主被动变刚度解耦机构及其在柔性仿生机器鱼中的应用

发布时间：2020-03-27 20:54

【摘要】：生物实验表明,鱼类通过调节身体刚度来改变自身的固有频率以匹配身体摆动频率,从而达到提高游动性能的目的。受此原理启发,学者们研制了几种变刚度柔性仿生机器鱼。但是,目前变刚度仿生机器鱼存在以下问题需要解决:变刚度范围小,无法达到真鱼水平;不能在变刚度的同时保持鱼体流线型外形;无法实现刚度在线调节。为了解决以上问题,本文提出了一种主被动刚度解耦的变刚度柔性仿生机器鱼,开展了串并联机构整体与局部变刚度方法、平面并联机构的主被动刚度耦合与解耦、预张力主动刚度柔性关节设计、大范围变刚度柔性仿生机器鱼等研究工作,探究了仿生机器鱼刚度与游动性能之间的匹配规律。在分析生物鱼体内部构造的基础上,明确了其串并联的结构形式及内力主动变刚度机理,建立了串并联机构鱼体刚度模型与粘弹性连续体鱼体刚度模型的对应关系。研究发现,对于串并联机构鱼体刚度模型,无论采用整体变刚度方法还是局部变刚度方法,都可以引起机构整体固有频率的变化。鉴于整体变刚度机构存在的结构复杂性以及机械效率低的问题,在工程上采用简洁高效的局部变刚度方法具有更大的优势。因此,在保证机器鱼游动连续性的前提下,按照局部变刚度原理,提出了采用单节平面转动冗余并联机构结合粘弹性材料鱼尾的局部变刚度柔性仿生机器鱼设计方案。建立了平面转动冗余并联机构刚度与机构几何参数之间的解析式,该解析式揭示了平面转动冗余并联机构通过内力调节刚度的变刚度机理,同时得到内力改变刚度最大化和刚度随机构动态位姿变化最小的几何参数。从而实现了内力变刚度的离线规划,避免了在线控制的困难。平面转动冗余并联机构的刚度由主动刚度与被动刚度两部分组成。主动刚度与机构内力相关,通过调节内力可主动地改变机构刚度。被动刚度与弹性元件的刚度和机构的几何参数相关,是机构的固有刚度。机构的初始刚度取决于被动刚度,主动刚度与被动刚度之比越大,机构的变刚度能力就越大。然而,受机构弹性元件自身形变和工作空间的物理限制,很难在降低被动刚度的同时,还能保证主动刚度调整范围的最大化。这种主、被动刚度的耦合特性限制了机构的变刚度能力,无法实现大范围变刚度。在常规结构形式下,平面转动冗余并联机构无论采用线性弹性元件还是非线性弹性元件都无法解决主被动刚度耦合问题。为解决主被动刚度耦合问题,提出了由两种平面转动机构复合而成的主被动刚度解耦机构,以扩大变刚度范围。主被动刚度解耦机构的主动刚度和被动刚度可以分别由两种平面转动机构进行单独配置。两种平面转动机构具有各自的弹性元件,配置主动刚度的平面转动机构采用刚度大的弹性元件以增加变化的主动刚度,配置被动刚度的平面转动机构采用刚度小的弹性元件以降低固有的被动刚度,从而通过增加主被动刚度之比以增加变刚度倍数。其中配置主动刚度的机构有两种方案,一种是交叉支腿形式的平面转动冗余并联机构,一种是预张力主动刚度柔性关节。其中,基于预张力主动刚度柔性关节的主被动刚度解耦机构的刚度随预张力的增加而增加,更符合生物鱼变刚度特性,同时其结构和变刚度调节方式更简单。最后,提出了一种基于预张力主动刚度柔性关节的大范围变刚度柔性仿生机器鱼,并研制了仿生机器鱼样机。鱼体主被动刚度解耦机构由硅胶柔性外壳和外壳内部的预张力主动刚度柔性关节组成。预张力主动刚度柔性关节提供主动刚度,硅胶柔性外壳提供被动刚度。同时为了使机器鱼具有生物鱼的柔性以实现连续性游动,主被动刚度解耦机构和柔性硅胶鱼尾串联组成局部变刚度柔性仿生机器鱼。变刚度性能测试实验表明,仿生机器鱼刚度能够随预张力变化而改变。仿生机器鱼游动性能实验表明,调节机器鱼变刚度关节的预张力可使其达到最大游速、最大推力和最大摆幅。也就是说,当机器鱼刚度与摆动频率匹配时,机器鱼游动性能提高,并可以获得预张力、摆动频率与游动性能的刚度匹配曲线。对于本文所研制的机器鱼,其预张力可在0到14 N内范围内调节,机器鱼变刚度倍数最大可达16倍,并可与0.8 Hz到2.4 Hz范围内的摆动频率相匹配。根据游动性能的刚度匹配曲线制定了机器鱼最大游速的刚度调节策略,实现了满足期望游速的刚度在线调节和匹配。
【图文】：

鱼体,模式,鱼类

满足期望游速的刚度在线匹配和调节。该仿生机器鱼为研游动性能之间的关系提供有效的实验手段。机器鱼研究现状游动模式的游动生物的推进模式一般可分为 BCF（a body and/or caPF（median and paired fin）游动模式两类[17-22]。采用 BC过程中，，波动身体并摆动尾鳍，产生沿身体向尾鳍传播的尾鳍来产生推力[17]，如图 1-1 所示。采用 MPF 游动模式的侧对鳍来产生推力。BCF 游动模式鱼类通常相对于 MPF 游度进行巡航。据统计，世界上有 85%的鱼类是采用 BCF 游主要方式。除 BCF 游动模式和 MPF 游动模式外，鱼类还有推进、滑行等。由于 BCF 游动模式的鱼类具有游动速度快因此我们把仿生机器鱼的研究重点放在 BCF 游动模式上[1

模式图,模式,游速,游动性

图 1-2 BCF 游动模式[5]Fig. 1-2 BCF swimming modes[5]科 b) 亚湽科 c) 湽科 d) 鲔科illiform b) Subcarangiform c) Carangiform d) Thun鱼的游动性能评价指标价指标包括游速、推力、摆幅、游动步长、斯特鲁哈数和动性能指标既适用于生物鱼也适用于仿生机器鱼。的游速分为绝对游速和相对游速，其绝对速度的单位为米将绝对速度与鱼体长度相联系，以体长/秒（BL/s）为单位速高达 11 BL/ s，鲭鱼的游速高达 25 BL/s[17]。遗憾的是，法复制生物鱼类运动的游动性能。例如，Anderson 研制的UV），它仿照鲔科金枪鱼，最大速度为 1.2 m/s （0.5 BL鱼科机器鱼的最大速度 0.7 BL/s[28]。此外，机器鱼的游速可过测量机器鱼在一段距离内的游动，记录并分析机器鱼游规律。首先在机器鱼鱼体不同的关键部位设定标定点，然
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：Q811;TP242

【参考文献】