專利名稱：一種柔性胸鰭擺動(dòng)式水下仿生機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水下仿生機(jī)器人，更特別地說，是指一種模仿海洋中雙側(cè)胸鰭擺 動(dòng)游動(dòng)的鲼科魚類的身體外形，利用氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的柔性胸鰭擺動(dòng)式水下仿生機(jī) 器人。
背景技術(shù)：
柔性胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)仿生機(jī)器人(魚)能夠?qū)崿F(xiàn)低頻、低阻、高效、高機(jī)動(dòng)性的水 下運(yùn)動(dòng)，它在水下探測和軍用偵察領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)外現(xiàn)有仿生 機(jī)器人(魚)按照推進(jìn)所使用身體部位的不同，大概可分為兩種①身體、尾鰭推進(jìn) 模式——利用類似蛇類或鰻魚的身體彎曲波動(dòng)或尾鰭的周期性往復(fù)擺動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力；
②中間鰭、對鰭推進(jìn)模式——利用中間鰭、對鰭的周期性擺動(dòng)或波動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力。迄 今為止，水下仿生機(jī)器人(魚)幾乎都采用了這兩種推進(jìn)模式。對采用第一種推進(jìn)模 式的仿生機(jī)器人(魚)研究較多，對第二種推進(jìn)模式中個(gè)別推進(jìn)方式研究較少，例如 胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)方式?，F(xiàn)有仿生機(jī)器人(魚)多釆用剛性驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和剛性機(jī)體，該種剛 性驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和剛性機(jī)體的仿生機(jī)器人(魚)，其推進(jìn)速度和推進(jìn)效率達(dá)不到所模仿魚 類的速度和效率。 發(fā) 明 內(nèi) 容
本發(fā)明的目的是提供一種采用柔性機(jī)體和柔性擺動(dòng)推進(jìn)機(jī)構(gòu)的胸鰭擺動(dòng)式水下 仿生機(jī)器人，該仿生機(jī)器人釆用外置氣源驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)人工肌肉實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器人在水中的 前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎和升沉運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明的仿生機(jī)器人一方面，在氣源驅(qū)動(dòng)的條件下通過左擺動(dòng)組件和右擺動(dòng)組件 的同步上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器人在水中的前進(jìn)。
本發(fā)明的仿生機(jī)器人另一方面，在氣源驅(qū)動(dòng)的條件下通過尾部擺動(dòng)組件的上下運(yùn) 動(dòng)實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器人在水中的升沉。
本發(fā)明的仿生機(jī)器人第三方面，在氣源驅(qū)動(dòng)的條件下通過左擺動(dòng)組件與右擺動(dòng)組 件的非同步上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器人在水中的轉(zhuǎn)向。
6本發(fā)明的一種柔性胸鰭擺動(dòng)式水下仿生機(jī)器人，包括有氣源和仿生結(jié)構(gòu)體兩部 分。仿生結(jié)構(gòu)體由左擺動(dòng)組件、右擺動(dòng)組件、尾部擺動(dòng)組件、支撐組件、左柔性翼
和右柔性翼組成；左柔性翼與右柔性翼的結(jié)構(gòu)相同，且以縱軸線為中心對稱進(jìn)行裝 配；左擺動(dòng)組件與右擺動(dòng)組件結(jié)構(gòu)相同；左擺動(dòng)組件、右擺動(dòng)組件、尾部擺動(dòng)組件 和支撐組件設(shè)置在柔性機(jī)體內(nèi)部，支撐組件沿縱軸線設(shè)置，左擺動(dòng)組件和右擺動(dòng)組 件分別安裝在支撐組件的左、右兩側(cè)，尾部擺動(dòng)組件安裝在支撐組件的后端。左柔 性翼和右柔性翼的縱切面采用NACA標(biāo)準(zhǔn)翼形。左柔性翼和右柔性翼分別釆用單組 分硅橡膠或者雙組份硅橡膠的柔性材料澆鑄成一體化結(jié)構(gòu)件。左擺動(dòng)組件和右擺動(dòng) 組件中的氣動(dòng)人工肌肉選用McKibben型氣動(dòng)人工肌肉，耐壓0.6MPa 。左擺動(dòng)組 件和右擺動(dòng)組件中的柔性肋骨采用具有彈性的玻璃纖維板、碳纖維板或者聚乙烯塑 料板板狀材料制作。
本發(fā)明的柔性胸鰭擺動(dòng)式水下仿生機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)在于采用柔性材料澆鑄制作機(jī)
