CN109911155B - 可实现椭圆轨迹的仿生鳍单元及采用其推进的水下机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可实现椭圆轨迹的仿生鳍单元及采用其推进的水下机器人，包括水下机器人本体和成对使用的仿生鳍单元；其中仿生鳍单元包括一对仿生鳍、以及用于驱动该对鳍单元实现椭圆轨迹击水和划水动作的驱动执行机构，该驱动执行机构通过输出轴与一对仿生鳍相连接；其中驱动执行机构包括仿生鳍拍动机构和仿生鳍转动机构，且拍动机构实现椭圆轨迹运动的同时带动转动机构产生自适应转动。本发明实现了机构由单电机驱动的二自由度运动，既可使仿生鳍完成一个周期内的椭圆轨迹击水和划水运动，也可提供合适的迎角，在短时间内达到理想角度，使得鳍单元具有更好的灵活度，提升了仿生鳍单元推进性能的同时改善了水下机器人的机动性能。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机构，尤其一种涉及可实现椭圆轨迹的仿生鳍单元及采用其推进的水下机器人。
背景技术
近年来，海洋的战略地位越来越重要，水下机器人获得了极大的发展。海洋环境复杂多变，如何设计结构简单灵巧且适应性强的水下机器人成为机器人研究中的重点。科学家通过将仿生学和机器人两大学科相结合，提出了新的想法：水下仿生机器人。
水下环境复杂，因此对水下仿生机器人的推进机构要求十分严格，根据海洋生物的外形结构和运动方式进行设计。由于海洋生物经过了亿万年的进化演绎，其生物体模型对海洋环境的适应性强，所以将会更容易完成指定的工作。按照这种方式研制的推进机构，大大提高了水下仿生机器人的稳定性。
因此，亟待设计一款可模拟水下生物运动轨迹的推进机构。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种有效提高仿生鳍击水、划水效率和游动效率的可实现椭圆轨迹的仿生鳍单元。
第二目的是提供一种采用该可实现椭圆轨迹的仿生鳍单元推进的水下机器人。
技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种可实现椭圆轨迹的仿生鳍单元，其特征在于：包括一对仿生鳍、以及用于驱动该对仿生鳍实现椭圆轨迹的击水和划水动作的驱动执行机构，该驱动执行机构通过输出轴与一对仿生鳍相连接；其中所述驱动执行机构包括带动仿生鳍实现椭圆轨迹的击水和划水动作的仿生鳍拍动机构和为仿生鳍的椭圆轨迹运动提供合适迎角的仿生鳍转动机构，且仿生鳍拍动机构实现椭圆轨迹运动的同时带动转动机构产生自适应转动。本发明实现了机构的二自由度运动，拍动与转动，且利用拍动带动转动，既可使仿生鳍完成一个周期内的椭圆轨迹击水和划水运动，也可为其击水和划水动作提供合适的迎角，在短时间内达到理想角度，使得鳍单元具有更好的灵活度，提升了仿生鳍单元推进性能的同时改善了水下机器人的机动性能。
其中，所述仿生鳍拍动机构包括一对内啮合的齿轮组，以及依次连接的伺服电机、锥齿轮组和驱动轴，该驱动轴的两端分别通过曲柄与齿轮组的内齿轮轴心相连接，避开内齿轮轴心在其径向上设有万向节；所述伺服电机驱动锥齿轮组啮合带动驱动轴转动时，驱动轴带动曲柄作圆周运动，进而带动齿轮组内啮合，啮合过程中带动与仿生鳍相连接的万向节末端作椭圆轨迹运动。本发明利用内啮合的齿轮组机构，使仿生鳍实现椭圆轨迹的摆动，提高了鳍击水、划水的效率，提高游动效率，本发明通过一个伺服电机同时驱动两侧的仿生鳍实现同步的椭圆轨迹的蝶泳式拍动，保证了仿生鳍的稳定性与运动性能。
优选的，所述齿轮组的内齿轮沿其径向开设有线槽，万向节通过线槽可活动固定于内齿轮上。本发明中在内齿轮上开设线槽，万向节通过线槽可活动连接在内齿轮上，由此改变万向节与内齿轮轴心的径向距离，从而改变万向节椭圆运动轨迹的长短轴长度，形成不同大小的椭圆运动轨迹。
再者，所述锥齿轮组包括两个相互啮合且中心轴垂直设置的锥齿轮。
