CN105173042A - 基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，目的在于模仿蝠鲼的胸鳍展向摆动曲线以及弦向波动运动，包括3根鳍条，每根鳍条分别由一个防水舵机驱动。其中，前鳍条、中鳍条与后鳍条均由传动杆和尾杆组成，传动杆数量由胸鳍尺寸而定。上述驱动舵机与末端的传动杆间，以及各个传动杆间通过一套行星轮系机构与传动杆内部安装的同步带传动机构实现动力传递，能够以紧凑的结构形式拟合蝠鲼的胸鳍摆动曲线。且中鳍条中位于尖端的传动杆与尾杆之间设置有转动关节，使得尾杆具有弦向转动自由度，相邻鳍条通过弹簧牵连，由此运动过程中通过弹簧的拉力可驱动中鳍条的尾杆的转动关节转动，以提高胸鳍尖端的弦向运动能力。

Description

基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置

技术领域

本发明涉及一种水下仿生胸鳍推进装置，属于水下潜器技术领域，具体来说，是一种能够模仿海洋中胸鳍摆动推进的蝠鲼胸鳍三维运动变形的多鳍条多关节仿生胸鳍驱动骨架。

背景技术

鱼类经过亿万年的自然选择，进化出了近乎完美的游动技能，尤其在速度、机动性、效率、低噪声等诸多方面表现非常突出。但是人类研发的水下螺旋桨推进器，与鱼类相比，在速度、机动性、效率等诸多方面均表现欠佳。因而越来越多的研究者试图通过仿生方式来提高水下推进器的性能，因此水下仿生机器人也受到了越来越多的关注。

鱼类的推进方式主要分为两种，身体/尾鳍推进模式(body/caudalfinmode,BCF)和中央鳍/对鳍推进模式(medianand/orpairedfinmode,MPF)。本发明中的仿生原型(蝠鲼)依靠胸鳍摆动推进，属于MPF鱼类的一种，与BCF模式相比，在机动性、噪声、游动效率方面具备明显优势。蝠鲼胸鳍在摆动时，其展向截面形状为多项式曲线，通常有三种方法以拟合曲线运动规律：智能材料、柔性机构、刚性机构。智能材料与柔性机构产生的驱动力较小，导致仿生机器鱼游速低等问题，而多数刚性机构存在鳍条外形隆起，导致胸鳍外形不美观、不光滑，驱动效率低等问题。

发明内容

为了解决上述问题，在拟合胸鳍变形的多项式曲线的前提下，优化胸鳍的变形效果，提高胸鳍外形的光滑程度，本发明提出一种基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，而且能够装备到水下潜器机体上的，结构简单、应用灵活的水下推进装置。

基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，其特征在于：包括前鳍条、中鳍条与后鳍条，均由m组传动杆、m套行星轮系机构、一根尾杆与一个驱动舵机构成；m＝1、2、3、……。所述传动杆内部具有空腔，安装有同步带传动机构，同步带传动机构中，两个同步带轮分别通过轮轴安装于传动杆的输入端与输出端；行星轮系机构具有相互啮合的太阳轮和行星轮。

上述m组传动杆中，位于末端传动杆的输入端与驱动舵机输出轴固定，由驱动舵机驱动传动杆上下摆动；且通过一套行星轮系机构将传动杆上下摆动转化为末端传动杆的输入端轮轴的转动，进而使末端传动杆内同步带传动机构实现动力传递。

第n组传动杆与第n+1组传动杆中，n＝1、2、3、……、m-1，第n+1组传动杆的输入端与第n组传动杆输出端的转轴固定；进而使第n组传动杆内同步带传动机构将动力传递至第n+1组传动杆，驱动第n+1组传动杆的上下摆动；且通过一套行星轮系机构将第n组传动杆上下摆动转化为第n+1组传动杆的输入端轮轴的转动，进而使第n+1组传动杆内同步带传动机构实现动力传递传动。

第m组传动杆的输出端轮轴通过尾杆连接臂与尾杆末端固定，通过第m组传动杆内同步带传动机构将动力传递至尾杆，驱动尾杆上下摆动。

上述前鳍条、中鳍条与后鳍条中驱动舵机安装于舵机安装座上，通过舵机安装座与机器鱼中间基体固定。

通过合理控制鳍条间的运动相位差，本发明基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，可实现由展向摆动以及弦向波动耦合而成的复杂三维运动。

本发明的优点在于：

1、本发明基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，前鳍条、中鳍条、后鳍条均采用防水舵机驱动，能够拟合仿生对象蝠鲼的胸鳍展向变形规律；

2、本发明基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，能够灵活应用于仿生水下航行器中，根据航行器的尺寸以及任务需求，可以灵活选择鳍条的数目以及展向长度。

3、本发明基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，结构紧凑，在鳍条的整个运动过程中，鳍条运动关节处无隆起，外形光滑，可以采用非透水整体浇筑蒙皮包覆。

