CN108622356B - 一种水下仿生柔性扑翼推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下仿生柔性扑翼推进装置，由电机、传动齿轮、张线轮组、鳍条机构、外部骨架和蒙皮组成；外部骨架安装在鳍条机构的受压杆上，蒙皮覆盖于外骨架上；鳍条机构由多根受压杆和拉索组成产生拍动，鳍条机构具有较高的刚度，传递较大的动力，可充分发挥材料的性能。柔性扑翼推进装置结构简捷轻便，电机通过联轴器带动传动齿轮转动；经过减速齿轮将力矩传递给张线轮组，张线轮组转动拉动多根拉索，从而拉动鳍条机构进行上下摆动，固定在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而运动和变形，推动水流产生稳定的周期性推力。柔性扑翼推进装置具有控制简单，变形幅度较大，噪声小和稳定性强的特点。

Description

一种水下仿生柔性扑翼推进装置

技术领域

本发明涉及一种水下推进装置，具体地说，涉及一种水下仿生柔性扑翼推进装置。

背景技术

鱼类高效的游动方式一直是人类所追求的目标，随着水下推进装置研究的不断深入，越来越多的科研人员开始对水下仿生推进装置进行研究。相比于传统的螺旋桨推进方式，鱼类游动过程中具有低噪声、高机动性和高效能的优势，可以满足水下航行器应对复杂海况的要求。因此，水下仿生推进技术已经成为水下推进技术的一个重要研究方向。

根据鱼类产生推力部位的不同，可以将鱼类游动的推进模式分为身体、尾鳍推进模式和中央鳍、对鳍推进模式，身体、尾鳍推进模式主要是利用鱼类尾鳍的摆动来进行游动，而中央鳍、对鳍推进模式主要是利用鱼类胸鳍的摆动来进行游动。两种推进模式有各自的适用范围，身体、尾鳍推进模式适合静水高速条件下进行巡游，而中央鳍、对鳍推进模式则在低速、复杂的环境下具有较好的机动性和稳定性。在人们要求水下航行器在一些海洋环境比较复杂，受扰动比较大的条件下工作，而对航行器的速度没有过多的要求的情况下，中央鳍、对鳍推进模式的优势更加明显。

在中央鳍、对鳍推进模式当中，根据推进方式的不同又可将MPF推进模式细分为多鳍拍动式、胸鳍扑翼滑翔式和长鳍波动式。除了多鳍拍动式采用多块鳍板外，胸鳍扑翼滑翔式和长鳍波动式大多采用单根或多根鳍条驱动整块鳍面的方式进行推进。现有研究的鳍条种类多种多样，主要有刚性鳍条和柔性鳍条，刚性鳍条是通过刚性杆的上下摆动来驱动整个鳍面运动，其结构简单，控制方便，但是由于杆为刚性，并不能很好地发挥胸鳍柔性的作用。而柔性鳍条采用的材料有形状记忆合金、气动驱动器等。这类材料主要是能进行伸缩变形，通过在鳍面上下各布置一个鳍条，其中一个缩短而另外一个伸长，形成弯曲变形，从而达到类似鱼类胸鳍柔性摆动的效果。但是这些材料仍然存在一定的局限性，形状记忆合金由于其变形程度有限，使得其驱动的鳍面不能进行大幅度的摆动，而气动驱动器虽然能够实现较大幅度的变形，但是由于气驱动器的体积和惯性较大，使得其在实际应用中较为困难。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种水下仿生柔性扑翼推进装置；该装置采用张拉整体结构作为鳍条来进行驱动，实现柔性扑翼大幅度的摆动，具有结构简单，易于控制的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括蒙皮、电机、联轴器、传动齿轮组、张线轮组和鳍条机构，其特征在于所述鳍条机构还包括竖直杆、中间杆、V型走线轴承和拉索，所述鳍条机构为张拉框架结构，由多根竖直杆和中间杆依次沿轴向连接组合，相邻对应两根竖直杆和两根中间杆分别在横向和纵向连接组合成平面四杆单元结构，竖直杆与中间杆铰链连接，四杆单元之间通过共用的竖直杆相连接，起始端的竖直杆固定在航行器上；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沿着对角线设置，并沿各中间杆的路径布设其余四杆单元，并缠绕在张线轮上，竖直杆长度沿鳍条机构轴向依次减小，V型走线轴承安装在杆与杆铰接处，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，张线轮组上设有多个走线沟槽，用于缠绕拉索并同步拉动拉索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的空心处，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，外骨架安装在鳍条机构的竖直杆上为过盈配合；或采用卡簧固定。

