CN104724269B - 一种空间机动尾摆推进装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间机动尾摆推进装置，包括K‑H‑V型直线型内摆线行星轮系、行星盘外接盘转动装置、空间球副杆系、机动控制机构及尾鳍方向控制机构。K‑H‑V型直线型内摆线行星轮系和空间球副杆系综合作用实现机器鱼尾部的摆动/拍动；行星盘外接盘转动装置带动行星盘转动，通过改变行星轮上的运动输出点在行星轮分度圆上的位置变换尾鳍连杆摆动/拍动的运动方向；机动控制机构带动活动机架旋转，实现机器鱼转弯机动和升潜；尾鳍方向控制机构控制尾鳍的击水角度，使尾鳍保持最佳击水角度。本发明实现鯵科模式和海豚模式游动自由切换，机构原理与结构组成简单，尾鳍运动无急回，适合应用为水下自动航行器的动力装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿生推进装置，具体来说，是指一种尾摆式仿生推进动力装置。
背景技术
鱼类作为自然界进化的产物，其出色的游动能力日益受到国内外学者的关注。金枪鱼和海豚等水生动物高超的游泳能力是螺旋桨推进的船舶难以比拟的，其采用的尾鳍推进模式，被认为是效率最高、速度最快的推进模式,这种推进模式还被认为是未来水下自动航行器动力装置的最终设计目标，在复杂海洋环境下的海洋观测、军事监视、水下作业和水下救生等领域具有重大应用前景。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号：CN 101301926 B，公告日：2010.10.06，专利名称：具有升潜模块和尾部模块的仿生机器鱼，该机器鱼通过升潜模块实现机器鱼的升潜，尾部模块的丝杠机构来输出往复移动，最终在连杆总成的作用下实现机器鱼的左右机动及推进，从而实现了机器鱼的空间机动；中国专利公开号：CN2011026625Y，公告日：2008.08.20，专利名称：三维运动仿生机器鱼，该机器鱼通过尾部串联的舵机实现机器鱼的推进和左右机动，通过重心改变装置，改变机器鱼姿态，从而实现上升下潜。
目前，采用尾鳍摆动推进模式的机器鱼大多运动模式大都难以灵活模拟鱼尾的运动；采用重心调节机构或类似于鱼体气囊的排水机构来实现机器鱼的升潜，推进和升潜采用分离的机构来实现，会降低空间利用率，加大机构的复杂性，可靠性也会降低。
发明内容
本发明旨在提供一种空间机动尾摆推进装置，以金枪鱼和海豚的尾鳍运动为原型，该装置能实现尾鳍摆动/拍动两种运动模式的灵活转换，并能在保持有效击水角度的基础上灵活变换尾鳍摆动/拍动的运动方向；同时活动机架转动装置可以改变尾鳍运动轴线的方向来产生不同方向的侧向力/升力，实现推进、转弯及升潜等运动特性；该装置采用的推进和升潜集成的推进模式，特别适合模仿尾鳍在垂直面内摆动的鲸、豚类运动。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种空间机动尾摆推进装置，其特征在于，由壳体、K-H-V型直线型内摆线行星传动装置、行星盘外接盘转动装置、空间球副杆系、尾鳍方向控制机构和机动控制机构组成。
所述壳体由下壳体和上壳体连接而成。
所述K-H-V型直线型内摆线行星传动装置包括电源、伺服电机、联轴器、行星架、行星轮和太阳轮；所述电源、伺服电机均与下壳体固连，伺服电机输出轴通过联轴器与行星架连接并提供转矩，所述行星轮安装在行星架的输出轴上，两者之间通过轴承连接，行星架带动行星轮公转，所述行星轮与固连在下壳体上的太阳轮内啮合，使行星轮产生自转；所述行星轮分度圆的直径为太阳轮分度圆直径二分之一。
所述行星盘外接盘转动装置包括二号电源、二号控制器、压紧盖和四号舵机；所述行星轮内部设置有二号电源和二号控制器，所述压紧盖为圆形，所述压紧盖与行星轮的后端面固定连接，所述压紧盖上安装四号舵机，所述四号舵机的输出盘与外接盘同轴线固连。
所述空间球副杆系包括球头、伸缩连杆、压紧圈、橡胶；所述球头固定连接在外接盘位于行星轮分度圆的圆周上，所述伸缩连杆的一端与球头采用固定连接。
