一种套叠式超冗余串并联变刚度摆动推进装置制造方法及图纸

一种套叠式超冗余串并联变刚度摆动推进装置，包括头部、冗余驱动并联机构和尾鳍，冗余驱动并联机构包括板簧脊骨、支腿、柔性铰、第一级并联机构上、下平台、第二级并联机构上、下平台、第三级并联机构上、下平台、第四级并联机构上平台、第五级并联机构上平台、第六级并联机构上平台、第七级并联机构上平台；各平台中心处与板簧脊骨固定连接；各平台上均分布有八个柔性铰，上、下平台的柔性铰之间通过支腿相连接；第一级、第四级并联机构组成第一套并联机构，第二级、第五级、第七级并联机构组成第二套并联机构，第三级、第六级并联机构组成第三套并联机构，三套并联机构相互错开并套叠起来。本装置具有推力大、动作连续、柔顺性好的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种套叠式超冗余串并联变刚度摆动推进装置
本专利技术涉及仿生水下机器鱼、并联机构领域，具体涉及一种套叠式超冗余串并联变刚度摆动推进装置。
技术介绍
经过亿万年的进化，鱼类的游动特性超过了任何人造的自主水下航行器。因此，工程师们在设计高性能水下推进系统时不约而同地把目光转向鱼类期望获得设计上的灵感。鱼类按照推进机理、游动模式和身体形状可分为两种类型：身体/尾鳍推进模式(BCF)和中间鳍(例如背鳍)/对鳍(例如胸鳍)推进模式(MPF)。BCF类型的鱼类，主要把身体和尾鳍当作推进器，身体左右摆动击水，利用其产生的反作用力使鱼体向前推进。金枪鱼、旗鱼、鲨鱼就属于这种类型，这些鱼类游泳时身体摆动主要集中在尾部，推进效率高、速度快、机动性强，被众多学者作为仿生研究的对象。目前，仿生机器鱼的设计存在三种方法。第一种方法是建造离散的多关节刚性串联机构以模拟鱼体的脊骨，每个关节独立驱动，通过对关节的协同控制来模拟“鱼体波”动推进方式。比较著名的BCF机器鱼包括麻省理工大学的机器金枪鱼、日本NMRI开发的PF-300等简化的基于关节的机器鱼、东京科技大学开发的三关节机器海豚、伊斯坦布尔科技大学开发的一种四关节机器海豚、Essex大学的G9、北京航空航天大学的两关节的机器鱼SPC-II和SPCIII。然而，此种方式控制困难、机械效率低、摆动频率很难提高。第二种方法是麻省理工大学的Alvarado博士提出的：首先，利用弹性模量、粘性系数一定的粘弹性材料制造柔性鱼体，然后通过在鱼体的特定位置布置驱动器形成正弦激励，激起柔性鱼体的振动模态，从而利用该振动模态实现摆动推进。这种基于连续柔性体的机器鱼游动自然平滑、结构简单可靠、机械传递效率高。研究表明，当驱动器驱动频率与鱼体身体的自然频率接近时，鱼体游动速度最大、效率最高。然而，此类仿生机器鱼一旦制造完成，柔性鱼体的身体刚度就被确定，其身体自然频率也就无法改变。在这一条件下，想要通过提高驱动频率来提高游动速度几乎是不可能的，因此这一特性限制了此类机器鱼的适应性。为了提高仿生机器鱼的适用性，姜洪洲等提出了第三种方法，即基于超冗余串并联机构的变刚度摆动推进方式。首先，根据鱼体外形匹配原则，将多个带脊骨的8-8型六自由度并联机构层叠串联成超冗余串并联摆动推进机构，然后根据冗余驱动并联机构内力改变刚度原理计算各级并联机构的内力，并通过主动刚度控制器对各层级刚度进行调节，最后通过运动学反解对首级单节并联机构进行正弦激励，从而激起基于超冗余串并联机构的变刚度摆动推进装置的振动模态，实现摆动推进。与第二种机器鱼相比，此种仿生机器鱼虽然结构复杂，但仍然是基于“柔性鱼体振动模态激励”的先进仿生原理设计而成，尤其是该仿生鱼采用了“冗余驱动并联机构内力改变刚度”的变刚度原理，使得此类仿生机器鱼在不同的摆动频率下都能够达到最佳游动性能，提高了其适应性。然而，此种仿生机器鱼仍存在以下问题：受驱动机构固定长度的限制，每层并联机构的高度不可能设计得很小，而采用简单的并联机构层叠串联方式，鱼体摆动部分离散化后并联机构的层数就受到了限制，这就影响了仿生柔性鱼体的游动平滑性；另外，其每层并联机构都需要配备相应的用于内力调节的主动刚度控制器，这也导致控制过于复杂。