上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源（专利资料）水下仿生（2015）一种面积可控的水下仿生推进装置.pdf_大学文库

CN104554682A 说明书 1/4页一种面积可控的水下仿生推进装置技术领域 [0001]本发明属于智能机器人技术领域，具体涉及一种能够控制水下机器仿生推进装置面积变化，从而提高推进性能的装置。背景技术 [0002] 仿生潜航器所处的水下环境极其复杂，具体表现在：(1)水下环境是一种三维环境，具有山川、珊瑚、洞穴以及水草等障碍，因此对于水下仿生潜航器的机动性能提出了很高的要求；(2)水中环境流动比较复杂，对于河流来说，既存在固定水流方向，同时也存在暗流和漩涡，对于海水来说，还有较大的风浪和潮汐。因此仿生潜航器需要具有较高的推进速度和推进力来防止被困以及突防。 [0003]在如此复杂的水下环境下，水下仿生潜航器要具备高速推进能力来完成高效长航程巡游、高速巡航、突防机动、稳定作业等多种任务，传统的固定面积的仿生推进装置很难达到最佳推进性能要求。 [0004]仿生推进装置面积的变化会影响到机器人的运动要求以及推进性能。一般情况下，推进装置的面积越大，所产生的力就会越大。仿生推进装置在每个周期的摆动时，会给水一个作用力，而水则会给仿生推进装置反作用力，这个反作用力在拍动周期的某些阶段与机器人行进方向相同，在某些阶段则与机器人行进方向相反。传统的水下仿生机器人推进装置面积都是固定的，这样的装置在机器人每个周期的运动中只能保持单一面积，而推进装置每个周期的摆动中，水给推进机构的反作用力与面积成比例，其对于推进方向相反方向的作用力使得机器人的推进性能较低，难以达到最佳的推进效果。发明内容 [0005]本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，使仿生推进装置能够在游动中的每个周期内通过改变面积，调整水对仿生推进装置推进方向同向和反向的作用力大小，有效提高其推进性能。本发明提出的一种面积可控水下仿生推进装置能够在机器人运动的同时，在一个周期内，自动改变仿生推进装置的面积，以使得有益于正向推进力产生的周期面积增大，不利于正向推进力产生的周期推进面积减小，从而提高一个拍动周期的推进能力。 [0006]本发明提出的一种面积可控水下仿生推进装置包括：仿生推进装置主体、开窗装置、滑块导轨和滑块连接装置，其中：所述仿生推进装置主体的作用平面上开设有多个窗口：所述开窗装置与仿生推进装置主体活动连接，用于遮挡所述仿生推进装置主体上所有窗口的部分或全部面积：所述滑块导轨的一端与开窗装置连接所述仿生推进装置主体的一端连接，其中，所述滑块导轨上设置有导轨：所述滑块连接装置一端的滑块接头置于所述滑块导轨的导轨内，另一端固定连接在可移动的杆件上。 [0007]可选地，所述仿生推进装置主体呈仿生鱼鳍形状。 [0008] 可选地，所述活动连接为转动连接、左右平动连接或上下平动连接。 3

CN104554682A 说明书 2/4页 [0009] 可选地，所述窗口靠近主体外侧的一端的形状与所述仿生推进装置主体的形状相似。 [0010] 可选地，相邻窗口中间区域的形状与所述窗口的形状相似 [0011] 可选地，所述开窗装置与所述仿生推进装置主体开窗部分的形状相似。 [0012] 可选地，所述开窗装置包括多个分支，每个分支的形状与单个窗口的形状相似，且所述分支的数量与窗口的数量相同。 [0013]可选地，所述杆件能够在垂直方向上或者水平方向上移动，进而带动所述开窗装置进行转动。 [0014]本发明面积可控仿生推进装置在运动周期下通过面积的变化提高其推进性能。在一个周期中，水给仿生推进装置的反作用力与机器人行进方向相同时，可将仿生推进装置的面积变为最大，即全部开窗关闭，此时具有最大的推进力：而当水给仿生推进装置的反作用力与机器人行进方向相反时，可将仿生推进装置的面积变为最小，即全部开窗打开，此时可使与行进方向反向的反作用力变为最小，从而提高了仿生推进装置的推进性能。附图说明 [0015] 图1为本发明面积可控水下仿生推进装置的结构示意图： [0016] 图2为根据本发明一实施例的面积可控水下仿生推进装置的面积变化形态示意图： [0017] 图2b为根据本发明另一实施例的面积可控水下仿生推进装置的面积变化形态示意图： [0018] 图3为根据本发明另一实施例的面积可控水下仿生推进装置的面积变化形态示意图： [0019] 图3b为根据本发明再一实施例的面积可控水下仿生推进装置的面积变化形态示意图。具体实施方式 [0020] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。 [0021]图1为本发明面积可控水下仿生推进装置的结构示意图，如图1所示，所述面积可挖水下仿生推进装置包括：仿生推进装置主体1、开窗装置2、滑块导轨3和滑块连接装置 4,其中： [0022]所述仿生推进装置主体1与开窗装置2活动连接，比如可根据仿生推进装置的需要进行转动连接、左右平动连接或上下平动连接。以转动连接为例，可以使所述开窗装置2 能够以所述仿生推进装置主体1与所述开窗装置2的连接点为中心转动，至少能够遮挡住所述仿生推进装置主体1所有开窗的部分或全部面积； [0023]其中，所述仿生推进装置主体1呈扇形、新月形、三角形或其他仿生鱼鳍形状。所述仿生推进装置主体1的作用平面上开设有多个窗口，一般情况下开设三到五个窗口，所述窗口靠近主体1外侧的一端的形状与所述仿生推进装置主体1的形状相似，比如，若所述仿生推进装置主体1为扇形，则所述窗口靠近主体1外侧一端的形状亦为扇形，若所述仿生 4

