CN105235837A - 一种基于对长鳍波动水下推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于对长鳍波动水下推进装置，在水下航行器机身两侧分别安装有若干直线导轨滑槽，两侧的直线导轨滑槽数量相同，各直线导轨滑槽相互平行，且直线导轨滑槽垂直于水下航行器机身轴线；每条直线导轨滑槽上安装一个鳍条，鳍条的一端通过套筒安装在直线导轨滑槽上，各鳍条相互平行且能够沿直线导轨滑槽往复运动，相邻的鳍条之间张紧有柔性膜；每侧的套筒均分别通过连杆连接一条曲轴，由曲轴的旋转运动驱动连杆沿沿直线导轨滑槽往复运动，进而带动柔性膜做正弦波动。本发明运动灵活，无舵转向可在小范围内实现180度转向，并且能解决航行器倒车，产生的噪声不大于背景噪声，运动稳定性高。

Description

一种基于对长鳍波动水下推进装置

技术领域

本发明涉及一种在潜水区作业的微小航行器推进装置。

背景技术

目前，国内外仿鱼研究的热点主要集中在摆动方式，对鱼类波动游动的仿生运动研究还只是在近几年才开始出现。但是，国内外目前在这方面的研究主要集中于依靠身体和尾鳍作为单一动作单元波动的推进方式(身体/尾鳍推进模式)和短鳍摆动方式上。目前在潜水区作业的微小航行器推进装置技术尚未达到十分成熟的水平，常见的推进装置基本上有三种类型：

一是振螺旋桨型，靠桨叶在水中旋转将发动机转动功率转化为推进力的装置。它由多个桨叶和中央的桨毂组成，桨叶好像一扭转的细长船桨安装在桨毂上，发动机轴与桨毂相连接并带动它旋转。但是此类推进方式有噪音大，转弯半径大，运动不灵活的缺点。

二是泵喷型，泵喷推进器是由环状导管、定子和转子构成的组合式推进装置。环状导管的剖面为机翼型，罩住转子和定子，它是泵喷推进器内外流场的控制面。定子为一组与来流成一定角度的固定叶片，使转子入流产生预旋或吸收转子尾流的旋转能量，同时用于固定导管；转子为类似于螺旋桨的旋转叶轮，通过与水流的相互作用产生推力。但是此类推进方式装置复杂，成本高，且仍有转弯半径大，运动不灵活的缺点。

三是鱼尾型，动力装置仿照鱼类尾鳍，外形完全对称，依靠舵机的转动尾鳍，从而决定运动方向，提供前进的动力。此类推进方式有转弯半径虽然比上面的两种推进方式小，但是转弯半径仍然较大，不够灵活。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种微小航行器推进装置，基于鳍条和柔性蹼结构，通过翼膜的正弦波动推动水流，使航行器向前推进、转向，从而实现微小水下航行器成本低，机动性高，控制简单的要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括柔性膜、套筒、直线导轨滑槽、鳍条、连杆和曲轴。

在水下航行器机身两侧分别安装有若干直线导轨滑槽，两侧的直线导轨滑槽数量相同，各直线导轨滑槽相互平行，且直线导轨滑槽垂直于水下航行器机身轴线；每条直线导轨滑槽上安装一个鳍条，所述鳍条的一端通过套筒安装在直线导轨滑槽上，各鳍条相互平行且能够沿直线导轨滑槽往复运动，相邻的鳍条之间张紧有柔性膜；每侧的套筒均分别通过连杆连接一条曲轴，由曲轴的旋转运动驱动连杆沿沿直线导轨滑槽往复运动，进而带动柔性膜做正弦波动。

所述的柔性膜采用1.5mm的硅胶膜、橡胶蒙皮或乳胶蒙皮制作。

所述的鳍条上安装有夹装条，将柔性膜夹紧后通过螺丝固定。

本发明的有益效果是：

(1)运动灵活，无舵转向可在小范围内实现180度转向，并且能解决航行器倒车问题：推进装置由锂电池驱动两个电机旋转，通过两套曲轴连杆滑块系统，通过连杆与滑槽将曲轴的旋转运动转变为上下直线的往复运动。带动连结在伸长臂上的柔性翼膜波动以实现航行器的向前推进。当两个正弦波的波峰、初相角、频率与传播方向都相等时，推进装置正向运动；当两个正弦波的传播方向不同时，即可左右转向；通过改变两个正弦波的频率来改变航行器的运行速度。配有此推进装置的机体可以完成前进，倒车以及原地360旋转的动作，运动半径仅仅取决于机体的最长尺寸。

(2)产生的噪声不大于背景噪声，对海洋环境影响小：此推进装置在运行时不会产生螺旋桨空化现象，故噪声比螺旋桨推进方式的噪声小。

(3)运动稳定性高。运动产生的气泡不明显：此推进装置在运行时不会产生螺旋桨空化现象，故产生气泡不明显。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是鳍条、套筒和连杆的连接方式示意图；

