CN108622355A - 一种基于蝠鲼仿生水下扑翼推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蝠鲼仿生水下扑翼推进装置，由伺服电机、减速齿轮、张线轮组、鳍条机构、外部骨架和蒙皮组成；鳍条机构由多根受压杆和拉索组成，拉索通过V型走线轴承连接张线轮组和受压杆件，使得张线轮转动时带动受压杆件进行运动。外骨架安装在鳍条机构的竖直受压杆上，蒙皮覆盖在外骨架上。伺服电机通过联轴器和减速齿轮带动张线轮组进行转动，张线轮组拉动鳍条机构进行上下摆动，鳍条机构上的外骨架和覆盖在外骨架上的蒙皮随着鳍条的摆动进行运动和变形，实现控制扑翼的扑动的方向。水下扑翼推进装置结构简单可靠、易于控制，能产生稳定的周期性推进力，且具有噪音小，稳定性强的特点，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于蝠鲼仿生水下扑翼推进装置

技术领域

本发明涉及一种水下推进装置，具体地说，涉及一种基于蝠鲼仿生水下扑翼推进装置；属于水下航行器推进技术领域。

背景技术

水下航行器作为一种对海洋进行探索和开发的工具，在人类对海洋的探索过程中有着重要的角色，近些年来，随着人类对海洋资源的越发重视，水下航行器的作用越来越明显，具有广阔的应用前景。

传统的水下航行器主要是利用螺旋桨的推进方式，这种推进方式局限在于低速环境下性能不佳，噪声较大，机动性较差。如今，人们对于水下航行器的要求越来越高，以应对海洋中出现的复杂情况，需要水下航行器在低速环境下具有良好的机动性和稳定性。螺旋桨推进方式已经难以满足这一要求。

科研人员通过研究发现，水下生物经过上万年的进化，已经很好地适应了复杂的海洋环境。人们根据推进方式的不同，将其分为两类，第一种是通过身体尾鳍的摆动进行推进，其特点是启动速度快，静水航行效率高。该推进模式常见于像鲹科目的鱼类中。第二种主要是利用胸鳍的拍打来进行推进，其特点是机动性强，抗干扰能力强，以及低速条件下推进效率高，常见于鳐科目和鲼科目的鱼类当中。通过对海洋生物推进方式的模仿，人们研制出了许多新型的推进装置，取得了良好的推进效果。

在众多的海洋生物当中，鲼科鱼类在游动过程中有着较高的推进效率，同时兼有优良的机动特性和良好的稳定性，能够应对各种海洋状况；是很好的仿生对象。

发明专利CN101003301A中公开了一种“水下仿水翼推进装置”，该推进装置采用两个电机和控制系统，实现水翼拍动和旋转运动的两个自由度的旋转。这种仿水翼推进装置结构复杂，并且需要精确的控制，须配置复杂的单片机控制系统。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种基于蝠鲼仿生水下扑翼推进装置；该水下扑翼推进装置以蝠鲼为仿生对象，由电机驱动，通过张线轮组驱动鳍条机构带动外骨架与蒙皮运动，实现扑翼上下摆动，从而使航行器向前推进和转弯。扑翼推进装置具有结构简单、易于控制，且制造成本较低的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括蒙皮、伺服电机、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、拉索和销轴，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铰接组合，且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，相邻对应的两根竖直杆与中间两根交叉杆分别在横向交叉、纵向连接组合成四杆单元结构，竖直杆与中间交叉杆为铰链连接，铰接点处的销轴为空心结构，销轴外部有螺纹，用于螺母固定连接部件，四杆单元之间通过共用的竖直杆相连接，靠近张线轮组的第一竖直杆固定在航行器内部，四杆单元通过拉索与相对应的V型走线轴承配合，由距离张线轮组最远端的四杆单元起始沿铰接点处设置连接，V型走线轴承位于杆件间铰接处，用于减少拉动拉索时产生的摩擦力；