所述尾鳍方向控制机构包括三号舵机和尾鳍，所述三号舵机的输出盘与尾鳍固连，所述三号舵机与伸缩连杆固连。
所述机动控制机构包括一号舵机、二号舵机、一号电源、一号控制器和活动支架；所述一号电源安装在下壳体的固定位上，一号舵机安装于上壳体的固定位上，所述二号舵机通过配套固定支架与一号舵机的输出盘连接，所述二号舵机与一号舵机的输出轴线相互垂直，所述二号舵机控制活动支架在水平面内转动，所述一号舵机控制活动支架在垂直面内转动；所述二号舵机的输出盘为水平设置，所述活动支架由上杆和下杆组成，所述上杆和下杆的后端之间与固定板固定连接，所述固定板通过设有压紧圈压紧的橡胶与伸缩连杆靠近尾鳍部分连接，所述上杆的前端连接二号舵机的输出盘，所述下杆的前端与下壳体铰接连接。所述一号电源(21)和二号电源(25)为6V。
还包括控制系统，控制系统由遥控端、接收端和总控制器组成，所述遥控端的命令通过无线信号发射，所述接收端接收遥控端的无线信号，并将无线信号传给总控制器，所述总控制器连接一号控制器和二号控制器，并将遥控端的命令传给一号控制器和二号控制器。从而实现对空间机动尾摆推进装置的无线遥控控制。
所述壳体前端成纺锤状或椭球状，有利于减小前进时液体的阻力，由于纺锤状或椭球状为轴对称，能够保持运动过程中的平衡。所述壳体密闭的空间，所述伺服电机、一号电源、一号控制器、二号电源、二号控制器、电源、遥控端、接收端和总控制器设于密闭的壳体内。
本发明的优点在于：
1、本发明空间机动尾摆仿生推进装置通过直线型内摆线行星轮系、球副杆系和机动控制机构总成实现尾摆式仿鱼推进、转弯和升潜在尾鳍运动上的集成，结构简单、且运动无急回；
2、本发明空间机动尾摆仿生推进装置通过安装于行星轮内部的舵机改变连接盘上球头的运动路径，实现尾鳍运动方向的灵活变换，辅以三号舵机调整尾鳍击水角度，可以实现两种推进模式(鯵科推进模式和海豚推进模式)的自由切换，可以应对不同水流流速、流向等外界环境的影响；
3、本发明空间机动尾摆仿生推进装置中尾鳍摆动方向及击水角度均单独控制，便于在不同外界环境下调整找寻最佳组合，环境适应性强，可操纵性能高。
附图说明
图1为本发明仿生推进装置整体结构主视示意图。
图2为本发明仿生推进装置整体结构俯视示意图。
图3为本发明仿生推进装置直线型内摆线行星轮系安装示意图。
图中：1—下部壳体，2—上部壳体，3—伺服电机，4—联轴器，5—固定座，6—行星架，7—一号舵机，8—二号舵机，9—太阳轮，10—行星轮，11—外接盘，12—球碗，13—球头，14—伸缩连杆，15—活动支架，16—固定板，17—尾鳍，18—三号舵机，19—橡胶，20—压紧圈，21—一号电源，22—一号控制器，23—一号轴承，24—螺栓，25—二号电源，26—二号控制器，27—四号舵机，28—压紧盖，29—二号轴承，30—总电源。①—壳体，②—K-H-V型直线型内摆线行星传动装置，③—行星盘外接盘转动装置，④—空间球副杆系，⑤—尾鳍方向控制机构，⑥—机动控制机构。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明；
本发明一种空间机动尾摆推进装置，由壳体、K-H-V型直线型内摆线行星传动装置、行星盘外接盘转动装置、空间球副杆系、尾鳍方向控制机构和机动控制机构组成。包括下壳体1、上壳体2、总电源30、伺服电机3、联轴器4、行星架6、行星轮10、太阳轮9、一号电源21、一号控制器22、二号电源25、二号控制器26、压紧盖28、一号舵机7、二号舵机8、三号舵机18、四号舵机27、外接盘11、球碗12、球头13、伸缩连杆14、橡胶19、压紧圈20、活动支架15、尾鳍17。
所述总电源30、伺服电机3均与下壳体1固连，伺服电机3输出轴通过联轴器4与行星架6连接并提供转矩，安装在行星架6上分度圆直径为太阳轮9分度圆直径二分之一的行星轮10与固连在下壳体1上的太阳轮9内啮合，形成K-H-V型直线型内摆线行星传动装置；所述行星轮10内部设置有二号电源25、二号控制器26，与行星轮10固定连接的压紧盖28上安装的四号舵机27的输出盘与外接盘11同轴线固连，形成行星轮外接盘转动装置；这种特殊的K-H-V型直线型内摆线行星传动装置和行星盘外接盘转动装置总成，实现太阳轮9端面内任意直径方向上往复直线运动的输出。
