CN104260864B - 一种仿尾鳍推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿尾鳍推进器，包括左齿轮传动部分、右齿轮传动部分、中部行星轮系部分、总输入轴、轴承、连杆、尾鳍连杆和尾鳍，其中，左齿轮传动部分和右齿轮传动部分分别安装在中部行星轮部分的左右两侧；所述总输入轴依次穿过右箱体、右支撑箱体、轴承、太阳轮箱体和左支撑箱体，并通过所述轴承分别安装在右支撑箱体和左支撑箱体上，所述左主动轮和右主动轮分别与总输入的左端和右端键连接。本发明使整个推进器承载能力大，传动平稳，结构更加紧凑，空间利用率更高，采用的行星轮系在完成运动转换基础上，很容易和减速装置进行一体化设计，便于向高承载工况下的船舶推进应用上推广。

Description

一种仿尾鳍推进装置

技术领域

本发明属于仿鱼推进器的技术领域，具体而言涉及一种仿尾鳍推进装置。

背景技术

海洋生物在推进的方式、灵活性、可操纵性等方面，尤其是推进效率甚至高达98％以上，具有现有人造水面或水下运载器不可比拟的优越性。鱼尾摆进是仿鱼机器人各种推进模式中所公认的一种高效推进模式，该模式可以在一个长周期运动中保持高速的巡航性能。采用电机和特定的传动装置组合驱动，较现有的驱动形式(液压、电机，特殊材料如记忆合金等)，具有较强的驱动能力，可以驱动大的载体，适合仿生那些速度快、转身迅速的海洋生物，具有较大的研究价值和应用潜力。

采用鱼尾摆进模式的鱼类在向前游动过程中，推进可以分成两个部分：一个是产生拍动和传递推力的尾柄部分，一个是产生推力的尾鳍部分。尾柄做往复直线运动，向前游动过程中，其运动轨迹近似正弦曲线。游动过程中，身体前2/3部分几乎保持刚性，特别明显的侧向位移仅仅发生在尾鳍以及尾鳍与身体相连的狭窄区域(尾柄)，其良好的流线型身体可以极大地减小形体阻力，尾鳍产生超过90％的推进力。

对现有技术的文献检索发现：(1)中国专利公开号：CN1256259C，公告日：2006.05.17，专利名称为：仿生机器鱼的柔性推进机构。该专利主要描述了一种仿生机器鱼的柔性推进机构，该柔性推进机构的主要原理为通过两台驱动电机分别带动尾鳍驱动轮和尾部驱动轮转动，通过鱼尾两侧钢丝的协调拉紧放松，实现尾鳍的转动和整个尾部平动的复合运动。(2)中国专利公开号：CN100418847C，公告日：2008.09.17，专利名称为：双尾仿生尾推进器。该专利主要介绍了一种双尾仿生推进器，该推进器的主要推进原理为电机驱动主动链轮副转动带动从动链轮副转动，链轮又与连杆和支杆组成曲柄连杆机构，从而实现尾柄的摆动。(3)中国专利公开号：CN100423987C，公告日：2008.10.08，专利名称为：一种仿生机器鱼。该专利主要介绍了一种仿生机器鱼，该机器鱼尾鳍推进原理为利用两个直线电机驱动一个四连杆机构来实现尾鳍的摆动。(4)中国专利公开号：CN101301926B，公告日：2010.10.06，专利名称为：具有升潜模块和尾部模块的仿生机器鱼。该专利主要介绍了一种具有升潜模块和尾部模块的仿生机器鱼，该机器鱼的尾鳍推进原理为利用一套滑动机构和连杆总成带动L型尾柄，实现尾柄的摆动，利用另外一套滑动机构和连杆总成带动L型尾鳍柄，实现尾鳍的摆动，最终实现机器鱼的推进。

