CN104787283B - 一种套叠式超冗余串并联变刚度摆动推进装置 - Google Patents
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Abstract
一种套叠式超冗余串并联变刚度摆动推进装置，包括头部、冗余驱动并联机构和尾鳍，冗余驱动并联机构包括板簧脊骨、支腿、柔性铰、第一级并联机构上、下平台、第二级并联机构上、下平台、第三级并联机构上、下平台、第四级并联机构上平台、第五级并联机构上平台、第六级并联机构上平台、第七级并联机构上平台；各平台中心处与板簧脊骨固定连接；各平台上均分布有八个柔性铰，上、下平台的柔性铰之间通过支腿相连接；第一级、第四级并联机构组成第一套并联机构，第二级、第五级、第七级并联机构组成第二套并联机构，第三级、第六级并联机构组成第三套并联机构，三套并联机构相互错开并套叠起来。本装置具有推力大、动作连续、柔顺性好的特点。
Description
技术领域
本发明涉及仿生水下机器鱼、并联机构领域，具体涉及一种套叠式超冗余串并联变刚度摆动推进装置。
背景技术
经过亿万年的进化，鱼类的游动特性超过了任何人造的自主水下航行器。因此，工程师们在设计高性能水下推进系统时不约而同地把目光转向鱼类期望获得设计上的灵感。鱼类按照推进机理、游动模式和身体形状可分为两种类型：身体/尾鳍推进模式(BCF)和中间鳍(例如背鳍)/对鳍(例如胸鳍)推进模式(MPF)。BCF类型的鱼类，主要把身体和尾鳍当作推进器，身体左右摆动击水，利用其产生的反作用力使鱼体向前推进。金枪鱼、旗鱼、鲨鱼就属于这种类型，这些鱼类游泳时身体摆动主要集中在尾部，推进效率高、速度快、机动性强，被众多学者作为仿生研究的对象。
目前，仿生机器鱼的设计存在三种方法。
第一种方法是建造离散的多关节刚性串联机构以模拟鱼体的脊骨，每个关节独立驱动，通过对关节的协同控制来模拟“鱼体波”动推进方式。比较著名的BCF机器鱼包括麻省理工大学的机器金枪鱼、日本NMRI开发的PF-300等简化的基于关节的机器鱼、东京科技大学开发的三关节机器海豚、伊斯坦布尔科技大学开发的一种四关节机器海豚、Essex大学的G9、北京航空航天大学的两关节的机器鱼SPC-II和SPC III。然而，此种方式控制困难、机械效率低、摆动频率很难提高。
第二种方法是麻省理工大学的Alvarado博士提出的：首先，利用弹性模量、粘性系数一定的粘弹性材料制造柔性鱼体，然后通过在鱼体的特定位置布置驱动器形成正弦激励，激起柔性鱼体的振动模态，从而利用该振动模态实现摆动推进。这种基于连续柔性体的机器鱼游动自然平滑、结构简单可靠、机械传递效率高。研究表明，当驱动器驱动频率与鱼体身体的自然频率接近时，鱼体游动速度最大、效率最高。然而，此类仿生机器鱼一旦制造完成，柔性鱼体的身体刚度就被确定，其身体自然频率也就无法改变。在这一条件下，想要通过提高驱动频率来提高游动速度几乎是不可能的，因此这一特性限制了此类机器鱼的适应性。
为了提高仿生机器鱼的适用性，姜洪洲等提出了第三种方法，即基于超冗余串并联机构的变刚度摆动推进方式。首先，根据鱼体外形匹配原则，将多个带脊骨的8-8型六自由度并联机构层叠串联成超冗余串并联摆动推进机构，然后根据冗余驱动并联机构内力改变刚度原理计算各级并联机构的内力，并通过主动刚度控制器对各层级刚度进行调节，最后通过运动学反解对首级单节并联机构进行正弦激励，从而激起基于超冗余串并联机构的变刚度摆动推进装置的振动模态，实现摆动推进。