4、本发明基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，前鳍条与后鳍条采用相同关节数目及刚度的鳍条，使得航行器具备良好的倒游能力；

5、本发明基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，中鳍条尾杆上装有转动关节，提高了胸鳍尖端的弦向转动能力，相邻鳍条通过弹簧牵连，以驱动转动关节运动。

附图说明

图1为本发明基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置整体结构示意图；

图2为本发明基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置的前鳍条或后鳍条结构爆炸图；

图3为本发明基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置的中鳍条结构爆炸图。

图中：

1-前鳍条2-中鳍条3-后鳍条4-传动杆

5-尾杆6-尾杆安装臂7-行星轮系机构8-驱动舵机

9-舵机安装座10-弹簧11-转动关节12-中间基体

401-连杆402-盖板403-同步带传动机构403a-传动带轮

403b-传动带701-太阳轮702-行星轮

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。

本发明仿生胸鳍鳍条装置，包括前鳍条1、中鳍条2与后鳍条3，前鳍条1、中鳍条2、后鳍条3分别沿弦向等间隔设置，如图1、图2、图3所示。本实施例方式中，前鳍条1与后鳍条3均包括一组传动杆4、一根尾杆5、一组尾杆安装臂6、一套行星轮系机构7、一个驱动舵机8以及舵机安装座9。而中鳍条包括两组传动杆4、一根尾杆5、一组尾杆安装臂6、两套行星轮系机构7、一个驱动舵机8以及舵机安装座9。其中，驱动舵机安装座9用来支撑驱动舵机8，固定安装于机器鱼中间基体12上。传动杆4包括两根连杆401、一组盖板402与一套同步带传动机构403；两根连杆401通过一组上下设置的盖板402固定，内部形成空腔，作为同步带传动机构403安装腔。同步带传动机构403由两个传动带轮403a与一条传动带403b构成，两个传动带轮403a分别设置于传动杆401的输入端与输出端处，固定于转轴上，转轴两端分别与两根连杆401的相对位置通过转动轴承相连；两个传动带轮403a间通过传动皮带403b相连。行星轮系机构7包括相互啮合的太阳轮701与行星轮702，用于将驱动舵机8输出的动力传递至同步带传动机构403。行星轮系机构7通过齿轮箱封装，防止在行星轮系机构7运动过程中卷入异物。

所述前鳍条1与后鳍条3结构相同，具体为：将传动杆4视为行星架，则太阳轮701固定安装在舵机安装座9上，行星轮702固定安装在传动杆4输入端的转轴上。驱动舵机8的输出轴穿过太阳轮701后，与传动杆4输入端外壁固定；传动杆4输出端的转轴两端通过一组尾杆安装臂6与尾杆5的末端固定。由此，通过驱动舵机8可以直接将动力传递至传动杆4，使传动杆4上下摆动；同时传动杆4带动行星轮702绕太阳轮701转动，进而带动传动杆4输入端的传动带轮403a转动，由此动力通过同步带传动机构403传递至尾杆5，带动尾杆5上下摆动。

所述中鳍条2的具体结构为：令中鳍条2中两组传动杆4分别为第一传动杆与第二传动杆，两套行星轮系机构7分别为第一行星轮系机构与第二行星轮系机构。将第一传动杆视为第一行星轮系的行星架，则第一行星轮系机构中太阳轮701固定安装在舵机安装座9上，行星轮702安装在第一传动杆输入端的转轴上。驱动舵机8的输出轴穿过第一行星轮系机构中的太阳轮701后与第一传动杆输入端固定。第二传动杆的输入端固定于第一传动杆输出端的转轴上。将第二传动杆视为第二行星轮系的行星轮架，第二行星轮系机构中太阳轮701固定安装在第一级传动杆的输出端外壁上，行星轮702与第二传动杆输入端的转轴固定。第二传动杆输出端的转轴两端通过尾杆安装臂6与尾杆5的末端固定。由此，通过驱动舵机8可以直接将动力传递至第一传动杆，使第一传动杆上下摆动；同时第一传动杆带动第一行星轮系机构中行星轮702绕太阳轮701转动，进而带动第一传动杆输入端的传动轮转动，由此动力通过同步带传动机构403传递至第二传动杆，使第二传动杆上下摆动；同时第二传动杆带动第二行星轮系机构中行星轮702绕太阳轮701转动，进而带动第二传动杆输入端的传动带轮403a转动，由此动力通过同步带传动机构403传递至尾杆5，带动尾杆5上下摆动。本发明中各行星轮系机构中太阳轮701与行星轮702的分度圆直径相同，进而使前鳍条1与后鳍条3的传动杆4与尾杆摆动角度比为1：2；中鳍条2的第一传动杆、第二传动杆与尾杆5间的摆动角度比为1：2：3，由此使各鳍条的受力特性良好，尺寸紧凑，同时机构对自然原型摆动曲线具有最佳的拟合效果。

