CN110329473A - 一种仿生胸鳍运动设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿生胸鳍运动设计方法，包括设计胸鳍的上下拍动运动、扭转运动、以及拍动与扭转的耦合运动，实现仿生胸鳍两自由度运动的耦合设计。其中扭转运动通过多个沿展向的截面和统一控制的曲轴实现，设计、控制方法简便，易于实现。本发明仿生胸鳍拍动幅值及扭转角度幅值可实现自由设计，适用于仿生胸鳍运动设计、运动机构设计及运动学仿真建模。

Description

一种仿生胸鳍运动设计方法

技术领域

本发明涉及水下仿生技术领域，具体是一种仿生胸鳍运动设计方法。

背景技术

水下仿生推进主要包括仿蝠鲼的胸鳍推进、仿金枪鱼的尾鳍推进、仿蛇形的波动推进以及仿生背鳍的长波推进等几种形式。其中，水下仿蝠鲼胸鳍推进具有推进效率高、低速机动性强、水体扰动小等优势，是执行贴水底探测任务的仿生航行器推进的首选方案。对蝠鲼胸鳍运动特征的分析发现，胸鳍的运动是两自由度的耦合运动，即：胸鳍运动时，同时存在上下拍动与沿弦长方向的波动，且波动的幅值从胸鳍翼尖到翼根逐渐减小。针对此种仿生运动设计，国内外院校、企业单位等在研制仿蝠鲼胸鳍推进样机时，主要采用了三种方案：一种方案是只设计胸鳍单自由度的上下拍动，波动依赖于柔性材料的胸鳍壁面与水流的相互作用被动实现，此方案胸鳍运动只涉及单纯上下的拍动，运动与控制设计较为简单，但由于此方案的被动运动无法控制，样机游动性能受水流环境和胸鳍材料影响极大，环境适应性差；一种方案是将胸鳍沿弦长方向分成几段，类似于在胸鳍内部插入几根鳍条，通过设计单个鳍条的单自由度上下拍动和前后鳍条拍动的时间差实现拍动与波动耦合，此种方案需要设计每个鳍条单纯的上下拍动，以及所有鳍条运动的时间差，造成多个鳍条运动协同控制系统复杂，运动系统的灵活度受鳍条间距及蒙皮限制；一种方案是采用一种绳索形式的整体张拉机构+扭转机构，通过绳索两端的往复伸拉实现胸鳍上下拍动，通过固定在张拉机构上的电机驱动张拉机构扭转，实现仿生胸鳍的上下拍动与扭转耦合运动，此种方案下胸鳍运动需要整体张拉机构与扭转机构协同，其中，整体张拉机构的运动不再是单纯的上下拍动，而是机构的整体张拉变形，带来了额外繁琐的机构运动位置的实时解算与运动配合，也限制了其实际应用的可行性。

发明内容

本发明目的是解决仿生胸鳍展向上下拍动与弦向扭转的耦合推进运动设计难题，提供一种可实现仿生胸鳍上下拍动和扭转运动两自由度运动耦合的设计方法，且胸鳍拍动幅值及扭转角度幅值可实现自由设计，用于仿生胸鳍运动设计、运动机构设计及运动学仿真建模。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：

一种仿生胸鳍运动设计方法，包括如下步骤：

S1、设计胸鳍的上下拍动运动，拍动运动为绕固定轴和固定点的正弦函数形式的转动；

S2、设计胸鳍的扭转运动，将胸鳍沿展长方向等分为n个截面，n≥2，每个截面扭转方式相同，扭转运动所绕的扭转轴相同，扭转角度根据需求确定，所有截面绕扭转轴的扭转运动累加实现整个胸鳍的扭转；

S3、设计胸鳍拍动与扭转的耦合运动，将扭转轴设置在固定点绕固定轴做拍动运动，扭转轴为胸鳍拍动运动的主轴，在扭转轴每个截面上设计一段曲轴，多段曲轴连接为整体，设计每一段曲轴半径以及曲轴作圆周运动的中心线与扭转轴之间的距离，实现每个截面绕相同扭转轴的扭转运动。

