CN110127017B - 一种仿生机器鱼胸鳍结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种仿生机器鱼胸鳍结构，包括鱼鳍和分别能实现摇翼、拍翼和侧位滑翼的执行机构，各自由度驱动机构相互以轴承套筒内嵌的形式进行嵌套，摇翼驱动机构内嵌于拍翼机构，同时拍翼机构内嵌于侧位滑翼机构，三者通过三个相互嵌套的套筒实现动力传输，使胸鳍机构更为紧凑，减小了胸鳍部分宽度，仿生机器鱼在进行外形流线型设计形时更为方便。同时，这种内嵌机构，源动力传输均是以舵机通过带传动实现，简化了传动机构，降低了机构重量。三种不同驱动机构，既能够单独驱动，又可以相互耦合实现更为复杂的运动模态，从而使仿生机器鱼的游动更加自如和稳定，实用性强，值得推广。

Description

一种仿生机器鱼胸鳍结构

技术领域

本发明属于水下仿生机器人技术领域，具体涉及一种仿生机器鱼胸鳍结构。

背景技术

随着人们逐渐加大力度海洋资源的探测和开发，相应的水下机械应用而生，水下环境的复杂多变使得诸多机械无法很好地实现自由探测，为解决这一难题，人们以仿生学原理为基础，研究出了各种仿生机械，不仅可以智能的对水下资源和环境进行探测，同时又具备一定的军事应用价值，但很多仿生鱼类的运动机理和运动模态是最适合水下生存的，基于此，人们仿照鱼类的推进模式，逐渐研究出了不同驱动形式的仿生机器鱼。

现有技术中主要包括两种主要驱动形式：尾鳍驱动和胸鳍驱动，其中，胸鳍驱动模式可以很好地提高仿生机器鱼的机动性能，并丰富其运动模态，而公开较多的有单自由度胸鳍驱动机器鱼和二自由度胸鳍驱动机器鱼，可以实现水下的直游、转弯、上升和下潜动作。三自由度胸鳍驱动机器鱼不仅能够实现二自由度胸鳍驱动机器鱼的所有游动动作，而且能够为机器鱼赋予了更多的运动模态，但是目前所公开的三自由度运动机器鱼成果很少，结构复杂且可实现的机器鱼运动模态较少。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种仿生机器鱼胸鳍结构，以解决现有技术的不足。

本发明的技术方案是：

一种仿生机器鱼胸鳍结构，包括鱼鳍、驱动装置一、驱动装置二、驱动装置三和复合运动执行机构；

所述复合运动执行机构包括轴一、套筒、外套筒、锥齿轮一、锥齿轮二、锥齿三、锥齿轮四、锥齿轮五、锥齿轮六、轴二、轴三、套筒支撑架和轴四，所述轴一的一端与驱动装置一连接，所述轴一的另一端套装固定锥齿轮三，所述轴一上套装有滚珠轴承一，所述滚珠轴承一与套筒套装固定，所述套筒远离锥齿轮三的一端与驱动装置三连接，所述套筒的另一端套装固定锥齿轮一，所述套筒上套装有滚珠轴承二，所述滚珠轴承二与外套筒套装固定，所述外套筒远离锥齿轮三的一端与驱动装置二连接，背离驱动装置二的外套筒的端面对称的固定有一对连接臂，所述连接臂背离外套筒的一端分别固定有轴二和轴三，所述轴二的中心轴和轴三的中心轴平行，所述轴二和轴三的中心轴分别与外套筒的中心轴垂直，所述轴三上通过滚珠轴承四套装固定有锥齿轮二，所述锥齿轮二与锥齿轮一啮合，所述轴三与套筒支撑架固定，所述套筒支撑架内套装轴四，所述轴四的中心轴与轴一的中心轴平行，所述轴四背离轴三的一端固定连接鱼鳍，所述轴四的另一端伸出套筒支撑架后套装固定有锥齿轮六，所述锥齿轮六分别与锥齿轮四和锥齿轮五啮合，所述锥齿轮四和锥齿轮五分别通过滚珠轴承三与轴二套装固定，所述锥齿轮四位于轴二背离连接臂的末端，所述锥齿轮四和锥齿轮五分别与锥齿轮三啮合；