所述外骨架采用NACA0016低速翼型。

有益效果

本发明提出的一种水下仿生柔性扑翼推进装置，由电机、传动齿轮、张线轮组、鳍条机构、外部骨架和蒙皮组成；外部骨架安装在鳍条机构的受压杆上，蒙皮覆盖于外骨架上；鳍条机构由多根受压杆和拉索组成产生拍动，鳍条机构具有较高的刚度，传递较大的动力，可充分发挥材料的性能。柔性扑翼推进装置结构简捷轻便，电机通过联轴器带动传动齿轮转动；经过减速齿轮将力矩传递给张线轮组，张线轮组转动拉动多根拉索，从而拉动鳍条机构进行上下摆动，固定在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而运动和变形，推动水流产生稳定的周期性推力。

本发明水下仿生柔性扑翼推进装置摆动幅度大；整个鳍条机构采用机械式运动结构，跨度大，因此较小的偏转会产生较大幅度的摆动。且由于拉索受拉，压杆受压的特性，使得材料的性能得以充分发挥。

本发明水下仿生柔性扑翼推进装置控制简单；整个机构的运动采用一个电机进行控制和驱动。

本发明水下仿生柔性扑翼推进装置噪音小，抗扰动能力强；扑翼结构为扁平状，具有较强的稳定性，并且由于扑翼拍动频率较低，不会产生空泡或者噪声。

本发明水下仿生柔性扑翼推进装置结构简单；鳍条机构由各个杆件和拉索组成，根据不同的需求，其尺寸参数可进行相应的调整，且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水下仿生柔性扑翼推进装置作进一步详细说明。

图1为本发明水下仿生柔性扑翼推进装置轴测图。

图2为本发明水下仿生柔性扑翼推进装置内部结构示意图。

图3为本发明水下仿生柔性扑翼推进装置示意图。

图4为本发明水下仿生柔性扑翼推进装置的外骨架结构图。

图5为本发明水下仿生柔性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.第一中间杆 20.第二竖直杆 21.第二中间杆 22.第三竖直杆 23.第三中间杆24.第四竖直杆 25.第四中间杆 26.第五竖直杆 27.第五中间杆 28.第六竖直杆

具体实施方式

本实施例是一种水下仿生柔性扑翼推进装置。

参阅图1～图8，本实施例水下仿生柔性扑翼推进装置，由蒙皮1、电机2、联轴器3、传动齿轮组4、张线轮组5和鳍条机构组成；其中，鳍条机构包括竖直杆、中间杆、V型走线轴承和拉索。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和第一中间杆19、第二中间杆21、第三中间杆23、第四中间杆25、第五中间杆27依次沿轴向连接组合，相邻对应两根竖直杆和两根中间杆分别在横向和纵向连接组合成平面四杆单元结构；竖直杆与中间杆为铰链连接，四杆单元之间通过共用的竖直杆相连接，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之间通过拉索连接，由距离张线轮组5最远端的四杆单元起始沿着对角线设置，并沿各四杆单元的中间杆的路径布设其余四杆单元，最后绕在张线轮上；竖直杆长度沿轴向依次减小。V型走线轴承安装在杆与杆铰接处，用于减少拉动拉索时产生的摩擦力。