进一步的，所述步骤S1中上下拍动的运动方程为：

θ(t)＝θ_max sin(2πft)

其中，θ(t)为胸鳍绕固定轴的拍动角度；θ_max为拍动角度幅值；f为拍动频率。

进一步的，所述步骤S2中第i个截面扭转运动方程为：

其中，1≤i≤n，φ_i(t)为第i个截面绕扭转轴的扭转角度；φ_imax为第i个截面扭转角度幅值；为拍动运动与第i个截面扭转运动的相位差。

进一步的，所述步骤S3中曲轴参数与第i个截面扭转角度的关系如下：

其中，R_i为第i段曲轴半径，H为曲轴圆周运动中心线与扭转轴之间的距离，ψ(t)为曲轴转动角度；

曲轴转动方程为：

其中，ψ_max为曲轴最大转动角度。

进一步的，所述曲轴参数计算方法如下：

首先，获取第i个截面的扭转角度幅值φ_imax，给定H的初值；然后在0～90°范围内调整曲轴转动角度ψ(t)，通过给定不同的R_i(R_i＜H)值，求解方程获得满足第i个截面扭转角度幅值φ_imax对应的曲轴半径R_i和曲轴转动角度ψ(t)；最后统计获得n个截面对应的曲轴半径，并将胸鳍的曲轴转动角度ψ(t)取值范围设为±180°，根据第i个截面扭转运动方程计算曲轴转动方程。

进一步的，所述曲轴参数还可以采用如下方法进行优化：根据仿生胸鳍推进运动与流场耦合数值计算结果，获得胸鳍上下拍动和扭转运动过程中流体动力压心距离扭转轴的变化范围以及胸鳍绕曲轴圆周运动中心线的扭矩变化范围，通过减小或增加扭矩，将H在压心变化范围内进行调整，进而获得不同的R_i值，完成优化。

进一步的，所述θ_max为90度，φ_imax为90度，ψ_max为180°，所有截面的扭转运动与胸鳍整体拍动运动的相位差均为90度。

进一步的，所述固定轴和固定点位置由胸鳍拍动的驱动主电机安装位置确定，固定轴为主电机转轴的中心线，固定点为主电机转轴外露端的端面中心；扭转轴与固定轴垂直、起始点为固定点；曲轴由副电机驱动，曲轴圆周运动中心线为副电机转轴的中心线，曲轴圆周运动中心线与扭转轴在同一水平面内，且二者平行。

本发明的有益效果：

针对仿生胸鳍推进运动设计，将胸鳍运动拆分为整体的上下拍动与不同截面的扭转运动，并采用胸鳍绕单轴的整体上下拍动与不同展向截面以不同回转半径绕相同扭转轴扭转的耦合设计方法，给出了一种可实现仿生胸鳍上下拍动和扭转两自由度运动耦合的运动设计方法，且胸鳍拍动幅值及不同截面扭转角度幅值可实现自由设计，适用于仿生胸鳍运动设计、运动机构设计及运动学仿真建模。

本发明采用曲轴实现不同截面绕同一扭转轴的不同扭转角度，采用一台电机即可实现多个截面运动的统一控制，便于实际应用。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中设计的仿生胸鳍原理图；

图2为本发明实施例中胸鳍截面拍动与转动示意图；

图3为本发明实施例中曲轴参数与扭转角几何关系示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明提出了一种仿生胸鳍运动设计方法，该方法通过设计胸鳍整体上下拍动和展向不同截面绕扭转轴的扭转运动，以及以一定相位差条件同时控制二者的运动，实现仿生胸鳍拍动与扭转运动的耦合，胸鳍拍动角度幅值可自由设计、不同截面的扭转角度幅值也可根据实际需求自由设计。本方法可用于仿生胸鳍运动设计、运动机构设计及运动学仿真建模，支撑仿生胸鳍推进方案设计。

