仿生波动鳍的制作方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010657077.1 (22)申请日 2020.07.09 (71)申请人 中国人民解放军国防科技大学 地址 410000 湖南省长沙市开福区德雅路 109号 (72)发明人 尚建忠罗自荣王何殷谦 蒋涛卢钟岳夏明海宋震 (74)专利代理机构 长沙朕扬知识产权代理事务 所(普通合伙) 43213 代理人 邓宇 (51)Int.Cl. B63B 71/00(2020.01) B63C 11/52(2006.01) B63H 1/36(2006.01) (54)发明名称 一种仿。

2、生波动鳍的制作方法 (57)摘要 本发明公开了一种仿生波动鳍的制作方法， 该制作方法依据波动鳍波动时其内外弧为空间 曲线， 先对波动鳍整体的波动形态和参数特性进 行准确的分析和判断， 依据波动鳍的波动形态参 数计算获得波动鳍的内弧长和外弧长， 再计算得 到波动鳍所对应平面扇形的内径、 宽度和扇形角 度， 最后在橡胶板上裁剪获得与平面扇形相应形 状的扇形波动鳍。 该制作方法采用逆推方法， 通 过更为准确的计算模型分析并准确计算， 使得长 度计算更符合实际， 能够制作出精度更高的仿生 波动鳍， 从而更好地适应水陆两栖领域的波动鳍 推进。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 11189131。

3、2 A 2020.11.06 CN 111891312 A 1.一种仿生波动鳍的制作方法， 其特征在于： 包括以下步骤： (S1)根据波动鳍的预期波动形态， 确定波动鳍的波动形态参数， 该波动形态参数包括 内弧到摆动中心的距离R1、 外弧到摆动中心的距离R2、 摆动角度 、 波长 和波动水平总长度 X； (S2)依据波动鳍的波动形态参数计算获得波动鳍的内弧长L1和外弧长L2； (S3)依据波动鳍的内弧长L1和外弧长L2， 按照以下公式(1)计算得到波动鳍所对应平面 扇形的内径R、 宽度d和扇形角度 ， 式中， R为波动鳍所对应平面扇形的内径， d为波动鳍所对应平面扇形的宽度， 为波动 鳍所对应。

4、平面扇形的扇形角度， L1为波动鳍的内弧长， L2为波动鳍的外弧长； (S4)依据波动鳍所对应平面扇形的内径R、 宽度d和扇形角度 ， 在橡胶板上裁剪获得与 平面扇形相应形状的扇形波动鳍。 2.根据权利要求1所述的制作方法， 其特征在于： 所述步骤(S2)中， 波动鳍的内弧长L1和 外弧长L2的计算方法具体是， 先建立空间坐标系， 将波动鳍置于该空间坐标系中， 使波动鳍 的一端与Z轴重合， 波动鳍各摆动单元的摆动中心与X轴重合， 波动鳍各摆动单元的摆动对 称轴与Z轴平行， 得到内弧长L1和外弧长L2的空间曲线方程(2)如下： 式中， x为空间坐标系中x轴向上的坐标， y为空间坐标系中y轴向上的。

5、坐标， z为空间坐 标系中z轴向上的坐标， R为波动鳍内弧或外弧到波动鳍摆动中心的距离， 为波动鳍的摆动 角度， 为波动鳍的波长， X为波动鳍的波动水平总长度， t为0到X范围内的参变量； 再利用曲线积分计算法或离散算法计算得到内弧长L1和外弧长L2的总弧长。 3.根据权利要求1所述的制作方法， 其特征在于： 所述波动鳍的预期波动形态为由多个 呈不同相位的摆动单元驱动的波动锥形态， 在摆动单元绕着摆动中心带动波动鳍波动中， 波动鳍呈现内弧小、 外弧大的状态， 且内弧或外弧上的各位置到摆动中心的距离不变。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111891312 A 2 一种仿生波动鳍的制作方法 技。

6、术领域 0001 本发明涉及仿生运动装备技术领域， 具体涉及一种仿生波动鳍的制作方法。 背景技术 0002 现有水下机器人多采用螺旋桨推进为主， 随着对机器人的稳定性、 隐蔽性、 高效性 要求的增加， 传统螺旋桨推进器难以满足更高的要求。 波动鳍是鱼类经过长久的演变和进 化所拥有的独特形态结构， 其独特的运行方式， 有着对环境极强的适应能力， 运动平稳， 效 率高， 机动性好， 不易产生游动尾迹和隐蔽性好的特点。 所以对波动鳍作为推进器的研究一 直是研究的热点。 0003 水陆两栖机器人相比于水下机器人有着更大的活动范围和应用领域， 该种机器人 的研究与开发亦得到了广泛的关注和研究。 其中， 。

