CN115432154A - 一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置 - Google Patents

一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置 Download PDF

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CN115432154A CN202211238379.0A CN202211238379A CN115432154A CN 115432154 A CN115432154 A CN 115432154A CN 202211238379 A CN202211238379 A CN 202211238379A CN 115432154 A CN115432154 A CN 115432154A
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Abstract

本发明公开的一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置，属于仿生水下航行器领域。本发明包括壳体、曲轴驱动装置、胸鳍骨架装置、驱动舵机装置和柔性蒙皮。本发明采用驱动器以实现复杂的展弦向柔性扑翼运动，舵机转动通过伞齿轮配合实现曲轴的驱动，带动整个装置运动。使用片弹簧连接骨架实现骨架部分的变刚度构型，使得装置在水中游动时通过水的作用实现展弦向运动变形；通过优化曲轴的连杆颈的旋转半径、相位差及个数，从而对胸鳍进行划分，以实现展弦向运动变形；骨架装置结合翼型制作支撑结构，进而支撑、连接柔性蒙皮。本发明能够简化变刚度仿蝠鲼柔性扑结构、控制简单并实现高仿生程度，提升变刚度仿蝠鲼柔性扑翼气动性能。

Description

一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置
技术领域
本发明涉及一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置，属于仿生水下航行器领域。
背景技术
随着时代的发展，水下航行机器人在海洋资源探索、水下侦查以及恶劣环境下的救援工作等方面具有很高的应用价值。传统的水下航行器主要使用螺旋桨进行推进，为适应复杂的海洋环境以及任务多样性，仿生推进技术兴起。
鱼类是海洋中最为常见的游动动物，其具有低阻力外形和高效、灵活的游动方式，在仿生设计中具有一定的参考价值。按照鱼类推进时使用的身体部位划分，可分为BCF(body and/or caudal)、MPF(median and/or paired fin)，BCF模式为身体波动推进、尾鳍摆动推进，MPF模式为胸鳍摆动、波动推进。BCF模式推进力较大加速性能好，但稳定性、可控性较差；MPF模式推进力较小，但机动性、稳定性、可控性较好，实际应用前景更广泛。
在已有的发明设计中，多采用电机驱动曲柄连杆机构、行星轮系、绳索等推进装置，存在重量大、占用空间大、结构复杂、仿生程度不高等问题，其中，绳索推进装置设计尚不成熟，难以控制运动形状。从结构形式上来看，采用鳍条驱动二维平面结构占有大多数，且各鳍条之间直接设置相同的相位差，具有相同的运动幅度，这种简单的设置方式忽略了蝠鲼的生物学特征以及真实运动状态，将蝠鲼的运动状态简化为简单的波动，与实际情况不符。
发明内容