體，使其從外形和性能上均貼近仿生原型；用四條氣動(dòng)人工肌肉的收縮和伸長，達(dá)到 驅(qū)動(dòng)機(jī)體運(yùn)動(dòng)的目的；通過氣動(dòng)人工肌肉、柔性肋骨和柔性翼的組合使用，實(shí)現(xiàn)仿生 魚的柔順運(yùn)動(dòng)；利用人工肌肉收縮量和收縮時(shí)間的不同，實(shí)現(xiàn)柔性仿生胸鰭和機(jī)體尾 部的擺動(dòng)幅度和擺動(dòng)頻率的調(diào)節(jié)，從而改變仿生機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)速度和機(jī)動(dòng)性能，實(shí)現(xiàn) 仿生機(jī)器魚的高效、低阻、高機(jī)動(dòng)性運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)氣源可根據(jù)需要外置或 者置于仿生機(jī)器人內(nèi)部。


圖1是本發(fā)明柔性胸鰭擺動(dòng)式水下仿生機(jī)器人的外部結(jié)構(gòu)圖。
圖1A是未裝配左、右柔性翼的仿生機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明骨架組件的結(jié)構(gòu)圖。
圖2A是本發(fā)明骨架組件中連接件的后視圖。
圖2B是本發(fā)明骨架組件中連接件的主視圖。
圖2C是本發(fā)明骨架組件中接頭的結(jié)構(gòu)圖。
圖2D是本發(fā)明骨架組件中墊塊的結(jié)構(gòu)圖。
圖3是本發(fā)明左擺動(dòng)組件的結(jié)構(gòu)圖。
圖3A是本發(fā)明左擺動(dòng)組件的背部結(jié)構(gòu)圖。
圖3B是本發(fā)明左擺動(dòng)組件中滑線塊與壓板的裝配圖。圖3C是本發(fā)明左擺動(dòng)組件中拉繩塊的結(jié)構(gòu)圖。
圖4是本發(fā)明右擺動(dòng)組件的結(jié)構(gòu)圖。
圖4A是本發(fā)明右擺動(dòng)組件的背部結(jié)構(gòu)圖。
圖5是本發(fā)明尾部擺動(dòng)組件的結(jié)構(gòu)圖。
圖5A是本發(fā)明尾部擺動(dòng)組件中上拉件的結(jié)構(gòu)圖。
圖6是本發(fā)明左柔性翼的結(jié)構(gòu)圖。
圖7是本發(fā)明右柔性翼的結(jié)構(gòu)圖。
圖中l(wèi).左擺動(dòng)組件IOI.左柔性肋骨102.左氣動(dòng)人工肌肉103.左拉繩104.左肋骨根部105.左肋骨尖部106.A通孔lll.A滑線塊
llla.C光孔lllb.滑套lllc.C通孔112.B滑線塊113.A壓板
114.B壓板115.A拉繩塊llSa.A銷釘孔115b.B銷釘孔115c.D通孔
2.右擺動(dòng)組件201.右柔性肋骨202.右氣動(dòng)人工肌肉203.右拉繩
204.右肋骨根部205.右肋骨尖部206.B通孔211.C滑線塊212,D滑線塊
213.C壓板214.D壓板215.B拉繩3.尾部擺動(dòng)組件3a-E氣管接頭
3b.F氣管接頭301.尾部柔性板302.尾部A氣動(dòng)人工肌肉302a.前端
302b.后端303.尾部B氣動(dòng)人工肌肉303a.前端303b.后端
304.上拉繩305.上拉件305a.E通孔305b.F通孔306.下拉繩
307.下拉件4.支撐組件4a.上板面4b.下板面4c.后板面
41.A氣管接頭42.B氣管接頭43.C氣管接頭44.D氣管接頭45.A通氣管
46.B通氣管401.骨架402.配重塊403.墊塊404.接頭
404a.后板面404b.上板面404c.A側(cè)板面404d.B側(cè)板面441.A螺紋孔
442.B螺紋孔443.C螺紋孔444.D螺紋孔445.E螺紋孔446.F螺紋孔
447.G螺紋孔448.H螺紋孔405.連接件451.安裝面452.A凸耳對
453.B凸耳對454.尾板槽455.正面406.夾縫5.左柔性翼
5a，左前緣501.左空腔502.G通孔503.A半圓孔504.B半圓孔
6.左柔性翼6a.右前緣601.右空腔602.H通孔603.C半圓孔
604.D半圓孔
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明的一種柔性胸鰭擺動(dòng)式水下仿生機(jī)器人是依據(jù)仿生學(xué)原理，通過利用水下 胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)模式的低頻、低阻、高效、高機(jī)動(dòng)性等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了釆用氣動(dòng)人工肌肉 驅(qū)動(dòng)的分布式柔性內(nèi)部骨架及柔性機(jī)體的胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)式仿生機(jī)器人，一般仿生機(jī)器 人包括有氣源和仿生結(jié)構(gòu)體兩部分。參見圖l、圖1A所示，本發(fā)明的一種柔性胸鰭擺動(dòng)式水下仿生機(jī)器人，仿生結(jié) 構(gòu)體由左擺動(dòng)組件l、右擺動(dòng)組件2、尾部擺動(dòng)組件3、支撐組件4、左柔性翼5和 右柔性翼6組成；左柔性翼5與右柔性翼6的結(jié)構(gòu)相同，且以縱軸線為中心對稱進(jìn) 行裝配，左柔性翼5和右柔性翼6采用柔性材料(該柔性材料可以是單組分硅橡膠 或者雙組份硅橡膠)澆鑄成一體化結(jié)構(gòu)件，左柔性翼5和右柔性翼6構(gòu)成了仿生機(jī) 器人的柔性機(jī)體；左擺動(dòng)組件1、右擺動(dòng)組件2、尾部擺動(dòng)組件3和支撐組件4設(shè)置 在柔性機(jī)體內(nèi)部，氣源(該氣源為本發(fā)明仿生機(jī)器人提供驅(qū)動(dòng)用的壓縮空氣)設(shè)置在 柔性機(jī)體的外部；支撐組件4沿縱軸線設(shè)置，左擺動(dòng)組件1和右擺動(dòng)組件2分別安 裝在支撐組件4的左、右兩惻，尾部擺動(dòng)組件3安裝在支撐組件4的后端。左擺動(dòng) 組件1與右擺動(dòng)組件2結(jié)構(gòu)相同。