7、仿生波动鳍同时作为陆地和水下推进的 单元的设计是相比传统采用两套不同机构分别进行水陆推进更为先进的设计。 0004 传统的仿生波动鳍只利用于水中， 在柔性液体中对波动鳍的形态要求不高， 且常 常保持过于松弛的状态。 作为水陆两栖推进时， 仿生波动鳍同时需要应对刚性地面， 所以需 要对波动鳍需要有恰当的刚度和柔度， 对波动鳍的制作需要更为精准。 发明内容 0005 本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足， 提供一种仿生波动鳍的制 作方法， 该制作方法能够制作出精度更高的仿生波动鳍， 从而更好地适应水陆两栖领域的 波动鳍推进。 0006 为解决上述技术问题， 本发明采用以下技术方案： 00。

8、07 一种仿生波动鳍的制作方法， 包括以下步骤： 0008 (S1)根据波动鳍的预期波动形态， 确定波动鳍的波动形态参数， 该波动形态参数 包括内弧到摆动中心的距离R1、 外弧到摆动中心的距离R2、 摆动角度 、 波长 和波动水平总 长度X； 0009 (S2)依据波动鳍的波动形态参数计算获得波动鳍的内弧长L1和外弧长L2； 0010 (S3)依据波动鳍的内弧长L1和外弧长L2， 按照以下公式(1)计算得到波动鳍所对应 平面扇形的内径R、 宽度d和扇形角度 ， 0011 0012 式中， R为波动鳍所对应平面扇形的内径， d为波动鳍所对应平面扇形的宽度， 为 波动鳍所对应平面扇形的扇形角度， 。

9、L1为波动鳍的内弧长， L2为波动鳍的外弧长； 0013 (S4)依据波动鳍所对应平面扇形的内径R、 宽度d和扇形角度 ， 在橡胶板上裁剪获 得与平面扇形相应形状的扇形波动鳍。 0014 上述的制作方法， 优选的， 说明书 1/4 页 3 CN 111891312 A 3 0015 所述步骤(S2)中， 波动鳍的内弧长L1和外弧长L2的计算方法具体是， 先建立空间坐 标系， 将波动鳍置于该空间坐标系中， 使波动鳍的一端与Z轴重合， 波动鳍各摆动单元的摆 动中心与X轴重合， 波动鳍各摆动单元的摆动对称轴与Z轴平行， 得到内弧长L1和外弧长L2的 空间曲线方程(2)如下： 0016 0017 式中。

10、， x为空间坐标系中x轴向上的坐标， y为空间坐标系中y轴向上的坐标， z为空 间坐标系中z轴向上的坐标， R为波动鳍内弧或外弧到波动鳍摆动中心的距离， 为波动鳍的 摆动角度， 为波动鳍的波长， X为波动鳍的波动水平总长度， t为0到X范围内的参变量； 0018 再利用曲线积分计算法或离散算法计算得到内弧长L1和外弧长L2的总弧长。 0019 上述的制作方法， 优选的， 所述波动鳍的预期波动形态为由多个呈不同相位的摆 动单元驱动的波动锥形态， 在摆动单元绕着摆动中心带动波动鳍波动中， 波动鳍呈现内弧 小、 外弧大的状态， 且内弧或外弧上的各位置到摆动中心的距离不变。 0020 与现有技术相比，。

11、 本发明的优点在于： 0021 本发明仿生波动鳍的制作方法， 依据波动鳍波动时其内外弧为空间曲线， 先对波 动鳍整体的波动形态和参数特性进行准确的分析和判断， 依据波动鳍的波动形态参数计算 获得波动鳍的内弧长和外弧长， 再计算得到波动鳍所对应平面扇形的内径、 宽度和扇形角 度， 其采用逆推方法， 通过更为准确的计算模型分析并准确计算， 使得长度计算更符合实 际， 能够制作出精度更高的仿生波动鳍， 从而更好地适应水陆两栖领域的波动鳍推进。 附图说明 0022 图1为仿生波动鳍在波动状态下的结构示意图。 0023 图2为仿生波动鳍所对应平面扇形的结构示意图。 0024 图3为仿生波动鳍空间坐标系中。

12、的结构示意图。 0025 图例说明： 0026 1、 波动鳍； 11、 波动鳍内弧； 12、 波动鳍外弧； 2、 平面扇形； 21、 平面扇形内弧； 22、 平 面扇形外弧。 具体实施方式 0027 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。 0028 本实施例的仿生波动鳍的制作方法， 包括以下步骤： 0029 (S1)根据波动鳍的预期波动形态， 确定波动鳍的波动形态参数， 该波动形态参数 包括内弧到摆动中心的距离R1、 外弧到摆动中心的距离R2、 摆动角度 、 波长 和波动水平总 长度X； 参见图1， 标号1表示波动状态下的波动鳍， 标号11表示的是波动鳍的内弧， 标号12 表示的是。

