一种幅值解耦调节的水下扑翼滑翔装置及其调节方法

1.本发明涉及水下机器人推进装置，具体是涉及一种幅值解耦调节的水下扑翼滑翔装置及其调节方法。


背景技术：

2.在复杂的海洋环境中，鱼类生物的运动方式愈加引起重视，鱼类游动方式主要分为两种,一种是身体/尾鳍模式,另一种是中间鳍/对鳍模式,其中,身体/尾鳍模式在俯仰方向的机动性比较差，不能迅速上浮/下潜，中间鳍/对鳍模式主要是利用胸鳍的拍打来进行推进，在机动性和稳定性上都具有更大的优势,以及低速条件下推进效率高，其中具有中间鳍/对鳍的代表生物蝠鲼相对其他鱼类有机动灵活、胸鳍推进力大等优点，因此研究出了很多以蝠鲼胸鳍为仿生对象的水下扑翼推进装置。
3.现有技术中，申请号为201510854411.1的中国专利申请，公开了一种水下扑翼驱动装置，其采用并联机构,两个驱动电机驱动机构的动平台进行二自由度运动,即扑翼的俯仰运动和上下拍动运动，提高了系统刚度和运动精度,降低了系统的运动惯量，但该运动装置的上下拍动运动采用曲柄摇杆机构，调节扑翼摆动幅值时，急回系数也会产生相应的变化，同样，急回系数改变时，扑翼摆动幅值也会发生改变，无法实现单独调节，二者之间无法实现解耦。
4.又如申请号为201910873144.0的中国专利申请，公开了一种基于胸鳍与螺旋桨混合推进的水下仿生航行器，其采用多连杆结构骨架胸鳍扑动完成基本动作，同时尾部通过两个矢量螺旋桨推进完成协同运动,有效提高仿蝠鲼水下航行器的推进速度，但该装置胸鳍驱动模块的曲柄滑块机构的摆杆做对称摆动时,其摆动幅度与急回系数相互耦合，无法根据摆动幅值设计急回系数，调节不灵活。


技术实现要素：

5.发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种实现摆动幅值与腹背比解耦的、幅值可单独调节且调节灵活方便的水下扑翼滑翔装置。
6.本发明还提供一种幅值解耦调节的水下扑翼滑翔装置的调节方法。
7.技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种幅值解耦调节的水下扑翼滑翔装置，包括中心转轴、若干依次套设于中心转轴上的鳍条、动力模块、腹背比调节模块和幅值调节模块，鳍条端部套设套筒ⅰ，且鳍条端部在套筒ⅰ内滑动，所述套筒ⅰ铰接有滑块ⅰ和第一杆件，滑块ⅰ沿竖直延伸的导轨ⅰ滑动，所述第一杆件一端与套筒ⅰ和滑块ⅰ铰接，另一端与腹背比调节模块轴向定位连接，腹背比调节模块与动力模块固定连接，所述动力模块通过腹背比调节模块驱动第一杆件端部以动力模块为圆心进行圆周运动，所述腹背比调节模块调节第一杆件端部至动力模块的距离，从而调节鳍条运动的腹背比；
8.所述幅值调节模块用于调节中心转轴与动力模块之间水平方向的距离，从而在腹背比确定的情况下调节鳍条运动幅值。
9.进一步的，所述腹背比调节模块包括液压缸ⅰ、固定轴ⅰ，所述液压缸ⅰ一端与动力模块固定连接，另一端与固定轴ⅰ固定连接，所述第一杆件一端套设于固定轴ⅰ外，第一杆件延伸方向垂直于固定轴ⅰ延伸方向，液压缸ⅰ伸缩调节固定轴ⅰ相对于动力模块的距离，从而调节第一杆件端部相对于动力模块的距离。
10.进一步的，所述动力模块包括驱动电机，驱动电机的输出轴延伸方向平行于固定轴ⅰ延伸方向，驱动电机的输出轴与液压缸ⅰ端部固定连接，固定轴ⅰ与驱动电机的输出轴之间连接弹簧ⅰ。所述腹背比调节模块还包括液压缸ⅱ，所述液压缸ⅱ一端与固定轴ⅰ固定连接，液压缸ⅱ与液压缸ⅰ相互平行。每个鳍条上设置的腹背比调节模块中的所有液压缸之间连通，所有液压缸同步伸缩。
11.进一步的，所述相邻鳍条之间设置连接装置，连接装置包括固定设置于液压缸ⅰ端部的摆动式液压缸ⅰ，摆动式液压缸ⅰ的输出轴与相邻鳍条上设置的液压缸ⅱ端部固定连接，液压缸ⅰ端部与相邻鳍条上设置的液压缸ⅱ端部之间设置扭簧ⅰ，摆动式液压缸ⅰ带动液压缸ⅱ转动，从而调节相邻鳍条的相位差。
12.进一步的，所述幅值调节模块包括一端固定设置的液压缸
ⅴ
，液压缸
ⅴ
另一端与中心转轴固定连接，所述液压缸
ⅴ
延伸方向沿水平方向，且垂直于中心转轴延伸方向，液压缸
ⅴ
伸缩带动中心转轴移动，中心转轴与液压缸
ⅴ
固定端之间设置弹簧
ⅹ
。
13.本发明还采用一种水下扑翼滑翔装置的调节方法，包括以下步骤：
14.(1)确定调节后的工作模式，包括扑翼模式和滑翔模式，扑翼模式包括周期性非正弦模式和周期性正弦模式，滑翔模式包括变摆角模式和变攻角模式；