下面將設(shè)計(jì)的一種本發(fā)明柔性胸鰭擺動(dòng)式水下仿生機(jī)器人根據(jù)結(jié)構(gòu)特征分為四 部分進(jìn)行詳細(xì)說明
(一)支撐組件4
參見圖2、圖2A 圖2D所示，支撐組件4包括有骨架401、配重塊402、墊 塊403、接頭404、連接件405;配重塊402和墊塊403安裝在骨架401的下板 面4b上；骨架401的上板面4a上開有用于A氣管接頭41、 B氣管接頭42、 C氣 管接頭43、 D氣管接頭44穿過的四個(gè)通孔，骨架401的后板面4c的背部安裝有 連接件405，即連接件405的安裝面451與后板面4c的背部貼合，采用螺釘與螺 母進(jìn)行固定。
配重塊402為一鉛塊，配重塊402所用的重量是本發(fā)明仿生機(jī)器人總重量的 1/5 1/3。
墊塊403上設(shè)有I螺紋孔431、 J螺紋孔432， I螺紋孔431用于安裝左柔性 肋骨101， J螺紋孔432用于安裝右柔性肋骨201。墊塊403的上板面與接頭404 的下板面之間有一夾縫406,該夾縫406的高度與左柔性肋骨101、右柔性肋骨201 的根部厚度相同。
接頭404的后板面4(Ma上設(shè)有G螺紋孔"7和H螺紋孔"8，接頭4(M的 上板面404b上設(shè)有A螺紋孔441、 B螺紋孔442、 C螺紋孔443、 D螺紋孔4"， 接頭404的A側(cè)板面404c上設(shè)有E螺紋孔445，接頭404的B側(cè)板面404d上 設(shè)有F螺紋孔446。 A螺紋孔441與G螺紋孔447導(dǎo)通，B螺紋孔442與H螺紋 孔448導(dǎo)通，D螺紋孔444與E螺紋孔"5導(dǎo)通，C螺紋孔443與F螺紋孔446 導(dǎo)通。
9A螺紋孔441用于安裝A氣管接頭41， A氣管接頭41與外部氣源連接；G螺紋孔447上安裝有用于與A通氣管45連接的氣管接頭；由于A螺紋孔441與G螺紋孔447的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了外部為尾部A氣動(dòng)人工肌肉302提供壓縮空氣。
B螺紋孔442用于安裝B氣管接頭42， B氣管接頭42與外部氣源連接；H螺紋孔448上安裝有用于與B通氣管46連接的氣管接頭；由于B螺紋孔442與H螺紋孔448的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了外部為尾部B氣動(dòng)人工肌肉303提供壓縮空氣。
C螺紋孔443用于安裝C氣管接頭43， C氣管接頭43與外部氣源連接；F螺紋孔446內(nèi)連接有左氣動(dòng)人工肌肉102的一端；由于C螺紋孔443與F螺紋孔446的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了外部為左氣動(dòng)人工肌肉102提供壓縮空氣。
D螺紋孔444用于安裝D氣管接頭44， D氣管接頭44與外部氣源連接；E螺紋孔445內(nèi)連接有右氣動(dòng)人工肌肉202的一端；由于D螺紋孔444與E螺紋孔445的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了外部為右氣動(dòng)人工肌肉202提供壓縮空氣。
連接件405設(shè)計(jì)為"Z"字形，連接件405的安裝面451為光滑面，連接件405的正面455從上至下設(shè)有A凸耳對452、尾板槽454、 B凸耳對453， A凸耳對452中安裝有尾部A氣動(dòng)人工肌肉302的前端，尾板槽454中安裝有尾板的前端，B凸耳對453中安裝有尾部B氣動(dòng)人工肌肉303的前端。
(二)左擺動(dòng)組件1和右擺動(dòng)組件2參見圖3、圖3A、圖3B、圖3C所示，左擺動(dòng)組件1包括有左柔性肋骨101、左氣動(dòng)人工肌肉102、左拉繩103、 A拉繩塊115、兩個(gè)拉繩導(dǎo)向件，該拉繩導(dǎo)向件由滑線塊與壓板組成，即A滑線塊111與A壓板113組成第一個(gè)拉繩導(dǎo)向件，B滑線塊112與B壓板114組成第二個(gè)拉繩導(dǎo)向件。第一個(gè)拉繩導(dǎo)向件和第二個(gè)拉繩導(dǎo)向件能夠保證左拉繩103在左柔性肋骨根部104至左柔性肋骨尖部105、或左柔性肋骨尖部105至左柔性肋骨根部104的方向上滑動(dòng)。第一個(gè)拉繩導(dǎo)向件與第二個(gè)拉繩導(dǎo)向件的結(jié)構(gòu)相同。第一個(gè)拉繩導(dǎo)向件與第二個(gè)拉繩導(dǎo)向件間隔一段距離在左柔性肋骨101的上下板面上，第一個(gè)拉繩導(dǎo)向件與第二個(gè)拉繩導(dǎo)向件之間的間隔為左柔性肋骨(101)總長度的1/4。左柔性肋骨101設(shè)計(jì)成鲼科魚類中牛鼻鲼的鰭骨連接體形狀，該仿鰭骨連接體形狀的左柔性肋骨101能夠?qū)崿F(xiàn)肋骨柔順變型，并帶動(dòng)左柔性翼5的左前緣5a實(shí)現(xiàn)仿牛鼻鲼的胸鰭上下擺動(dòng)。左柔性肋骨101的根部104通過螺釘與I螺紋孔431的配合實(shí)現(xiàn)將左柔性肋骨101安裝在墊塊403上。左柔性肋骨101釆用具有彈性的板狀材料(包括玻璃纖維板、碳纖維板或者聚乙烯塑料板)制作。
左柔性肋骨101的上板面安裝有A滑線塊111、 B滑線塊112，左柔性肋骨101的下板面安裝有A壓板113、 B壓板114， A滑線塊111與B滑線塊112的結(jié)構(gòu)相同，A壓板113與B壓板114的結(jié)構(gòu)相同。A滑線塊111上設(shè)有C光孔11 la，C光孔11 la內(nèi)安裝有滑套11 lb，滑套11 lb的中心開有C通孔11 lc，C通孔11 lc用于左拉繩103在其內(nèi)進(jìn)行滑動(dòng)；B滑線塊112與A壓板113分別設(shè)置在左柔性肋骨101的上下板面，并通過螺釘與螺母安裝在左柔性肋骨101上。
