CN110127015A - 一种单驱动波动鳍推进装置及仿生水下航行器 - Google Patents

Abstract

一种单驱动波动鳍推进装置及仿生水下航行器，包括曲轴、带动曲轴旋转的一个动力装置、与曲轴轴线平行的转轴和安装在转轴上、可沿转轴中心旋转的多根鳍条，所述曲轴的两端之间排布有与鳍条数量、位置相匹配的多个曲柄，所述鳍条的中部转动连接在所述转轴上，所述鳍条一端与连杆一端铰接，所述鳍条的另一端上固定有柔性蒙皮，所述柔性蒙皮包覆在所有鳍条外侧、将相邻鳍条连接成整体，所述连杆的另一端与鳍条对应的曲柄铰接，相邻所述曲柄之间设有一个偏转角，本装置噪声低、无扰动、控制简单、效率高，采用多个波动鳍组合协调控制完成推进、转弯和浮沉运动，通过合理布置多个波动鳍也能相互获取能量，具备更高的推进效率和性能。

Description

一种单驱动波动鳍推进装置及仿生水下航行器

技术领域

本发明涉及一种单驱动波动鳍推进装置及仿生水下航行器。

背景技术

水下航行器在海洋资源的开发和保护、海洋地形勘测、军事互动、水下救援和捕捞等诸多领域发挥着重要作用。目前，水下航行器和水下机器人大多采用螺旋桨作为动力装置，螺旋桨存在能源利用率低、对环境扰动大、噪音大和机动性能差等缺点。

水生生物经过漫长的自然选择和自身进化，具备了各具特色的运动方式和运动能力。为此，近年来人们借鉴水下生物的游动方式设计了一系列仿生推进器，具有高效、高机动性、低噪声和隐蔽性强等优点，越来越受人们的关注。

目前波动鳍推进器多采用若干电机独立控制若干根并行排列的鳍条，通过控制系统控制波动鳍形状来实现不同运动方式，若干根鳍条就需要若干个电机，此方式导致各电机之间协调控制系统设计难度较大，导致整个控制系统过于复杂，实现比较困难，且成本较高。

发明内容

针对现有技术的不足本发明提出一种噪声低，无扰动，控制简单，效率高的单驱动波动鳍推进装置及仿生水下航行器。

本发明的目的通过采用下述技术方案予以实现：

一种单驱动波动鳍推进装置，包括曲轴、带动曲轴旋转的一个动力装置、与曲轴轴线平行的转轴和安装在转轴上、可沿转轴中心旋转的多根鳍条，所述曲轴的两端之间排布有与鳍条数量、位置相匹配的多个曲柄，所述鳍条的中部转动连接在所述转轴上，所述鳍条一端与连杆一端铰接，所述鳍条的另一端上固定有柔性蒙皮，所述柔性蒙皮包覆在所有鳍条外侧、将相邻鳍条连接成整体，所述连杆的另一端与鳍条对应的曲柄铰接，相邻所述曲柄之间设有一个偏转角，使得曲柄沿曲轴轴线方向从曲轴的一端到另一端环绕曲轴呈螺旋状延伸，并且所述动力装置带动曲轴旋转时，所述鳍条端部在曲轴轴线切面上的投影沿正弦曲线移动。

进一步的，所述动力装置为电机，所述电机的输出端通过联轴器与曲轴连接。

一种仿生水下航行器，包括主体，所述主体包括浮体、设置在浮体前端的头端和设置在浮体尾端的尾部，所述浮体的上侧、下侧和左侧、右侧分别对称布置有所述单驱动波动鳍推进装置形成上波动鳍、下波动鳍、左波动鳍和右波动鳍。

进一步的，所述浮体的头端以及浮体上、下、左、右四个外侧面上均设有传感器和摄像头窗口。

进一步的，所述浮体的头端为半球型，尾部设置有四组尾鳍。

由于采用上述结构，本发明单驱动波动鳍推进装置通过单个电机实现波动鳍的波动运动，单根鳍条的周期性摆动运动通过无急回特性曲柄摇杆机构实现，通过组合各曲柄摇杆机构的曲柄形成曲轴，曲轴的曲柄之间设置合适的角度差，通过单个电机控制曲轴的转动从而实现鳍条的有序摆动，带动鳍面形成波动运动。采用一个电机控制单个推进装置，转速和转向可以控制波动频率和波动方向，大大简化了控制系统，同时单个电机也减少了成本。

本发明仿生水下航行器，由于波动鳍推进装置波形固定的问题，采用四组波动鳍推进装置共同构成波动鳍推进系统，四组波动鳍空间平行交错布置，波动鳍之间的协同控制可以完成推进、转向和浮沉等运动，这样的布置形式源自于鱼类集群运动思想，有利于从相互产生的涡旋中汲取能量，提高能量利用率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明单驱动波动鳍推进装置的结构示意图；

图中：1-电机、2-电机支架、3-联轴器、4-柔性蒙皮、5-鳍条、6-转轴、7-连杆、8-轴承、9-曲轴、10-主体、11-浮体、12-摄像头窗口、13-1-上波动鳍、13-2-下波动鳍、13-3-右波动鳍、13-4-左波动鳍。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例，来详细说明一种单驱动波动鳍推进装置及仿生水下航行器的具体实施方式。