15.(2)根据选定的工作模式，调节装置参数；装置参数包括第一杆件端部至动力模块的距离、中心转轴与动力模块之间水平方向的距离、相邻鳍条之间的角度差、第一杆件端部进行圆周运动的速度。
16.进一步的，所述扑翼模式中的周期性非正弦模式的调节方法为：确定调节后的目标参数包括扑翼运动周期t、扑翼腹背比k、扑翼摆动幅值a、扑翼弦向波数n，根据扑翼运动周期t调节第一杆件端部进行圆周运动的速度，根据扑翼腹背比k调节第一杆件端部至动力模块的距离，根据扑翼摆动幅值a调节中心转轴与动力模块之间水平方向的距离，根据扑翼弦向波数n调节相邻鳍条之间的角度差；
17.所述扑翼模式中的周期性正弦模式的调节方法为：确定调节后的鳍条目标运动规律，得到鳍条摆动幅值a和实时角速度，调节第一杆件端部至动力模块的距离最小，根据鳍条摆动幅值a，调节中心转轴与动力模块之间水平方向的距离，根据鳍条实时角速度，调节第一杆件端部进行圆周运动的速度。
18.进一步的，所述滑翔模式中的变摆角模式的调节方法为：调节第一杆件端部位于边界位置，确定调节后的扑翼摆角；若扑翼摆角位于可调范围内，调节第一杆件端部至动力模块的距离最小，根据第一杆件端部至动力模块的距离以及扑翼摆角计算得到中心转轴与动力模块之间水平方向的理论距离，若理论距离小于中心转轴与动力模块之间水平方向的最小距离，调节中心转轴与动力模块之间水平方向的距离至最小距离，并根据扑翼摆角调节此时第一杆件端部至动力模块的距离；若扑翼摆角位于可调范围外，调节第一杆件端部至动力模块的距离最小，中心转轴与动力模块之间水平方向的距离最大；
19.所述滑翔模式中的变攻角模式的调节方法为：确定调节后的扑翼攻角，根据扑翼
攻角计算第一个鳍条和最后一个鳍条的摆角，然后计算相邻鳍条之间的目标角度差，调节第一个鳍条的摆角，然后调节相邻鳍条之间的角度至目标角度差。
20.有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是实现机构扑翼摆动幅值与腹背比的解耦，幅值可单独调节不影响腹背比，使得模块之间的依赖程度低，模块的独立性强，由于幅值可单独调节，在调节腹背比影响幅值后，调节幅值进行修正，实现腹背比的单独调节。通过液压缸、弹簧与曲柄滑块传动机构的组合进行扑翼摆动幅值与腹背比的调节，由于弹簧的存在使得液压缸工作伸缩时具备同步调节功能，调节灵活、方便，结构简单、输出力大、性能稳定可靠、工作平稳。采用摆动式液压缸和扭簧连接相邻两个调节模块，在扭簧的作用下，使得摆动式液压缸摆动保持同步，且此机构可实现扑翼相位差改变，工作效率高，结构紧凑。
附图说明
21.图1是本发明水下扑翼滑翔装置设置于水下机器人框架上的整体结构示意图。
22.图2是图1中去掉外侧框架的结构示意图。
23.图3是本发明单侧水下扑翼滑翔装置的结构示意图。
24.图4是本发明中第一调节模块、第二调节模块调节鳍条结构示意图。
25.图5是本发明中第一调节模块、第二调节模块调节鳍条结构主视图。
26.图6是本发明中第一调节模块调节鳍条结构右视图及局部透视图。
27.图7是本发明中第一调节模块结构示意图。
28.图8是本发明中第一调节模块结构的部分剖视图。
29.图9是本发明中第二调节模块结构示意图。
30.图10是本发明中第二调节模块结构的局部放大示意图。
31.图11是本发明中第一调节模块与第三调节模块连接方式结构示意图。
32.图12为图11中沿a-a处剖视图。
33.图13为图11中沿b-b处剖视图。
34.图14是本发明中液压控制系统示意图。
35.图15是本发明中第一调节模块调节鳍条的运动简图。
36.图16是本发明中第一调节模块调节鳍条的运动区间划分示意图。
37.图17是本发明中工作模式调节方法流程图。
38.图18(a)是本发明中滑翔模式中的变攻角模式的机构尺寸侧视图；图18(b)是本发明中滑翔模式中的变攻角模式的机构尺寸主视图；图18(c)是本发明中滑翔模式中的变攻角模式的机构尺寸立体视图。
39.图19(a)是本发明中扑翼模式中的周期性正弦模式的仿真调节驱动电机角位置试验结果曲线图；图19(b)是本发明中扑翼模式中的周期性正弦模式的仿真调节驱动电机角速度试验结果曲线图；图19(c)是本发明中扑翼模式中的周期性正弦模式的仿真调节扑翼摆动角位置试验结果曲线图；图19(d)是本发明中扑翼模式中的周期性正弦模式的仿真调节扑翼摆动角速度试验结果曲线图。
