CN109436264A - 一种仿生鱼尾电液推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生鱼尾电液推进装置，包括电机机架、无轴电机、液压系统和仿生鱼尾鳍，无轴电机与液压系统中的液压泵连接，通过液压传动把动力传送到液压系统中的执行机构，液压系统执行机构为摆动液压马达，摆动液压马达通过刚性连接带动仿生鱼尾鳍的前半连接部往复摆动，从而带动仿生鱼尾鳍后半仿形部分的往复摆动。本发明提供的仿生鱼尾电液推进装置，设计合理，通过液压系统提供动力，液压系统功率密度较高、体积小、稳定性高、输出功率大而且便于控制，并且关键部件采用密度较小的复合材料，降低了系统的质量。

Description

一种仿生鱼尾电液推进装置

技术领域

本发明涉及机械液压技术领域，具体涉及一种仿生鱼尾电液推进装置。

背景技术

相比目前应用较多的螺旋桨式的水下推进器而言，鱼类经过长时间的进化形成的其特有的推动形式具有更好的机动性和对水下复杂情况适应性，而且推进效率更高。根据鱼类的推进模式不同，大致可以分为身体/尾鳍(body and/or caudal fin，BCF)推进模式和中央鳍/对鳍(median and/or paired fin，MPF)推进模式，其中BCF推进模式因其在机械结构上更容易实现和推进效率更高而在仿生鱼中应用更多。

仿生鱼的BCF推进模式主要是靠尾鳍的往复摆动来控制鱼体在水中前进，在以前的研究中完成尾鳍的往复运动一般使用电机带动曲柄机构产生往复摆动。该种驱动形式的仿生鱼虽然比较容易实现尾鳍的往复运动，但是也存在噪声大、振幅固定和结构复杂等缺点。近年来，不少研究机构为克服电机驱动仿生鱼的上述缺点提出了智能材料驱动器。例如：形状记忆合金、压电体以及人工肌肉等。其中压电材料是通过控制材料的电压使压电材料进行膨胀和收缩从而控制鱼尾摆动，但是这种驱动形式驱动功率较低且不易精确控制。

发明内容

本发明目的在于解决现有仿生鱼的不能调节尾鳍的振幅以及功率小的问题，提供一种基于液压动力的仿生鱼尾电液推进装置。

为实现上述目的，本发明实行的方案为：一种仿生鱼尾电液推进装置，包括无轴电机机架、无轴电机、液压系统、摆动液压马达、摆动液压马达机架和仿生鱼尾鳍，所述液压系统包括液压系统集成块、液压泵、安全阀、单向阀、液压油箱和2D数字伺服阀；无轴电机机架和摆动液压马达机架固定在液压系统上，所述无轴电机固定在无轴电机机架上，摆动液压马达固定在摆动液压马达机架上，仿生鱼尾鳍与摆动液压马达相连接；液压泵的输入轴与无轴电机连接，液压泵的吸油口通过液压系统集成块中的第一内部流道与液压油箱连接，液压泵的出油口通过液压系统集成块的第二内部流道分别与安全阀和单向阀的进油口连接，安全阀的出油口与液压油箱通过液压系统集成块的第三内部流道连接，单向阀的出油口通过液压系统集成块的第四内部流道与2D数字伺服阀P口连接，所述2D数字伺服阀A口和B口分别与摆动液压马达的进口和出口连接，2D数字伺服阀的T口通过液压系统集成块的第五内部流道与液压油箱连接；无轴电机将无轴电机的输出转矩转换为液压系统中油液的压力能，油液的压力能经液压系统传递给摆动液压马达，使其往复摆动，摆动液压马达的往复运动带动仿生鱼尾鳍的往复摆动。

优选的，仿生鱼尾鳍包括后半仿形部和前半连接部，所述放生鱼尾鳍的后半仿形部为鱼尾鳍形，固定连接于前半连接部，所述仿生鱼尾鳍前半连接部与摆动液压马达输出轴刚性连接。

优选的，无轴电机机架和摆动液压马达机架固定在液压系统上具体为：所述无轴电机机架由电机固定端和液压泵固定端组成，所述无轴电机固定在无轴电机机架的电机固定端，液压泵固定端固定在液压系统的液压系统集成块上；所述摆动液压马达机架由摆动液压马达固定端和阀块固定端组成，所述摆动液压马达与摆动液压马达固定端连接，摆动液压马达阀块固定端固定在液压系统的液压系统集成块上。

优选的，所述仿生鱼尾鳍的前半连接部与摆动液压马达同心装配，所述液压系统中安全阀的压力可调节，所述2D数字伺服阀可以完成阀芯的轴向运动和旋转运动，阀芯的轴向运动控制阀的输出流量的幅值，阀芯的旋转运动控制油液的换向。

