基于内部流体压力调节的变刚度柔性仿生鱼模型的制作方法

本发明主要涉及到水下仿生机器人领域，具体涉及一种基于内部流体压力调节的变刚度柔性仿生鱼模型。

背景技术：

目前对BCF类鱼的游动机理研究表明：1.鱼脊柱上附有肌肉组织，牵动鱼尾在水中摆动，产生逆卡门涡街，利用其产生的反作用力推动鱼体前进；2.鱼尾部分脊柱周围分布4块大的肌肉群，在鱼游动时调节自身的紧绷程度来变化鱼尾的刚度，由于不同的游动速度需要不同的刚度以使身体的自然频率与尾部摆动频率达到匹配，从而大大地降低能量消耗；3.脊柱周围的4块肌肉群可以通过收缩自身来实现鱼尾的各个方向弯曲，产生较大的冲量，实现了鱼在游动过程中的转向、逃逸、高速巡航等多种动作，减小了转弯半径，使之更加灵活。

现阶段国内外科研机构对身体-鱼鳍类Body and Caudal Fin，BCF仿鱼机器人的设计大多采用并联机构作为鱼尾的主要结构，以实现各向同性和将解耦中心设置在月牙形尾鳍上。但是这种结构不能满足机器鱼在水中运动的灵活性，转弯半径过大，而且难以根据鱼的游动速度调节鱼尾的刚度，推进效率没有真鱼高，需要进一步的研究和实验。

技术实现要素：

基于以上不足之处，本发明提供了一种基于内部流体压力调节的变刚度柔性仿生鱼模型，更加贴近鱼体的真实结构。

本发明采用以下技术方案予以实现：一种基于内部流体压力调节的变刚度柔性仿生鱼模型，包括鱼头部、鱼体和尾鳍，鱼头部和鱼体外部包裹有蒙皮，鱼头部内安装有气动动力控制单元；所述鱼体包括四个内部锥形气动肌肉和嵌套式串并联单元，嵌套式串并联单元作为仿生鱼的脊柱和骨架，四个内部锥形气动肌肉分别位于嵌套式串并联单元内部，每个内部锥形气动肌肉的前端与鱼头部连接，其末端通过刚性固定件与尾鳍连接，气动动力控制单元分别与嵌套式串并联单元和四个内部锥形气动肌肉连接，气动动力控制单元通过调节内部锥形气动肌肉内部压强，来实现鱼体的摆动和扭转，或改变平均压强使得鱼体的末尾部刚度发生变化。

本发明还具有如下技术特征：如上所述的嵌套式串并联单元包括左、右气动肌肉、多层直径逐渐缩小的前斜韧带环、多根柔性杆、多根牵引绳、中心刚性杆件、多根单支撑杆、多根双支撑杆和多个定滑轮；嵌套式串并联单元前端两侧镜像安装有左、右气动肌肉，多根柔性杆之间通过球铰互相依次连接，最后一根柔性杆末端与中心刚性杆件通过球铰相连接；每根单支撑杆和每根双支撑杆的一端连接于其相对应的前斜韧带环上，每根单支撑杆和每根双支撑杆的另一端连接于相对应的柔性杆上，每层前斜韧带环的圆周方向上平均间隔交错排列有两根单支撑杆和两根双支撑杆，每个定滑轮固定连接于每根双支撑杆和其在各层前斜韧带环的连接处、双支撑杆内的间隙上；一侧的第n根牵引绳一端与该侧的气动肌肉相连接，另一端穿过第n-1层前斜韧带环并绕过第n层前斜韧带环的该侧定滑轮后与第n+3根柔性杆相连接，一侧的最下面三根牵引绳另一端则与中心刚性杆件该侧相连接；气动动力控制单元通过改变左、右气动肌肉内部压强，从而带动牵引绳牵引多根柔性杆和中心刚性杆件来实现鱼体小幅度的摆动。

本发明的优点是：

本发明的优点是：更加贴近鱼体的真实结构，可以完成更多的姿态变化，更加灵活；可以根据游动速度调节尾部刚度，更加节能、高效。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明的嵌套式串并联单元结构示意图；

图3是本发明的嵌套式串并联单元结构局部示意图；

图4是本发明的尾部连接结构示意图；

图5是本发明的气动动力控制单元结构图；

图6是本发明的排气阀部分与其相邻管道在吸气时气流流动方向图；

图7是本发明的吸气管在吸气时气流流动方向图；

图8是本发明的排气阀部分与其相邻管道在排气时气流流动方向图；

图9是本发明的吸气管在排气时气流流动方向图。

其中，1、内部锥形气动肌肉，2、鱼体，3、尾鳍，4、左、右气动肌肉，5、前斜韧带环，6、柔性杆，7、牵引绳，8、中心刚性杆件，9、单支撑杆，10、双支撑杆，11、定滑轮，12、刚性固定件，13、吸气管，14、分流器，15、输气管，16、排气阀，17、比例控制阀，18、机械校准器，19、储气罐。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图1-4所示，一种基于内部流体压力调节的变刚度柔性仿生鱼模型，包括鱼头部、鱼体2和尾鳍3，鱼头部和鱼体外部包裹有蒙皮，鱼头部内安装有气动动力控制单元；所述鱼体包括四个内部锥形气动肌肉1和嵌套式串并联单元，嵌套式串并联单元作为仿生鱼的脊柱和骨架，四个内部锥形气动肌肉1分别位于嵌套式串并联单元内部，每个内部锥形气动肌肉1的前端与鱼头部连接，其末端通过刚性固定件与尾鳍连接，气动动力控制单元分别与嵌套式串并联单元和四个内部锥形气动肌肉连接，气动动力控制单元通过调节内部锥形气动肌肉内部压强，来实现鱼体的摆动和扭转，或改变平均压强使得鱼体的末尾部刚度发生变化。

