CN209833969U - 一种基于液压驱动多通道流体结构的变刚度仿生机器鱼 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于液压驱动多通道流体结构的变刚度仿生机器鱼，本实用新型利用流体驱动的多通道结构来模拟鱼体肌肉，并通过改变流体压力来改变机器鱼的弯曲刚度，实现柔性机器鱼的变刚度特性。本实用新型分别推导了微流体多通道柔性仿生鱼的实验原理，并说明了该类型机器鱼的实验过程。该设计方法可通过多通道结构参数和液压驱动系统参数的优化使制作的仿生鱼实现刚度较大范围内的变化，并可获得较好的游动性能。

Description

一种基于液压驱动多通道流体结构的变刚度仿生机器鱼

技术领域

本实用新型主要应用到水下仿生机器人领域，具体为一种基于微流体多通道结构的变刚度仿生机器鱼。

背景技术

目前，大多数船舶和自主无人潜器(AVU)采用传统的螺旋桨进行推动，具有推进效率低、速度慢、机动性差和噪声大等较为明显的缺陷。但是，对于在自然界中的鱼类，它们有着快速高效的巡游性能和极高的机动性，这些游动特性吸引了越来越多的科研工作者。近年来，研究人员逐渐从运动学、动力学和流体力学等方面揭示鱼类高效游动的机理。但是，所设计的机器鱼不论在游动速度、推进效率还是在转弯机动性上均远远落后于自然界中的鱼类。这也迫使科研工作者进一步研究机器鱼的设计方法。

从动力学的角度看，仿生机器鱼的结构模型主要包括多刚体串联模型和基于柔性材料的粘弹性体模型。传统上，仿生机器鱼以多关节刚体相串联的方式来模拟了鱼体的脊椎的往复摆动，且每个刚体都有单独的驱动器进行驱动。当采用的刚体数目较多时，该类型机器鱼能够较好的复现鱼类身体的弯曲情况，但是存在着结构体积大、控制复杂和游动效率低等明显的缺陷。该类型典型的机器鱼包括MIT开发的金枪机器鱼Robotuna、Draper实验室机器鱼VCUUV、英国埃塞克斯大学的G系列和MT系列机器鱼、日本NMRI开发的PF系列和UPF系列机器鱼和北航研制的两关节机器鱼SPC-II和SPC-III等。

近年来，仿生学者提出了新型柔性鱼体结构，以进一步提高仿生机器鱼的游动性能。该类型结构考虑了鱼体脊椎和分布在脊椎周围鱼体肌肉对游动性能的影响。该机器鱼为粘弹性结构体，通过在机器鱼内部放置舵机，驱动连杆机构来产生往复运动，最终实现机器鱼的往复摆动推进。该类型结构和控制简单，能够实现俯仰、偏航和扭转三个自由度的运动，更接近鱼的真实运动方式。该类型代表性机器鱼包括Alvarado和Marchese等人由硅胶材料制作的柔性机器鱼。上述柔性机器鱼虽然具有一定的柔顺性，但是由于粘弹性材料的物理属性，所制作的柔性机器鱼并不能改变其身体的弯曲刚度，对外界流体环境的适应性较差。

生物学研究表明鱼类可通过肌肉改变其身体刚度，以使其尾鳍摆动频率与身体自然频率相匹配，从而达到快速高效的游动性能。上述机器鱼虽然能够模仿鱼类的摆动推进，但在游动速度、推进效率和机动性方面还远不如自然界中的鱼类，在实验方案均有一定的缺陷。鉴于此，在机器鱼的设计制作等方面仍需要进一步的探索。

实用新型内容

本实用新型目的在于提出了一种基于微流体多通道结构的变刚度仿生机器鱼，该机器鱼有着较好的柔顺性，而且也充分考虑了鱼类变刚度特性对游动性能的影响，从而克服现有技术存在的不足。

本实用新型采用以下技术方案予以实现：

由刚性的鱼体前端部分和柔性的流体多通道尾体两部分组成，这两部分由连接隔板进行固联；鱼体前端部分约占机器鱼全长的三分之一，其内部设有锂电池、舵机和控制系统；流体多通道尾体包括柔性脊椎结构和多通道流体系统，多通道流体系统由多路液压系统进行驱动；该机器鱼通过控制多通道流体系统内流体的流动方向、流动速度和流体压力来改变鱼体的弯曲刚度。

