CN110329472A - 一种仿生胸鳍运动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿生胸鳍运动装置，包括主电机、副电机、主梁、曲轴和环框，主电机与主梁的一端相连，带动主动梁及与连接的环框、副电机和曲轴作上下拍动，副电机与曲轴的一端相连，带动曲轴转动，曲轴在环框内滑动，同时带动环框绕主梁转动。应用本发明的技术方案，能够解决现有技术中仿生胸鳍拍动角度与扭转角度精确控制和机构简单不能兼得的技术问题。

Description

一种仿生胸鳍运动装置

技术领域

本发明涉及水下仿生技术领域技术领域，尤其涉及一种仿生胸鳍运动装置。

背景技术

仿生胸鳍推进是模仿海洋生物蝠鲼胸鳍运动模式的一种推进方式，具有推进效率高、低速机动性强、水体扰动小等优势，近年来被多数高校院所争相模仿，成为了水下仿生推进技术的一个重要发展方向。对蝠鲼胸鳍运动特征的分析发现，胸鳍的运动是两自由度的耦合运动，即：胸鳍运动时，同时存在上下拍动与沿体长方向的波动，且波动的幅值从胸鳍翼尖到翼根逐渐减小。针对此种仿生运动模式的运动装置设计，国内外院校、企业单位主要采用三种实现方案：一种是通过一根主梁带动柔性薄皮胸鳍作单自由度的上下拍动，波动依赖于柔性薄壁与水流的相互作用被动实现，此种方案机构简单，但由于薄壁的被动运动无法准确控制，样机游动性能受水流环境和胸鳍材料影响极大，环境适应性差；一种是将胸鳍沿体长方向分成几段，类似于在胸鳍内部插入几根鳍条，通过设计单个鳍条的单自由度上下拍动和前后鳍条拍动的时间差实现拍动与波动耦合，此种方案需要设计每个鳍条的驱动机构和伺服系统，机构设计及多个鳍条运动协同控制系统复杂；一种是采用设计一种绳索形式的整体张拉机构+扭转机构，通过绳索两端的往复伸拉实现胸鳍上下拍动，通过固定在张拉机构上的电机驱动张拉机构扭转，实现仿生胸鳍的上下拍动与扭转耦合运动，此种方案下受到整体张拉机构限制，胸鳍上下摆动幅值、胸鳍展向形变及扭转角度幅值均会受到很大限制，且整体张拉机构运动疲劳及响应迟滞现象无法回避。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种仿生胸鳍运动装置，能够解决现有装置中仿生胸鳍拍动角度与扭转角度精确控制和机构简单不能兼得的技术问题。

本发明提供了一种仿生胸鳍运动装置，包括主电机、副电机、主梁、曲轴和环框，所述的主梁为圆柱状的直杆，所述的曲轴是由圆柱状直杆和固定架组合而成的直杆中心不在同一条直线上的结构，所述的固定架将前后两段直杆固定，其目的是确保与曲轴连接的环框在曲轴的带动下实现不同的扭转角度，所述的主梁和曲轴通过固定支座相连，所述的环框包括扭转环框和固定环框，所述的固定环框为仿生胸鳍根部的第一个环框，固定环框与主梁固定连接，所述扭转环框为其余的环框，扭转环框与主梁通过轴承连接，与曲轴通过扭转环框内部的滑动槽连接，所述的主电机与主梁的一端相连，带动主动梁及与其连接的环框、副电机和曲轴作上下拍动，所述的副电机与曲轴的一端相连，带动曲轴转动，所述的曲轴在扭转环框内滑动，同时带动扭转环框绕主梁转动。

进一步的，所述的主电机的电机输出轴中心线与仿生胸鳍展向截面平行，主电机性能和尺寸参数依据仿生胸鳍的设计要求进行设计。

进一步的，所述的副电机的电机输出轴中心线与主电机输出轴中心线垂直，副电机性能和尺寸参数依据仿生胸鳍的设计要求进行设计。

优选的，所述的副电机安装在固定环框上。

优选的，所述的主电机和副电机为旋转电机。

进一步的，所述的主梁的长度由仿生胸鳍的长度确定，其直径需满足所选择的主梁材料在承受胸鳍摆动最大外力载荷情况下，确保主梁不产生弯曲变形，同时还需要满足主梁在环框内安装及主梁中心线与曲轴中心线距离的要求。