上述专利利用不同的驱动原理及机构实现了仿尾鳍推进，但是也存在明显的不足：(1)专利1和专利3都采用双电机驱动，两个电机之间需要同步控制；(2)专利1中，钢丝绳本身是弹性体，对其拉紧放松产生的弹性变形难以精确控制，来流变化时，钢丝绳所受的载荷也会发生变化，导致钢丝的变形，从而影响机构的推进效果；(3)专利2仅仅实现了尾柄的摆动，实际推进效率偏低，同时，链轮传动瞬时链速和传动比不恒定，推进稳定性较差；(4)专利4利用两套滑动机构和连杆总成带动L型件分别实现尾柄尾鳍的摆动虽然实现了要求，但是其机构太为复杂，而且安装要求较高，故实用性有待改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小，结构简单紧凑，承载能力大，适合向船舶应用发展的仿尾鳍推进装置。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种仿尾鳍推进器，包括左齿轮传动部分、右齿轮传动部分、中部行星轮系部分、总输入轴、轴承、连杆、尾鳍连杆和尾鳍，其中，

所述左齿轮传动部分包括左主动轮、左从动轮、左行星架支撑轴和左箱体，所述左从动轮与左行星架支撑轴的输入端键连接，并与左主动轮外啮合；

所述右齿轮传动部分中包括右主动轮、右从动轮、右行星架支撑轴和箱体，右从动轮与右行星架支撑轴的输出端键连接，并与右主动轮外啮合；

所述中部行星轮系部分中包括左支撑箱体、第一左轴承、左行星架、左固定端盖、第二左轴承、左行星轮、左轴承端盖、左挡板、螺钉、左双头螺柱、螺栓、右支撑箱体、第一右轴承、右行星架、右固定端盖、第二右轴承、右行星轮、右轴承端盖、右挡板、螺钉、右双头螺柱、螺栓和太阳轮箱体；所述总输入轴依次穿过右箱体、右支撑箱体、轴承、太阳轮箱体和左支撑箱体，并通过所述轴承分别安装在右支撑箱体和左支撑箱体上，所述左主动轮和右主动轮分别与总输入轴的左端和右端键连接；

所述左行星架支撑轴通过第一左轴承安装在左支撑箱体上，所述左行星架的输入端与左行星架支撑轴的输出端键连接，所述左行星轮通过一对第二左轴承安装于左行星架的输出轴上，所述螺钉穿过左挡板和左轴承端盖与左行星架的输出轴固定连接，所述左挡板与左轴承端盖之间留有间隙，使左行星轮能自由转动，所述左行星轮的齿轮啮合端与太阳轮箱体的太阳轮部分内啮合，所述左双头螺柱位于左行星轮的圆盘状运动输出端上，其中心分布半径为齿轮啮合端分度圆半径，所述尾鳍安装杆的一端与左双头螺柱的细头端铰接；

所述右行星架支撑轴通过第一右轴承安装于右支撑箱体上，所述右行星架的输入端与右行星架支撑轴的输出端键连接，所述右行星轮通过一对第二右轴承安装于右行星架的输出轴上，所述螺钉穿过右挡板和右轴承端盖与右行星架的输出轴固定连接，所述右挡板和右轴承端盖之间留有间隙，使右行星轮能自由转动，所述右行星轮的齿轮啮合端与太阳轮箱体的太阳轮部分啮合，所述右双头螺柱位于右行星轮的圆盘状运动输出端上，其中心分布半径为齿轮啮合端分度圆半径，所述连杆的一端与右双头螺柱的细头端铰接，另一端和尾鳍安装杆的另一端铰接，所述尾鳍安装于尾鳍安装杆的末端。

优选的，还包括基座，所述左箱体和右箱体分别与左支撑箱体和右支撑箱体固定连接，；所述左支撑箱体和右支撑箱体分别与太阳轮箱体的左端和右端固定连接；所述左箱体、左支撑箱体、右支撑箱体和右箱体的底部分别与基座固定连接。

优选的，所述左行星轮及右行星轮为双圆盘式行星轮，其一端为齿轮啮合端，另一端为无齿形的圆盘状运动输出端；

优选的，所述圆盘状运动输出端为选择不同的路径设置有个螺纹孔，螺纹孔的中心等间距分布于半径等于齿轮啮合端分度圆半径的圆上。

优选的，所述左行星轮和右行星轮在装配时相位差为π/2。

安装在一种特殊的K-H-V型行星轮系中具有V型夹角的两行星架上的两个行星轮，这两个行星轮分度圆与和其啮合的太阳轮分度圆的任一直径相交的两个点的运动关系为具有和行星架间V型夹角相同相位差并位于该直径上的简谐运动。这两个简谐运动分别驱动尾鳍推进装置中的尾柄和尾鳍，尾柄和尾鳍的运动通过连杆机构耦合在一起，实现鱼尾的仿生推进运动。