与第二种机器鱼相比，此种仿生机器鱼虽然结构复杂，但仍然是基于“柔性鱼体振动模态激励”的先进仿生原理设计而成，尤其是该仿生鱼采用了“冗余驱动并联机构内力改变刚度”的变刚度原理，使得此类仿生机器鱼在不同的摆动频率下都能够达到最佳游动性能，提高了其适应性。然而，此种仿生机器鱼仍存在以下问题：受驱动机构固定长度的限制，每层并联机构的高度不可能设计得很小，而采用简单的并联机构层叠串联方式，鱼体摆动部分离散化后并联机构的层数就受到了限制，这就影响了仿生柔性鱼体的游动平滑性；另外，其每层并联机构都需要配备相应的用于内力调节的主动刚度控制器，这也导致控制过于复杂。
发明内容
针对以上问题，本发明公开一种套叠式超冗余串并联变刚度摆动推进装置，它能在保证每层并联机构高度不变的情况下提高仿生柔性鱼体的游动平滑性，同时简化控制方式，无需给每层并联机构配备用于内力调节的主动刚度控制器即可实现有效刚度调节。
本发明所采用的技术如下：
一种套叠式超冗余串并联变刚度摆动推进装置，包括头部、冗余驱动并联机构和尾鳍，所述冗余驱动并联机构包括板簧脊骨、支腿、柔性铰、第一级并联机构下平台、第二级并联机构下平台、第三级并联机构下平台、第一级并联机构上平台、第二级并联机构上平台、第三级并联机构上平台、第四级并联机构上平台、第五级并联机构上平台、第六级并联机构上平台、第七级并联机构上平台；板簧脊骨一端与头部固定连接，另一端与尾鳍固定连接，各平台中心处与板簧脊骨固定连接；各平台上均分布有八个柔性铰，上、下平台的柔性铰之间通过支腿相连接，上、下平台中心通过板簧脊骨连接；第一级并联机构下平台与头部固定连接，第一级并联机构上平台作为第四级并联机构下平台，第二级并联机构下平台和第三级并联机构下平台按一定距离嵌入第一级并联机构下平台和第一级并联机构上平台之间，第二级并联机构上平台和第三级并联机构上平台分别作为第五级、第六级并联机构下平台，第二级并联机构上平台和第三级并联机构上平台按一定距离嵌入第一级并联机构上平台和第四级并联机构上平台之间，第五级并联机构上平台作为第七级并联机构下平台，第六级并联机构上平台按一定距离嵌入第五级并联机构上平台和第七级并联机构上平台之间，由此将七级并联机构套叠串联起来，第七级并联机构上平台与尾鳍固连，整体结构形成套叠式超冗余串并联机构。
本发明还具有如下技术特征：
1、第一级并联机构采用主动控制方式，其余并联机构均采用被动控制方式，并联机构八条支腿均采用流体人工肌肉驱动，在八条支腿伸缩作用下，中心板簧只在一个方向上产生变形，保证平台进行单自由度摆动。
2、主动控制方式通过比例压力阀对人工肌肉的位移进行精确控制，使上平台按照一定规律摆动；所述被动控制方式通过调整人工肌肉内部流体压力使该层并联机构达到所需刚度；在主动控制并联机构的正弦激励作用下，实现装置摆动推进。
本发明的特点和优点：
(1)采用了冗余并联机构套叠连接的形式，相比于层叠串联的连接形式，在相同的鱼体长度下，能布置更多的摆动关节，这样能更好地匹配真实鱼体的流线型外形，还具有推力大、动作连续、柔顺性好的特点；
(2)根据8-8型冗余驱动并联机构柔顺中心(上平台的转动中心)的位置取决于其几何参数这一性质调节几何参数，将套叠式并联机构的柔顺中心设置在上平台中心，并将最后一个并联机构的柔顺中心设置在月牙尾鳍处，故摆动推进装置的综合柔顺中心设计在月牙尾鳍处，这样更加符合鱼的真实游动情况，可大大提高推进力；
(3)运用冗余驱动并联机构可通过支腿内力(人工肌肉流体压力)改变刚度的变刚度原理，可针对不同推进速度来调节刚度，简化了变刚度的控制方式。
附图说明
图1整体结构示意图；
图2单个并联机构结构示意图；