所述伸缩连杆14的一端与行星轮10固连的外接盘11上位于行星轮10分度圆圆周上的球头13采用固定连接，伸缩连杆14另一端与三号舵机18固连，伸缩连杆14靠近尾鳍17部分与活动支架15之间设有通过压紧圈20压紧的橡胶19，形成空间球副杆系；所述尾鳍方向控制机构包括三号舵机18及尾鳍17，三号舵机18的输出盘与尾鳍17固连；采用空间球副杆系和尾鳍方向控制机构总成，将太阳轮9端面内任意方向的往复运动转变为垂直于尾鳍17所在平面任意方向上的往复摆动/拍动，并保证有效击水角。
所述机动控制机构包括一号舵机7、二号舵机8、一号电源21、一号控制器22和活动支架15；一号电源21安装在下壳体1固定位上，一号舵机7安装于上壳体2固定位上，二号舵机8与一号舵机7连接，二者输出轴线相互垂直，两个舵机分别控制活动支架15在水平面和垂直面内转动，改变尾鳍17摆动中心在空间的位置，实现转弯和升潜等机动性能所需要的不同的尾鳍17摆动方向和摆动运动域。
具体工作过程如下：
当机器鱼以鯵科模式水平推进的时候，伺服电机3输出转矩带动行星架6旋转，行星架6驱动行星轮10产生公转，行星轮10在太阳轮9的约束作用下产生自转，进而使外接盘11上球副(包括球碗12和球头13)的运动中心沿其所在太阳轮9的分度圆直径作往复直线运动，伸缩连杆14左端与球头12固连，右端与三号舵机18固定连接，中间以橡胶19限制伸缩连杆13的局部自由度，使尾鳍17摆动，三号舵机18调整尾鳍17的击水角度，保证有效击水角度。
所述机动控制机构包括一号舵机7、二号舵机8、一号电源21、一号控制器22和活动支架15；一号电源21安装在下壳体1固定位上，一号舵机7安装于上壳体2固定位上，二号舵机8与一号舵机7连接，二者输出轴线相互垂直，两个舵机分别控制活动支架15在水平面和垂直面内转动，改变尾鳍17摆动中心在空间的位置，实现转弯和升潜等机动性能所需要的不同的尾鳍17摆动方向和摆动运动域。
具体工作过程如下：
当机器鱼以鯵科模式水平推进的时候，伺服电机3输出转矩带动行星架6旋转，行星架6驱动行星轮10产生公转，行星轮10在太阳轮9的约束作用下产生自转，进而使外接盘11上球副(包括球碗12和球头13)的运动中心沿其所在太阳轮9的直径作往复直线运动，伸缩连杆14左端与球头12球副连接，右端与尾鳍17球副连接，中间以橡胶19限制伸缩连杆的局部自由度，使尾鳍17摆动，三号舵机18调整尾鳍17的击水角度，保证有效击水角度。
当机器鱼以鯵科模式推进需要进行左转弯机动时，二号舵机8接收一号控制器21的指令带动活动支架15绕在水平面内逆时针转动一定角度，进而使尾鳍17摆动中心逆时针转动一定角度，使尾鳍17在机器鱼前进方向上右侧摆动的幅度大于左侧摆动的幅度，使整个机器鱼在一个运动周期中前进方向受到的右侧向力大于左侧向力，进而使机器鱼向前进方向左侧机动；同理，二号舵机8顺时针旋，带动活动支架15在水平面内顺时针旋转一定角度，现机器鱼向前进方向右转弯机动。
当以鯵科模式推进需要进行升潜时，一号舵机7接收一号控制器21的指令使其垂直于水平面的输出轴逆时针旋转，最终带动二号舵机8和活动支架15一起垂直于水平面向上旋转，使尾鳍17摆动中心上移，使尾鳍产生沿前进方向的推进力和垂直于水平面向下的分力，从而使机器鱼下潜；同理，一号舵机7顺时针旋转可带动二号舵机8和活动支架15一起垂直于水平面向下旋转，从而实现机器鱼上浮。
当机器鱼从鯵科模式转变为海豚模式时，位于行星轮10内部的二号控制器控制四号舵机27带动外接盘11旋转90°，使球副(包括球碗11和球头12)的运动路径由平行于水平面运动转变为垂直于水平面运动，使尾鳍17由左右摆动转变为上下拍动，相应地用三号舵机17带动尾鳍17旋转90°以调整尾鳍17击水角，从而从鯵科推进模式转变为海豚推进模式。