所述张线轮组为多个走线轮同轴叠加组合，走线轮半径比值为1:2:3:4:5，各走线轮之间不能相对转动，拉索分别缠绕在对应的走线轮上；所述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，张线轮组拉动拉索带动鳍条机构实现上下摆动；

所述伺服电机固定在航行器内部，伺服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，伺服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，外骨架与鳍条机构配合连接，用于支撑结构外形鳍面，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

本发明公开了一种基于蝠鲼仿生水下扑翼推进装置，产生拍动的鳍条机构为张拉式结构，由多根受压杆件和拉索组成，在一定的预应力下，具有较高的刚度，能够承受一定的载荷，传递较大的动力。竖直杆和交叉杆分别在横向交叉、纵向连接组合，杆件之间为铰链连接；铰接点处的销轴为空心结构，用于安装固定外骨架部件；铰链点处有V型走线轴承用于拉索的布设；当张线轮组转动时，拉动拉索带动鳍条机构进行上下摆动。鳍条机构具有结构简单、轻便，可充分发挥材料的性能，节省材料，降低成本。

本发明基于蝠鲼仿生水下扑翼推进装置，装置由伺服电机进行控制驱动，控制简单。扑翼推进装置结构呈扁平状，能产生较大的瞬时加速度，具有良好的机动性和稳定性，并且由于扑翼拍动频率较低，不会产生空泡，噪声小。扑翼推进装置的尺寸可进行相应的调整。其形状与鲼科鱼类的胸鳍相类似，能较好地模仿鲼科鱼类胸鳍的运动方式，具有广阔的应用前景。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种基于蝠鲼仿生水下扑翼推进装置作进一步详细说明。

图1为本发明基于蝠鲼仿生水下扑翼推进装置轴测图。

图2为本发明基于蝠鲼仿生水下扑翼推进装置内部结构示意图。

图3为本发明基于蝠鲼仿生水下扑翼推进装置示意图。

图4为本发明基于蝠鲼仿生水下扑翼推进装置的外骨架结构示意图。

图5为本发明基于蝠鲼仿生水下扑翼推进装置的鳍条机构示意图。

图6为本发明的鳍条机构向上摆动状态图。

图7为本发明的鳍条机构向下摆动状态图。

图8为鳍条机构各单元拉索布设示意图。

图中:

1.蒙皮 2.伺服电机 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

本实施例是一种基于蝠鲼仿生水下扑翼推进装置。

参阅图1～图8，本实施例基于蝠鲼仿生水下扑翼推进装置,由蒙皮1、伺服电机2、联轴器3、传动齿轮组4、张线轮组5、外骨架和鳍条机构组成，鳍条机构还包括竖直杆、交叉杆、V型走线轴承12、拉索和销轴；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依次沿轴向铰接组合，且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，相邻对应的两根竖直杆与中间两根交叉杆分别在横向交叉、纵向连接组合成四杆单元结构，竖直杆与中间交叉杆为铰链连接，铰接点处的销轴为空心结构，销轴外部有螺纹，用于螺母固定连接部件。四杆单元之间通过共用的竖直杆相连接，靠近张线轮组5的第一竖直杆18固定在航行器内部。四杆单元通过拉索与相对应的V型走线轴承12配合，由距离张线轮组最远端的四杆单元起始沿铰接点处设置连接，V型走线轴承12安装在杆件间铰接处，用于减少拉动拉索时产生的摩擦力。

张线轮组5为多个走线轮同轴叠加组合，走线轮半径比值为1:2:3:4:5，各走线轮之间不能相对转动，拉索分别缠绕在对应的走线轮上。张线轮组5位于鳍条机构的前端部，且张线轮组5轴线与鳍条机构轴线位于同一平面，张线轮组5拉动拉索带动鳍条机构实现上下摆动。伺服电机2固定在航行器内部，伺服电机2输出轴与传动齿轮组4的主动轮通过联轴器3连接；传动齿轮组4的从动轮与张线轮组5同轴安装，伺服电机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处的销轴，上下两半弧形框扣合，且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，外骨架与鳍条机构配合连接，用于支撑结构外形鳍面，蒙皮覆于外骨架上。外骨架由第一外骨架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组成，外骨架与竖直杆为过盈配合；或采用卡簧固定。外骨架采用NACA0016低速翼型；外骨架用作支撑整个扑翼机构的外形，使扑翼的形状更加接近鲼科鱼类的胸鳍的外形。

