多关节柔性仿生推进器及其驱动控制方法与流程

1.本发明涉及智慧海洋和水下仿生领域，具体是一种多关节柔性仿生推进器及其驱动控制方法。


背景技术：

[0002][0003]
随着海洋资源开发、海洋环境监测、以及海洋救护和保护等的需要越来越迫切，世界各国都在不断地开发新型的海洋装备来加强对海洋环境的监测和保护的能力。这类的海洋装备必须具有快速、机动、能潜入水下、甚至冰下执行任务的能力。
[0004]
相比其它水下无人柔性航行器，以类似鱼类尾鳍或腹鳍为动力，尤其是以尾鳍和尾部摆动为动力的水下无人柔性航行器，以其效率高、机动性好、噪音低、对环境扰动小和易于隐蔽等优点，在海洋侦察和救护等方面有广泛的应用前途。gray在1936年提出了著名的格雷疑题(gray’s paradox)，他发现游速为 15～20节的活体海豚仅需要1/7的直体海豚模型所需要的能量。
[0005]
为了凸显本发明的特点和创造性，这里对有关背景知识做简要介绍与分析。
[0006]
鱼类等水生生物经过漫长的进化和自然选择，形成了多种游戈模式。水生动物的推进运动方式大体上可分为三类：纤毛式推进(为许多原生动物和腔肠动物采用)；射流反冲式推进(如类水母以及头足纲动物采用)；以及波状摆动式推进。其中波状摆动式的推进方式多为高级水生动物所采用，在水生动物中应用最为广泛，也是推进效率最高的一种。而对波状摆动式推进模式，不同学者提出了不同的分类法，如鳗鲡模式、亚鲹科模式、鲹科模式和鲔科模式。其中，鲔科模式(鲨鱼、金枪鱼类的游动模式)是效率最高、游速最快、机动性最好的推进模式。如采用该种推进模式，水下无人柔性航行器将变得更为节能，同时由于水下无人柔性航行器前部保持刚性，摆动较小，因而更加有利于内部设备元件的布局及传感设备的工作。
[0007]
为了剖析鲔科模式的快速、机动、节能的游动特点，以及本专利相对于现有技术的差别，下面用流体力学的观点来进一步说明。
[0008]
图1是鲔科模式的鱼类在静止水域中游动形成的反向的卡门涡街的尾迹，以及提供反向卡门涡街发出的推力的原理示意图。
[0009]
图2是鲔科模式的游动通过摆动产生的推力的三个分量：1)尾部摆动引起尾部下游的卡门涡街的反向产生的涡推力(图2a)；2)尾鳍摆动推动水的惯性力(图2b)和尾鳍摆动时的尾鳍的前缘吸力(图2c)。
[0010]
上述三部分推力中，尾部在摆动造成反向卡门涡街而提供的流动推力是最主要的部分。这是由于尾部和尾鳍摆动形成的反卡门涡街的旋转轴线一直都是垂直于水下驱动单元前进的方向，也就使形成的有效推力的喷流平行于水下驱动单元前进的方向(图2a)。而现有技术，或者没有提及反卡门涡街的重要贡献，或者没有提及如何产生反卡门涡街并加以控制的技术。
[0011]
要形成卡门涡街，并且让其反向和实现流动控制，必须让尾臂(尾部去掉尾鳍的部分)和尾鳍的摆动按一定的规律运动。早在2000年美国麻省理工学院 (mit)在对鱼类推进机理都综述中已指出：1)鱼类的高效、高速源自涡控制； 2)描述鱼类尾迹的三维非定常流动的力学模型尚不完善。实验结果表明，如果“机器鱼”处于低推进效率时，其阻力会比死鱼大许多；3)只有当“机器鱼”尾部的波状游动处于最佳推进效率范围(即充分优化尾部的波状游动)，“活鱼”才大大减阻，相对死鱼可减阻50％以上。
[0012]
从鱼类游动的观察结果中已经发现鲨鱼和剑鱼等通过多关节柔性尾部摆动引起下游的卡门涡街的反向产生涡推力时，其多关节柔性尾部外形可根据观察数据拟合成按一定的波形、振幅和相位的关系的刚性强迫振动。如以“鱼体”的惯性中心为原点(约在鱼身长度的1/3到1/2处)，沿伸至尾部，其曲线方程可近似表示为：
[0013]
y(x,t)＝(c1x+c2x2)sin(kx+ωt)
[0014]
上式中，y为尾部各点的横向位移的无因次量；x为尾部的纵向坐标值的无因次量，以鱼中部的惯性中心为原点，从该原点到尾部的长度为参考长度；c1、 c2为线性波幅和二次波幅包络线系数；k为尾部身体波波数，k＝2p/l；l为身体波波长，p为圆周率；ω为身体波振动圆频率，t为无因次时间，以一周期为参考值。
[0015]
这些参数对卡门涡街的反向产生的涡推力和流动控制有很大的影响。因此，尽管效率最高、游速最快、机动性最好的鲔科模式(鲨鱼、金枪鱼类的游动模式)的前部刚度很大，几乎保持刚性；身体波幅限制在身体的后半部，以获得硕大推力。相比之下，那种认为不需要多个关节机构来产生足够的后体部分的柔韧性摆动以模拟鲔科模式后体的运动就可以使人造的航行器游速很快的观点是值得商榷的。这也是至今人造的“柔性”航行器只能达到最多每小时几公里的速度，以至满足不了实用需要的原因。例如美国的robo tuna的速度仅为2 米/秒，draper的vcuuv的速度为1.2米/秒，日本的pf-550，pf-600，pf-700， pf-2001等航速都在1米/秒左右。国内哈工程的“仿生-1”的最高航速也仅1.3 米/秒。因此，合理的机构设计，新智能材料的应用和从源头上仿生是人造水下无人柔性航行器从实验或观赏到真正实用的关键。
[0016]
