一种基于张拉整体结构的翼面推进装置及其设计方法

本发明属于水下机器人，尤其涉及一种基于张拉整体结构的翼面推进装置及其设计方法。

背景技术：

1、目前，水下航行器作为海洋探索的重要工具，正在推动海洋科学研究的不断进步。为了构建全面的海洋信息，通常需要多组水下航行器协同编队作业。因此，这些航行器需要具备高机动性、灵活的姿态控制能力，最好还兼具隐秘性和环境友好性。蝠鲼是一种扁平的鱼类，能够在水中以类似飞行的方式游动，展现出优异的水下运动性能。蝠鲼不仅能够实现高精度的定深航行，还可以迅速改变游动方向和飞行轨迹，表现出极高的灵活性与敏捷性。因此，模仿蝠鲼的运动方式，为水下航行器的设计提供了有价值的参考。tensegrity(张拉整体)结构是一种通过张力和压缩相互作用实现自平衡和稳定性的结构体系，它由受拉元件(如绳索或钢缆)和受压元件(如刚性杆)组成，拉力和压力在整个结构中分布均匀。由于tensegrity结构可以最大限度地减少材料的使用，同时保持高效的结构稳定性和灵活性，它在轻量化设计和运动能力方面具有显著优势。在水下航行器的设计中，tensegrity结构提供了一种新颖的解决方案，能够使航行器具有更轻的重量、更高的机动性和结构柔韧性，从而提高其在复杂海洋环境中的适应能力和隐秘性。同时，这种结构有助于减少水下航行器对环境的扰动，提升其能源效率和环保性能，具有重要的应用前景。

2、目前仿生蝠鲼胸鳍结构的设计中存在多个明显的缺点和不足。首先，在摆动推进的仿生蝠鲼胸鳍结构中，常见的设计只具备两个主动自由度，即翼根部的俯仰转动和上下扑动。这种结构虽然能够通过协调这两个自由度产生类似划桨的运动，但由于柔性翼面只能被动变形，无法实现主动控制，限制了航行器运动的灵活性和精确性。同时，现有设计中，鳍条通过连杆串联而成，由于连杆受剪切力的影响，其刚度和质量比都较低，难以形成大翼展的柔性翼，导致在大尺度的航行器中，这种结构的性能较为有限。

3、此外，虽然目前一些研究团队开发了基于tensegrity结构的柔性翼小蝠鲼机器人，速度表现可达到每扑翼一次1.5个身长，接近生物蝠鲼的游动能力，但其设计中的鳍条尺寸过小，仅有一根鳍条，难以形成生物蝠鲼复杂的翼面波动。这种设计限制了仿生航行器的推进效率和环境适应性，无法完全模仿生物蝠鲼的灵活游动方式。

4、对于采用软体驱动器(如记忆合金和电介弹性复合材料)的仿生蝠鲼胸鳍结构，虽然新型智能驱动材料为设计提供了一些新思路，但目前这些材料的驱动力和应变量较小，且电能到机械能的转换效率低，抗疲劳性差，无法满足中到大尺寸结构的驱动需求，因此只能用于微型和小型仿生航行器的驱动。

5、现有的基于张拉整体结构的水下航行器推进装置设计中，也存在工程应用上的不足。例如，虽然发明专利cn117401130a提出了通过舵机驱动滑轮与凸轮相结合的柔性鳍条线驱动方法，但由于使用弹性绳，实际应用中会因绳索的反复拉伸导致弹性疲劳，影响其长期使用的可靠性。而如果改用刚性绳，刚性绳在收放长度差异时不能自动调整，导致在鳍条摆动时仅最末端的连接绳产生拉力，其余绳索松弛，无法保持整个鳍条结构的拉紧状态。此外，现有设计中舵机的输出力作用点较为集中，可能导致鳍条结构局部受力过大，产生疲劳破坏，进一步影响推进装置的寿命和性能。

6、综上所述，现有技术存在的问题是：

7、1.翼只有根部的俯仰和上下扑翼两个耦合的自由度，柔性翼面是被动变形，无法优化推进性能；

8、2.鳍条由连杆串联形成的鳍条和翼面，因为连杆受剪切力，刚度质量比小，无法形成大翼展柔性翼；

9、3.单鳍条tensegrity柔性翼，翼面由硅胶形成，其功能类似鱼尾的功能，不能形成翼面波动；

10、4.使用弹性绳可以弥补由于驱动滑轮放出和收缩之间的差距，由于弹性绳会产生弹性疲劳，在实际工程应用中避免使用弹性绳；

11、5.使用刚性绳和驱动滑轮不能弥补由于驱动滑轮放出和收缩之间的差距，导致鳍条在摆动时只会由连接最末端单元的连接绳产生拉力，其余绳均处于松懈状态，使舵机输出力集中于鳍条结构上的一点，导致鳍条结构局部受力过大，产生疲劳破坏。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种旨在解决现有仿生蝠鲼胸鳍结构设计中运动自由度不足、结构刚度不够、驱动材料性能有限以及工程应用可靠性较低等问题的基于张拉整体结构的翼面推进装置及其设计方法。

