CN108482627A - 一种仿蝠鲼水下扑翼推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿蝠鲼水下扑翼推进装置，由蒙皮、电机、传动齿轮组、张线轮组和鳍条机构组成，鳍条机构为张拉框架结构，由多根竖直杆和交叉杆依次沿轴向连接组合，相邻对应两根竖直杆和交叉杆分别铰接，铰接用销轴为空心结构，铰链点处有V型走线轴承用于布设拉索，结构简捷轻便。在鳍条机构上安装外骨架和蒙皮。电机输出轴与传动齿轮组的主动轮通过联轴器连接，传动齿轮组的从动轮与张线轮组同轴安装，电机转动通过传动齿轮组带动张线轮组转动；张线轮组拉动鳍条机构上下摆动，进而固定在鳍条机构上的外骨架和覆盖在外骨架上的蒙皮随之运动和变形。从而使航行器向前推进和转弯；推进装置结构简单、易于控制，且制造成本较低。

Description

一种仿蝠鲼水下扑翼推进装置

技术领域

本发明涉及一种水下扑翼推进器，具体地说，涉及一种仿蝠鲼水下扑翼推进装置。

背景技术

近些年来，人们通过研究发现，鱼类经过长时间的进化，已经拥有了良好的水动力性能，可以为低噪声、高性能的水下航行器的研究提供技术支撑。目前，根据推进方式的不同，国内外学者对于鱼类仿生研究可以分为两类:

第一类是利用鱼类尾鳍的摆动来进行推进，称为身体/尾鳍推进模式。这种游动模式的特点是能够快速地启动，可以达到较高的游动速度，并且游动的效率较高。这些特性导致了身体/尾鳍游动模式适合应用于长时间，长距离和高速度的游动场合。因此，身体/尾鳍推进模式在巡游和启动方面显示出更强的优势，但是这种推进模式只是在静水高速巡游中表现出较好的性能，但是对于其它情况，诸如低速游动，转弯机动和紊流环境等情况下，这种方式的效率很低。

第二类是利用鱼类成对的胸鳍或者背鳍的扑动来进行推进，称为中央鳍/对鳍推进模式。这种游动模式集较高的推进效率，优良的机动性，较高的稳定性和可控性于一体，不仅具有低速灵活机动，抗扰动能力强的特点，还能够在水中进行滑行，可以用于远洋航行。

这两种仿生推进方式都有各自的优点和适用范围。相比于传统的螺旋桨推进方式，身体/尾鳍和中央鳍/对鳍推进方式都能将噪声控制在较低的范围内，具有较好的隐蔽性。并且由于现在水下航行器需要承担水下勘探、水下救捞、海洋环境调查和军事领域等方面的任务，使得水下航行器需要面对较为复杂的海洋环境，这对水下航行器的机动性和稳定性有了相应的要求。因此，开发和研究仿生水下推进装置成为近年来重要的研究方向和发展趋势之一。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种仿蝠鲼水下扑翼推进装置；该水下扑翼推进装置以蝠鲼胸鳍为仿生对象，通过鳍条机构上下摆动带动外骨架和蒙皮进行运动，从而使航行器向前推进和转弯。该扑翼推进装置结构简单、易于控制，且制造成本较低。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是:包括蒙皮、电机、联轴器、传动齿轮组、张线轮组、外骨架和鳍条机构，其特征在于鳍条机构还包括竖直杆、交叉杆、V型走线轴承和拉索，所述鳍条机构为张拉框架结构，由多根竖直杆和交叉杆依次沿轴向连接组合，相邻对应两根竖直杆和两根交叉杆分别铰接组合成四杆单元结构，各竖直杆之间距离相等，竖直杆长度沿鳍条机构轴向依次减小，鳍条机构除了两端四杆单元的竖直杆铰链点外，其它的铰链点均由三根杆复合铰接而成，各杆件绕铰链点处转动，各铰链采用空心销轴，四杆单元起始端的竖直杆固定在航行器上，四杆单元均配有相对应的拉索和V型走线轴承，用于驱动四杆单元运动和变形；鳍条机构的四杆单元之间通过拉索连接，由距离张线轮组最远端的四杆单元起始设置，沿交叉杆的路径布设其它四杆单元，拉索缠绕在张线轮上,V型走线轴承安装在杆与杆铰接处，用于减少拉索运动时产生的摩擦力；

