CN109110095B - 一种张拉整体式摆动推进机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种张拉整体式摆动推进机构，包括头部、柔性躯干和尾部，头部通过柔性躯干和尾部连接，头部内设置有驱动系统，所述的柔性躯干包括多组张拉浮动式柔性关节，每组张拉浮动式柔性关节包括基础平台、从动平台和多组张力元件，所述的基础平台的上面结构与从动平台的下面结构通过多组水平的张力元件连接，所述的基础平台的上面结构与从动平台的上面结构件通过多组轴向的张力元件连接，从而能够悬浮支撑起从动平台，每组张拉浮动式柔性关节从而依次互相串联。本发明简化了设计，机械运动自然平滑、机械传递效率高。这种张拉整体式摆动推进机构可以实现鱼、蛇等仿生，同样在机械臂等方面得以利用。

Description

一种张拉整体式摆动推进机构
技术领域
本发明具体涉及一种张拉整体式摆动推进机构。
背景技术
在自然界中，鱼类具有快速高效和高机动性等游动性能。这种完美的物理结构以及出色的游动性能等优点已成为科学研究的热点，越来越多的科研工作者关注并致力于仿生机器鱼推进装置的研制。这种仿生机器鱼推进装置其性能远优于常规人造水下航行器的游动性能和机动能力，对环境的适应性也更强，其在海洋勘测、海洋救捞以及军事领域都有重要的应用价值。
机器鱼的游动模式大致分为身体/尾鳍摆动推进(BCF)与中间鳍/对鳍游动模式。由于大多数鱼类都采用BCF模式作为推进模式，并且该类鱼的游动性能也比较高，常被用于快速、高效仿鱼机器人的设计。目前，BCF机器鱼设计方法现在一般可以分成两类：离散刚性结构以及连续柔性结构。离散刚性结构的机器鱼一般采用多个刚性关节的串并联机构作为鱼的脊骨，每个关节独立驱动，通过对关节的协同控制来模拟“鱼体波”摆动推进。然而，此种方式由于刚性关节之间的摩擦比较大，机械效率比较低。另外，为了复现BCF鱼体存在的柔性，其控制技术会十分复杂。第二种方法是麻省理工大学Alvarado博士提出的，该机器鱼是由粘弹性材料制成，然后利用本身的振动模态进行驱动，控制技术简单。但是一旦鱼体制造完成，柔性鱼体很难再调节刚度。这是一个局限，因为鱼类的刚度在游动过程中起了重要的作用。
发明内容
基于以上不足之处，本发明的目的在于提供一种张拉整体式摆动推进机构，以实现其推进速度快、效率高、机动性强的性能。
本发明采用以下技术方案予以实现：一种张拉整体式摆动推进机构，包括头部、柔性躯干和尾部，头部通过柔性躯干和尾部连接，头部内设置有驱动系统，所述的柔性躯干包括多组张拉浮动式柔性关节，每组张拉浮动式柔性关节包括基础平台、从动平台和多组张力元件，所述的基础平台的上面结构与从动平台的下面结构通过多组水平的张力元件连接，所述的基础平台的上面结构与从动平台的上面结构件通过多组轴向的张力元件连接，从而能够悬浮支撑起从动平台，每组张拉浮动式柔性关节从而依次互相串联，其中，轴向的张力元件提供了竖直向下的拉力，水平的张力元件提供了竖直向上的张力用以对抗，使得从动平台能够绕着基础平台进行无直接机械接触的浮动转动；驱动系统与其中某一组或多组张拉浮动式柔性关节连接。
本发明还具有如下技术特征：
1、一种张拉整体式摆动推进机构，包括头部、柔性躯干和尾部，头部内设置有驱动系统，所述的柔性躯干包括一组张拉浮动式柔性关节，所述的张拉浮动式柔性关节包括基础平台、从动平台和多组张力元件，所述的基础平台的上面结构与从动平台的下面结构通过多组水平的张力元件连接，所述的基础平台的上面结构与从动平台的上面结构件通过多组轴向的张力元件连接，从而能够悬浮支撑起从动平台，其中，轴向的张力元件提供了竖直向下的拉力，水平的张力元件提供了竖直向上的张力用以对抗，使得从动平台能够绕着基础平台进行无直接机械接触的浮动转动；基础平台底部与尾部连接，从动平台的上部与头部连接；驱动系统与基础平台连接。