所述驱动装置一、驱动装置二和驱动装置三分别给复合运动执行机构提供动力，然后通过复合运动执行机构将动力传递到鱼鳍上，实现鱼鳍的多种运动模态。

优选的，所述驱动装置一包括支座一、舵机一、舵机固定架一、传动件一、传动带一和传动件二，所述支座一与船体的底板固定，所述支座一的上方设置有舵机一，所述舵机一通过舵机固定架一与支座一固定，所述舵机一的输出轴上套装固定有传动件一，所述传动件一通过传动带一与传动件二传动连接，所述传动件二与轴一套装固定。

优选的，所述驱动装置二包括传动件三、传动带二、传动件四、舵机固定架二、舵机二、支座二和底板一，所述底板一与船体的底板固定，所述底板一的上方固定有支座二，所述支座二上方设置有舵机二，所述舵机二通过舵机固定架二与支座二固定，所述舵机二的输出轴上套装固定传动件四，所述传动件四通过传动带二与传动件三传动连接，所述传动件三与外套筒套装固定。

优选的，所述驱动装置三包括传动件五、传动带三、传动件六、舵机固定架三、舵机三和底板二，所述底板二与船体的底板固定，所述底板二上方设置有舵机三，所述舵机三通过舵机固定架三与底板二固定，所述舵机三的输出轴上套装固定传动件五，所述传动件五通过传动带三与传动件六传动连接，所述传动件六与套筒的一端套装固定。

优选的，所述传动件一、传动件二、传动件三、传动件四、传动件五和传动件六是带轮或者齿轮的其中一种，所述传动带一、传动带二和传动带三是平带、V型带或者同步齿形带的其中一种。

优选的，所述外套筒通过滚珠轴承五连接有支撑架一，所述轴一通过滚珠轴承六连接有支撑架二，所述支撑架二和支撑架一分别与船体的底板固定。

与现有技术相比，本发明提供的一种仿生机器鱼胸鳍结构可以实现三自由度的运动，其结构包括分别能实现摇翼、拍翼和侧位滑翼的执行机构，各自由度驱动机构相互以轴承套筒内嵌的形式进行嵌套，摇翼驱动机构内嵌于拍翼机构，同时拍翼机构内嵌于侧位滑翼机构。三者通过三个相互嵌套的套筒实现动力传输，使胸鳍机构更为紧凑，减小了胸鳍部分宽度，仿生机器鱼在进行外形流线型设计形时更为方便。同时，这种内嵌机构，源动力传输均是以舵机通过带传动实现，简化了机构，降低了机构重量。三种不同驱动机构，既能够单独驱动，又可以相互耦合实现更为复杂的运动模态，从而使仿生机器鱼的游动更加自如和稳定，同时还能方便搭载更多的应用型传感器及其他机构,如重调心机构、机械臂机构、复杂的单关节尾鳍机构、高蓄能电源等，实用性强，值得推广。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的鱼胸鳍结构的安装位置示意图；

图3为本发明的驱动装置一结构示意图；

图4为本发明的驱动装置三结构示意图；

图5为本发明的驱动装置二结构示意图；

图6为本发明的复合运动执行机构结构示意图；

图7为本发明支撑架一的结构示意图；

图8为本发明支撑架二的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种仿生机器鱼胸鳍结构，下面结合图1到图8的结构示意图，对本发明进行说明。