为了解决现有水下仿生存在结构复杂、难以控制、仿生程度低、气动性能差的问题，本发明的主要目的是提供一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置，该装置能够简化变刚度仿蝠鲼柔性扑结构、控制简单并实现高仿生程度，提升变刚度仿蝠鲼柔性扑翼气动性能。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置，通过采用单个驱动器以实现复杂的展弦向柔性扑翼运动，舵机转动通过伞齿轮配合实现曲轴的驱动，从而带动整个装置运动。使用片弹簧连接骨架实现骨架部分的变刚度构型，使得装置在水中游动时通过水的作用以实现被动变形，从而实现展弦向运动变形；通过优化曲轴的连杆颈的旋转半径、相位差及个数，从而对胸鳍进行划分，以实现展弦向运动变形；骨架装置结合翼型制作支撑结构，进而支撑、连接柔性蒙皮。
作为优选，骨架装置结合NACA0012类翼型制作支撑结构，进而支撑、连接柔性蒙皮。
本发明公开的一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置，包括壳体、曲轴驱动装置、胸鳍骨架装置、驱动舵机装置和柔性蒙皮。
所述壳体结构包括机舱、曲轴固定槽、骨架固定槽。机舱内部设置多处凹槽，用于放置驱动舵机组件、曲轴驱动装置，且提供足够的空间安装各类传感器、调重心结构；曲轴轴承固定槽，用于放置曲轴轴承并固定该轴承；骨架轴承固定槽，用于放置骨架轴承并固定该轴承。壳体部分为防水材料，可以为光敏树脂。
所述曲轴驱动装置固定在壳体的曲轴固定槽内，用于连接胸鳍骨架装置。所述胸鳍骨架装置对称布置于壳体两侧。所述驱动舵机装置固定在壳体上，用于提供动力。柔性蒙皮覆盖于胸鳍骨架装置上，伴随骨架运动。
所述曲轴驱动装置包括曲轴、曲轴与壳体固定装置、曲轴与骨架连接装置。
(一)曲轴优化包括连杆颈、主轴颈、平衡块以及大伞齿轮：通过优化连杆颈的个数，将胸鳍沿弦向进行划分；通过优化连杆颈的旋转半径与夹角，实现沿弦向胸鳍不同部位的运动幅度的不同，从而实现弦向运动。连杆颈设置为多个，理论上来说，连杆颈数量越多，即将胸鳍沿弦向划分的份数越多，接近蝠鲼柔性胸鳍的程度越高。曲轴上直接设置齿轮，舵机通过伞齿轮配合驱动轴承，传动简单且占用空间小。
(二)曲轴与壳体固定装置中包括曲轴轴承固定架以及带座轴承。
(三)曲轴与骨架连接装置中包括连杆盖、连杆体、一级骨架。连杆盖与连杆体通过螺栓进行连接，连杆体与骨架之间使用伸缩结构进行连接，能够节约空间。
两个平衡块通过连轴颈连接，构成U型结构；多个U型结构通过主轴颈固定连接，构成曲轴；大伞齿轮安装在主轴颈上；曲轴通过带座轴承和曲轴轴承固定架固定在壳体上。
胸鳍骨架装置包括多级骨架、片弹簧、微型带座轴承，骨架轴承固定架，连杆体，连杆盖；多级骨架之间通过片弹簧连接，使得扑翼在水中运动时产生被动变形；靠近壳体的命名为一级骨架；一级骨架一侧固定有带伸出杆的套筒，用于安装连杆体；连杆体的另一端通过固定的连杆盖与连杆颈连接；骨架轴承固定架固定在壳体上，伸出杆通过微型带座轴承、骨架轴承固定架固定在壳体上；多级骨架表面带有蒙皮支撑物，
所述多个U型结构尺寸不同；所述每个U型结构的两个平衡块构成的夹角角度不同；仿生生物蝠鲼的扑翼不同位置的运动幅度不同，通过改变U型结构尺寸及夹角使得机构更加符合蝠鲼扑翼的运动状态，提高仿生程度。
进一步的，所述多个U型结构的尺寸以及每个U型结构的两个平衡块构成的夹角角度，通过下述方法得到：
构建蝠鲼胸鳍运动学方程：
Figure BDA0003883661560000021
y(xf,yf,t)＝yf
Figure BDA0003883661560000031
f(yf,t)＝sin(ωt+Kyf/b)
其中，(xf,yf)为胸鳍的中性面；(x,y,z)为鳍在某个t时刻的变形坐标；(K,m,n,ω)为拟合参数，取n＝0.1342m2，K＝2.23。经观察，蝠鲼运动周期约为2.4s，即正常拍动频率为0.4Hz。此运动学模型的三个关键特征为：弯曲的展向变形、变形过程中展向应变接近于零、弦向行波。
通过所述蝠鲼胸鳍运动学方程得到蝠鲼扑翼各个点的运动轨迹，获得任意时刻的点、线、面的状态。对于驱动方式为曲轴联合摆动摇杆机构，其简化机构为一段带有套筒的曲柄穿过摇杆一端进行运动。角度、尺寸计算公式为：
Figure BDA0003883661560000032
令