2、如上所述的一种张拉整体式摆动推进机构，其特征在于：所述串联的多组张拉浮动式柔性关节的直径逐渐变小。
3、如上所述的所述的基础平台和从动平台为盘足式结构，所述的盘足式结构包括镂空的圆盘、Y形足腿和底座，Y形足腿与镂空的圆盘下面固定连接，Y形足腿底部与底座固定连接，底座平面的尺寸小于镂空的圆盘的内径。
4、如上所述的张力元件包括弹簧、气动肌肉、形状记忆合金、钢丝绳或弹性线中的一种。
5、通过改变如上所述的张拉浮动式柔性关节各个张力元件的内力，从而主动改变刚度，进而改变柔性躯干的固有频率，使得推进机构在不同的摆动频率下都能够达到最佳游动性能。
6、如上所述的所述的驱动系统为舵机，舵机的两侧通过绳索分别与柔性躯干的末端张拉浮动式柔性关节的两侧连接。
本发明的优点在于：采用了张拉柔性关节来浮动连接串并联结构，作为摆动推进装置的脊椎部分，从而实现了摆动推进装置的柔性。张拉浮动式柔性关节能够实现并联机构的浮动转动，不仅能够降低甚至消除机械接触产生机械磨损与摩擦，还能够改善结构的受力状态，降低驱动力需求。简化了设计，机械运动自然平滑、机械传递效率高。这种张拉整体式摆动推进机构可以实现鱼、蛇等仿生，同样在机械臂等方面得以利用。
附图说明
图1为实施例1中仿生摆动推进装置的模型图；
图2为实施例1中仿生摆动推进装置俯视图；
图3为实施例1中基于张拉浮动式柔性关节组成的串并联鱼体三维模型图；
图4为张拉浮动式柔性关节组成的原理图；
图5为实施例1中仿生摆动推进装置驱动示意图；
其中，1、头部，2、柔性躯干，3、尾部，4、第一平台，5、第二平台，6、第三平台，7、第四平台，8、第五平台，9、第六平台，10、第七平台，11、基础平台，12、从动平台，13、圆盘，14、底座，15、水平张力元件，16、轴向张力元件，17钢丝绳，18舵机。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例以BCF鱼作为仿生对象。张拉整体式摆动推进机构能够实现BCF鱼类的柔性，并利用鱼体振动模态来驱动。另外通过其串并联的结构，机器鱼能够实现刚度分布以及通过“冗余驱动并联机构内力改变刚度”的变刚度原理来调整刚度。
如图1所示，一种张拉整体式摆动推进机构，包括头部1、柔性躯干2和尾部3，头部1通过柔性躯干2和尾部3连接，头部1内设置有驱动系统，所述的柔性躯干2包括多组张拉浮动式柔性关节，每组张拉浮动式柔性关节包括基础平台、从动平台和多组张力元件，所述的基础平台的上面结构与从动平台的下面结构通过多组水平的张力元件连接，所述的基础平台的上面结构与从动平台的上面结构件通过多组轴向的张力元件连接，从而能够悬浮支撑起从动平台，每组张拉浮动式柔性关节从而依次互相串联，其中，轴向的张力元件提供了竖直向下的拉力，水平的张力元件提供了竖直向上的张力用以对抗，使得从动平台能够绕着基础平台进行无直接机械接触的浮动转动；驱动系统与其中某一组或多组张拉浮动式柔性关节连接。动物关节中骨骼之间互相不直接接触，而是通过肌肉，肌腱等张拉元件相互连接。张拉浮动式柔性关节正是受了动物关节与韧带的启示，通过张拉式结构，实现机械杆件之间的浮动转动，这不仅能够降低甚至消除机械接触产生机械磨损与摩擦，还能够改善结构的受力状态，降低驱动力需求。每一级的张拉浮动式柔性关节都可以进行刚度设计，其设计方法可以参考现有的并联机构的刚度设计方法。对于超冗余的串并联的柔性鱼体来讲，可以通过设计每一级张拉浮动式柔性关节刚度，从而实现刚度分布。这种刚度分布可以用来探究鱼类游泳过程中刚度分布的作用，从而通过刚度分布的优化，实现更高效的游动性能。
