本實用新型屬于仿生機器人技術領域，具體涉及一種剛度可控的水下仿生推進裝置，能夠?qū)崟r控制水下機器仿生推進裝置剛度變化，從而提高推進性能的裝置。

背景技術：

機器人技術是集仿生學、機構學、材料學、控制技術、機電一體化技術、傳感技術與人工智能技術于一體的現(xiàn)代科學技術，是國家工業(yè)發(fā)展水平以及科技實力的重要體現(xiàn)，特別在軍事上有很強的應用性。仿生潛航器的研究更是具有機動性強、噪聲低、隱藏于生物環(huán)境中不易辨識等優(yōu)勢，相比傳統(tǒng)常規(guī)海戰(zhàn)兵器更具經(jīng)濟性、突發(fā)性、欺騙性、隱蔽性和高生存率。仿生水下潛航器的仿生對象多種多樣，其中以仿魚機器人最為普遍。魚類經(jīng)過上億年的進化，能夠通過調(diào)節(jié)自身肌肉來改變自身剛度，從而處在復雜的水下環(huán)境以及不同的運動狀態(tài)時，都能保證良好的運動特性。

仿生水下潛航器要能適應水下環(huán)境并有效完成任務，需要應對兩個挑戰(zhàn)：一是水下復雜多變的環(huán)境。水中環(huán)境流動比較復雜，對于河流來說，有固定水流方向，同時也有暗流和漩渦，對于湖泊來說會有風浪，而對于海水，還有較大的風浪和潮汐。因此仿生潛航器要有較高的推進速度和推進力來防止被困；二是多任務多作業(yè)的完成。潛航器需要在水下完成多種作業(yè)，不同作業(yè)對其性能提出不同要求。如水下巡檢，需具有較高的推進效率，在有限的能源供給下完成大范圍游動；又如水下偵查，既需具有較高機動性，能穿越各種障礙迅速到達所需偵查的目的地，又需較好的穩(wěn)定性和隱蔽性以防暴露目標。

研究表明，仿生水下推進裝置的剛度變化會影響到機器人的運動要求以及其推進性能。然而傳統(tǒng)的仿生水下潛航器的剛度固定，當在水下進行單一作業(yè)時，無法根據(jù)實時變化的水下復雜環(huán)境改變自身剛度，以達到最優(yōu)游動性能；而在單一水域環(huán)境完成不同運動狀態(tài)傳統(tǒng)仿生水下潛航器又會受到自身剛度不可變的影響，很難做到在各種運動狀態(tài)下都達到最佳的游動性能；另外，對于傳統(tǒng)的仿生水下推進裝置來說，想要改變剛度一般是通過更換材料等方式，效率低下，且不能在一個擺動周期內(nèi)改變剛度，對推進性能提高有限。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術中存在的問題，使仿生推進裝置能夠在游動中的每個周期內(nèi)通過改變剛度，調(diào)整仿生推進裝置在擺動周期內(nèi)水中對其推進方向同向和反向的作用力大小以及作用方式，有效提高其推進性能。本實用新型提出的一種剛度可控的水下仿生推進裝置，能夠在機器人運動的同時，在一個周期內(nèi)，通過改變不同變剛度關節(jié)的剛度，模擬自然界中魚的肌肉的收縮與舒張，使仿生推進裝置在水中一個周期擺動時能呈現(xiàn)出不同的游動姿態(tài)，以使得在有益于正向推進力產(chǎn)生的周期達到最適剛度，而在不利于正向推進力產(chǎn)生的周期改變剛度使產(chǎn)生的阻力最小，從而提高了一個拍動周期的推進能力。本實用新型的各個變剛度關節(jié)的剛度變化可以是同步的也可以是獨立的，可通過對各個關節(jié)進行不同剛度變化，提高仿生水下推進機構的推進性能。