Figure BDA0003883661560000033
则
Figure BDA0003883661560000034
其中，α＝α0+ωt,α为角度值，R为U型结构的旋转半径，L为曲轴、摇杆转动中心的距离。获取扑翼不同位置、不同时刻的角度值后，通过对比设计机构计算得出的β值与运动学曲线轨迹角度值的相近程度，从而确定机构的优化参数。
分析结果表明：U型结构的旋转半径沿着扑翼从前至后依次增大；每个U型结构的两个平衡块构成的夹角越来越大。与蝠鲼运动规律一致，即蝠鲼远端变形更大、前端带动后端运动。
所述胸鳍骨架装置，包括一级骨架与二级骨架连接装置、一级骨架与壳体固定装置。其中，一级骨架为靠近曲轴骨架，二级骨架为远离曲轴骨架。一级骨架与二级骨架连接装置中，一、二级骨架通过片弹簧进行连接实现变刚度构型，从而实现展弦向运动变形，在水中游动时实现远端变形大的效果；骨架上设置有蒙皮支撑结构以及弹簧连接结构，使得柔性蒙皮运动时更加连续，其中，骨架支撑结构采用的是NACA0012翼型。一级骨架与壳体固定装置为胸鳍运动提供转动支点，使得整体结构更加稳定。
进一步的，所述舵机驱动装置，包括舵机、舵盘、小伞齿轮以及舵机支架。舵机支架与壳体固连，小伞齿轮通过舵盘与舵机连接，与曲轴上的大伞齿轮进行配合，从而实现舵机驱动曲轴的功能。
进一步的，所述柔性蒙皮包覆于骨架外侧，且与骨架上的支撑结构进行粘连固定。
进一步的，所述曲轴旋转中心与壳体表面齐平，曲轴两端通过带座轴承固连于壳体。
进一步的，所述胸鳍骨架装置于壳体中对称放置，骨架部分为刚性材料，是碳纤维。
进一步的，所述柔性蒙皮由摸具浇筑而成。
本发明公开的一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置的工作方法为：舵机通过伞齿轮配合带动曲轴转动；连杆体与连杆盖固连，与一端带有套筒的骨架形成伸缩结构，固定带有伸出杆的套筒骨架通过伸出杆与微型带座轴承固定于壳体上，从而形成一个转动支点。曲轴通过伸缩结构将动力传递给骨架，骨架绕着转动支点转动，从而带动骨架进行运动；通过片弹簧的柔性连接，实现水中扑翼的被动变形，从而实现扑翼的展向被动变形；柔性蒙皮覆盖于整个骨架装置上，使得整体运动更加连贯。通过控制舵机的转速，能够控制整个柔性扑翼的扑动频率以及整个仿生机器人的运动方向，通过调整曲轴连杆颈的个数、旋转半径、夹角，从而能够模仿仿蝠鲼柔性扑翼的运动方式。蝠鲼采用的是MPF运动模式，其在运动过程中，具有以下特点：(1)前端带动胸鳍运动，远端变形大；(2)胸鳍由上向下扑动时，远端向上变形；由下向上扑动时，远端向下变形。
有益效果：
1、本发明公开的一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置，通过优化曲轴连杆颈的个数、旋转半径及夹角，以实现仿生鱼胸鳍各个部分运动幅度的不同，从而实现弦向运动；通过片弹簧连接骨架板实现变刚度设计，从而实现展向的变形；整体结构优化既保证结构简单稳定，又能够实现高仿生程度，提高所述变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置可靠实用的。
2、相较于传统的螺旋桨推进方式，本发明公开的一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置，BCF、MPF推进方式均可产生较低的噪声，具有较好的隐蔽性。蝠鲼采用的是MPF运动模式，其在运动过程中，具有以下特点：(1)前端带动胸鳍运动，远端变形大；(2)胸鳍由上向下扑动时，远端向上变形；由下向上扑动时，远端向下变形。
3、本发明公开的一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置，连杆盖与连杆体通过螺栓进行连接，连杆体与骨架之间使用伸缩结构进行连接，能够节约空间。骨架支撑结构采用的是NACA0012翼型。一级骨架与壳体固定装置为胸鳍运动提供转动支点，使得整体结构更加稳定。
