǎn)動零件，永磁鐵提供一個(gè)恒定的磁場，使變剛度關(guān)節(jié)一開始就處在磁場環(huán)境中，當(dāng)改變線圈磁場強(qiáng)度時(shí)，由永磁鐵的磁場和線圈的磁場共同影響變剛度關(guān)節(jié)，從而可使變剛度關(guān)節(jié)的剛度實(shí)現(xiàn)正負(fù)方向的變化，或者不加永磁鐵，則沒有一開始的磁場環(huán)境，改變線圈磁場強(qiáng)度時(shí)，只能實(shí)現(xiàn)剛度的正向變化，磁流變彈性體環(huán)和低碳鋼片交錯套在磁感線圈外，可通過調(diào)節(jié)電流大小來調(diào)節(jié)磁場，通過磁通量的變化來改變關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)剛度，變剛度關(guān)節(jié)的上下兩端鋁質(zhì)連接頭與關(guān)節(jié)連接框架一端相連接；關(guān)節(jié)連接框架另一端中部與另一變剛度關(guān)節(jié)中部相連接。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種剛度可控的水下仿生推進(jìn)裝置，其特征在于：包括仿生推進(jìn)裝置主體，仿生推進(jìn)裝置主體包括一節(jié)或兩節(jié)及以上變剛度系統(tǒng)和仿生魚尾鰭，所述仿生推進(jìn)裝置主體外部有防水蒙皮包裹；所述任意一節(jié)變剛度系統(tǒng)由變剛度關(guān)節(jié)和關(guān)節(jié)連接框架連接而成，所述變剛度關(guān)節(jié)由鐵芯，磁感線圈，磁流變彈性體環(huán)，低碳鋼片，永磁鐵和鋁質(zhì)連接頭組成，其中，磁感線圈圍繞著鐵芯，永磁鐵中心穿過鐵芯，并壓緊州城外圈和轉(zhuǎn)動零件，永磁鐵提供一個(gè)恒定的磁場，使變剛度關(guān)節(jié)一開始就處在磁場環(huán)境中，當(dāng)改變線圈磁場強(qiáng)度時(shí)，由永磁鐵的磁場和線圈的磁場共同影響變剛度關(guān)節(jié)，從而可使變剛度關(guān)節(jié)的剛度實(shí)現(xiàn)正負(fù)方向的變化，或者不加永磁鐵，則沒有一開始的磁場環(huán)境，改變線圈磁場強(qiáng)度時(shí)，只能實(shí)現(xiàn)剛度的正向變化，磁流變彈性體環(huán)和低碳鋼片交錯套在磁感線圈外，可通過調(diào)節(jié)電...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張世武，楊懿琨，王二龍，李衛(wèi)華，孫帥帥，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，
類型：新型
國別省市：安徽;34