13、波动鳍的外弧。 说明书 2/4 页 4 CN 111891312 A 4 0030 (S2)依据波动鳍的波动形态参数计算获得波动鳍的内弧长L1和外弧长L2。 0031 (S3)依据波动鳍的内弧长L1和外弧长L2， 按照以下公式(1)计算得到波动鳍所对应 平面扇形的内径R、 宽度d和扇形角度 ， 0032 0033 式中， R为波动鳍所对应平面扇形的内径， d为波动鳍所对应平面扇形的宽度， 为 波动鳍所对应平面扇形的扇形角度， L1为波动鳍的内弧长， L2为波动鳍的外弧长； 参见图2， 标号2表示的是平面扇形， 标号21表示的是平面扇形的内弧， 标号22表示的是平面扇形的外 弧。 0034 (S。

14、4)依据波动鳍所对应平面扇形的内径R、 宽度d和扇形角度 ， 在橡胶板上裁剪获 得与平面扇形相应形状的扇形波动鳍。 0035 裁剪获得扇形波动鳍后， 将裁剪下来的扇形波动鳍拉直装夹在摆动单元上， 使得 波动鳍应变和变形持续存在， 并根据之前的准确计算和边界条件约束， 可得到预期的仿生 波动鳍。 0036 本实施例中， 在步骤(S2)中， 波动鳍的内弧长L1和外弧长L2的计算方法具体是， 先 建立空间坐标系， 将波动鳍置于该空间坐标系中， 使波动鳍的一端与Z轴重合， 波动鳍各摆 动单元的摆动中心与X轴重合， 波动鳍各摆动单元的摆动对称轴与Z轴平行， 得到内弧长L1 和外弧长L2的空间曲线方程(2。

15、)如下： 0037 0038 式中， x为空间坐标系中x轴向上的坐标， y为空间坐标系中y轴向上的坐标， z为空 间坐标系中z轴向上的坐标， R为波动鳍内弧或外弧到波动鳍摆动中心的距离， 为波动鳍的 摆动角度， 为波动鳍的波长， X为波动鳍的波动水平总长度， t为0到X范围内的参变量； 0039 再利用曲线积分计算法或离散算法计算得到内弧长L1和外弧长L2的总弧长。 0040 由于波动鳍的各摆动单元是绕摆动中心摆动进而带动波动鳍波动， 故波动鳍呈现 波动锥的形态， 为了计算内外弧长， 如图3所示， 将波动鳍置于空间坐标系中， 各摆动单元的 摆动中心与X轴重合， 各摆动单元的摆动对称轴与Z轴平行。

16、， 波动鳍的一端与Z轴重合， 且摆 动角度从0 开始变化。 0041 上述利用曲线积分计算法计算得到内弧长L1和外弧长L2的总弧长具体是， 按照公 式(3)进行曲线积分得到内弧长L1或外弧长L2： 说明书 3/4 页 5 CN 111891312 A 5 0042 0043 式中， L为内弧长L1或外弧长L2的总弧长， 其余参数与公式(1)和空间曲线方程(2) 中对应参数相同。 0044 上述利用离散算法计算得到内弧长L1和外弧长L2的总弧长具体是， 将波动水平总 长度X分成多份， 每份距离为x， 按照公式(4)进行初始条件设置： 0045 0046 按照公式(5)从0按每份加到X的循环， 计。

17、算得到内弧长L1或外弧长L2： 0047 0048 式中， L为内弧长L1或外弧长L2的总弧长。 0049 当份数足够多时， 所计算的结果趋于稳定， 因此采用离散算法由直线段叠加得到 总弧长的方法更易实现， 效率更高， 计算精度也足够。 0050 本实施例中， 波动鳍的预期波动形态为由多个呈不同相位的摆动单元驱动的波动 锥形态， 在摆动单元绕着摆动中心带动波动鳍波动中， 波动鳍呈现内弧小、 外弧大的状态， 且内弧或外弧上的各位置到摆动中心的距离不变， 故呈现为类似正弦线的复杂空间形态。 0051 以上所述仅是本发明的优选实施方式， 本发明的保护范围并不仅局限于上述实施 例。 对于本技术领域的技术人员来说， 在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变 换也应视为本发明的保护范围。 说明书 4/4 页 6 CN 111891312 A 6 图1 图2 说明书附图 1/2 页 7 CN 111891312 A 7 图3 说明书附图 2/2 页 8 CN 111891312 A 8 。