一种带有柔性自适应拍动角度的仿生扑翼驱动机构及其驱动原理

本发明涉及水下仿生驱动，具体指一种带有柔性自适应拍动角度的仿生扑翼驱动机构及其驱动原理。

背景技术：

1、流体中的生物由于它们的生存环境所致，经历长期的进化与自然选择，进化出了优异的运动能力。所以通过对一些具备高灵活性的生物体貌特征进行运动参考，研究其优秀的扑翼流线型参数，能更进一步提高航行器的动力性能，减少能源消耗。同时微小型仿生鱼可以实现在狭小、复杂等空间进行作业，在海洋监测、海洋生物近距离观察、军事侦察、未知海洋领域探索等方面起到较大作用，因此研制具有鱼类游动性能的仿生水下机器鱼驱动机构具有较高现实意义。

2、鱼类的游动过程与周围流体的相互作用具有三维、时变、非定常的特性，存在涡流、虚质量效应等，由此纯刚性扑翼与扑翼面的流体耦合较差，基于普遍适用于波动鳍的机械特性及肌体运动与力之间的动态关系的三维波动板理论，柔性材料逐渐运用于波动鳍推进模式下仿生鱼的驱动，此方式结构简单紧凑，易于控制实现。

3、目前在众多微小型仿生鱼的驱动模式设计中，针对中间鳍或者对鳍的仿生鱼游动模式中的具有平扁外形的仿生鱼的驱动方式已经较为成熟，多采用单边两个舵机控制两个方向自由度来实现，但此方式明显不适用于纺锤形外形的仿生鱼，因此在紧凑的外形结构下通过采用单边一个舵机来实现二自由度拍动显得尤为重要，本发明提出一种带有柔性自适应拍动角度的仿生胸鳍驱动机构能满足此要求。

技术实现思路

1、针对微小型仿生结构的紧凑型结构限制，本发明是为了解决纺锤形外形的仿生结构扑翼单边单舵机推进的问题，提供一种带有柔性自适应拍动角度的仿生扑翼驱动机构及使用方法，依靠柔性扑翼介质本身与流体间的相互作用以纵波的方式传递波动运动来实现推进，以解决目前纺锤形仿生结构二自由度结构限制、高成本、低内聚的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

3、一种带有柔性自适应拍动角度的仿生扑翼驱动机构，包括外壳、扑翼和驱动机构，所述驱动机构设置在外壳内，所述外壳两侧呈对称结构设置有缺口，两个所述扑翼呈对称结构安装在外壳两侧，所述驱动机构的输出端对两个扑翼单边输出，所述扑翼包括刚性架和柔性翼面，所述刚性架呈机翼状结构，所述柔性翼面的边缘处固定连接在刚性架上，所述柔性翼面有若干层柔性材料复合而成，每层所述柔性材料由内向外包覆而成，每层所述柔性材料的柔软度由内向外逐渐提高。

4、上述技术方案中，刚性架套在所述外壳的支撑柱面满足实际运动需求，使所述扑翼同时具备两者的优势，由所述刚性架作为主动源，所述柔性翼面作为从动源，使其拍动的稳定性、机动性和效率显著提高。另外，柔性翼面既能产生因周围流体变化的翼型，又具有一定的强度能将翼面及周围的流体推出。

5、作为优选，所述外壳包括依次连接的头部、中间部和尾部，所述头部为半扁球体结构，所述中间部为扁状的筒体结构，所述尾部为扁状的圆锥体结构，所述中间部内设置有固定槽，所述驱动机构安装在固定槽内。

6、作为优选，所述驱动机构包括舵机组、第一驱动齿轮、第一传动齿轮、第二驱动齿轮和第二传动齿轮，所述舵机组包括两个单边舵机，两个所述单边舵机呈对称结构安装在固定槽内，且所述单边舵机的输出端朝向相反，所述第一驱动齿轮和第二驱动齿轮分别固定安装在两个单边舵机的输出端，所述固定槽两侧呈对称结构设置有两根安装轴，所述第一传动齿轮、第二传动齿轮分别可转动安装在两根安装轴上，其分别与第一驱动齿轮、第二驱动齿轮啮合，所述刚性架的连接侧固定设置有弧形的传动齿，两个所述刚性架上的传动齿分别与第一传动齿轮、第二传动齿轮啮合。

7、上述技术方案中，采用单边舵机的驱动方式来实现扑翼的二自由度控制。

8、作为优选，所述刚性架的连接侧可转动安装外壳上。

9、作为优选，所述刚性架的前侧为弧形，所述刚性架的后侧设有一个凸峰。

10、本发明还提供了一种带有柔性自适应拍动角度的仿生扑翼驱动机构的驱动原理，包括仿生机器在进行直航和转向的实施过程，同时需注意的是同时，该仿生扑翼的作用场景不受结构限制，可应用于仿生鱼和滑翔翼等，所述流体不单一限制于水流，同时包含空气等介质：

11、(1)当仿生机器直航时，尾部平行在同一中心线，所述舵机组同频率同角度转动，所述舵机组左侧输出端顺时针转动带动所述第一驱动齿轮顺时针转动，所述第一传动齿轮逆时针转动，带动所述刚性架顺时针转动，此时一侧扑翼向下拍动，同时所述舵机组右侧输入端逆时针转动带动所述第二驱动齿轮逆时针转动，所述第二传动齿轮顺时针转动，带动所述刚性架逆时针转动，此时另一侧扑翼向下拍动，由此两侧所述刚性架皆向下拍动当达到所需角度时，所述舵机组反向转动，此时所述刚性架皆为向上拍动，此时实现所述扑翼上下方向单自由度周期性拍动，同时所述柔性翼面在所述刚性架周期性带动下产生周期性变形，且每个柔性翼面产生一个自由度的运动能力传递波动，进而产生周期性的水波，由于力的反作用产生推进力实现推进，即实现仿生机器直航游动；

