CN106956759B - 一种仿鱼类水下机器人尾部驱动系统变刚度装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种仿鱼类水下机器人尾部驱动系统变刚度装置，包括由舵机台和设置在舵机台上的阶梯孔状结构组成的外壳，舵机台上安装有舵机，所述阶梯孔状结构由活塞孔和设置有内螺纹的通孔组成，通孔通过内螺纹连接有内缸套，内缸套的端部与带有橡胶圆管的外缸套连接，且在外缸套与内缸套端部接触处设置有橡胶帽，所述活塞孔内设置有带凸台的活塞，且活塞与活塞孔内壁之间设置有弹性挡圈，所述舵机的主动杆上安装有凸轮，凸轮与凸台接触。本发明创造性的利用橡胶圆管具有弹性的特点，通过注入凝胶来改变其整体刚度，实现方法简单，实用性强，而且可靠性比较高，为仿鱼类水下机器人驱动系统的改良提供了一种非常好的思路。

Description

一种仿鱼类水下机器人尾部驱动系统变刚度装置

技术领域

本发明涉及一种仿鱼类水下机器人尾部驱动系统变刚度装置，属于仿鱼类水下机器人领域。

背景技术

仿鱼类水下机器人作为海洋中的一个重要探测系统，具有体积小、重量轻、噪声低、隐蔽性好的特点，在海洋权益维护和海洋开发中发挥了重要作用。而驱动系统又是仿鱼类水下机器人的最重要组成部分。传统的仿鱼类水下机器人驱动系统采用定刚度的装置，摆尾的幅度全靠摆动频率的大小来控制，控制方式单一，摆尾动作也不够灵活，若是遇到需要快速通过的比较窄的区域，很显然，采用定刚度制作的摆尾装置是无法实现这一要求的；而变刚度装置却可以在振动频率不变的情况下，通过改变摆尾装置的刚度，来控制摆动的幅度，从而更加灵活的控制摆尾动作，从而可以适应更加复杂恶劣的工况。

中国知网文章编号为1006—2343(2014)02—042—06，题目为“仿鱼形水下机器人设计与分析”的文章中设计的机器鱼，其推进系统完全采用定刚度的材料，通过动力装置带动定刚度的鱼尾来进行摆动，摆尾的模式单一，摆尾动作不灵活，无法应对复杂工况，有很大的局限性；专利申请号为CN201610851210.0，名称为《一种刚度可控的水下仿生推进装置》的专利，不仅结构复杂，造价高，控制原理不好实现，而且其刚度的变化反应太慢，响应不太迅速，不能做到灵活摆尾控制，也存在很大的局限性。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种仿鱼类水下机器人尾部驱动系统变刚度装置，是一种适用于仿鱼类水下机器人的驱动系统的摆尾装置，其结构简单，易于实现和控制；舵机容易获取，而且价格便宜；实用性很强，对刚度变化的控制很容易实现。

本发明的目的是这样实现的：包括由舵机台和设置在舵机台上的阶梯孔状结构组成的外壳，舵机台上安装有舵机，所述阶梯孔状结构由活塞孔和设置有内螺纹的通孔组成，通孔通过内螺纹连接有内缸套，内缸套的端部与带有橡胶圆管的外缸套连接，且在外缸套与内缸套端部接触处设置有橡胶帽，所述活塞孔内设置有带凸台的活塞，且活塞与活塞孔内壁之间设置有弹性挡圈，所述舵机的主动杆上安装有凸轮，凸轮与凸台接触。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.内缸套的端部外连接有外缸套是指：内缸套的外表面设置有外螺纹，外缸套内表面设置有内螺纹，内缸套与外缸套通过外螺纹与内螺纹的配合实现连接。

2.活塞与活塞孔之间的空间是活塞腔且活塞腔内充有凝胶。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、结构简单，加工成本低。没有复杂的结构，简便易实现；舵机、凸轮、橡胶管等必须物件都很容易获得，且价格低廉。2、拆装和检修方便。由于结构简单，拆装起来也异常方便，当发生凝胶泄漏等故障，也很好排除这些问题，由于器件的造价便宜，所以更换零件也极为方便。3、具有创新性，简便实用。

本发明创造性的利用橡胶圆管具有弹性的特点，通过注入凝胶来改变其整体刚度，实现方法简单，实用性强，而且可靠性比较高，为仿鱼类水下机器人驱动系统的改良提供了一种非常好的思路。

附图说明

图1为本发明的整体三维图(橡胶圆管松弛状态)；

图2为本发明的整体三维图(橡胶圆管胀紧状态)；

图3为本发明的结构简图；

图4为变刚度装置外壳简图。

图5为变刚度装置外壳安装活塞后简图；

图6为舵机带动凸轮与活塞配合简图；

图7为将内钢套拧紧到装置圆孔后主视图；

图8为整个装置安装完成后的主视图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图8，本发明主要由变刚度装置外壳、舵机、活塞、橡胶圆管组成。整个装置的结构简图如图3所示，变刚度装置外壳的上半部分设有一个通孔和一个活塞孔；2是活塞；3是活塞上的弹性挡圈；4是舵机；5是用来固定舵机的螺钉；6是内钢套；7是橡胶圆管；8是外钢套。

本发明的橡胶圆管是通过两个钢套固定在变刚度装置外壳上的，分别是内钢套和外钢套；内钢套的两端都攻有螺纹，其中一端的螺纹用来和变刚度装置外壳上圆孔的内螺纹进行配合，另外一端的螺纹用来和外钢套的内螺纹进行配合，两个螺纹配合均采用右旋；变刚度装置的较大的圆孔用来放置活塞，通过舵机带动的类凸轮装置来对活塞施加压力，橡胶圆管和活塞腔里边充满了凝胶，通过将凝胶压入橡胶圆管这种方式，来改变橡胶圆管的整体刚度。

