一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼及其控制方法

1.本发明涉及仿生弹涂鱼领域，具体指有一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼及其控制方法。


背景技术：

2.仿生机器鱼，以用于探测水中的污染物，并绘制河水的3d污染图。这种机器鱼形似鲤鱼，身上装备有探测传感器，可以发现水中的多种污染物，如轮船泄漏的燃油或其他化学物等。仿生机器鱼在工作的过程中，需要在不同的环境中执行任务，例如滩涂、水下、沙地等，需要它们能够适应更多不同的环境、有更为安全的人机交互过程以及在运动过程中能够抵抗外界干扰减震等能力，因此可以选用具有一定柔性的材料作为服务型机器人的驱动装置。
3.现有的机器人通常选用刚性大、强度大的材料来组成，该材料在上述环境中容易出现无法适应地理环境从而陷入或卡于该环境中，或者是在该环境移动的过程中需要耗费大量的能耗，使得现有的仿生机器鱼一直无法在上述环境中工作。若仅是单纯的柔性驱动装置又存在灵活性差、精确度低、不能适应不同上述的多种环境中。
4.针对上述的现有技术存在的问题设计一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼及其控制方法是本发明研究的目的。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术存在的问题，本发明在于提供一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼及其控制方法，能够有效解决上述现有技术存在的问题。
6.本发明的技术方案是：
7.一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼，包括：
8.鱼身，所述鱼身在其两侧分别设置有驱动装置；
9.胸鳍部，连接于所述驱动装置并通过所述驱动装置驱动进行摆动或旋转，所述胸鳍部包括：
10.柔性胸鳍，由柔性材料制成，所述柔性胸鳍为中空结构；
11.柔性套管，由柔性材料制成，数量为若干，设置于所述柔性胸鳍内，且所述柔性套管的外表面与所述柔性胸鳍的内表面固定设置；
12.弹簧，数量为若干，分别设置于所述柔性套管内，所述弹簧的前端连接至所述柔性套管的前端；
13.调节装置，所述弹簧的后端连接至所述调节装置，所述调节装置用于拉紧或放松所述弹簧，从而改变所述柔性胸鳍、所述柔性套管、所述弹簧三者组合体的等效抗弯截面刚度
14.进一步地，所述柔性胸鳍的前端面设置为弧形凸起的形状，所述柔性胸鳍的前端面盖设有弹性前盖板，所述柔性胸鳍的后端面盖设有后盖板，所述柔性套管的前端连接所
述弹性前盖板，所述柔性套管的后端连接所述后盖板，所述弹簧的前端连接至所述弹性前盖板，所述后盖板固定设置于所述调节装置的一侧，所述弹簧的后端穿过所述后盖板并连接至所述调节装置，若干所述柔性套管的前端向左右两侧发散并连接至所述弹性前盖板。
15.进一步地，所述调节装置为舵机，所述舵机用于驱动一根舵机连杆使其沿轴向转动，所述弹簧的后端定位并缠绕设置于所述舵机连杆，通过所述舵机连杆对所述弹簧后端的收卷或放卷从而拉紧或放松所述弹簧。
16.进一步地，所述弹簧的弹簧圈填满或超过所述柔性套管的长度，所述弹簧弯曲时的等效抗弯截面刚度与所述柔性材料的抗弯截面刚度差小于2
×
10-3n·
m2。
17.进一步地，所述柔性材料为塑胶，定义b
弹簧
为弹簧的有效抗弯截面刚度，e为弹簧材料的弹性模量，g为弹簧材料的剪切模量，h为弹簧长度，d为弹簧丝直径，n为弹簧有效圈数，d为弹簧中径，所述弹簧自然情况下满足：
[0018][0019]
进一步地，定义d
杆
为舵机连杆的直径，δ
max