与现有的仿尾鳍推进器相比，本发明具有以下优点：1)本发明只需要一个动力源即可实现仿生尾鳍的平面复合运动；2)本发明采用的K-H-V型行星轮系，使整个推进器承载能力大，传动平稳，结构更加紧凑，空间利用率更高；3)本发明利用驱动尾柄、尾鳍的连接点之间的距离连续变化，将尾柄和尾鳍的简谐运动进行耦合，实现了尾鳍的平面复合运动；4)本发明尾柄和尾鳍所做简谐运动之间的相位差直接反映在行星架间的V型夹角上，简单明了，适合做相位差对推进性能影响等研究；5)本发明适用于采用电机通过特定机构仿生鱼尾，具有很强的驱动能力；6)本发明采用的行星轮系在完成运动转换基础上，很容易和减速装置进行一体化设计，便于向高承载工况下的船舶推进应用上推广。

附图说明

图1是本发明的尾鳍推进器的主视图；

图2是本发明的尾鳍推进器的左视图；

图3是本发明的尾鳍推进器的运动关系图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于设备本身而言，指向设备内部的方向为内，反之为外，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“左、右”的含义指的是阅读者正对附图时，阅读者的左边即为左，阅读者的右边即为右，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

如图1、图2所示，本发明是一种仿尾鳍推进器，包括左齿轮传动部分1、右齿轮传动部分2、中部行星轮系部分3、总输入轴4、轴承5、连杆6、尾鳍连杆7、尾鳍8、基座9。左齿轮传动部分1中包括左主动轮101、左从动轮102、左行星架支撑轴103、左箱体104，右齿轮传动部分2中包括右主动轮201、右从动轮202、右行星架支撑轴203、右箱体204，中部行星轮系部分3中包括左支撑箱体301、第一左轴承302、左行星架303、左固定端盖304、第二左轴承305、左行星轮306、左轴承端盖307、左挡板308、螺钉309、左双头螺柱310、螺栓311、右支撑箱体312、第一右轴承313、右行星架314、右固定端盖315、第二右轴承316、右行星轮317、右轴承端盖318、右挡板319、螺钉320、右双头螺柱321、螺栓322、太阳轮箱体323。

结合图1、图2，九段阶梯式且中间粗两端细的总输入轴4穿过右箱体204、右支撑箱体312、轴承5、太阳轮箱体323、左支撑箱体301，并通过一对深沟球轴承5安装在右支撑箱体312和左支撑箱体301上，左主动轮101和右主动轮201分别与总输入轴4的左端和右端键连接；左从动轮102与左行星架支撑轴103的输入端键连接，并与左主动轮101外啮合，左行星架支撑轴103通过第一左轴承302安装在左支撑箱体301上，左行星架303的输入端与左行星架支撑轴103的输出端键连接，左行星轮306通过一对第二左轴承305安装于左行星架303的输出轴上，螺钉309穿过左挡板308和左轴承端盖307与左行星架303的输出轴固定连接，左挡板308与左轴承端盖307之间留有间隙，使左行星轮306能自由转动，左行星轮306的齿轮啮合端与太阳轮箱体323的太阳轮部分内啮合，一头粗一头细的左双头螺柱310位于左行星轮306的圆盘状运动输出端上，其中心分布半径为齿轮啮合端分度圆半径，尾鳍安装杆7与左双头螺柱310的细头端铰接；右从动轮202与右行星架支撑轴203的输出端键连接，并与右主动轮201外啮合，右行星架支撑轴203通过第一右轴承313安装于右支撑箱体312上，右行星架314的输入端与右行星架支撑轴203的输出端键连接，右行星轮317通过一对第二右轴承316安装于右行星架314的输出轴上，螺钉320穿过右挡板319和右轴承端盖318与右行星架314的输出轴固定连接，右挡板319和右轴承端盖318之间留有间隙，使右行星轮317能自由转动，右行星轮317的齿轮啮合端与太阳轮箱体323的太阳轮部分啮合，一头粗一头细的右双头螺柱321位于右行星轮317的圆盘状运动输出端上，其中心分布半径为齿轮啮合端分度圆半径，连杆6与右双头螺柱321的细头端铰接；连杆6和尾鳍安装杆7铰接，尾鳍8安装于尾鳍安装杆7的末端。