本实施例中，鳍条机构的整体结构呈梯形状。每个铰接点处的销轴为空心结构，外骨架穿过销轴，销轴外部有螺纹，通过与螺母配合固定连接的部件。铰链处安装有多个V型走线轴承，用于缠绕拉索。缠绕拉索时，拉索的两端头固定在四杆单元右边竖直杆的两个铰接点处，沿着鳍条机构外部轮廓进行布设，最后缠绕在张线轮上。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。当张线轮组逆时针转动时，四杆单元上半部分的拉索被拉紧，长度减小，下半部分拉索放松，长度变长。使每个四杆单元上边两铰链点的距离减小，下边两个铰链点的距离增大，从而使四杆单元产生变形。多个四杆单元组合在一起时，变形相互叠加，导致鳍条机构呈现向上弯曲的趋势。当张线轮组顺时针转动时，四杆单元产生相反方向的变形，鳍条机构呈现向下弯曲的趋势。通过张线轮组转动，鳍条机构实现上下摆动。在远离张线轮的四杆单元所使用的拉索较长，需经过鳍条机构各四杆单元的铰链点，所对应的V型走线轴承数量增多，并且各四杆单元产生的变形也会对拉索的位移产生影响，使得拉索位移量增大。因此，远离张线轮组的四杆单元所对应的走线轮半径更大。本实例中各走线轮的半径比例为1:2:3:4:5。可根据设计的需求，更改半径比例，也可采用分别驱动多个走线轮的模式。

本实施例中，外骨架由第一外骨架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组成；安装时，外骨架的上下两个半弧形框分别穿过鳍条机构铰链处；并将上下两个半弧形框在接口处铰接组合成框体。外骨架可采用过盈配合，也可用卡簧或螺母来进行固定。外骨架将鳍条机构连接起来并且支撑整个鳍面。

本实施例运动过程:伺服电机通过联轴器带动传动齿轮组转动；传动齿轮组带动张线轮组转动；张线轮组转动拉动鳍条机构的多根拉索，从而拉动鳍条机构和外骨架运动。通过控制伺服电机的正反转、转动角度和速度，控制整个扑翼装置扑动的方向，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，实现良好的仿生效果。

Claims (3)

1.一种基于蝠鲼仿生水下扑翼推进装置，包括蒙皮、伺服电机、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、拉索和销轴，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铰接组合，且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，相邻对应的两根竖直杆与中间两根交叉杆分别在横向交叉、纵向连接组合成四杆单元结构，竖直杆与中间交叉杆为铰链连接，铰接点处的销轴为空心结构，销轴外部有螺纹，用于螺母固定连接部件，四杆单元之间通过共用的竖直杆相连接，靠近张线轮组的第一竖直杆固定在航行器内部，四杆单元通过拉索与相对应的V型走线轴承配合，由距离张线轮组最远端的四杆单元起始沿铰接点处设置连接，V型走线轴承位于杆件间铰接处，用于减少拉动拉索时产生的摩擦力；

所述张线轮组为多个走线轮同轴叠加组合，走线轮半径比值为1:2:3:4:5，各走线轮之间不能相对转动，拉索分别缠绕在对应的走线轮上；所述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，张线轮组拉动拉索带动鳍条机构实现上下摆动；

所述伺服电机固定在航行器内部，伺服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，伺服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，外骨架与鳍条机构配合连接，用于支撑结构外形鳍面，蒙皮覆于外骨架上。

2.根据权利要求1所述的基于蝠鲼仿生水下扑翼推进装置，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所述的基于蝠鲼仿生水下扑翼推进装置，其特征在于:所述外骨架采用NACA0016低速翼型。