(19)中华人民共和国国家知识产权局 ▣▣ (12)发明专利申请 回 (10)申请公布号CN104309789A (43)申请公布日2015.01.28 (21)申请号201410583169.4 (22)申请日2014.10.27 (71)申请人哈尔滨工业大学 地址150001黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街92号 (72)发明人陈维山董帝渤郝亚强刘军考 侯珍秀 (74)专利代理机构哈尔滨市松花江专利商标事 务所23109 代理人岳泉清 (51)1nt.Cl. B63H136(2006.01) 权利要求书1页说明书4页附图5页 (54)发明名称 驱动关节内嵌式的柔性多运动模式仿生尾鳍 (57)摘要 驱动关节内嵌式的柔性多运动模式仿生尾 鳍，它涉及一种尾鳍，以解决现有水下仿尾鳍推进 装置存在的结构复杂、维修更换成本高、运动模式 单一、仿生效果与自然界中真实鱼类游动有较大 差距的问题，它包括仿生柔性蒙皮、弹性夹持框、 第一压电纤维复合材料驱动关节和、个第二压电 纤维复合材料驱动关节：弹性夹持框、第一压电 纤维复合材料驱动关节和N个第二压电纤维复合 材料驱动关节嵌入柔性蒙皮内，第一压电纤维复 合材料驱动关节和N个第二压电纤维复合材料驱 动关节分别与弹性夹持框可拆卸连接，第一压电 纤维复合材料驱动关节沿轴向水平布置在仿生柔 性蒙皮的中部。本发明属于仿鱼水下推进装置领 域。 99160950
CN104309789A 权利要求书 1/1页 1.驱动关节内嵌式的柔性多运动模式仿生尾鳍，其特征在于：它包括仿生柔性蒙皮 (⑤)、弹性夹持框(1)、第一压电纤维复合材料驱动关节(4)和N个第二压电纤维复合材料驱 动关节(3)：其中N偶数，且N≥2； 弹性夹持框(1)、第一压电纤维复合材料驱动关节(4)和N个第二压电纤维复合材料驱 动关节(3)嵌入柔性蒙皮（⑤）内，第一压电纤维复合材料驱动关节(4)和N个第二压电纤 维复合材料驱动关节(3)分别与弹性夹持框(1)可拆卸连接，第一压电纤维复合材料驱动 关节(4)沿轴向水平布置在仿生柔性蒙皮（⑤）的中部，N个第二压电纤维复合材料驱动关 节(3)以第一压电纤维复合材料驱动关节(4)为对称轴对称布置，且N个第二压电纤维复 合材料驱动关节(3)向外倾斜。 2.根据权利要求1所述的驱动关节内嵌式的柔性多运动模式仿生尾鳍，其特征在于： 所述仿生柔性蒙皮（⑤）由硅胶制成。 3.根据权利要求1或2所述的驱动关节内嵌式的柔性多运动模式仿生尾鳍，其特征在 于：所述弹性夹持框(1)由硅胶或聚四氟乙烯制成。 4.根据权利要求3所述的驱动关节内嵌式的柔性多运动模式仿生尾鳍，其特征在于： 弹性夹持框(1)的中部加工有平直凹槽(1-1)，位于平直凹槽(1-1)的两侧的弹性夹持框 (1)上加工有N个倾斜凹槽(1-2)，第一压电纤维复合材料驱动关节(4)和N个第二压电纤 维复合材料驱动关节(3)均为板状压电纤维复合材料驱动关节，第一压电纤维复合材料驱 动关节(4)的一端插装在平直凹槽(1-1)内，N个第二压电纤维复合材料驱动关节(3)各 自的一端插装在相应的倾斜凹槽(1-2)内。 5.根据权利要求1、2或4所述的驱动关节内嵌式的柔性多运动模式仿生尾鳍，其特征 在于：所述第二压电纤维复合材料驱动关节(3)的数量为两个。 6.根据权利要求1、2或4所述的驱动关节内嵌式的柔性多运动模式仿生尾鳍，其特征 在于：它还包括多个紧顶螺钉(2)，第一压电纤维复合材料驱动关节(4)和N个第二压电纤 维复合材料驱动关节(3)分别通过紧顶螺钉(2)与弹性夹持框(1)可拆卸连接。 2