优选的，所述的主梁可为等直径的圆柱状直杆或变直径的圆柱状直杆。

进一步的，所述的曲轴的直径需满足所选择的直杆材料在承受胸鳍扭转最大外力载荷情况下，确保曲轴不产生弯曲变形，同时还需要满足曲轴在环框内安装及曲轴中心线与主梁中心线距离的要求,所述的曲轴上不同直杆中心线距离主梁中心线的最大和最小距离根据其对应连接的扭转环框最大扭转角度来确定。

进一步的，所述的固定架为一块平板，在平板的上下两面的合适位置打孔，分别固定前后两端曲轴，孔中心之间的距离由此处曲轴中心线距离主梁中心线的距离确定，固定架的厚度、形状以及选材以满足曲轴扭转的强度要求为设计前提，重量越轻越好。

进一步的，所述的固定支座为对称的两部分结合而成，每部分为两个相连的半圆型槽，半圆形槽的直径由当前位置的轴承外径确定，两个圆形槽之间的距离由当前位置主梁和曲轴之间的距离确定。

进一步的，所述的滑动槽的宽度大于等于此处曲轴的直径，滑动槽的长度应大于此处曲轴绕副电机转动的圆周直径与曲轴直径之和。

进一步的，所述的固定环框的外形由仿生胸鳍的外形确定，在内部设计副电机连接结构，固定环框宽度应满足副电机固定支撑的尺度要求，并且应满足在承受胸鳍运动过程中最大外力载荷情况下，环框不发生弯曲变形。

进一步的，所述的扭转环框的个数由仿生胸鳍的大小及要求得到的运动效果确定，所述的扭转环框的形状由扭转环框所在处的仿生胸鳍的外形确定，所述的扭转环框的宽度应满足滚动轴承固定安装及环框的强度要求，在满足二者的情况下，宽度尽量小。

根据本发明的另一方面，提供了一种仿生胸鳍运动装置设计方法，步骤如下：

根据仿生胸鳍运动装置的设计要求，胸鳍运动方式、摆动角度、扭转角度、运动频率、摆动驱动最大力矩、扭转驱动最大力矩、电机尺寸、质量约束和减震降噪要求，确定主电机和副电机的类型和尺寸；

环框设计：根据仿生胸鳍的三维模型，沿仿生胸鳍展向设计n个环框，所述的环框设计包括一个固定环框的设计和n-1个扭转环框的设计，环框外形与环框所在位置的仿生胸鳍的外形相同，环框内部为薄板支撑的框架结构；

主梁设计：根据仿生胸鳍的设计要求和沿展向的剖面特征，设计主梁的直径和长度，并设计主梁与主电机的连接结构、主梁与环框的连接结构；

曲轴设计：曲轴的段数根据扭转环框的数量和扭转环框需要完成的最大扭转角度来确定，曲轴的每段直杆的直径根据胸鳍运动时对应环框位置最大外力载荷、所选材料的屈服强度、环框内部空间及直杆中心线与主梁中心线距离确定，在满足以上要求的情况下，直径应尽量小，以减轻结构重量。

固定支座设计：根据需要固定位置的主梁和曲轴的相对位置、主梁和曲轴的直径以及主梁和曲轴与固定支座的连接方式来设计固定支座。

仿生胸鳍运动装置的组装：将主梁的一端和主电机连接，主梁和位于仿生胸鳍根部的固定环框固定连接，和扭转环框通过轴承连接，曲轴的一端与副电机连接，副电机固定于固定环框内，曲轴与扭转环框通过滑动槽连接，主梁与曲轴之间通过固定支架连接。

进一步的，所述的固定架的设计：所述的固定架为一块平板，在平板的上下两面的合适位置打孔，分别固定前后两端曲轴，孔中心之间的距离由此处曲轴中心线距离主梁中心线的距离确定，固定架的厚度、形状以及选材以满足曲轴扭转的强度要求为设计前提，重量越轻越好。

进一步的，所述的固定环框的设计：固定环框的外形由仿生胸鳍的外形确定，在固定环框内部根据副电机的外形设计副电机的连接结构，固定环框宽度应满足副电机固定支撑的尺度要求，并且应满足在承受胸鳍运动过程中最大外力载荷情况下，环框不发生弯曲变形。

