CN106275338A - 一种基于曲柄滑块结构的双尾鳍仿生机器鱼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于曲柄滑块结构的双尾鳍仿生机器鱼，传统的仿生机器鱼直线巡游状态下尾鳍的摆动会产生较大的侧向力，向前的推进力也明显不足，针对此不足之处，设计了一款基于曲柄滑块结构的双尾鳍仿生机器鱼。本发明在鱼体的尾部巧妙设计了对称的曲柄滑块机构，使得单电机连续匀速转动可以驱动尾部双尾鳍实现180度对称往复摆动，进而有效的消除了尾鳍摆动产生的侧向力，又能使尾鳍摆动达到更高的频率，从而大大的提高了仿生机器鱼在水中的稳定性和巡游速度。

Description

一种基于曲柄滑块结构的双尾鳍仿生机器鱼

技术领域

本发明属于水下仿生机器鱼的技术领域，具体涉及一种基于曲柄滑块结构的双尾鳍仿生机器鱼。

背景技术

近年来，水下机器人的研究越来越受到各国的重视。如何提升水下机器人的效率、机动性、同时降低噪声始终是水下机器人技术研究的重要问题。在早期，以螺旋桨或者喷水装置作为推进器的水下机器人往往会产生侧向涡流，降低效率。鱼类作为最古老的脊椎动物，具备无比卓越的水下运动能力，其游动效率普遍超过了80％，与之形成鲜明对比的是传统的螺旋桨推进效率仅为它的一半。此外在机动性方面，梭子鱼在快速启动捕捉猎物时能够达到200m/s²的加速度，这些都是传统水下机器人无法具备的优良性能。根据鱼类非凡的水下运动性能，生物学家以及机器人工作者开发出了新型水下推进装置，即仿生机器鱼。与传统的螺旋桨推进器相比，仿生机器鱼具有推进效率高、机动性能好、噪音低、对环境扰动小等优点，因此具有广泛的应用前景。

鉴于仿生机器鱼的诸多优点，使得新型仿生机器鱼的研究与开发越来越受到国内外学者的重视，同时也取得了许多阶段性成果。但是，在理论分析以及实验方面仍有许多问题亟待解决，所设计的仿生机器鱼的各项性能指标也远远未达到自然界真实鱼类的水平。本发明根据仿生机器鱼的性能特点，在此基础上设计了一款双尾鳍仿生机器鱼，并创新性的采用了曲柄滑块传动结构实现单电机控制双尾鳍的来回往复摆动。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：针对目前仿生机器鱼在水中游行的不稳定性以及推进力不足的情况，采用独特的曲柄滑块机构巧妙的实现了单电机控制双尾鳍的呈180度相位差的来回往复摆动，可显著提高仿生机器鱼在水中的巡游速度和稳定性。

本发明采用的技术方案为：一种基于曲柄滑块机构的双尾鳍仿生机器鱼，由尾鳍、鱼尾、鱼体以及鱼头四个部分组成，尾鳍、鱼尾、鱼体以及鱼头依次连接，其特征在于：鱼尾部分巧妙的利用了曲柄滑块装置将电机输出的回转运动形式转化为双尾鳍正弦来回往复摆动运动形式。