本发明仿生胸鳍运动设计方法包括胸鳍整体单独的上下拍动设计、单独的扭转运动设计和拍动与扭转运动配合设计。

(1)对于胸鳍单独的上下拍动运动，根据总体设计指标需求，设计为绕固定轴和固定点的正弦函数形式的转动，固定轴和固定点位置由胸鳍拍动的驱动主电机安装位置来确定，上下拍动的运动方程如下：

θ(t)＝θ_max sin(2πft) (1)

式中，θ(t)为胸鳍绕固定轴的拍动角度；θ_max为拍动角度幅值，根据总体设计需求设定，最大可设定为90度；f为拍动频率，单位Hz。

(2)对于胸鳍单独的扭转运动，可根据需要将胸鳍沿展长方向等分为n(n≥2)个截面，通过所有截面绕扭转轴的扭转运动累加实现整个胸鳍的扭转。每个截面扭转方式相同，扭转运动所绕的扭转轴相同，而扭转角度根据需求分别确定，不同扭转角度的截面组合模拟胸鳍的波动形状。第i(1≤i≤n)个截面扭转运动方程如下：

式中，φ_i(t)为第i个截面绕扭转轴的扭转角度；φ_imax为第i个截面扭转角度幅值，根据总体设计需求设定，最大可设定为90度；为拍动运动与第i个截面扭转运动的相位差，单位度，一般情况下所有截面的扭转运动与胸鳍整体拍动运动的相位差为同一个值，取值为90度，即：扭转运动领先拍动四分之一个周期，以确保整个运动过程中胸鳍与来流存在相对攻角；f为拍动频率，单位Hz，此处扭转运动的频率与拍动频率一致以确保胸鳍运动过程中曲面形态变化的光滑性及良好的推进性能。

(3)对于胸鳍拍动与扭转运动配合是指将扭转轴设置在固定点绕固定轴做拍动运动，扭转轴为胸鳍拍动运动的主轴，同时在扭转轴的每个截面上设计一段曲轴，n段曲轴连接为完整的曲轴，通过设计每一段曲轴半径和整个曲轴作圆周运动的中心线与截面扭转运动所绕的扭转轴之间的距离，实现在胸鳍上下拍动时每个截面绕相同扭转轴的扭转运动。

如图1所示，扭转轴与胸鳍上下拍动所绕的固定轴垂直，扭转轴起始点为胸鳍上下拍动的固定点，当驱动胸鳍上下拍动的主电机安装位置确定后，扭转轴也已确定。在设计每段曲轴半径、曲轴圆周运动中心线与扭转轴之间的距离时，为便于表述，引入第i段曲轴半径R_i、曲轴圆周运动中心线与扭转轴之间的距离H、曲轴转动角度ψ(t)等曲轴参数，如图3所示。其中，曲轴半径R_i为第i段曲轴作圆周运动的半径，曲轴圆周运动中心线为曲轴作圆周运动的中心线，其与扭转轴在同一水平面内，且二者平行。曲轴参数和每个截面扭转角之间的三角函数关系如下：

其中，曲轴转动方程如下：

式中，ψ_max为曲轴最大转动角度，曲轴在±ψ_max之间作往复转动。

通过函数关系式(3)可知，当H、R_i的值一定时，随曲轴转动角度ψ(t)变化，扭转角φ_i(t)也会产生变化；通过设计不同截面处H、R_i的值，可实现相同曲轴转动角度下，截面扭转角φ_i(t)的变化。具体设计每个扭转截面的H、R_i、ψ(t)时，设定最大扭转角φ_imax，首先给定H的初值，然后曲轴转动角度ψ(t)在0～90度范围内调整，通过给定不同的R_i(R_i＜H)值，求解方程(3)，获得满足截面最大扭转角φ_imax对应的曲轴半径R_i和曲轴转动角度ψ(t)，最后统计获得所有截面对应的曲轴半径，并将胸鳍的曲轴转动角度ψ(t)取值范围设为±180°，即ψ_max为180°，根据第i个截面扭转运动方程计算曲轴转动方程。经过以上设计过程，胸鳍拍动与扭转运动参数和几何参数已完全获得，结合方程(1)和(4)完成胸鳍运动的设计。

