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）一种形状可控的水下仿生推进装置.pdf_大学文库

CN104590519A 说明书 1/4页一种形状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仿生推进装置形状变化，从而提高推进性能的装置。背景技术 [0002]“水下仿生推进装置”即水下仿生推进器，由于其具有高效推进、高机动性以及高隐身特性，因此在水下探索、救灾等领域中都有着重要的应用前景，是当前国际上非常热门的一个研究领域。 [0003]水下仿生机器人往往需要在复杂的水下环境中作业。因此，仿生水下潜航器要具备长航程、高机动性、高稳定性、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，传统的固定外形的水下仿生推进装置很难始终同时保持良好机动性能和推进性能。在结构设计上，必然顾此失彼。 [0004] 鱼类的推进力主要来自于鱼鳍，大多数水下仿生推进装置都采用身体加鱼鳍的运动推进方式。在自然界中，人们发现擅长长距离巡游的鱼类通常具有新月形的鱼鳍形状，而擅长快速机动的鱼类通常具有梭鱼鱼鳍形状的鱼鳍，擅长灵活转弯的鱼类通常具有扇形的鱼鳍形状。但是传统的水下推进装置虽然以鱼鳍作为仿生对象，但其形状都是固定的，这样的仿生推进装置在运动时很难始终保持良好的推进性能和机动性能。也就是说，在相同的水域环境下，机器人执行不同运动任务，如巡航、直线加速、转弯时都只能采用一种形状的仿生推进装置运动，不能使机器人在执行所有任务时都达到最佳推进性能和机动性能：在不同的水域环境下，如顺流、逆流、风浪、潮汐、漩涡等，机器人做同一运动时，固定形状的仿生推进装置对于不同水流的湍急程度和水流方向的适应能力很低，不能使机器人在不同环境中执行任务都达到最佳推进性能和机动性能。而且，对于传统的机器人仿生推进装置来说，如果需要改变仿生推进装置的形状来完成所需任务或适应复杂的环境，都只能将机器人脱离工作区域，然后人为地进行更换。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适应不同的环境要求和不同的任务要求，实现最佳形状。本发明通过仿生推进装置的形态变化和结构变化，光滑而持续地改变外形，对不断改变的游动条件和任务特点做出响应：可以通过改变仿生推进装置的外形来提高仿生推进装置的功能，既具备长航时长航程能力，又具备高速、高机动推进的能力，从而极大的改善了推进性能。 [0006]本发明提出的一种形状可控的水下仿生推进装置包括：中心支撑杆、第一连接杆、第二连接杆、两根第三连接杆、第四连接杆、第五连接杆、两根变形连接杆和滑动杆、包膜，其中：所述滑动杆的两端分别与两根变形连接杆连接：两根变形连接杆的另一端分别与第一连接杆和第二连接杆的一端连接；所述第一连接杆的另一端与第二连接杆的另一端连接：一根第三连接杆与所述第一连接杆靠近变形连接杆的一端连接，另一根第三连接杆与 3

CN104590519A 说明书 2/4页所述第二连接杆靠近变形连接杆的一端连接：所述第四连接杆的一端与第五连接杆的一端连接，所述第四连接杆的另一端与第三连接杆远离第一连接杆的一端连接，所述第五连接杆的另一端与另一根第三连接杆远离第二连接杆的一端连接；所述中心支撑杆分别与第一连接杆与第二连接杆之间的连接点以及第四连接杆与第五连接杆之间的连接点连接，组成仿生推进装置骨架：所述滑动杆上具有凸起，所述中心支撑杆上设有凹槽，所述凸起卡入所述中心支撑杆的凹槽内：所述包膜包裹在所述仿生推进装置骨架上，形成所述仿生推进装置。 [0007] 可选地，所述装置还包括多个接头，用于连接各连接杆。 [0008] 可选地，所述凸起为腰形。 [0009] 可选地，所述包膜为弹性薄膜， [0010] 可选地，所述连接杆为实心杆、片或空心棒。 [0011] 可选地，所述连接杆呈直线形或弧形 [0012] 可选地，所述装置为对称四连杆机构。 [0013] 本发明的有益效果为：当机器人在相同水域环境下进行诸如巡航、直线加速、转弯等动作变化时，可以根据所需的动作来控制滑动杆滑动，以实现仿生推进装置形状的变化，从而使机器人快速达到并保持最佳运动状态，而且能快速实现动作变化：当机器人在不同水域环境进行相同运动时，可以根据环境的不同控制机器人仿生推进装置的形状以达到最佳运动状态，从而有效地增强了机器人的机动性和推进性能。另外，机器人的仿生推进装置形状变化和运动可以同时进行，无需将机器人拿出运动环境后人为的对仿生推进装置进行更换，从而大大地提高了机器人的环境适应能力。附图说明 [0014] 图1为本发明形状可控的水下仿生推进装置的结构示意图： [0015] 图2a为根据本发明一实施例的一种仿生推进装置变化形态； [0016] 图2b为根据本发明一实施例的另一种仿生推进装置变化形态： [0017] 图2C为根据本发明一实施例的另一种仿生推进装置变化形态； [0018] 图2d为根据本发明一实施例的另一种仿生推进装置变化形态：具体实施方式 [0019] 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。 [0020] 图1为本发明形状可控的水下仿生推进装置的结构示意图，如图1所示，所述形状可控的水下仿生推进装置包括中心支撑杆1、第一连接杆2、第二连接杆3、两根第三连接杆 4、第四连接杆5、第五连接杆6、两根变形连接杆7、滑动杆8、多个接头9、包膜，其中： [0021] 所述滑动杆8的两端分别与两根变形连接杆7连接，以保证滑动杆8能够无阻力地滑动： [0022] 两根变形连接杆7的另一端分别通过接头9与第一连接杆2和第二连接杆3的一端连接； [0023] 所述第一连接杆2的另一端与第二连接杆3的另一端通过接头9连接：