如图2，这是张拉整体式摆动推进机构的俯视图。总长420mm，其中鱼头尺寸138mm，鱼体尺寸178mm，存在3mm宽的7个刚性的平台。从结构角度出发，仿生摆动推进装置可分为刚性的鱼头、柔性的躯干部以及尾鳍组成。刚性鱼头需符合真实鱼头的流线型外形，其内部结构一般放置驱动系统及电源系统。尾鳍相对较简单，选择刚度合适的硬质材料加工成符合尾鳍外形轮廓，或者采用合适弹性模量的粘弹性材料浇注而成。其柔性鱼体是基于张拉浮动式柔性关节的超冗余串并联结构。所谓的串并联结构是指以张拉浮动式柔性关节作为子机构，以前一级张拉浮动式柔性关节的输出构件作为后一级张拉浮动式柔性关节的输入构件的组合机构。
如图3所示，为一个简化的基于张拉浮动式柔性关节的超冗余串并联的鱼体。第一平台4支撑着鱼头部分，第七平台10与鱼尾相连。第i(i＝1-6)平台与第(i+1)平台通过张拉浮动式柔性关节相连。
如图4所示，每组张拉式浮动柔性关节的实际结构组成应包括：盘足式结构的基础平台11和从动平台12，以及基础、从动平台之间的16条预拉伸后的张力元件相连。基础平台是一种相对的概念，在机器鱼的结构里，第i(i＝1-6)平台就是基础平台，第(i+1)平台就是从动平台。另外，预拉伸的张力元件是一种弹性元件，可以为弹簧，气动肌肉，形状记忆合金，钢丝绳，弹性线等。由于这种柔性的张力元件，即使平台是离散的，刚性的，这种超冗余的串并联结构仍然可以实现身体的柔性。所述的基础平台和从动平台为盘足式结构，所述的盘足式结构包括镂空的圆盘13、Y形足腿和底座14，Y形足腿与镂空的圆盘下面固定连接，Y形足腿底部与底座固定连接，底座平面的尺寸小于镂空的圆盘的内径。
值得注意的是，基础平台与从动平台的结构不限于盘足式，包括T字型、工字型等等结构。其中8条水平布置的支腿，即水平张力元件15，连接从动平台的足与基础平台的盘，其连接方式可以参考标准Stewart平台的布置形式，当然也不局限于此。这种布置将会提供水平的张力网络，可以悬浮支撑起从动平台。而另外的轴向布置的8条支腿，即轴向张力元件16，连接从动平台的盘与下平台的盘，这种布置将会提供轴向的张力网络，用以张紧整个张拉浮动式柔性关节。轴向的张力网络提供了竖直向下的拉力，水平网络提供了竖直向上的张力用以对抗。这种对抗最后会使水平、轴向的张力网络联接成一体。由于这种拓展的张力网络，从动平台可以实现绕着基础平台的无直接的机械接触的浮动转动，可产生俯仰、偏航和扭转三个自由度的运动。而这就是张拉关节的原理。通常来说，张拉关节的旋转中心一般都在横向张力网络附近。同样的，张拉关节可以串联连接起来，形成类似图3的超冗余串并联结构的鱼体。
值得注意的是，支腿数量、材料及其布置方式是可以根据需要进行调整的，主要考虑所设计的仿生摆动推进装置本身尺寸，结构设计工作量，制作成本，加工周期等等。因此张拉式浮动柔性关节的制作可以进行合理的简化，比如可以减少支腿的数量，如16、8或6支腿等等。其中6支腿的轴向布置的支腿数量为2，水平布置的支腿数量为4。
此外，本发明采用“柔性鱼体振动模态激励”的先进仿生原理对机器鱼进行驱动。这种激励源可以是单点激励或者多点激励。激励源的产生是主动驱动的结果。这种驱动方法可以简化控制技术，并可以简化摆动推进装置的设计。
根据实际的应用情况，这种主动驱动的方式可以采用液压驱动、电驱动、气动驱动等等。如图5所示，张拉整体式摆动推进机构采用的动力源采用大扭矩的舵机，或者直流电机等来牵引绳动作，从而对机器鱼进行模态激励。舵机18使用螺栓固定在第一平台上，舵机旋转带动其舵机自带的一字型摇臂，通过两根钢丝绳17将驱动力矩传递到第六平台，即驱动平台上，以实现张拉整体式摆动推进机构的摆动。舵机的一字摇臂、两跟钢丝绳与需要驱动的平台构成一个平行四边形，舵机输出的转角就是驱动装置输出的转角。如图2所示，舵机驱动的位置距离鱼头275mm。
张拉浮动式柔性关节在工作空间内的刚度矩阵，如下式(1)所示。
Figure BDA0001758984960000051