需要指出，上式只是根据鱼类游动的观察测量的拟合结果。这些观察得到的拟合结果有待实际的验证，更有待通过更改边界条件而进一步优化。
[0017]
更需指出，根据本发明提出者过去在水洞中的实验结果认为：上述鱼的尾臂和尾鳍的作用和功能不尽相同：尾鳍的摆动是产生卡门涡阶和涡推力的主要部件，但是尾鳍的摆动幅度和相位则由尾臂的摆动波形来形成，并且尾臂的摆动也使从尾臂流入尾鳍的流场中已经形成了一定的涡量，更有利于尾鳍后的反向卡门涡街的形成和强度。因此，形象地说，尾鳍的摆动是发力元件，而尾臂的波动则是造势的元件，两者缺一不可。
[0018]
另外，要想实现高速而又速度可变和高机动的游动效果，就必须使航行器尾部的不仅是多关节，而且其具体参数(例如摆动幅度、频率、相位)可以根据试验结果优化，并根据不同要求调整。
[0019]
cn109110095b公开了一种张拉整体式摆动推进机构，包括头部、柔性躯干和尾部，头部通过柔性躯干和尾部连接，头部内设置有驱动系统，所述的柔性躯干包括多组张拉浮动式柔性关节，每组张拉浮动式柔性关节包括基础平台、从动平台和多组张力元件，所述的基础平台的上面结构与从动平台的下面结构通过多组水平的张力元件连接，所述的基础平
台的上面结构与从动平台的上面结构件通过多组轴向的张力元件连接，从而能够悬浮支撑起从动平台，每组张拉浮动式柔性关节从而依次互相串连。张拉整体式摆动推进机构的动力源采用大扭矩的舵机，或者直流电机等来牵引绳动作，从而对机器鱼进行模态激励。舵机使用螺栓固定在第一平台上，舵机旋转带动其舵机自带的一字型摇臂，通过两根钢丝绳将驱动力矩传递到第六平台，即驱动平台上，以实现张拉整体式摆动推进机构的摆动。舵机的一字摇臂、两跟钢丝绳与需要驱动的平台构成一个平行四边形，舵机输出的转角就是驱动装置输出的转角。该方案通过改变冗余驱动内力(各个支腿的内力)而改变系统刚度，进而调整系统的固有频率，使系统的频率响应改变。但是，对刚性强迫振动而言，系统的主要运动参数如频率等则主要由外加的刚性强迫振动频率决定。频率比只影响波形的仿射变化系数。如果频率比相差较远，则系统的运动波形则主要由外加的刚性强迫振动决定。另外，该方案中只有一个舵机作为动力源，又不能在使用中调节原设置的刚度。因此，该方案无法做到让尾部按一定的波形、振幅和相位进行刚性强迫振动运动，导致其推进速度和推进力较低。
[0020]
为了简化仿生鱼传统电机驱动方式而导致的体积大、结构复杂的问题，使用记忆合金作为驱动器被应用到机器仿生鱼中。下面对记忆合金的应力和应变的关系(本构方程)以及与温度的关系作简要描述。
[0021]
通过改变记忆合金因温度变化发生的相变会产生极大的应力和伸缩量。当记忆合金的温度改变到一定数值，记忆合金将会发生相变(例如镍钛合金从奥氏体到马氏体之间的相变)，由复杂的菱形晶体结构转变成简单的立方晶体结构，并会发生形状恢复的记忆。而当记忆合金恢复原形时将伴随产生极大的内力。例如，镍钛诺合金可产生高达60kg/mm2的应力，远比相变前最初变形时加的力大，而且可提供极大的推力和长度上的变化。
[0022]
但是需要重点说明，记忆合金的应力和应变的关系(本构方程)以及与温度的关系既非线性，也非单值。因此，完全不能用弹性力学中的本构方程来描述。
[0023]
例如在记忆合金的应力一定时，其应变≈温度曲线如图3所示。当温度低于马氏体相变温度mss时，在恒定应力s作用下，记忆合金丝会伸长；对记忆合金丝加热，温度达到奥氏体相变开始温度ass时，记忆合金丝开始收缩，直到温度上升到奥氏体相变结束温度afs后，记忆合金丝收缩完毕，此时记忆合金丝收缩应变量为e
rec
。随后对记忆合金丝降温，当温度降低到马氏体相变开始 mss后，记忆合金丝被拉伸，直到温度低于马氏体相变结束温度mfs后，记忆合金丝被拉伸到加热前的长度。
[0024]
同样，从应力应变的关系在不同的温度下进行的结果来看(图4)。当温度低于奥氏体相变开始温度时(ms《t《as)，记忆合金表现出形状记忆效应(图 4a)。在未拉伸时，其内部主要为孪晶马氏体相(m
t
)，对其拉伸得到的弹性模量为em，拉伸过程中发生m
t
→
md相变，相变的开始和结束的临界应力分别为ss和sf，拉伸到m
t
→
md相变结束后进行卸载，卸载后残余的应变为最大相变应变e
max
。
[0025]
当温度高于奥氏体相变结束温度时(t》af)，记忆合金表现出超弹性(图4b)。在未拉伸时，其内部主要为奥氏体相(a)，对其拉伸得到的弹性模量为 ea，拉伸过程中发生a
→
md相变，马氏体相变开始和结束的临界应力分别为s
ms
和s
mf
，奥氏体相变开始和结束的临界应力分别为s
as
和s
af
，拉伸到a
→
md相变结束后，假设卸载到应力为零而不发生相变，卸载后残余的应变为最大相应变 e
max
。
[0026]
从上面介绍的记忆合金的特性，可以看出记忆合金的应力应变关系既非线性又非单值。因此不能将其作为线性量来处理，这也是所应用的对比专利文件没有提及和处理的。但是，从温度和应变的关系(图3)来看，如果温度超过奥氏体的相变温度，或者温度低于马氏体的相变温度时，应变的变化值是一个固定的常数。也就是说，应变受温度的变化的变化是一个(0，1)的开关量。而为了使开关量在温度伸缩变化下的性能变化能快速、单一，还必须使记忆合金在极短的时间内产生温度的变化。