CN104309789A 说明书 1/4页 驱动关节内嵌式的柔性多运动模式仿生尾鳍 技术领域 [0001]本发明涉及一种尾鳍，具体涉及一种柔性多运动模式仿生尾鳍，属于仿鱼水下推 进装置领域。 背景技术 [0002]传统的水下推进器多数采用螺旋桨作为驱动单元，实践证明这种方法存在着诸多 不可避免的问题，如重量大、体积大、能耗高、效率低、可靠性差、机动性差，且运动过程中伴 有较大的噪声和尾涡，对海洋生物的生存和环境具有一定的负面影响。这些缺点在一定程 度上限制了其在水下航行器领域的应用。近10年来，随着人类利用海洋、开发海洋的步 伐逐步加快，仿生水下航行器也逐步得到了发展，在这一类航行器中，以仿鱼机器人最为盛 行。 [0003]关于鱼类运动机理研究的报道在一个世纪以前就已经出现了，但一直不成系统。 直到1926年才有Breder等人根据产生主要推进力的部位的不同，将鱼类的推进模式分为 两大类：身体尾鳍推进模式和中间鳍对鳍推进模式。这种分类较为简单和初级，对鱼类的游 动特点描述还不够清晰。因此，在1984年Webb等人对该种分类方式进行了完善，提出了波 动和摆动的概念，而这一改进后的分类方式也被沿用至今。其中躯体尾鳍推进模式又称为 BC℉模式，中间鳍对鳍推进模式又称为MP℉模式。上述分类包含鱼鳍的分类，由于尾鳍推进 模式广泛存在于大多数的海洋鱼类中，因此其推进特性和相关的仿生装置也一直是研究人 员所关心的问题。 [0004]尾鳍的运动波动躯体末端的柔性铰链进行带动，包括绕铰链关节的转动和在波动 躯体波动平面的升潜运动。在运动过程中，由于自身的柔性以及附着流体的粘性会使得尾 鳍表现出被动的柔性变形，这个变形的动力来源于流体阻力和运动惯性力，变形则体现了 柔性结构对流场能量的被动利用过程。研究表明，尾鳍的展向柔性和弦向柔性在一定范围 内对其推进特性具有积极的影响，比如有利于增大推进力、提高推进效率、增加流场能量利 用效率等。人们根据这种柔性尾鳍的被动动力效应，相继开发出了多种形式的仿生推进装 置。 [0005]经文献检索，授权公告日为2013年5月22日、授权公告号为CN102248995B的发明 名称为“咽领运动模式欠驱动柔性胸鳍仿生装置”的发明专利，它首次提出了一种采用欠驱 动机构模式的仿生胸鳍，将主动摆动构件和从动摆动构件结合应用，其中主动摆动构件由 电机直接驱动，而从动摆动构件则由主动摆动构件通过阻尼器传递运动，实现了胸鳍的波 动运动。但由于带动胸鳍运动的鳍条都是刚性的摆动构件，因此只能实现胸鳍的展向柔性， 而不具备弦向柔性，这与自然界中真实鱼鳍的结构和运动有一定的区别，而且结构复杂、维 修更换成本高。 [0006]授权公告日为2010年6月16日、授权公告号为CN101323365B的发明名称为“液 压驱动身体尾鳍方式仿生水下推进器”的发明专利，它首次提出了一种利用液压驱动关节 进行鱼体波动同时带动尾鳍进行往复摆动的仿生推进结构，这种推进器可以局部模拟自然 3