为舵机拉伸所述弹簧的使其有效抗弯截面刚度为2-3倍弹簧自然情况下的有效抗弯截面刚度时弹簧的长度变化量，所述舵机的输出力矩t满足：
[0020][0021]
进一步地，所述舵机固接有连杆外壳，所述连杆外壳的内部与所述后盖板形成容纳腔，所述舵机连杆设置于所述容纳腔，所述后盖板设置有若干连通孔以供所述弹簧穿过所述后盖板后连接至所述舵机连杆。
[0022]
进一步地，所述柔性胸鳍从其后端向其前端逐渐变窄设置。
[0023]
一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼的控制方法，基于所述的一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼，
[0024]
若所述仿生弹涂鱼的运动环境为平坦的硬质地面时，所述调节装置以80n-120n的力拉紧所述弹簧，从而调节所述柔性胸鳍和所述柔性套管的抗弯截面刚度为3.5～4.5
×
10-3n·
m2；
[0025]
若所述仿生弹涂鱼的运动环境为平坦的松软介质地面或带有坡度的硬质地面时，所述调节装置以30n-70n的力拉紧所述弹簧，从而调节所述柔性胸鳍和所述柔性套管的抗弯截面刚度为2～3
×
10-3n·
m2；
[0026]
若所述仿生弹涂鱼的运动环境为带有坡度的松软介质地面时，所述调节装置以0-10n力拉紧所述弹簧，从而调节所述柔性胸鳍和所述柔性套管的抗弯截面刚度为1.5-1.7
×
10-3n·
m2。
[0027]
进一步地，
[0028]
若所述仿生弹涂鱼的运动环境为平坦的硬质地面时，所述驱动装置驱动所述胸鳍部以所述驱动装置驱动所述柔性胸鳍、所述柔性套管、所述弹簧三者组合体以1.1-1.2r/s0.3-0.4r/s旋转；
[0029]
若所述仿生弹涂鱼的运动环境为平坦的松软介质地面或带有坡度的硬质地面时，所述驱动装置驱动所述胸鳍部以所述驱动装置驱动所述柔性胸鳍、所述柔性套管、所述弹
簧三者组合体以0.7-0.8r/s旋转；
[0030]
若所述仿生弹涂鱼的运动环境为带有坡度的松软介质地面时，所述驱动装置驱动所述胸鳍部以所述驱动装置驱动所述柔性胸鳍、所述柔性套管、所述弹簧三者组合体以0.3-0.4r/s1.1-1.2r/s旋转。因此，本发明提供以下的效果和/或优点：
[0031]
本技术通过弹簧拉伸带动弹性前盖板挤压柔性胸鳍和柔性套管，使柔性胸鳍和柔性套管共同延厚度方向弯曲变形，从而能够实现改变胸鳍部的刚性，使其能够在柔软的地质上降低刚性，在胸鳍部变得容易改变弯曲程度，从而胸鳍部接触地面的面积在弯曲后大大增加，增大支撑面以及增大摩擦，实现令仿生弹涂鱼在该地形上行走或站立的目的。
[0032]
为了能够仅通过舵机旋转拉伸弹簧来改变整个装置柔性部分的抗弯截面刚度，本技术限定了选用的弹簧规格必须满足其弯曲时等效抗弯截面刚度与装置中柔性部分材料的抗弯截面刚度在同一个数量级或是相差不大，从而实现变刚度的技术效果。
[0033]
同时，本技术还提供了相应的控制方法，对于不同介质、坡度的路面进行不同策略的控制，使其既能够获得最佳摩擦力，又能够快速移动。
[0034]
应当明白，本发明的上文的概述和下面的详细说明是示例性和解释性的，并且意在提供对如要求保护的本发明的进一步的解释。
附图说明
[0035]
图1为本发明的结构示意图。
[0036]
图2为图1的正视图。
[0037]
图3为本发明胸鳍部的结构爆炸示意图。
[0038]
图4为柔性胸鳍、所述柔性套管、所述弹簧三者组合体结构剖视图，为了便于展示，隐藏了部分弹簧。
[0039]
图5为本发明的使用状态图。
具体实施方式
[0040]
为了便于本领域技术人员理解，现将实施例结合附图对本发明的结构作进一步详细描述：
[0041]
参考图1-4，一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼，包括：