[0027]
cn112357027a公开了一种形状记忆合金驱动的张拉整体仿生机器鱼，包括鱼头、尾鳍、鱼骨及驱动器，鱼头、鱼骨与尾鳍依次连接固定构成仿生机器鱼机构主体，鱼骨为由张拉整体结构单元的类鱼骨构型四面体结构组成的张拉整体结构，张拉整体结构单元水平方向由关于竖直基准面对称的两组形状记忆合金连接而成，两组形状记忆合金分别串连构成内环路和外环路，内外环路关系为并联。形状记忆合金采用螺旋形布置，形状记忆合金螺旋圈数递减，以至各形状记忆合金具有不同刚度。该方案通过控制电路对形状记忆合金通电，由于形状记忆合金具有相应电阻，在电流作用下由焦耳定律产生热量使形状记忆合金环境温度升高，因而形状记忆合金长度增长。其控制电路有两种状态：控制电路外环路为导通状态，内环路为断路；控制电路外环路为断路，内环路为导通状态。该方案存在以下缺点：(1)由于形状记忆合金通电发热后无法快速降温以发生相变，因此短时间内其存在较大的应力和应变，这会导致鱼骨摆动频率较低，无法实现快速游动。(2)形状记忆合金通电后的焦耳热传递给外部环境，造成极大的能耗，严重影响仿生机器鱼的续航能力。(3)该方案提出了变长度形状记忆合金驱动器布置方案，通过改变形状记忆合金和螺旋圈数设置不同骨骼之间的驱动器的刚度，以求满足仿生机器鱼摆动运动时各鱼骨变形的相异性。但是，为了达到提高运动物体的流体动力学性能的目的并提供所需的推力，尾部摆动的具体函数不相同，甚至在不同水温、流向和不同环境流速都必须有特定的摆动曲线，该方案无法做到使鱼骨在不同运动要求下的摆动波形的形成和控制，以及根据不同航行要求，改变系统控制指令和执行机构的跟随特性，导致其推进速度和推进力较低。
[0028]
cn109322808b公开了一种记忆合金驱动系统，半导体制冷片置于热液和冷液的两个箱体之间，每个箱体和半导体制冷片接触一面的内壁设有散热片，两个箱体均和第一二位三通电磁阀的两个输入端连接，输水软管绕制成螺旋状并且内部置有sma弹簧，第一二位三通电磁阀连接到水泵输入端，水泵输出端和输水软管连接，输水软管经输水管道和第二二位三通电磁阀连接，第二二位三通电磁阀输出端分别和两个箱体连接。该记忆合金驱动系统还设置了位移传感器，通过引入位移反馈，控制器调节加热液温，控制sma弹簧的相变程度，从而对相变时产生的位移精确控制。然而，由于记忆合金的应力应变关系既非线性又非单值，因此在在实际使用中根本无法精确控制记忆合金达到0到最大收缩量之间的任意位移。
[0029]
cn102673759b公开了一种变刚度仿生摆动推进装置，cn103224017b公开了一种变刚度的平面串并联多关节柔性仿生推进器，这两种方案均是由首端单个驱动源通过各结构单元刚度的调整来产生相邻单元所需的驱动激励，控制相应结构单元的摆动幅度，从而使整个平面串并联结构成为具有一定刚度的柔性体。但是，从如下计算曲率λ的公式：
[0030][0031]
上式中，y”和y'分别为y对x的二阶和一阶导数，如果系统的波形为：
[0032]
y(x,t)＝(c1x+c2x2)sin(kx+ωt)
[0033]
则有以下一阶和二阶导数：
[0034]y′
＝(c1+2c2x)sin(kx+ωt)+(c1x+c2x2)cos(kx+ωt)*k
[0035]y″
＝2c2sin(kx+ωt)+(c1+2c2x)cos(kx+ωt)*k+(c1+2c2x)cos(kx+ωt)*k-(c1x+c2x2)sin(kx+ωt)*k2[0036]
由于曲率的符号是由曲线的二阶导数决定。而这两个方案只能使鱼尾沿单曲线方向变化，是不可能完全拟合给定的曲线。加以这两个方案使用的都是弹性振动的原理，它的解与给定的系统的刚度、转动惯量以及阻尼有关。例如对最简单的刚度、转动惯量及阻尼均为常数的线性系统，系统常微分方程为：
[0037][0038]
其中，i是系统的转动惯量，包括变刚度的仿生摆动体的转动惯量和摆动体摆动时推动周围液体的惯量，c是摆动体的结构阻尼和周围液体流动的内阻尼， k是系统的刚度。
[0039]
如果方程中的各参数保持不变，则上述为常微分方程，其解为：
[0040]
θ＝θ0cos(ωt-φ)
[0041][0042]
从上述方程中可以证实，方程的解不但与系统的刚度有关，而且与系统的转动惯量及阻尼有关。
[0043]
另外，从这两个方案使用的系统方程，使用无因次化，即 x的原点在“鱼”的惯性中心，即近似取在“鱼”的中部，则摆动尾部的无因次曲线如图5所示。当无因次时间t＝0.25，系统变化半个周期；无因次时间t＝0.5，系统变化一个周期。这样的曲率和波形的变化是不可能用首端单个驱动源驱动，而其余部分仅用变刚度来完成的。


技术实现要素：

[0044]