具体实施方式
40.实施例1
41.本实施例中一种幅值解耦调节的水下扑翼滑翔装置，包括中心转轴26、若干依次套设于中心转轴上的鳍条4、动力模块和两个调节模块，第一调节模块沿着动力模块分布，第二调节模块水平分布，实施例中以单侧七个调节模块、五根鳍条4为例进行说明。
42.如图1至图3所示，本实施例中设置水下扑翼滑翔装置的水下机器人试验装置，包括动力模块1、鳍条4、浮力调节装置ⅰ5、浮力调节装置ⅱ6、电子舱7，第一调节模块2、第三调节模块8、第四调节模块9、第五调节模块10、第六调节模块11沿着动力模块1输出轴方向等间距分布，第二调节模块3、第七调节模块12水平分布，且第一调节模块2、第三调节模块8、第四调节模块9、第五调节模块10、第六调节模块11结构相同，第二调节模块3、第七调节模块12结构相同，第一调节模块2、第三调节模块8、第四调节模块9、第五调节模块10、第六调节模块11均为腹背比调节模块，用于同步调节腹背比，在动力模块1作用下，同时进行圆周转动，第二调节模块3、第七调节模块12均为幅值调节模块，用于同步调节扑翼摆动幅值。
43.如图4至图6所示，本实施例中两个调节模块(腹背比调节模块和幅值调节模块)调节一个鳍条，以第一调节模块2、第二调节模块3调节鳍条4为例进行说明，动力模块1包括驱动电机13、固定连接于驱动电机13输出端的联轴器14、设置于联轴器14另一端的立式轴承座15、设置于立式轴承座15另一端的转动轴16，转动轴16与联轴器14固定连接，驱动电机13带动转动轴16转动，驱动电机13通过螺栓螺母紧固在铝型材框架25上(此处铝型材框架25为装置模型的辅助框架，在实际使用中可以固定于水下机器人的机身上)，立式轴承座15通过螺栓螺母紧固在铝型材框架25上，转动轴16通过与底座17固定连接，从而与第一调节模块2固定一体，驱动电机13带动转动轴16转动从而带动第一调节模块2转动，第一杆件19上端套设于空心筒ⅰ18上，并与空心筒ⅰ18轴向定位，第一杆件19下端与滑块ⅰ20铰接，滑块ⅰ20在导轨ⅰ21上进行滑动，导轨ⅰ21下端固定连接于铝型材框架25，导轨ⅰ21沿竖直方向延伸，滑块ⅰ20一侧固定连接有直轴ⅰ23，套筒ⅰ22轴向定位于直轴ⅰ23，并相对直轴ⅰ23转动，套筒ⅰ22套设于鳍条4端部，且套筒ⅰ22的内侧与鳍条4端部之间滑动连接，鳍条4中间部分在中心转轴26上进行转动，鳍条4在中心转轴26上的两边各加入1个卡簧，限制其轴向移动，中心转轴26由卧式轴承座ⅱ24支撑其旋转，中心转轴26与第二调节模块3连接，从而实现第二调节模块3的调节功能。
44.如图7和图8所示，本实施例中第一调节模块2包括液压缸ⅰ28、液压缸ⅱ36、固定轴ⅰ33、空心筒ⅰ18，空心筒ⅰ18固定套设于固定轴ⅰ33外，固定轴ⅰ33穿过空心筒ⅰ18两端的孔隙，通过螺母垫片与空心筒ⅰ18紧固，空心筒ⅰ18侧面开孔用于液压缸的穿过，液压缸ⅰ28上端与转接件ⅰ32固定连接，下端与转接件ⅱ31固定连接，转接件ⅰ32穿过空心筒ⅰ18的孔隙通过螺母垫片与固定轴ⅰ33紧固，转接件ⅱ31通过螺母垫片与固定轴ⅱ27紧固，固定轴ⅱ27与底座ⅰ17固定连接，固定轴ⅰ33与固定轴ⅱ27之间连接有具备弹性恢复能力、穿过空心筒ⅰ18孔隙的弹簧ⅰ29、弹簧ⅱ30，液压缸ⅱ36上端与转接件ⅲ34固定连接，下端与转接件ⅳ38固定连接，转接件ⅲ34穿过空心筒ⅰ18的孔隙通过螺母垫片与固定轴ⅰ33紧固，转接件ⅳ38通过螺母垫片与固定轴ⅲ39紧固，固定轴ⅲ39与底座ⅱ40固定连接，固定轴ⅰ33与固定轴ⅲ39之间连接有具备弹性恢复能力、穿过空心筒ⅰ18孔隙的弹簧ⅲ35、弹簧ⅳ37，液压缸ⅰ28、液压缸ⅱ36二者同步工作。液压缸ⅰ28、液压缸ⅱ36也可以采用其他具备伸缩功能的机械、电
动、气动件。
45.如图9和图10所示，本实施例中第二调节模块3包括液压缸
ⅴ
43、t形螺母条48、垫片滑块47，液压缸
ⅴ
43上端与转接件
ⅸ
46固定连接，下端与转接件
ⅹ
45固定连接，转接件
ⅸ
46通过螺母垫片与中心转轴26紧固，中心转轴26右侧在卧式轴承座ⅱ24内转动，卧式轴承座ⅱ24通过螺栓与垫片滑块47紧固，垫片滑块47与t形螺母条48通过螺栓固定连接，t形螺母条48在铝型材框架25凹槽内滑动，转接件
ⅹ