CN104309789A 说明 书 2/4页 界中真实鱼类的游动，但由于尾鳍不具备直接可控硅的展向柔性和弦向柔性，因此其仿生 效果跟真实鱼类的尾鳍相比必然会受到一定程度的制约，而且结构复杂、维修更换成本高。 发明内容 [0007]本发明是为解决现有水下仿尾鳍推进装置存在的结构复杂、维修更换成本高、运 动模式单一、仿生效果与自然界中真实鱼类游动有较大差距的问题，进而提供一种驱动关 节内嵌式的柔性多运动模式仿生尾鳍。 [0008]本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的驱动关节内嵌式的柔性多运 动模式仿生尾鳍包括仿生柔性蒙皮、弹性夹持框、第一压电纤维复合材料驱动关节和、个 第二压电纤维复合材料驱动关节：其中N偶数，且N≥2： [0009]弹性夹持框、第一压电纤维复合材料驱动关节和N个第二压电纤维复合材料驱动 关节嵌入柔性蒙皮内，第一压电纤维复合材料驱动关节和N个第二压电纤维复合材料驱动 关节分别与弹性夹持框可拆卸连接，第一压电纤维复合材料驱动关节沿轴向水平布置在仿 生柔性蒙皮的中部，N个第二压电纤维复合材料驱动关节以第一压电纤维复合材料驱动关 节为对称轴对称布置，且N个第二压电纤维复合材料驱动关节向外倾斜。 [0010] 本发明的有益效果是：一、本发明的驱动关节内嵌式的柔性多运动模式仿生尾鳍 直接通过内嵌于仿生柔性蒙皮的压电纤维复合材料(MFC)驱动关节的弯曲变形带动仿生 柔性蒙皮进行偏摆或扭转，以模拟自然界中真实鱼类尾鳍的变形模式，实现有效推进。在本 发明中，规定垂直于第一压电纤维复合材料驱动关节的中心线的方向为展向，第一压电纤 维复合材料驱动关节的长度方向中心线为弦向。由于多数鱼类的尾鳍呈轴对称的几何形 态，且在展向和弦向都具有一定的柔性，因此本发明中根据尾鳍形态布置了三个压电纤维 复合材料(F℃)驱动关节，其中一个布置于仿生柔性蒙皮的中心轴线位置，另两个则对称 地分布于中心轴线的两侧。这种布置方式一方面可以最大限度地利用展向长度空间，使得 运动执行效率更高；另一方面有利于实现防身尾鳍的多种运动模式。 [0011] 二、根据自然界中鱼类利用柔性尾鳍进行推进的水动力学机理，尾鳍作为推进的 重要部件具备相对独立的运动特性，其升潜幅值、摆动角度、摆动频率、击水角度等运动学 参数和形态参数都直接决定了系统的推进速度、推进效率等动力学性能。本发明根据这个 原理，将仿生尾鳍进行模块化设计，做成独立的便于安装、维护和替换的部件。由于压电纤 维复合材料(MF℃)驱动关节是嵌入柔性尾鳍的，因此其运动也会同步复现在柔性尾鳍的变 形上。当三个压电纤维复合材料(FC)驱动关节已有同一侧长生延展时，便会带动仿生柔 性蒙皮产生弯曲变形，在柔性尾鳍的运动形态上体现出来的就是绕垂直于第一压电纤维复 合材料驱动关节的中心线的摆动，此时会产生击水的动作效果：若合理规划、控制压电纤维 复合材料(MFC)驱动关节的弯曲方向和幅值，则可以让柔性胸鳍展现出可控的沿垂直于第 一压电纤维复合材料驱动关节的长度方向中心线传播的波动形态或者绕第一压电纤维复 合材料驱动关节的中心线的扭转摆动形态，即实现本发明提出的多运动模式。 [0012]三、本发明的驱动关节内嵌式的柔性多运动模式仿生尾鳍是通过控制MFC驱动关 节两侧的电压来实现运动的。根据压电纤维复合材料MF℃的动力学特性，在其两端同正向 电压时会产生延展变形，通负向电压时则会产生收缩变形，因此根据仿生尾鳍的运动学模 型来控制F℃驱动关节的通电时间和方向来控制运动时间和变形幅度。对尾鳍上的三个
