CN106043644A - 基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下自主式仿生机器鱼技术领域，目的是提供一种使仿箱魨科机器鱼具备更高的推进效率与良好的机动性能的基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构,通过第一齿轮组、第一动力传输模块将第一舵机的转动传输出去，通过大、小同步带轮与齿形带的作用实现仿生尾鳍的摆动，仿生尾鳍可左右摆动β角；通过第二齿轮组、第二动力传输模块将第二舵机的转动传输出去，转化为C型支架和尾鳍整体的摆动，C型支架可左右摆动α角，C型支架的摆动与仿生尾鳍的摆动相叠加，即为最终尾鳍摆动的状态,通过采用双自由度的仿生尾鳍，使得仿箱魨科机器鱼具备更高的推进效率与良好的机动特性，实现多模态的运动。

Description

基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构

技术领域

本发明属于水下自主式仿生机器鱼技术领域，特别是涉及一种基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构。

背景技术

仿生机器鱼在勘探海洋资源、采集海水信息、近距离观察水下生物，以及水下考古等方面的实际应用使得对于仿生机器鱼的研究越发引起科研人员的兴趣。依赖于机械制造技术、电子设计技术、材料科学以及生物科学等方面的相关技术成果与研究发现，人类成功实现了对仿生机器鱼的开发，并以仿生机器鱼实体开展了对真实鱼类游动特性的相关研究。

仿生机器鱼通过采用身体和鱼鳍的协调运动，可以实现多模态的运动，具备优秀的机动性、灵活性，比传统的水下推进器具有更高的推进效率。

CN101758916B公开了一种自主式机器鱼，包括尾鳍推进机构，所述尾鳍推进机构包括一舵机，所述舵机设置在一舵机前支架和一舵机支后架之间；所述舵机的输出端通过一联轴器将输出力矩传输给一输出轴，所述输出轴依次通过所述动密封机构和上连接杆连接所述扇形尾鳍，与所述输出轴同轴设置有一连接在所述下壳体上的被动输出轴，所述被动输出轴通过所述下连接杆连接所述扇形尾鳍。该尾鳍推进机构仅能实现扇形尾鳍左右各90°的摆动，推进效率较低，机动性能较差。

仿生的目的不仅仅是模仿自然，更是超越自然，制造运动效率更高、机动性能更好的仿生机器鱼是未来的研究趋势。相对于其他体型以及采用其他推进方式的鱼类来说，箱鲀具备更加优良的游动特性，对其研究具备更大的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种使仿箱魨科机器鱼具备更高的推进效率与良好的机动性能的基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构，包括固定架、第一摆动机构、第二摆动机构、仿生尾鳍，第一摆动机构包括第一舵机、第一舵盘、第一齿轮组、第一动力传输模块、大同步带轮、小同步带轮、齿形带、转动杆，第一舵机安装在固定架上，第一舵机的输出端与第一舵盘连接，第一齿轮组包括啮合连接的第一、第二直齿轮，第一直齿轮与第一舵盘连接，第一动力传输模块包括第一输出轴、第一套筒，第二直齿轮安装在第一输出轴的上端，第一输出轴上安装第一轴承，第一轴承安装在第一套筒内，第一输出轴的下端安装大同步带轮，小同步带轮安装在转动杆的下端，大、小同步带轮上套装齿形带，仿生尾鳍安装在转动杆的上部，第二摆动机构包括第二舵机、第二舵盘、第二齿轮组、第二动力传输模块、C型支架，第二舵机安装在固定架上，第二舵机的输出端与第二舵盘连接，第二齿轮组包括啮合连接的第三、第四直齿轮，第三直齿轮与第二舵盘连接，第二动力传输模块包括第二输出轴、第二套筒，第四直齿轮安装在第二输出轴的下端，第二输出轴上安装第二轴承，第二轴承安装在第二套筒内，C型支架的一端与第二输出轴的上端固定连接，另一端与第一输出轴可转动连接在一起，C型支架的中部与转动杆可转动连接在一起。

本发明基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构，进一步的，所述第一输出轴与第一套筒之间设置第一密封圈，第一密封圈位于第一挡圈的下方。

本发明基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构，进一步的，所述第二输出轴与第二套筒之间设置第二密封圈，第二密封圈位于第二挡圈的上方。

本发明基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构，进一步的，所述转动杆的上部安装鱼尾夹，仿生尾鳍通过螺钉与鱼尾夹固定连接。

本发明基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构，进一步的，所述C型支架的中部固定两个连接耳，C型支架通过两个连接耳与转动杆可转动连接在一起。

本发明基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构，进一步的，通过第一挡圈对第一轴承进行轴向定位，通过第二挡圈对第二轴承进行轴向定位。

