CN101003301A - 一种水下仿水翼推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供了一种能够装备到具备自航能力的水下航行体上，结构简单、调节自如、能够模块化应用的水下仿水翼推进装置。它包括仿生水翼、水翼拍动单元、水翼旋转单元和底板固定单元，仿生水翼安装在水翼拍动单元上，水翼拍动单元又和水翼旋转单元连接在一起，而这两个运动单元都要安装在底板固定单元上。本发明创造的优点在于：提供了一种基于仿生原理的新型水下推进装置，此装置结构紧凑，安装方便，既可以多套对称安装在潜水器的两侧，仿海龟、企鹅等动物的前肢游动；又可单套安装在潜水器的尾部，以水翼模型的往复摆动推动潜水器前进。

Description

一种水下仿水翼推进装置

(一)技术领域

本发明创造涉及水下仿生领域，具体地说是涉及一种水下动力推进装置。

(二)背景技术

目前应用于潜水器、水下机器人等水下航行体的水中推进方式有很多种，其中传统推进方式主要为螺旋桨推进，而经历长时间优胜劣汰后的水生动物，在游动及姿态控制方面的能力是目前装备传统推进系统的潜器所无法比拟的。水生动物推进方式大致可分为摆动法、划动法、水翼法及喷射法四大类，如今国内外主要研究热点集中在仿摆动法推进的代表动物鱼类上，很少涉足其它游动方式。本发明创造的研究对象为仿水翼法推进方式，所谓水翼法，就是某些水生动物，如海龟、企鹅等，它们在游动时，翼状的前肢在水中上下拍动，使水产生反作用力推动它们前进的游动方法，犹如飞鸟在空中拍动翅膀飞行一样，因此它们的流线型运动器官也叫做水翼。(引自钦俊德院士主编《动物的运动》，清华大学出版社)

我们通过相关实验，对水翼法推进方式的代表动物海龟进行了实地观测，积累了大量实体运动影像资料，运用影像剖析和数学解析等方法对生物原型运动器官水翼进行了系统研究，基本掌握了水翼法推进方式的运动机理，发明创造了这种仿水翼法的水下推进装置。通过应用该推进装置，有望对水生动物中水翼法推进这种重要推进方式的推进性能和操纵性能进行系统研究，这在降低能耗、提高推进效率、扩大水下航行体运动范围等方面有着重要的探索价值。

在水下微小型载体的研究方面，应用非传统推进方式的动力驱动的研究还不成熟。因此进行相关领域的研究，对于开发新的驱动方式、研究微小型结构具有重要的理论研究意义和明确的应用背景，在丰富我国国防资源的同时增强了我们开发利用海洋资源的能力。

(三)发明内容

本发明创造的目的在于提供一种能够装备到具备自航能力的水下航行体上，结构简单、调节自如、能够模块化应用的水下仿水翼推进装置。

本发明创造的目的是这样实现的：它包括仿生水翼、水翼拍动单元、水翼旋转单元和底板固定单元，仿生水翼安装在水翼拍动单元上，水翼拍动单元又和水翼旋转单元连接在一起，而这两个运动单元都要安装在底板固定单元上。

本发明创造还有这样一些结构特征：

1、所述仿生水翼为仿动物水翼的水翼模型，它包括安装在水翼拍动单元上的水翼模型1或水翼模型31，水翼模型1是推进装置安装在潜水器两侧时配用的仿海龟前肢状模型，分为前、后缘，前缘为长弧型，后缘形似余弦波，模型横截面呈类似机翼的流线型，其厚度从前缘到后缘逐渐降低；水翼模型31是推进装置安装在潜水器尾部时选用的仿鱼尾鳍状模型，分为前、后缘，前缘为直径较小圆弧，后缘为直径较大圆弧，两圆弧包围成月牙形，模型截面也呈厚度从前缘到后缘逐渐降低的流线型；