[0042]
鱼身1，所述鱼身1在其两侧分别设置有驱动装置3；
[0043]
本实施例中，仿生弹涂鱼为仿鱼体形状的机器人，鱼身1可以是带有容纳腔的结构，鱼身1可以用于容纳控制芯片、电源等器件。同时，鱼身1还可以设置为具有一定弧度的结构，从而可以与外界环境相适应。鱼身1后端可以设置有鱼尾，鱼尾可以通过一个舵机进行驱动从而实现摆动，可以在水下推动鱼身前进或后退。
[0044]
胸鳍部2，连接于所述驱动装置3并通过所述驱动装置3驱动进行摆动或旋转，本实施例中，胸鳍部2的一端连接到驱动装置3，通过驱动装置3带动胸鳍部2整个摆动或转动，驱动装置3可以是舵机。所述胸鳍部2包括：
[0045]
柔性胸鳍201，由柔性材料制成，所述柔性胸鳍201为中空结构，所述柔性胸鳍201的前端面设置为弧形凸起的形状，所述柔性胸鳍201的前端面盖设有弹性前盖板202，所述柔性胸鳍201的后端面盖设有后盖板204；
[0046]
本实施例中，柔性胸鳍201的一侧为三条直线连成的敞开状结构，另一侧为山脊状、弧形凸起的结构，从而实现与弹涂鱼的胸鳍仿形的结构。柔性材料是指受外力情况下物体可以失去其原有形状并且提供一定的弹力的材料，例如可以是树脂、塑料、硅胶、纤维等。本实施例的柔性胸鳍201前端盖设有弹性前盖板202，弹性前盖板202可以是具有一定弹性的材料制成的，例如塑料、金属等，对柔性胸鳍201的前端提供一定的支撑力，同时对柔性胸鳍201产生形变提供一定的弹性结构基础。
[0047]
柔性套管203，由柔性材料制成，数量为若干，设置于所述柔性胸鳍201内，且所述柔性套管203的外表面与所述柔性胸鳍201的内表面固定设置，所述柔性套管203的前端连接所述弹性前盖板202，所述柔性套管203的后端连接所述后盖板204；
[0048]
本实施例中，柔性套管203可以是和柔性胸鳍201一样的材料支撑，数量为若干，本实施例的数量为五个，柔性套管203的长度与柔性胸鳍201的各个位置的长度相配合，柔性套管203通过胶粘或与柔性胸鳍201一体成型的方式，实现所述柔性套管203的外表面与所述柔性胸鳍201的内表面固定设置，也就是说，柔性套管203和柔性胸鳍201共同受力并产生形变。
[0049]
弹簧205，数量为若干，分别设置于所述柔性套管203内，所述弹簧205的前端连接至所述弹性前盖板202；
[0050]
本实施例中，弹性前盖板202设置有若干连接孔，弹簧205的前端钩扣于连接孔从而实现连接。弹簧205的直径略小于柔性套管203内腔的直径，从而弹簧205可以设置于柔性套管203内部，并且弹簧205可以自由地在柔型套管203内拉伸或松张。
[0051]
调节装置206，所述后盖板204固定设置于所述调节装置206的一侧，所述弹簧205的后端穿过所述后盖板204并连接至所述调节装置206，所述调节装置206用于拉紧或放松所述弹簧205，从而改变所述柔性胸鳍201、所述柔性套管203、所述弹簧205三者组合体的等效抗弯截面刚度。
[0052]
本实施例中，调节装置206可以拉伸或放松弹簧205，弹簧205拉伸的过程中，带动弹性前盖板202挤压柔性胸鳍201和柔性套管203，使柔性胸鳍201和柔性套管203共同延厚度方向弯曲变形，而通过变抗弯截面刚度。
[0053]
在一些滩涂或者柔软的沙地上，传统的机器人容易陷入到该地形内，申请人发现其原因是机器人与地质接触的部分容易刚性较大，所提供的胸鳍部2，在自然情况下，柔性套管203受到横向力时可以自由弯曲，而在延管长纵向方向上能够承受由弹簧205拉伸产生的力，使胸鳍部2变得难以变形，弹簧205的一端弹簧丝穿过舵机连杆207上的小孔并缠绕于舵机连杆207上，因此在正转或反转过程中可以拉伸或放松弹簧，以改变弹性组件的抗弯截面刚度，胸鳍部2能够通过表面变形适应不同的复杂地形以及拥有一定减震的功能，在其受到垂直于表面且偏下位置的力时，整个胸鳍部2将发生延厚度方向的弯曲变形，而通过舵机206的作用可以改变装置的抗弯截面刚度，使得同一条件下，弯曲变形的量发生改变，从而达成不同的效果和目的。