此外，还可以基于初步的设计参数，开展曲轴参数的优化设计，具体过程为：根据仿生胸鳍推进运动与流场耦合数值计算结果，获得胸鳍上下拍动和扭转运动过程中流体动力压心距离扭转轴的变化范围以及胸鳍绕曲轴圆周运动中心线的扭矩变化范围，根据减小或增加扭矩的具体需求，将H在压心变化范围内进行调整，进而获得不同的R_i值，完成优化。

综上设计过程，本发明根据仿生胸鳍拍动电机位置、胸鳍拍动角度、不同截面扭转角度等参数输入，可通过设计拍动运动方程、扭转运动方程、曲轴半径和曲轴圆周运动中心线与扭转轴之间的距离以及曲轴转动方程，实现胸鳍拍动与扭转耦合运动。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

步骤一，仿生胸鳍单独的上下拍动运动设计。如图1所示，根据仿生胸鳍上下拍动驱动主电机安装位置，主电机转轴沿胸鳍弦长方向，设定主电机转轴的中心线为胸鳍拍动的固定轴，电机转轴外露端的端面中心为胸鳍拍动的固定点，设计仿生胸鳍拍动运动形式为正弦函数形式，其运动方程如下：

θ(t)＝θ_max sin(2πft) (5)

式中，θ(t)为胸鳍绕固定轴的拍动角度；θ_max为拍动角度幅值；f为拍动频率，单位Hz。

本实施例中θ_max为35度，f为0.6Hz。

步骤二，仿生胸鳍单独的扭转运动设计。根据仿生胸鳍模型，需要将胸鳍沿展长方向等分为3个截面，胸鳍的整体扭转通过3个截面绕扭转轴扭转运动的组合实现，如图2所示，3个截面扭转方式相同，扭转运动所绕的扭转轴相同，沿展长方向由内向外最大扭转角度分别为φ_1max、φ_2max、φ_3max，3个截面扭转运动方程如下：

本实施例中，φ_1max、φ_2max、φ_3max分别为10度、20度、30度，拍动运动与扭转运动的相位差均为90度。

步骤三，胸鳍拍动与扭转配合运动设计。如图1、3所示，扭转轴以固定点为起始点、垂直于固定轴做拍动运动，曲轴由副电机独立驱动，副电机转轴中心线为曲轴圆周运动中心线，根据曲轴半径、曲轴圆周运动中心线与扭转轴距离、曲轴转动角度和每个截面扭转角等参数，建立参数之间的三角函数关系：

以每个截面最大扭转角φ_imax的输入值为设计目标，首先给定H一个初始值(H＞R_i)，将曲轴转动角度ψ(t)在0～90度范围取值，给定不同的曲轴半径R_i，求解方程(9)、(10)、(11)，获得不同曲轴半径下截面的最大扭转角度φ_imax，然后查找与截面目标扭转角φ_imax相同的曲轴转动角度和曲轴半径，并将曲轴转动角度的最终取值范围设计为±180度。依据方程(4)确定曲轴转动方程如下：

由此获得了曲轴圆周运动中心线与扭转轴距离、3个截面上的曲轴半径、胸鳍拍动方程(5)、曲轴转动方程(12)，进而完成了仿生胸鳍运动的设计。

本实施例中，H取值为100mm，通过公式计算获得三段曲轴半径依次为17.35mm、34.15mm、50mm，曲轴转动最大角度为±180度。

通过实例获得了仿生胸鳍上下拍动与扭转的耦合运动参数组合，实现了从胸鳍根部到胸鳍尖端的连续光滑运动，解决了仿生胸鳍多自由度耦合设计难题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种仿生胸鳍运动设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、设计胸鳍的上下拍动运动，拍动运动为绕固定轴和固定点的正弦函数形式的转动；