2、本发明是这样实现的，一种基于张拉整体结构的翼面推进装置及其设计方法，其特征在于：包括两柔性翼，每一面所述柔性翼包括三根在水平面上呈放射状的鳍条，所述鳍条成张拉整体结构，所述鳍条包括凸轮驱动机构和鳍条摆动机构，所述鳍条摆动机构包括连杆和关节部件形成在放射方向上依次连接的x形构造的压缩单元，所述凸轮驱动机构包括不等径的凸轮，凸轮通过线绳连接压缩单元的关节点并驱动压缩单元形成摆角。

3、2.根据权利要求1所述的张拉整体结构的翼面推进装置，其特征在于：所述凸轮驱动机构包括凸轮、中心转轴部件和摆动驱动舵机，所述摆动驱动舵机通过中心转轴部件驱动所述凸轮转动；

4、三根所述鳍条的根部包括所述凸轮，第一根鳍条的凸轮通过所述线绳形成的张力线连接所述第一根鳍条的鳍条摆动机构；第二根鳍条的三个凸轮的基圆半径依次增大，通过线绳线依次连接到第二根所述鳍条的鳍条摆动机构的第二、第三、第四关节点上；第三根鳍条的三个凸轮的基圆半径依次增大，通过线绳线依次连接到第三根所述鳍条的鳍条摆动机构的第二、第三、第四关节点上。

5、在上述技术方案中，优选的，所述鳍条摆动机构包括铰接轴，每根鳍条位于轴向底端的所述关节部件连接所述鳍条根部两侧固定部件，位于轴向后端的所述关节部件处于自由摆动状态；所述铰接轴的轴线沿关节部件中心轴线水平设置，所述关节部件左右侧设置所述铰接轴；所述关节部件两端分别连接所述关节固定部件；所述关节固定部件一端设置所述铰接轴；所述连杆连接相邻的两所述关节部件，所述连杆的两端分别连接两所述关节部件的所述铰接轴以及所述关节固定部件的所述铰接轴，并在所述关节部件之间设置两呈x形构造的所述连杆。

6、在上述技术方案中，优选的，每个所述凸轮在其半径最大位置均设置螺纹孔，所述线绳的中心位置固定于所述螺纹孔，所述线绳的两端分别与所述鳍条对应关节部件的两侧相连接。

7、张拉整体结构的翼面推进装置具有多项优点与效果，使其在仿生水下航行器中表现出色。

8、首先，该装置通过tensegrity结构中的鳍条间连接的弹性线，可以根据实际需求调整翼弦和翼展方向的物理属性，以及翼面波的传播方向。这种结构能够通过改变形状调节其固有频率，更好地模拟生物机翼的功能，从而实现类似于生物翼面的运动和水动力特性。

9、其次，tensegrity柔性翼结构通过刚性杆和弹性线的组合，模拟了生物的骨骼和肌肉系统。这使得该结构能够很好地适应仿生控制器的控制，利用机翼的共振特性，有效减少负功的产生，降低能量的损耗，尤其是在运动过程中能避免能量以热能的形式消耗掉，从而提高了推进效率和能源利用率。

10、第三，tensegrity鳍条结构的刚性杆和张力线只受轴向力，不承受剪切力，这一特点使得鳍条的质量刚度比达到最大化，非常适合用于大翼展翼的设计。大翼展翼的设计能够显著提高航行器的推力与稳定性，同时保持结构轻量化，提升了整体性能。

11、此外，鳍条的变形通过调节张力线的张力来实现，可以采用翼面分布式驱动。这种驱动方式能够减少系统误差，确保翼面的运动更加精确且稳定。由于翼面的自由度与主动驱动的张力线数量相关，这使得翼面能够主动变形，模拟出更复杂和逼真的生物水动力特性，从而增强航行器的灵活性和机动性。

12、这种张拉整体结构不仅能够提高系统的抗疲劳性，还能通过灵活的控制和调节实现高效、精确的运动控制。这使得该结构特别适用于大尺寸水下航行器，在复杂的海洋环境中具有更好的适应性和操作灵活性。综上所述，张拉整体结构的翼面推进装置在能效、结构轻量化、抗疲劳性、运动灵活性以及仿生性能方面具备显著的优势。

13、在tensegrity柔性翼结构中，使用不等径凸轮作为张力线的驱动构件相比圆形凸轮具有显著优势不等径凸轮能够根据不同的曲率在旋转过程中提供不同的半径变化，允许精确调节张力线的张力，从而实现对鳍条和翼面形变的精准控制。它能够产生非线性的力学输出，使得鳍条和翼面的摆动速度、幅度和运动模式更加复杂且灵活，模仿自然界中生物翼面的复杂波动。不等径凸轮的设计可以更好地适应仿生推进系统的需求，提升推力效率，并减少能量消耗，从而使柔性翼结构在水下航行器中的仿生表现更加优异。