图3套叠式并联机构套叠示意图；
图4套叠式并联机构轴侧图；
具体实施方式
下面根据附图举例进一步说明：
实施例1
如图1-图3所示，一种套叠式超冗余串并联变刚度摆动推进装置，包括头部1、冗余驱动并联机构和尾鳍2，所述冗余驱动并联机构包括板簧脊骨3、支腿4、柔性铰5、第一级并联机构下平台6、第二级并联机构下平台7、第三级并联机构下平台8、第一级并联机构上平台9、第二级并联机构上平台10、第三级并联机构上平台11、第四级并联机构上平台12、第五级并联机构上平台13、第六级并联机构上平台14、第七级并联机构上平台15；板簧脊骨3一端与头部1固定连接，另一端与尾鳍2固定连接，第一级并联机构下平台6、第二级并联机构下平台7、第三级并联机构下平台8、第一级并联机构上平台9、第二级并联机构上平台10、第三级并联机构上平台11、第四级并联机构上平台12、第五级并联机构上平台13、第六级并联机构上平台14、第七级并联机构上平台15均与板簧脊骨3固定连接；各平台上均分布有八个柔性铰5，上、下平台的柔性铰5之间通过支腿4相连接，支腿4采用气动或液压人工肌肉，上、下平台中心通过板簧脊骨3连接；第一级、第四级并联机构组成第一套并联机构，第二级、第五级、第七级并联机构组成第二套并联机构，第三级、第六级并联机构组成第三套并联机构，三套并联机构相互错开并套叠起来，第一级并联机构下平台6与头部1固定连接，第一级并联机构上平台9作为第四级并联机构下平台，第二级并联机构下平台7和第三级并联机构下平台8按一定距离嵌入第一级并联机构下平台6和第一级并联机构上平台9之间，第二级并联机构上平台10和第三级并联机构上平台11分别作为第五级、第六级并联机构下平台，第二级并联机构上平台10和第三级并联机构上平台11按一定距离嵌入第一级并联机构上平台9和第四级并联机构上平台12之间，第五级并联机构上平台13作为第七级并联机构下平台，第六级并联机构上平台14按一定距离嵌入第五级并联机构上平台13和第七级并联机构上平台15之间，由此将七级并联机构套叠串联起来，第七级并联机构上平台15与尾鳍2固连，整体结构形成套叠式超冗余串并联机构；第一级并联机构采用主动控制方式，其余并联机构均采用被动控制方式，并联机构的支腿4均采用流体人工肌肉驱动，在支腿4伸缩作用下，板簧脊骨3只在一个方向上产生变形，保证平台进行单自由度摆动。
为了满足装置整体摆动推进动作连续、柔顺性好、结构紧凑等要求，本发明采用了套叠式并联机构驱动。如图3所示，并联机构共分为七级，第一级、第四级并联机构组成第一套并联机构，第二级、第五级、第七级并联机构组成第二套并联机构，第三级、第六级并联机构组成第三套并联机构，三套并联机构相互错开并套叠起来，得到最终的套叠式冗余驱动并联机构；各级并联机构的上平台4和下平台3均受板簧脊骨2的约束，由于板簧脊骨2具有一个方向弹性好而其他方向弹性差的特点，故可限制整套装置只进行单自由度的摆动。
与后部并联机构相比，前部并联机构摆动幅度较小且需要克服较大的摆动阻力和摆动产生的惯性，故刚度较大。因此，套叠式并联机构的前三级采用的是内径为40mm的人工肌肉，后四级采用的是内径为20mm的人工肌肉；人工肌肉之间通过柔性铰5连接，这与生物学中的肌腱作用类似。各级并联机构上、下平台的距离均相等，其值取决于级数及摆动装置总长度。前六级并联机构的上、下平台半径比值为0.5，最后一级的比值接近于0.2；前六级的柔顺中心均位于并联机构的上平台中心，最后一级并联机构的柔顺中心则恰好落于鱼的月牙尾鳍上。上平台与下平台中心处有两个槽，用板簧脊骨3相连接，以保证在上平台运动过程中，上平台不与板簧脊骨3发生相对滑移。在支腿4伸缩及板簧脊骨3作用下，平台仅产生单自由度的运动。
