一种仿生柔性鳍条的布线装置及其设计方法与流程

本发明属于仿生，具体涉及一种仿生柔性鳍条的布线装置及其设计方法。

背景技术：

1、随着科技的进步，为了使得结构具备柔性变形特性，在过去十几年里，涌现出许多值得借鉴的关于仿生柔性变形结构的研究成果。据现有文献记载，基于张拉整体结构的仿生柔性鳍条(后文称为tensegrity仿生鳍条)可以实现柔性变形，且结构简单易控制。但对于弹性绳绳长的控制要求比较高，因为弹性绳需要始终处于目标预紧状态才能使得柔性鳍条实现目标柔性变形，即其布线的好坏直接影响了鳍条的变形性能。为了使得柔性鳍条在实现目标柔性变形的过程中不受弹性绳松弛、绳长不均匀变化的影响，需要设计相应的布线装置来保障柔性鳍条在实现大柔性变形的同时，弹性绳始终处于预紧状态且长度也在均匀地变化。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种仿生柔性鳍条的布线装置及其设计方法，纵向弹性绳(xz平面内)的两端分别经舵机驱动滑轮、过渡滑轮、调节滑轮等分至仿生柔性鳍条两侧，实现了利用一个驱动舵机就可以控制仿生柔性鳍条的两侧，不仅简化了驱动设计，同时使得纵向弹性绳的收缩与拉伸同步，实现更加精确的控制。

2、本发明是通过下述技术方案实现的：

3、一种仿生柔性鳍条的布线装置，所述仿生柔性鳍条包括n+1组立柱及每相邻的两组立柱之间的两个张拉整体结构单元，n+1组立柱分别为第0立柱组、第1立柱组、…、第n立柱组；其中第0立柱组处于固定状态；每组立柱均包括两个沿竖直方向设置的立柱；

4、所述布线装置包括：驱动舵机、舵机驱动滑轮及2n组弹性绳组；

5、每组所述弹性绳组均包括一根纵向弹性绳，一根纵向弹性绳的中部绕装在驱动舵机的输出轴上后，两端分别依次穿过位于仿生柔性鳍条两侧的立柱后，与对应的位于最后的立柱连接，驱动舵机通过驱动纵向弹性绳带动仿生柔性鳍条的弯曲变形；

6、驱动舵机的输出轴安装有舵机驱动滑轮，舵机驱动滑轮的轴线与立柱平行，所述舵机驱动滑轮的外圆周面加工有n对不同半径的环形绕线槽；每组立柱上安装有两组弹性绳组，同一组立柱上的两根纵向弹性绳分别绕装在相同半径的两个环形绕线槽中，且绕装方向相同；所述纵向弹性绳通过舵机驱动滑轮实现与驱动舵机输出轴的连接。

7、进一步的，所述弹性绳组对应安装在每组立柱上，其中，所述每组立柱不包括处于固定状态的第0立柱组；令安装在第1立柱组上的弹性绳组为第1弹性绳组，依次类推，安装在第n立柱组上的弹性绳组为第n弹性绳组；

8、每组所述弹性绳组还均包括一根横向弹性绳；

9、每组弹性绳组与立柱的连接如下：每组立柱的两个立柱之间连接有一个横向弹性绳；即第1弹性绳组的横向弹性绳的两端分别固定在第1立柱组的两个立柱之间，……，第n弹性绳组的横向弹性绳的两端分别固定在第n立柱组的两个立柱之间；

10、每个所述立柱上加工有两个以上沿其径向的过绳孔；

11、第1弹性绳组的纵向弹性绳的中部绕装在驱动舵机的输出轴上后，该纵向弹性绳的一端穿过第0立柱组的一个立柱后的过绳孔后，与第1立柱组的一个立柱的过绳孔连接，该纵向弹性绳的另一端穿过第0立柱组的另一个立柱后的过绳孔后，与第1立柱组的另一个立柱的过绳孔连接；

12、第2弹性绳组的纵向弹性绳的中部绕装在驱动舵机的输出轴上后，该纵向弹性绳的一端依次穿过第0立柱组的一个立柱后的过绳孔、第1立柱组的一个立柱的过绳孔后，与第2立柱组的一个立柱的过绳孔连接；该纵向弹性绳的另一端依次穿过第0立柱组的另一个立柱后的过绳孔、第1立柱组的另一个立柱的过绳孔后，与第2立柱组的另一个立柱的过绳孔连接；

