CN103318394A - 鳍面主动变形的咽颌模式仿生胸鳍 - Google Patents

Abstract

一种鳍面主动变形的咽颌模式仿生胸鳍，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，所述的鳍条包括连杆、鳍条座和鳍条本体，连杆的上端与鳍条座相接，鳍条座的内外两侧分别设有形状记忆合金驱动器，鳍条本体由内外两片分支构成，两片分支的下端分别与鳍条座内外两侧的形状记忆合金驱动器连接，并通过细绳的设置保证各部分均匀变形。形状记忆合金驱动器通入电流后发热，产生变形，从而控制鳍条的主动弯曲变形。减小了仿生胸鳍的质量、体积，简化控制系统的结构，使仿生胸鳍机构更紧凑，便于控制。

Description

鳍面主动变形的咽颌模式仿生胸鳍

技术领域

本发明涉及一种水下仿生机器人技术，特别是一种鳍面主动变形的咽颌模式仿生胸鳍。

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浩民教授（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。为了解决以上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，同时这些问题也使得进一步增加此仿生胸鳍的控制自由度是非常困难的。为此,申请人在专利（申请号：201110125787.0）中,从鱼类胸鳍的骨骼结构和神经肌肉控制的作用机理出发设计了一套新型的柔性胸鳍仿生装置。此装置结构紧凑、体积小，能够实现胸鳍的推进运动，但是其鳍面只能在水流的作用下进行被动变形。

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。专利（申请号：201110125787.0）和麻省理工学院J.L.Tangorra 等建立的仿生装置只能实现鳍面的被动变形。

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，提出了一种可以减小仿生胸鳍的质量、体积，简化控制系统的结构，使仿生胸鳍机构更紧凑的鳍面主动变形的咽颌模式仿生胸鳍。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，一种鳍面主动变形的咽颌模式仿生胸鳍，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均装有鳍条的侧向摆动驱动机构，其特点是：所述的鳍条包括与背腹摆动构件相接的连杆、鳍条座和鳍条本体，连杆的上端与鳍条座相接，鳍条座的内外两侧分别设有内侧形状记忆合金驱动器和外侧形状记忆合金驱动器，鳍条本体由内外两片分支构成，两片分支的上端固连在一起，两片分支的下端部贴在鳍条座的内外两侧，两片分支的下端分别与内侧形状记忆合金驱动器和外侧形状记忆合金驱动器的上端连接，在两片分支靠近形状记忆合金驱动器的下端部分别开有通孔，通孔中穿有一根细绳，细绳的两端向上固定在两片分支靠近上端的部位上，在鳍条座的顶端设有细绳通过的槽或孔，鳍条座顶端的槽或孔的位置高于两片分支上的通孔，两片分支之间的细绳担在鳍条座顶端的槽或孔内，形成中间高两边低的结构，内侧形状记忆合金驱动器和外侧形状记忆合金驱动器通入电流后发热，产生变形；通过对内、外两侧的形状记忆合金驱动器通入电流大小的控制，使内、外两侧的形状记忆合金驱动器产生相对位移差，从而控制鳍条的主动弯曲变形。

本发明与现有技术相比，利用形状记忆合金作为驱动器，可以减小仿生胸鳍的质量、体积，简化控制系统的结构，使仿生胸鳍机构更紧凑；能在模拟胸鳍推进运动的同时，实现鳍面的主动弯曲变形，改变鳍面的刚度，影响胸鳍推进性能；鳍条摆动和鳍条弯曲变形的驱动机构相互独立，便于控制。

附图说明

图1为本发明胸鳍的结构简图。

图2为鳍条的结构简图。

具体实施方式

一种鳍面主动变形的咽颌模式仿生胸鳍，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，在所有的背腹摆动构件上装有鳍条的侧向摆动驱动机构。

侧向摆动驱动机构包括设置在鳍条根部的铰接轴，背腹摆动构件上设有与上述铰接轴旋转配合的铰接孔，铰接轴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，所述的鳍条包括连杆7、鳍条座13和鳍条本体10，连杆7的下端与所述铰接轴固定，连杆7的上端与鳍条座13相接，鳍条座13的内外两侧分别设有内侧形状记忆合金驱动器8和外侧形状记忆合金驱动器14，鳍条本体10由内外两片分支构成，两片分支的上端固连在一起，两片分支的下端部贴在鳍条座13的内外两侧，两片分支的下端分别与内侧形状记忆合金驱动器8和外侧形状记忆合金驱动器14的上端连接，在两片分支靠近形状记忆合金驱动器的下端部分别开有通孔12，通孔12中穿有一根细绳11，细绳11的两端向上固定在两片分支靠近上端的部位上，在鳍条座13的顶端设有细绳通过的槽或孔9，鳍条座顶端的槽或孔的位置高于两片分支上的通孔，两片分支之间的细绳11担在鳍条座顶端的槽或孔内，形成中间高两边低的结构，内侧形状记忆合金驱动器8和外侧形状记忆合金驱动器14通入电流后发热，产生变形；通过对内、外两侧的形状记忆合金驱动器通入电流大小的控制，使内、外两侧的形状记忆合金驱动器产生相对位移差，从而控制鳍条的主动弯曲变形。