CN104309789A 说 明书 3/4页 MF℃驱动关节进行多点独立控制，便可以将柔性尾鳍的运动模式复合出弯曲模式、偏摆模 式、波动模式，有效实现本发明的意图。 [0013]四、本发明的驱动关节内嵌式的柔性多运动模式仿生尾鳍具有结构紧凑简单、设 计灵活、系统集成度高，维修更换成本的优点，维修更换成本降低了35%-50%。通过内嵌 式压电纤维复合材料驱动关节与仿生柔性蒙皮的一体化设计，以简练的结构实现了仿尾鳍 推进部件的模块化。本发明的多个压电纤维复合材料驱动关节分布方式沿仿生柔性蒙皮的 中心轴线对称布置，这种增加驱动节点数目有助于通过提高尾鳍的水动力推进能力以及增 加尾鳍结构柔性控制和运动模式控制的自由度，与自然界中真实鱼类尾鳍的结构特性、力 学特性和物理特性较为相近，提高仿生效果。本发明的动作行为与真实鱼类的推进行为接 近，仿生效果与自然界中真实鱼类游动差距很小。本发明可以用于研究鱼类高效游动的流 动控制机理，也可以作为海洋科学研究、海洋科技展览的基础平台。 附图说明 [0014]图1是本发明的驱动关节内嵌式的柔性多运动模式仿生尾鳍的立体结构示意图， 图2是本发明的驱动关节内嵌式的柔性多运动模式仿生尾鳍的分解结构示意图，图3是本 发明驱动关节内嵌式的柔性多运动模式仿生尾鳍的主剖面结构示意图，图4是本发明的弹 性夹持框与压电纤维复合材料驱动关节连接的立体结构示意图，图5是本发明的弹性夹持 框的立体结构示意图，图6是本发明的第一压电纤维复合材料和第二压电纤维复合材料同 时向上运动的摆动模式运动状态图，图7是本发明所述柔性仿生尾鳍的多运动模式中的第 一压电纤维复合材料静止不动而第二压电纤维复合材料向上运动或向下运动的弯曲模式 运动状态图，图8是本发明所述柔性仿生尾鳍的多运动模式中的第一压电纤维复合材料静 止不动、一侧的第二压电纤维复合材料向下运动而另一侧的第二压电纤维复合材料向上运 动的偏摆模式运动状态图。 具体实施方式 [0015]具体实施方式一：结合图1-图5说明，本实施方式的驱动关节内嵌式的柔性多运 动模式仿生尾鳍包括仿生柔性蒙皮5、弹性夹持框1、第一压电纤维复合材料驱动关节4和 N个第二压电纤维复合材料驱动关节3；其中N偶数，且N≥2； [0016]弹性夹持框1、第一压电纤维复合材料驱动关节4和N个第二压电纤维复合材料驱 动关节3嵌入柔性蒙皮5内，第一压电纤维复合材料驱动关节4和N个第二压电纤维复合 材料驱动关节3分别与弹性夹持框1可拆卸连接，第一压电纤维复合材料驱动关节4沿轴 向水平布置在仿生柔性蒙皮5的中部，N个第二压电纤维复合材料驱动关节3以第一压电 纤维复合材料驱动关节4为对称轴对称布置，且N个第二压电纤维复合材料驱动关节3向 外倾斜。 [0017]本实施方式的两个第二压电纤维复合材料驱动关节3渐扩的方式倾斜布置，本实 施方式的弹性夹持框1为中空结构，具备一定的弹性：弹性夹持框1、三个压电纤维复合材 料驱动关节和仿生柔性蒙皮5一体化制成：所述一体化的多运动模式仿生尾鳍外形参照自 然界中的参科或鲔科鱼类进行设计，具备良好的水动力学特性。 [0018]具体实施方式二：结合图1-图3说明，本实施方式所述仿生柔性蒙皮5由硅胶制 5