附图说明
图1是本发明的一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置结构图；
图2是本发明的一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置外型结构图；
图3是本发明所述的壳体；
图4是本发明所述的曲轴驱动装置；
图5是本发明所述的曲轴驱动装置中的曲轴；
图6是本发明所述的曲轴驱动装置中的曲轴与壳体固定装置爆炸图；
图7是本发明所述的曲轴驱动装置中的曲轴与骨架连接装置爆炸图；
图8是本发明所述的胸鳍骨架装置；
图9是本发明所述的胸鳍骨架装置中一级骨架与壳体固定装置爆炸图；
图10是本发明所述的驱动舵机装置爆炸图。
图11的本发明所述的机构简图。
1-壳体，101-曲轴固定槽，102-骨架固定槽，2-曲轴轴承固定架，3-带座轴承，4-曲轴，401-连杆颈，402-大伞齿轮，403-主轴颈，404-平衡块，5-一级骨架，6-片弹簧，7-二级骨架，8-微型带座轴承，9-骨架轴承固定架，10-连杆体，11-连杆盖，12-舵机支架，13-舵机，14-柔性蒙皮，15-舵盘，16-小伞齿轮。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参阅图1～图8，本实施例公开的一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置，包括壳体1、曲轴固定槽101、骨架固定槽102、曲轴轴承固定架2、带座轴承3、曲轴4、连杆颈401、大伞齿轮402，主轴颈403、平衡块404、一级骨架5、片弹簧6、二级骨架7、微型带座轴承8、骨架轴承固定架9、连杆体10、连杆盖11、舵机支架12、舵机13、蒙皮14、舵盘15、小伞齿轮16。
结合图1-10所示叙述该机构的安装方式：曲轴驱动装置包括包括曲轴4、曲轴与壳体固定装置、曲轴与骨架连接装置；壳体1结构包括机舱、曲轴固定槽101、骨架固定槽102，曲轴4与带座轴承3配合，通过曲轴轴承固定架2将带座轴承3固定于曲轴固定槽101中，从而完成曲轴4的固定；连杆体10与连杆盖11通过螺栓结合于曲轴连杆颈403，连杆体10与一级骨架5形成伸缩结构；所述一级骨架与壳体固定装置由一级骨架5、微型带座轴承8、骨架轴承固定架9组成，一级骨架5与微型带座轴承8配合，微型带座轴承8置于骨架固定槽102中，通过骨架轴承固定架9固定；所述一级骨架5、二级骨架7整体组成符合蝠鲼胸鳍俯视图形状，骨架上的支撑结构采用NACA0012翼型制作而成，翼型从根部至远处逐渐减小；所述柔性蒙皮附于骨架上。
胸鳍骨架装置包括多级骨架、片弹簧6、微型带座轴承8，骨架轴承固定架9，连杆体10，连杆盖11；多级骨架之间通过片弹簧6连接，使得扑翼在水中运动时产生被动变形；靠近壳体的命名为一级骨架；一级骨架一侧固定有带伸出杆的套筒，用于安装连杆体10；连杆体10的另一端通过固定的连杆盖11与连杆颈401连接；骨架轴承固定架9固定在壳体上，伸出杆通过微型带座轴承8、骨架轴承固定架9固定在壳体1上；多级骨架表面带有蒙皮支撑物，
所述多个U型结构尺寸不同；所述每个U型结构的两个平衡块404构成的夹角角度不同；仿生生物蝠鲼的扑翼不同位置的运动幅度不同，通过改变U型结构尺寸及夹角使得机构更加符合蝠鲼扑翼的运动状态，提高仿生程度。
所述多个U型结构的尺寸以及每个U型结构的两个平衡块404构成的夹角角度，通过下述方法得到：
构建蝠鲼胸鳍运动学方程：
Figure BDA0003883661560000061
y(xf,yf,t)＝yf
Figure BDA0003883661560000062
f(yf,t)＝sin(ωt+Kyf/b)