13、以此类推，第n弹性绳组的纵向弹性绳的中部绕装在驱动舵机的输出轴上后，该纵向弹性绳的一端依次穿过第0立柱组的一个立柱后的过绳孔、第1立柱组的一个立柱的过绳孔后、……、第n-1立柱组的一个立柱后的过绳孔后，与第n立柱组的一个立柱的过绳孔连接；该纵向弹性绳的另一端依次穿过第0立柱组的另一个立柱后的过绳孔、第1立柱组的另一个立柱的过绳孔后、……、第n-1立柱组的另一个立柱后的过绳孔后，与第n立柱组的另一个立柱的过绳孔连接。

14、进一步的，所述舵机驱动滑轮的每个环形绕线槽的槽底均加工有绕线固定孔，绕线固定孔用于穿过纵向弹性绳，并固定纵向弹性绳的中部。

15、进一步的，安装在第n立柱组上的纵向弹性绳绕装在半径最大的环形绕线槽内。

16、进一步的，所述布线装置还包括四个所述过渡滑轮；

17、四个所述过渡滑轮位于驱动舵机与第0立柱组之间，每个过渡滑轮的轴线均与舵机驱动滑轮的轴线平行；其中，两个过渡滑轮位于仿生柔性鳍条的同一侧，另两个过渡滑轮位于仿生柔性鳍条的另一侧；

18、每个过渡滑轮上均加工有2n条半径相同的环形凹槽a，分别对应2n条纵向弹性绳。

19、进一步的，所述布线装置还包括至少一组调节滑轮组件；

20、每组调节滑轮组件均位于同一侧的两个过渡滑轮之间，每组调节滑轮组件均包括：调节侧板和2n个调节滑轮，每个调节滑轮分别通过伸缩杆安装在调节侧板上，每个调节滑轮的轴线均与过渡滑轮的轴线平行，且每个调节滑轮均可在伸缩杆的作用下、沿仿生柔性鳍条的横向，即与立柱垂直的方向进行伸缩；每个调节滑轮上均加工有一个环形凹槽b，每组的2n个调节滑轮上的环形凹槽b分别一一对应2n条纵向弹性绳；

21、从驱动舵机输出轴伸出的纵向弹性绳9的一端依次绕过位于同一侧的一个过渡滑轮、一个调节滑轮及另一个过渡滑轮后，穿过第0立柱组中的一个立柱；从驱动舵机输出轴伸出的纵向弹性绳的另一端依次绕过位于同一侧的一个过渡滑轮、一个调节滑轮及另一个过渡滑轮后，穿过第0立柱组中的另一个立柱；其中，经过两个过渡滑轮和一个调节滑轮的纵向弹性绳的线型为s型。

22、进一步的，所述伸缩杆采用螺纹杆，通过螺纹杆的旋转实现调节滑轮的前进或后退。

23、进一步的，两侧的过渡滑轮与纵向弹性绳的接触点之间的距离大于第0立柱组的两个立柱之间的距离。

24、进一步的，舵机驱动滑轮的每个环形绕线槽与过渡滑轮的每个环形凹槽a一一对应，保证每根纵向弹性绳的不同位置在竖直方向的高度均相同。

25、一种仿生柔性鳍条的布线装置的设计方法，该方法的具体步骤如下：

26、步骤s1.根据张拉整体结构单元的结构特点，对仿生柔性鳍条采用“沿多线驱动”的布线方式，即在除了第0立柱组以外的每组立柱上安装两组弹性绳组，使得上层鳍条本体和下层鳍条本体中相对的两个张拉整体结构单元均由两根纵向弹性绳驱动；

27、步骤s2.根据驱动舵机的转动角度范围、纵向弹性绳的刚度及纵向弹性绳的长度变化规律在驱动舵机的输出轴设计舵机驱动滑轮，即设计舵机驱动滑轮上n对不同半径的环形绕线槽，当驱动舵机带动舵机驱动滑轮转动时，通过舵机驱动滑轮上的不同半径的环形绕线槽来改变仿生柔性鳍条两侧的纵向弹性绳的长度，进而使得仿生柔性鳍条变形；