CN104309789A 说明书 4/4页 成。如此设置，化学性质稳定，有较高的机械强度，满足设计要求和实际需要。 [0019]具体实施方式三：结合图1-图3说明，本实施方式所述弹性夹持框1由硅胶或聚 四氟乙烯制成。如此设置，使用方便，取材容易。其它与具体实施方式一或二相同。 [0020]具体实施方式四：结合图1-图3说明，本实施方式的弹性夹持框1的中部加工有 平直凹槽1-1，位于平直凹槽1-1的两侧的弹性夹持框1上加工有N个倾斜凹槽1-2，第一 压电纤维复合材料驱动关节4和N个第二压电纤维复合材料驱动关节3均为板状压电纤维 复合材料驱动关节，第一压电纤维复合材料驱动关节4的一端插装在平直凹槽1-1内，N个 第二压电纤维复合材料驱动关节3各自的一端插装在相应的倾斜凹槽1-2内。如此设置， 拆装方便，使用便捷。其它与具体实施方式三相同。 [0021]具体实施方式五：结合图2-图4说明，本实施方式所述第二压电纤维复合材料驱 动关节3的数量为两个。如此设置，使用方便，满足实际仿生运动需要。其它与具体实施一、 二或四相同。 [0022]具体实施方式六：结合图1-图3说明，本实施方式的尾鳍还包括多个紧顶螺钉2， 第一压电纤维复合材料驱动关节4和N个第二压电纤维复合材料驱动关节3分别通过紧顶 螺钉2与弹性夹持框1可拆卸连接。如此设置，连接方便可靠。其它与具体实施方式一、二 或四相同。 [0023]工作原理 [0024] 本发明的驱动关节内嵌式的柔性多运动模式仿生尾鳍在制造的时候，所述斜向 布置的两个第二压电纤维复合材料(MFC)驱动关节3、轴向布置的第一压电纤维复合材料 (F℃)驱动关节4与仿生柔性蒙皮5进行一体化成型，具体而言，是将制作好的第一压电纤 维复合材料(MFC)驱动关节4两个第二压电纤维复合材料(MFC)驱动关节3放入硅胶浇铸 模具内部，按照设计好的空间位置分布，然后注入硅胶溶液，待硅胶溶液固化后，便可获得 一体化的柔性仿生尾鳍。 [0025]本实发明的驱动关节内嵌式的柔性多运动模式仿生尾鳍在应用的时候，控制方式 采用三关节独立控制，以实现良好的运动效果。具体而言，以两个第二压电纤维复合材料 驱动关节为例：每个压电纤维复合材料（℃）驱动关节（第一压电纤维复合材料驱动关节 4和N个第二压电纤维复合材料驱动关节3)作为一个独立的控制对象，通过导线6通电控 制通电频率和电流方向、幅值等参数便可以控制其弯曲变形的幅度和方向（如图2所示）， 通过让若干个关节保持静止而其余关节进行有规划的运动，则可以让柔性尾鳍实现弯曲运 动模式或者偏摆运动模式。如图2和图6-图8所示，当第一压电纤维复合材料(FC)驱动 关节4和两个第二压电纤维复合材料(MF℃)驱动关节3都往上弯曲时，此时柔性仿生尾鳍 体现出来的是绕垂直于第一压电纤维复合材料驱动关节的长度方向的中心线的摆动，称为 摆动模式（如图6所示）；当MFC驱动关节3都往上弯曲而MPC驱动关节4静止不动或者 往下弯曲时，此时柔性仿生尾鳍体现出来的是沿垂直于第一压电纤维复合材料驱动关节的 长度方向的中心线的弯曲，称为弯曲模式（如图7所示）：当F℃驱动关节3中的一个关节 往下而另一个关节往下同时F℃驱动关节4不动时，此时柔性仿生尾鳍体现出来的是绕第 一压电纤维复合材料驱动关节的长度方向的中心线的扭转偏摆，称为偏摆模式（如图8所 示)。这样，便实现了本发明柔性仿生尾鳍的多种运动模式，同时还体现出来与自然界鱼类 尾鳍相似的展向柔性和弦向柔性，具有良好的仿生推进效果。 6
CN104309789A 说 明书附图 1/5页 5 图1 1 6 2363 4 8 图2 7
CN104309789A 说明书附图 2/5页 2 ⊕ $ ⑨ 图3 8
CN104309789A 说明书 附图 3/5页 1 2 3 9 巴 图4
CN104309789A 说明书附图 4/5页 1-2 1-1 1-2 ④ 图5 3 图6 3 图7 10