CN104590519A 说明书 3/4页 [0024] 一根第三连接杆4与所述第一连接杆2靠近变形连接杆7的一端通过接头9连接，另一根第三连接杆4与所述第二连接杆3靠近变形连接杆7的一端通过接头9连接： [0025]所述第四连接杆5的一端与第五连接杆6的一端通过接头9连接，所述第四连接杆5的另一端与第三连接杆4远离第一连接杆2的一端通过接头9连接，所述第五连接杆 6的另一端与另一根第三连接杆4远离第二连接杆3的一端通过接头9连接； [0026]所述中心支撑杆1分别与第一连接杆2与第二连接杆3之间的连接点以及第四连接杆5与第五连接杆6之间的连接点连接，组成仿生推进装置骨架； [0027]其中，所述滑动杆8上具有凸起，所述中心支撑杆1的前端，即靠近所述滑动杆8 的一端设有凹槽，所述凸起卡入所述中心支撑杆1的凹槽内，在凹槽中作无阻力地滑动。在本发明一实施例中，所述凸起为腰形，这样就可以保证所述滑动杆8在以中心支撑杆1的凹槽为轨道运动时不会发生转动。 [0028] 所述包膜包裹在所述仿生推进装置骨架上，形成所述仿生推进装置，所述包膜如图1中斜线区域所示。 [00291 其中，所述包膜为弹性薄膜，比如聚酰胺、牛津布、乳胶等材料制成的薄膜。 [0030] 所述中心支撑杆1为所述仿生推进装置的支撑体，在本发明一实施例中，所述第一连接杆2和第二连接杆3与接头9连接后，铰接在所述中心支撑杆1上，两根第三连接杆 4与接头9连接后分别与第一连接杆2和第二连接杆3铰接，第四连接杆5和第五连接杆6 的一端通过接头9连接后，也铰接在所述中心支撑杆1上，另一端与两根第三连接杆4分别连接，这样所述仿生推进装置的主要变形部分就连接完成了，由于所述仿生推进装置是对称四连杆机构，因此可以保证上下两部分变形区域对称。 [0031]将滑动杆8的凸起放到中心支撑杆1的凹槽内后，所述凹槽作为滑动杆8凸起移动的轨道，另外，通过变形连接杆7将滑动杆8与第一连接杆2和第二连接杆3相连接，这样所述滑动杆8就可以作为拉动整体变形装置的拉杆。这样，滑动杆8在凹槽内位移的同时就能够带动仿生推进装置发生形状变化，从而能够适应不同的环境和不同的任务要求。 [0032]综上，根据本发明的技术方案，所述仿生推进装置通过滑动杆8的位移变化，来拉动连杆机构，使连杆机构发生形状变化，从而导致仿生推进装置的整体形状发生改变。 [0033]图1、图2a到图2d为形状可控的水下仿生推进装置的4种不同形态。其中，图1 为滑动杆8处于中心支撑杆1最右端时的情况，此时仿生推进装置呈扇形，随着滑动杆8的向左移动，依次可以出现如图2a所示的梯形，图2b所示的类梭鱼尾型，图2c所示的类三角形鱼尾以及图2d所示的类旗鱼鱼尾形的形状，当然形变的中间过程也可以根据实际应用的需要调整成不同的形状，由于所述滑动杆8为连续滑动，所以对于所述水下仿生推进装置而言，其形状可根据所处环境的改变而改变，并不相对固定。比如，根据研究表明，当需要加速时，梭鱼鱼尾形的效果最好，此时可将所述水下仿生推进装置的形状改变为类梭鱼鱼尾型：当需要转弯时，扇形推进机构又具有最大的机动性，此时可以根据需要将所述水下仿生推进装置的形状改变为扇形，以取得最佳的机动性：而当需要巡航时，所述水下仿生推进装置的形状呈旗鱼鱼尾型为最佳。 [0034]其中，上述各连接杆之间的连接可采用多种连接方式，比如较接等，可以如上所述通过多个接头9进行连接，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、合理的连接杆之间的连接方式均落入本发明的保护范围内。 5