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足，提供一种多关节柔性仿生推进器及其驱动控制方法，在相邻的两组隔框之间均设有驱动单元，将驱动单元的两个记忆合金驱动器作为开关量控制，采用刚性强迫运动的原理，以实现鱼体波的精确拟合，拟合过程不需要复杂的刚度计算，控制更加精确、简单，并且能够模拟鱼体的双曲线摆动。
[0045]
所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种多关节柔性仿生推进器，包括热液循环系统、冷液循环系统、隔框、连杆、驱动单元；所述隔框通过连杆串连；所述连杆的前端与其前邻隔框的中心枢接，所述连杆的后端与其后邻隔框的中心刚性连接，或者，所述连杆的前端与其前邻隔框的中心刚性连接，所述连杆的后端与其后邻隔框的中心枢接；所述驱动单元设在相邻的隔框之间，所述驱动单元包括热液进阀、热液出阀、冷液进阀、冷液出阀和两个记忆合金驱动器；两个所述记忆合金驱动器在连杆的两侧对称设置，所述记
忆合金驱动器的两端分别与相邻的两个隔框枢接；所述记忆合金驱动器分别通过热液进阀、热液出阀与热液循环系统连接，所述记忆合金驱动器分别通过冷液进阀、冷液出阀与冷液循环系统连接。
[0046]
相对于现有技术，本发明的多关节柔性仿生推进器的有益效果为：
[0047]
(1)相邻的两组隔框之间均设有驱动单元，当多关节柔性仿生推进器模拟鱼体游动时，不再将记忆合金驱动器作为线性量控制，而是将驱动单元的两个记忆合金驱动器作为开关量控制，即通过对驱动单元的两个记忆合金驱动器分别通入热液和冷液、或者同时通入热液或冷液，以实现连杆的左摆、右摆和不摆，最终实现鱼体波的精确拟合，相对于现有技术，本发明多关节柔性仿生推进器的拟合过程不需要复杂的刚度计算，控制更加精确、简单。
[0048]
(2)多关节柔性仿生推进器采用刚性强迫运动的原理，为各关节提供了足够的强迫力或力矩，相对于现有技术的弹性振动，本发明的多关节柔性仿生推进器能够模拟鱼体的双曲线摆动。
[0049]
(3)通过控制记忆合金筒内的冷、热液体的变化周期、频率和相位，就可使多关节柔性仿生推进器摆动形式改变，形成如鱼一样的摆动，并能够实现在不同运动要求下的摆动波形的形成和控制，从而改变外部涡量场的结构，达到提高航行器的流体动力学性能的目的并提供所需的推力。
[0050]
(4)相对于电机驱动的方式，本发明采用记忆合金驱动器，具有体积小、结构简单、响应快速、推力大的优点，能够实现航行器的高速航行。
[0051]
(5)相对于直接通电使形状记忆合金变形的方式，本发明采用热液和冷液交替作用于记忆合金驱动器，能够使记忆合金驱动器在极短的时间内产生温度的变化，从而实现多关节柔性仿生推进器的快速摆动；另外，与记忆合金驱动器热交换完毕的热液和冷液分别流回至热液循环系统和冷液循环系统，能够使其残余温度被回收，节能效果好，能够极大提高航行器的续航能力。
[0052]
本发明的技术方案还有，所述热液循环系统包括热液箱、热液泵和热液循环管线，所述冷液循环系统包括冷液箱、冷液泵和冷液循环管线。
[0053]
本发明的技术方案还有，所述热液箱与冷液箱之间设有热交换系统。由于记忆合金驱动器在热液进入后吸入的热量到循环的下半周，即冷液进入记忆合金驱动器时，冷液会将记忆合金驱动器曾吸入的热量放回到冷液中。这样，当循环次数增多时，冷液箱中的温度会升高；而热液箱中的温度会降低。为了保持冷液箱、热液箱中的水温差，本发明在热液箱与冷液箱之间设有热交换系统，使冷液箱中的增加的热量再搬回到热液箱中，以保持冷液箱、热液箱中的温差并因此增加航行器的航程。
[0054]
本发明的技术方案还有，所述热交换系统包括半导体制冷片、散热翅片、吸热翅片，所述热液箱与冷液箱均与半导体制冷片贴靠，所述散热翅片沿半导体制冷片的延伸方向间隔均布并设置在热液箱内，所述吸热翅片沿半导体制冷片的延伸方向间隔均布并设置在冷液箱内。
[0055]
本发明的技术方案还有，所述热液进阀、热液出阀、冷液进阀、冷液出阀均为二位三通阀；所述热液循环系统与热液进阀的输入口连接，所述热液进阀的输出口分别与两个所述记忆合金驱动器连接，两个所述记忆合金驱动器分别与热液出阀的两个输入口连接，
所述热液出阀的输出口与热液循环系统连接；所述冷液循环系统与冷液进阀的输入口连接，所述冷液进阀的输出口分别与两个所述记忆合金驱动器连接，两个所述记忆合金驱动器分别与冷液出阀的两个输入口连接，所述冷液出阀的输出口与冷液循环系统连接。
[0056]
本发明的技术方案还有，所述记忆合金驱动器包括筒体、活塞杆、记忆合金弹簧；所述筒体上设有热液进口、热液出口、冷液进口、冷液出口，所述热液循环系统通过热液进阀与热液进口连接，所述热液出口通过热液出阀与热液循环系统连接，所述冷液循环系统通过冷液进阀与冷液进口连接，所述冷液出口通过冷液出阀与冷液循环系统连接；所述活塞杆与筒体滑动连接，所述记忆合金弹簧设在筒体内并位于活塞杆与筒体内壁之间。
[0057]
本发明的技术方案还有，所述记忆合金驱动器还包括伸长量调节机构，所述伸长量调节机构用于调节记忆合金驱动器的最大长度。
[0058]