[0054]
通过本技术的弹簧205拉伸带动弹性前盖板202挤压柔性胸鳍201和柔性套管203，使柔性胸鳍201和柔性套管203共同延厚度方向弯曲变形，从而能够实现改变胸鳍部2的刚性，使其能够在柔软的地质上降低刚性，在胸鳍部2变得容易改变弯曲程度，从而胸鳍部2接触地面的面积在弯曲后大大增加，增大支撑面以及增大摩擦，实现令仿生弹涂鱼在该地形
上行走或站立的目的。
[0055]
下面介绍本技术的一些优化方向。
[0056]
进一步地，若干所述柔性套管203的前端向左右两侧发散并连接至所述弹性前盖板202。
[0057]
进一步地，所述调节装置206为舵机，所述舵机用于驱动一根舵机连杆207使其沿轴向转动，所述弹簧205的后端定位并缠绕设置于所述舵机连杆207，通过所述舵机连杆207对所述弹簧205后端的收卷或放卷从而拉紧或放松所述弹簧205。
[0058]
本实施例中，弹簧205包括弹簧圈和直线部，其中弹簧圈的部分至少填满柔性套管203内，直线部连接于弹簧圈的后端，后盖板204设置若干通孔，并且直线部穿过后盖板204的通孔从而延伸到舵机连杆207，在舵机连杆207的带动下，直线部可以缠绕收卷或缠绕放卷，从而拉紧或放松弹簧205。
[0059]
进一步地，所述弹簧205的弹簧圈填满或超过所述柔性套管203的长度，所述弹簧205弯曲时的等效抗弯截面刚度与所述柔性材料的抗弯截面刚度差小于2
×
10-3n·
m2。
[0060]
本技术中，术语“抗弯截面刚度”指的是物体抵抗其弯曲形变的能力，等于弹性模量e和截面关于惯性矩i的乘积。本实施例中，采用弹簧205的原因是，一来弹簧205的横截面为圆形或其他形状，对其四周具有一定的支撑力，加上柔性套管203以及柔性胸鳍201的配合，胸鳍部2本身具有一定的抵抗弯曲形变的能力，再加上弹簧205拉伸的过程中，弹簧205本身的抗抗弯截面刚度提高，同时弹簧205带动柔性套管203和柔性胸鳍201类似肌肉紧缩的作用从而提高胸鳍部2的抗抗弯截面刚度。为了能够仅通过舵机旋转拉伸弹簧205来改变整个装置柔性部分的抗弯截面刚度的前提是选用的弹簧205规格必须满足其弯曲时等效抗弯截面刚度与装置中柔性部分材料的抗弯截面刚度在同一个数量级或是相差不大，例如两者抗弯截面刚度差小于2
×
10-3n·
m2。
[0061]
进一步地，所述柔性材料为塑胶，定义b
弹簧
为弹簧的有效抗弯截面刚度，e为弹簧材料的弹性模量，g为弹簧材料的剪切模量，h为弹簧长度，d为弹簧丝直径，n为弹簧有效圈数，d为弹簧中径，所述弹簧205自然情况下满足：
[0062][0063]
本实施例中，弹簧205自然情况下是指弹簧205不受到舵机206的牵拉作用的情况下。在自然情况下，弹簧205缠绕在舵机连杆207上，但舵机206没有旋转，因此弹簧5没有受到拉伸，胸鳍部2的抗弯截面刚度由柔性胸鳍201、柔性套管203以及弹簧205本身的性质决定，而通过正向转动舵机1拉伸弹簧205的过程中，柔性套管203以及柔性主体201性质的变化也不大，可以忽略不计，因此在此过程中主要影响因素是被拉伸的弹簧205的性质变化，而对于受横向载荷的弹簧205，其有效抗弯截面刚度为：
[0064][0065]
其中e为弹簧材料的弹性模量，g为弹簧材料的剪切模量，h为弹簧长度，d为弹簧丝直径，n为弹簧有效圈数，d为弹簧中径。在舵机206转动拉伸或放松弹簧205的过程中，弹簧205的弹性模量e、剪切模量g、长度h、弹簧丝直径d和中径d都不变或变化较小可忽略不计，