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术公开一种套叠式超冗余串并联变刚度摆动推进装置，它能在保证每层并联机构高度不变的情况下提高仿生柔性鱼体的游动平滑性，同时简化控制方式，无需给每层并联机构配备用于内力调节的主动刚度控制器即可实现有效刚度调节。本专利技术所采用的技术如下：一种套叠式超冗余串并联变刚度摆动推进装置，包括头部、冗余驱动并联机构和尾鳍，所述冗余驱动并联机构包括板簧脊骨、支腿、柔性铰、第一级并联机构下平台、第二级并联机构下平台、第三级并联机构下平台、第一级并联机构上平台、第二级并联机构上平台、第三级并联机构上平台、第四级并联机构上平台、第五级并联机构上平台、第六级并联机构上平台、第七级并联机构上平台；板簧脊骨一端与头部固定连接，另一端与尾鳍固定连接，各平台中心处与板簧脊骨固定连接；各平台上均分布有八个柔性铰，上、下平台的柔性铰之间通过支腿相连接，上、下平台中心通过板簧脊骨连接；第一级并联机构下平台与头部固定连接，第一级并联机构上平台作为第四级并联机构下平台，第二级并联机构下平台和第三级并联机构下平台按一定距离嵌入第一级并联机构下平台和第一级并联机构上平台之间，第二级并联机构上平台和第三级并联机构上平台分别作为第五级、第六级并联机构下平台，第二级并联机构上平台和第三级并联机构上平台按一定距离嵌入第一级并联机构上平台和第四级并联机构上平台之间，第五级并联机构上平台作为第七级并联机构下平台，第六级并联机构上平台按一定距离嵌入第五级并联机构上平台和第七级并联机构上平台之间，由此将七级并联机构套叠串联起来，第七级并联机构上平台与尾鳍固连，整体结构形成套叠式超冗余串并联机构。本专利技术还具有如下技术特征：1、第一级并联机构采用主动控制方式，其余并联机构均采用被动控制方式，并联机构八条支腿均采用流体人工肌肉驱动，在八条支腿伸缩作用下，中心板簧只在一个方向上产生变形，保证平台进行单自由度摆动。2、主动控制方式通过比例压力阀对人工肌肉的位移进行精确控制，使上平台按照一定规律摆动；所述被动控制方式通过调整人工肌肉内部流体压力使该层并联机构达到所需刚度；在主动控制并联机构的正弦激励作用下，实现装置摆动推进。本专利技术的特点和优点：(1)采用了冗余并联机构套叠连接的形式，相比于层叠串联的连接形式，在相同的鱼体长度下，能布置更多的摆动关节，这样能更好地匹配真实鱼体的流线型外形，还具有推力大、动作连续、柔顺性好的特点；(2)根据8-8型冗余驱动并联机构柔顺中心(上平台的转动中心)的位置取决于其几何参数这一性质调节几何参数，将套叠式并联机构的柔顺中心设置在上平台中心，并将最后一个并联机构的柔顺中心设置在月牙尾鳍处，故摆动推进装置的综合柔顺中心设计在月牙尾鳍处，这样更加符合鱼的真实游动情况，可大大提高推进力；(3)运用冗余驱动并联机构可通过支腿内力(人工肌肉流体压力)改变刚度的变刚度原理，可针对不同推进速度来调节刚度，简化了变刚度的控制方式。附图说明图1整体结构示意图；图2单个并联机构结构示意图；图3套叠式并联机构套叠示意图；图4套叠式并联机构轴侧图；具体实施方式下面根据附图举例进一步说明：实施例1如图1-图3所示，一种套叠式超冗余串并联变刚度摆动推进装置，包括头部1、冗余驱动并联机构和尾鳍2，所述冗余驱动并联机构包括板簧脊骨3、支腿4、柔性铰5、第一级并联机构下平台6、第二级并联机构下平台7、第三级并联机构下平台8、第一级并联机构上平台9、第二级并联机构上平台10、第三级并联机构上平台11、第四级并联机构上平台12、第五级并联机构上平台13、第六级并联机构上平台14、第七级并联机构上平台15；板簧脊骨3一端与头部1固定连接，另一端与尾鳍2固定连接，第一级并联机构下平台6、第二级并联机构下平台7、第三