本实用新型利用流体驱动的多通道结构来模拟鱼体肌肉，并通过改变流体压力来改变机器鱼的弯曲刚度，实现柔性机器鱼的变刚度特性。本实用新型分别推导了微流体多通道柔性仿生鱼的实验原理，并说明了该类型机器鱼的实验过程。该设计方法可通过多通道结构参数和液压驱动系统参数的优化使制作的仿生鱼实现刚度较大范围内的变化，并可获得较好的游动性能。

微流体多通道变刚度柔性仿生鱼的设计思路源于一个重要的生物学发现，即自然界中的鱼类可通过调节肌肉来改变其身体的刚度，以获得快速高效的游动性能。本实用新型采用液压驱动多通道肌肉系统的方式，实现机器鱼的变刚度特性。结合鱼类的生物学参数，通过对液压驱动系统和微流体多通道结构参数的优化选择，实现柔性仿生鱼的变刚度特性，从而获得快速高效的游动特性。设计的具体步骤为：

步骤1：选取鱼类作为仿生对象并测量相关参数

根据设计目标和鱼类的游动特点，选择某类型摆动推进鱼类(如鳗鲡科、鲹科、亚鲹科和鲔科鱼类等)作为仿生对象，初步测量鱼体的三维外形尺寸，包括长度、宽度、横截面面积和惯性矩等。此外，还需通过实验方法测量鱼体沿长度方向上弯曲刚度的分布情况。根据测量的三维尺寸，利用3D打印技术制作仿生机器鱼的外形模具。

步骤2：设计并制作流体多通道结构

所设计的流体多通道结构主要有通道分割层、柔性分通道、流体通道入口和出口等组成。在流体多通道结构中，通道分割层由不易变形的材料制成，主要用于固定多通道子系统(或单通道系统)，将各子系统进行分离，进行单通道驱动。在每个单通道系统中，由多个柔性分通道组成，这些分通道的材料容易变形，并且存在着不同的阵列型式和结构参数。最后，每个单通道系统都存在着一个通道入口和一个通道出口，用于通道内流体的流进和流出。

步骤3：设计并制作液压驱动和微控制系统

在仿生机器鱼的结构中，根据其通道数目，设计多路液压传力系统，以实现机器鱼的变刚度控制。对于每个单通道系统，通过使用多个液压阀设计不同的流体通道。另外，多通道结构系统的变形还受材料特性的影响，可根据通道结构参数的优化，以获得仿生机器鱼较大程度的弯曲变形和弯曲刚度的大范围变化。

在本实用新型的仿生机器鱼中，驱动系统为微型泵，控制系统是阀控液压系统。这些系统均固定在机器鱼的头部位置，以控制多通道流体系统的流体流动速度和压力。通过流体通道将微型泵驱动产生的高压流体泵入到机器鱼通道内，通道内流体的高压区使机器鱼一侧伸展，而低压区使机器鱼的另一侧收缩，这样就实现了机器鱼的往复摆动。该部分设计要求结构简单，体积小，控制精度高。

步骤4：液压驱动多通道流体结构柔性机器鱼的整体装配

本实用新型的微流体多通道变刚度机器鱼主要由刚性鱼体前端部分和流体多通道尾体两部分组成，这两部分由连接隔板进行固联。鱼体前端部分约占机器鱼全长的三分之一，其内部主要用来放置锂电池、舵机和控制系统。将所设计的柔性脊椎结构和多通道流体系统安置在鱼体尾部。通过控制多通道内流体的流动方向、流动速度和流体压力来改变鱼体的弯曲刚度。此外，若机器鱼未达到所需的游动性能，可进一步优化脊椎结构和多通道流体系统的结构参数，以提高仿生机器鱼的推进性能。

本实用新型的优点是：

与现有仿生机器鱼的设计方法相比，本实用新型采用液压驱动多通道流体系统来实现柔性机器鱼的往复摆动。通过改变流体通道内的压力和流速，以实现仿生机器鱼变形位移和弯曲刚度的有效控制。这些措施能有效地改善仿生机器鱼的推进性能，对提高仿生机器鱼的游动性能有着重要的意义。该方法的优点在于：