而变化较大的因素是弹簧205的有效圈数n，且在舵机206正转拉伸弹簧过程中，由于弹簧205在舵机连杆207上的缠绕量不断增多，留在柔性套管6内的弹簧5的有效圈数n是在不断减少的，因此根据公式可知，弹簧5的抗弯截面刚度在不断增大，从而导致在柔性套管203和柔性主体201性质的变化也不大可以忽略不计的前提下，使得胸鳍部2的抗弯截面刚度增大，从而实现变刚度的功能。
[0066]
弹簧有效圈数指的是弹簧205在柔性套管203中存留的圈数。例如弹簧205被拉伸，则弹簧205的弹簧圈变得系数，此时留存在柔型套管203中的圈数将变小。
[0067]
将单根弹簧205等效为简支梁，则由简支梁模型可知：
[0068]b弹簧
＝e
等效
i；
[0069]
其中b为单根弹簧的抗弯截面刚度，e等效为弹簧弯曲时的等效弹性模量，i为惯性矩。并且，
[0070][0071]
根据抗弯截面刚度等于弹性模量e和截面关于惯性矩i的乘积可以得出，
[0072][0073]
根据查阅资料可知，柔性硅胶材料惯性矩为其中b为截面厚度，h为截面宽度，则硅胶抗弯截面刚度为b
硅胶
＝e
硅胶i硅胶
,根据材料特性可直接查得硅胶弹性模量e
硅胶
＝1.25
×
105pa，从而推导得到弹簧的抗弯截面刚度。再根据弹簧的抗弯截面刚度要求，从而选择或限定弹簧的长度h、弹簧丝直径d和中径d。
[0074]
通过上述设计，本实施例选用的弹簧205具体为：长度h分别为90mm、130mm、170mm、130mm、90mm，对应有效圈数n分别为34、26、18，弹簧丝直径d为1mm，弹簧中径d为9mm
[0075]
对于选定弹簧材料后，材料的弹性模量e和剪切模量g都已经确定，因此可变量为弹簧的长度h、弹簧丝的直径d、弹簧的有效圈数n以及弹簧的中径d，及对弹簧的规格结构进行设计可以使得弹簧弯曲的等效弹性模量达到与装置中的柔性材料同等数量级，及使得弹簧刚度的变化可以影响整个柔性装置的刚度变化。
[0076]
具体地，当该柔性变刚度装置在不同地形运动或执行不同任务需要变换刚度时，根据舵机206的输入信号不同，舵机连杆207可以有不同的转动量，从而使得弹簧205在舵机连杆207上的缠绕量增加不同值，使得弹簧205受到不同程度的拉伸，产生不同程度的形变伸长量，以至于留在柔性套管203内的有效弹簧圈数n值产生不同程度的减小，而由上述公式可知，初始的弹簧有效圈数与拉伸后的弹簧有效圈数之比即为通过该柔性变刚度装置在一次舵机206的输入作用下产生的刚度增加的倍数。
[0077]
进一步地，定义d
杆
为舵机连杆的直径，δ
max
为舵机拉伸所述弹簧的使其有效抗弯截面刚度为2-3倍弹簧自然情况下的有效抗弯截面刚度时弹簧的长度变化量，所述舵机的输出力矩t满足：
[0078]
[0079]
通过上述设计的弹簧205尺寸，可以计算得到弹簧205的纵向拉伸刚度：
[0080][0081]
从而通过力矩的计算公式，计算出舵机的输出力矩为：
[0082][0083]
其中，d杆为舵机连杆207的直径，为弹簧205的伸长量，因此可以根据所选弹簧205的规格以及所要达到的刚度变化范围等条件来计算舵机206的输出力矩进而更好地选用舵机。通过上述计算，本实施例选用扭矩60kg
·
cm的360
°
舵机。
[0084]
综上可知，本发明中提供的柔性变刚度装置，其使用过程中，当需要改变刚度时，舵机206给定一个输入值，带动舵机连杆207转动一定角度后保持稳定状态，导致弹簧205在舵机连杆207上的缠绕量增多，以致于留在柔性套管203内的有效弹簧圈数n减少，根据上述公式可知，整个柔性主体201与变刚度单元的组合体抗弯截面刚度增大，且增大的倍数即为原本初始的有效弹簧圈数n与拉伸后的有效弹簧圈数n’之比，并且当增大到一定刚度值后，还可以通过反转舵机206放松弹簧205的方式来减少抗弯截面刚度，从而实现可逆的刚度变化。
[0085]
