[发明专利]鳍面主动变形的咽颌模式仿生胸鳍

说明书

技术领域

本发明涉及一种水下仿生机器人技术，特别是一种鳍面主动变形的咽颌模式仿生胸鳍。

背景技术

咽颌型运动模式（Labriform Mode）是大多数硬骨鱼类所采用的一种重要操纵运动方式。它以胸鳍作为主要的操纵面，完成鱼在水中的悬停、前进、倒退、刹车和转弯等姿态操纵功能。而这些高效、灵活和机动性强的操纵性能正是常规推进水下运载工具所欠缺的。为了提高水下运载工具的操纵性能，适应海洋资源开发和海洋环境保护的需要，以鱼类胸鳍为灵感的新型推进工具越来越受到人们的关注和重视。

通过对咽颌运动模式鱼类胸鳍解剖结构、神经肌肉控制系统、鳍条和鳍面的机械特性等性能的研究发现，胸鳍的推进运动是由胸鳍鳍条的主被动变形和鳍条的摆动运动组合实现的，结构和控制复杂而精细，自由度较多。目前，有关咽颌运动模式柔性胸鳍仿生的研究还很不充分，处于刚刚起步阶段。大多数研究采用刚性（或柔性）平板作为仿生胸鳍鳍面建立胸鳍仿生系统，如日本东海大学的Kato教授、中国科学院自动化研究所的谭浩民教授（见专利 CN1785747）、哈尔滨工程大学的苏玉民教授和中国科学技术大学的陈宏博士等。日本东海大学的Kato教授和美国海军科学研究实验所的J.Palmisano等分别建立了能进行鳍条的主动弯曲变形，而不能进行鳍条摆动运动的胸鳍仿生装置。麻省理工学院的J.L.Tangorra等建立了能进行主动弯曲变形的鳍条，并将其安装在由弹性变形材料做成的基座上，然后，由电动机拖动尼龙绳来驱动鳍条和鳍基的变形运动，以实现胸鳍的推进运动。然而，由于对由弹性材料做成基座的变形运动进行精确控制是非常困难的，因此，该仿生胸鳍仅能对胸鳍的推进运动进行粗略的模仿。为了解决以上仿生胸鳍存在的问题，J.L.Tangorra 等对仿生胸鳍的基座进行了进一步的改进，建立了能实现鳍条两个自由度旋转运动的仿生机构，并将可进行被动弯曲变形的鳍条安装在基座上，然后通过电动机带动尼龙绳来实现胸鳍的各种运动形态。由于每个鳍条具有两个旋转自由度，驱动它需要四条尼龙绳，两个电机，因此此仿生装置存在结构复杂、体积庞大、鳍条的两个旋转自由度相互耦合等问题，同时这些问题也使得进一步增加此仿生胸鳍的控制自由度是非常困难的。为此,申请人在专利（申请号：201110125787.0）中,从鱼类胸鳍的骨骼结构和神经肌肉控制的作用机理出发设计了一套新型的柔性胸鳍仿生装置。此装置结构紧凑、体积小，能够实现胸鳍的推进运动，但是其鳍面只能在水流的作用下进行被动变形。

通过上面的分析可以看出，现有的胸鳍仿生装置大多是利用刚性（或柔性）平板的摆动运动代替胸鳍的推进运动，或者是仅通过鳍条的主动弯曲变形来实现胸鳍的推进运动。专利（申请号：201110125787.0）和麻省理工学院J.L.Tangorra 等建立的仿生装置只能实现鳍面的被动变形。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出了一种可以减小仿生胸鳍的质量、体积，简化控制系统的结构，使仿生胸鳍机构更紧凑的鳍面主动变形的咽颌模式仿生胸鳍。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，一种鳍面主动变形的咽颌模式仿生胸鳍，设有鳍基、鳍条及设置在相邻鳍条之间的鳍间隔膜，鳍条包括两根边鳍条和设置在两根边鳍条之间的至少一根中间鳍条，鳍条通过背腹摆动构件与鳍基相接，两根边鳍条的背腹摆动构件为主动背腹摆动构件，主动背腹摆动构件与背腹摆动驱动电机相接，中间鳍条的背腹摆动构件为从动背腹摆动构件，从动背腹摆动构件与鳍基之间设有旋转阻尼器，在所有的背腹摆动构件上均装有鳍条的侧向摆动驱动机构，其特点是：所述的鳍条包括与背腹摆动构件相接的连杆、鳍条座和鳍条本体，连杆的上端与鳍条座相接，鳍条座的内外两侧分别设有内侧形状记忆合金驱动器和外侧形状记忆合金驱动器，鳍条本体由内外两片分支构成，两片分支的上端固连在一起，两片分支的下端部贴在鳍条座的内外两侧，两片分支的下端分别与内侧形状记忆合金驱动器和外侧形状记忆合金驱动器的上端连接，在两片分支靠近形状记忆合金驱动器的下端部分别开有通孔，通孔中穿有一根细绳，细绳的两端向上固定在两片分支靠近上端的部位上，在鳍条座的顶端设有细绳通过的槽或孔，鳍条座顶端的槽或孔的位置高于两片分支上的通孔，两片分支之间的细绳担在鳍条座顶端的槽或孔内，形成中间高两边低的结构，内侧形状记忆合金驱动器和外侧形状记忆合金驱动器通入电流后发热，产生变形；通过对内、外两侧的形状记忆合金驱动器通入电流大小的控制，使内、外两侧的形状记忆合金驱动器产生相对位移差，从而控制鳍条的主动弯曲变形。