CN100431919C - 电磁驱动多关节仿生鱼尾推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种电磁驱动多关节仿生鱼尾推进装置。它包括纵向骨材、横向骨材，纵向骨材为分节结构、各节之间有连接轴连接，每一节纵向骨材上固定一个横向骨材，最后一节纵向骨材上安装有尾鳍，在除固定在最后一节纵向骨材上的横向骨材之外的其他横向骨材的两端安装有电磁装置。本发明具有运动机构简单、多关节驱动、噪声低、容易实现等优点。

Description

电磁驱动多关节仿生鱼尾推进装置

(一)技术领域

本发明涉及的是一种推进装置，具体地说是一种仿生鱼尾推进装置。

(二)背景技术

当前水面和水下运载器多采用传统的螺旋桨作为推进器，其体积大、重量重、能耗高、综合效率低(通常小于45％)、可靠性差、瞬时响应有严重的滞后现象、运动灵活性能差、并且伴有较大的噪音和尾涡。为克服螺旋桨推进器的这些缺陷，适应未来水下机器人技术发展的要求，人们在开发新能源的同时，也在积极寻找性能更加优良的新型推进方式。

鱼类和鲸类等哺乳动物(此处我们统称为鱼类)的游动方式具有高速、高效、灵活、低噪等特点，其游动和控制姿态的能力是任何目前装备传统操纵与推进系统的潜器所无法比拟的，将其应用于水下机器人，将为水下机器人的研究和发展提供新的起点和更为广阔的空间。近年来仿生水下机器人技术已经成为水下机器人的重要研究方向之一，它基于仿生学原理，通过对鱼类游动机理的研究，利用机械结构、电子设备和功能材料来开发模仿鱼类的操纵和推进方式，并将其应用于水下机器人。

目前，仿鱼尾推进的实现有多种方式，例如：一种摆动式柔性关节的仿生机器鱼(中国专利申请号：200520068383.2)，该项专利采用直流伺服电机驱动微型气泵，使转动气阀转动转动气阀的转动使机器鱼尾鳍关节的连续摆动，推进仿生鱼不断前进；波动仿生机器鱼(中国专利申请号：200610051785.0)，该项专利采用舵机的摆动运动使两杆成为“波动鳍”的振源，振源的振动通过柔性“波动鳍”向后传递形成推动机器鱼前进的行波；一种仿鱼尾推进系统的机械传动装置(中国专利申请号：200520020571.8)，该项专利采用电机驱动蜗轮蜗杆副，并通过蜗轮带动偏心轮转动，进而带动滑动框架作直线往复运动，再经拉杆使L型摆杆绕其拐角处的铰链摆动，并在L型摆杆摆动的同时，固定半齿轮又迫使传动齿轮组转动，进而带动摆杆、弹簧片、尾鳍一起同向摆动。

在现有的技术中，大部分动力源为电机，需要使用运动机构，因此带来振动、噪声机械损耗等问题，同时不可避免动密封的问题。本发明正是针对以上问题提出的，采用新型动力源，结构简单，容易实现，并且噪声、振动、机械损耗都比较小。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种运动机构简单、多关节驱动、噪声低、容易实现的电磁驱动多关节仿生鱼尾推进装置。

本发明的目的是这样实现的：

它包括纵向骨材、横向骨材，纵向骨材为分节结构、各节之间有连接轴连接，每一节纵向骨材上固定一个横向骨材，最后一节纵向骨材上安装有尾鳍，在除固定在最后一节纵向骨材上的横向骨材之外的其他横向骨材的两端安装有电磁装置。

本发明还可以包括这样一些结构特征：

1、在固定在最后一节与倒数第二节纵向骨材上的横向骨材之间设置有阻尼装置。

2、所述的电磁装置是只能产生拉力或推力的电磁铁。

3、所述的电磁装置是既能产生拉力又能产生推力的电磁铁。

4、在第一横向骨材和最后一横向骨材之间有由桶状柔性水密材料构成的整体密封。

本发明的装置较以往的仿生推进装置优点在于：

1.运动机构简单。以往仿生推进机构都以电机为动力，通过各种运动装置将电机的转动转化为鱼尾的摆动。在这种转化中，不仅浪费了大量的能量，而且产生巨大的震动和噪声。本装置直接以电磁场为动力，用以驱动相邻的关节使之产生相对的转动，进而使整个鱼尾摆动，因此，本装置能量利用更充分，运行更安静。

2.多关节驱动。以往的某些仿生推进机构动力源只有一个，然后使用传动机构将动力传递到各个关节，使摆尾运动变得僵硬。本装置在动力段上布置动力装置，在非动力段上布置阻尼装置。这主要参考了鱼类的生理特征：相邻关节之间由相应的肌肉驱动，并且肌体具有一定的弹性。动力装置相当于肌肉，用来驱动相连的关节产生转动，阻尼装置缓冲鱼尾受力。因此，本装置更接近鱼类的生理特征，运动更加自然、灵活。