左拉繩103的一端穿過A拉繩塊115的C通孔115c后打結(jié)，左拉繩103的另一端穿過左柔性肋骨101上的A通孔106后打結(jié)。
A拉繩塊115為"凹"形結(jié)構(gòu)，A拉繩塊115的兩凸耳上分別設(shè)有A銷釘孔115a、 B銷釘孔115b，且A銷釘孔115a與B銷釘孔115b同軸，通過在A銷釘孔115a與B銷釘孔115b的孔內(nèi)放置一個(gè)銷釘實(shí)現(xiàn)將左氣動(dòng)人工肌肉102的另一端與A拉繩塊115的連接；A拉繩塊115的底部中心設(shè)有C通孔115c，該C通孔115c用于左拉繩103穿過。
左氣動(dòng)人工肌肉102的一端連接在接頭404的F螺紋孔446中，左氣動(dòng)人工肌肉102的另一端連接在A拉繩塊115上；左氣動(dòng)人工肌肉102的一端與F螺紋孔446的連接，由于接頭404上安裝有多個(gè)氣管接頭，這些氣管接頭中的C氣管接頭43安裝在接頭404的C螺紋孔443中，C螺紋孔443與F螺紋孔446導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)外部氣源為左氣動(dòng)人工肌肉102提供壓縮空氣；左氣動(dòng)人工肌肉102是一種利用壓縮空氣進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的器件(在本發(fā)明中選用McKibben型氣動(dòng)人工肌肉，耐壓0.6Mi^)，在壓縮空氣氣壓升高(指左氣動(dòng)人工肌肉102充氣)條件下實(shí)現(xiàn)收縮運(yùn)動(dòng)，在壓縮空氣氣壓降低(指左氣動(dòng)人工肌肉102排氣)條件下逐漸恢復(fù)原長；在本發(fā)明中，左氣動(dòng)人工肌肉102充入壓縮空氣時(shí)實(shí)現(xiàn)收縮，并帶動(dòng)左拉繩103向左肋骨根部104滑動(dòng)，從而帶動(dòng)了左柔性肋骨101向上彎曲擺動(dòng)；在壓縮空氣氣壓降低條件下，左氣動(dòng)人工肌肉102伸長，在左柔性肋骨101的彈性作用下，左拉繩103向左肋骨尖部105滑動(dòng)，左柔性肋骨101逐漸恢復(fù)到向上彎曲擺動(dòng)前的位置。左氣動(dòng)人工肌肉102在充氣一排氣過程中，實(shí)現(xiàn)左擺動(dòng)組件1的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)周期。
11參見圖4、圖4A所示，右擺動(dòng)組件2包括有右柔性肋骨201、右氣動(dòng)人工肌肉202、右拉繩203、 B拉繩塊215、兩個(gè)拉繩導(dǎo)向件，該拉繩導(dǎo)向件由滑線塊與壓板組成，即C滑線塊211與C壓板213組成第三個(gè)拉繩導(dǎo)向件，D滑線塊212與D壓板214組成第四個(gè)拉繩導(dǎo)向件。第三個(gè)拉繩導(dǎo)向件和第四個(gè)拉繩導(dǎo)向件能夠保證右拉繩203在右柔性肋骨根部204至右柔性肋骨尖部205、或右柔性肋骨尖部205至右柔性肋骨根部204的方向上滑動(dòng)。第三個(gè)拉繩導(dǎo)向件與第四個(gè)拉繩導(dǎo)向件間隔一段距離安裝在右柔性肋骨201的上下板面上，第一個(gè)拉繩導(dǎo)向件與第二個(gè)拉繩導(dǎo)向件之間的間隔為左柔性肋骨(101)總長度的1/4。 B拉繩塊215與A拉繩塊115的結(jié)構(gòu)相同。第一個(gè)拉繩導(dǎo)向件、第二個(gè)拉繩導(dǎo)向件、第三個(gè)拉繩導(dǎo)向件和第四個(gè)拉繩導(dǎo)向件的結(jié)構(gòu)相同。右柔性肋骨201與左柔性肋骨101的結(jié)構(gòu)相同。
右柔性肋骨201設(shè)計(jì)成鲼科魚類中牛鼻鲼的鰭骨連接體形狀，該仿鰭骨連接體形狀的右柔性肋骨201能夠?qū)崿F(xiàn)肋骨柔順變型，并帶動(dòng)右柔性翼6的右前緣6a實(shí)現(xiàn)仿牛鼻鲼的胸鰭上下擺動(dòng)。右柔性肋骨201的根部204通過螺釘與J螺紋孔432的配合實(shí)現(xiàn)將右柔性肋骨201安裝在墊塊403上。右柔性肋骨201采用具有彈性的板狀材料(包括玻璃纖維板、碳纖維板或者聚乙烯塑料板)制作。
右柔性肋骨201的上板面安裝有C滑線塊211、 C滑線塊212，右柔性肋骨201的下板面安裝有C壓板213、 D壓板214。
右拉繩203的一端穿過B拉繩塊215上的通孔后打結(jié)，右拉繩203的另一端穿過右柔性肋骨201上的B通孔206后打結(jié)。
B拉繩塊215與A拉繩塊115的結(jié)構(gòu)相同，通過一個(gè)銷釘實(shí)現(xiàn)將右氣動(dòng)人工肌肉202的另一端與B拉繩塊215的連接，右拉繩203穿過B拉繩塊215底部的通孔后打結(jié)。
右氣動(dòng)人工肌肉202的一端連接在接頭404的E螺紋孔445中，右氣動(dòng)人工肌肉202的另一端連接在B拉繩塊215上；右氣動(dòng)人工肌肉202的一端與E螺紋孔445的連接，D螺紋孔444與E螺紋孔445導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)外部氣源為右氣動(dòng)人工肌肉202提供壓縮空氣；右氣動(dòng)人工肌肉202在壓縮空氣氣壓升高(指右氣動(dòng)人工肌肉202充氣)條件下實(shí)現(xiàn)收縮運(yùn)動(dòng)，在壓縮空氣氣壓降低(指右氣動(dòng)人工肌肉202排氣)條件下逐漸恢復(fù)原長；在本發(fā)明中，右氣動(dòng)人工肌肉202充入壓縮空氣時(shí)實(shí)現(xiàn)收縮，并帶動(dòng)右拉繩203向右肋骨根部204滑動(dòng)，從而帶動(dòng)了右柔性肋骨201向上彎曲擺動(dòng)；在壓縮空氣氣壓降低條件下，右拉繩203向右肋骨尖部205滑動(dòng)，右柔性肋骨201逐漸恢復(fù)到向上彎曲擺動(dòng)前的位置。右氣動(dòng)人工肌肉202在充氣一排氣過程中，實(shí)現(xiàn)右擺動(dòng)組件2的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)周期。說
