一种仿生波动鳍的制作方法与流程

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：

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。

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，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。

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。

技术实现要素：

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。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种仿生波动鳍的制作方法，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θ、波长λ和波动水平总长度δx；

(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β，

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，β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；

(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β，在橡胶板上裁剪获得与平面扇形相应形状的扇形波动鳍。

上述的制作方法，优选的，

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，θ为波动鳍的摆动角度，λ为波动鳍的波长，δx为波动鳍的波动水平总长度，t为0到δx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。

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。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

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

图1为仿生波动鳍在波动状态下的结构示意图。

图2为仿生波动鳍所对应平面扇形的结构示意图。

图3为仿生波动鳍空间坐标系中的结构示意图。

图例说明：

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

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例的仿生波动鳍的制作方法，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θ、波长λ和波动水平总长度δx；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表示的是波动鳍的外弧。

(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β，

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，β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。

(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β，在橡胶板上裁剪获得与平面扇形相应形状的扇形波动鳍。

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。

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)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，θ为波动鳍的摆动角度，λ为波动鳍的波长，δx为波动鳍的波动水平总长度，t为0到δx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。

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，波动鳍的一端与z轴重合，且摆动角度从0°开始变化。

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：

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。

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δx分成多份，每份距离为δx，按照公式(4)进行初始条件设置：

按照公式(5)从0按每份加到δx的循环，计算得到内弧长l1或外弧长l2：

式中，l为内弧长l1或外弧长l2的总弧长。

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。

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。

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。

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