本发明的技术方案还有，还包括弹性密封蒙皮，所述弹性密封蒙皮包覆在隔框的外部。
[0059]
本发明的技术方案还有，所述隔框的外端设有外缘保护端头。采用本技术方案，外圆保护端头能够防止隔框与弹性密封蒙皮直接接触，进而防止弹性密封蒙皮损坏。
[0060]
本发明还提供了一种使用上述的多关节柔性仿生推进器的驱动控制方法，包括以下步骤：
[0061]
s1：选取鱼体波形成的包络线作为所要拟合的曲线，由生物观测得到；
[0062]
s2：在所要拟合的曲线上取多个节点，节点之间通过折线段连接；
[0063]
s3：将多段折线段与多关节柔性仿生推进器对应，即，隔框的中心a、d 对应节点，连杆对应折线段，a为连杆前邻隔框的中心，d为连杆后邻隔框的中心；由此确定隔框的个数、连杆的长度l；
[0064]
s4：确定记忆合金驱动器与其前邻隔框的枢接点b、记忆合金驱动器与其后邻隔框的枢接点c，并由此确定a与b的距离d1、d与c的距离d2；
[0065]
s5：测量伸长侧线段bc的长度，得到记忆合金驱动器(7)的最大长度δ，至此，完成多关节柔性仿生推进器对鱼体波的拟合；
[0066]
s6：根据鱼体波，按照预设频率，向各所述驱动单元的热液进阀、热液出阀、冷液进阀、冷液出阀输入开关量信号，以对驱动单元的两个记忆合金驱动器分别通入热液和冷液、或者同时通入热液或冷液。
[0067]
相对于现有技术，本发明的多关节柔性仿生推进器驱动控制方法的有益效果为：(1)当多关节柔性仿生推进器模拟鱼体游动时，不再将记忆合金驱动器作为线性量控制，而是将驱动单元的两个记忆合金驱动器作为开关量控制，即通过对驱动单元的两个记忆合金驱动器分别通入热液和冷液、或者同时通入热液或冷液，以实现连杆的左摆、右摆和不摆，最终实现鱼体波的精确拟合，相对于现有技术，本发明多关节柔性仿生推进器的拟合过程不需要复杂的刚度计算，控制更加精确、简单；(2)采用刚性强迫运动的原理，为各关节提供了足够的强迫力或力矩，相对于现有技术的弹性振动，本发明能够模拟鱼体的双曲线摆动。
附图说明
[0068]
图1为为鲔科模式的鱼类在静止水域中游动形成的反向的卡门涡街的尾迹，以及提供反向卡门涡街发出的推力的原理示意图。
[0069]
图2为鲔科鱼类尾部摆动所产生的三种推进力机制示意图。
[0070]
图3为记忆合金因环境温度变化的应变温度曲线图。
[0071]
图4为记忆合金单轴拉伸应力应变曲线图。
[0072]
图5为鲔科模式尾部摆动的观察拟合曲线。
[0073]
图6为实施例1中水下无人柔性航行器的俯视图。
[0074]
图7为实施例1中水下无人柔性航行器的侧视图。
[0075]
图8为实施例1中记忆合金驱动器的结构示意图。
[0076]
图9为实施例1中热液循环系统、冷液循环系统和驱动单元的结构示意图。
[0077]
图10为实施例1沉浮平衡器的结构示意图。
[0078]
图11为实施例2中多关节柔性仿生推进器拟合鲔科模式尾部摆动示意图。
[0079]
图12为实施例2中确定记忆合金驱动器的最大长度的几何示意图。
[0080]
图中：1、隔框，2、连杆，3、热液进阀，4、热液出阀，5、冷液进阀，6、冷液出阀，7、记忆合金驱动器，8、热液箱，9、热液泵，10、热液循环管线， 11、冷液箱，12、冷液泵，13、冷液循环管线，14、半导体制冷片，15、散热翅片，16、吸热翅片，17、筒体，18、活塞杆，19、记忆合金弹簧，20、热液进口，21、热液出口，22、冷液进口，23、冷液出口，24、弹性密封蒙皮，25、外缘保护端头，26、尾鳍，27、尾鳍舵机，28、头部，29、水平平衡器，30、外需工作载荷，31、惯导，32、激光发生器，33、电脑，34、电源，35、多波束，36、沉浮平衡器，37、背鳍，38、背鳍舵机，39、天线，40、胸鳍，41、胸鳍舵机，42、侧向探视镜，43、侧向声呐，44、壳体，45、平衡器活塞，46、直线电机，47、气体腔，48、液体腔，49、通气口，50、液体口，51、限位板。
具体实施方式
[0081]
为了使得本公开的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本公开具体实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同的部件。需要说明的是，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
[0082]
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
[0083]
实施例1
[0084]
图6-图10示出了本发明的实施例1。
[0085]
如图6、图7所示，一种水下无人柔性航行器，包括模拟鱼头的头部28和模拟鱼体的多关节柔性仿生推进器。
[0086]
