一種套疊式超冗余串并聯變剛度擺動推進裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及仿生水下機器魚、并聯機構領域，具體涉及一種套疊式超冗余串并聯變剛度擺動推進裝置。
【背景技術】
[0002]經過億萬年的進化，魚類的游動特性超過了任何人造的自主水下航行器。因此，工程師們在設計高性能水下推進系統時不約而同地把目光轉向魚類期望獲得設計上的靈感。魚類按照推進機理、游動模式和身體形狀可分為兩種類型:身體/尾鰭推進模式(BCF)和中間鰭(例如背鰭)/對鰭(例如胸鰭)推進模式(MPF)。BCF類型的魚類，主要把身體和尾鰭當作推進器，身體左右擺動擊水，利用其產生的反作用力使魚體向前推進。金槍魚、旗魚、鯊魚就屬于這種類型，這些魚類游泳時身體擺動主要集中在尾部，推進效率高、速度快、機動性強，被眾多學者作為仿生研宄的對象。
[0003]目前，仿生機器魚的設計存在三種方法。
[0004]第一種方法是建造離散的多關節剛性串聯機構以模擬魚體的脊骨，每個關節獨立驅動，通過對關節的協同控制來模擬“魚體波”動推進方式。比較著名的BCF機器魚包括麻省理工大學的機器金槍魚、日本NMRI開發的PF-300等簡化的基于關節的機器魚、東京科技大學開發的三關節機器海豚、伊斯坦布爾科技大學開發的一種四關節機器海豚、Essex大學的G9、北京航空航天大學的兩關節的機器魚SPC-1I和SPC III。然而，此種方式控制困難、機械效率低、擺動頻率很難提高。
[0005]第二種方法是麻省理工大學的Alvarado博士提出的:首先，利用彈性模量、粘性系數一定的粘彈性材料制造柔性魚體，然后通過在魚體的特定位置布置驅動器形成正弦激勵，激起柔性魚體的振動模態，從而利用該振動模態實現擺動推進。這種基于連續柔性體的機器魚游動自然平滑、結構簡單可靠、機械傳遞效率高。研宄表明，當驅動器驅動頻率與魚體身體的自然頻率接近時，魚體游動速度最大、效率最高。然而，此類仿生機器魚一旦制造完成，柔性魚體的身體剛度就被確定，其身體自然頻率也就無法改變。在這一條件下，想要通過提高驅動頻率來提高游動速度幾乎是不可能的，因此這一特性限制了此類機器魚的適應性。
[0006]為了提高仿生機器魚的適用性，姜洪洲等提出了第三種方法，即基于超冗余串并聯機構的變剛度擺動推進方式。首先，根據魚體外形匹配原則，將多個帶脊骨的8-8型六自由度并聯機構層疊串聯成超冗余串并聯擺動推進機構，然后根據冗余驅動并聯機構內力改變剛度原理計算各級并聯機構的內力，并通過主動剛度控制器對各層級剛度進行調節，最后通過運動學反解對首級單節并聯機構進行正弦激勵，從而激起基于超冗余串并聯機構的變剛度擺動推進裝置的振動模態，實現擺動推進。與第二種機器魚相比，此種仿生機器魚雖然結構復雜，但仍然是基于“柔性魚體振動模態激勵”的先進仿生原理設計而成，尤其是該仿生魚采用了“冗余驅動并聯機構內力改變剛度”的變剛度原理，使得此類仿生機器魚在不同的擺動頻率下都能夠達到最佳游動性能，提高了其適應性。然而，此種仿生機器魚仍存在以下問題:受驅動機構固定長度的限制，每層并聯機構的高度不可能設計得很小，而采用簡單的并聯機構層疊串聯方式，魚體擺動部分離散化后并聯機構的層數就受到了限制，這就影響了仿生柔性魚體的游動平滑性；另外，其每層并聯機構都需要配備相應的用于內力調節的主動剛度控制器，這也導致控制過于復雜。

【發明內容】

[0007]針對以上問題，本發明公開一種套疊式超冗余串并聯變剛度擺動推進裝置，它能在保證每層并聯機構高度不變的情況下提高仿生柔性魚體的游動平滑性，同時簡化控制方式，無需給每層并聯機構配備用于內力調節的主動剛度控制器即可實現有效剛度調節。