进一步的，所述仿生机器鱼整体呈鱼体形状。

进一步的，所述仿生机器鱼尾部有两个对称摆动的尾鳍，尾鳍形状可为长方形，椭圆形或扇形。

进一步的，所述电机轴与第一曲柄，第一短轴与第二曲柄，第二曲柄与第二短轴的连接方式可以是键槽连接、铰接或螺栓连接。

进一步的，所述的曲柄滑块装置中的第一关键零件和第二关键零件与短轴的连接方式为U型槽连接。

进一步的，所述曲柄滑块装置中为了保证第一关键零件和第二关键零件只能在水平方向上来回往复运动，可采用水平滑轨或U型槽等装置限制其自由度。

进一步的，所述的双尾鳍与尾部夹持装置的连接方式可以为螺栓连接、胶粘、焊接或铆接。

具体的，一种基于曲柄滑块机构的双尾鳍仿生机器鱼，由尾鳍、鱼尾、鱼体以及鱼头四个部分组成，尾鳍、鱼尾、鱼体以及鱼头依次连接，所述的鱼尾部又两个对称的尾鳍，尾鳍形状呈长方形，鱼尾包括电机的输出轴、第一曲柄、第一短轴、第二曲柄、第二短轴、第一关键零件、第二关键零件、第一水平滑轨和第二水平滑轨，所述的电机的输出轴通过键槽之间的配合与第一曲柄一端相连，所述的第一曲柄的另一端通过键槽之间的配合与第一短轴一端相连，所述的第一短轴另一端通过键槽之间的配合与第二曲柄一端相连，所述的第二曲柄另一端通过键槽之间的配合与第二短轴一端相连，第二短轴另一端通过键槽之间的配合与轴承相连，这样就将电机输出轴的旋转运动转化为了两个相位差为180°的第一短轴、第二短轴的旋转运动；第一关键零件、第二关键零件上的U形槽分别与第一短轴、第二短轴相配合，第一关键零件、第二关键零件与第一水平滑轨、第二水平滑轨配合，用于实现第一关键零件、第二关键零件只有水平方向上运动的自由度，第一关键零件、第二关键零件就把第一短轴、第二短轴的旋转运动转化成了水平方向的横向移动。

其中，电机的输出轴通过键槽与第一曲柄和第二曲柄相连，两个曲柄通过键槽的配合与第一短轴和第二短轴相连，第一短轴和第二短轴通过U形槽的配合带动第一关键零件和第二关键零件运动，第一关键零件和第二关键零件又与第一水平滑轨、第二水平滑轨配合，用来保证零件只能在水平方向上运动，尾部夹持装置的曲柄通过第三短轴和第四短轴与第一关键零件和第二关键零件相连，所述的双尾鳍通过螺栓连接的方式与尾部的夹持装置相连，这样就把第一关键零件和第二关键零件的水平往复运动传递给尾部对称的双尾鳍。

本发明的原理在于：

本发明仿生机器鱼尾部采用了独特的曲柄滑块机构的传动装置，巧妙的实现了单个电机连续旋转控制双尾鳍来回往复摆动，并且从机构上保证双尾鳍运动的相位差始终为180°，理论和实验证明当双尾鳍摆动的相位差在180°时，该结构能够有效的消除尾鳍在摆动过程中产生的侧向力，从而提高了仿生机器鱼游行时的稳定性，而单个电机驱动尾鳍来回摆动，使得尾鳍摆动能够达到很高的频率，进而提高了仿生机器鱼的巡游效率和速度。

实现过程：仿生机器鱼尾部采用对称的曲柄滑块机构，使电机的输出轴带动双尾鳍实现相位差为180°的来回往复摆动，具体结构见附图及说明。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明利用单个电机控制，在尾部独特的采用了对称的曲柄滑块传动装置，能够有效的保证尾部双尾鳍来回摆动的相位差始终为180°，从而消除了侧向力，保证了巡游的稳定性。

(2)、利用单电机匀速转动产生尾鳍的正弦摆动形式，从而使尾鳍摆动能够达到更高的频率。

(3)、能够利用结构的特殊性比较容易的改变尾鳍摆动的幅值。

附图说明

图1为本发明仿生机器鱼总装图；

图2为仿生机器鱼尾部部分传动结构图；

图3为双尾鳍内部部分结构图；

图4为仿生机器鱼的鱼尾整体结构图；

图5为仿生机器鱼的关键零件图；

图6为仿生机器鱼鱼身及鱼头部分。

图中附图标记含义为：1为尾鳍，2为鱼尾，3为鱼体，4为鱼头，5为电机输出轴，6为第一曲柄，7为第一短轴，8为第二曲柄，9为第二短轴，10为第一关键零件，11为第一水平滑轨，12为第二关键零件，13为第二水平滑轨，14为尾部第一曲柄，15为第三短轴，16为尾部第二曲柄，17为第四短轴。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

图1为该仿生机器鱼的总装配3D图。从总装配图中可以看出，仿生机器鱼由尾鳍1、鱼尾2、鱼体3以及鱼头4四个部分组成。本发明的创新点在于尾部独特的曲柄滑块传动机构，因此重点讲一下鱼尾2部分。

图2为鱼尾内部部分传动结构图。在图2中可以看到，电机的输出轴5通过键槽之间的配合与第一曲柄6相连，而第一曲柄6的另一端键槽又与第一短轴7配合，接着再用同样的连接方式将第一短轴7与第二短轴9通过第二曲柄8相连，这样就能巧妙的把电机输出轴的旋转运动转化为了两个相位差为180°的第一短轴7、第二短轴9的旋转运动。