进一步的，所述的扭转环框的设计：扭转环框的个数由仿生胸鳍的大小及要求得到的运动效果确定，所述的扭转环框的形状由扭转环框所在处的仿生胸鳍的外形确定，所述的扭转环框的宽度应满足滚动轴承固定安装及环框的强度要求，在满足二者的情况下，宽度尽量小，所述的扭转环框内部有滑动槽，所述的滑动槽的宽度大于等于此处曲轴的直径，滑动槽的长度应大于此处曲轴绕副电机转动的圆周直径与曲轴直径之和。

应用本发明的技术方案，有益效果如下：

(1)本发明通过到使使主电机驱动主梁实现仿生胸鳍的上下拍动，通过副电机驱动曲轴实现仿生胸鳍的绕主梁的转动的运动形式，实现了仿生胸鳍的拍动加扭转的两自由度的耦合，通过设计曲轴的直杆与主梁的距离，和曲轴在扭转环框的滑动，来达到使不同的扭转环框实现不同的扭转角度的目的，并且胸鳍拍动幅值及扭转角度幅值可实现自由设计，机构简单；

(2)本发明通过固定支座将主梁和曲轴连接，在不妨碍主梁与曲轴运动的同时，保证了主梁和曲轴相对位置的稳定，有利于保证仿生胸鳍的运动精度；

(3)本发明通过扭动环框上滑动槽的设计，使扭动环框可以在跟随主梁做上下运动的同时，跟随曲轴做绕主梁的扭转，这两个运动互不干涉，可以实现任意角度的配合，并且不受仿生胸鳍尺度的影响。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了一个实施例中仿生胸鳍运动装置简图；

图2示出了一个实施例中主梁结构图；

图3示出了一个实施例中曲轴结构图；

图4示出了一个实施例中固定环框结构图；

图5示出了一个实施例中扭转环框结构图；

图6示出了一个实施例中固定支座结构图；

图7示出了一个固定架结构图；

图8示出了仿生胸鳍运动装置设计方法流程图。

其中：1-主电机，2-副电机，3-固定环框，4-扭转环框，5-固定支座，6-曲轴，7-滑动槽，8-主梁，9-轴承

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供了一种仿生胸鳍运动装置，包括主电机1、副电机2、主梁8、曲轴6和环框，主梁8为圆柱状的直杆，曲轴6由圆柱状直杆和固定架组合而成的直杆中心不在一条直线上的结构，固定架将前后两段直杆固定，其目的是确保与曲轴连接的环框在曲轴的带动下实现不同的扭转角度，环框包括扭转环框4和固定环框3，固定环框3为靠近仿生胸鳍的第一个环框，固定环框3与主梁8固定连接，扭转环框4为其余的环框，扭转环框4与主梁8通过轴承9连接，与曲轴6通过扭转环框4内部的滑动槽7连接，主电机1与主梁8的一端相连，带动主梁8及与连接的环框、副电机2和曲轴6作上下拍动，副电机2与曲轴6的一端相连，带动曲轴6转动，曲轴6在环框内滑动，同时带动环框绕主梁8转动。

主电机1的电机输出轴中心线与仿生胸鳍展向截面平行，主电机1性能，包括电机类型、额定功率、转速、效率、跟随模式，和尺寸参数依据仿生胸鳍按照指定摆动运动所需的驱动力矩取值范围进行设计。

副电机2安装在固定环框3上,副电机2的电机输出轴中心线与主电机1输出轴中心线垂直，副电机性能，包括电机类型、额定功率、转速、效率、跟随模式，和尺寸参数依据仿生胸鳍按照指定扭转运动所需的驱动力矩取值范围进行设计。

优选的在一个实施例中，主电机1和副电机2为旋转电机。

主梁8的长度由仿生胸鳍的长度确定，其直径根据所选择的主梁8材料在承受仿生胸鳍摆动最大外力载荷情况下，确保主梁8不产生弯曲变形来确定，同时还需要满足主梁8在环框内安装及主梁8中心线与曲轴6中心线前后距离的要求。