所述张线轮组为多个半径相同的张线轮同轴组合，张线轮组位于鳍条机构的前端部，且张线轮组轴线与鳍条机构轴线位于同一平面，张线轮组上设有走线沟槽，用于缠绕拉索并带动鳍条机构进行上下摆动；

所述拉索经由V型走线轴承与各四杆单元配合连接，拉索沿着四杆单元的对角线布设，拉索拉动带动四杆单元运动变形；

所述电机固定在航行器内部，电机输出轴与传动齿轮组的主动轮通过联轴器连接，传动齿轮组的从动轮与张线轮组同轴安装，电机转动通过传动齿轮组带动张线轮组转动；

所述外骨架为上下两个对称的半弧形框结构，上下两个半弧形框分别穿过鳍条机构的竖直杆上铰链处的销轴，上下两半弧形框扣合，且在接口处铰接组成框体，多个外骨架沿鳍条机构轴向依次减小，用于与鳍条机构连接并支撑整个结构外形鳍面，蒙皮覆于外骨架上。

所述外骨架由第一外骨架、第二外骨架、第三外骨架、第四外骨架、第五外骨架和第六外骨架组成，外骨架与鳍条机构的竖直杆为过盈配合；或采用卡簧固定。

所述外骨架采用NACA0016低速翼型。

有益效果

本发明提出的一种仿蝠鲼水下扑翼推进装置，其鳍条机构为张拉框架结构，由多根竖直杆和多根交叉杆依次沿轴向连接组合，相邻对应两根竖直杆和交叉杆分别铰接，铰接用销轴为空心结构，铰链点处有V型走线轴承，用于拉索的布设，结构简捷轻便。在鳍条机构上安装外骨架和蒙皮。电机输出轴与传动齿轮组的主动轮通过联轴器连接，传动齿轮组的从动轮与张线轮组同轴安装，电机转动通过传动齿轮组带动张线轮组转动。张线轮组拉动鳍条机构进行上下摆动，而固定在鳍条机构上的外骨架和覆盖在外骨架上的蒙皮也会随之运动和变形。鳍条机构拍动的频率较低，不会产生空化现象，运动噪声小。

本发明仿蝠鲼水下扑翼推进装置，在鳍条机构上安装外骨架和蒙皮，利用较少的材料实现其较大的跨度。在一定的预应力下，鳍条机构具有较高的刚度，能承受一定的载荷并传递较大的动力，可充分发挥材料的性能。

本发明仿蝠鲼水下扑翼推进装置，采用一个张线轮组带动多根拉索，实现对于鳍条机构的驱动，仅需配备一个伺服电机，控制简单。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种仿蝠鲼水下扑翼推进装置作进一步的详细说明。

图1为本发明仿蝠鲼水下扑翼推进装置轴测图。

图2为本发明仿蝠鲼水下扑翼推进装置内部结构示意图。

图3为本发明仿蝠鲼水下扑翼推进装置示意图。

图4为本发明仿蝠鲼水下扑翼推进装置的外骨架安装部位示意图。

图5为本发明的鳍条机构结构示意图。

图6为本发明的鳍条机构向上摆动状态示意图。

图7为本发明的鳍条机构向下摆动状态示意图。

图8为本发明的鳍条机构各单元拉索布设示意图。

图中:

1.蒙皮2.电机3.联轴器4.传动齿轮组5.张线轮组6.第一外骨架7.第二外骨架8.第三外骨架9.第四外骨架10.第五外骨架11.第六外骨架12.V型走线轴承13.第一拉索14.第二拉索15.第三拉索16.第四拉索17.第五拉索18.第一竖直杆19.第一交叉杆20.第二竖直杆21.第二交叉杆22.第三竖直杆23.第三交叉杆24.第四竖直杆25.第四交叉杆26.第五竖直杆27.第五交叉杆28.第六竖直杆