式中，F为张拉关节受到的合外力矩阵，q为张拉关节的位姿矩阵。Jlp是张拉关节的广义速度到第p支腿伸长速度的雅可比矩阵，符号p＝1-16。fp是张拉关节第p支腿的内力。Kl为张拉关节的支腿在关节空间的刚度矩阵。
式(1)右端第一项为机构内力产生的主动刚度，第二项为被动刚度。通常第二项是由结构决定，不能主动调节。而第一项是随着冗余张拉浮动式柔性关节的各个支腿出力而改变的，可通过改变各个支腿的出力调节。这就是所谓的“冗余驱动内力改变刚度”的变刚度原理。张拉整体式摆动推进机构根据这个原理，能够通过改变张拉浮动式柔性关节各个支腿的内力从而主动改变刚度，从而改变身体的固有频率，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。另外，对于超冗余的串并联的柔性鱼体来讲，通过设计张拉关节支腿在关节空间的刚度矩阵，可以设计每一级张拉浮动式柔性关节的被动刚度，以此实现刚度分布。进而调整机器鱼的固有频率，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。

Claims (7)

1.一种张拉整体式摆动推进机构，包括头部、柔性躯干和尾部，头部通过柔性躯干和尾部连接，头部内设置有驱动系统，其特征在于：所述的柔性躯干包括多组张拉浮动式柔性关节，每组张拉浮动式柔性关节包括基础平台、从动平台和多组张力元件，所述的基础平台的上面结构与从动平台的下面结构通过多组水平的张力元件连接，所述的基础平台的上面结构与从动平台的上面结构件通过多组轴向的张力元件连接，从而能够悬浮支撑起从动平台，每组张拉浮动式柔性关节从而依次互相串联，其中，轴向的张力元件提供了竖直向下的拉力，水平的张力元件提供了竖直向上的张力用以对抗，使得从动平台能够绕着基础平台进行无直接机械接触的浮动转动；驱动系统与其中某一组或多组张拉浮动式柔性关节连接。
2.根据权利要求1所述的一种张拉整体式摆动推进机构，其特征在于：所述串联的多组张拉浮动式柔性关节的直径逐渐变小。
3.一种张拉整体式摆动推进机构，包括头部、柔性躯干和尾部，头部内设置有驱动系统，其特征在于：所述的柔性躯干包括一组张拉浮动式柔性关节，所述的张拉浮动式柔性关节包括基础平台、从动平台和多组张力元件，所述的基础平台的上面结构与从动平台的下面结构通过多组水平的张力元件连接，所述的基础平台的上面结构与从动平台的上面结构件通过多组轴向的张力元件连接，从而能够悬浮支撑起从动平台，其中，轴向的张力元件提供了竖直向下的拉力，水平的张力元件提供了竖直向上的张力用以对抗，使得从动平台能够绕着基础平台进行无直接机械接触的浮动转动；基础平台底部与尾部连接，从动平台的上部与头部连接；驱动系统与基础平台连接。
4.根据权利要求1或3所述的一种张拉整体式摆动推进机构，其特征在于：所述的基础平台和从动平台为盘足式结构，所述的盘足式结构包括镂空的圆盘、Y形足腿和底座，Y形足腿与镂空的圆盘下面固定连接，Y形足腿底部与底座固定连接，底座平面的尺寸小于镂空的圆盘的内径。
5.根据权利要求1或3所述的一种张拉整体式摆动推进机构，其特征在于：所述的张力元件包括弹簧、气动肌肉、形状记忆合金、钢丝绳或弹性线中的一种。
6.根据权利要求1或3所述的一种张拉整体式摆动推进机构，其特征在于：通过改变张拉浮动式柔性关节各个张力元件的内力，从而主动改变刚度，进而改变柔性躯干的固有频率，使得推进机构在不同的摆动频率下都能够达到最佳游动性能。
7.根据权利要求1或3所述的一种张拉整体式摆动推进机构，其特征在于：所述的驱动系统为舵机，舵机的两侧通过绳索分别与柔性躯干的末端张拉浮动式柔性关节的两侧连接。
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