如图1所示，一种仿生机器鱼胸鳍结构，包括鱼鳍、驱动装置一1、驱动装置二3、驱动装置三4和复合运动执行机构2；

所述复合运动执行机构2包括轴一201、套筒202、外套筒203、锥齿轮一204、锥齿轮二209、锥齿三205、锥齿轮四212、锥齿轮五207、锥齿轮六208、轴二206、轴三213、套筒支撑架211和轴四210，所述轴一201的一端与驱动装置一1连接，所述轴一201的另一端套装固定锥齿轮三205，所述轴一201上套装有滚珠轴承一，所述滚珠轴承一与套筒202套装固定，所述套筒202远离锥齿轮三205的一端与驱动装置三4连接，所述套筒202的另一端套装固定锥齿轮一204，所述套筒202上套装有滚珠轴承二，所述滚珠轴承二与外套筒203套装固定，所述外套筒203远离锥齿轮三205的一端与驱动装置二3连接，背离驱动装置二3的外套筒203的端面对称的固定有一对连接臂，所述连接臂背离外套筒203的一端分别固定有轴二206和轴三213，所述轴二206的中心轴和轴三213的中心轴平行，所述轴二206和轴三213的中心轴分别与外套筒203的中心轴垂直，所述轴三213上通过滚珠轴承四套装固定有锥齿轮二209，所述锥齿轮二209与锥齿轮一204啮合，所述轴三213与套筒支撑架211固定，所述套筒支撑架211内套装轴四210，所述轴四210的中心轴与轴一201的中心轴平行，所述轴四210背离轴三213的一端固定连接鱼鳍，所述轴四210的另一端伸出套筒支撑架211后套装固定有锥齿轮六208，所述锥齿轮六208分别与锥齿轮四212和锥齿轮五207啮合，所述锥齿轮四212和锥齿轮五207分别通过滚珠轴承三与轴二206套装固定，所述锥齿轮四212位于轴二206背离连接臂的末端，所述锥齿轮四212和锥齿轮五207分别与锥齿轮三205啮合；

所述驱动装置一1、驱动装置二3和驱动装置三4分别给复合运动执行机构2提供动力，然后通过复合运动执行机构2将动力传递到鱼鳍上，实现鱼鳍的多种运动模态。

进一步的，所述驱动装置一1包括支座一101、舵机一102、舵机固定架一103、传动件一104、传动带一105和传动件二106，所述支座一101与船体的底板固定，所述支座一101的上方设置有舵机一102，所述舵机一102通过舵机固定架一103与支座一101固定，所述舵机一102的输出轴上套装固定有传动件一104，所述传动件一104通过传动带一105与传动件二106传动连接，所述传动件二106与轴一201套装固定。

进一步的，所述驱动装置二3包括传动件三301、传动带二302、传动件四305、舵机固定架二303、舵机二304、支座二306和底板一307，所述底板一307与船体的底板固定，所述底板一307的上方固定有支座二306，所述支座二306上方设置有舵机二304，所述舵机二304通过舵机固定架二303与支座二306固定，所述舵机二304的输出轴上套装固定传动件四305，所述传动件四305通过传动带二302与传动件三301传动连接，所述传动件三301与外套筒203套装固定。

进一步的，所述驱动装置三4包括传动件五405、传动带三402、传动件六401、舵机固定架三403、舵机三404和底板二406，所述底板二406与船体的底板固定，所述底板二406上方设置有舵机三404，所述舵机三404通过舵机固定架三403与底板二406固定，所述舵机三404的输出轴上套装固定传动件五405，所述传动件五405通过传动带三402与传动件六401传动连接，所述传动件六401与套筒202的一端套装固定。

进一步的，所述传动件一104、传动件二106、传动件三301、传动件四305、传动件五405和传动件六401是带轮或者齿轮的其中一种，所述传动带一105、传动带二302和传动带三402是平带、V型带或者同步齿形带的其中一种。

进一步的，所述外套筒203通过滚珠轴承五连接有支撑架一5，所述轴一201通过滚珠轴承六连接有支撑架二6，所述支撑架二6和支撑架一5分别与船体的底板固定。

实施例1

本发明为一种仿生机器鱼胸鳍结构，总体系统结构如图1所示，主要包括驱动装置一1、驱动装置三4、驱动装置二3、复合运动执行机构2、支撑架一5、支撑架二6。

鱼鳍的运动主要包括驱动装置一1、驱动装置三4和驱动装置二3提供动力，然后通过复合运动执行机构2的套筒轴和锥齿轮将各种运动通过鱼鳍连接杆或轴四传递到鱼鳍上，来完成鱼鳍的摇翼、拍翼和侧位滑翼。