如图2所示，一种单驱动波动鳍推进装置，包括电机1，电机支架2，联轴器3，柔性蒙皮4(比如：高弹性橡胶材料)，若干根鳍条5，若干根连杆7，轴承8，曲轴9等。电机1通过联轴器3与曲轴9连接，曲轴9相当于若干个曲柄连接形成，各曲柄之间有一定的角度差。曲柄通过连杆连接摇杆，摇杆上装有鳍条，每组曲柄连杆机构实现鳍条在一定的角度内周期性的摆动，模拟尼罗河魔鬼鱼的鳍条摆动。各组结构之间由于曲轴上的曲柄相差一定的角度，从而在整个结构中，各鳍条之间的摆动形成相位差，将各鳍条之间利用柔性蒙皮连接，模拟鱼的柔性鳍面。通过单根曲轴的转动，各鳍条间存在一定的相位差，实现类似尼罗河魔鬼鱼的波动鳍运动，从而产生推力。通过调节电机的转速和转向，可以实现波动频率和波传递方向的改变，从而改变推进力。

如图1所示，一种仿生水下航行器，包括主体10，所述主体包括浮体11、分布在浮体11前、上、下、左、右的传感器和摄像头窗口12，所述摄像头窗口12内布设有摄像头，主体上下侧和左右侧对称布置四组单驱动波动鳍推进装置，所述浮体11内设有与单驱动波动鳍推进装置的电机连接的控制器，控制器还与传感器和摄像头连接，从而控制四组单驱动波动鳍推进装置动作，四组单驱动波动鳍推进装置包括上波动鳍13-1，下波动鳍13-2，右波动鳍13-3，左波动鳍13-4。主体10头部呈圆球状，中部为圆柱状，尾部设置四组尾鳍，具有良好的流体性能，内部为安装其他部件提供空间基础。浮体11为包裹在主体10外的结构，提供合适的浮力。传感器和摄像头主要用于与外界环境的信息交流，前方、上方、下方、右方和左方能够观测各个方向的环境状况，实时将外部环境反馈给控制系统，采取合适的控制方式，完成预期的运动轨迹和避免发生碰撞(例如，当航行器右方摄像头观察到右方有障碍物，控制左波动鳍13-4减速或停止运动，使得航行器左转。另外，摄像头和传感器也可以作为航行器水底工作时搭载的设备，航行器搭载摄像头和传感器进行采集数据的工作)。波动鳍采用空间交错布置形式(四组波动鳍在空间内呈平行布置状态，上下波动鳍和左右波动鳍错开一定的距离。上下波动鳍布置于航行器前部，在横切面内呈对称状态。左右波动鳍布置于航行器后部，在纵切面内呈对称状态)，可以通过相互产生的涡旋中汲取能量，提高能量利用率，这种思想源自于鱼群集群运动思想。波动鳍之间的协调控制可以完成推进、转向和浮沉等运动。当四组波动鳍同时工作时，产生四组平行向前的推进力，

当四组波动鳍同时工作时，产生四组平行向前的推进力，推动航行器直线向前运动，可以通过波动速度改变推力的大小，从而改变航行器推进的速度。当右波动鳍13-3停止运动，左波动鳍13-4产生推力时，形成向右转向力矩，上波动鳍13-1和下波动鳍13-2同时运动或静止时，航行器完成向右转向或原地向右转向。当右波动鳍13-3产生推力，左波动鳍13-4停止运动时，形成向左转向力矩，上波动鳍13-1和下波动鳍13-2同时运动或静止时，航行器完成向左转向或原地向左转向。当上波动鳍13-1停止运动，下波动鳍13-2产生推力时，形成向上上升力矩，右波动鳍13-3和左波动鳍13-4同时运动或静止时，航行器完成向上上升或原地上升。当上波动鳍13-1产生推力，下波动鳍13-2停止运动时，形成向下下潜力矩，右波动鳍13-3和左波动鳍13-4同时运动或静止时，航行器完成向下下潜或原地下潜。

该种设计方式只需协同控制四组波动鳍推进装置的电机，相比于现有专利大大简化了控制系统。同时，波动鳍推进装置具有良好的移植性，配置多组推进装置可运用在其他航行器。

上述为本发明的优选实施方式，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式和细节上对本发明所作出的各种变化，都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种单驱动波动鳍推进装置，其特征在于：包括曲轴、带动曲轴旋转的一个动力装置、与曲轴轴线平行的转轴和安装在转轴上、可沿转轴中心旋转的多根鳍条，所述曲轴的两端之间排布有与鳍条数量、位置相匹配的多个曲柄，所述鳍条的中部转动连接在所述转轴上，所述鳍条一端与连杆一端铰接，所述鳍条的另一端上固定有柔性蒙皮，所述柔性蒙皮包覆在所有鳍条外侧、将相邻鳍条连接成整体，所述连杆的另一端与鳍条对应的曲柄铰接，相邻所述曲柄之间设有一个偏转角，使得曲柄沿曲轴轴线方向从曲轴的一端到另一端环绕曲轴呈螺旋状延伸，并且所述动力装置带动曲轴旋转时，所述鳍条端部在曲轴轴线切面上的投影沿正弦曲线移动。

2.根据权利要求1所述的单驱动波动鳍推进装置，其特征在于：所述动力装置为电机，所述电机的输出端通过联轴器与曲轴连接。

3.一种仿生水下航行器，包括权利要求1或2所述的单驱动波动鳍推进装置，其特征在于：包括主体，所述主体包括浮体、设置在浮体前端的头端和设置在浮体尾端的尾部，所述浮体的上侧、下侧和左侧、右侧分别对称布置有所述单驱动波动鳍推进装置形成上波动鳍、下波动鳍、左波动鳍和右波动鳍。

4.根据权利要求3所述的仿生水下航行器，其特征在于：所述浮体的头端以及浮体上、下、左、右四个外侧面上均设有传感器和摄像头窗口。

5.根据权利要求3所述的仿生水下航行器，其特征在于：所述浮体的头端为半球型，尾部设置有四组尾鳍。