(三)尾部擺動(dòng)組件3
參見圖5、圖5A所示，尾部擺動(dòng)組件3包括有尾部柔性板301、尾部A氣動(dòng)人 工肌肉302、尾部B氣動(dòng)人工肌肉303、上拉件305、下拉件307，
尾部柔性板301為一個(gè)箭頭形狀，尾部柔性板301的根部安裝在連接件405 的尾板槽454內(nèi)；尾部柔性板201采用具有彈性的板狀材料(包括玻璃纖維板、碳 纖維板或者聚乙烯塑料板)制作。
尾部A氣動(dòng)人工肌肉302的前端302a安裝在連接件405的A凸耳對452中， 且前端302a上設(shè)有E氣管接頭3a， E氣管接頭3a上連接有A通氣管45， A通氣 管45的另一端與G氣管接頭(圖中未示出，該G氣管接頭安裝在接頭404的G螺 紋孔447中)連接，接頭404的A螺紋孔441中安裝有A氣管接頭41， A氣管接 頭41與外部氣源連接；尾部A氣動(dòng)人工肌肉302的后端302b通過上拉繩304實(shí) 現(xiàn)與上拉件305的連接，上拉件305安裝在尾部柔性板301的上板面上。
尾部B氣動(dòng)人工肌肉303的前端303a安裝在連接件405的B凸耳對453中， 且前端303a上設(shè)有F氣管接頭3b， F氣管接頭3b上連接有B通氣管46， B通氣 管46的另一端與H氣管接頭(圖中未示出，該H氣管接頭安裝在接頭404的H螺 紋孔448中)連接，接頭404的B螺紋孔442中安裝有B氣管接頭42, B氣管接 頭42與外部氣源連接；尾部B氣動(dòng)人工肌肉303的后端303b通過下拉繩306實(shí) 現(xiàn)與下拉件307的連接，下拉件306安裝在尾部柔性板301的下板面上。
上拉件305與下拉件307的結(jié)構(gòu)相同，上拉件305為一 "T"型結(jié)構(gòu)件，上拉 件305中部的凸起上設(shè)有E通孔305a， E通孔305a用于上拉繩304穿過(上拉 繩304分別穿過E通孔305a、尾部A氣動(dòng)人工肌肉302的后端302b上的一圓孔， 實(shí)現(xiàn)尾部A氣動(dòng)人工肌肉302的與尾部柔性板301的連接)，上拉件305的底部平 臺上設(shè)有F通孔305b。釆用一螺釘順次穿過上拉件305上的F通孔305b、尾部柔 性板301上的通孔(圖中未示出)、下拉件307上的通孔后連接上螺母，從而實(shí)現(xiàn) 將上拉件305、下拉件307安裝在尾部柔性板301的上、下板面。
在本發(fā)明中，尾部A氣動(dòng)人工肌肉302在充氣氣壓升高條件下實(shí)現(xiàn)收縮運(yùn)動(dòng)， 同時(shí)，尾部B氣動(dòng)人工肌肉303在充氣氣壓降低條件下伸長，從而保證了尾部柔性 板301的向上擺動(dòng)。當(dāng)尾部A氣動(dòng)人工肌肉302在充氣氣壓降低條件下實(shí)現(xiàn)伸長運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，尾部B氣動(dòng)人工肌肉303充氣氣壓升高條件下收縮，從而保證了尾部柔 性板301的向下擺動(dòng)。尾部柔性板301的向下或向上擺動(dòng)帶動(dòng)柔性機(jī)體尾部向上或 向下擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的仿生機(jī)器人的下潛與上浮運(yùn)動(dòng)。 (四)左柔性翼5和右柔性翼6
參見圖6、圖7所示，左柔性翼5和右柔性翼6的結(jié)構(gòu)相同。
左柔性翼5的縱切面采用NACA標(biāo)準(zhǔn)翼形。左柔性翼5上設(shè)有左空腔501、左 柔性翼5的接合處設(shè)有兩個(gè)半圓孔(A半圓孔503、 B半圓孔504)，左柔性翼5的 上殼板上設(shè)有G通孔502，該G通孔502用于C氣管接頭43穿過。
右柔性翼6的縱切面采用NACA標(biāo)準(zhǔn)翼形。右柔性翼6上設(shè)有右空腔601、右 柔性翼6的接合處設(shè)有兩個(gè)半圓孔(C半圓孔603、 D半圓孔604)，右柔性翼6的 上殼板上設(shè)有H通孔602 ，該H通孔602用于D氣管接頭44穿過。
左柔性翼5與右柔性翼6裝配在一起時(shí)，A半圓孔503與C半圓孔603形成 一個(gè)完整的通孔，該通孔用于B氣管接頭44穿過，B半圓孔504與D半圓孔604 形成另一個(gè)完整的通孔，該通孔用于A氣管接頭41穿過。
待四個(gè)氣管接頭安裝好后，最后對左柔性翼5與右柔性翼6的接合處采用柔性 材料(柔性材料是單組分硅橡膠或者雙組份硅橡膠)進(jìn)行灌封粘接。
本發(fā)明的柔性胸鰭擺動(dòng)式水下仿生機(jī)器人，通過控制左柔性肋骨101的柔度分 布，以及A滑線塊111、 B滑線塊112的位置，來控制左柔性肋骨101的形變，從 而間接限定左柔性翼5的形變。通過控制左氣動(dòng)人工肌肉102的收縮量控制左柔性 肋骨101的擺動(dòng)幅度，從而控制左柔性翼5的擺動(dòng)幅度；控制左氣動(dòng)人工肌肉102 的收縮頻率，來控制左柔性肋骨101的擺動(dòng)頻率，從而控制左柔性翼5的擺動(dòng)頻率。
