[发明专利]一种变刚度摆动推进柔性仿生鱼的制作方法

说明书

技术领域

本发明主要应用到仿生水下机器人领域，具体为一种变刚度摆动推进柔性仿生鱼的制作方法。

背景技术

传统上，采用螺旋桨推动的船舶或者自主无人潜器(AVU)均具有游动速度慢，游动效率低，运动灵活性差，噪音大以及对环境扰动大等较为明显的缺陷。近年来，BCF鱼类(如金枪鱼、旗鱼、鲨鱼等)以其快速的巡游速度，高的推进效率和强的机动性能的游动性能吸引了越来越多的科研工作者。目前，研究人员在理论上逐渐从不同方面揭示鱼类高效游动的机理，但是，基于生物原型的仿生鱼不论在巡游速度还是在游动效率，游动机动性上均远远落后于自然界中鱼类的游动性能。虽然仿生机器鱼的实验研究经过了多年的实践，但其对应的摆动推进模型的设计方法较少且尚不成熟。目前为止，仿生鱼摆动推进模型的设计主要包括串联机构，并联机构和串并联机构的设计方法。

传统上，BCF推进模式下的仿生鱼是以多关节刚体的串联结构来实现尾体的摆动。该设计利用每个关节的单自由度的转动来复现摆动运动，具有代表性的是由Barrett制作的仿生鱼“Robotuna”，Anderson和Chhabra仿金枪鱼制作的漩涡控制式无人推进器VCUUV(Vorticity control unmanned undersea vehicle)，Yu等制作的鲹科类仿生鱼等。此外，章永华等采用SMA弹簧制作并联结构的仿生机器鱼，该结构研究了鱼体红肌对鱼类游动性能的影响，但忽略了鱼体脊椎对游动性能的影响。近年来，姜洪洲教授等提出了以串并联机构来模拟鱼类连续平滑的运动，该机器鱼在整体上虽仍采用多关节的串联形式，但关节之间的连接采用了静定的三自由度空间并联机构。该结构不仅增大了推力，同时能够实现俯仰，偏航和扭转三个自由度的运动，这更接近鱼的真实运动方式。

上述的三种设计方案在仿生鱼的实验研究中均具有一定的缺陷。基于超冗余串联机构的仿生机器鱼虽然能够实现对鱼体运动的模拟，但通常需要采用主动控制，即每个刚性体均需要由单独的驱动单元(直流电机或步进电机等)来驱动，使得整个仿生鱼的结构庞大，并且协调多个驱动单元的控制也较为复杂。由并联结构作为柔性鱼体结构的设计较少见，因为采用该设计的仿生鱼很难实现鱼体波的拟合，在结构和运动形式上与鱼类的实际运动存在着较大的差距。采用串并联机构来实现鱼体游动的控制，目前理论研究尚不成熟，实际模型的制作难度较大，控制也较为复杂。

实际上，生物学研究表明鱼类可通过肌肉改变其身体刚度使尾鳍摆动频率与其身体自然频率相匹配，从而达到快速高效的游动性能。传统上的仿生机器鱼的设计并没有考虑鱼体刚度对游动性能的影响。故本专利提出一种采用粘弹性材料制作的柔性变刚度仿生鱼模型，该模型充分考虑了鱼体刚度对游动性能的影响。

发明内容

本专利目的在于提供了一种变刚度摆动推进柔性仿生鱼的制作方法，该方法为基于粘弹性材料的柔性变刚度仿生鱼。该方法可通过优化参数使制作的仿生鱼获得较好的游动性能，且对应的实验方法较为简单，控制简单。

本发明采用以下技术方案予以实现：

基于粘弹性材料柔性仿生鱼的设计思路源于一个重要的生物学证据，即为：鱼体可通过调节肌肉来改变其身体的刚度，以使其身体的自然频率与尾鳍摆动频率(驱动频率)相一致从而获得高效快速的游动效果。本专利采用欧拉-伯努利柔性梁的分析方法对柔性鱼体在流体中的运动情况进行受力分析，结合鱼体的生物参数，通过对驱动单元(驱动幅值和驱动频率)和制作鱼体的所需的粘弹性材料进行优化选择，实现柔性仿生鱼的一阶自然频率与驱动频率相接近或一致，从而获得快速高效的游动特性。设计步骤具体为：

一种变刚度摆动推进柔性仿生鱼的制作方法，步骤具体为：

步骤1：选取所研究的生物鱼并测量相关生物参数

选择生物鱼作为仿生对象，测量鱼体外形尺寸和密度，然后将鱼体外形分为一定间隔，并分别测量鱼体各段横截面的长度，宽度，面积，最后根据鱼体外形尺寸制作柔性仿生鱼模具；

步骤2：选择合适的驱动单元和机械传动机构

所选择的驱动单元性能指标为驱动幅值和驱动频率，设计对应的机械传动装置，使传递到鱼体尾部的力矩为一定频率的确定幅值的往复摆动运动；

步骤3：选择制作柔性仿生鱼体的粘弹性材料

结合鱼体的生物参数和仿生鱼的驱动特性，将流体中的柔性鱼体作为伯努利-欧拉柔性梁进行受力分析，计算柔性鱼体对应自然频率下的所需材料的弹性模量，根据现有的粘弹性材料，选择合适的材料制作柔性鱼体，来满足鱼体刚度的要求；