所述的嵌套式串并联单元包括左、右气动肌肉4、7层直径逐渐缩小的前斜韧带环5、14根柔性杆6、多根牵引绳7、中心刚性杆件8、14根单支撑杆9、14根双支撑杆10和14个定滑轮11；嵌套式串并联单元前端两侧镜像安装有左、右气动肌肉4，7根柔性杆6之间通过球铰互相依次连接，最后一根柔性杆末端与中心刚性杆件8通过球铰相连接；每根单支撑杆9和每根双支撑杆10的一端连接于其相对应的前斜韧带环5上，每根单支撑杆9和每根双支撑杆10的另一端连接于相对应的柔性杆6上，每层前斜韧带环5的圆周方向上平均间隔交错排列有两根单支撑杆9和两根双支撑杆10，每个定滑轮11固定连接于每根双支撑杆10和其在各层前斜韧带环5的连接处、双支撑杆内的间隙上；一侧的第2根牵引绳7一端与该侧气动肌肉相连接，另一端穿过第1层前斜韧带环5并绕过第2层前斜韧带环5的该侧定滑轮11后与第4根柔性杆6相连接，一侧的最下面三根牵引绳7另一端则与中心刚性杆件8的该侧相连接；依次第3根牵引绳一端与该侧气动肌肉相连接另一端穿过第2层前斜韧带环，一直到第7根(第1根牵引绳在之前没有前斜韧带，另一侧对称分布)。

气动动力控制单元通过改变左、右气动肌肉内部压强，从而带动牵引绳7牵引多根柔性杆和中心刚性杆件8来实现鱼体小幅度的摆动。

当左气动肌肉收缩时，右气动肌肉相对地被拉伸相应的长度。工作时，一侧的水平气动肌肉收缩，牵动各环节的牵引线，使得整个串并联结构向收缩的一侧摆动，带动尾鳍，推动水，受到反作用力从而向前游动。

本实施例改变鱼体刚度与做出快速转向、逃逸、高速巡航等多种动作的关键，是根据鲭鱼类解刨结果进行设计得来的。将四根内部锥形气动肌肉与传动环节一道用来连接头部和尾鳍，内部锥形气动肌肉填充在串并联机构内部的空隙中，当其内部充入气体时，对整个尾部的刚度产生影响。锥形气动肌肉的平均压强越大，尾部刚度越大。从而达到控制尾部刚度的目的。另外，由于四个内部锥形气动肌肉的压强不同，各自的伸缩量不同，鱼尾会呈现不同姿态，进而完成快速转向、逃逸、高速巡航等多种动作。

工作时分一般游动和特殊游动。前者由左、右气动肌肉牵动的尾部摆动实现，后者则通过内部锥形气动肌肉的伸缩完成。

实施例2

如图1、4所示，本实施例包括鱼头部、鱼体和尾部三部分。鱼体是主要的运动部分。尾部，作为末端执行器，是硬质塑料材质的月牙片，几何参数的选取尽可能贴近现实中鱼尾鳍的尺寸。刚性固定件12一端与锥形气动肌肉1相连接，刚性固定件12另一端与月牙形塑料板3相连接。

如图5-7所示，鱼头部内有气动动力控制单元，作为整条鱼的动力源，包括电源、吸气管，分流器，输气管，排气阀，比例控制阀，机械校准器，储气罐。结构参考2014年1月公开的，Andrew D.Marchese等人的文章“Autonomous Soft Robotic Fish Capable of Escape Maneuvers Using Fluidic Elastomer Actuators”DOI：10.1089中机器鱼的气动元件排布。储气罐19的出气口周边有螺纹，可以与机械校准器18水平侧的进气口进行连接，拧紧，实现功能和位置的双重连接。机械校准器18在上方的出气口和比例控制阀17的下方的进气口对应用气管连接，并确保气密性，防止在工作中出现干扰，然后用螺栓将两者重合面紧固，防止在工作时发生相对移动。排气阀16的进气口周边有螺纹，与比例控制阀17水平方向上的6个出气口连接，拧紧。比例控制阀17和分流器14用气管连接，再用螺栓将重合面紧固。而分流器14与一端有螺纹的吸气管13、输气管15连接，拧紧。吸气时，吸气管不工作，排气阀排出从气动人工肌肉处吸收过来的多与气体；出气时，吸气管吸收头部的游离气体，由之前吸气时排气阀排出，防止头部因为内气压过大而破坏蒙皮。