整个鱼胸鳍的结构的安装位置如图2所示，鱼胸鳍的具体传动方式和内部连接部分如下说明：

驱动装置一1如图3所示，主要包括支座一101、舵机一102、舵机固定架一103、传动件一104、传动带一105和传动件二106。支座一101通过螺栓与底板连接，舵机一102再通过舵机固定架一103用螺栓和支座一101进行固定，从而与底板连接。

驱动装置一1的动力由舵机一102产生，通过舵机一102的输出轴将运动传输到传动件一104上，传动件一104和传动带一105啮合，将运动传输到传动件二106上，从而传递到复合运动执行机构2。

驱动装置三4如图4所示，主要包括传动件五405、传动带三402、传动件六401、舵机固定架三403、舵机三404和底板二406。底板二406、舵机三404和舵机固定架三403安装在一起通过螺栓和底板固定。驱动装置三4的动力由舵机三404产生，通过舵机三404的输出轴将运动传输到传动件五405上，传动件五405和传动带三402啮合，将运动传输到传动件六401上，从而传递到复合运动执行机构2。

驱动装置二3如图5所示，主要包括传动件三301、传动带二302、传动件四305、舵机固定架二303、舵机二304、支座二306和底板一307。底板一307和支座二306安装在一起，通过螺栓和底板连接固定，舵机二304安装在支座二306上，再用舵机固定架二303通过螺栓固定从而和底板连接并固定。驱动装置二3的动力由舵机二304产生，通过舵机二304的输出轴将运动传输到传动件四305上，传动件四305和传动带二302带啮合，将运动传输到传动件三301上，从而传递到复合运动执行机构2。

复合运动执行机构2如图6所示，主要包括轴一201、套筒202、外套筒203、锥齿轮一204、锥齿轮二209、锥齿三205、锥齿轮四212、锥齿轮五207、锥齿轮六208、轴二206、轴三213、套筒支撑架211和轴四210。其中，轴一201的两端通过滚珠轴承一与套筒202连接，套筒202的两端通过滚珠轴承二与外套筒203连接，三者以套装的方式实现动力传输，从而运动互不干涉；轴一201和锥齿轮三205为过盈配合，锥齿轮三205分别和锥齿轮四212、锥齿轮五207相啮合，锥齿轮四212、锥齿轮五207又和锥齿轮六208相互啮合，锥齿轮四212、锥齿轮五207是通过滚珠轴承三连接到轴二206进行固定的，锥齿轮六208是和轴四210过盈配合并且套装在套筒支撑架211上，轴四210和鱼鳍采用螺栓或者螺钉进行连接固定；套筒202与锥齿轮一204为过盈配合，锥齿轮一204和锥齿轮二209相互啮合，锥齿轮二209通过滚珠轴承四和轴三213进行连接固定，并且还连接着套筒支撑架211的下方；外套筒203和轴二206、轴三213是一体，所以外套筒203运动时安装在轴二206和轴三213上的锥齿轮二209、锥齿轮四212、锥齿轮五207都会一起运动。

驱动装置一1产生动力将旋转运动传递到轴一201上，轴一将运动传递到锥齿轮三205，再由锥齿轮三205传递到锥齿轮四212和锥齿轮五207，最后传递到锥齿轮六208上，轴四210连着鱼鳍和锥齿轮六208一起旋转，从而达到鱼鳍旋转；

