CN102248995B - 咽颌运动模式欠驱动柔性胸鳍仿生装置 - Google Patents

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Abstract

一种咽颌运动模式欠驱动柔性胸鳍仿生装置，设有鳍基、鳍条及设置在相邻鳍条之间的鳍间隔膜，鳍条包括两根边鳍条和设置在两根边鳍条之间的至少一根中间鳍条，利用两边鳍条引导中间鳍条实现背腹摆动运动，减少胸鳍仿生系统驱动关节的数量。将鳍条侧向摆动电机、减速器和蜗杆安装在鳍条背腹摆动构件上，减小仿生胸鳍的体积，消除鳍条侧向摆动运动和背腹摆动运动之间的耦合作用。采用正交锥齿轮和电动机作为两边仿生鳍条摆动运动的传动和驱动装置，使胸鳍仿生装置更加紧凑。采用旋转阻尼器消除中间仿生鳍条在惯性力作用下的振荡运动。本发明与现有胸鳍仿生装置相比，体积更小，结构更简单，耗能更少，便于安装和加工。

Description

咽颌运动模式欠驱动柔性胸鳍仿生装置
技术领域
 本发明涉及一种水下仿生机器人技术，特别是一种咽颌运动模式欠驱动柔性胸鳍仿生装置。
背景技术
咽颌型运动模式（Labriform Mode）是大多数硬骨鱼类所采用的一种重要操纵运动方式。它以胸鳍作为主要的操纵面，完成鱼在水中的悬停、前进、倒退、刹车和转弯等姿态操纵功能。而这些高效、灵活和机动性强的操纵性能正是常规推进水下运载工具所欠缺的。为了提高水下运载工具的操纵性能，适应海洋资源开发和海洋环境保护的需要，以鱼类胸鳍为灵感的新型推进工具越来越受到人们的关注和重视。
通过对咽颌运动模式鱼类胸鳍解剖结构、神经肌肉控制系统、鳍条和鳍面的机械特性等性能的研究发现，胸鳍的推进运动是由胸鳍鳍条的主被动变形和鳍条的摆动运动组合实现的，结构和控制复杂而精细，自由度较多。目前，有关咽颌运动模式柔性胸鳍仿生的研究还很不充分，处于刚刚起步阶段。大多数研究采用刚性（或柔性）平板作为仿生胸鳍鳍面建立胸鳍仿生系统，如日本东海大学的Kato教授、中国科学院自动化研究所的谭民教授（见专利 CN1785747）、哈尔滨工程大学的苏玉民教授和中国科学技术大学的陈宏博士等。日本东海大学的Kato教授和美国海军科学研究实验所的J.Palmisano等分别建立了能进行鳍条的主动弯曲变形，而不能进行鳍条摆动运动的胸鳍仿生装置。麻省理工学院的J.L.Tangorra等建立了能进行主动弯曲变形的鳍条，并将其安装在由弹性变形材料做成的基座上，然后，由电动机拖动尼龙绳来驱动鳍条和鳍基的变形运动，以实现胸鳍的推进运动。然而，由于对由弹性材料做成基座的变形运动进行精确控制是非常困难的，因此，该仿生胸鳍仅能对胸鳍的推进运动进行粗略的模仿。为了解决上一仿生胸鳍存在的问题，J.L.Tangorra 等对仿生胸鳍的基座进行了进一步的改进，建立了能实现鳍条两个自由度旋转运动的仿生机构，并将可进行被动弯曲变形的鳍条安装在基座上，然后通过电动机带动尼龙绳来实现胸鳍的各种运动形态。由于每个鳍条具有两个旋转自由度，驱动它需要四条尼龙绳，两个电机，因此此仿生装置存在结构复杂、体积庞大、鳍条的两个旋转自由度相互耦合等问题。
通过上面的分析可以看出，现有的胸鳍仿生装置大多是利用刚性（或柔性）平板的摆动运动代替胸鳍的推进运动，或者是仅通过鳍条的主动弯曲变形来实现胸鳍的推进运动。而从鱼类胸鳍的骨骼结构和神经肌肉控制的作用机理出发进行柔性胸鳍仿生装置的研究还很少。就目前查阅的文献资料来看，主要是麻省理工学院J.L.Tangorra 等建立的仿生装置。这一仿生装置主要存在驱动和传动系统结构复杂、体积庞大、驱动变量较多、控制困难等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出了一种体积更小，结构更简单，耗能更少，便于安装和加工的咽颌运动模式欠驱动柔性胸鳍仿生装置。