45通过螺母垫片与长直轴ⅱ41紧固(长直轴ⅱ41仅作为固定件，在实际使用中液压缸
ⅴ
43可以以任何方式固定于水下机器人或其他应用装置的机身)，长直轴ⅱ41通过螺母垫片紧固于铝型材框架25，中心转轴26与长直轴ⅱ41之间连接有具备弹性恢复能力的弹簧
ⅸ
42、弹簧
ⅹ
44。液压缸
ⅴ
43也可以采用其他具备伸缩功能的机械、电动、气动件。
46.如图11至图13所示，本实施例中相邻调节模块之间的连接方式，以第一调节模块2、第三调节模块8之间的连接方式为例，底座ⅱ17一侧固定有转动筒49，转动筒49套设于摆动式液压缸ⅰ51的输出轴上，并固定连接，摆动式液压缸ⅰ51与底座ⅲ52固定连接，底座ⅱ17与底座ⅲ52之间连接有具备弹性恢复能力的扭簧ⅰ50，底座ⅲ52与固定轴ⅳ66固定连接，固定轴ⅳ66通过螺母垫片与转接件
ⅴ
64紧固，转接件
ⅴ
64与液压缸ⅲ54下端固定连接，液压缸ⅲ54上端与转接件ⅵ61固定连接，转接件ⅵ61穿过空心筒ⅱ53的孔隙通过螺母垫片与固定轴
ⅴ
62紧固，空心筒ⅱ53固定套设在固定轴
ⅴ
62外，固定轴
ⅴ
62穿过空心筒ⅱ53两端的孔隙通过螺母垫片与空心筒ⅱ53紧固，固定轴ⅳ66与固定轴
ⅴ
62之间连接有具备弹性恢复能力、穿过空心筒ⅱ53孔隙的弹簧
ⅴ
55、弹簧ⅵ56，固定轴
ⅴ
62通过螺母垫片与转接件ⅶ63紧固，转接件ⅶ63穿过空心筒ⅱ53的孔隙与液压缸ⅳ57上端固定连接，液压缸ⅳ57下端与转接件
ⅷ
65固定连接，转接件
ⅷ
65通过螺母垫片与固定轴ⅵ67紧固，固定轴ⅵ67与底座ⅳ60固定连接，固定轴
ⅴ
62与固定轴ⅵ67之间连接有具备弹性恢复能力、穿过空心筒ⅱ53孔隙的弹簧ⅶ58、弹簧
ⅷ
59，液压缸ⅲ54、液压缸ⅳ57二者同步工作。
47.上述水下扑翼滑翔装置的工作原理如下：
48.装置工作时，驱动电机13转动，带动转动轴16旋转，第一调节模块2、第三调节模块8、第四调节模块9、第五调节模块10、第六调节模块11相继连接，继而带动第一调节模块2、第三调节模块8、第四调节模块9、第五调节模块10、第六调节模块11以转动轴16为中心旋转，以转动轴16为中心旋转的空心筒ⅰ18转动带动第一杆件19端部以驱动电机13输出轴为圆心进行圆周转动，第一杆件19圆周转动带动滑块ⅰ20在导轨ⅰ21上直线滑动，滑块ⅰ20滑动带动一侧固定连接直轴ⅰ23移动，直轴ⅰ23移动带动套筒ⅰ22运动，套筒ⅰ22运动带动鳍条4以中心转轴26为中心进行摆动。
49.调节腹背比时，液压缸ⅰ28进水，液压缸ⅰ28上端伸出运动，液压缸ⅰ28上端伸出运动带动转接件ⅰ32向上运动，转接件ⅰ32运动带动固定轴ⅰ33运动，固定轴ⅰ33运动带动空心筒ⅰ18运动，同时处于固定轴ⅰ33与固定轴ⅱ27之间的弹簧ⅰ29、弹簧ⅱ30被拉伸，此时液压缸ⅰ28处于伸长状态，如若液压缸ⅰ28恢复原状，液压缸ⅰ28卸水，被拉伸的弹簧ⅰ29、弹簧ⅱ30由于自身具备弹性恢复能力会被收缩，弹簧ⅰ29、弹簧ⅱ30收缩带动固定轴ⅰ33反向运动，固定轴ⅰ33反向运动带动空心筒ⅰ18反向运动，固定轴ⅰ33反向运动带动转接件ⅰ32反向运动，转接件ⅰ32反向运动带动液压缸ⅰ28上端缩回运动，直至液压缸ⅰ28活塞杆完全收回。液压缸ⅱ36进水时，液压缸ⅱ36上端伸出运动，液压缸ⅱ36上端伸出运动带动转接件ⅲ34运
动，转接件ⅲ34运动带动固定轴ⅰ33运动，同时处于固定轴ⅰ33与固定轴ⅲ39之间的弹簧ⅲ35、弹簧ⅳ37被拉伸，此时液压缸ⅱ36处于伸长状态，如若液压缸ⅱ36恢复原状，液压缸ⅱ36卸水，被拉伸的弹簧ⅲ35、弹簧ⅳ37由于自身具备弹性恢复能力会被收缩，弹簧ⅲ35、弹簧ⅳ37收缩带动固定轴ⅰ33反向运动，固定轴ⅰ33反向运动带动空心筒ⅰ18反向运动，固定轴ⅰ33反向运动带动转接件ⅲ34反向运动，转接件ⅲ34反向运动带动液压缸ⅱ36上端缩回运动，直至液压缸ⅱ36活塞杆完全收回，由于液压缸ⅰ28、液压缸ⅱ36结构相同且同时进水，弹簧ⅰ29、弹簧ⅱ30、弹簧ⅲ35、弹簧ⅳ37结构、弹性系数相同，所以液压缸ⅰ28、液压缸ⅱ36同步工作。
50.调节幅值时，液压缸
ⅴ
43进水，液压缸
ⅴ
43上端伸长运动，液压缸
ⅴ
43上端伸长运动带动转接件
ⅸ
46运动，转接件
ⅸ