28、令某个张拉整体结构单元的纵向弹性绳的长度所需实现的最大变化量为σ(m)，舵机驱动滑轮的转动角速度大小为ω(rad/s)，仿生柔性鳍条从平衡位置摆动到最大幅度所需的时间为t(s)，仿生柔性鳍条的摆动周期为4t，摆动频率为则舵机驱动滑轮上对应的环形绕线槽半径r为：

29、

30、步骤s3.设计过渡滑轮，为了实现在仿生柔性鳍条摆动过程中纵向弹性绳的长度均匀变化，避免突变引发的张力突变导致的结构失稳；

31、步骤s4.设计调节滑轮，为了避免仿生柔性鳍条在实际运动过程中纵向弹性绳的松弛。

32、有益效果：

33、(1)本发明提供了一种仿生柔性鳍条的布线装置，在每组立柱上安装两组弹性绳组，每组所述弹性绳组的纵向弹性绳的中部绕装在驱动舵机的输出轴上后，其两端分别依次穿过不同组的立柱舵机，这样使得上层鳍条本体和下层鳍条本体中相对的两个张拉整体结构单元均由两根纵向弹性绳驱动；该方式可以使得每个张拉整体结构单元都能完全变形，整个仿生柔性鳍条的摆动幅度更大，更好地模仿生物胸鳍曲面变形；由于仿生柔性鳍条中每个张拉整体结构单元都是需要独立驱动的，当张拉整体结构单元数目较多时，需要驱动舵机的数量也随之增多，进而使得仿生柔性鳍条的功耗大大增加；同时，为了避免驱动过程中，同一张拉整体结构单元受力不均匀导致结构失稳，本发明在驱动舵机的输出轴设计舵机驱动滑轮，舵机驱动滑轮上设有n对不同半径的环形绕线槽，该设计实现了只需要一个驱动舵机就可以通过舵机驱动滑轮同时驱动每个张拉整体结构单元，使其发生目标形变，进而使得仿生柔性鳍条可以完全变形，减少了功耗。

34、(2)本发明的舵机驱动滑轮的每个环形绕线槽的槽底均加工有绕线固定孔，绕线固定孔用于固定纵向弹性绳的中部，能够防止舵机驱动滑轮在收放纵向弹性绳的过程中发生弹性绳跳线现象。

35、(3)本发明的布线装置还包括四个所述过渡滑轮和至少一组调节滑轮组件，经过两个过渡滑轮和一个调节滑轮的纵向弹性绳的线型为s型，过渡滑轮用于实现仿生柔性鳍条在摆动过程中纵向弹性绳的长度均匀变化，避免绳长突变引发的张力突变进而导致的结构失稳；调节滑轮用于实现对该纵向弹性绳的张紧，即通过改变调节滑轮的伸缩长度，及时调节柔性鳍条在实际运动过程中出现纵向弹性绳松弛的现象。

36、(4)本发明的两侧的过渡滑轮与纵向弹性绳的接触点之间的距离大于第0立柱组的两个立柱之间的距离，可以使得仿生柔性鳍条两侧的纵向弹性绳的长度变化呈双s型平稳地变化。

37、(5)本发明的舵机驱动滑轮的每个环形绕线槽与过渡滑轮的每个环形凹槽a一一对应，保证每根纵向弹性绳的不同位置在竖直方向的高度均相同，即每根纵向弹性绳位于同一平面上，以避免因纵向弹性绳的偏移发生张力的偏移，甚至跳线，进而使得结构受力不均发生振荡。

38、(6)本发明提供了一种仿生柔性鳍条的布线装置的设计方法，依据该设计方法设计的布线装置可以使得仿生柔性鳍条实现大柔性变形，且纵向弹性绳始终处于预紧状态，很好地弥补了纵向弹性绳伴随着鳍条运动时间长而出现松弛的不足；同时也可以使得纵向弹性绳的长度均匀变化，有效避免绳长突变引发的张力突变导致的结构失稳，使得仿生柔性鳍条发生均匀可靠的柔性变形。

39、进一步的，本发明不仅可以使得仿生柔性鳍条的每个张拉整体结构单元可以实现最大的变形，而且依据弹性绳长变化规律及舵机特性定量地设计“舵机驱动滑轮”的环形绕线槽半径，同时设计“过渡滑轮”和“调节滑轮”，保障仿生柔性鳍条在运动过程中纵向弹性绳始终处于预紧、绳长均匀变化的状态，为基于张拉整体结构的仿生柔性鳍条布线提供一种设计思路。