通過控制右柔性肋骨201的柔度分布，以及C滑線塊211、 D滑線塊212的 位置，來控制右柔性肋骨201的形變，從而間接限定右柔性翼6形變。通過控制右 氣動(dòng)人工肌肉202的收縮量控制右柔性肋骨201的擺動(dòng)幅度，從而控制右柔性翼6 的擺動(dòng)幅度，控制右氣動(dòng)人工肌肉202的收縮頻率，控制右柔性肋骨201的擺動(dòng)頻 率，從而控制右柔性翼6的擺動(dòng)頻率。根據(jù)左柔性翼5和右柔性翼6的擺動(dòng)幅度和擺動(dòng)頻率的不同，實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器人 前進(jìn)速度的調(diào)節(jié)；左柔性翼5與右柔性翼6同步擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)； 左柔性翼5與右柔性翼6的異步擺動(dòng)或者反相位擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。
通過控制尾部A氣動(dòng)人工肌肉302和尾部B氣動(dòng)人工肌肉303的縮短與回復(fù) 實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)體尾部的上擺和下擺運(yùn)動(dòng)。尾部A氣動(dòng)人工肌肉302充氣收縮，尾部B 氣動(dòng)人工肌肉303放氣回復(fù)，拉動(dòng)尾部柔性板301向上擺動(dòng)，尾部柔性板301的向 上擺動(dòng)帶動(dòng)柔性機(jī)體尾部實(shí)現(xiàn)上擺運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器人上??；尾部B氣動(dòng)人工肌 肉303充氣收縮，尾部A氣動(dòng)人工肌肉302放氣回復(fù)，拉動(dòng)尾部柔性板301向下 擺動(dòng)，尾部柔性板301的向下擺動(dòng)帶動(dòng)柔性機(jī)體尾部實(shí)現(xiàn)下擺運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器 人下潛。
權(quán)利要求
1、一種柔性胸鰭擺動(dòng)式水下仿生機(jī)器人，包括有氣源和仿生結(jié)構(gòu)體，其特征在于所述仿生結(jié)構(gòu)體由左擺動(dòng)組件(1)、右擺動(dòng)組件(2)、尾部擺動(dòng)組件(3)、支撐組件(4)、左柔性翼(5)和右柔性翼(6)組成；左柔性翼(5)與右柔性翼(6)的結(jié)構(gòu)相同，且以縱軸線為中心對稱進(jìn)行裝配；左擺動(dòng)組件(1)與右擺動(dòng)組件(2)結(jié)構(gòu)相同，左擺動(dòng)組件(1)、右擺動(dòng)組件(2)、尾部擺動(dòng)組件(3)和支撐組件(4)設(shè)置在左柔性翼(5)與右柔性翼(6)的內(nèi)部；支撐組件(4)沿縱軸線設(shè)置，左擺動(dòng)組件(1)和右擺動(dòng)組件(2)分別安裝在支撐組件(4)的左、右兩側(cè)，尾部擺動(dòng)組件(3)安裝在支撐組件(4)的后端；支撐組件(4)包括有骨架(401)、配重塊(402)、墊塊(403)、接頭(404)、連接件(405)；配重塊(402)和墊塊(403)安裝在骨架(401)的下板面(4b)上；骨架(401)的上板面(4a)上開有用于A氣管接頭(41)、B氣管接頭(42)、C氣管接頭(43)、D氣管接頭(44)穿過的四個(gè)通孔，骨架(401)的后板面(4c)的背部安裝有連接件(405)；墊塊(403)上設(shè)有I螺紋孔(431)、J螺紋孔(432)，I螺紋孔(431)用于安裝左柔性肋骨(101)，J螺紋孔(432)用于安裝右柔性肋骨(201)，墊塊(403)的上板面與接頭(404)的下板面之間有一夾縫(406)，該夾縫(406)用于放置左柔性肋骨(101)、右柔性肋骨(201)；接頭(404)的后板面(404a)上設(shè)有G螺紋孔(447)和H螺紋孔(448)，接頭(404)的上板面(404b)上設(shè)有A螺紋孔(441)、B螺紋孔(442)、C螺紋孔(443)、D螺紋孔(444)，接頭(404)的A側(cè)板面(404c)上設(shè)有E螺紋孔(445)，接頭(404)的B側(cè)板面(404d)上設(shè)有F螺紋孔(446)，A螺紋孔(441)與G螺紋孔(447)導(dǎo)通，B螺紋孔(442)與H螺紋孔(448)導(dǎo)通，D螺紋孔(444)與E螺紋孔(445)導(dǎo)通，C螺紋孔(443)與F螺紋孔(446)導(dǎo)通；A螺紋孔(441)用于安裝A氣管接頭(41)，A氣管接頭(41)與外部氣源連接；G螺紋孔(447)上安裝有用于與A通氣管(45)連接的氣管接頭；由于A螺紋孔(441)與G螺紋孔(447)的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了外部為尾部A氣動(dòng)人工肌肉(302)提供壓縮空氣；B螺紋孔(442)用于安裝B氣管接頭(42)，B氣管接頭(42)與外部氣源連接；H螺紋孔(448)上安裝有用于與B通氣管(46)連接的氣管接頭；由于B螺紋孔(442)與H螺紋孔(448)的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了外部為尾部B氣動(dòng)人工肌肉(303)提供壓縮空氣；C螺紋孔(443)用于安裝C氣管接頭(43)，C氣管接頭(43)與外部氣源連接；F螺紋孔(446)內(nèi)連接有左氣動(dòng)人工肌肉(102)的一端；由于C螺紋孔(443)與F螺紋孔(446)的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了外部為左氣動(dòng)人工肌肉(102)提供壓縮空氣；D螺紋孔(444)用于安裝D氣管接頭(44)，D氣管接頭(44)與外部氣源連接；E螺紋孔(445)內(nèi)連接有右氣動(dòng)人工肌肉(202)的一端；由于D螺紋孔(444)與E螺紋孔(445)的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