优选的，液压系统集成块、无轴电机机架、摆动液压马达机架和液压油箱均采用铝合金材料制造，所述无轴电机选用铝合金外壳，所述液压泵选用铝合金液压泵，所述安全阀和单向阀采用螺纹插装式。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种仿生鱼尾电液推进装置，设计合理，通过液压系统提供动力，液压系统功率密度较高、体积小、稳定性高、输出功率大而且便于控制。尤其是通过2D数字伺服阀对系统的流量进行控制，既能够通过2D数字伺服阀阀芯的轴向运动调节仿生鱼尾鳍的摆动幅度，而且可以通过2D数字伺服阀阀芯的旋转运动控制仿生鱼尾鳍的摆动频率和方向。使仿生鱼能轻松完成游动速度和方向的调节。另外本发明通过液压系统的流量带动仿生鱼尾鳍的往复摆动，效率较高，传动稳定。

附图说明

图1为一种仿生鱼尾电液推进装置整体结构示意图；以及

图2为液压原理图；

具体实施方式

为了更好的了解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明的实施例进行详细的描述。

如图1至图2所示，本发明的一种仿生鱼尾电液推进装置，包括无轴电机机架2、无轴电机1、液压系统、摆动液压马达6、摆动液压马达机架7和仿生鱼尾鳍。无轴电机机架2上安装有无轴电机1；摆动液压马达机架7上安装有摆动液压马达6，摆动液压马达6与仿生鱼尾鳍前半连接部4相连接；无轴电机机架2和摆动液压马达机架7分别与液压系统固定连接。液压系统包括液压泵3、液压系统集成块8、安全阀9、单向阀10、液压油箱11和2D数字伺服阀12，其中液压泵3、安全阀9、单向阀10、液压油箱11和2D数字伺服阀12都与液压系统集成块8相连接，组成液压系统一个整体。无轴电机1与液压系统中的液压泵3连接，将无轴电机的输出转矩转换为液压系统中油液的压力能，油液的压力能经液压系统传递给摆动液压马达6，使其往复摆动，摆动液压马达与仿生鱼尾鳍连接，将摆动液压马达的往复运动转换为仿生鱼尾鳍的往复摆动。

本实施例中具体连接关系如下：无轴电机机架2为L型，由电机固定端和液压泵固定端组成；摆动液压马达机架7也为L型，由摆动液压马达固定端和阀块固定端组成；无轴电机机架2的液压泵固定端和摆动液压马达机架7的阀块固定端分别与液压系统集成块8相固定。无轴电机1通过螺栓与无轴电机机架2的电机固定端相连接，摆动液压马达6通过螺栓与摆动液压马达机架7的摆动液压马达固定端相连接。液压泵3与液压系统集成块8固定连接，通常液压泵3安装在液压系统集成块8的上部，液压泵3的输入轴与无轴电机1连接。液压油箱11与液压系统集成块8固定连接，通常液压油箱11安装在液压系统集成块8的下部。仿生鱼尾鳍包括前半连接部4和后半仿形部5，仿生鱼尾鳍的后半仿形部5为鱼尾鳍形，固定连接于前半连接部；摆动液压马达6与仿生鱼尾鳍前半连接部4刚性连接，仿生鱼尾鳍前半连接部4与摆动液压马达6的输出轴同心装配。

液压泵3的吸油口通过液压系统集成块8中的第一内部流道与液压油箱11连接，液压泵3的出油口通过液压系统集成块8的内部三通流道分别与安全阀9和单向阀10的进油口连接，安全阀9的出油口与液压油箱11通过液压系统集成块8的第二内部流道连接，单向阀10的出油口通过液压系统集成块8的第三内部流道与2D数字伺服阀P口连接，2D数字伺服阀A口和B口分别与摆动液压马达6的进口和出口连接，2D数字伺服阀的T口通过液压系统集成块8的第四内部流道与液压油箱11连接。液压泵3通过液压系统集成块8的第一内部流道从液压油箱11中吸取油液，并将高压油液通过液压系统集成块8传递给摆动液压马达6。液压系统中安全阀的压力可以根据系统需求进行调节。2D数字伺服阀12可以完成阀芯的轴向运动和旋转运动，阀芯的轴向运动控制阀的输出流量的幅值，阀芯的旋转运动控制油液的换向。

2D数字伺服阀12的阀芯具有轴向和周向两个自由度的运动，2D数字伺服阀12的阀芯轴向运动可以控制阀的开口大小，进而改变通过阀芯的流量幅值，2D数字伺服阀12的周向运动可以控制油液换向，进而改变摆动液压马达6的运动方向，由于2D数字伺服阀12的周向运动是连续且循环的，所以摆动液压马达6可以通过2D数字伺服阀12的连续的周向运动实现往复运动。摆动液压马达6的往复运动仿生鱼尾鳍前半连接部4往复摆动。从而仿生鱼尾鳍前半连接部4的往复摆动进一步带动仿生鱼尾鳍后半仿形部5的往复摆动，完成拍水动作，产生向前的推力。