2、所述水翼拍动单元由伺服电机9、电机套筒8、电机轴套7、小轴承6、小轴承3、小轴承11、密封件5、锥齿轮10、锥齿轮12、小轴4、水翼连接件2和水翼连接件13构成，伺服电机9固定封闭在电机套筒8内，输出轴与电机轴套7的后端相连，电机轴套7的前端由小轴承6定位后从电机套筒8内伸出，密封件5安装在电机轴套7的伸出部分，压紧在电机套筒8上，锥齿轮10安装在电机轴套7的最前端，与锥齿轮12垂直啮合，锥齿轮12安装在小轴4上，小轴4通过小轴承3和小轴承11和电机套筒8活动连接，水翼连接件2和水翼连接件13的各自一端固定在小轴4上，另一端与水翼模型1相连；

3、所述水翼旋转单元由伺服电机15、电机座16、直齿轮轴20、铜质轴瓦28、壁板27、直齿轮22、直齿轮21、套筒19、套筒23、轴承18、轴承24、轴承座17、轴承座25和密封件29组成，伺服电机15固定在电机座16内，电机15的输出轴与直齿轮轴20的后端相连，直齿轮轴20的前端与铜质轴瓦28间歇配合，铜质轴瓦28在壁板27内固定，直齿轮22安装在直齿轮轴20的中段，与直齿轮21啮合，直齿轮21安装在电机套筒8上，在直齿轮21的两侧套有套筒19和套筒23，它们通过间歇配合套在电机套筒8上，在套筒19和套筒23的外侧设置有安装在电机套筒8上的轴承18和轴承24，轴承18和轴承24分别固定在轴承座17和轴承座25内，密封件29套在电机套筒8上，并压紧在壁板27上；

4、所述底板固定单元由底板14、直角连接块26和直角连接块30组成，电机座16、轴承座17和轴承座25固定在底板14上，底板14通过直角连接块26、直角连接块30与壁板27垂直固定连接。

壁板27实际是密封板，可以看作是潜水器的壳体。壁板27的外侧部分，包括水翼模型1在内都是处于水中的；而壁板27的内侧部分，包括伺服电机9、伺服电机15、直齿轮21等等，都应处于潜水器内部。

本发明创造的优点在于：提供了一种基于仿生原理的新型水下推进装置，此装置结构紧凑，安装方便，既可以多套对称安装在潜水器的两侧，仿海龟、企鹅等动物的前肢游动；又可单套安装在潜水器的尾部，以水翼模型的往复摆动推动潜水器前进。因为可以自由调节水翼模型的受力方向和大小，因此装有本装置的潜器可完成前进、后退、升沉、转向等动作。另外，装置中底板14和壁板27在整个装置中主要起到固定、支撑和充当密封板的作用。因此，当装置实际安装到潜水器上的时候，既可以实行整装置的模块化安装，也可根据具体情况，直接用潜水器壳体代替壁板27，用潜水器内部的平板代替底板14。

(四)附图说明

图1是本发明创造的水翼拍动单元结构图；

图2是本发明创造的第一种实施方案结构示意俯视图；

图3是本发明创造的第一种实施方案结构示意前视图；

图4是本发明创造的第二种实施方案结构俯视示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明创造做更详细的描述：

实施例1：

结合图1，本发明创造包括仿生水翼、水翼拍动单元、水翼旋转单元和底板固定单元，仿生水翼安装在水翼拍动单元上，水翼拍动单元又和水翼旋转单元连接在一起，而这两个运动单元都要安装在底板固定单元上。所述仿生水翼为仿动物水翼的水翼模型，它包括安装在水翼拍动单元上的水翼模型1或水翼模型31；所述水翼拍动单元由伺服电机9、电机套筒8、电机轴套7、小轴承6、小轴承3、小轴承11、密封件5、锥齿轮10、锥齿轮12、小轴4、水翼连接件2和水翼连接件13构成，伺服电机9固定封闭在电机套筒8内，输出轴与电机轴套7的后端相连，电机轴套7的前端由小轴承6定位后从电机套筒8内伸出，密封件5安装在电机轴套7的伸出部分，压紧在电机套筒8上，锥齿轮10安装在电机轴套7的最前端，与锥齿轮12垂直啮合，锥齿轮12安装在小轴4上，小轴4通过小轴承3和小轴承11和电机套筒8活动连接，水翼连接件2和水翼连接件13的各自一端固定在小轴4上，另一端与水翼模型1相连；所述水翼旋转单元由伺服电机15、电机座16、直齿轮轴20、铜质轴瓦28、壁板27、直齿轮22、直齿轮21、套筒19、套筒23、轴承18、轴承24、轴承座17、轴承座25和密封件29组成，伺服电机15固定在电机座16内，电机15的输出轴与直齿轮轴20的后端相连，直齿轮轴20的前端与铜质轴瓦28间歇配合，铜质轴瓦28在壁板27内固定，直齿轮22安装在直齿轮轴20的中段，与直齿轮21啮合，直齿轮21安装在电机套筒8上，在直齿轮21的两侧套有套筒19和套筒23，它们通过间歇配合套在电机套筒8上，在套筒19和套筒23的外侧设置有安装在电机套筒8上的轴承18和轴承24，轴承18和轴承24分别固定在轴承座17和轴承座25内，密封件29套在电机套筒8上，并压紧在壁板27上；所述底板固定单元由底板14、直角连接块26和直角连接块30组成，电机座16、轴承座17和轴承座25固定在底板14上，底板14通过直角连接块26、直角连接块30与壁板27垂直固定连接。