具体实施方式

本实施例是一种仿蝠鲼水下扑翼推进装置。

参阅图1～图8，本实施例仿蝠鲼水下扑翼推进装置，由蒙皮1、电机2、联轴器3、传动齿轮组4、张线轮组5、多个外骨架和鳍条机构组成，鳍条机构还包括多根竖直杆、多根交叉杆、V型走线轴承12和多根拉索。其中，鳍条机构为张拉框架结构，由第一竖直杆18、第二竖直杆20、第三竖直杆22、第四竖直杆24、第五竖直杆26、第六竖直杆28和第一交叉杆19、第二交叉杆21、第三交叉杆23、第四交叉杆25、第五交叉杆27依次沿轴向连接组合，相邻对应两根竖直杆和两根交叉杆分别铰接组合成四杆单元结构；各竖直杆之间距离相等，竖直杆长度沿鳍条机构轴向依次减小，起始端的第六竖直杆28固定在航行器上。鳍条机构的四杆单元的铰链点除了两端的竖直杆铰链点外，其它铰链点均由三根杆复合铰接而成，各杆件可绕铰链点处转动，各铰链采用空心销轴，用于穿过外骨架。四杆单元均配有相对应的拉索和V型走线轴承12，用于驱动四杆单元运动和变形。鳍条机构的四杆单元之间通过拉索配合连接，由距离张线轮组最远端的四杆单元起始设置，沿交叉杆的路径布设其它四杆单元，并缠绕在张线轮上；V型走线轴承12安装在杆与杆铰接处，用于减少拉索运动时产生的摩擦力。

本实施例中，张线轮组5为多个半径相同的张线轮同轴组合安装，张线轮组5位于鳍条机构的前端部，且张线轮组5轴线与鳍条机构的轴线位于同一平面内，张线轮组5上加工有走线沟槽，用于缠绕拉索并带动鳍条机构进行上下摆动。安装拉索时，经由V型走线轴承12与各四杆单元连接，拉索沿着四杆单元的对角线布设，拉索经由V型走线轴承12拉动各个杆件进行运动，V型走线轴承12安装在杆件铰链的销轴上，用于降低拉动拉索时的摩擦力。张线轮组转动时，同步拉动第一拉索13、第二拉索14、第三拉索15、第四拉索16、第五拉索17,拉索拉动带动鳍条机构运动变形。电机2固定安装在航行器内部，电机2输出轴与传动齿轮组4的主动轮通过联轴器3固定连接，传动齿轮组4的从动轮与张线轮组5同轴安装，电机2转动通过传动齿轮组4带动张线轮组5转动。

外骨架为上下两个对称的半弧形框结构，上下两个半弧形框分别穿过鳍条机构的竖直杆上铰链的销轴，上下两半弧形框扣合，且在接口处铰接组成框体；第一外骨架6、第二外骨架7、第三外骨架8、第四外骨架9、第五外骨架10和第六外骨架11分别沿鳍条机构轴向依次减小，外骨架用于将鳍条机构连接，并支撑整个结构外形鳍面；蒙皮覆于外骨架上，起着推动水流的作用。