46运动带动中心转轴26运动，中心转轴26运动带动卧式轴承座ⅱ24运动，卧式轴承座ⅱ24运动带动垫片滑块47运动，垫片滑块47运动带动t形螺母条48在铝型材框架25凹槽内运动，同时处于中心转轴26与长直轴ⅱ41之间的弹簧
ⅸ
42、弹簧
ⅹ
44被拉伸，此时液压缸
ⅴ
43处于伸长状态，如若液压缸
ⅴ
43恢复原状，液压缸
ⅴ
43卸水，被拉伸的弹簧
ⅸ
42、弹簧
ⅹ
44由于自身具备弹性恢复能力会被收缩，弹簧
ⅸ
42、弹簧
ⅹ
44收缩带动中心转轴26反向运动，中心转轴26反向运动带动卧式轴承座ⅱ24反向运动，卧式轴承座ⅱ24反向运动带动垫片滑块47反向运动，垫片滑块47反向运动带动t形螺母条48在铝型材框架25凹槽内反向运动。
51.调节鳍条相位差时，摆动式液压缸ⅰ51进水，摆动式液压缸ⅰ51的输出轴转动，摆动式液压缸ⅰ51的输出轴转动带动转动筒49转动，转动筒49转动带动第一调节模块2以摆动式液压缸ⅰ51输出轴为中心转动，处于底座ⅱ17与底座ⅲ52之间的扭簧ⅰ50被拉伸，此时第一调节模块2与第三调节模块8之间产生角度，相位改变，摆动式液压缸ⅰ51卸水，被拉伸的扭簧ⅰ50由于自身具备弹性恢复能力会被收缩，扭簧ⅰ50收缩带动转动筒49反向运动，转动筒49反向运动带动第一调节模块2反向运动，直至扭簧ⅰ50恢复原始状态，第一调节模块2与第三调节模块8之间无角度，相位相同。所有扭簧的弹性系数相同，使得所有摆动式液压缸同步转动。
52.上述液压缸系统同步调节工作原理如下：
53.如图14所示，包括液压驱动系统，液压驱动系统包括液压驱动电机、固定连接于液压驱动电机输出轴的丝杠、与丝杠螺纹连接的螺母、充满液体的无杆腔、设置于无杆腔内的活塞杆，螺母与活塞杆通过连杆固定连接，液压驱动电机驱动丝杠转动，带动螺母移动，螺母移动带动液压缸活塞杆运动，液压缸活塞杆运动推动无杆腔里面的液体流动，无杆腔通过二位二通换向阀ⅰ与第一调节模块2、第三调节模块8、第四调节模块9、第五调节模块10、第六调节模块11中的液压缸连通，无杆腔通过二位二通换向阀ⅱ与所有摆动式液压缸连通，无杆腔通过二位二通换向阀ⅲ与第二调节模块3、第七调节模块12中的液压缸连通。
54.将二位二通换向阀ⅰ打开，无杆腔里面的水流动经过二位二通换向阀ⅰ后，同时流向液压缸ⅰ28、液压缸ⅱ36、液压缸ⅲ54、液压缸ⅳ57，水流压力推动液压缸ⅰ28、液压缸ⅱ36、液压缸ⅲ54、液压缸ⅳ57活塞杆向上运动，活塞杆向上运动使得调节模块的长度变长，由于不管液压缸处于何种状态时，弹簧都处于拉伸状态，且弹簧ⅰ29、弹簧ⅱ30、弹簧ⅲ35、弹簧ⅳ37的弹性系数相同，产生的外负载力相同，所以液压缸ⅰ28、液压缸ⅱ36、液压缸ⅲ54、液压缸ⅳ57活塞杆同步运动，向上运动相同位移，活塞杆向上运动相同位移则改变调节
模块的长度相同，电机停止转动，弹簧ⅰ29、弹簧ⅱ30、弹簧ⅲ35、弹簧ⅳ37会被收缩，弹簧ⅰ29、弹簧ⅱ30、弹簧ⅲ35、弹簧ⅳ37收缩带动液压缸ⅰ28、液压缸ⅱ36、液压缸ⅲ54、液压缸ⅳ57活塞杆同步复位，活塞杆同步复位使得调节模块的长度改变相同，因此第一调节模块2、第三调节模块8、第四调节模块9、第五调节模块10、第六调节模块11中的液压缸同步调节。
55.将二位二通换向阀ⅱ打开，无杆腔里面的水流动经过二位二通换向阀ⅱ同时流向相邻调节模块之间的摆动式液压缸，水流压力推动摆动式液压缸ⅰ51的输出轴转动，摆动式液压缸ⅰ51的输出轴转动带动第一调节模块2以摆动式液压缸ⅰ51输出轴为中心转动，处于底座ⅱ17与底座ⅲ52之间的扭簧ⅰ50被拉伸，此时第一调节模块2与第三调节模块8之间产生角度，相位改变，由于不管摆动式液压缸处于何种状态时，扭簧都处于拉伸状态，且扭簧的弹性系数相同，产生的外负载力相同，所以摆动式液压缸输出轴同步转动，转动相同角度，输出轴转动相同角度则改变相邻调节模块的角度相同，电机停止转动，扭簧会被收缩，扭簧收缩带动摆动式液压缸的输出轴同步复位，输出轴同步复位使得相邻调节模块的角度改变相同，因此相邻调节模块之间的摆动式液压缸同步调节。
56.将二位二通换向阀ⅲ打开，无杆腔里面的水流动经过二位二通换向阀ⅲ同时流向第二调节模块3、第七调节模块12中的液压缸，水流压力推动液压缸
ⅴ