进一步地，所述舵机206固接有连杆外壳208，所述连杆外壳208的内部与所述后盖板204形成容纳腔，所述舵机连杆207设置于所述容纳腔，所述后盖板204设置有若干连通孔以供所述弹簧205穿过所述后盖板204后连接至所述舵机连杆207。
[0086]
本实施例中，弹簧205与柔性套管203之间存在孔隙，因此在舵机206带动舵机连杆207转动拉伸弹簧205的过程中，弹簧205可以在柔性套管203之中较易被拉伸，受摩擦力影响较小，能量损耗较小，而柔性套管203与柔性主体201之间一般可通过浇筑成型的方式形成完全胶合的配合，因此柔性套管203的外壁与柔性主体201内孔道完全贴合且绑定，在装置运行过程中不产生任何相对运动。
[0087]
为了避免舵机连杆207直接与后盖板4接触导致舵机连杆207牵引弹簧205时造成摩擦耗能甚至可能产生失效的现象，以及为了保护舵机连杆207的工作不受外界影响，引入了连杆外壳208结构，该结构能够提供一个独立的腔室使舵机连杆207能够稳定工作，同时由于其一个端面与舵机非运动的部分相连接，形成固定配合。
[0088]
进一步地，所述柔性胸鳍201从其后端向其前端逐渐变窄设置。
[0089]
本实施例中，柔性胸鳍201从其后端向其前端逐渐变窄设置可以使其抗弯曲截面刚度从后端向前端逐渐减小，从而在柔软的地质上工作时，柔性胸鳍201的前端更容易产生变形，形成前端与柔软地质贴合的作用。
[0090]
进一步提供一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼的控制方法，基于所述的一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼。
[0091]
本实施例中，使用arduino uno板烧录程序对舵机进行输出控制，根据所设计的舵机连杆的外径d，可知舵机每转动一圈的弹簧拉伸量为π*d，则可根据程序设定转动圈数，由此来控制舵机输出的弹簧拉伸力。
[0092]
若所述仿生弹涂鱼的运动环境为平坦的硬质地面时，所述调节装置以80n-120n的力拉紧所述弹簧，从而调节所述柔性胸鳍和所述柔性套管的抗弯截面刚度为3.5～4.5
×
10-3n·
m2；所述驱动装置驱动所述柔性胸鳍、所述柔性套管、所述弹簧三者组合体以1.1-1.2r/s旋转；
[0093]
在硬质底面上，需要调节使胸鳍部2的刚性增大，从而减小胸鳍部2与底面之间的接触面积，降低摩擦。本实施例通过舵机转动拉伸弹簧，使得输出单根弹簧拉力f＝100n，抗弯截面刚度b＝0.45
×
10
10n·
m2，在舵机输出力范围内达到最大刚度，所述驱动装置驱动所述柔性胸鳍、所述柔性套管、所述弹簧三者组合体以1.1-1.2r/s旋转能够使得仿生机器人在保证不打滑的条件下达到最大运动速度。
[0094]
若所述仿生弹涂鱼的运动环境为平坦的松软介质地面或带有坡度的硬质地面时，所述调节装置以30n-70n的力拉紧所述弹簧，从而调节所述柔性胸鳍和所述柔性套管的抗弯截面刚度为2～3
×
10-3n·
m2；所述驱动装置驱动所述柔性胸鳍、所述柔性套管、所述弹簧三者组合体以0.7-0.8r/s旋转；
[0095]
在松软介质地面或带有坡度的硬质地面上，需要降低抗弯截面刚度使得胸鳍部更容易变弯曲，从而能够贴合在该地面上已增加接触面积，本实施例通过舵机转动拉伸弹簧，使得输出单根弹簧拉力f＝50n时，抗弯截面刚度b＝0.3
×
10
10n·
m2，使得胸鳍部达到中等刚度，使得胸鳍能够一定程度地弯曲增大与地面的接触面积，如图5所示，使得仿生胸鳍推动装置与地面接触的摩擦力足以提供爬坡运动所需的推进力。
[0096]
若所述仿生弹涂鱼的运动环境为带有坡度的松软介质地面时，所述调节装置以0-10n力拉紧所述弹簧，从而调节所述柔性胸鳍和所述柔性套管的抗弯截面刚度为1.5-1.7
×
10-3n·