上述前鳍条1、中鳍条2与后鳍条3均采用行星轮系机构7与同步带传动机构403实现传动，且由自身作为行星轮系机构7的行星架，进而实现以紧凑的机构形式拟合自然原型胸鳍摆动曲线。同时设计同步带传动机构403安装于传动杆4内部，便于同步带传动机构403的密封，防止运动过程中异物卷入同步带。

本发明中前鳍条1与后鳍条3的尾杆5设计为条形板状结构；中鳍条2的尾杆5设计为尖端两侧具有连接端头的T型板状结构，前鳍条1与后鳍条2中尾杆5尖端分别与中鳍条2中尾杆5尖端两侧的连接端头通过弹簧10相连；同时使中鳍条2的第二传动杆与尾杆5间通过转动关节11相连。所述转动关节11具有转动座与弦向转轴，弦向转轴插入转动座内，周向上可转动，且通过在转动座上固定档盖，实现弦向转轴轴向定位，以限制弦向转轴沿展向的移动。即第二传动杆通过尾杆安装臂6与转动关节11的转动座固定，转动关节11的弦向转轴与尾杆5末端固定，由此使得尾杆5具有弦向俯仰转动自由度。在本发明基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置运动过程中，通过弹簧10的拉力可驱动中鳍条2的转动关节11转动，提高了胸鳍尖端的弦向运动能力。本发明中前鳍条1、中鳍条2与后鳍条3的尾杆5均为具备良好柔性变形能力的碳纤维杆，以提高鳍条末端的柔性变形能力，进而提高仿生推进装置的推进效率。

上述结构两套仿生胸鳍鳍条装置对称安装于水下机器鱼中间基体12两侧，前鳍条1、中鳍条2、后鳍条3通过舵机安装座9固定安装于水下机器鱼中间基体12侧壁上；且前鳍条1、中鳍条2、后鳍条3的驱动舵机8的输出轴均通过轴承与水下机器鱼中间基体12侧壁上的三个轴承座相连，实现对前鳍条1、中鳍条2、后鳍条3的支撑。

通过合理控制鳍条间的运动相位差，本发明基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，可实现由展向摆动以及弦向波动耦合而成的复杂三维运动。

Claims (7)

1.基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，其特征在于：包括前鳍条、中鳍条与后鳍条，均由m组传动杆、m套行星轮系机构、一根尾杆与一个驱动舵机构成；m＝1、2、3、……；所述传动杆内部具有空腔，安装有同步带传动机构，同步带传动机构中，两个同步带轮分别通过轮轴安装于传动杆的输入端与输出端；行星轮系机构具有相互啮合的太阳轮和行星轮；

上述m组传动杆中，位于末端传动杆的输入端与驱动舵机输出轴固定，由驱动舵机驱动传动杆上下摆动；且通过一套行星轮系机构将传动杆上下摆动转化为末端传动杆的输入端轮轴的转动，进而使末端传动杆内同步带传动机构实现动力传递；

第n组传动杆与第n+1组传动杆中，第n+1组传动杆的输入端与第n组传动杆输出端的转轴固定；进而使第n组传动杆内同步带传动机构将动力传递至第n+1组传动杆，驱动第n+1组传动杆上下摆动；且通过一套行星轮系机构将第n组传动杆上下摆动转化为第n+1组传动杆的输入端轮轴的转动，进而使第n+1组传动杆内同步带传动机构实现动力传递；

第m组传动杆的输出端轮轴通过尾杆连接臂与尾杆末端固定，通过第m组传动杆内同步带传动机构将动力传递至尾杆，驱动尾杆上下摆动；

上述前鳍条、中鳍条与后鳍条中驱动舵机安装于舵机安装座上，通过舵机安装座与机器鱼中间基体固定。

2.如权利要求1所述基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，其特征在于：末端传动杆与驱动舵机间的行星轮系机构安装方式为：太阳轮固定于舵机安装座上；行星轮固定安装于末端传动杆的输入端转轴上。

3.如权利要求1所述基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，其特征在于：第n根传动杆与第n+1根传动杆间的行星轮系机构安装方式为：太阳轮固定于第n根传动杆的输出端上，行星轮固定安装于第n+1根传动杆的输入端转轴上。

4.如权利要求1所述基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，其特征在于：所述前鳍条、中鳍条与后鳍条的尾杆尖端间通过弹簧相连；同时，中鳍条的尾杆末端与第m根传动杆的输出端间通过转动关节相连。

5.如权利要求1所述基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，其特征在于：所述尾杆采用碳纤维杆。

6.如权利要求1所述基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，其特征在于：行星轮系机构中太阳轮与行星轮的分度圆直径相同。

7.如权利要求1所述基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，其特征在于：对行星轮系机构进行封装。