43活塞杆伸长运动，活塞杆伸长运动使得垫片滑块47与驱动电机13输出端中心的水平距离变长，由于不管液压缸处于何种状态时，弹簧都处于拉伸状态，且弹簧的弹性系数相同，产生的外负载力相同，所以第二调节模块3、第七调节模块12中液压缸活塞杆同步运动，伸长运动相同位移，活塞杆伸长运动相同位移则改变垫片滑块47与驱动电机13输出端中心的水平距离相同，电机停止转动，弹簧会被收缩，弹簧收缩带动第二调节模块3、第七调节模块12中的液压缸活塞杆同步复位，活塞杆同步复位使得垫片滑块47与驱动电机13输出端中心的水平距离改变相同，因此第二调节模块3、第七调节模块12中的液压缸同步调节。
57.实施例2
58.如图15所示，驱动电机13输出端中心到空心筒ⅰ18中心之间的距离为r，即调节模块的长度为r，调节模块与垂直线之间的夹角为θ，逆时针转动为正方向，转动角速度为θ
′
，第一杆件19长度为l，滑块ⅰ20在垂直方向上滑动，与驱动电机13输出端中心的距离为x，中心转轴26在水平方向上滑动，中心转轴26与驱动电机13输出端中心的水平距离为h，垂直距离为第一杆件19长度l，鳍条摆角为
59.如图15所示，x与θ的关系为，
[0060][0061]
对两边进行求导得
[0062][0063]
令x
′
＝0，若sinθ＝0，则θ＝0或θ＝π，若则l＝r。由此可以得到滑块ⅰ20运动的边界位置x
min
＝l-r,x
max
＝l+r。
[0064]
当滑块ⅰ20运动到中间位置时，此时，x＝l，(l+rcosθ)2＝l
2-r2sin2θ，l2+r2cos2θ+2lrcosθ＝l
2-r2sin2θ，r2+2lrcosθ＝0，即：
[0065][0066]
如图15所示，计算θ与x的关系为，
[0067]
(x+rcosθ)2＝l
2-r2sin2θ，x2+r
2 cos2θ+2xrcosθ＝l
2-r
2 sin2θ，2xrcosθ＝l
2-r
2-x2，即
[0068][0069]
如图15所示，与x的关系为与x的关系为与θ的关系为x与的关系为θ与的关系为
[0070]
如图16所示，当调节模块位于区间i和区间ii时，鳍条4位于水平线以上，即，处于试验装置的背部，当调节模块位于区间iii和区间iv时，鳍条4位于水平线以下，即，处于试验装置的腹部，本实施例为描述方便，用“腹背比”描述鳍条4在腹部的时间与在背部的时间的比值。
[0071]
如图17所示，本发明专利的一种水下扑翼滑翔驱动机构试验方法，包含以下步骤：
[0072]
步骤1：选定调节后的工作模式，包括扑翼模式和滑翔模式，扑翼模式包括周期性非正弦模式和周期性正弦模式，滑翔模式包括变摆角模式和变攻角模式；
[0073]
步骤2：根据选定的工作模式，调节装置参数；装置参数包括第一杆件端部至动力模块的距离、中心转轴与动力模块之间水平方向的距离、相邻鳍条之间的角度差、第一杆件端部进行圆周运动的速度；
[0074]
若为扑翼模式中的周期性非正弦模式，则驱动电机13匀速转动，按照以下步骤进行调节：
[0075]
(1)确定周期t；
[0076]
(2)根据周期t，计算驱动电机13转动速度θ
′
＝2π/t；调节驱动电机转速；
[0077]
(3)确定腹背比k；
[0078]
(4)根据腹背比k，计算调节模块长度r，根据计算得到的调节模块长度r，对调节模块长度进行调节；
[0079]
根据公式(3)得，
即，
[0080]
(5)确定扑翼摆动幅值a；
[0081]
(6)根据摆动幅值a，计算h，将中心转轴26与驱动电机13输出端中心的水平距离调为h；
[0082]
根据得即在先调节腹背比至目标值，即r值确定的情况下，幅值可在不影响腹背比情况下单独调节，实现腹背比及幅值的解耦，二者实现单独调节；
[0083]
在先调节幅值至目标值，即h值确定的情况下，调节腹背比至目标值，然后对幅值进行调节，修正幅值的改变量，实现二者均可单独调节至目标值。
[0084]
(7)确定弦向波数n；
[0085]
(8)根据弦向波数n，计算相邻两个调节模块之间的相位差δθ＝2nπ/(n-1)，n为调节模块个数，调节相邻模块之间的相位差。
[0086]
若为扑翼模式中的周期性正弦模式，则第一杆件19以正弦规律摆动，按照以下步骤进行调节：
[0087]
(1)确定扑翼摆动规律为
[0088]
(2)将调节模块长度r调整到最小值r
min
；
[0089]
(3)计算调节h；
[0090]
(4)根据计算驱动电机13每一时刻的速度θ
′
，并调节：
[0091]
对两边进行求导，得则，
[0092]
由得x＝htan(asin(wt))+l.