本发明基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构，进一步的，所述第一齿轮至第四齿轮均采用直齿轮。

本发明基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构，进一步的，所述第一、第二齿轮的传动比为1:1，第三、第四齿轮的传动比为1:1。

本发明基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构，进一步的，所述仿生尾鳍后端的宽度大于前段的宽度，仿生尾鳍的厚度从前至后逐渐减小。

本发明基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构，进一步的，所述仿生尾鳍采用工程塑料经一体加工而成。

本发明基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构与现有技术相比，具有以下有益效果：通过第一齿轮组、第一动力传输模块将第一舵机的转动传输出去，通过大、小同步带轮与齿形带的作用实现仿生尾鳍的摆动，仿生尾鳍可左右摆动β角；通过第二齿轮组、第二动力传输模块将第二舵机的转动传输出去，转化为C型支架和尾鳍整体的摆动，C型支架可左右摆动α角，C型支架的摆动与仿生尾鳍的摆动相叠加，即为最终尾鳍摆动的状态。对于真实的箱鲀科鱼类，其尾鳍的摆动具备很高的机动性，本发明双自由度仿生尾鳍的设计弥补了单自由度尾鳍设计时，尾鳍摆动角度的局限性。通过采用双自由度的仿生尾鳍，使得仿箱魨科机器鱼具备更高的推进效率与良好的机动特性，实现多模态的运动。本发明基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构适用性高，可以根据不同形状的仿生机器鱼进行调整，方便安装；在机械传动方面，该机构可以实现比较平稳的转动与高效率的动力传输。

下面结合附图对本发明的基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构作进一步说明。

附图说明

图1为本发明基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构的立体图；

图2为本发明基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构的主视图；

图3为图2的仰视图；

图4为第一动力传输模块的爆炸图；

图5为第二动力传输模块的爆炸图；

图6为本发明基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构安装在仿箱魨科机器鱼上的示意图；

图7为本发明基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构摆动角度示意图。

具体实施方式

如图1-图5所示，本发明基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构包括固定架1、第一摆动机构、第二摆动机构、仿生尾鳍2，第一摆动机构包括第一舵机3、第一舵盘31、第一齿轮组、第一动力传输模块4、大同步带轮32、小同步带轮33、齿形带34、转动杆35，第一舵机3安装在固定架1上，第一舵机3的输出端与第一舵盘31连接，第一齿轮组包括啮合连接的第一、第二直齿轮36、37，第一、第二直齿轮36、37的传动比为1:1，第一直齿轮36与第一舵盘31连接。

第一动力传输模块4包括第一输出轴41、第一套筒42，第二直齿轮37安装在第一输出轴41的上端。第一输出轴41上安装第一轴承44并通过第一挡圈45进行轴向定位，第一轴承44安装在第一套筒42内，第一输出轴41与第一套筒42之间设置第一密封圈46，第一密封圈46位于第一挡圈45的下方。第一输出轴41的下端安装大同步带轮32，小同步带轮33安装在转动杆35的下端，大、小同步带轮32、33上套装齿形带34。转动杆35的上部安装鱼尾夹38，鱼尾夹38通过螺钉与仿生尾鳍2固定连接。

仿生尾鳍2形状大致呈长方形，仿生尾鳍2后端的宽度大于前段的宽度，仿生尾鳍2的厚度从前至后逐渐减小。仿生尾鳍2采用工程塑料经一体加工而成。

第二摆动机构包括第二舵机5、第二舵盘51、第二齿轮组、第二动力传输模块6、C型支架7，第二舵机5安装在固定架1上，第二舵机5的输出端与第二舵盘51连接，第二齿轮组包括啮合连接的第三、第四直齿轮52、53，第三、第四直齿轮52、53的传动比为1:1，第三直齿轮52与第二舵盘51连接。第二动力传输模块6包括第二输出轴61、第二套筒62，第四直齿轮53安装在第二输出轴61的下端，第二输出轴61上安装第二轴承64并通过第二挡圈65进行轴向定位，第二轴承64安装在第二套筒62内，第二输出轴61与第二套筒62之间设置第二密封圈66，第二密封圈66位于第二挡圈65的上方。

C型支架7的一端与第二输出轴61的上端固定连接，另一端与第一输出轴41可转动连接在一起，C型支架7的中部固定两个连接耳71，C型支架7通过两个连接耳71与转动杆35可转动连接在一起。

如图6所示，本发明基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构安装在机器鱼的尾部位置，将固定架部分安装在鱼体8内部，第一、第二输出轴41、61分别伸出鱼体8，尾仿生鳍2位于鱼体8后方。