CN104554682A 说明书 3/4页推进装置主体1为新月形，则所述窗口靠近主体1外侧一端的形状亦为新月形。另外，相邻窗口中间区域的形状与窗口的形状也相似。 [0024]其中，所述开窗装置2是用来遮挡所述仿生推进装置主体1上开设窗口的装置，所述开窗装置2的形状与所述仿生推进装置主体1开窗部分的形状相似，其包括多个分支，每个分支的形状与单个窗口的形状相似，且所述分支的数量与窗口的数量相同，比如，每个分支的面积和位置恰好能够遮盖住开窗，这样当所述水下仿生推进装置的状态为闭窗时，所述开窗装置2恰好能够完全遮挡住所述仿生推进装置主体1的开窗，而当所述水下仿生推进装置的状态为开窗时，所述开窗装置2的每一个分支恰好处于相邻两窗之间的区域，从而实现开窗。 [0025]其中，所述仿生推进装置主体1与开窗装置2之间的转动连接可采用多种连接方式，比如铰接、通过转动轴等转动部件连接等，当然也可以采用其他连接方式，本发明对其不作赘述，应当明了的是，所有使得开窗装置2能够以仿生推进装置主体1与开窗装置2的连接点为中心转动的、可能的、合理的装置连接方式均落入本发明的保护范围内。 [0026] 所述滑块导轨3的一端与开窗装置2连接所述仿生推进装置主体1的一端连接： [0027] 其中，所述滑块导轨3上设置有导轨，用于安置位于所述滑块连接装置4一端的滑块接头，所述滑块接头能够沿着所述导轨的方向进行移动，其中，所述导轨比如可以为凹槽； [0028] 其中，所述滑块导轨3与开窗装置2之间的连接也可采用多种连接方式，比如铰接、通过转动轴等转动部件连接等，当然也可以采用其他连接方式，本发明对其不作赘述，应当明了的是，所有的可能的、合理的滑块导轨3与开窗装置2的连接方式均落入本发明的保护范围内。 [0029]所述滑块连接装置4一端的滑块接头置于所述滑块导轨3的导轨内，另一端固定连接在可移动的杆件上，比如套接在可在垂直方向上上下移动的杆件，这样滑块连接装置4 与杆件连接的一端就会在所述杆件运动时带动所述滑块导轨3进行上下转动，进而带动开窗装置2随之发生转动，遮住或者露出所述仿生推进装置主体1上的窗口，从而完成开窗或者关窗的操作。具体地，如果需要增大与行进方向同向的反作用力，减小，则在产生同向推进力时，关闭开窗，即执行闭窗操作，使得所述仿生推进装置的作用面积增大，在执行闭窗操作时，所述开窗装置2在所述滑块导轨3和滑块连接装置4的带动下将所述仿生推进装置主体1的开窗全部遮盖（如图1所示）或者部分遮盖：而如果需要减小与行进方向反向的反作用力时，则打开开窗，即执行开窗操作，使得所述仿生推进装置的作用面积减小。当需要执行开窗操作时，可根据实际应用的需要，通过转动角度的控制使得所述开窗装置2全部打开或者部分打开（如图2或图2b所示），从而改变了所述仿生推进装置的作用面积，即所述仿生推进装置主体1的作用平面的面积。 [0030]图2和图2b示出了杆件在垂直方向上上下移动时执行开窗操作的两种方式，其中，图2为向上开窗方式，图2b为向下开窗方式，这两种开窗方式的原理与上文描述相似，区别仅在于滑块连接装置4与滑块导轨3之间的滑块连接不同。图2和图2b都为开窗，闭窗时的状态为图1。 [0031]图3a和图3b为杆件在水平方向上移动时执行开窗操作的示意图，也是面积控制的一种操作方式，其开窗原理与图1所示装置相同，都是通过运动执行开窗操作，即对于仿 5