[0093]
由公式(4)得
[0094]
在区间i和区间iv，和
[0095][0096]
在区间ii和区间iii，
[0097][0098]
若为滑翔模式中的变摆角模式，调节模块角度调节完成后，保持不变，按照以下步骤进行调节：
[0099]
(1)调节第一杆件端部在边界位置，此时，调节模块对扑翼所承受的反作用力形成自锁，有利于保持滑翔稳定。计算摆角可调范围：
[0100]
调节模块在边界位置ii时，θ＝π，则由此可见，为r的增函数，为h的减函数，则调节模块在边界位置i时，θ＝0，
[0101]
(2)确定目标摆角调节模块在边界位置，若摆角在可调范围内，则首先将调节模块长度调至最小值r
min
，计算若h＜h
min
，则调节h至h
min
，计算将调节模块长度再调至
[0102]
若摆角在可调范围外，即则调节r至r
min
，调节h至h
max
，
[0103]
若为滑翔模式中的变攻角模式，调节模块角度调节完成后，保持不变，如图18所示，按照以下步骤进行调节：
[0104]
(1)确定攻角α；
[0105]
(2)根据攻角α，计算第一鳍条的调节模块的角位置θ1，b为鳍条从中心转轴26中心
到末端长度的一半；e为第一个鳍条和最后一个鳍条之间距离的一半；
[0106]
由d＝etanα，得则
[0107]
(3)根据攻角α，计算最后一个鳍条的调节模块的角位置θn：
[0108]
由d＝etan(-α)，得则
[0109]
(4)计算相邻两个鳍条之间的相位差
[0110]
(5)调节第一个鳍条至目标摆角，然后调节两个相邻鳍条之间的相位差。
[0111]
以周期性正弦扑翼试验为例，进行仿真试验，试验参数为：r＝3，l＝10，h＝4，扑翼目标运动规律为试验结果如图19所示。
[0112]
试验结果表明，驱动电机13角位置曲线连续变化，其中，在0.75秒处，驱动电机13通过边界位置i，角位置由2π回归到0，本质上也是连续变化，所以角位置曲线可以实现。驱动电机13角速度控制量与驱动电机13角位置微分量一致，所以，驱动电机13角速度控制量可以实现。扑翼摆动角位置控制结果与扑翼摆动角位置目标量一致，所以，本实施例中角位置控制方法有效。扑翼摆动角速度控制结果与扑翼摆动角速度目标量一致，所以，本实施例中角速度控制方法有效。

技术特征：
1.一种幅值解耦调节的水下扑翼滑翔装置，其特征在于，包括中心转轴(26)、若干依次套设于中心转轴上的鳍条(4)、动力模块(1)、腹背比调节模块和幅值调节模块，鳍条(4)端部套设套筒ⅰ(22)，且鳍条(4)端部在套筒ⅰ(22)内滑动，所述套筒ⅰ(22)铰接有滑块ⅰ(20)和第一杆件(19)，滑块ⅰ(20)沿竖直延伸的导轨ⅰ(21)滑动，所述第一杆件(19)一端与套筒ⅰ(22)和滑块ⅰ(20)铰接，另一端与腹背比调节模块轴向定位连接，腹背比调节模块与动力模块(1)固定连接，所述动力模块通过腹背比调节模块驱动第一杆件(19)端部以动力模块为圆心进行圆周运动，所述腹背比调节模块调节第一杆件(19)端部至动力模块的距离，从而调节鳍条运动的腹背比；所述幅值调节模块用于调节中心转轴(4)与动力模块之间水平方向的距离，从而在腹背比确定的情况下调节鳍条运动幅值。2.根据权利要求1所述的水下扑翼滑翔装置，其特征在于，所述腹背比调节模块包括液压缸ⅰ(28)、固定轴ⅰ(33)，所述液压缸ⅰ(28)一端与动力模块(1)固定连接，另一端与固定轴ⅰ(33)固定连接，所述第一杆件(19)一端套设于固定轴ⅰ(33)外，第一杆件(19)延伸方向垂直于固定轴ⅰ(33)延伸方向，液压缸ⅰ(28)伸缩调节固定轴ⅰ(33)相对于动力模块的距离，从而调节第一杆件(19)端部相对于动力模块的距离。3.根据权利要求2所述的水下扑翼滑翔装置，其特征在于，所述动力模块(1)包括驱动电机(13)，驱动电机(13)的输出轴延伸方向平行于固定轴ⅰ(33)延伸方向，驱动电机(13)的输出轴与液压缸ⅰ(28)端部固定连接，固定轴ⅰ(33)与驱动电机(13)的输出轴之间连接弹簧ⅰ(29)。4.根据权利要求3所述的水下扑翼滑翔装置，其特征在于，所述腹背比调节模块还包括液压缸ⅱ(36)，所述液压缸ⅱ(36)一端与固定轴ⅰ(33)固定连接，液压缸ⅱ(36)与液压缸ⅰ(28)相互平行。