级并联机构下平台8、第一级并联机构上平台9、第二级并联机构上平台10、第三级并联机构上平台11、第四级并联机构上平台12、第五级并联机构上平台13、第六级并联机构上平台14、第七级并联机构上平台1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种套叠式超冗余串并联变刚度摆动推进装置，包括头部(1)、冗余驱动并联机构和尾鳍(2)，头部(1)、冗余驱动并联机构、尾鳍(2)依次连接，其特征在于，所述冗余驱动并联机构包括板簧脊骨(3)、支腿(4)、柔性铰(5)、第一级并联机构下平台(6)、第二级并联机构下平台(7)、第三级并联机构下平台(8)、第一级并联机构上平台(9)、第二级并联机构上平台(10)、第三级并联机构上平台(11)、第四级并联机构上平台(12)、第五级并联机构上平台(13)、第六级并联机构上平台(14)、第七级并联机构上平台(15)；板簧脊骨(3)一端与头部(1)固定连接，另一端与尾鳍(2)固定连接，各平台中心处与板簧脊骨(3)固定连接；各平台上均分布有八个柔性铰(5)，上、下平台的柔性铰(5)之间通过支腿(4)相连接，上、下平台中心通过板簧脊骨(3)连接；第一级、第四级并联机构组成第一套并联机构，第二级、第五级、第七级并联机构组成第二套并联机构，第三级、第六级并联机构组成第三套并联机构，三套并联机构相互错开并套叠起来，第一级并联机构下平台(6)与头部(1)固定连接，第一级并联机构上平台(9)作为第四级并联机构下平台，第二级并联机构下平台(7)和第三级并联机构下平台(8)按一定距离嵌入第一级并联机构下平台(6)和第一级并联机构上平台(9)之间，第二级并联机构上平台(10)和第三级并联机构上平台(11)分别作为第五级、第六级并联机构下平台，第二级并联机构上平台(10)和第三级并联机构上平台(11)按一定距离嵌入第一级并联机构上平台(9)和第四级并联机构上平台(12)之间，第五级并联机构上平台(13)作为第七级并联机构下平台，第六级并联机构上平台(14)按一定距离嵌入第五级并联机构上平台(13)和第七级并联机构上平台(15)之间，由此将七级并联机构套叠串联起来，第七级并联机构上平台(15)与尾鳍(2)固连，整体结构形成套叠式超冗余串并联机构。...

【技术特征摘要】
1.一种套叠式超冗余串并联变刚度摆动推进装置，包括头部(1)、冗余驱动并联机构和尾鳍(2)，头部(1)、冗余驱动并联机构、尾鳍(2)依次连接，其特征在于，所述冗余驱动并联机构包括板簧脊骨(3)、支腿(4)、柔性铰(5)、第一级并联机构下平台(6)、第二级并联机构下平台(7)、第三级并联机构下平台(8)、第一级并联机构上平台(9)、第二级并联机构上平台(10)、第三级并联机构上平台(11)、第四级并联机构上平台(12)、第五级并联机构上平台(13)、第六级并联机构上平台(14)、第七级并联机构上平台(15)；板簧脊骨(3)一端与头部(1)固定连接，另一端与尾鳍(2)固定连接，各平台中心处与板簧脊骨(3)固定连接；各平台上均分布有八个柔性铰(5)，上、下平台的柔性铰(5)之间通过支腿(4)相连接，上、下平台中心通过板簧脊骨(3)连接；第一级、第四级并联机构组成第一套并联机构，第二级、第五级、第七级并联机构组成第二套并联机构，第三级、第六级并联机构组成第三套并联机构，三套并联机构相互错开并套叠起来，第一级并联机构下平台(6)与头部(1)固定连接，第一级并联机构上平台(9)作为第四级并联机构下平台，第二级并联机构下平台(7)和第三级并联机构下平台(8)按一定距离嵌入第一级并联机构下平台(6)...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜洪洲，李永强，陈巍巍，崔祚，李康康，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23