图3是推理产生机制示意图；

图中，1-头部；2-机体；3-套筒；4-直线导轨滑槽；5-鳍条；6-连杆；7-曲轴；8-尾部。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明根据仿生对象“尼罗河魔鬼鱼”的波动鳍形态和运动特征，设计了如图1所示的波动推进装置，通过翼膜的正弦波动推动水流，使航行器向前推进、转向。为了实现消除横滚，设计在机体的两侧设有根据机体轴线对称的两排波动鳍。每排波动鳍由5根平行鳍条和柔性膜组成，每根鳍条由一个套筒和一个叉装条固连成T字形，套筒的一侧在直线导轨滑槽内控制鳍条的上下运动，套筒的另一侧连接连杆。每个套筒上的连杆分别连接到曲轴上，由曲轴的旋转运动带动连杆，再由直线轨道将此圆周运动转变为上下的直线运动。曲轴上的每个连杆颈之间都夹相同的角度，旋转分布在曲轴上的主轴颈上。每根鳍条呈平行分布在空间内，由柔性的硅胶模材料夹于鳍条的叉装条内，并由螺丝固定。当曲轴转动的时候，每根鳍条上下交替运动，带动柔性的长膜，产生正弦波动，从而可以实现各种类型的波动鳍运动方式。

本发明包括头部、机体、套筒、直线导轨滑槽、鳍条、连杆、曲轴和尾部。鳍面材料采用1.5mm的硅胶模制作。鳍面与鳍条的结合形式采用外夹式，即用鳍条将鳍面材料夹在中间，再用螺丝固定。柔性膜为长方形，夹于鳍条中的缝隙并由螺丝固定。鳍条，套筒，连杆的连接方式如图2所示。

机体采用亚克力材料制作，其规格为：长680mm*宽150mm*高150mm。机体两侧分布两排对称推进装置，每排波动鳍由5根鳍条和柔性膜组成，每根鳍条的长度为150mm，每个鳍条间隔70mm，柔性膜材料采用硅胶模(柔性橡胶蒙皮或乳胶蒙皮亦可)。展开后为长方形，其长度为400mm，宽度为150mm，厚度为1.5mm，每根鳍条由一个套筒和一个叉装条固连成T字形，套筒的一侧配有法兰盘，依靠4乘M3的螺丝固定在直线导轨滑槽内，直线导轨长为80mm，套筒的另一侧连接连杆。每个套筒上的连杆分别连接到曲轴上，由曲轴的旋转运动带动连杆，再由直线轨道将此圆周运动转变为上下的直线运动。曲轴上的每个连杆颈之间都夹相同的角度，旋转分布在曲轴上的主轴颈上。每根鳍条呈平行分布在空间内，由柔性的硅胶模材料夹于鳍条的叉装条内，并由螺丝固定。当曲轴转动的时候，每根鳍条上下交替运动，带动柔性的长膜，产生正弦波动，从而可以实现各种类型的波动鳍运动方式。推荐使用电机E310MOTOR，使用电池为4000mAh、11.1v、25c、LIPO锂聚合物电池。

推进装置对机体头部与尾部的形状不做要求，但是相比较圆锥形与纺锤形头部和尾部，推荐用半圆形头部，既可以达到减租的目的，又能达到加工简单，生产费用低的效果。

本发明的推力产生机制如图3所示，其中s表示波长，u表示游动速度，U表示波传播速度。图中实线是当前时刻的鳍面波，虚线是下一时刻的鳍面波，A、B、C、D是鳍面的4个微小体元。从中可知，A点靠近X轴运动，由于流体阻力，它在垂直鳍面的方向上受到一个阻力f，且可分解为X方向(纵轴)上的。fp和Y方向(侧轴)上的fL；同理，B、C和D点也受到类似的fp和fL在一个波长内，对所有微小体元所受到的fp和fL进行积分，可知fL相互抵消，而fp的大小为各个微小体元所受绝对值累加，方向与鳍面波的传播方向相反。这样，在整波长内，作用在鳍面上的合力为与波传播方向相反的推进力，且所有体元均对此有贡献。

Claims (3)

1.一种基于对长鳍波动水下推进装置，包括柔性膜、套筒、直线导轨滑槽、鳍条、连杆和曲轴，其特征在于：在水下航行器机身两侧分别安装有若干直线导轨滑槽，两侧的直线导轨滑槽数量相同，各直线导轨滑槽相互平行，且直线导轨滑槽垂直于水下航行器机身轴线；每条直线导轨滑槽上安装一个鳍条，所述鳍条的一端通过套筒安装在直线导轨滑槽上，各鳍条相互平行且能够沿直线导轨滑槽往复运动，相邻的鳍条之间张紧有柔性膜；每侧的套筒均分别通过连杆连接一条曲轴，由曲轴的旋转运动驱动连杆沿沿直线导轨滑槽往复运动，进而带动柔性膜做正弦波动。

2.根据权利要求1所述的基于对长鳍波动水下推进装置，其特征在于：所述的柔性膜采用1.5mm的硅胶膜、橡胶蒙皮或乳胶蒙皮制作。

3.根据权利要求1所述的基于对长鳍波动水下推进装置，其特征在于：所述的鳍条上安装有夹装条，将柔性膜夹紧后通过螺丝固定。