进一步，所述仿生鳍转动机构包括依次连接的滑动套筒、方形销、连杆和联轴器，滑动套筒的一端与万向节相连，联轴器的一端与输出轴相连，且方形销可在滑动套筒内滑动；万向节末端作椭圆轨迹运动的同时，万向节产生自适应转动，带动方形销和连杆转动，通过联轴器驱动输出轴一同转动。
优选的，所述齿轮组中外齿轮和内齿轮的齿数比为2:1，本发明的齿数比可保证内齿轮与外齿轮啮合一圈以后恰好完成一个周期的椭圆轨迹，即内齿轮正好转动一圈。
本发明一种采用可实现椭圆轨迹的仿生鳍单元推进的水下机器人，包括至少一个仿生推进鳍单元、用于包覆推进鳍单元的仿生外壳和套设在输出轴上、与仿生外壳相连接的鱼眼轴承。本发明在仿生外壳上安装鱼眼轴承可满足输出轴的二自由度运动，兼具较好的密封性能，方便外壳和其内部设备的安装。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
1、本发明实现了机构的二自由度运动，拍动与转动，且利用拍动带动转动，既可使仿生鳍完成一个周期内的椭圆轨迹击水和划水运动，也可为其击水和划水动作提供合适的迎角，在短时间内达到理想角度，使得机构具有更好的灵活度，提升了仿生胸鳍的机动性能；
2、本发明利用内啮合的齿轮组机构，使仿生鳍实现椭圆轨迹的摆动，提高了鳍击水、划水的效率，提高游动效率；本发明采用使用内啮合齿轮组机构，结构紧凑，传递运动可靠，瞬时传动比恒定，使用效率高；
3、本发明通过一个伺服电机同时驱动两侧的仿生鳍实现同步的椭圆轨迹的蝶泳式拍动，保证了胸鳍的稳定性与运动性能；
4、本发明中在内齿轮上开设线槽，万向节通过线槽可活动连接在内齿轮上，由此改变万向节与内齿轮轴心的径向距离，从而改变万向节椭圆运动轨迹的长短轴长度，形成不同大小的椭圆运动轨迹；
5、本发明在输出轴上安装鱼眼轴承可满足输出轴的二自由度运动，兼具较好的密封性能，方便任意水下机器人外壳和其内部设备的安装。
6、本发明可一对或多对仿生推进鳍单元应用于多种水下机器人，大幅度提升水下机器人的推进性能。
附图说明
图1是本发明仿生推进鳍单元的结构示意图；
图2是本发明中仿生鳍拍动机构的结构示意图；
图3是本发明中仿生鳍拍动机构的齿轮组的结构示意图；
图4是本发明中仿生鳍转动机构的结构示意图；
图5是本发明中仿生鳍转动机构中方形销的位置示意图；
图6是本发明水下机器人的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明一种可实现椭圆轨迹的仿生鳍单元，包括一对仿生鳍1、输出轴2和驱动执行机构。驱动执行机构用于驱动该对仿生鳍1实现椭圆轨迹的击水和划水动作，该驱动执行机构通过输出轴2与一对仿生鳍1相连接；其中所述驱动执行机构包括带动仿生鳍实现椭圆轨迹的击水和划水动作的仿生鳍拍动机构和为仿生鳍的椭圆轨迹运动提供合适迎角的仿生鳍转动机构，且仿生鳍拍动机构实现椭圆轨迹运动的同时带动仿生鳍转动机构产生自适应转动。
如图2和图3所示，仿生鳍拍动机构包括一对内啮合的齿轮组3、伺服电机4、锥齿轮组5、驱动轴6、曲柄7和万向节8，锥齿轮组5包括两个相互啮合且中心轴垂直设置的锥齿轮，齿轮组3中外齿轮和内齿轮的齿数比为2:1，以保证内齿轮与外齿轮啮合一圈以后恰好完成一个周期的椭圆轨迹，此时内齿轮也刚好转动一圈。伺服电机4、锥齿轮组5和驱动轴6依次连接，驱动轴6的两端分别通过曲柄7与齿轮组3的内齿轮轴心相连接，避开内齿轮轴心在其径向上设有万向节8；齿轮组3的内齿轮沿其径向开设有线槽301，万向节8通过线槽301可活动固定于内齿轮上。本发明中在内齿轮上开设线槽，万向节通过线槽可活动连接在内齿轮上，由此改变万向节与内齿轮轴心的径向距离，从而改变万向节椭圆运动轨迹的长短轴长度，形成不同大小的椭圆运动轨迹；本发明利用内啮合的齿轮组机构，使仿生鳍实现椭圆轨迹的摆动，提高了仿生鳍击水、划水的效率，提高游动效率。
如图4和图5所示，本发明的仿生鳍转动机构包括依次连接的滑动套筒9、方形销10、连杆11和联轴器12，滑动套筒9的一端与万向节8相连，联轴器12的一端与输出轴2相连，且方形销10可在滑动套筒9内滑动。