本发明基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构的工作过程为：

结合图7所示，第一舵机3运转，经第一舵盘31、第一齿轮组、第一动力传输模块4带动大同步带轮32转动，从而带动转动杆35、仿生尾鳍2转动，仿生尾鳍2可左右摆动β角；同时第二舵机5运转，经第二舵盘51、第二齿轮组、第二动力传输模块6带动C型支架7转动，C型支架7可左右摆动α角，双自由度尾鳍的设计更加真实地模拟箱鲀尾鳍摆动的形态，使得仿箱魨科机器鱼具备更高的推进效率和良好的机动特性。

本发明基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构与现有技术相比，具有以下有益效果：通过第一齿轮组、第一动力传输模块将第一舵机的转动传输出去，通过大、小同步带轮与齿形带的作用实现仿生尾鳍的摆动，仿生尾鳍可左右摆动β角；通过第二齿轮组、第二动力传输模块将第二舵机的转动传输出去，转化为C型支架和尾鳍整体的摆动，C型支架可左右摆动α角，C型支架的摆动与仿生尾鳍的摆动相叠加，即为最终尾鳍摆动的状态。对于真实的箱鲀科鱼类，其尾鳍的摆动具备很高的机动性，本发明双自由度仿生尾鳍的设计弥补了单自由度尾鳍设计时，尾鳍摆动角度的局限性。通过采用双自由度的仿生尾鳍，使得仿箱魨科机器鱼具备更高的推进效率与良好的机动特性，同时实现多模态的运动。本发明基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构适用性高，可以根据不同形状的仿生机器鱼进行调整，方便安装；在机械传动方面，该机构可以实现比较平稳的转动与高效率的动力传输。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构，其特征在于：包括固定架、第一摆动机构、第二摆动机构、仿生尾鳍，第一摆动机构包括第一舵机、第一舵盘、第一齿轮组、第一动力传输模块、大同步带轮、小同步带轮、齿形带、转动杆，第一舵机安装在固定架上，第一舵机的输出端与第一舵盘连接，第一齿轮组包括啮合连接的第一、第二直齿轮，第一直齿轮与第一舵盘连接，第一动力传输模块包括第一输出轴、第一套筒，第二直齿轮安装在第一输出轴的上端，第一输出轴上安装第一轴承，第一轴承安装在第一套筒内，第一输出轴的下端安装大同步带轮，小同步带轮安装在转动杆的下端，大、小同步带轮上套装齿形带，仿生尾鳍安装在转动杆的上部，第二摆动机构包括第二舵机、第二舵盘、第二齿轮组、第二动力传输模块、C型支架，第二舵机安装在固定架上，第二舵机的输出端与第二舵盘连接，第二齿轮组包括啮合连接的第三、第四直齿轮，第三直齿轮与第二舵盘连接，第二动力传输模块包括第二输出轴、第二套筒，第四直齿轮安装在第二输出轴的下端，第二输出轴上安装第二轴承，第二轴承安装在第二套筒内，C型支架的一端与第二输出轴的上端固定连接，另一端与第一输出轴可转动连接在一起，C型支架的中部与转动杆可转动连接在一起。

2.根据权利要求1所述的基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构，其特征在于：所述第一输出轴与第一套筒之间设置第一密封圈，第一密封圈位于第一挡圈的下方。

3.根据权利要求1所述的基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构，其特征在于：所述第二输出轴与第二套筒之间设置第二密封圈，第二密封圈位于第二挡圈的上方。

4.根据权利要求1所述的基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构，其特征在于：所述转动杆的上部安装鱼尾夹，仿生尾鳍通过螺钉与鱼尾夹固定连接。

5.根据权利要求1所述的基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构，其特征在于：所述C型支架的中部固定两个连接耳，C型支架通过两个连接耳与转动杆可转动连接在一起。

6.根据权利要求1所述的基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构，其特征在于：通过第一挡圈对第一轴承进行轴向定位，通过第二挡圈对第二轴承进行轴向定位。

7.根据权利要求1所述的基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构，其特征在于：所述第一齿轮至第四齿轮均采用直齿轮。

8.根据权利要求1所述的基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构，其特征在于：所述第一、第二齿轮的传动比为1:1，第三、第四齿轮的传动比为1:1。

9.根据权利要求1所述的基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构，其特征在于：所述仿生尾鳍后端的宽度大于前段的宽度，仿生尾鳍的厚度从前至后逐渐减小。

10.根据权利要求1所述的基于箱鲀科鱼类的双自由度仿生尾鳍推进机构，其特征在于：所述仿生尾鳍采用工程塑料经一体加工而成。