其中，(xf,yf)为胸鳍的中性面；(x,y,z)为胸鳍在某个t时刻的变形坐标；(K,m,n,ω)为拟合参数，取n＝0.1342m2，K＝2.23。经观察，蝠鲼运动周期约为2.4s，即正常拍动频率为0.4Hz。此运动学模型的三个关键特征为：弯曲的展向变形、变形过程中展向应变接近于零、弦向行波。
通过所述蝠鲼胸鳍运动学方程得到蝠鲼扑翼各个点的运动轨迹，获得任意时刻的点、线、面的状态。对于驱动方式为曲轴联合摆动摇杆机构，其简化机构为一段带有套筒的曲柄穿过摇杆一端进行运动。角度、尺寸计算公式为：
Figure BDA0003883661560000063
令
Figure BDA0003883661560000064
则
Figure BDA0003883661560000065
其中，α＝αi+ωt,α为角度值，αi为第i个鳍条的初始角度，ω为曲轴旋转角速度；R为U型结构的旋转半径，L为曲轴、摇杆转动中心的距离。获取扑翼不同位置、不同时刻的角度值后，通过对比设计机构计算得出的β值与运动学曲线轨迹角度值的相近程度，从而确定机构的优化参数。
由于蝠鲼运动周期T为2.4s，则
Figure BDA0003883661560000066
选取合适的d、α0值，则可确定机构所构成的角度β值。将计算所得的角度值与根据运动学方程所得到的角度值进行对比，选取相对误差值最小的参数。本设计中的设计参数计算结果为：d1＝4.2，d2＝3.6，d3＝2.65，α1＝-100°，α2＝-122°，α3＝-140°。取L＝70mm后，可得R1＝16.67mm，R2＝19.4mm，R3＝26.4mm。
计算结果的特征为：U型结构的旋转半径沿着扑翼从前至后依次增大；每个U型结构的两个平衡块构成的夹角越来越大。与蝠鲼运动规律一致，即蝠鲼远端变形更大、前端带动后端运动。
结合图4、图5分析胸鳍的弦向运动：图5所示曲轴4的连杆颈401旋转半径从左至右依次增大，各连杆颈之间的夹角不同，从而实现胸鳍的弦向运动。
结合图8分析胸鳍的展向运动：一级骨架5与二级骨架7通过片弹簧6进行连接，当机构在水中游动时，由于受到水的阻力，二级骨架会产生相应的被动变形，且离根部越远变形越大，从而实现胸鳍的展向运动，符合蝠鲼生物学运动特征。
本实施例公开的一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置的工作方法为：舵机13通过伞齿轮配合带动曲轴4转动；连杆体10与连杆盖11固连，与一端带有套筒的骨架形成伸缩结构，固定带有伸出杆的套筒骨架通过伸出杆与微型带座轴承8固定于壳体1上，从而形成一个转动支点。曲轴4通过伸缩结构将动力传递给骨架，骨架绕着转动支点转动，从而带动骨架进行运动；通过片弹簧6的柔性连接，实现水中扑翼的被动变形，从而实现展向变形运动；柔性蒙皮14覆盖于整个骨架装置上，使得整体运动更加连贯。通过控制舵机13的转速，能够控制整个柔性扑翼的扑动频率以及整个仿生机器人的运动方向，通过调整曲轴4连杆颈401的个数、旋转半径、夹角，可实现扑翼弦向运动，从而能够模仿仿蝠鲼柔性扑翼的运动方式，蝠鲼采用的是MPF运动模式，其在运动过程中，具有以下特点：(1)前端带动胸鳍运动，远端变形大；(2)胸鳍由上向下扑动时，远端向上变形；由下向上扑动时，远端向下变形。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置，其特征在于：通过采用单个驱动器以实现复杂的展弦向柔性扑翼运动，舵机(13)转动通过伞齿轮配合实现曲轴(4)的驱动，从而带动整个装置运动；使用片弹簧(6)连接骨架实现骨架部分的变刚度构型，使得装置在水中游动时通过水的作用以实现被动变形，从而实现展弦向运动变形；通过优化曲轴(4)的连杆颈(401)的旋转半径、相位差及个数，从而对胸鳍进行划分，以实现展弦向运动变形；骨架装置结合翼型制作支撑结构，进而支撑、连接柔性蒙皮(14)。
2.如权利要求1所述的一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置，其特征在于：包括壳体(1)、曲轴驱动装置、胸鳍骨架装置、驱动舵机装置和柔性蒙皮(14)；