[0008]本發明所采用的技術如下:
[0009]一種套疊式超冗余串并聯變剛度擺動推進裝置，包括頭部、冗余驅動并聯機構和尾鰭，所述冗余驅動并聯機構包括板簧脊骨、支腿、柔性鉸、第一級并聯機構下平臺、第二級并聯機構下平臺、第三級并聯機構下平臺、第一級并聯機構上平臺、第二級并聯機構上平臺、第三級并聯機構上平臺、第四級并聯機構上平臺、第五級并聯機構上平臺、第六級并聯機構上平臺、第七級并聯機構上平臺；板簧脊骨一端與頭部固定連接，另一端與尾鰭固定連接，各平臺中心處與板簧脊骨固定連接；各平臺上均分布有八個柔性鉸，上、下平臺的柔性鉸之間通過支腿相連接，上、下平臺中心通過板簧脊骨連接；第一級并聯機構下平臺與頭部固定連接，第一級并聯機構上平臺作為第四級并聯機構下平臺，第二級并聯機構下平臺和第三級并聯機構下平臺按一定距離嵌入第一級并聯機構下平臺和第一級并聯機構上平臺之間，第二級并聯機構上平臺和第三級并聯機構上平臺分別作為第五級、第六級并聯機構下平臺，第二級并聯機構上平臺和第三級并聯機構上平臺按一定距離嵌入第一級并聯機構上平臺和第四級并聯機構上平臺之間，第五級并聯機構上平臺作為第七級并聯機構下平臺，第六級并聯機構上平臺按一定距離嵌入第五級并聯機構上平臺和第七級并聯機構上平臺之間，由此將七級并聯機構套疊串聯起來，第七級并聯機構上平臺與尾鰭固連，整體結構形成套疊式超冗余串并聯機構。
[0010]本發明還具有如下技術特征:
[0011]1、第一級并聯機構采用主動控制方式，其余并聯機構均采用被動控制方式，并聯機構八條支腿均采用流體人工肌肉驅動，在八條支腿伸縮作用下，中心板簧只在一個方向上產生變形，保證平臺進行單自由度擺動。
[0012]2、主動控制方式通過比例壓力閥對人工肌肉的位移進行精確控制，使上平臺按照一定規律擺動；所述被動控制方式通過調整人工肌肉內部流體壓力使該層并聯機構達到所需剛度；在主動控制并聯機構的正弦激勵作用下，實現裝置擺動推進。
[0013]本發明的特點和優點:
[0014](I)采用了冗余并聯機構套疊連接的形式，相比于層疊串聯的連接形式，在相同的魚體長度下，能布置更多的擺動關節，這樣能更好地匹配真實魚體的流線型外形，還具有推力大、動作連續、柔順性好的特點；
[0015](2)根據8-8型冗余驅動并聯機構柔順中心(上平臺的轉動中心)的位置取決于其幾何參數這一性質調節幾何參數，將套疊式并聯機構的柔順中心設置在上平臺中心，并將最后一個并聯機構的柔順中心設置在月牙尾鰭處，故擺動推進裝置的綜合柔順中心設計在月牙尾鰭處，這樣更加符合魚的真實游動情況，可大大提高推進力；
[0016](3)運用冗余驅動并聯機構可通過支腿內力(人工肌肉流體壓力)改變剛度的變剛度原理，可針對不同推進速度來調節剛度，簡化了變剛度的控制方式。
【附圖說明】
[0017]圖1整體結構示意圖；
[0018]圖2單個并聯機構結構示意圖；
[0019]圖3套疊式并聯機構套疊示意圖；
[0020]圖4套疊式并聯機構軸側圖；
【具體實施方式】
[0021]下面根據附圖舉例進一步說明:
[0022]實施例1
[0023]如圖1-圖3所示，一種套疊式超冗余串并聯變剛度擺動推進裝置，包括頭部1、冗余驅動并聯機構和尾鰭2，所述冗余驅動并聯機構包括板簧脊骨3、支腿4、柔性鉸5、第一級并聯機構下平臺6、第二級并聯機構下平臺7、第三級并聯機構下平臺8、第一級并聯機構上平臺9、第二級并聯機構上平臺10、第三級并聯機構上平臺11、第四級并聯機構上平臺12、第五級并聯機構上平臺13、第六級并聯機構上平臺14、第七級并聯機構上平臺15 ;板簧脊骨3 —端與頭部I固定連接，另一端與尾鰭2固定連接，第