14、本发明的第二目的，提出一种基于张拉整体结构的翼面推进装置的凸轮半径计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

15、s1.确定鳍条关节点的初始位置，即鳍条根部的坐标为(p1，q1)和(p2 q2)，各压缩单元摆角为αi，其中i＝1，......，n，赋值坐标变换矩阵c为：

16、

17、和惯性坐标系原点o0为：

18、

19、s2.计算变形后的各关节坐标，设压缩单元的连杆的长度为l，有：

20、x2＝p1+lcosα，y2＝q1+lsinα

21、x1＝p2+lcosβ，y1＝q2+lsinβ

22、s3.对刚性鳍条关节部件的长度，即点(x2，y2)与点(x1，y1)之间的距离保持不变，满足：

23、(x1-x2)2+(y1-y2)2＝d2

24、s4.扫描得到满足摆角的另一角度值β，并计算出每个单元变形后的关节坐标；

25、s5.进行坐标转换，将每个鳍条单元的变形后的关节坐标转化为惯性坐标系下的坐标；

26、s6.计算各个鳍条单元的绳长变化，分别计算出凸轮两侧的绳长变化量δll(t)和δlr(t)；

27、s7.利用离散化方法，得到凸轮边缘k个等角度分布的离散点坐标，形成线性方程组，计算凸轮半径函数r(θ)。

28、在上述技术方案中，优选的，所述步骤s6中的绳长变化量δll(t)和δlr(t)的计算公式为：

29、

30、其中，δlli和δlri分别为鳍条上第i个单元的绳长变化量。

31、在上述技术方案中，优选的，所述凸轮半径函数r(θ)的离散点坐标通过以下方程组求解：

32、

33、在上述技术方案中，优选的，所述离散点坐标通过最小二乘法进行优化，获得最优凸轮半径r值。

34、在上述技术方案中，优选的，点(x2，y2)与点(x1，y1)之间的距离保持不变，进而得到：

35、(p2+lcosβ-p1-lcosα)2+(q2+lsinβ-q1-lsinα)2＝d2   (3)

36、从而可以实现给定鳍条的第i个单元的一个摆角α，在区间中进行扫描，找到满足式(3)的β值，进而可以得到(x1，y1)与点(x2，y2)；

37、计算第i个单元的根部坐标、坐标变换矩阵：

38、

39、将刚性杆的坐标系的坐标变换到惯性坐标系中：

40、

41、得到的(x2,y2)与点(x1,y1)既为第i个鳍条单元变形后关节坐标在惯性坐标系中的坐标；

42、c＝cci，oi＝oi-1+coib

43、在求得i坐标系下的坐标后令：

44、(x1，y1)→(p1，q1)，(x2，y2)→(p2，q2)。

45、在得到所有的刚性杆单元杆摆动后的两端坐标(x1，y1)，(p1，q1)，(x2，y2)，(p2，q2)以及刚性单元杆的初始状态下的两端坐标(x10，y10)，(p10，q10)，(x20，y20)，(p20，q20)，进而

46、计算变形后的两侧绳长的变化量为：

47、

48、对每个刚性杆单元i(i＝1，……，n)应用上述过程得到所有单元绳长的变化量δlli，δlri，则有：分别定义了在此鳍条位置时，对应的凸轮卷入和放出的绳长，定义此时凸轮转过的角度θ(t)，则一侧凸轮半径函数r(θ)，其中θ时凸轮轮廓极坐标的角度，应满足公式：

49、∫0θ(t)rl(θ)dθ＝δll(t)，t∈(0，tf)   (6)

50、另一侧凸轮半径满足公式：

51、∫0θ(t)rr(θ)dθ＝δlr(t)，t∈(0，tf)   (7)

52、其中变量t∈(0,tf)表示从起始位置变化到tf位置；式(6)、(7)没有凸轮半径函数rl(θ)、

53、rr(θ)的解析解，因此将式(6)、(7)进行离散，从而得到凸轮边缘k个等角度分布的离

54、散点坐标的线性方程组：

55、

56、

57、其中：

58、rl(θ0)＝rr(θ0)   (10)

59、即凸轮前后轮廓交点处的半径相等，式(8)，(9)和(10)构成一个2m+1个未知数，2m个方程的线性方程组，定义

60、rl(θj)＝rlj，rr(θj)＝rrj，

61、

62、将(8)、(9)、(10)写为：

63、ldrθm/m＝δl

64、其中θm是凸轮最大摆角，m为凸轮单侧边缘离散点个数；设置约束条件凸轮半径均方根最小时，其中代表moore-penrose伪逆；当相邻变化的均方根最小时，形成以下的优化问题：

65、

66、其中a＝ldrθm/m，na是a的零空间，得到最优x的解为：

67、

68、从而得到最优的凸轮半径r值。