本实施例中，鳍条机构分为五个单元，相邻两根竖直杆和中间的两根交叉杆组成一个四杆单元。每个四杆单元均配有相对应的拉索和一组V型走线轴承，用于驱动单元运动和变形。由于有五个单元，因此需配有五根拉索进行驱动，为了减少驱动器的数量，采用张线轮组5拉动多根拉索的方式，张线轮组5上有走线用的沟槽，用于缠绕拉索。每根拉索的走线方式为:先沿着梯形外轮廓布置一个四杆单元，然后沿着交叉杆的路径布置其余的四杆单元，最后绕在张线轮上。当张线轮组逆时针转动时，各个四杆单元上半部分的拉索长度减小，下半部分的拉索长度增大，从而导致各杆逆时针转动一定的角度，四杆单元产生变形。多个四杆单元组合时，变形相互叠加，使得鳍条机构产生向上弯曲的状态；当张线轮组顺时针转动时，鳍条机构产生向下弯曲的状态。并且由于鳍条机构上下对称，不同转向转动相同角度时，鳍条机构摆动的幅度是相同的，由此作短时间上下对称的摆动。由于五根拉索均使用相同半径的张线轮组进行驱动，所以张线轮组转动时，各个单元产生的变形是相同的。如果要使各单元产生不同的变形效果，可选用不同半径的张线轮，也可采用多个电机驱动多个张线轮的方式来进行运动。

整个机构的运动过程为，电机通过联轴器带动传动齿轮进行转动；传动齿轮带动张线轮组转动；张线轮组的转动拉动鳍条机构的拉索，从而拉动鳍条机构和外骨架进行运动。通过控制电机的正反转、转动角度和速度，可以控制整个扑翼扑动的方向，扑动的最大幅度和扑动的频率，从而可模仿鲼科鱼类胸鳍的扑动方式，实现良好的的仿生效果。

Claims (3)

1.一种仿蝠鲼水下扑翼推进装置，包括蒙皮、电机、联轴器、传动齿轮组、张线轮组、外骨架和鳍条机构，其特征在于:鳍条机构还包括竖直杆、交叉杆、V型走线轴承和拉索，所述鳍条机构为张拉框架结构，由多根竖直杆和交叉杆依次沿轴向连接组合，相邻对应两根竖直杆和两根交叉杆分别铰接组合成四杆单元结构，各竖直杆之间距离相等，竖直杆长度沿鳍条机构轴向依次减小，鳍条机构除了两端四杆单元的竖直杆铰链点外，其它的铰链点均由三根杆复合铰接而成，各杆件绕铰链点处转动，各铰链采用空心销轴，四杆单元起始端的竖直杆固定在航行器上，四杆单元均配有相对应的拉索和V型走线轴承，用于驱动四杆单元运动和变形；鳍条机构的四杆单元之间通过拉索连接，由距离张线轮组最远端的四杆单元起始设置，沿交叉杆的路径布设其它四杆单元，拉索缠绕在张线轮上,V型走线轴承安装在杆与杆铰接处，用于减少拉索运动时产生的摩擦力；

所述张线轮组为多个半径相同的张线轮同轴组合，张线轮组位于鳍条机构的前端部，且张线轮组轴线与鳍条机构轴线位于同一平面，张线轮组上设有走线沟槽，用于缠绕拉索并带动鳍条机构进行上下摆动；

所述拉索经由V型走线轴承与各四杆单元配合连接，拉索沿着四杆单元的对角线布设，拉索拉动带动四杆单元运动变形；

所述电机固定在航行器内部，电机输出轴与传动齿轮组的主动轮通过联轴器连接，传动齿轮组的从动轮与张线轮组同轴安装，电机转动通过传动齿轮组带动张线轮组转动；

所述外骨架为上下两个对称的半弧形框结构，上下两个半弧形框分别穿过鳍条机构的竖直杆上铰链处的销轴，上下两半弧形框扣合，且在接口处铰接组成框体，多个外骨架沿鳍条机构轴向依次减小，用于与鳍条机构连接并支撑整个结构外形鳍面，蒙皮覆于外骨架上。

2.根据权利要求1所述的仿蝠鲼水下扑翼推进装置，其特征在于:所述外骨架由第一外骨架、第二外骨架、第三外骨架、第四外骨架、第五外骨架和第六外骨架组成，外骨架与鳍条机构的竖直杆为过盈配合；或采用卡簧固定。

3.根据权利要求1所述的仿蝠鲼水下扑翼推进装置，其特征在于:所述外骨架采用NACA0016低速翼型。