单个并联机构的控制分主动和被动两种形式。对于主动控制并联机构，如图2所示，以板簧脊骨3的大平面为界，把支腿4分为两组，每组中的四根支腿通以相同的压力，故在两组压力不同的情况下，上平台将向压力较大的一侧倾斜，在差动压力的交叉作用下，上平台将产生摆动。对于被动控制的并联机构，仅需对八根支腿通入相同的压力的流体，并通过改变流体的压力来改变并联机构的刚度。在仿真分析与实验验证下，得出摆动推进装置的推进速度与各并联机构刚度的最佳匹配关系，以及压力与刚度的关系，在已知速度的情况下，可调节各并联机构压力来实现在最小能量消耗的状态下推进，复现真实鱼的游动状态。
Claims (3)
1.一种套叠式超冗余串并联变刚度摆动推进装置，包括头部(1)、冗余驱动并联机构和尾鳍(2)，头部(1)、冗余驱动并联机构、尾鳍(2)依次连接，其特征在于，所述冗余驱动并联机构包括板簧脊骨(3)、支腿(4)、柔性铰(5)、第一级并联机构下平台(6)、第二级并联机构下平台(7)、第三级并联机构下平台(8)、第一级并联机构上平台(9)、第二级并联机构上平台(10)、第三级并联机构上平台(11)、第四级并联机构上平台(12)、第五级并联机构上平台(13)、第六级并联机构上平台(14)、第七级并联机构上平台(15)；板簧脊骨(3)一端与头部(1)固定连接，另一端与尾鳍(2)固定连接，各平台中心处与板簧脊骨(3)固定连接；各平台上均分布有八个柔性铰(5)，上、下平台的柔性铰(5)之间通过支腿(4)相连接，上、下平台中心通过板簧脊骨(3)连接；第一级、第四级并联机构组成第一套并联机构，第二级、第五级、第七级并联机构组成第二套并联机构，第三级、第六级并联机构组成第三套并联机构，三套并联机构相互错开并套叠起来，第一级并联机构下平台(6)与头部(1)固定连接，第一级并联机构上平台(9)作为第四级并联机构下平台，第二级并联机构下平台(7)和第三级并联机构下平台(8)按一定距离嵌入第一级并联机构下平台(6)和第一级并联机构上平台(9)之间，第二级并联机构上平台(10)和第三级并联机构上平台(11)分别作为第五级、第六级并联机构下平台，第二级并联机构上平台(10)和第三级并联机构上平台(11)按一定距离嵌入第一级并联机构上平台(9)和第四级并联机构上平台(12)之间，第五级并联机构上平台(13)作为第七级并联机构下平台，第六级并联机构上平台(14)按一定距离嵌入第五级并联机构上平台(13)和第七级并联机构上平台(15)之间，由此将七级并联机构套叠串联起来，第七级并联机构上平台(15)与尾鳍(2)固连，整体结构形成套叠式超冗余串并联机构。
2.根据权利要求1所述的一种套叠式超冗余串并联变刚度摆动推进装置，其特征在于，第一级并联机构采用主动控制方式，其余并联机构均采用被动控制方式，并联机构的支腿(4)均采用流体人工肌肉驱动，在支腿(4)伸缩作用下，板簧脊骨(3)只在一个方向上产生变形，保证平台进行单自由度摆动。
3.根据权利要求2所述的一种套叠式超冗余串并联变刚度摆动推进装置，其特征在于，所述主动控制方式通过比例压力阀对人工肌肉的位移进行精确控制，使上平台按照一定规律摆动；所述被动控制方式通过调整人工肌肉内部流体压力使其余并联机构达到所需刚度；在主动控制并联机构的正弦激励作用下，实现装置摆动推进。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20170405 |