所述头部28采用玻璃钢或碳纤维材质，所述头部28的内部设有密闭腔体，所述密闭腔体内设有水平平衡器29、外需工作载荷30、惯导31、激光发生器 32、电脑33、电源34、沉浮平衡器36。所述头部28的顶部中心设有背鳍37和背鳍舵机38，所述背鳍舵机38能够驱动背鳍37相对于头部28摆动。所述背鳍 37上设有天线39，用于发射和接收信号。所述头部28的两侧设有胸鳍40和胸鳍舵机41，所述胸鳍舵机41能够驱动胸鳍40相对于头部28摆动。所述头部 28的前部两侧还设有侧向探视镜42和侧向声呐43。所述头部28的下部设有多波束35。
[0087]
如图10所示，所述沉浮平衡器36包括壳体44、平衡器活塞45、直线电机 46。所述平衡器活塞45滑动安装于壳体44内，并将壳体44分隔为气体腔47 和液体腔48。所述壳体44上设有与气体腔47连通的通气口49、与液体腔48 连通的液体口50。所述直线电机46用于控制平衡器活塞45相对于壳体44滑动。通过平衡器活塞45相对于壳体44的滑动，改变壳体44内气体和液体的比例，以实现水下无人柔性航行器的沉浮。
[0088]
所述多关节柔性仿生推进器包括热液循环系统、冷液循环系统、隔框1、连杆2、驱动单元、弹性密封蒙皮24、尾鳍26和尾鳍舵机27。
[0089]
所述隔框1用于模拟鱼肋骨，所述连杆2用于模拟鱼脊椎。十个所述隔框1 通过连杆2串连，所述连杆2的前端与其前邻隔框1的中心枢接，所述连杆2 的后端与其后邻隔框1的中心刚性连接。首端的隔框1与头部28刚性连接。
[0090]
所述驱动单元设在相邻的隔框1之间，所述驱动单元包括热液进阀3、热液出阀4、冷液进阀5、冷液出阀6和两个记忆合金驱动器7。两个所述记忆合金驱动器7在连杆2的两侧对称设置，所述记忆合金驱动器7的两端分别与相邻的两个隔框1枢接。
[0091]
所述热液循环系统包括热液箱8、热液泵9和热液循环管线10，所述冷液循环系统包括冷液箱11、冷液泵12和冷液循环管线13。
[0092]
所述热液箱8与冷液箱11之间设有热交换系统。具体的，如图9所示，所述热交换系统包括半导体制冷片14、散热翅片15、吸热翅片16，所述热液箱8 与冷液箱11均与半导体制冷片14贴靠，所述散热翅片15沿半导体制冷片14 的延伸方向间隔均布并设置在热液箱8内，所述吸热翅片16沿半导体制冷片14 的延伸方向间隔均布并设置在冷液箱11内。由于记忆合金驱动器7在热液进入后吸入的热量到循环的下半周，即冷液进入记忆合金驱动器7时，冷液会将记忆合金驱动器7曾吸入的热量放回到冷液中。这样，当循环次数增多时，冷液箱11中的温度会升高；而热液箱8中的温度会降低。为了保持冷液箱11、热液箱8中的水温差，本实施例在热液箱8与冷液箱11之间设有热交换系统，使冷液箱11中的增加的热量再搬回到热液箱8中，以保持冷液箱11、热液箱8中的温差并因此增加水下无人柔性航行器的航程。
[0093]
如图8所示，所述记忆合金驱动器7包括筒体17、活塞杆18、记忆合金弹簧19、伸长量调节机构。所述筒体17上设有热液进口20、热液出口21、冷液进口22、冷液出口23。所述活塞杆18与筒体17滑动连接，两根所述记忆合金弹簧19设在筒体17内并位于活塞杆18与筒体17内壁之间。所述记忆合金弹簧19使用单向或双向镍钛合金或其它记忆合金。所述伸长量调节机构用于调节记忆合金驱动器的最大长度，具体的，本实施例中的伸长量调节机构为安装在活塞杆18上的限位板51，所述限位板51在活塞杆18上的位置可调。
[0094]
所述热液进阀3、热液出阀4、冷液进阀5、冷液出阀6均为二位三通阀。所述热液循
环管线10与热液进阀3的输入口连接，所述热液进阀3的输出口分别与两个所述记忆合金驱动器7的热液进口20连接，两个所述记忆合金驱动器 7的热液出口21分别与热液出阀4的两个输入口连接，所述热液出阀4的输出口与热液循环管线10连接。所述冷液循环管线13与冷液进阀5的输入口连接，所述冷液进阀5的输出口分别与两个所述记忆合金驱动器7的冷液进口22连接，两个所述记忆合金驱动器7的冷液出口23分别与冷液出阀6的两个输入口连接，所述冷液出阀6的输出口与冷液循环系统连接。
[0095]
所述弹性密封蒙皮24包覆在隔框1的外部。
[0096]
所述隔框1的外端设有外缘保护端头25。外圆保护端头25采用橡胶制成，能够防止隔框1与弹性密封蒙皮24直接接触，进而防止弹性密封蒙皮24损坏。
[0097]
所述尾鳍26和尾鳍舵机27安装在末端隔框1的后端，所述尾鳍舵机27能够驱动尾鳍26相对于末端隔框7左右摆动。尾鳍26摆动能够控制推进方向，而且，尾鳍26摆动推动水的惯性力和尾鳍26摆动时的尾鳍前缘吸力均能够产生推进力。
[0098]
本实施例中由放于头部28密封腔体内的电脑33经开关控制电路，进而通过热液进阀3、热液出阀4、冷液进阀5、冷液出阀6控制进入筒体17的冷热液体，使记忆合金弹簧19的温度按时序要求改变而随之产生相应的推拉变化。通过实践得到各种不同环境和不同工况下的控制函数和程序并储存于水下无人柔性航行器的电脑33中。就实际应用来说，只要有“快速、慢速、停滞和左右转弯等五种模式就可以基本满足需要。
[0099]