左箱体104和右箱体204分别与左支撑箱体301和右支撑箱体312固定连接，而左支撑箱体301和右支撑箱体312又分别与太阳轮箱体323的左端和右端固定连接，左箱体104、左支撑箱体301、右支撑箱体312、右箱体204与基座9固定连接。

所述左行星轮306及右行星轮317为双圆盘式行星轮，一端为齿轮啮合端，另一端为无齿形的圆盘状运动输出端，圆盘状运动输出端为选择不同的路径设置有12个螺纹孔，螺纹孔的中心等间距分布于半径等于齿轮啮合端分度圆半径的圆上。

所述左行星轮306和右行星轮317在装配时，本发明采用的相位差为π/2，即左行星架303和右行星架314之间的V型夹角为π/2，也可以根据需要采用不同的相位差。

以行星架间V型夹角(左、右行星架303、314之间的夹角)为90度为例，本发明具体工作过程如下：

动力由总输入轴4输入，带动左主动轮101和右主动轮201转动，继而带动左从动轮102和右从动轮202转动，驱动左行星架支撑轴103和右行星架支撑轴203以相同的速度转动，左行星轮306和右行星轮317在左行星架303和右行星架314的带动下和与太阳轮箱体323一体的太阳轮轮齿部分啮合，从而做行星运动，由于该行星轮系中行星轮直径为太阳轮直径的一半，并且左双头螺柱310和右双头螺柱321位于行星轮分度圆上的同一条直径上，因此两个双头螺柱均在太阳轮的这一条直径上做简谐运动，又基于本发明所述两个行星轮之间的V型夹角为90度，则右双头螺柱321的简谐运动落后于左双头螺柱310和V型夹角大小相同的π/2相位。

以平行于齿轮端面的平面为XOY面，太阳轮中心为坐标原点，过坐标原点的水平方向为X轴，如图3所示。

左双头螺柱310关于时间t的运动方程为：

$y_1=2R\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{2})$

其中，y₁为左双头螺柱310沿Y轴的位移，R为左行星轮306分度圆半径，ω为左行星架303的角速度，t的时间单位为s。

右双头螺柱321的运动方程为：

y₂＝2Rcos(ωt)

其中，y₂为右双头螺柱321沿Y轴的位移，R为右行星轮17的分度圆半径，ω为右行星架314的角速度，t的时间单位为s。

左双头螺柱310和右双头螺柱321上铰接的尾鳍安装杆7和连杆6通过铰链连接，这样左、右双头螺柱310、321和尾鳍安装杆7与连杆6的铰接点之间形成三角形，该三角形的左、右双头螺柱310、321所在的边长y'为一周期性变化的函数，该函数与连杆机构的杆长及双头螺柱的运动规律相关，函数表达式为

$y^{\′}=2R\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{2})-2R\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)=-2\sqrt{2}R\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{4})$

尾鳍安装杆7产生一个移动和摆动复合而成的平面复合运动：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arccos (\frac{R}{L}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+\frac{R}{L}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)),\mathrm{\θ}\∈(-\frac{\mathrm{\π}}{2},\frac{\mathrm{\π}}{2});$

$y=\frac{1}{2}(2R\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{2})+2R\cos \left(\mathrm{\ωt}\right))=-\sqrt{2}R\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{4})$

最终实现尾鳍安装杆仿生鱼尾的仿生推进运动。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种仿尾鳍推进器，其特征在于，包括左齿轮传动部分（1）、右齿轮传动部分（2）、中部行星轮系部分（3）、总输入轴（4）、轴承（5）、连杆（6）、尾鳍连杆（7）和尾鳍（8），其中，

所述左齿轮传动部分(1)中包括左主动轮（101）、左从动轮（102）、左行星架支撑轴（103）和左箱体（104），所述左从动轮（102）与左行星架支撑轴（103）的输入端键连接，并与左主动轮（101）外啮合；