(1)采用液压驱动多通道流体系统实现仿生机器鱼的往复摆动，外形匹配程度高，结构柔顺性好。

(2)可通过改变多通道内流体的压力，实现仿生机器鱼的弯曲变形和变刚度控制。通过优化多通道流体系统的结构尺寸，如通道型式、通道宽度以及通道之间距离等参数，能够实现仿生机器鱼摆动幅值的有效控制。

(3)可通过改变多通道内流体的流动速度，实现仿生机器鱼的往复摆动。通过优化多通道流体系统的结构尺寸，如通道型式、通道宽度以及通道之间距离等参数，能够实现仿生机器鱼的摆动频率的有效控制。该液压系统能很方便地实现无级调速，调速范围大，且可在系统运行过程中调速。

(4)通过一个微泵进行驱动，驱动平稳，输出大的推力或大转矩，功率较高。该仿生机器鱼内的液压传动系统有过载保护能力，传动路线布置灵活。

(5)在液压驱动多通道流体系统中，液压传动能使仿生机器鱼的往复摆动均匀平稳，往复摆动时无换向冲击。液压系统本身反应速度快，适合仿生机器鱼的频繁换向，调整控制方便，易于实现自动工作循环。

附图说明

图1为多通道未变形状态示意图；

图2为多通道变形状态示意图；

图3为仿生机器鱼的液压驱动系统示意图；

图4为仿生机器鱼多通道流体结构的示意图a；

图5为仿生机器鱼多通道流体结构的示意图b；

图6为基于液压驱动多通道流体结构变刚度仿生机器鱼示意图；

图7为图6中的A-A剖视图。

附图标记说明：1-油箱，2-过滤器，3-微型泵，4-微型节流阀，5-微型溢流阀，6-微型换向电磁阀，7-流体通道，8-多通道流体系统，9-流体入口通道，10-流体出口通道，11-硬质边界层，12-变形区域，13-鱼体前端部分，14-流体多通道尾体，15-尾鳍，16-连接隔板，17-无线控制系统，18-液压驱动系统。

具体实施方式

本实用新型以摆动推进的鱼类为仿生对象，通过对其外形测量建立仿生机器鱼的三维模型，设计并制作仿生机器鱼的外形模具。根据鱼体弯曲刚度的分布情况，设计仿生机器鱼的多通道流体系统8，并由多路液压系统进行驱动。然后，将驱动系统和控制系统安装在仿生机器鱼的前端位置，并与多通道尾体部分相固联。最后，在不同的驱动条件下，测试仿生机器鱼的弯曲变形情况和变刚度控制特性，并进一步测试和优化机器鱼的游动性能。结合附图，下面对本实用新型的具体实施过程作进一步说明：

(1)生物原型外形数据和刚度分布的测量

选择某类摆动推进的鱼类为仿生对象，该类型鱼类具有巡游速度快、游动效率高和机动性高的优点。首先测量活体鱼的三维尺寸，如鱼体长度、各横截面的宽度和面积、背鳍长度、腹鳍以及尾鳍15长度等。然后，建立鱼体的三维外形模型，并进一步建立仿生机器鱼的三维外形模具。此外，还需测量鱼体沿长度方向上的质量分布和弯曲刚度分布情况。

(2)仿生机器鱼流体多通道结构的设计

根据测量的鱼体外形，设计仿生机器鱼的单通道流体结构。单通道系统主要由柔性变形通道和硬质边界层11两部分组成，而流体在硬质边界层11的通孔内流动。柔性变形通道的参数主要包括通道高度、通道宽度、通道间隙和通道厚度。多通道未变形状态和变形状态对应的结构图分别如附图1和2所示，其中附图1展示了未变形状态，图2展示了变形状态。在变形状态中，流体从流体入口通道9经硬质边界层11进入变形区域12，使变形区域12充液变形并依次流过几个柔性变形通道后从流体出口通道10排出。

选择合适尺寸的硬质边界层11和柔性多通道参数，利用微型泵3将高压流体压入通道内，使通道发生变形并引起仿生机器鱼一侧的扩展。具体的液压通道如附图3所示，该液压控制系统与常规的液压控制系统比较类似，主要包括油箱1，过滤器2，微型泵3，微型节流阀4，微型溢流阀5，微型换向电磁阀6，流体通道7和多通道流体系统8等部件。通过液压系统高压和低压的往复驱动，使仿生机器鱼实现往复摆动的运动。通道内流体的运动速度决定了仿生机器鱼的摆动频率，而通道内流体的压强决定了仿生机器鱼的弯曲刚度。