12、(2)当仿生机器左转向运动时，在直航的状态基础上，所述舵机组右侧输出端的转动频率提高，致使仿生机器右侧所述扑翼的拍动频率加快，仿生机器整体出现向左偏航的趋势，即仿生机器整体大致为“c”字形，差速拍动可实现仿生机器的整体快速左转向；

13、(3)当仿生机器右向游动时，在直航游动的状态基础上，所述舵机组左侧输出端的转动频率提高，致使仿生机器左侧所述扑翼的拍动频率加快，仿生机器整体出现向右偏航的趋势，即仿生机器整体大致为“c”字形，差速拍动可实现仿生机器的整体快速右转向。

14、本发明具有以下的特点和有益效果：

15、采用上述技术方案，本发明提供的一种带有柔性自适应拍动角度的仿生扑翼驱动机构，面对纺锤形仿生结构二自由度结构限制、高成本、低内聚的问题，采用单边单舵机驱动，将拍动翼实现刚-柔耦合实现二自由度拍动，实现仿生机器的直航、左转向和右转向游动，具备高机动性、高稳定性、高效率的特点。同时，该仿生扑翼的作用场景不受结构限制，可被参考作用于仿生鱼和滑翔翼等，所述流体不单一限制于水流，同时包含空气等介质。

技术特征：

1.一种带有柔性自适应拍动角度的仿生扑翼驱动机构，其特征在于，包括外壳(100)、扑翼(200)和驱动机构(300)，所述驱动机构(300)设置在外壳(100)内，所述外壳(100)两侧呈对称结构设置有缺口，两个所述扑翼(200)呈对称结构安装在外壳(100)两侧进行轴向固定，所述驱动机构(300)的输出端对两个扑翼(200)单边输出，所述扑翼(200)包括刚性架(201)和柔性翼面(202)，所述刚性架(201)呈机翼状结构，所述柔性翼面(202)的边缘处固定连接在刚性架(201)上，所述柔性翼面(202)有若干层柔性材料复合而成，每层所述柔性材料由内向外包覆而成，每层所述柔性材料的柔软度由内向外逐渐提高。

2.根据权利要求1所述的一种带有柔性自适应拍动角度的仿生扑翼驱动机构，其特征在于，所述外壳(100)包括依次连接的头部、中间部和尾部，所述头部为半扁球体结构，所述中间部为扁状的筒体结构，所述尾部为扁状的圆锥体结构，所述中间部内设置有固定槽，所述驱动机构(300)安装在固定槽内。

3.根据权利要求2所述的一种带有柔性自适应拍动角度的仿生扑翼驱动机构，其特征在于，所述驱动机构(300)包括舵机组(301)、第一驱动齿轮(302)、第一传动齿轮(303)、第二驱动齿轮(304)和第二传动齿轮(305)，所述舵机组(301)包括两个单边舵机，两个所述单边舵机呈对称结构安装在固定槽内，且所述单边舵机的输出端朝向相反，所述第一驱动齿轮(302)和第二驱动齿轮(304)分别固定安装在两个单边舵机的输出端，所述固定槽两侧呈对称结构设置有两根安装轴，所述第一传动齿轮(303)、第二传动齿轮(305)分别可转动安装在两根安装轴上，其分别与第一驱动齿轮(302)、第二驱动齿轮(304)啮合，所述刚性架(201)的连接侧固定设置有弧形的传动齿，两个所述刚性架(201)上的传动齿分别与第一传动齿轮(303)、第二传动齿轮(305)啮合。

4.根据权利要求3所述的一种带有柔性自适应拍动角度的仿生扑翼驱动机构，其特征在于，所述刚性架(201)的连接侧可转动安装外壳(100)上。

5.根据权利要求1所述的一种带有柔性自适应拍动角度的仿生扑翼驱动机构，其特征在于，所述刚性架(201)的前侧为弧形，所述刚性架(201)的后侧设有一个凸峰。

6.一种根据权利要求3-5任意一项所述带有柔性自适应拍动角度的仿生扑翼驱动机构的驱动原理，其特征在于，

技术总结本发明公开了一种带有柔性自适应拍动角度的仿生扑翼驱动机构，包括外壳、扑翼和驱动机构，所述驱动机构设置在外壳内，所述外壳两侧呈对称结构设置有缺口，两个所述扑翼呈对称结构安装在外壳两侧，所述驱动机构的输出端对两个扑翼单边输出，所述扑翼包括刚性架和柔性翼面，所述刚性架呈机翼状结构，所述柔性翼面的边缘处固定连接在刚性架上，所述柔性翼面有若干层柔性材料复合而成，每层所述柔性材料由内向外包覆而成，每层所述柔性材料的柔软度由内向外逐渐提高，该装置依靠柔性扑翼介质本身与流体间的相互作用以纵波的方式传递波动运动来实现推进，以解决目前纺锤形仿生结构二自由度结构限制、高成本、低内聚的问题。技术研发人员：田晓庆,李胜宏,潘华辰,吕明,杨子依,田超亚受保护的技术使用者：杭州电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/5/9