[发明专利]一种电磁驱动的变刚度仿生摆动推进装置

说明书

技术领域

本发明主要涉及到仿生水下机器人领域，具体涉及一种电磁驱动的变刚度仿生摆动推进装置。

背景技术

鱼类以其快速、高效、高机动性等独特的游动性能吸引了众多学者的关注，同时鱼类的游动机理也成为了仿生学的研究热点。生物学研究表明鱼类的脊椎、肌肉、皮肤、骨骼等生理组织共同组成了一种复杂的串并联机构，具有俯仰、偏航和扭转三个自由度的运动。另一方面，鱼类能够主动地改变身体刚度，使鱼体的自然频率与尾鳍的摆动频率相一致，从而获得快速高效的游动性能。目前，一些仿生学者已经注意到这些研究成果并将其应用到仿生鱼的设计中。例如，哈尔滨工业大学姜洪洲教授等提出了基于串并联机构的变刚度柔性仿生鱼，该机构拟采用形状记忆合金(SMA)来进行驱动，解决了传统上采用电机驱动控制复杂、体积大的缺点，但由于SMA材料本身具有受温度影响大，变形小等缺陷。

实际上，鱼体摆动推进所需的驱动力主要来源于鱼体拮抗肌群的对称收缩。根据电磁铁同性相斥，异性相吸的性质，本专利提出了由永久磁体、导磁体、衔铁和柔性脊椎等构成的一种电磁驱动的变刚度摆动推进装置。通过对电磁铁激磁电流大小和方向的控制，实现对驱动力矩方向和大小的控制，以复现了真实鱼类游动变刚度节能机理，具有驱动力矩可调、响应快、推力大、柔顺性好等优点。

发明内容

为复现鱼类快速高效的游动性能，本发明提供了一种电磁驱动的变刚度仿生装置，具体采用以下技术方案予以实现：

一种电磁驱动的变刚度仿生摆动推进装置，包括支座、两节以上的电磁摆动单元和尾鳍，所有的鱼体外形均由鱼体蒙皮所密封，首节电磁摆动单元与鱼体头部相连，其它各级电磁摆动单元均与柔性脊椎相连接，最后一节单节电磁摆动单元则与尾鳍相连，所述的电磁摆动单元包括上导磁体、下导磁体、控制线圈、柔性脊椎和衔铁，所述的柔性脊椎呈中空状，内部嵌有控制电流的线圈，上、下导磁体分别固定在柔性脊椎上，衔铁固定在上、下导磁体的中间位置，衔铁的中间位置与柔性脊椎固定连接，衔铁两端套有控制线圈，衔铁两端分别与上、下导磁体的磁极形成四个工作气隙，通过电流控制衔铁的N、S磁极，产生对应的电磁力矩，通过产生的电磁力矩带动柔性脊椎发生弯曲，以驱动鱼体的摆动推进；根据柔性鱼体摆动推进装置所要求的推进姿态，将衔铁上的控制线圈通电，产生所需摆动的驱动激励，对各节推进装置的电磁摆动单元进行主动控制，通过控制各节衔铁上控制线圈通电电流的大小、方向、气隙大小和控制线圈匝数，控制发生柔性脊椎弯曲所对应的电磁力矩，即通过产生不同的内力来改变各级电磁摆动单元的刚度，在鱼体的游动过程中，根据所检测的游动速度等优化衔铁通电线圈的通电分配情况，使各级电磁摆动单元产生鱼体高效快速游动所需的连续鱼体波；柔性脊椎弹性变形所产生的反力矩与电磁力矩相平衡时，衔铁停止转动。

本发明的优点是：

与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)利用固定电流且通过激励线圈来建立极化磁场，可获得较大的极化磁通，能够产生足够的输出力矩，且动态性能好，响应速度快。同时，具有体积小，重量轻，不受环境温度影响等特点。(2)运用电磁原理通过改变控制信号来改变驱动力矩的大小和方向，并进一步通过设计复合控制策略实现鱼体刚度的变化，可实现鱼类游动过程中的变刚度控制，具有容易实现、噪声低、机械损耗小等特点。(3)运用连续柔性脊椎与电磁摆动单元并联的设计形式，模拟了与真实鱼体流线型外形匹配的多关节串并联机构，具有推力大，动作连续，柔顺性好的特点。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的单个电磁摆动单元示意图；

图3为本发明的电磁摆动单元的磁路原理图。

其中，1、支座，2、导磁体，3、柔性脊椎，4、衔铁，5、尾鳍，6、控制线圈，7、上导磁体，8、下导磁体，9、气隙①，10、气隙②，11、气隙③，12、气隙④。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1