驱动装置三4产生动力将旋转运动传递到套筒202上，套筒202和锥齿轮一204一起旋转，将旋转运动传递到锥齿轮二209，由于套筒支撑架211和锥齿轮二209连接在一起，套筒支撑架211会进行摆动，带动轴四210和鱼鳍一起摆动，此时锥齿轮三205、锥齿轮四212、锥齿轮五207、锥齿轮六208是不动的，但是如果仅仅依靠套筒的旋转进行鱼鳍的摆动，鱼鳍在摆动的同时还会进行一定角度的旋转，所以还需要轴一进行反方向的旋转进行配合，才可以实现鱼鳍不旋转式的摆动；

驱动装置二3将动力传到外套筒203上，由于外套筒203的轴二206和轴三213上装有锥齿轮二209、锥齿轮四212、锥齿轮五207，所以会使锥齿轮二209、锥齿轮四212、锥齿轮五207一起旋转，此时将锥齿轮一204、锥齿轮三205固定不动，锥齿轮二209上连接的套筒支撑架211和轴四210和鱼鳍就会一起进行角度偏转，从而达到想要的位置，然后通过上述的鱼鳍的摆动部分进行位置的调整和修正，从而相互配合达到想要的位置。

三个舵机分别提供动力给驱动装置一1、驱动装置三4和驱动装置二3，驱动装置一1、驱动装置三4和驱动装置二3分别实现不同的运动，上述三种基本运动机构之间相互配合，并由带传动将动力传输到各个齿轮上，通过齿轮之间的相互啮合，从而实现了鱼鳍三自由度下的多种方式的摆动和旋转。

支撑架一5和支撑架二6分别用于实现复合运动执行机构2与底板的固定，图7为支撑架一5，图8支撑架二6，图7中的支撑架一5的安装孔501内装有滚珠轴承四，连接着图6中的外套筒203；图8中的支撑架二6的安装孔601内装有滚珠轴承五，连接着图6中的轴一201；支撑架一5和支撑架二6下方有螺纹孔，螺纹孔内设置有连接用螺栓，通过螺栓连接底板进行整体位置的固定。

本发明提供的一种仿生机器鱼胸鳍结构，包括分别能实现摇翼、拍翼和侧位滑翼的执行机构，各自由度驱动机构相互以轴承套筒内嵌的形式进行嵌套，摇翼驱动机构内嵌于拍翼机构，同时拍翼机构内嵌于侧位滑翼机构。三者通过三个相互嵌套的套筒实现动力传输，使胸鳍机构更为紧凑，减小了胸鳍部分宽度，仿生机器鱼在进行外形流线型设计形时更为方便。同时，这种内嵌机构，源动力传输均是以舵机通过带传动实现，简化了机构，降低了机构重量。三种不同驱动机构，既能够单独驱动，又可以相互耦合实现更为复杂的运动模态，从而使仿生机器鱼的游动更加自如和稳定，同时还能方便搭载更多的应用型传感器及其他机构,如重调心机构、机械臂机构、复杂的单关节尾鳍机构、高蓄能电源等，实用性强，值得推广。

以上公开的仅为本发明的较佳的具体实施例，但是本发明实施例并非局限于此，任何本领域技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种仿生机器鱼胸鳍结构，其特征在于，包括鱼鳍、驱动装置一（1）、驱动装置二（3）、驱动装置三（4）和复合运动执行机构（2）；