海豚推进模式机动控制方法与鯵科推进模式类似，二号舵机8逆时针旋转带动活动支架15在水平面内旋转一定角度，从而实现机器鱼前进方向左拐弯，反之，实现其右拐弯；一号舵机7逆时针旋转带动二号舵机8及活动支架15在垂直于水平面内向下转动，从而实现机器鱼下潜，反之，实现上浮。
Claims (7)
1.一种空间机动尾摆推进装置，其特征在于，由壳体、K-H-V型直线型内摆线行星传动装置、行星盘外接盘转动装置、空间球副杆系、尾鳍方向控制机构和机动控制机构组成；
所述壳体由下壳体(1)和上壳体(2)连接而成；
所述K-H-V型直线型内摆线行星传动装置包括总电源(30)、伺服电机(3)、联轴器(4)、行星架(6)、行星轮(10)和太阳轮(9)；所述总电源(30)、伺服电机(3)均与下壳体(1)固连，伺服电机(3)输出轴通过联轴器(4)与行星架(6)连接并提供转矩，所述行星轮(10)安装在行星架(6)的输出轴上，行星轮(10)与行星架(6)的输出轴之间通过轴承(23)连接，行星架(6)带动行星轮(10)公转，所述行星轮(10)与固定在下壳体(1)上的太阳轮(9)内啮合，使行星轮(10)产生自转；
所述空间球副杆系包括球头(13)、伸缩连杆(14)、压紧圈(20)、橡胶(19)；所述球头(13)固定连接在外接盘(11)位于行星轮(10)分度圆的圆周上，所述伸缩连杆(14)的一端与球头(13)采用固定连接；
所述尾鳍方向控制机构包括三号舵机(18)和尾鳍(17)，所述三号舵机(18)的输出盘与尾鳍(17)固连，所述三号舵机(18)与伸缩连杆(14)固连；
所述机动控制机构包括一号舵机(7)、二号舵机(8)、一号电源(21)、一号控制器(22)和活动支架(15)；所述一号电源(21)安装在下壳体(1)的固定位上，一号舵机(7)安装于上壳体(2)的固定位上，所述二号舵机(8)与一号舵机(7)的输出盘连接，所述二号舵机(8)的输出轴线与一号舵机(7)的输出轴线相互垂直；所述二号舵机(8)的输出盘为水平设置，所述二号舵机(8)控制活动支架(15)在水平面内转动，所述一号舵机(7)控制活动支架(15)在垂直面内转动；所述活动支架(15)由上杆和下杆组成，所述上杆和下杆的后端之间通过固定板(16)固定连接，所述固定板(16)通过设有压紧圈(20)压紧的橡胶(19)与伸缩连杆(14)靠近尾鳍(17)部分连接，所述上杆的前端连接二号舵机(8)的输出盘，所述下杆的前端与下壳体(1)球铰接连接。
2.根据权利要求1所述的一种空间机动尾摆推进装置，其特征在于，还包括行星盘外接盘转动装置，所述行星盘外接盘转动装置包括二号电源(25)、二号控制器(26)、压紧盖(28)和四号舵机(27)；所述行星轮(10)内部设置有二号电源(25)和二号控制器(26)，所述压紧盖(28)为圆形，所述压紧盖(28)与行星轮(10)的后端面固定连接，所述压紧盖(28)上安装四号舵机(27)，所述四号舵机(27)的输出盘与外接盘(11)同轴线固连。
3.根据权利要求1或2所述的一种空间机动尾摆推进装置，其特征在于，所述行星轮(10)的分度圆直径为太阳轮(9)分度圆直径的二分之一。
4.根据权利要求2所述的一种空间机动尾摆推进装置，其特征在于，还包括控制系统，控制系统由遥控端、接收端和总控制器组成，所述遥控端的命令通过无线信号发射，所述接收端接收遥控端的无线信号，并将无线信号传给总控制器，所述总控制器连接一号控制器(22)和二号控制器(26)，并将遥控端的命令传给一号控制器(22)和二号控制器(26)。
5.根据权利要求1或2所述的一种空间机动尾摆推进装置，其特征在于，所述下壳体(1)和上壳体(2)组成的壳体前端成纺锤状或椭球状。
6.根据权利要求2所述的一种空间机动尾摆推进装置，其特征在于，所述壳体为密闭的空间，所述伺服电机(3)、一号电源(21)、一号控制器(22)、二号电源(25)、二号控制器(26)和总电源(30)设于密闭的壳体内。
7.根据权利要求2所述的一种空间机动尾摆推进装置，其特征在于，所述一号电源(21)和二号电源(25)为6V。
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