[发明专利]基于内部流体压力调节的变刚度柔性仿生鱼模型

说明书

本发明提出了一种基于内部流体压力调节的变刚度柔性仿生鱼模型，包括鱼头部、鱼体和尾鳍，鱼头部内安装有气动动力控制单元；所述鱼体包括四个内部锥形气动肌肉和嵌套式串并联单元，嵌套式串并联单元作为仿生鱼的脊柱和骨架，四个内部锥形气动肌肉分别位于嵌套式串并联单元内部，每个内部锥形气动肌肉的前端与鱼头部连接，其末端通过刚性固定件与尾鳍连接，气动动力控制单元分别与嵌套式串并联单元和四个内部锥形气动肌肉连接，气动动力控制单元通过调节内部锥形气动肌肉内部压强，来实现鱼体的摆动和扭转，或改变平均压强使得鱼体的末尾部刚度发生变化。本发明更加灵活；可以根据游动速度调节尾部刚度，更加节能、高效。

技术领域

本发明主要涉及到水下仿生机器人领域，具体涉及一种基于内部流体压力调节的变刚度柔性仿生鱼模型。

背景技术

目前对BCF类鱼的游动机理研究表明：1.鱼脊柱上附有肌肉组织，牵动鱼尾在水中摆动，产生逆卡门涡街，利用其产生的反作用力推动鱼体前进；2.鱼尾部分脊柱周围分布4块大的肌肉群，在鱼游动时调节自身的紧绷程度来变化鱼尾的刚度，由于不同的游动速度需要不同的刚度以使身体的自然频率与尾部摆动频率达到匹配，从而大大地降低能量消耗；3.脊柱周围的4块肌肉群可以通过收缩自身来实现鱼尾的各个方向弯曲，产生较大的冲量，实现了鱼在游动过程中的转向、逃逸、高速巡航等多种动作，减小了转弯半径，使之更加灵活。

现阶段国内外科研机构对身体-鱼鳍类Body and Caudal Fin，BCF仿鱼机器人的设计大多采用并联机构作为鱼尾的主要结构，以实现各向同性和将解耦中心设置在月牙形尾鳍上。但是这种结构不能满足机器鱼在水中运动的灵活性，转弯半径过大，而且难以根据鱼的游动速度调节鱼尾的刚度，推进效率没有真鱼高，需要进一步的研究和实验。

发明内容

基于以上不足之处，本发明提供了一种基于内部流体压力调节的变刚度柔性仿生鱼模型，更加贴近鱼体的真实结构。

本发明采用以下技术方案予以实现：一种基于内部流体压力调节的变刚度柔性仿生鱼模型，包括鱼头部、鱼体和尾鳍，鱼头部和鱼体外部包裹有蒙皮，鱼头部内安装有气动动力控制单元；所述鱼体包括四个内部锥形气动肌肉和嵌套式串并联单元，嵌套式串并联单元作为仿生鱼的脊柱和骨架，四个内部锥形气动肌肉分别位于嵌套式串并联单元内部，每个内部锥形气动肌肉的前端与鱼头部连接，其末端通过刚性固定件与尾鳍连接，气动动力控制单元分别与嵌套式串并联单元和四个内部锥形气动肌肉连接，气动动力控制单元通过调节内部锥形气动肌肉内部压强，来实现鱼体的摆动和扭转，或改变平均压强使得鱼体的末尾部刚度发生变化。

本发明还具有如下技术特征：如上所述的嵌套式串并联单元包括左、右气动肌肉、多层直径逐渐缩小的前斜韧带环、多根柔性杆、多根牵引绳、中心刚性杆件、多根单支撑杆、多根双支撑杆和多个定滑轮；嵌套式串并联单元前端两侧镜像安装有左、右气动肌肉，多根柔性杆之间通过球铰互相依次连接，最后一根柔性杆末端与中心刚性杆件通过球铰相连接；每根单支撑杆和每根双支撑杆的一端连接于其相对应的前斜韧带环上，每根单支撑杆和每根双支撑杆的另一端连接于相对应的柔性杆上，每层前斜韧带环的圆周方向上平均间隔交错排列有两根单支撑杆和两根双支撑杆，每个定滑轮固定连接于每根双支撑杆和其在各层前斜韧带环的连接处、双支撑杆内的间隙上；一侧的第n根牵引绳一端与该侧的气动肌肉相连接，另一端穿过第n-1层前斜韧带环并绕过第n层前斜韧带环的该侧定滑轮后与第n+3根柔性杆相连接，一侧的最下面三根牵引绳另一端则与中心刚性杆件该侧相连接；气动动力控制单元通过改变左、右气动肌肉内部压强，从而带动牵引绳牵引多根柔性杆和中心刚性杆件来实现鱼体小幅度的摆动。

本发明的优点是：

本发明的优点是：更加贴近鱼体的真实结构，可以完成更多的姿态变化，更加灵活；可以根据游动速度调节尾部刚度，更加节能、高效。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；