外壳上方开有活塞孔以及一个小于活塞孔直径的通孔，通孔上功有螺纹，以便和内钢套实现螺纹配合；其下方设有一个舵机台，用以安置舵机，舵机和舵机台通过螺钉连接到一起。也即变刚度装置外壳的攻有内螺纹的通孔，要和内钢套拧紧，防止凝胶泄漏；活塞上的橡胶圈和活塞孔壁的接触松紧度要适中，如果太紧了，超过了舵机所能产生的最大的推力，就会导致装置无法使用；如果太松了，就有可能使凝胶泄漏。橡胶圆管开口的那端，设有用来将其固定的橡胶帽，橡胶帽会夹在内钢套和外钢套之间，所以内钢套和外钢套也要拧紧，防止凝胶从这两钢套之间泄漏。

内钢套的两端都攻有外螺纹，中间有一圈凸起将两段螺纹分开；外钢套攻有外螺纹，与内钢套形成螺纹配合，并且通过内外钢套的将橡胶圆管的橡胶圈压紧，实现密封和固定的作用；橡胶圆管与活塞孔相连的一端呈开放状态，另一端呈闭合状态，并且通过内钢套和外钢套的螺纹连接配合，将橡胶圆管固定在变刚度装置的圆孔上。

舵机的主动杆上装有一个凸轮，舵机的转动带动凸轮转动，从而实现凸轮对活塞施压，从而使得更过的凝胶压入橡胶圆管，实现改变橡胶软管整体刚度的目的。舵机的主动杆末端不是圆柱形，而是长方体，用来和凸轮上的方形孔契合。

活塞的直径大小要与活塞孔相契合，活塞的与凸轮接触的那一端有圆柱形凸台，方便与凸轮接触，用来承受来自于凸轮的压力。

舵机和变刚度装置外壳采用螺钉来固定，用两个螺钉实现对舵机的横向固定。

内钢套和外钢套的螺纹旋向均为右旋，因为大多数的螺纹结构一般均采用右旋，而且两者旋向相同可以避免因为要拧紧外钢套而把内钢套从变刚度装置的圆孔上拧松。

本发明的装配过程如下：首先准备好变刚度装置的外壳，如图4所示；然后将带有圆柱凸台的活塞装上，安装完成后如图5所示；之后先要用螺钉将舵机固定在变刚度装置的底座上，然后在舵机的主动杆上装上凸轮，凸轮的方向要可以抵住活塞的凸台，并且要和活塞的凸台恰当接触，安装后如图6所示；之后要将内钢套拧紧变刚度装置外壳的圆孔上，安装后如图7所示；将橡胶圆管的橡胶帽塞进外钢套，最后把带有橡胶圆管的外钢套拧到内钢套上，并且使内外钢套将橡胶圆管的橡胶帽夹紧，安装完成后的成品图如图8所示，从活塞孔里注入合适剂量的凝胶，然后装入活塞；

综上，本发明涉及一种仿鱼类水下机器人尾部驱动系统变刚度装置。其主要由变刚度装置外壳、舵机、活塞、橡胶圆管组成。其中橡胶圆管是通过两个钢套固定在变刚度装置外壳上的，分别是内钢套和外钢套；内钢套的两端都攻有螺纹，其中一端的螺纹用来和变刚度装置外壳上圆孔的内螺纹进行配合，另外一端的螺纹用来和外钢套的内螺纹进行配合，两个螺纹配合均采用右旋；变刚度装置的较大的圆孔用来放置活塞，通过舵机带动的凸轮装置来对活塞施加压力，橡胶圆管和活塞腔里边充满了凝胶，通过将凝胶压入橡胶圆管这种方式，来改变橡胶圆管的整体刚度；当舵机处于卸力状态时，橡胶圆管内的凝胶量较低，橡胶外壁没用胀紧，整体的刚度较低；当舵机处于加力状态时，橡胶圆管内的凝胶量较高，橡胶外壁胀紧，整体刚度会提升；刚度提升以后的橡胶圆管，在同样的摆动频率下，其末端的摆动幅度会因为刚度上升的原因而降低，利用这个原理，可以不改变驱动装置的摆动频率，转而通过改变橡胶圆管的整体刚度来控制仿鱼类水下机器人的摆尾幅度，大大提升了尾部动作的灵活性，从而增加其环境适应性和速度控制的多样性。

Claims (3)

1.一种仿鱼类水下机器人尾部驱动系统变刚度装置，其特征在于：包括由舵机台和设置在舵机台上的阶梯孔状结构组成的外壳，舵机台上安装有舵机，所述阶梯孔状结构由活塞孔和设置有内螺纹的通孔组成，通孔通过内螺纹连接有内缸套，内缸套的端部与带有橡胶圆管的外缸套连接，且在外缸套与内缸套端部接触处设置有橡胶帽，所述活塞孔内设置有带凸台的活塞，且活塞与活塞孔内壁之间设置有弹性挡圈，所述舵机的主动杆上安装有凸轮，凸轮与凸台接触。

2.根据权利要求1所述的一种仿鱼类水下机器人尾部驱动系统变刚度装置，其特征在于：内缸套的端部与带有橡胶圆管的外缸套连接是指：内缸套的外表面设置有外螺纹，外缸套内表面设置有内螺纹，内缸套与外缸套通过外螺纹与内螺纹的配合实现连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种仿鱼类水下机器人尾部驱动系统变刚度装置，其特征在于：活塞与活塞孔之间的空间是活塞腔且活塞腔内充有凝胶。