本发明伺服电机4驱动锥齿轮组5啮合带动驱动轴6转动时，驱动轴6带动曲柄7作圆周运动，进而带动齿轮组3内啮合，啮合过程中带动与仿生鳍1相连接的万向节8末端作椭圆轨迹运动，从而实现仿生鳍1实现椭圆轨迹的击水和划水动作；万向节8末端作椭圆轨迹运动的同时，万向节8产生自适应转动，带动方形销10和连杆11转动，通过联轴器12驱动输出轴2一同转动，最后驱动仿生鳍1旋转，用于调整仿生鳍击水和归位的迎角。本发明在仿生鳍拍动机构工作时，通过万向节8、滑动套筒9与方形销10的配合，保证输出轴2和仿生鳍1在一个平面内作椭圆轨迹的运动。
如图6所示，本发明一种应用可实现椭圆轨迹的仿生鳍单元的水下机器人，包括至少一个仿生推进鳍单元、用于包覆仿生推进鳍单元的仿生外壳13和套设在输出轴2上、与仿生外壳13相连接的鱼眼轴承14。如图6所示，仿生推进鳍单元的数量可为多个，对称分布在水下机器人身体中轴线两侧，其中齿轮组的外齿轮和伺服电机4固定在仿生外壳13上，输出轴2及仿生鳍1通过鱼眼轴承14伸出鱼体外。本发明在输出轴上安装鱼眼轴承可满足输出轴的二自由度运动，兼具较好的密封性能，方便任意水下机器人外壳和其内部设备的安装。
本发明实现了机构的二自由度运动，拍动与转动，且利用拍动带动转动，既可使仿生鳍完成一个周期内的椭圆轨迹击水和划水运动，也可为其击水和划水动作提供合适的迎角，在短时间内达到理想角度，使得鳍单元具有更好的灵活度，提升仿生鳍单元推进性能的同时也改善了水下机器人的机动性能。
Claims (6)
1.一种可实现椭圆轨迹的仿生鳍单元，其特征在于：包括一对仿生鳍(1)、以及用于驱动该对仿生鳍(1)实现椭圆轨迹的击水和划水动作的驱动执行机构，该驱动执行机构通过输出轴(2)与一对仿生鳍(1)相连接；其中所述驱动执行机构包括带动仿生鳍实现椭圆轨迹的击水和划水动作的仿生鳍拍动机构和为仿生鳍的椭圆轨迹运动提供合适迎角的仿生鳍转动机构，且仿生鳍拍动机构实现椭圆轨迹运动的同时带动转动机构产生自适应转动；所述仿生鳍拍动机构包括一对内啮合的齿轮组(3)，以及依次连接的伺服电机(4)、锥齿轮组(5)和驱动轴(6)，该驱动轴(6)的两端分别通过曲柄(7)与齿轮组(3)的内齿轮轴心相连接，避开内齿轮轴心在其径向上设有万向节(8)；所述伺服电机(4)驱动锥齿轮组(5)啮合带动驱动轴(6)转动时，驱动轴(6)带动曲柄(7)作圆周运动，进而带动齿轮组(3)内啮合，啮合过程中带动与仿生鳍(1)相连接的万向节(8)末端作椭圆轨迹运动。
2.根据权利要求1所述的可实现椭圆轨迹的仿生鳍单元，其特征在于：所述齿轮组(3)的内齿轮沿其径向开设有线槽(301)，万向节(8)通过线槽(301)可活动固定于内齿轮上。
3.根据权利要求1所述的可实现椭圆轨迹的仿生鳍单元，其特征在于：所述锥齿轮组(5)包括两个相互啮合且中心轴垂直设置的锥齿轮。
4.根据权利要求1所述的可实现椭圆轨迹的仿生鳍单元，其特征在于：所述仿生鳍转动机构包括依次连接的滑动套筒(9)、方形销(10)、连杆(11)和联轴器(12)，滑动套筒(9)的一端与万向节(8)相连，联轴器(12)的一端与输出轴(2)相连，且方形销(10)可在滑动套筒(9)内滑动；万向节(8)末端作椭圆轨迹运动的同时，万向节(8)产生自适应转动，带动方形销(10)和连杆(11)转动，通过联轴器(12)驱动输出轴(2)一同转动。
5.根据权利要求1所述的可实现椭圆轨迹的仿生鳍单元，其特征在于：所述齿轮组(3)中外齿轮和内齿轮的齿数比为2:1。
6.一种采用权利要求1-5任一所述的可实现椭圆轨迹的仿生鳍单元推进的水下机器人，其特征在于：包括至少一个仿生推进鳍单元、用于包覆仿生推进鳍单元的仿生外壳(13)和套设在输出轴(2)上、与仿生外壳(13)相连接的鱼眼轴承(14)。
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