水下无人柔性航行器游动时，将驱动单元的两个记忆合金驱动器7作为开关量控制，即通过对两个记忆合金驱动器7分别通入热液和冷液、或者同时通入热液或冷液，以实现连杆2的左摆、右摆和不摆，最终实现鱼体波的精确拟合。通过控制记忆合金筒7内的冷、热液体的变化周期、频率和相位，就可使多关节柔性仿生推进器摆动形式改变，形成如鱼一样的摆动，并能够实现在不同运动要求下的摆动波形的形成和控制，从而改变外部涡量场的结构，达到提高水下无人柔性航行器的流体动力学性能的目的并提供所需的推力。
[0100]
为了使开关量在温度变化下的性能变化能快速、单一，必须使记忆合金弹簧19在极短的时间内产生温度的变化。为此，本实施例将记忆合金弹簧19放置于较大的筒体17中，同时，尽可能加大从热液箱8、冷液箱11中的液体注入筒体17的流量，使记忆合金弹簧19的温度得以在极短时间内改变。这样，记忆合金弹簧19在热液体注入筒体17中时吸收热量、能快速产生相变和弹性力。类似地，在下半个周期中，将冷液体注入筒体17，使记忆合金弹簧19放出热量，能快速产生反向的相变和弹性力。
[0101]
当水下无人柔性航行器在游动时，流体动力就会对胸鳍40和背鳍37的转动产生反作用，并提供相应的控制力矩。胸鳍40和背鳍37的转动与流速和转动方向的要求有关。本实施例通过水下无人柔性航行器的惯导31、胸鳍舵机41、背鳍舵机38控制胸鳍40和背鳍37的转动，以满足游动的指令。
[0102]
当需要水下无人柔性航行器潜伏在某些环境时，水下无人柔性航行器可以将环境液体注入沉浮平衡器36的液体腔48中，使水下无人柔性航行器在适当水域处于“睡眠”状态；一旦需要，可以将液体腔48中的环境液体排空，使水下无人柔性航行器从“睡眠”状态进入工作状态，满足特种工作指令。
[0103]
根据对水下无人柔性航行器需要实现的功能要求(表1)，水下无人柔性航行器需要通过多关节柔性仿生推进器的摆动实现快速前进、巡航、停滞、左右转弯等功能。而且这
些功能的实际效果与水流速度、地形地貌等有关。因此，在提供产品前要对已生产的同一批水下无人柔性航行器进行多关节柔性仿生推进器摆动和相应功能进行测试，并把有关数据和相应的控制数据录入计算机的存储器中，以便根据对多关节柔性仿生推进器的航行要求编制有关程序。该控制系统包括自动控制和遥控控制两种功能。自动控制是根据预先设置的目标由航行器内的自动导航系统引导航行器到达指定的目标。遥控控制是由操作手引导航行器到达任意指定的目标。
[0104]
表1水下无人柔性航行器的几种可实现的功能要求
[0105]
功能1快速前进功能2巡航功能3停滞功能4左转功能5右转功能6上浮功能7下沉
[0106]
实施例2
[0107]
图11、图12示出了本发明的实施例2。
[0108]
与实施例1不同之处在于，本实施例中多关节柔性仿生推进器包括十二个隔框。对一定的鱼体长度，隔框1的数量越多，拟合也越接近真值。
[0109]
本实施例提供了一种使用本实施例的多关节柔性仿生推进器驱动控制方法，包括以下步骤：
[0110]
s1：选取鱼体波形成的包络线作为所要拟合的曲线，由生物观测得到；
[0111]
s2：通过无偏差最小方差估计法，在所要拟合的曲线上取多个节点，节点之间通过折线段连接；
[0112]
s3：将多段折线段与多关节柔性仿生推进器对应，即，隔框1的中心a、d 对应节点，连杆2对应折线段，a为连杆前邻隔框的中心，d为连杆后邻隔框的中心；由此确定隔框1的个数、连杆2的长度l；通过图6可见，在俯视方向，连杆2的投影垂直于隔框1的投影，l指连杆2投影的长度；
[0113]
优选的，隔框1的距离可根据所要拟合的曲线的曲率大小来选定，如图11 所示，在鱼尾的后半部因为曲率较大，曲率半径较小，又接近尾鳍，可以选择密一点；
[0114]
s4：确定记忆合金驱动器7与其前邻隔框1的枢接点b、记忆合金驱动器7 与其后邻隔框1的枢接点c，并由此确定a与b的距离d1、d与c的距离d2；
[0115]
s5：测量伸长侧线段bc的长度，得到记忆合金驱动器7的最大长度δ；
[0116]
得到δ后，可通过伸长量调节机构调节δ，或者选用合适长度的记忆合金驱动器7；
[0117]
至此，完成多关节柔性仿生推进器对鱼体波的拟合；
[0118]
s6：根据鱼体波，按照预设频率，向各所述驱动单元的热液进阀3、热液出阀4、冷液进阀5、冷液出阀6输入开关量信号，以对驱动单元的两个记忆合金驱动器7分别通入热液和冷液、或者同时通入热液或冷液。
[0119]
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开实施例揭露的技术范围内或者在本公开实施
例揭露的思想下，可轻易想到变化、替换或组合，都应涵盖在本公开实施例的保护范围之内。

技术特征：