在图2的基础上，加入第一关键零件10、第二关键零件12以及第一水平滑轨11、第二水平滑轨13就形成了图3。在图3中，第一关键零件10、第二关键零件12上的U形槽与图2中的第一短轴7、第二短轴9相配合，而第一关键零件10、第二关键零件12与第一水平滑轨11、第二水平滑轨13配合，保证了第一关键零件10、第二关键零件12只有水平方向上运动的自由度，这样，第一关键零件10、第二关键零件12的特殊结构就把图2中第一短轴7、第二短轴9的旋转运动转化成了水平方向的横向移动。

在图3的基础上，把尾鳍的连接装置加入进去，形成图4。图4中，第三短轴15、第四短轴17通过键槽与图3中的第一关键零件10、第二关键零件12配合，尾鳍连接装置的尾部第一曲柄14、第二曲柄16又与第三短轴15、第四短轴17相连，这样就能把第一关键零件10、第二关键零件12的水平运动传递给尾鳍，实现尾鳍的来回往复摆动。从上述的说明中我们明显可以知道，该传动装置其实就是两个对称的曲柄滑块装置，图2中的第一短轴7、第二短轴9(相当于曲柄)带动图3中的第一关键零件10、第二关键零件12(相当于滑块)来回往复运动。

为了能够更加清楚的介绍传动原理，将第一关键零件10、第二关键零件12的结构图展示出来，即为图5。第一关键零件10、第二关键零件12形状相同，从图5中可以看到，该第一关键零件10、第二关键零件12的a处是一个U型槽，它分别与图2中的第一短轴7、第二短轴9配合，把第一短轴7、第二短轴9的相位差为180度的两个旋转运动转化为同样相位差为180度的两个水平来回往复运动。该第一关键零件10、第二关键零件12的b处是两个圆筒形状的通孔，两根圆柱形的水平滑轨刚好能够插入通孔内，实现与关键零件的配合，保证该第一关键零件10、第二关键零件12只有水平沿滑轨方向的单个自由度。该第一关键零件10、第二关键零件12的c处有一个键槽，用来与第三短轴15和第四短轴17上的键配合，通过键槽连接的方式将水平往复运动的形式传递给尾鳍，实现尾鳍的来回往复摆动。总的来说，该结构巧妙的实现了单电机匀速转动来控制双尾鳍呈180度相位差的来回正弦往复摆动。根据曲柄滑块的理论知识，要想增大滑块的行程，就得增大曲柄的旋转半径。同样的道理，如果想要增大尾鳍的摆幅，可以增大图2中第一短轴7、第二短轴9的旋转半径，具体实现方式可以是增加图2中第一曲柄2、第二曲柄4的长度。

图6为仿生机器鱼的鱼体及鱼头部分，鱼体上下各有4个紧固螺栓，实现与鱼尾及鱼头部分的连接和固定，鱼体内部装有控制电机、给电机供电的电池以及各种电路板及驱动装置，鱼头内部装有开关装置。

Claims (7)

1.一种基于曲柄滑块机构的双尾鳍仿生机器鱼，由尾鳍(1)、鱼尾(2)、鱼体(3)以及鱼头(4)四个部分组成，尾鳍(1)、鱼尾(2)、鱼体(3)以及鱼头(4)依次连接，其特征在于：鱼尾部分巧妙的利用了曲柄滑块装置将电机输出的回转运动形式转化为双尾鳍正弦来回往复摆动运动形式。

2.根据权利要求1所述的一种基于曲柄滑块机构的双尾鳍仿生机器鱼，其特征在于：所述仿生机器鱼整体呈鱼体形状。

3.根据权利要求1所述的一种基于曲柄滑块机构的双尾鳍仿生机器鱼，其特征在于：所述仿生机器鱼尾部有两个对称摆动的尾鳍，尾鳍形状可为长方形，椭圆形或扇形。

4.根据权利要求1所述的一种基于曲柄滑块机构的双尾鳍仿生机器鱼，其特征在于：所述电机轴与第一曲柄，第一短轴与第二曲柄，第二曲柄与第二短轴的连接方式可以是键槽连接、铰接或螺栓连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于曲柄滑块机构的双尾鳍仿生机器鱼，其特征在于：所述的曲柄滑块装置中的第一关键零件和第二关键零件与短轴的连接方式为U型槽连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于曲柄滑块机构的双尾鳍仿生机器鱼，其特征在于：所述曲柄滑块装置中为了保证第一关键零件和第二关键零件只能在水平方向上来回往复运动，可采用水平滑轨或U型槽等装置限制其自由度。

7.根据权利要求1所述的一种基于曲柄滑块机构的双尾鳍仿生机器鱼，其特征在于：所述的双尾鳍与尾部夹持装置的连接方式可以为螺栓连接、胶粘、焊接或铆接。