所述壳体结构包括机舱、曲轴固定槽(101)、骨架固定槽(102)；机舱内部设置多处凹槽，用于放置驱动舵机组件、曲轴驱动装置，且提供足够的空间安装各类传感器、调重心结构；曲轴固定槽(101)，用于放置带座轴承(2)并通过曲轴轴承固定架(2)固定该轴承；骨架固定槽(102)，用于放置微型带座轴承(8)并通过骨架轴承固定架(9)固定该轴承；壳体部分为防水材料；
所述曲轴驱动装置固定在壳体(1)的曲轴固定槽(101)内，用于连接胸鳍骨架装置；所述胸鳍骨架装置对称布置于壳体两侧；所述驱动舵机(13)装置固定在壳体(1)上，用于提供动力；柔性蒙皮(14)覆盖于胸鳍骨架装置上，伴随骨架运动。
3.如权利要求2所述的一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置，其特征在于：所述曲轴驱动装置包括曲轴(4)、曲轴与壳体固定装置、曲轴与骨架连接装置；
(一)曲轴(4)优化包括连杆颈(401)、主轴颈(403)、平衡块(404)以及大伞齿轮(402)：通过优化连杆颈(401)的个数，将胸鳍沿弦向进行划分；通过优化连杆颈(401)的旋转半径与夹角，实现沿弦向胸鳍不同部位的运动幅度的不同，从而实现弦向运动；连杆颈(401)可设置为多个，连杆颈数量越多，即将胸鳍沿弦向划分的份数越多，接近蝠鲼柔性胸鳍的程度越高；曲轴(4)上直接设置大伞齿轮(402)，舵机(13)通过伞齿轮配合驱动曲轴(4)，传动简单且占用空间小；
(二)曲轴(4)与壳体固定装置中包括曲轴轴承固定架(2)以及带座轴承(3)；
(三)曲轴与骨架连接装置中包括连杆体(10)、连杆盖(11)、一级骨架(5)；连杆盖(11)与连杆体(10)通过螺栓进行连接，连杆体(10)与骨架之间使用伸缩结构进行连接，传动稳定的同时能够节约空间。
4.如权利要求3所述的一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置，其特征在于：两个平衡块(404)通过连轴颈(401)连接，构成U型结构；多个U型结构通过主轴颈(403)固定连接，构成曲轴(4)；大伞齿轮(402)安装在主轴颈(403)上；曲轴(4)通过带座轴承(3)和曲轴轴承固定架(2)固定在壳体(1)上；
胸鳍骨架装置包括多级骨架、片弹簧(6)、微型带座轴承(8)，骨架轴承固定架(9)，连杆体(10)，连杆盖(11)；多级骨架之间通过片弹簧(6)连接，使得扑翼在水中运动时产生被动变形；靠近壳体的命名为一级骨架；一级骨架一侧固定有带伸出杆的套筒，用于安装连杆体(10)；连杆体(10)的另一端通过固定的连杆盖(11)与连杆颈(401)连接；骨架轴承固定架(9)固定在壳体上，伸出杆通过微型带座轴承(8)、骨架轴承固定架(9)固定在壳体(1)上；多级骨架表面带有蒙皮支撑物，
所述多个U型结构尺寸不同；所述每个U型结构的两个平衡块(404)构成的夹角角度不同；仿生生物蝠鲼的扑翼不同位置的运动幅度不同，通过改变U型结构尺寸及夹角使得机构更加符合蝠鲼扑翼的运动状态，提高仿生程度。
5.如权利要求4所述的一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置，其特征在于：所述多个U型结构的尺寸以及每个U型结构的两个平衡块(404)构成的夹角角度，通过下述方法得到：
构建蝠鲼胸鳍运动学方程：
Figure FDA0003883661550000021
y(xf,yf,t)＝yf
Figure FDA0003883661550000022
f(yf,t)＝sin(ωt+Kyf/b)
其中，(xf,yf)为胸鳍的中性面；(x,y,z)为胸鳍在某个t时刻的变形坐标；(K,m,n,ω)为拟合参数；此运动学模型的三个关键特征为：弯曲的展向变形、变形过程中展向应变接近于零、弦向行波；