本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，一种咽颌运动模式欠驱动柔性胸鳍仿生装置，其特点是：设有鳍基、鳍条及设置在相邻鳍条之间的鳍间隔膜，鳍条包括两根边鳍条和设置在两根边鳍条之间的至少一根中间鳍条，鳍条通过背腹摆动构件与鳍基相接，两根边鳍条的背腹摆动构件为主动背腹摆动构件，主动背腹摆动构件与背腹摆动驱动电机相接，中间鳍条的背腹摆动构件为从动背腹摆动构件，从动背腹摆动构件与鳍基之间设有旋转阻尼器，在背腹摆动构件上装有鳍条的侧向摆动驱动机构。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，背腹摆动构件分别与鳍条和鳍基铰接，上述两铰接的轴线相互垂直。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，侧向摆动驱动机构包括设置在鳍条根部的铰接轴Ⅰ，背腹摆动构件上设有与上述铰接轴Ⅰ旋转配合的铰接孔，铰接轴Ⅰ通过蜗轮蜗杆传动机构及减速机构与侧向摆动驱动电机相接。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，中间鳍条设有4~14根。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，鳍基包括内侧支撑板和外侧支撑板，所述的背腹摆动构件通过铰接轴Ⅱ装在两支撑板之间，铰接轴Ⅱ与背腹摆动构件固连为一体。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，背腹摆动驱动电机固定在内侧支撑板上，背腹摆动驱动电机通过正交的一对锥齿轮与主动背腹摆动构件上的的铰接轴Ⅱ相接。
本发明与现有技术相比，利用两边鳍条引导中间鳍条实现背腹摆动运动，减少胸鳍仿生系统驱动关节的数量。将鳍条侧向摆动电机、减速器和蜗杆安装在鳍条背腹摆动构件上，减小整个防生胸鳍的体积，消除鳍条侧向摆动运动和背腹摆动运动之间的耦合作用。采用正交锥齿轮和电动机作为两边鳍条摆动运动的传动和驱动装置，使胸鳍仿生装置更加紧凑。采用旋转阻尼器消除中间仿生鳍条在惯性力作用下的振荡运动。本发明与现有胸鳍仿生装置相比，体积更小，结构更简单，耗能更少，便于安装和加工，消除了仿生鳍条两个旋转自由度之间的耦合作用。
附图说明
图1为本发明胸鳍的结构简图。
图2为本发明胸鳍内侧结构简图。
图3为背腹摆动构件结构简图。
图4为鳍基结构图。
图5为主动背腹摆动构件的结构简图。
图6为从动背腹摆动构件的结构简图。
具体实施方式
一种咽颌运动模式欠驱动柔性胸鳍仿生装置，胸鳍相当于陆生动物的前肢，着生于鳃盖后缘的胸部。对鱼类具有运动、平衡和掌握运动方向的机能。当鱼停止前进时，胸鳍用于控制鱼体的平衡；缓慢地游动时，胸鳍又起着船桨的作用；高速行进时，胸鳍紧贴鱼体，当它举起时，则可减速和制动；当胸鳍一侧紧贴鱼体，一侧举起，则鱼体朝举起的一侧拐弯前进，协助尾鳍起舵的作用。
本发明的胸鳍仿生装置，设有鳍基4、鳍条及设置在相邻鳍条之间的鳍间隔膜2，鳍条包括两根边鳍条3和设置在两根边鳍条之间的至少一根中间鳍条1，鳍条通过背腹摆动构件7与鳍基4相接，两根边鳍条的背腹摆动构件为主动背腹摆动构件，主动背腹摆动构件与背腹摆动驱动电机5相接，中间鳍条的背腹摆动构件为从动背腹摆动构件，从动背腹摆动构件与鳍基4之间设有旋转阻尼器6，在背腹摆动构件上装有鳍条的侧向摆动驱动机构。
背腹摆动构件7分别与鳍条和鳍基铰接，上述两铰接的轴线相互垂直。鳍条平行于鱼体纵中剖面的背腹向摆动，我们称之为背腹摆动；鳍条垂直于鱼体纵中剖面向鱼体两侧的摆动，我们称之为侧向摆动。背腹摆动和侧向摆动基本上可以认为是垂直的，也可以根据实验需要，使两者具有一定的交角。
侧向摆动驱动机构包括设置在鳍条根部的铰接轴Ⅰ12，背腹摆动构件7上设有与上述铰接轴Ⅰ旋转配合的铰接孔10，铰接轴Ⅰ12通过蜗轮蜗杆传动机构13及减速机构14与侧向摆动驱动电机15相接。鳍条的侧向摆动也可以采用电机带动正交齿轮驱动鳍条摆动等方式来实现。
中间鳍条1设有4~14根。鱼的鳍条一般有13~14根，仿生鳍条的根数尽可能与真鱼相仿，可根据需要适当增减鳍条根数。本实施方式中采用了四根中间鳍条。
鳍基4包括内侧支撑板9和外侧支撑板8，所述的背腹摆动构件7通过铰接轴Ⅱ11装在两支撑板之间，铰接轴Ⅱ11与背腹摆动构件7固连为一体。
背腹摆动驱动电机5固定在内侧支撑板9上，背腹摆动驱动电机5通过正交的一对锥齿轮与主动背腹摆动构件上的的铰接轴Ⅱ11相接。从动背腹摆动构件上的的铰接轴Ⅱ一端与鳍基4的外侧支撑板8铰接，另一端装有旋转阻尼器6，旋转阻尼器6装在内侧支撑板9的阻尼器安装孔内。
鳍条间隔膜2的材料可采用天然橡胶薄膜或是由涤纶和氨纶构成的纺织面料。对于仿生鳍条可采用强度高，柔韧性强，重量轻的材料来制作以进一步减少仿生鳍条摆动运动惯性力的大小。