S2、设计胸鳍的扭转运动，将胸鳍沿展长方向等分为n个截面，n≥2，每个截面扭转方式相同，扭转运动所绕的扭转轴相同，扭转角度根据需求确定，所有截面绕扭转轴的扭转运动累加实现整个胸鳍的扭转；

S3、设计胸鳍拍动与扭转的耦合运动，将扭转轴设置在固定点绕固定轴做拍动运动，扭转轴为胸鳍拍动运动的主轴，在扭转轴每个截面上设计一段曲轴，多段曲轴连接为整体，设计每一段曲轴半径以及曲轴作圆周运动的中心线与扭转轴之间的距离，实现每个截面绕相同扭转轴的扭转运动。

2.根据权利要求1所述的仿生胸鳍运动设计方法，其特征在于，所述步骤S1中上下拍动的运动方程为：

θ(t)＝θ_max sin(2πft)

其中，θ(t)为胸鳍绕固定轴的拍动角度；θ_max为拍动角度幅值；f为拍动频率。

3.根据权利要求2所述的仿生胸鳍运动设计方法，其特征在于，所述步骤S2中第i个截面扭转运动方程为：

其中，1≤i≤n，φ_i(t)为第i个截面绕扭转轴的扭转角度；φ_imax为第i个截面扭转角度幅值；为拍动运动与第i个截面扭转运动的相位差。

4.根据权利要求3所述的仿生胸鳍运动设计方法，其特征在于，所述步骤S3中曲轴参数与第i个截面扭转角度的关系如下：

其中，R_i为第i段曲轴半径，H为曲轴圆周运动中心线与扭转轴之间的距离，ψ(t)为曲轴转动角度；

曲轴转动方程为：

其中，ψ_max为曲轴最大转动角度。

5.根据权利要求4所述的仿生胸鳍运动设计方法，其特征在于，所述曲轴参数计算方法如下：

首先，获取第i个截面的扭转角度幅值φ_imax，给定H的初值；然后在0～90°范围内调整曲轴转动角度ψ(t)，通过给定不同的R_i(R_i＜H)值，求解方程获得满足第i个截面扭转角度幅值φ_imax对应的曲轴半径R_i和曲轴转动角度ψ(t)；最后统计获得n个截面对应的曲轴半径，并将胸鳍的曲轴转动角度ψ(t)取值范围设为±180°，根据第i个截面扭转运动方程计算曲轴转动方程。

6.根据权利要求5所述的仿生胸鳍运动设计方法，其特征在于，所述曲轴参数还可以采用如下方法进行优化：根据仿生胸鳍推进运动与流场耦合数值计算结果，获得胸鳍上下拍动和扭转运动过程中流体动力压心距离扭转轴的变化范围以及胸鳍绕曲轴圆周运动中心线的扭矩变化范围，通过减小或增加扭矩，将H在压心变化范围内进行调整，进而获得不同的R_i值，完成优化。

7.根据权利要求4所述的仿生胸鳍运动设计方法，其特征在于，所述θ_max为90度，φ_imax为90度，ψ_max为180°，所有截面的扭转运动与胸鳍整体拍动运动的相位差均为90度。

8.根据权利要求1所述的仿生胸鳍运动设计方法，其特征在于，所述固定轴和固定点位置由胸鳍拍动的驱动主电机安装位置确定，固定轴为主电机转轴的中心线，固定点为主电机转轴外露端的端面中心；扭转轴与固定轴垂直、起始点为固定点；曲轴由副电机驱动，曲轴圆周运动中心线为副电机转轴的中心线，曲轴圆周运动中心线与扭转轴在同一水平面内，且二者平行。