[发明专利]一种平行自由端及三交叉簧片的仿生鳍推进机构

说明书

本发明涉及一种平行自由端及三交叉簧片的仿生鳍推进机构，多个平板自由端、交叉簧片和轴向旋转交叉簧片单元组成的，不同尺寸的鳍条线型固定于机体外壳的一侧，由舵机驱动。根据鳍条在展向方向上面的刚度分布来调整交叉簧片单元的刚度分布。同时利用多根仿生鳍条沿弦向排列构成多鳍条仿生胸鳍结构，通过舵机驱动每根鳍条绕弦向上下摆动，并结合鳍条自身的展向被动弯曲特性，形成胸鳍的展向摆动弯曲特征；同时，每根鳍条之间摆动角度存在相位差，并结合鳍条自身绕展向的被动扭转特性，从而形成胸鳍的弦向波动传递特征。

技术领域

本发明属于水下仿生柔性鳍推进机构领域，涉及一种平行自由端及三交叉簧片的仿生鳍推进机构，具体涉及到一种可用于水下仿生柔性鳍推进机构，利用舵机可以在水下实现主\被动展向(翼展方向)弯曲以及主\被动的绕展向扭转，从而形成胸鳍展向弯曲摆动运动以及弦向(躯干长度方向)的波动传递。

背景技术

随着全球范围内对海洋的开发和利用，水下航行器的设计与研制已成为了各国的重要科研课题，在学科交叉融合的大环境下，将水下航行器同水下生物的流体动力学相结合，研制仿生水下航行器，通过研究千百年进化而造就的水下生物的航行机制，应用到水下航行器的研制中来，可以极大的提高航行器的能源利用效率，减小噪声，在军事用途以及商业用途中有很好的前景。仿生柔性胸鳍推进的过程是一个柔性体的运动和变形与流体的运动相互耦合的复杂物理过程，特别是胸鳍推进的过程中同时具有主动变形与被动变形，变形分为展向弯曲变形(形成展向弯曲摆动运动)以及绕展向的旋转变形(形成弦向波动传递)，理论分析具有一定的难度。

仿生胸鳍推进使航行器兼具高推进效率与高机动性，具有十分重要的意义。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种平行自由端及三交叉簧片的仿生鳍推进机构，主要实现仿蝠鲼鱼类胸鳍推进的展向弯曲与弦向波动传递耦合运动。

技术方案

交叉簧片柔性变形体相较于刚性变形体具有其自身的很多优点，例如高精度，无摩擦，无滞后，无磨损，无静态阻力，免润滑等。对于水下仿生航行器，尤其是对于仿生鳍推进的水下航行器，鳍的内部结构尤为重要，为了使仿生胸鳍达到在水下的被动变形，可以基于交叉簧片，利用其结构特性以及优势，设计出变形性能更优良的鳍条结构。

一种平行自由端及三交叉簧片的仿生鳍推进机构，其特征在于包括机体外壳1、鳍条连接件5、舵机支架2、舵机3、舵机圆盘4和多跟长短不一的鳍条；舵机支架固定于机体外壳1一侧，舵机3与舵机支架2上的侧支架连接，舵机圆盘4与舵机3轴连接，鳍条连接件5一端的圆盘与舵机圆盘4连接，另一端与鳍条连接；所述鳍条包括多个平板自由端、交叉簧片和轴向旋转交叉簧片单元；与鳍条连接件5连接的为鳍条连接件5一端的连接支架18，连接支架18连接第一个轴向旋转交叉簧片单元，后续每级为两根等长的簧片沿着其长度方向对称交错连接两个相邻的平板自由端构成；中间需要转动的某一级以轴向旋转交叉簧片单元取代平板自由端，使得取代部位能够转动；所述轴向旋转交叉簧片单元包括三根簧片和两个带弧边的圆形自由端，三根簧片互成120度，相互交叉后两端分别于两个圆形自由端的弧边相连，构成轴向转动；所述鳍条的长短取决于级数；每级弯曲的刚度取决于簧片的材料、厚度、两个簧片的夹角以及其交叉点的位置；簧片的刚度与材料的强度成正比，与其簧片的厚度成正比，与两个簧片的夹角大小成正比，与两个簧片的交叉点两侧簧片长度比例大小成正比，即长度小的一侧的长度与长度大的一侧的长度的比值。

两根等长的簧片沿着其长度方向对称交错连接两个相邻的自由端构成一个交叉簧片单元，多个交叉簧片单元相串联构成多级机构。

所述带弧边的自由端上的弧边的周长小于圆形自由端的1/2周长。

所述第一级簧片的刚度为最大。

所述多级簧片的刚度由第一级簧片至末级依次减小，使得受到外力发生被动变形时，越靠近弯曲结构的末梢弯曲的形变越大。