此外，结合仿生机器鱼的外形参数和硬质边界层11的尺寸，还可以通过多通道流体结构的设计。多通道不同的阵列型式如附图4和图5所示，附图4和附图5分别展示了两种阵列形式，可实现机器鱼不同程度的弯曲变形和刚度控制。多通道流体系统8的材料将会直接影响鱼体的变形，通道的阵列型式以及通道参数会直接影响鱼体的变刚度特性。在本实用新型中，仿生机器鱼体的多通道结构长度为120mm，能够有效地改善机器鱼尾体的柔顺性，并可通过优化设计流体多通道结构参数，以有效的改变仿生机器鱼的弯曲刚度。

(3)基于液压驱动多通道流体结构变刚度仿生机器鱼的制作

在本例中，所设计的仿鲹科机器鱼总长度为360mm，鱼体头部前端长度为140mm。其中，鱼体前端部分13外壳利用3D打印加工得到。在仿生机器鱼中，驱动元件和液压控制系统均被放置在头部前端位置，将液压驱动的多通道流体系统8被放置在流体多通道尾体14。然后，利用模具成型技术由粘弹性材料制作形机器鱼的尾部形状。可选择的粘弹性材料需具有流动性好和弹性好的特点，如零度硅胶等材料。

仿生机器鱼的头部外壳可被分为上、下两部分。液压微泵放置在鱼体头部的下半部分，而控制模块和无线模块等均被放置上半部分。仿生机器鱼的液压驱动控制系统由微泵和多个微阀等组成，而控制系统的选择主要取决于液压驱动系统18的设计。另外，还选择无线遥控模块PT2262/PT2272来实现仿生机器鱼的无线控制。

将所有零件、控制系统和无线系统都集成到一个机器鱼内，最终得到了基于液压驱动多通道流体结构仿生机器鱼，如附图4所示。可以看出，该仿生机器鱼包括鱼体前端部分13和流体多通道尾体14，在尾部还设有尾鳍15，鱼体前端部分13和流体多通道尾体14通过连接隔板16固联。在鱼体前端部分13设有无线控制系统17和液压驱动系统18。具体实施时可选择多个通道回路来实现柔性鱼体不同位置处的单独控制，以实现鱼体的俯仰、偏航和扭转等运动。如附图6和附图7所示，可选择四个多通道流体回路，如图7所展示的，每个回路中的流体可由微型泵3来单独驱动，而每个多通道回路可通过微型阀来实现控制。最后，将研制的微流体多通道变刚度柔性机器鱼放置在水中，通过无线遥控系统和控制系统来调整机器鱼的摆动频率、摆动幅值和弯曲刚度，使仿生机器鱼获得不同的游动性能。

以上只是本实用新型的具体应用范例，本实用新型还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型所要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于液压驱动多通道流体结构的变刚度仿生机器鱼，其特征在于：由刚性的鱼体前端部分(13)和柔性的流体多通道尾体(14)两部分组成，这两部分由连接隔板(16)进行固联；鱼体前端部分(13)约占机器鱼全长的三分之一，其内部设有锂电池、舵机和控制系统；流体多通道尾体(14)包括柔性脊椎结构和多通道流体系统(8)，多通道流体系统(8)由多路液压系统进行驱动；该机器鱼通过控制多通道流体系统(8)内流体的流动方向、流动速度和流体压力来改变鱼体的弯曲刚度。

2.根据权利要求1所述的基于液压驱动多通道流体结构的变刚度仿生机器鱼，其特征在于：所述多通道流体系统(8)由多个单通道流体结构按照不同的阵列形式构成，每个单通道流体结构由柔性变形通道和硬质边界层(11)两部分组成，而流体在硬质边界层(11)的通孔内流动进入柔性变形通道的变形区域(12)。

3.根据权利要求1所述的基于液压驱动多通道流体结构的变刚度仿生机器鱼，其特征在于：仿生机器鱼的头部外壳分为上、下两部分；在鱼体头部的下半部分设有液压微泵和多个微阀构成的液压驱动系统(18)；在鱼体头部的上半部分设有包括控制模块和无线模块在内的部件构成的无线控制系统(17)。