5.根据权利要求4所述的水下扑翼滑翔装置，其特征在于，每个鳍条上设置的腹背比调节模块中的所有液压缸之间连通，所有液压缸同步伸缩。6.根据权利要求4所述的水下扑翼滑翔装置，其特征在于，所述相邻鳍条之间设置连接装置，连接装置包括固定设置于液压缸ⅰ(28)端部的摆动式液压缸ⅰ(51)，摆动式液压缸ⅰ(51)的输出轴与相邻鳍条上设置的液压缸ⅱ(36)端部固定连接，液压缸ⅰ(28)端部与相邻鳍条上设置的液压缸ⅱ(36)端部之间设置扭簧ⅰ(50)，摆动式液压缸ⅰ带动液压缸ⅱ转动，从而调节相邻鳍条的相位差。7.根据权利要求1所述的水下扑翼滑翔装置，其特征在于，所述幅值调节模块包括一端固定设置的液压缸
ⅴ
(43)，液压缸
ⅴ
(43)另一端与中心转轴(26)固定连接，所述液压缸
ⅴ
(43)延伸方向沿水平方向，且垂直于中心转轴(26)延伸方向，液压缸
ⅴ
(43)伸缩带动中心转轴(26)移动，中心转轴(26)与液压缸
ⅴ
(43)固定端之间设置弹簧
ⅹ
(44)。8.一种权利要求1至7任意一项所述水下扑翼滑翔装置的调节方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)确定调节后的工作模式，包括扑翼模式和滑翔模式，扑翼模式包括周期性非正弦模式和周期性正弦模式，滑翔模式包括变摆角模式和变攻角模式；(2)根据选定的工作模式，调节装置参数；装置参数包括第一杆件端部至动力模块的距离、中心转轴与动力模块之间水平方向的距离、相邻鳍条之间的角度差、第一杆件端部进行
圆周运动的速度。9.根据权利要求8所述调节方法，其特征在于，所述扑翼模式中的周期性非正弦模式的调节方法为：确定调节后的目标参数包括扑翼运动周期t、扑翼腹背比k、扑翼摆动幅值a、扑翼弦向波数n，根据扑翼运动周期t调节第一杆件端部进行圆周运动的速度，根据扑翼腹背比k调节第一杆件端部至动力模块的距离，根据扑翼摆动幅值a调节中心转轴与动力模块之间水平方向的距离，根据扑翼弦向波数n调节相邻鳍条之间的角度差；所述扑翼模式中的周期性正弦模式的调节方法为：确定调节后的鳍条目标运动规律，得到鳍条摆动幅值a和实时角速度，调节第一杆件端部至动力模块的距离最小，根据鳍条摆动幅值a，调节中心转轴与动力模块之间水平方向的距离，根据鳍条实时角速度，调节第一杆件端部进行圆周运动的速度。10.根据权利要求8所述的调节方法，其特征在于，所述滑翔模式中的变摆角模式的调节方法为：调节第一杆件端部位于边界位置，确定调节后的扑翼摆角；若扑翼摆角位于可调范围内，调节第一杆件端部至动力模块的距离最小，根据第一杆件端部至动力模块的距离以及扑翼摆角计算得到中心转轴与动力模块之间水平方向的理论距离，若理论距离小于中心转轴与动力模块之间水平方向的最小距离，调节中心转轴与动力模块之间水平方向的距离至最小距离，并根据扑翼摆角调节此时第一杆件端部至动力模块的距离；若扑翼摆角位于可调范围外，调节第一杆件端部至动力模块的距离最小，中心转轴与动力模块之间水平方向的距离最大；所述滑翔模式中的变攻角模式的调节方法为：确定调节后的扑翼攻角，根据扑翼攻角计算第一个鳍条和最后一个鳍条的摆角，然后计算相邻鳍条之间的目标角度差，调节第一个鳍条的摆角，然后调节相邻鳍条之间的角度至目标角度差。

技术总结
本发明公开了一种幅值解耦调节的水下扑翼滑翔装置，包括中心转轴、若干依次套设于中心转轴上的鳍条、动力模块、腹背比调节模块和幅值调节模块，鳍条端部滑动套设套筒Ⅰ，套筒Ⅰ铰接有滑块Ⅰ和第一杆件，滑块Ⅰ竖直移动，第一杆件另一端与腹背比调节模块连接，动力模块通过腹背比调节模块驱动第一杆件端部以动力模块为圆心进行圆周运动，腹背比调节模块调节第一杆件端部至动力模块的距离，从而调节鳍条运动的腹背比；幅值调节模块用于调节中心转轴与动力模块之间水平方向的距离，从而在腹背比确定的情况下调节鳍条运动幅值。实现机构扑翼摆动幅值与腹背比的解耦，幅值可单独调节不影响腹背比，使得模块之间的依赖程度低，模块的独立性强。立性强。立性强。


技术研发人员：辛伯彧 张叶磊 徐文星 颜静 李明义 殷宝吉 唐文献 张建
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/7/6