Claims (6)

1.一种咽颌运动模式欠驱动柔性胸鳍仿生装置，其特征在于：设有鳍基、鳍条及设置在相邻鳍条之间的鳍间隔膜，鳍条包括两根边鳍条和设置在两根边鳍条之间的至少一根中间鳍条，鳍条通过背腹摆动构件与鳍基相接，两根边鳍条的背腹摆动构件为主动背腹摆动构件，主动背腹摆动构件与背腹摆动驱动电机相接，中间鳍条的背腹摆动构件为从动背腹摆动构件，从动背腹摆动构件与鳍基之间设有旋转阻尼器，在所有的背腹摆动构件上装有鳍条的侧向摆动驱动机构。
2.根据权利要求1所述的咽颌运动模式欠驱动柔性胸鳍仿生装置，其特征在于：背腹摆动构件分别与鳍条和鳍基铰接，上述两铰接的轴线相互垂直。
3.根据权利要求1所述的咽颌运动模式欠驱动柔性胸鳍仿生装置，其特征在于：侧向摆动驱动机构包括设置在鳍条根部的铰接轴Ⅰ，背腹摆动构件上设有与上述铰接轴Ⅰ旋转配合的铰接孔，铰接轴Ⅰ通过蜗轮蜗杆传动机构及减速机构与侧向摆动驱动电机相接。
4.根据权利要求1所述的咽颌运动模式欠驱动柔性胸鳍仿生装置，其特征在于：中间鳍条设有4~14根。
5.根据权利要求1所述的咽颌运动模式欠驱动柔性胸鳍仿生装置，其特征在于：鳍基包括内侧支撑板和外侧支撑板，所述的背腹摆动构件通过铰接轴Ⅱ装在两支撑板之间，铰接轴Ⅱ与背腹摆动构件固连为一体。
6.根据权利要求5所述的咽颌运动模式欠驱动柔性胸鳍仿生装置，其特征在于：背腹摆动驱动电机固定在内侧支撑板上，背腹摆动驱动电机通过正交的一对锥齿轮与主动背腹摆动构件上的的铰接轴Ⅱ相接。
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