细绳11的主要作用是保证鳍条从顶端到底端均匀变形。形状记忆合金驱动器采用绝缘漆或柔性绝缘套管进行绝缘处理。另外，本发明可以利用水进行形状记忆合金的冷却，可以提高形状记忆合金的响应速度。

鳍条进行弯曲变形的过程：当外侧形状记忆合金驱动器通过电流加热到一定温度时，奥氏体含量增加，刚度增大，开始收缩变形，带动鳍条外侧分支的末端向下移动。此时，内侧形状记忆合金驱动器不通电流（或通很小的电流），温度较低，马氏体含量较高，刚度较小，容易变形。因此，鳍条外侧分支的末端下移时，鳍条内侧分支的末端就会相对的上移，相对位移差的大小由通入内侧形状记忆合金驱动器和外侧形状记忆合金驱动器的电流差来决定，相对位移差的存在就会引起鳍条的弯曲变形，细绳的存在则可以保证各部分均匀变形。相反，当内侧形状记忆合金驱动器通过的电流大于外侧形状记忆合金驱动器通过的电流时，鳍条就会向另一侧弯曲。当内侧和外侧形状记忆合金驱动器都不通入电流时，在鳍条弹性的作用下，鳍条恢复初始状态。

仿生胸鳍具有控制变量较多、驱动器类型复杂和运动形态多样等特点，为了便于系统调试、胸鳍运动的规划、运动状态的实时监控、控制系统的扩展和实验数据的分析与保存等，本发明为仿生胸鳍设计的控制系统主要包括上位机、各运动控制子系统、实现各系统之间相互通信的CAN总线。

上位机主要完成仿生胸鳍的运动规划（如鱼进行向前定常游动、转弯、悬停、倒退和刹车等操纵时胸鳍的运动）、各子系统控制器参数的设置和调整、仿生胸鳍运动状态（鳍条摆动的速度和角度等）和各控制子系统运动状态（如形状记忆合金的温度、电机的电流等）的实时监控、观测数据的分析与保存等功能。

运动控制子系统又可分为形状记忆合金驱动的鳍条弯曲变形控制子系统和直流电机驱动的鳍条摆动运动控制子系统两类。鳍条弯曲变形控制子系统主要包括形状记忆合金弹簧驱动器、形状记忆合金状态变量（如温度、变形量、电阻率等）采集单元、形状记忆合金驱动单元和基于DSP的控制器。其中这一系统的特点是结构简单、可靠性高和便于扩展。鳍条摆动运动控制子系统主要包括直流减速电机、直流电机驱动单元、直流电机状态（如转速、电枢电流等）采集单元和基于DSP的控制器。

CAN总线主要保证各子系统间以及上位机与各子系统间的数据通信。对于仿生胸鳍机构和功能的扩展式具有重要意义的。

Claims (1)

1.一种鳍面主动变形的咽颌模式仿生胸鳍，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均装有鳍条的侧向摆动驱动机构，其特征在于：所述的鳍条包括与背腹摆动构件相接的连杆、鳍条座和鳍条本体，连杆的上端与鳍条座相接，鳍条座的内外两侧分别设有内侧形状记忆合金驱动器和外侧形状记忆合金驱动器，鳍条本体由内外两片分支构成，两片分支的上端固连在一起，两片分支的下端部贴在鳍条座的内外两侧，两片分支的下端分别与内侧形状记忆合金驱动器和外侧形状记忆合金驱动器的上端连接，在两片分支靠近形状记忆合金驱动器的下端部分别开有通孔，通孔中穿有一根细绳，细绳的两端向上固定在两片分支靠近上端的部位上，在鳍条座的顶端设有细绳通过的槽或孔，鳍条座顶端的槽或孔的位置高于两片分支上的通孔，两片分支之间的细绳担在鳍条座顶端的槽或孔内，形成中间高两边低的结构，内侧形状记忆合金驱动器和外侧形状记忆合金驱动器通入电流后发热，产生变形；通过对内、外两侧的形状记忆合金驱动器通入电流大小的控制，使内、外两侧的形状记忆合金驱动器产生相对位移差，从而控制鳍条的主动弯曲变形。

Images