本實用新型提出的一種剛度可控的水下仿生推進裝置，包括仿生推進裝置主體，仿生推進裝置主體包括一節(jié)或兩節(jié)及以上變剛度系統(tǒng)和仿生魚尾鰭，所述仿生推進裝置主體外部有防水蒙皮包裹；所述任意一節(jié)變剛度系統(tǒng)由變剛度關節(jié)和關節(jié)連接框架連接而成，所述變剛度關節(jié)由鐵芯，磁感線圈，磁流變彈性體(MRE)環(huán)，低碳鋼片，永磁鐵和鋁質(zhì)連接頭組成，其中，磁感線圈圍繞著鐵芯，永磁鐵中心穿過鐵芯，并壓緊州城外圈和轉(zhuǎn)動零件，永磁鐵提供一個恒定的磁場，使變剛度關節(jié)一開始就處在磁場環(huán)境中，當改變線圈磁場強度時，由永磁鐵的磁場和線圈的磁場共同影響變剛度關節(jié)，從而可使變剛度關節(jié)的剛度實現(xiàn)正負方向的變化，或者不加永磁鐵，則沒有一開始的磁場環(huán)境，改變線圈磁場強度時，只能實現(xiàn)剛度的正向變化，磁流變彈性體(MRE)環(huán)和低碳鋼片交錯套在磁感線圈外，可通過調(diào)節(jié)電流大小來調(diào)節(jié)磁場，通過磁通量的變化來改變關節(jié)扭轉(zhuǎn)剛度，變剛度關節(jié)的上下兩端鋁質(zhì)連接頭與關節(jié)連接框架一端相連接；關節(jié)連接框架另一端中部與另一變剛度關節(jié)中部相連接。

進一步的，所述仿生推進裝置主體呈仿生魚體形狀。

進一步的，所述變剛度關節(jié)鋁質(zhì)連接頭可根據(jù)仿生水下推進裝置的要求不同，設計不同的連接方式，鋁質(zhì)連接頭可與框架鉸接上，也可與框架固定連接，也可被框架夾緊。

進一步的，所述變剛度關節(jié)為圓柱體、長方體或圓錐形狀。

進一步的，所述仿生魚尾鰭形狀為長方形，新月形，梯形或扇形。

本實用新型的有益效果為：本實用新型剛度可控仿生推進裝置在運動周期下通過剛度的變化提高其推進性能。在一個周期中，水給仿生推進裝置的反作用力與機器人行進方向相同時，可將仿生推進裝置的剛度變?yōu)樽钸m值，即在此剛度下產(chǎn)生的推進力最大；而當水給仿生推進裝置的反作用力與機器人行進方向相反時，可將仿生推進裝置的剛度變?yōu)樽钚?，即在此剛度下所產(chǎn)生的推進力最小，從而提高了仿生推進裝置的推進性能?？梢栽谕七M時對不同關節(jié)改變不同剛度，增強了仿生推進裝置對環(huán)境的適應性和對諸如巡游、轉(zhuǎn)彎、加速等任務的快速實現(xiàn)能力，在不同環(huán)境和任務下都能達到最優(yōu)推進性能。

附圖說明

圖1為本實用新型剛度可控水下仿生推進裝置含兩節(jié)及兩節(jié)以上變剛度系統(tǒng)的結(jié)構示意圖，其中，1為變剛度關節(jié)，2為關節(jié)連接框架，3為仿生魚鰭；

圖2為本實用新型剛度可控水下仿生推進裝置含一節(jié)變剛度系統(tǒng)的結(jié)構示意圖；

圖3為根據(jù)本實用新型一實施例的變剛度關節(jié)的內(nèi)部結(jié)構示意圖，其中，4為鋁質(zhì)連接頭，5為低碳鋼端蓋，6為低碳鋼片，7為磁流變彈性體(MRE)環(huán)，8為永磁體，9為鐵芯，10為磁感線圈，11為滾珠軸承，12為轉(zhuǎn)動零件(低碳鋼)，13為磁感應線；

圖4為根據(jù)本實用新型一實施例的變剛度關節(jié)的結(jié)構示意圖；

圖5為根據(jù)本實用新型一實施例的變剛度關節(jié)的剖視圖。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本實用新型進一步詳細說明。

以含兩節(jié)及兩節(jié)以上變剛度系統(tǒng)的剛度可控水下仿生推進裝置為例，圖1為本實用新型剛度可控水下仿生推進裝置含的結(jié)構示意圖，如圖1所示，所述剛度可控仿生推進裝置是由仿生魚尾鰭3和若干個變剛度系統(tǒng)組成，每個變剛度系統(tǒng)包括：變剛度關節(jié)1和關節(jié)連接框架2。其中：