电机2固定在航行器内部，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。

本实施例中，张线轮组5为多个半径相同的张线轮同轴安装，张线轮上有沟槽用于缠绕拉索，拉索经由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，且同步拉动第一拉索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进行上下摆动。

外骨架为上下两个对称的半弧形框结构，安装时，上下两个半弧形框分别穿过鳍条机构的竖直杆上铰链的空心处，上下两半弧形框扣合，且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。外骨架安装在鳍条机构的竖直杆上采用过盈配合固定，或利用卡簧进行固定。外骨架用于将鳍条机构连接，并支撑整个结构的外形鳍面；蒙皮覆于外骨架上，起着推动水流的作用；外骨架采用NACA0016低速翼型，以降低阻力。蒙皮覆于外骨架上，起着推动水流的作用。

在本实施例中，鳍条机构呈梯形状，各竖直杆之间的距离相同，长度沿轴向依次减小。除第一竖直杆18和第六竖直杆28的铰链点外，其它铰链点均是由三根杆复合铰接而成，每两根相邻竖直杆之间均有两根长度相同的中间杆。本实施例中采多个四杆单元，每个四杆单元有一个自由度，每个四杆单元需要一根拉索进行驱动,为了减少驱动器的数量，通过具有多个走线沟槽的张线轮组5来进行驱动。对于每一个四杆单元，拉索的走线方式为:第一个四杆单元先沿着梯形的对角线布设，保证拉动拉索时该四杆单元产生相应变形；然后沿着上下两根中间杆的路径布置余下的四杆单元，最后绕在张线轮上。当张线轮组转动时，带动拉索使得每个四杆单元一根对角线的拉索被拉紧，另一根对角线的拉索放松。由于导致四杆单元发生运动变形，变形的方式为拉索拉紧的对角线缩短，拉索放松的对角线伸长，多个四杆单元组装在一起时，变形叠加，导致鳍条机构产生弯曲变形，形成柔性摆动。当张线轮组逆时针转动时，鳍条机构向上翘曲；当张线轮组顺时针转动时，鳍条机构弯曲。本实例采用相同半径的张线轮组进行驱动拉索，张线轮组转动时，各四杆单元产生的变形状态相同。

本实施例的运动过程为，电机通过联轴器带动传动齿轮组进行转动；传动齿轮组带动张线轮组转动；张线轮组的转动拉动鳍条机构上的拉索，从而拉动鳍条机构和外部骨架进行运动。通过控制电机的正反转、转动角度和速度，控制整个扑翼机构扑动的方向，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)

1.一种水下仿生柔性扑翼推进装置，包括蒙皮、电机、联轴器、传动齿轮组、张线轮组和鳍条机构，其特征在于:所述鳍条机构还包括竖直杆、中间杆、V型走线轴承和拉索，所述鳍条机构为张拉框架结构，由多根竖直杆和中间杆依次沿轴向连接组合，相邻对应两根竖直杆和两根中间杆分别在横向和纵向连接组合成平面四杆单元结构，竖直杆与中间杆铰链连接，四杆单元之间通过共用的竖直杆相连接，起始端的竖直杆固定在航行器上；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沿着对角线设置，并沿各中间杆的路径布设其余四杆单元，并缠绕在张线轮上，竖直杆长度沿鳍条机构轴向依次减小，V型走线轴承安装在杆与杆铰接处，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，张线轮组上设有多个走线沟槽，用于缠绕拉索并同步拉动拉索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；

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空心处，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长度依次减小，外骨架与鳍条机构配合连接，用于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所述的水下仿生柔性扑翼推进装置，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，外骨架安装在鳍条机构的竖直杆上为过盈配合；或采用卡簧固定。

3.根据权利要求1所述的水下仿生柔性扑翼推进装置，其特征在于:所述外骨架采用NACA0016低速翼型。