1.一种多关节柔性仿生推进器，其特征在于，包括热液循环系统、冷液循环系统、隔框(1)、连杆(2)、驱动单元；所述隔框(1)通过连杆(2)串连；所述连杆(2)的前端与其前邻隔框(1)的中心枢接，所述连杆(2)的后端与其后邻隔框(1)的中心刚性连接，或者，所述连杆(2)的前端与其前邻隔框(1)的中心刚性连接，所述连杆(2)的后端与其后邻隔框(1)的中心枢接；所述驱动单元设在相邻的隔框(1)之间，所述驱动单元包括热液进阀(3)、热液出阀(4)、冷液进阀(5)、冷液出阀(6)和两个记忆合金驱动器(7)；两个所述记忆合金驱动器(7)在连杆(2)的两侧对称设置，所述记忆合金驱动器(7)的两端分别与相邻的两个隔框(1)枢接；所述记忆合金驱动器(7)分别通过热液进阀(3)、热液出阀(4)与热液循环系统连接，所述记忆合金驱动器(7)分别通过冷液进阀(5)、冷液出阀(6)与冷液循环系统连接。2.根据权利要求1所述的多关节柔性仿生推进器，其特征在于，所述热液循环系统包括热液箱(8)、热液泵(9)和热液循环管线(10)，所述冷液循环系统包括冷液箱(11)、冷液泵(12)和冷液循环管线(13)。3.根据权利要求2所述的多关节柔性仿生推进器，其特征在于，所述热液箱(8)与冷液箱(11)之间设有热交换系统。4.根据权利要求3所述的多关节柔性仿生推进器，其特征在于，所述热交换系统包括半导体制冷片(14)、散热翅片(15)、吸热翅片(16)，所述热液箱(8)与冷液箱(11)均与半导体制冷片(14)贴靠，所述散热翅片(15)沿半导体制冷片(14)的延伸方向间隔均布并设置在热液箱(8)内，所述吸热翅片(16)沿半导体制冷片(14)的延伸方向间隔均布并设置在冷液箱(11)内。5.根据权利要求1所述的多关节柔性仿生推进器，其特征在于，所述热液进阀(3)、热液出阀(4)、冷液进阀(5)、冷液出阀(6)均为二位三通阀；所述热液循环系统与热液进阀(3)的输入口连接，所述热液进阀(3)的输出口分别与两个所述记忆合金驱动器(7)连接，两个所述记忆合金驱动器(7)分别与热液出阀(4)的两个输入口连接，所述热液出阀(4)的输出口与热液循环系统连接；所述冷液循环系统与冷液进阀(5)的输入口连接，所述冷液进阀(5)的输出口分别与两个所述记忆合金驱动器(7)连接，两个所述记忆合金驱动器(7)分别与冷液出阀(6)的两个输入口连接，所述冷液出阀(6)的输出口与冷液循环系统连接。6.根据权利要求1所述的多关节柔性仿生推进器，其特征在于，所述记忆合金驱动器(7)包括筒体(17)、活塞杆(18)、记忆合金弹簧(19)；所述筒体(17)上设有热液进口(20)、热液出口(21)、冷液进口(22)、冷液出口(23)，所述热液循环系统通过热液进阀(3)与热液进口(20)连接，所述热液出口(21)通过热液出阀(4)与热液循环系统连接，所述冷液循环系统通过冷液进阀(5)与冷液进口(22)连接，所述冷液出口(23)通过冷液出阀(6)与冷液循环系统连接；所述活塞杆(18)与筒体(17)滑动连接，所述记忆合金弹簧(19)设在筒体(17)内并位于活塞杆(18)与筒体(17)内壁之间。7.根据权利要求6所述的多关节柔性仿生推进器，其特征在于，所述记忆合金驱动器(7)还包括伸长量调节机构，所述伸长量调节机构用于调节记忆合金驱动器的最大长度。8.根据权利要求1所述的多关节柔性仿生推进器，其特征在于，还包括弹性密封蒙皮(24)，所述弹性密封蒙皮(24)包覆在隔框(1)的外部。9.根据权利要求8所述的多关节柔性仿生推进器，其特征在于，所述隔框(1)的外端设有外缘保护端头(25)。
10.使用如权利要求1～9任一所述的多关节柔性仿生推进器的驱动控制方法，包括以下步骤：s1：选取鱼体波形成的包络线作为所要拟合的曲线，由生物观测得到；s2：在所要拟合的曲线上取多个节点，节点之间通过折线段连接；s3：将多段折线段与多关节柔性仿生推进器对应，即，隔框(1)的中心a、d对应节点，连杆(2)对应折线段，a为连杆前邻隔框的中心，d为连杆后邻隔框的中心；由此确定隔框(1)的个数、连杆(2)的长度l；s4：确定记忆合金驱动器(7)与其前邻隔框(1)的枢接点b、记忆合金驱动器(7)与其后邻隔框(1)的枢接点c，并由此确定a与b的距离d1、d与c的距离d2；s5：测量伸长侧线段bc的长度，得到记忆合金驱动器(7)的最大长度δ，至此，完成多关节柔性仿生推进器对鱼体波的拟合；s6：根据鱼体波，按照预设频率，向各所述驱动单元的热液进阀(3)、热液出阀(4)、冷液进阀(5)、冷液出阀(6)输入开关量信号，以对驱动单元的两个记忆合金驱动器(7)分别通入热液和冷液、或者同时通入热液或冷液。

技术总结
本发明涉及智慧海洋和水下仿生领域，具体是一种多关节柔性仿生推进器，包括热液循环系统、冷液循环系统、隔框、连杆、驱动单元；所述隔框通过连杆串连；驱动单元设在相邻的隔框之间，驱动单元包括热液进阀、热液出阀、冷液进阀、冷液出阀和两个记忆合金驱动器；两个记忆合金驱动器在连杆的两侧对称设置；记忆合金驱动器分别通过热液进阀、热液出阀与热液循环系统连接，记忆合金驱动器分别通过冷液进阀、冷液出阀与冷液循环系统连接。本发明采用刚性强迫运动的原理，以实现鱼体波的精确拟合，拟合过程不需要复杂的刚度计算，控制更加精确、简单，并且能够模拟鱼体的双曲线摆动。本发明还提供了一种多关节柔性仿生推进器驱动控制方法。法。法。


技术研发人员：黄兴中
受保护的技术使用者：黄兴中
技术研发日：2022.06.01
技术公布日：2023/4/25