3.不含有动密封，工程上易于实现。本装置可以使用柔性水密材料整体密封，不需要外界输入动力也不为其他部件提供动力，而是将力直接作用于鱼尾，因此，不存在动密封的问题，既减轻了装置的重量，又使结构简单易于实现。

(四)附图说明

图1是发明的结构示意图；

图2是本发明向右摆尾的状态图；

图3是本发明向左摆尾状态图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，电磁驱动多关节仿生鱼尾推进装置的组成包括纵向骨材1、横向骨材2，纵向骨材为分节结构、各节之间有连接轴4连接，每一节纵向骨材上固定一个横向骨材，最后一节纵向骨材上安装有尾鳍3，在除固定在最后一节纵向骨材上的横向骨材之外的其他横向骨材的两端安装有电磁装置5。在固定在最后一节与倒数第二节纵向骨材上的横向骨材之间设置有阻尼装置6。本发明的电磁装置可以选择只能产生拉力或推力的电磁铁也可以选择既能产生拉力又能产生推力的电磁铁。整个装置共同密封于一桶状柔性水密材料之中，柔性水密材料的两端分别固定于第一横向骨材和最后一横向骨材上，在保证运动灵活的同时实现整个装置的水密。

在图1中纵向骨材用横向粗实线表示，横向骨材用垂向粗实线表示。纵向骨材与横向骨材固结在一起，共同承担装置的所有重量。尾鳍与最后一节的纵向骨材固定连接，并且可以更换不同形状的尾鳍。两节之间的联接的轴，在满足强度要求的同时保证顺利转动。电磁装置固定在相应的横向骨材上，在通电时，与前后相邻的电磁装置相互作用，使相邻的两段绕轴产生转角，调节相邻的电磁装置的作用距离即可控制转角的大小。阻尼装置，用来缓冲鱼尾受力。7所指示的为带有电磁装置的动力段，8所指示的为带有阻尼装置的非动力段。虚线框9内都是动力段，虚线框10内是非动力段。

运动原理：

在向右摆尾时，接通电源，使电磁装置产生如图2所示的磁场(N、S是电磁装置所产生的磁场的磁极标志)，即A侧电磁装置之间产生引力作用，而B侧电磁装置之间产生斥力作用，在力的作用下相邻动力段之间将产生转角，最总使鱼尾摆向右侧。

在向左摆尾时，改变部分电磁装置(只改变顺序为奇数或偶数的动力段)的电流，使电磁装置产生如图3所示的磁场(N、S是电磁装置所产生的磁场的磁极标志)，即A侧电磁装置之间产生斥力作用，而B侧电磁装置之间产生引力作用，在力的作用下相邻动力段之间将产生转角，最总使鱼尾摆向左侧。

再次改变部分电磁装置(改变过的那部分)的电流方向，鱼尾将摆向右侧。周期性的改变电流，即可使鱼尾左右摆动。控制电流改变的频率即可控制鱼尾摆动的频率。可以用硬件或软件来控制电流的改变频率。

使用只能产生拉力(或推力)的电磁铁作为电磁装置。由于只能产生拉力(或推力)，因此在向左摆尾时，只需接通左侧的电磁铁，而右侧电磁铁断路；同理，向右摆尾，只需接通右侧的电磁铁，而左侧电磁铁断路。交替接通两侧电磁铁即可使鱼尾左右摆动。

使用既可产生引力又能产生斥力的电磁铁作为电磁装置。只需按照运动原理中说明的方法既可。由于只改变了部分电磁铁的电流方向，因此，可以使用永磁体来替换不改变电流方向的那部分电磁铁，这样可以降低整个装置的功耗。

Claims (7)

1、一种电磁驱动多关节仿生鱼尾推进装置，它包括纵向骨材、横向骨材，其特征是：纵向骨材为分节结构、各节之间有连接轴连接，每一节纵向骨材上固定一个横向骨材，最后一节纵向骨材上安装有尾鳍，在除固定在最后一节纵向骨材上的横向骨材之外的其他横向骨材的两端安装有电磁装置。

2、根据权利要求1所述的电磁驱动多关节仿生鱼尾推进装置，其特征是：在固定在最后一节与倒数第二节纵向骨材上的横向骨材之间设置有阻尼装置。

3、根据权利要求1或2所述的电磁驱动多关节仿生鱼尾推进装置，其特征是：所述的电磁装置是只能产生拉力或推力的电磁铁。

4、根据权利要求1或2所述的电磁驱动多关节仿生鱼尾推进装置，其特征是：所述的电磁装置是既能产生拉力又能产生推力的电磁铁。

5、根据权利要求1或2所述的电磁驱动多关节仿生鱼尾推进装置，其特征是：在第一横向骨材和最后一横向骨材之间有由桶状柔性水密材料构成的整体密封。

6、根据权利要求3所述的电磁驱动多关节仿生鱼尾推进装置，其特征是：在第一横向骨材和最后一横向骨材之间有由桶状柔性水密材料构成的整体密封。

7、根据权利要求4所述的电磁驱动多关节仿生鱼尾推进装置，其特征是：在第一横向骨材和最后一横向骨材之间有由桶状柔性水密材料构成的整体密封。

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