结合图2、图3，本实施例是以图示的状态将两套装置对称安装到潜水器的两侧，图示乃取其中右套装置举例说明。即如图所示水翼模型1处于壁板27的右侧，处于水中；电机15处于壁板27的左侧，处于潜水器内部，此时潜水器的运动方向应指向图纸顶端。电机15首先启动，通过直齿轮轴20带动直齿轮22、直齿轮21这对齿轮副转动。因为直齿轮21固定在电机套筒8上，则电机套筒8开始绕自身轴线(图上已标)旋转，而水翼模型1是通过水翼连接件2、13、小轴4间接连接在电机套筒8上的，因此水翼模型1也跟着电机套筒8一起绕电机套筒8的轴线旋转。电机15转动一定角度后停止，则水翼模型1从图中的与纸面平行状态转动到与纸面成一定角度，即犹如动物水翼的前缘下沉。此时，电机9启动，通过电机轴套7使锥齿轮10和锥齿轮12这对垂直啮合的齿轮副转动。因为锥齿轮12安装在小轴4上，而水翼模型1也通过水翼连接件2、13与小轴4相连，则此时水翼模型1便开始做绕小轴4轴线(图上已标)的旋转运动，这样就形成了水翼模型1的对水拍动。这就相当于动物的水翼在运动时，首先将水翼的前缘下沉，然后向斜下方拍动，使水产生向前上方的反作用力。当电机9转动到水翼模型1与壁板27平行的时候，电机9即停止，此时犹如动物水翼拍动到最下端时紧贴动物身体。紧接着电机15向反方向启动，向反方向转动它第一次转动时的双倍角度后，电机15停止，电机9再反方向启动。这个过程犹如动物水翼拍动到最下端时，先改前缘下沉为前缘上翘，再向上拍动，以获得向前下方的反作用力，来保持前进方向受力的连续性。当电机9反向转动到水翼模型1与壁板27再次平行时，又停止，即水翼模型1拍动到最上端，此时各电机又按上述顺序往复启动、停止，以实现水翼模型1连续运动，使整个潜水器获得几乎不间断的向前的分力。整个运动过程犹如动物水翼拍动到末端时及时改变前缘上翘、下沉状态，再反向拍动，以获得连续的向前分力一样。因为此时潜水器的左右对称安装了两套推进装置，这样就可以实现潜水器的差动转向。此装置中各电机的转速、转角、启动顺序都是可以自由调节的，所以我们可以根据需要来选择各个方向的分力及其大小，也就使得潜水器可自由完成前进、后退、升沉、转向等动作，也可自由调节运动速度。