本申请中的液压系统集成块8、无轴电机机架2、摆动液压马达机架7和液压油箱11均采用铝合金材料制造，无轴电机1选用铝合金外壳，液压泵3选用铝合金液压泵，安全阀9和单向阀10采用螺纹插装式。

本实施例的一个具体应用为：使用时先给2D数字伺服阀12一个电信号，使2D数字伺服阀12的阀芯产生一定程度的轴向位移，然后2D数字伺服阀12的阀芯开启，液压泵3输出的高压油通过2D数字伺服阀12的阀芯进入摆动液压马达6的一腔，推动摆动液压马达6转动，进而带动仿生鱼尾鳍摆向一边，与此同时，2D数字伺服阀12阀芯的周向运动使油液换向，液压泵3输出的高压油通过2D数字伺服阀12进入摆动液压马达的另一端，推动摆动液压马达6做回程运动，进而带动仿生鱼尾鳍摆向另外一边，上述动作为仿生鱼尾鳍的一个动作周期，若控制2D数字伺服阀12阀芯的轴向位移回到中位，则摆动液压马达6两端将没有油液输入，仿生鱼尾鳍停止摆动。显而易见的，若2D数字伺服阀12阀芯的周向运动卫匀速转动，摆动液压马达6往复摆动的幅度相同，仿生鱼将沿直线游动，可以通过控制2D数字伺服阀12阀芯转动速度，使得在同一个周期内，阀芯的转动为变速转动，使得摆动液压马达6两个方向的转动角度发生变化，进而控制仿生鱼尾鳍左右摆动的幅度不一致，控制鱼体实现转弯。

以上所述为本发明的较佳实施例的说明，是为了更好地解释本发明的原理和应用，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征。本发明可以有多种形式的变化，凡在本发明的原则范围内进行的替换和修改，均应该在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种仿生鱼尾电液推进装置，其特征在于：包括：无轴电机机架、无轴电机、液压系统、摆动液压马达、摆动液压马达机架和仿生鱼尾鳍，所述液压系统包括液压系统集成块、液压泵、安全阀、单向阀、液压油箱和2D数字伺服阀；

所述无轴电机机架和摆动液压马达机架固定在液压系统上，所述无轴电机固定在无轴电机机架上，所述摆动液压马达固定在摆动液压马达机架上，仿生鱼尾鳍与摆动液压马达相连接；所述液压泵的输入轴与无轴电机连接，液压泵的吸油口通过液压系统集成块中的第一内部流道与液压油箱连接，液压泵的出油口通过液压系统集成块的内部三通流道分别与安全阀和单向阀的进油口连接，所述安全阀的出油口与液压油箱通过液压系统集成块的第二内部流道连接，所述单向阀的出油口通过液压系统集成块的第三内部流道与2D数字伺服阀P口连接，所述2D数字伺服阀A口和B口分别与摆动液压马达的进口和出口连接，所述2D数字伺服阀的T口通过液压系统集成块的第四内部流道与液压油箱连接；所述无轴电机将无轴电机的输出转矩转换为液压系统中油液的压力能，油液的压力能经液压系统传递给摆动液压马达，使其往复摆动，摆动液压马达的往复运动带动仿生鱼尾鳍的往复摆动。

2.根据权利要求1所述的一种仿生鱼尾电液推进装置，其特征在于：所述仿生鱼尾鳍包括后半仿形部和前半连接部，所述放生鱼尾鳍的后半仿形部为鱼尾鳍形，固定连接于前半连接部，所述仿生鱼尾鳍前半连接部与摆动液压马达输出轴刚性连接。

3.根据权利要求2所述的一种仿生鱼尾电液推进装置，其特征在于：所述无轴电机机架和摆动液压马达机架固定在液压系统上具体为：

所述无轴电机机架由电机固定端和液压泵固定端组成，所述无轴电机固定在无轴电机机架的电机固定端，液压泵固定端固定在液压系统的液压系统集成块上；所述摆动液压马达机架由摆动液压马达固定端和阀块固定端组成，所述摆动液压马达与摆动液压马达固定端连接，摆动液压马达阀块固定端固定在液压系统的液压系统集成块上。

4.根据权利要求1所述的一种仿生鱼尾电液推进装置，其特征在于：所述仿生鱼尾鳍的前半连接部与摆动液压马达同心装配，所述液压系统中安全阀的压力可调节，所述2D数字伺服阀可以完成阀芯的轴向运动和旋转运动，阀芯的轴向运动控制阀的输出流量的幅值，阀芯的旋转运动控制油液的换向。

5.根据权利要求1所述的一种仿生鱼尾电液推进装置，其特征在于：所述液压系统集成块、无轴电机机架、摆动液压马达机架和液压油箱均采用铝合金材料制造，所述无轴电机选用铝合金外壳，所述液压泵选用铝合金液压泵，所述安全阀和单向阀采用螺纹插装式。