m2。所述驱动装置驱动所述柔性胸鳍、所述柔性套管、所述弹簧三者组合体以0.3-0.4r/s旋转。
[0097]
带有坡度的松软介质地面，需要提供最小的抗弯曲截面刚度，使得胸鳍部尽可能地变形从而贴合到地面，以提供最大摩擦力。本实施例控制舵机回到初始位置，此时输出的单根弹簧拉伸力为0，及弹簧完全没有被拉伸，处于完全放松状态，此时仿生胸鳍达到最小刚度状态，能够最大限度地弯曲胸鳍面增大胸鳍与地面的接触面积，使得仿生胸鳍推动装置与地面接触的摩擦力足以提供爬坡运动所需的推进力，并且最大程度地防止下陷，以0.3-0.4r/s这样的慢速前行。
[0098]
应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
[0099]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0100]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
[0101]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等
术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0102]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

技术特征：
1.一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼，其特征在于：包括：鱼身，所述鱼身在其两侧分别设置有驱动装置；胸鳍部，连接于所述驱动装置并通过所述驱动装置驱动进行摆动或旋转，所述胸鳍部包括：柔性胸鳍，由柔性材料制成，所述柔性胸鳍为中空结构；柔性套管，由柔性材料制成，数量为若干，设置于所述柔性胸鳍内，且所述柔性套管的外表面与所述柔性胸鳍的内表面固定设置；弹簧，数量为若干，分别设置于所述柔性套管内，所述弹簧的前端连接至所述柔性套管的前端；调节装置，所述弹簧的后端连接至所述调节装置，所述调节装置用于拉紧或放松所述弹簧，从而改变所述柔性胸鳍、所述柔性套管、所述弹簧三者组合体的等效抗弯截面刚度。2.根据权利要求1所述的一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼，其特征在于：所述柔性胸鳍的前端面设置为弧形凸起的形状，所述柔性胸鳍的前端面盖设有弹性前盖板，所述柔性胸鳍的后端面盖设有后盖板，所述柔性套管的前端连接所述弹性前盖板，所述柔性套管的后端连接所述后盖板，所述弹簧的前端连接至所述弹性前盖板，所述后盖板固定设置于所述调节装置的一侧，所述弹簧的后端穿过所述后盖板并连接至所述调节装置，若干所述柔性套管的前端向左右两侧发散并连接至所述弹性前盖板。3.根据权利要求1所述的一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼，其特征在于：所述调节装置为舵机，所述舵机用于驱动一根舵机连杆使其沿轴向转动，所述弹簧的后端定位并缠绕设置于所述舵机连杆，通过所述舵机连杆对所述弹簧后端的收卷或放卷从而拉紧或放松所述弹簧。4.根据权利要求3所述的一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼，其特征在于：所述弹簧的弹簧圈填满或超过所述柔性套管的长度，所述弹簧弯曲时的等效抗弯截面刚度与所述柔性材料的抗弯截面刚度差小于2
×
10-3
n
·
m2。5.根据权利要求4所述的一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼，其特征在于：所述柔性材料为塑胶，定义b
弹簧