所述右齿轮传动部分（2）中包括右主动轮（201）、右从动轮（202）、右行星架支撑轴（203）和右箱体（204），右从动轮（202）与右行星架支撑轴（203）的输出端键连接，并与右主动轮（201）外啮合；

所述中部行星轮系部分（3）中包括左支撑箱体（301）、第一左轴承（302）、左行星架（303）、左固定端盖（304）、第二左轴承（305）、左行星轮（306）、左轴承端盖（307）、左挡板（308）、螺钉（309）、左双头螺柱（310）、螺栓（311）、右支撑箱体（312）、第一右轴承（313）、右行星架（314）、右固定端盖（315）、第二右轴承（316）、右行星轮（317）、右轴承端盖（318）、右挡板（319）、螺钉（320）、右双头螺柱（321）、螺栓（322）和太阳轮箱体（323）；所述总输入轴（4）依次穿过右箱体（204）、右支撑箱体（312）、轴承（5）、太阳轮箱体（323）和左支撑箱体(301)，并通过所述轴承（5）分别安装在右支撑箱体（312）和左支撑箱体（301）上，所述左主动轮（101）和右主动轮（201）分别与总输入轴（4）的左端和右端键连接；

所述左行星架支撑轴（103）通过第一左轴承（302）安装在左支撑箱体（301）上，所述左行星架（303）的输入端与左行星架支撑轴（103）的输出端键连接，所述左行星轮（306）通过一对第二左轴承（305）安装于左行星架（303）的输出轴上，所述螺钉（309）穿过左挡板（308）和左轴承端盖（307）与左行星架（303）的输出轴固定连接，所述左挡板（308）与左轴承端盖（307）之间留有间隙，使左行星轮（306）能自由转动，所述左行星轮（306）的齿轮啮合端与太阳轮箱体（323）的太阳轮部分内啮合，所述左双头螺柱（310）位于左行星轮（306）的圆盘状运动输出端上，其中心分布半径为齿轮啮合端分度圆半径，所述尾鳍安装杆（7）的一端与左双头螺柱（310）的细头端铰接；

所述右行星架支撑轴(203)通过第一右轴承(313)安装于右支撑箱体(312)上，所述右行星架(314)的输入端与右行星架支撑轴(203)的输出端键连接，所述右行星轮(317)通过一对第二右轴承(316)安装于右行星架(314)的输出轴上，所述螺钉(320)穿过右挡板(319)和右轴承端盖(318)与右行星架(314)的输出轴固定连接，所述右挡板(319)和右轴承端盖(318)之间留有间隙，使右行星轮(317)能自由转动，所述右行星轮（317）的齿轮啮合端与太阳轮箱体（323）的太阳轮部分啮合，所述右双头螺柱（321）位于右行星轮（317）的圆盘状运动输出端上，其中心分布半径为齿轮啮合端分度圆半径，所述连杆（6）的一端与右双头螺柱（321）的细头端铰接，另一端和尾鳍安装杆（7）的另一端铰接，所述尾鳍（8）安装于尾鳍安装杆(7)的末端；

还包括基座（9），所述左箱体（104）和右箱体（204）分别与左支撑箱体（301）和右支撑箱体（312）固定连接；所述左支撑箱体（301）和右支撑箱体（312）分别与太阳轮箱体（323）的左端和右端固定连接；所述左箱体（104）、左支撑箱体（301）、右支撑箱体（312）和右箱体（204）的底部分别与基座（9）固定连接；

所述左行星轮（306）及右行星轮（317）为双圆盘式行星轮，其一端为齿轮啮合端，另一端为无齿形的圆盘状运动输出端。

2.根据权利要求1所述的一种仿尾鳍推进器，其特征在于，所述圆盘状运动输出端为选择不同的路径设置有12个螺纹孔，螺纹孔的中心等间距分布于半径等于齿轮啮合端分度圆半径的圆上。

3.根据权利要求1所述的一种仿尾鳍推进器，其特征在于，所述左行星轮（306）和右行星轮（317）在装配时之间的V型夹角是根据尾鳍复合运动相位差的需要设置为之间的任意角度。

4.根据权利要求1或3所述的一种仿尾鳍推进器，其特征在于，所述左行星轮（306）和右行星轮（317）在装配时的相位差优选为。