实施例2：

结合图4，本实施方案的基本结构同实施例1，仅是用图4所示的水翼模型31代替图2中的水翼模型1，并将装置安装到潜水器的尾部，即如图4所示水翼模型31处于壁板27的后方，处于水中；电机9、电机15处于壁板27的前方，处于潜水器内部，此时潜水器的运动方向应指图纸左侧。如图4状态时，电机15保持不动，电机9启动后做一定角度的正反转运动，这样就使水翼模型31做绕小轴4轴线的往复摆动。因为用鱼尾鳍形的水翼模型31代替了方案一中的桨状肢形的水翼模型1，则此时水翼模型31的运动就有些类似于海豚等动物上下摆尾式的水中游动动作，推动潜水器前进。但摆尾式游动一般只是尾部的对称振荡，而本装置除使水翼模型31振荡外，还能使水翼模型31绕其轴线旋转，即启动电机9与电机15进行耦合驱动，因此此时的水翼运动又有些类似于摇橹的运动。只要调节电机9和电机15的摆动频率和转角等，即可调节潜水器运动的速度大小等等。

Claims (5)

1、一种水下仿水翼推进装置，它包括仿生水翼、水翼拍动单元、水翼旋转单元和底板固定单元，其特征在于所述的仿生水翼安装在水翼拍动单元上，水翼拍动单元和水翼旋转单元连接在一起并安装在底板固定单元上。

2、根据权利要求1所述的一种水下仿水翼推进装置，其特征在于所述仿生水翼为仿动物水翼的水翼模型，它包括安装在水翼拍动单元上的水翼模型(1)或水翼模型(31)，水翼模型(1)是推进装置安装在潜水器两侧时配用的仿海龟前肢状模型，分为前、后缘，前缘为长弧型，后缘形似余弦波，模型横截面呈类似机翼的流线型，其厚度从前缘到后缘逐渐降缘，前缘为直径较小圆弧，后缘为直径较大圆弧，两圆弧包围成月牙形，模型截面也呈厚度从前缘到后缘逐渐降低的流线型。

3、根据权利要求1所述的一种水下仿水翼推进装置，其特征在于所述水翼拍动单元由伺服电机(9)、电机套筒(8)、电机轴套(7)、小轴承(6)、小轴承(3)、小轴承(11)、密封件(5)、锥齿轮(10)、锥齿轮(12)、小轴(4)、水翼连接件(2)和水翼连接件(13)构成，伺服电机(9)固定封闭在电机套筒(8)内，输出轴与电机轴套(7)的后端相连，电机轴套(7)的前端由小轴承(6)定位后从电机套筒(8)内伸出，密封件(5)安装在电机轴套(7)的伸出部分，压紧在电机套筒(8)上，锥齿轮(10)安装在电机轴套(7)的最前端并与锥齿轮(12)垂直啮合，锥齿轮(12)安装在小轴(4)上，小轴(4)通过小轴承(3)和小轴承(11)和电机套筒(8)活动连接，水翼连接件(2)和水翼连接件(13)的各自一端固定在小轴(4)上，另一端与水翼模型相连。

4、根据权利要求1所述的一种水下仿水翼推进装置，其特征在于所述水翼旋转单元由伺服电机(15)、电机座(16)、直齿轮轴(20)、铜质轴瓦(28)、壁板(27)、直齿轮(22)、直齿轮(21)、套筒(19)、套筒(23)、轴承(18)、轴承(24)、轴承座(17)、轴承座(25)和密封件(29)组成，伺服电机(15)固定在电机座(16)内，电机(15)的输出轴与直齿轮轴(20)的后端相连，直齿轮轴(20)的前端与铜质轴瓦(28)间歇配合，铜质轴瓦(28)在壁板(27)内固定，直齿轮(22)安装在直齿轮轴(20)的中段，与直齿轮(21)啮合，直齿轮(21)安装在电机套筒(8)上，在直齿轮(21)的两侧套有套筒(19)和套筒(23)，它们通过间歇配合套在电机套筒(8)上，在套筒(19)和套筒(23)的外侧设置有安装在电机套筒(8)上的轴承(18)和轴承(24)，轴承(18)和轴承(24)分别固定在轴承座(17)和轴承座(25)内，密封件(29)套在电机套筒(8)上，并压紧在壁板(27)上。

5、根据权利要求1所述的一种水下仿水翼推进装置，其特征在于所述底板固定单元由底板(14)、直角连接块(26)和直角连接块(30)组成，电机座(16)、轴承座(17)和轴承座(25)固定在底板(14)上，底板(14)通过直角连接块(26)、直角连接块(30)与壁板(27)垂直固定连接。

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