为弹簧的有效抗弯截面刚度，e为弹簧材料的弹性模量，g为弹簧材料的剪切模量，h为弹簧长度，d为弹簧丝直径，n为弹簧有效圈数，d为弹簧中径，所述弹簧自然情况下满足：6.根据权利要求5所述的一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼，其特征在于：定义d
杆
为舵机连杆的直径，δ
max
为舵机拉伸所述弹簧的使其有效抗弯截面刚度为2-3倍弹簧自然情况下的有效抗弯截面刚度时弹簧的长度变化量，所述舵机的输出力矩t满足：7.根据权利要求3所述的一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼，其特征在于：所述舵机固接有连杆外壳，所述连杆外壳的内部与所述后盖板形成容纳腔，所述舵机连杆设置于所述容纳腔，所述后盖板设置有若干连通孔以供所述弹簧穿过所述后盖板后连接至所述舵机连
杆。8.根据权利要求1所述的一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼，其特征在于：所述柔性胸鳍从其后端向其前端逐渐变窄设置。9.一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼的控制方法，基于权利要求1-8任意一条所述的一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼，其特征在于：若所述仿生弹涂鱼的运动环境为平坦的硬质地面时，所述调节装置以80n-120n的力拉紧所述弹簧，从而调节所述柔性胸鳍和所述柔性套管的抗弯截面刚度为3.5～4.5
×
10-3
n
·
m2；若所述仿生弹涂鱼的运动环境为平坦的松软介质地面或带有坡度的硬质地面时，所述调节装置以30n-70n的力拉紧所述弹簧，从而调节所述柔性胸鳍和所述柔性套管的抗弯截面刚度为2～3
×
10-3
n
·
m2；若所述仿生弹涂鱼的运动环境为带有坡度的松软介质地面时，所述调节装置以0-10n力拉紧所述弹簧，从而调节所述柔性胸鳍和所述柔性套管的抗弯截面刚度为1.5-1.7
×
10-3
n
·
m2。10.根据权利要求9所述的一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼的控制方法，其特征在于：若所述仿生弹涂鱼的运动环境为平坦的硬质地面时，所述驱动装置驱动所述柔性胸鳍、所述柔性套管、所述弹簧三者组合体以1.1-1.2r/s旋转；若所述仿生弹涂鱼的运动环境为平坦的松软介质地面或带有坡度的硬质地面时，所述驱动装置驱动所述柔性胸鳍、所述柔性套管、所述弹簧三者组合体以0.7-0.8r/s旋转；若所述仿生弹涂鱼的运动环境为带有坡度的松软介质地面时，所述驱动装置驱动所述柔性胸鳍、所述柔性套管、所述弹簧三者组合体以0.3-0.4r/s旋转。

技术总结
本发明涉及一种胸鳍柔性变刚度的仿生弹涂鱼及其控制方法，包括：鱼身，所述鱼身在其两侧分别设置有驱动装置；胸鳍部，连接于所述驱动装置并通过所述驱动装置驱动进行摆动或旋转，所述胸鳍部包括：柔性胸鳍，由柔性材料制成，所述柔性胸鳍为中空结构，柔性套管，由柔性材料制成，数量为若干，设置于所述柔性胸鳍内，且所述柔性套管的外表面与所述柔性胸鳍的内表面固定设置；弹簧，数量为若干，分别设置于所述柔性套管内，所述弹簧的前端连接至所述弹性前盖板；调节装置，所述调节装置用于拉紧或放松所述弹簧，从而改变所述柔性胸鳍、所述柔性套管、弹簧三者组合体的等效抗弯截面刚度。弹簧三者组合体的等效抗弯截面刚度。弹簧三者组合体的等效抗弯截面刚度。


技术研发人员：周伟 郑炜 张宇 张金虎 林中路 惠健刚
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：2022.06.30
技术公布日：2023/3/28