所述變剛度系統(tǒng)是有變剛度關節(jié)兩端與關節(jié)連接架末端相連接，關節(jié)連接架的前端與另一組變剛度系統(tǒng)的變剛度關節(jié)中部轉(zhuǎn)動零件相連接。這樣以來，兩個或兩個以上的變剛度系統(tǒng)之間就能發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。仿生魚尾鰭的前端與最后一組變剛度系統(tǒng)的變剛度關節(jié)中部轉(zhuǎn)動零件相連接。這樣在擺動時各個系統(tǒng)之間都會產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)仿生推進。

圖2為所述一個變剛度系統(tǒng)與仿生魚尾鰭組成，原理與含兩節(jié)及兩節(jié)以上的變剛度系統(tǒng)與仿生尾鰭組成的結(jié)構原理相同。

圖3為變剛度關節(jié)的剖視圖。變剛度關節(jié)由鋁質(zhì)連接頭4、低碳鋼端蓋5、低碳鋼片6、磁流變彈性體(MRE)環(huán)7、永磁鐵(可以不要永磁鐵換成有一定厚度的低碳鋼片)8、鐵芯9、磁感線圈10、滾珠軸承11和轉(zhuǎn)動零件(低碳鋼)12組成。其中，鋁質(zhì)連接頭頂部與關節(jié)連接框架末端連接，底部與低碳鋼端蓋連接。變剛度關節(jié)兩端的低碳鋼端蓋固定了鐵芯的位置，鐵芯中間套有滾珠軸承。滾珠軸承外側(cè)與轉(zhuǎn)動零件過盈配合。轉(zhuǎn)動零件上下兩側(cè)與永磁鐵(或厚低碳鋼片)接觸。在低碳鋼端蓋和永磁鐵(或厚低碳鋼片)中間，鐵芯外側(cè)纏繞多匝磁感線圈。在磁感線圈外側(cè)，磁流變彈性體(MRE)環(huán)和低碳鋼片交錯放置。整個變剛度關節(jié)的外置部分全部粘接。磁感應線13方向可以為如圖3所示方向，也可為相反方向。磁感應線方向與磁感線圈纏繞方向有關。

當仿生魚尾鰭擺動時，關節(jié)連接框架會帶動轉(zhuǎn)動零件轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動零件會使整個變剛度關節(jié)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。在固定的環(huán)境、一定的擺動角度和頻率下，變剛度關節(jié)扭轉(zhuǎn)的角度是只與水的反作用力有關。通過改變磁感線圈電流大小來改變磁場強度，進一步改變磁流變彈性體的剛度，從而主動改變關節(jié)剛度，模擬魚在游動時肌肉剛度的變化，從而能夠找到最適與當前環(huán)境、頻率和擺幅的剛度，提高仿生推進裝置的推進性能。

當仿生推進裝置在復雜的環(huán)境下進行作業(yè)時，可通過改變磁場強度來改變關節(jié)剛度，從而改變整個仿生推進裝置在水中的游動特性，提高其環(huán)境適應能力和游動特性。而當仿生推進裝置在進行諸如巡游、轉(zhuǎn)彎或直線加速等任務時，可通過調(diào)節(jié)其剛度的變化來達到各個任務的最適剛度，以實現(xiàn)在巡游、轉(zhuǎn)彎或直線加速時都能達到仿生推進裝置的最優(yōu)性能。

同時，所述變剛度水下仿生推進裝置的每個變剛度系統(tǒng)的剛度變化可以是一致的，也可以是各自獨立的。因此，本變剛度水下仿生推進裝置可在一個擺動周期內(nèi)改變不同關節(jié)的剛度，使仿生推進裝置在擺動時，在有助于推進力產(chǎn)生的周期達到各個關節(jié)的最適剛度，以提高推進力，而在產(chǎn)生反向力的周期調(diào)整剛度使反向力產(chǎn)生最小，從而減少阻力，進而提高了變剛度仿生推進裝置的推進性能。

圖4為所述變剛度關節(jié)的三維視圖，圖5為所述變剛度關節(jié)的三維剖視圖。

總之，所述剛度可控水下仿生推進裝置的工作原理是：改變磁場強度來改變各個關節(jié)的剛度，并進一步通過仿生推進裝置的剛度變化來改變機器人的運動特性，從而增強了機器人的推進性能。

綜上，本實用新型剛度可控水下仿生推進裝置可以提高機器人在水下運動的長航時長航程能力，同時又具備高速、高機動推進的能力，并能在一個周期內(nèi)通過不同關節(jié)剛度的變化提高每個周期的推進力，能夠極大的改善推進性能。

以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。