了外部為右氣動(dòng)人工肌肉(202)提供壓縮空氣；連接件(405)設(shè)計(jì)為“Z”字形，連接件(405)的安裝面(451)為光滑面，連接件(405)的正面(455)從上至下設(shè)有A凸耳對(452)、尾板槽(454)、B凸耳對(453)，A凸耳對(452)中安裝有尾部A氣動(dòng)人工肌肉(302)的前端，尾板槽(454)中安裝有尾板的前端，B凸耳對(453)中安裝有尾部B氣動(dòng)人工肌肉(303)的前端；左擺動(dòng)組件(1)包括有左柔性肋骨(101)、左氣動(dòng)人工肌肉(102)、左拉繩(103)、A拉繩塊(115)、兩個(gè)拉繩導(dǎo)向件，即A滑線塊(111)與A壓板(113)組成第一個(gè)拉繩導(dǎo)向件，B滑線塊(112)與B壓板(114)組成第二個(gè)拉繩導(dǎo)向件；第一個(gè)拉繩導(dǎo)向件與第二個(gè)拉繩導(dǎo)向件的結(jié)構(gòu)相同；左柔性肋骨(101)的根部(104)通過螺釘與I螺紋孔(431)的配合實(shí)現(xiàn)將左柔性肋骨(101)安裝在墊塊(403)上；左柔性肋骨(101)的上板面安裝有A滑線塊(111)、B滑線塊(112)，左柔性肋骨(101)的下板面安裝有A壓板(113)、B壓板(114)，A滑線塊(111)與B滑線塊(112)的結(jié)構(gòu)相同，A壓板(113)與B壓板(114)的結(jié)構(gòu)相同，A滑線塊(111)上設(shè)有C光孔(111a)，C光孔(111a)內(nèi)安裝有滑套(111b)，滑套(111b)的中心開有C通孔(111c)，C通孔(111c)用于左拉繩(103)在其內(nèi)進(jìn)行滑動(dòng)；B滑線塊(112)與A壓板(113)分別設(shè)置在左柔性肋骨(101)的上下板面，并通過螺釘與螺母安裝在左柔性肋骨(101)上；左拉繩(103)的一端穿過A拉繩塊(115)的C通孔(115c)后打結(jié)，左拉繩(103)的另一端穿過左柔性肋骨(101)上的A通孔(106)后打結(jié)；A拉繩塊(115)為“凹”形結(jié)構(gòu)，A拉繩塊(115)的兩凸耳上分別設(shè)有A銷釘孔(115a)、B銷釘孔(115b)，且A銷釘孔(115a)與B銷釘孔(115b)同軸，通過在A銷釘孔(115a)與B銷釘孔(115b)的孔內(nèi)放置一個(gè)銷釘實(shí)現(xiàn)將左氣動(dòng)人工肌肉(102)的另一端與A拉繩塊(115)的連接；A拉繩塊(115)的底部中心設(shè)有C通孔(115c)，該C通孔(115c)用于左拉繩(103)穿過；左氣動(dòng)人工肌肉(102)的一端連接在接頭(404)的F螺紋孔(446)中，左氣動(dòng)人工肌肉(102)的另一端連接在A拉繩塊(115)上；右擺動(dòng)組件(2)包括有右柔性肋骨(201)、右氣動(dòng)人工肌肉(202)、右拉繩(203)、B拉繩塊(215)、兩個(gè)拉繩導(dǎo)向件，即C滑線塊(211)與C壓板(213)組成第三個(gè)拉繩導(dǎo)向件，D滑線塊(212)與D壓板(214)組成第四個(gè)拉繩導(dǎo)向件；B拉繩塊(215)與A拉繩塊(115)的結(jié)構(gòu)相同；第一個(gè)拉繩導(dǎo)向件、第二個(gè)拉繩導(dǎo)向件、第三個(gè)拉繩導(dǎo)向件和第四個(gè)拉繩導(dǎo)向件的結(jié)構(gòu)相同；右柔性肋骨(201)與左柔性肋骨(101)的結(jié)構(gòu)相同；右柔性肋骨(201)的上板面安裝有C滑線塊(211)、C滑線塊(212)，右柔性肋骨(201)的下板面安裝有C壓板(213)、D壓板(214)；右拉繩(203)的一端穿過B拉繩塊(215)上的通孔后打結(jié)，右拉繩(203)的另一端穿過右柔性肋骨(201)上的B通孔(206)后打結(jié)；B拉繩塊(215)與A拉繩塊(115)的結(jié)構(gòu)相同，通過一個(gè)銷釘實(shí)現(xiàn)將右氣動(dòng)人工肌肉(202)的另一端與B拉繩塊(215)的連接，右拉繩(203)穿過B拉繩塊(215)底部的通孔后打結(jié)；右氣動(dòng)人工肌肉(202)的一端連接在接頭(404)的E螺紋孔(445)中，右氣動(dòng)人工肌肉(202)的另一端連接在B拉繩塊(215)上；右氣動(dòng)人工肌肉(202)的一端與E螺紋孔(445)的連接；尾部擺動(dòng)組件(3)包括有尾部柔性板(301)、尾部A氣動(dòng)人工肌肉(302)、尾部B氣動(dòng)人工肌肉(303)、上拉件(305)、下拉件(307)；尾部柔性板(301)為一個(gè)箭頭形狀，尾部柔性板(301)的根部安裝在連接件(405)的尾板槽(454)內(nèi)；尾部A氣動(dòng)人工肌肉(302)的前端(302a)安裝在連接件(405)的A凸耳對(452)中，且前端(302a)上設(shè)有E氣管接頭(3a)，E氣管接頭(3a)上連接有A通氣管(45)，A通氣管(45)的另一端與G氣管接頭連接，接頭(404)的A螺紋孔(441)中安裝有A氣管接頭(41)，A氣管接頭(41)與外部氣源連接；尾部A氣動(dòng)人工肌肉(302)的后端(302b)通過上拉繩(304)實(shí)現(xiàn)與上拉件(305)的連接，上拉件(305)安裝在尾部柔性板(301)的上板面上；尾部B氣動(dòng)人工肌肉(303)的前端(303a)安裝在連接件(405)的B凸耳對(453)中，且前端(303a)上設(shè)有F氣管接頭(3b)，F(xiàn)氣管接頭(3b)上連接有B通氣管(46)，B通氣管(46)的另一端與H氣管接頭連接，接頭(404)的B螺紋孔(442)中安裝有B氣管接頭(42)，B氣管接頭(42)與外部氣源連接；尾部B氣動(dòng)人工肌肉(303)的后端(303b)通過下拉繩(306)實(shí)現(xiàn)與下拉件(307)的連接，下拉件(306