通过所述蝠鲼胸鳍运动学方程得到蝠鲼扑翼各个点的运动轨迹，获得任意时刻的点、线、面的状态；对于驱动方式为曲轴联合摆动摇杆机构，其简化机构为一段带有套筒的曲柄穿过摇杆一端进行运动；角度、尺寸计算公式为：
Figure FDA0003883661550000023
令
Figure FDA0003883661550000024
则
Figure FDA0003883661550000025
其中，α＝αi+ωt,α为角度值，αi为第i个鳍条的初始角度，ω为曲轴旋转角速度；R为U型结构的旋转半径，L为曲轴、摇杆转动中心的距离。获取扑翼不同位置、不同时刻的角度值后，通过对比设计机构计算得出的β值与运动学曲线轨迹角度值的相近程度，从而确定机构的优化参数；
U型结构的旋转半径沿着扑翼从前至后依次增大；每个U型结构的两个平衡块构成的夹角越来越大；与蝠鲼运动规律一致，即蝠鲼远端变形更大、前端带动后端运动。
6.如权利要求4所述的一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置，其特征在于：所述胸鳍骨架装置，包括一级骨架(5)与二级骨架(7)连接装置、一级骨架(5)与壳体(1)固定装置；其中，一级骨架(5)为靠近曲轴骨架，二级骨架(7)为远离曲轴骨架；一级骨架(5)与二级骨架(7)连接装置中，一、二级骨架通过片弹簧(6)进行连接实现变刚度构型，从而实现展弦向运动变形，在水中游动时实现远端变形大的效果；骨架上设置有蒙皮支撑结构以及弹簧连接结构，使得柔性蒙皮运动时更加连续，其中，骨架支撑结构采用的是NACA0012翼型；一级骨架(5)与壳体(1)固定装置为胸鳍运动提供转动支点，使得整体结构更加稳定。
7.如权利要求6所述的一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置，其特征在于：所述舵机驱动装置，包括舵机支架(11)、舵机(13)、舵盘(15)以及小伞齿轮(16)；舵机支架(11)与壳体(1)固连，小伞齿轮(16)通过舵盘(15)与舵机(13)连接，与曲轴(4)上的大伞齿轮(402)进行配合，从而实现舵机(13)驱动曲轴(4)的功能。
8.如权利要求7所述的一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置，其特征在于：所述柔性蒙皮(14)包覆于骨架外侧，且与骨架上的支撑结构进行粘连固定；
所述曲轴(4)旋转中心与壳体表面齐平，曲轴(4)两端通过带座轴承(3)固连于壳体(1)。
9.如权利要求7所述的一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置，其特征在于：所述胸鳍骨架装置于壳体(1)中对称放置，骨架部分为刚性材料，是碳纤维；
所述柔性蒙皮由模具浇筑而成。
10.如权利要求2至9任意一项所述的一种有展弦向运动功能的变刚度仿蝠鲼柔性扑翼推进装置，其特征在于：舵机(13)通过伞齿轮配合带动曲轴(4)转动；连杆体(10)与连杆盖(11)固连，与一端带有套筒的骨架形成伸缩结构，固定带有伸出杆的套筒骨架通过伸出杆与微型带座轴承(7)固定于壳体(1)上，从而形成一个转动支点；曲轴(4)通过伸缩结构将动力传递给骨架，骨架绕着转动支点转动，从而带动骨架进行运动；通过片弹簧(6)的柔性连接，实现水中扑翼的被动变形，从而实现展向变形运动；柔性蒙皮(14)覆盖于整个骨架装置上，使得整体运动更加连贯；通过控制舵机(13)的转速，能够控制整个柔性扑翼的扑动频率以及整个仿生机器人的运动方向，通过调整曲轴(4)连杆颈(401)的个数、旋转半径、夹角，能够实现扑翼弦向运动，从而能够模仿仿蝠鲼柔性扑翼的运动方式，蝠鲼采用的是MPF运动模式，其在运动过程中，前端带动胸鳍运动，远端变形大；胸鳍由上向下扑动时，远端向上变形；由下向上扑动时，远端向下变形。
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