所述复合运动执行机构（2）包括轴一（201）、套筒（202）、外套筒（203）、锥齿轮一（204）、锥齿轮二（209）、锥齿轮三（205）、锥齿轮四（212）、锥齿轮五（207）、锥齿轮六（208）、轴二（206）、轴三（213）、套筒支撑架（211）和轴四（210），所述轴一（201）的一端与驱动装置一（1）连接，所述轴一（201）的另一端套装固定锥齿轮三（205），所述轴一（201）上套装有滚珠轴承一，所述滚珠轴承一与套筒（202）套装固定，所述套筒（202）远离锥齿轮三（205）的一端与驱动装置三（4）连接，所述套筒（202）的另一端套装固定锥齿轮一（204），所述套筒（202）上套装有滚珠轴承二，所述滚珠轴承二与外套筒（203）套装固定，所述外套筒（203）远离锥齿轮三（205）的一端与驱动装置二（3）连接，背离驱动装置二（3）的外套筒（203）的端面对称的固定有一对连接臂，所述连接臂背离外套筒（203）的一端分别固定有轴二（206）和轴三（213），所述轴二（206）的中心轴和轴三（213）的中心轴平行，所述轴二（206）和轴三（213）的中心轴分别与外套筒（203）的中心轴垂直，所述轴三（213）上通过滚珠轴承四套装固定有锥齿轮二（209），所述锥齿轮二（209）与锥齿轮一（204）啮合，所述轴三（213）与套筒支撑架（211）固定，所述套筒支撑架（211）内套装轴四（210），所述轴四（210）的中心轴与轴一（201）的中心轴平行，所述轴四（210）背离轴三（213）的一端固定连接鱼鳍，所述轴四（210）的另一端伸出套筒支撑架（211）后套装固定有锥齿轮六（208），所述锥齿轮六（208）分别与锥齿轮四（212）和锥齿轮五（207）啮合，所述锥齿轮四（212）和锥齿轮五（207）分别通过滚珠轴承三与轴二（206）套装固定，所述锥齿轮四（212）位于轴二（206）背离连接臂的末端，所述锥齿轮四（212）和锥齿轮五（207）分别与锥齿轮三（205）啮合；

所述驱动装置一（1）、驱动装置二（3）和驱动装置三（4）分别给复合运动执行机构（2）提供动力，然后通过复合运动执行机构（2）将动力传递到鱼鳍上，实现鱼鳍的多种运动模态；

所述驱动装置一（1）包括支座一（101）、舵机一（102）、舵机固定架一（103）、传动件一（104）、传动带一（105）和传动件二（106），所述支座一（101）与船体的底板固定，所述支座一（101）的上方设置有舵机一（102），所述舵机一（102）通过舵机固定架一（103）与支座一（101）固定，所述舵机一（102）的输出轴上套装固定有传动件一（104），所述传动件一（104）通过传动带一（105）与传动件二（106）传动连接，所述传动件二（106）与轴一（201）套装固定；

所述驱动装置二（3）包括传动件三（301）、传动带二（302）、传动件四（305）、舵机固定架二（303）、舵机二（304）、支座二（306）和底板一（307），所述底板一（307）与船体的底板固定，所述底板一（307）的上方固定有支座二（306），所述支座二（306）上方设置有舵机二（304），所述舵机二（304）通过舵机固定架二（303）与支座二（306）固定，所述舵机二（304）的输出轴上套装固定传动件四（305），所述传动件四（305）通过传动带二（302）与传动件三（301）传动连接，所述传动件三（301）与外套筒（203）套装固定；

所述驱动装置三（4）包括传动件五（405）、传动带三（402）、传动件六（401）、舵机固定架三（403）、舵机三（404）和底板二（406），所述底板二（406）与船体的底板固定，所述底板二（406）上方设置有舵机三（404），所述舵机三（404）通过舵机固定架三（403）与底板二（406）固定，所述舵机三（404）的输出轴上套装固定传动件五（405），所述传动件五（405）通过传动带三（402）与传动件六（401）传动连接，所述传动件六（401）与套筒（202）的一端套装固定。

2.如权利要求1所述的一种仿生机器鱼胸鳍结构，其特征在于，所述传动件一（104）、传动件二（106）、传动件三（301）、传动件四（305）、传动件五（405）和传动件六（401）是带轮或者齿轮的其中一种，所述传动带一（105）、传动带二（302）和传动带三（402）是平带、V型带或者同步齿形带的其中一种。

3.如权利要求1所述的一种仿生机器鱼胸鳍结构，其特征在于，所述外套筒（203）通过滚珠轴承五连接有支撑架一（5），所述轴一（201）通过滚珠轴承六连接有支撑架二（6），所述支撑架二（6）和支撑架一（5）分别与船体的底板固定。