)安裝在尾部柔性板(301)的下板面上；上拉件(305)與下拉件(307)的結(jié)構(gòu)相同，上拉件(305)為一“T”型結(jié)構(gòu)件，上拉件(305)中部的凸起上設(shè)有E通孔(305a)，E通孔(305a)用于上拉繩(304)穿過，上拉件(305)的底部平臺上設(shè)有F通孔(305b)；左柔性翼(5)上設(shè)有左空腔(501)、左柔性翼(5)的接合處設(shè)有A半圓孔(503)、B半圓孔(504)，左柔性翼(5)的上殼板上設(shè)有G通孔(502)，該G通孔(502)用于C氣管接頭(43)穿過；右柔性翼(6)上設(shè)有右空腔(601)、右柔性翼(6)的接合處設(shè)有C半圓孔(603)、D半圓孔(604)，右柔性翼(6)的上殼板上設(shè)有H通孔(602)，該H通孔(602)用于D氣管接頭(44)穿過；左柔性翼(5)與右柔性翼(6)裝配在一起時(shí)，A半圓孔(503)與C半圓孔(603)形成一個(gè)完整的通孔，該通孔用于B氣管接頭(44)穿過，B半圓孔(504)與D半圓孔(604)形成另一個(gè)完整的通孔，該通孔用于A氣管接頭(41)穿過；左柔性翼(5)與右柔性翼(6)的接合處采用單組分硅橡膠或者雙組份硅橡膠的柔性材料灌封粘接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性胸鰭擺動(dòng)式水下仿生機(jī)器人，其特征在于左柔性翼 (5)和右柔性翼(6)分別采用單組分硅橡膠或者雙組份硅橡膠的柔性材料澆鑄成一 體化結(jié)構(gòu)件。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性胸鰭擺動(dòng)式水下仿生機(jī)器人，其特征在于配重塊 (402)為一鉛塊，配重塊(402)的重量是仿生機(jī)器人總重量的1/5 1/3。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性胸鰭擺動(dòng)式水下仿生機(jī)器人，其特征在于第一個(gè)拉 繩導(dǎo)向件和第二個(gè)拉繩導(dǎo)向件能夠保證左拉繩(103)在左柔性肋骨根部(104)至左 柔性肋骨尖部(105)、或左柔性肋骨尖部(105)至左柔性肋骨根部(104)的方向上滑 動(dòng)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性胸鰭擺動(dòng)式水下仿生機(jī)器人，其特征在于第三個(gè)拉 繩導(dǎo)向件和第四個(gè)拉繩導(dǎo)向件能夠保證右拉繩(203)在右柔性肋骨根部(204)至右 柔性肋骨尖部(205)、或右柔性肋骨尖部(205)至右柔性肋骨根部(204)的方向上滑動(dòng)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性胸鰭擺動(dòng)式水下仿生機(jī)器人，其特征在于第一個(gè)拉 繩導(dǎo)向件與第二個(gè)拉繩導(dǎo)向件之間的間隔為左柔性肋骨(101)總長度的1/4;第三 個(gè)拉繩導(dǎo)向件和第四個(gè)拉繩導(dǎo)向件之間的間隔為右柔性肋骨(201)總長度的1/4。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性胸鰭擺動(dòng)式水下仿生機(jī)器人，其特征在于左柔性肋 骨(101)和右柔性肋骨(201)采用具有彈性的玻璃纖維板、碳纖維板或者聚乙烯塑 料板板狀材料制作。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性胸鰭擺動(dòng)式水下仿生機(jī)器人，其特征在于左氣動(dòng)人 工肌肉(102)和右氣動(dòng)人工肌肉(202)選用McKibben型氣動(dòng)人工肌肉，耐壓 0.6MPfl 。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性胸鰭擺動(dòng)式水下仿生機(jī)器人，其特征在于左柔性翼 (5)和右柔性翼(6)的縱切面采用NACA標(biāo)準(zhǔn)翼形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種柔性胸鰭擺動(dòng)式水下仿生機(jī)器人，該仿生機(jī)器人由左擺動(dòng)組件、右擺動(dòng)組件、尾部擺動(dòng)組件、支撐組件、左柔性翼和右柔性翼組成；左柔性翼與右柔性翼的結(jié)構(gòu)相同，且以縱軸線為中心對稱進(jìn)行裝配形成柔性機(jī)體，左擺動(dòng)組件、右擺動(dòng)組件、尾部擺動(dòng)組件和支撐組件設(shè)置在柔性機(jī)體內(nèi)部，氣源設(shè)置在柔性機(jī)體的外部；支撐組件沿縱軸線設(shè)置，左擺動(dòng)組件和右擺動(dòng)組件分別安裝在支撐組件的左、右兩側(cè)，尾部擺動(dòng)組件安裝在支撐組件的后端。左擺動(dòng)組件與右擺動(dòng)組件結(jié)構(gòu)相同。該仿生機(jī)器人采用外置氣源驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)人工肌肉實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器人在水中的前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎和升沉運(yùn)動(dòng)。
文檔編號B63H1/00GK101486377SQ20091007862
公開日2009年7月22日 申請日期2009年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月27日
發(fā)明者畢樹生, 蔡月日, 鄭禮成 申請人:北京航空航天大學(xué)