优选的在一个实施例中，主梁8可为等直径的圆柱状直杆或变直径的圆柱状直杆，变直径适用于各环框厚度不一致的情况、为了减轻主梁重量的情况和其他为了满足设计要求的情况。

固定架为一块平板，在平板的上下两面的合适位置打孔，分别固定前后两段曲轴直杆，孔中心之间的距离由此处曲轴6中心线距离主梁8中心线的距离确定，固定架的厚度、形状以及选材以满足曲轴6扭转的强度要求为设计前提，重量越轻越好。

曲轴6的各段的直径需满足所选择的直杆材料在承受胸鳍在此处扭转最大外力载荷情况下，确保曲轴6不产生弯曲变形，同时还需要满足曲轴6在环框内安装及曲轴6中心线与主梁8中心线前后距离的要求。曲轴6上不同直杆中心线距离主梁8中心线的最大和最小距离根据其对应连接的扭转环框最大扭转角度来确定。

在一个实施例中，主梁8和曲轴6通过固定支座5相连，固定支座5为对称的两部分结合而成，每部分为两个相连的半圆型槽，半圆形槽的直径由当前位置的轴承外径确定，两个圆形槽之间的距离由当前位置主梁8和曲轴6之间的距离确定。

在一个实施例中，滑动槽7的宽度大于等于此处曲轴6的直径，滑动槽7的长度大于曲轴绕副电机2转动的圆周直径与曲轴6直径之和。

固定环框3的外形由仿生胸鳍的外形确定，在内部设计副电机2连接结构，固定环框3宽度应满足副电机2固定支撑的尺度要求，其厚度应满足在承受胸鳍运动过程中最大外力载荷情况下，环框不发生弯曲变形。

扭转环框4的个数由仿生胸鳍的大小及要求得到的运动效果确定，为保证仿生胸鳍变形的光滑过渡，扭转环框4数量越多越好，但扭转环框4数量越多，重量越大，一般情况下选4～6个，扭转环框4的形状由扭转环框4所在处的仿生胸鳍的外形确定，所述的扭转环框4的宽度应满足轴承7固定安装及扭转环框4的强度要求，即扭转环框4在胸鳍运动过程中，承受最大外力载荷下，不发生弯曲变形，在满足二者的情况下，宽度尽量小。

根据本发明的另一方面，提供了一种仿生胸鳍运动装置设计方法，步骤如下：

根据仿生胸鳍运动装置的设计要求，包括胸鳍运动方式、摆动角度、扭转角度、运动频率、摆动驱动最大力矩、扭转驱动最大力矩、电机尺寸和质量约束、减震降噪要求，确定主电机1和副电机2类型和尺寸，其中主电机1的设计要求主要包括胸鳍运动方式、摆动角度、运动频率、摆动驱动最大力矩、电机尺寸和质量约束、减震降噪要求，副电机2的设计要求主要包括胸鳍运动方式、扭转角度、运动频率、扭转驱动最大力矩、电机尺寸和质量约束、减震降噪要求；

环框设计：环框设计包括固定环框3的设计和扭转环框4的设计，根据仿生胸鳍的三维模型，沿仿生胸鳍展向设计n个环框，可等间距或不等间距设计，不等间距设计需要按照胸鳍最大扭转角度沿胸鳍展长进行线性分割，得到放置环框的位置和对应展长处环框的扭转角度，环框外形与环框所在位置的仿生胸鳍的外形相同，环框内部为薄板支撑的框架结构；固定环框3的外形由仿生胸鳍的外形确定，在内部设计副电机连接结构，固定环框3宽度应满足副电机2固定支撑的尺度要求，其厚度应满足在承受胸鳍运动过程中最大外力载荷情况下，固定环框3不发生弯曲变形。

扭转环框4的个数由仿生胸鳍的大小及要求得到的运动效果确定，为保证仿生胸鳍变形的光滑过渡，扭转环框4数量越多越好，但扭转环框4数量越多会导致结构的重量越重，一般情况下选4～6个，扭转环框4的形状由扭转环框4所在处的仿生胸鳍的外形确定，扭转环框4的宽度应满足轴承9固定安装及扭转环框4的强度要求，即扭转环框4在胸鳍运动过程中，承受最大外力载荷下，不发生弯曲变形，在满足二者的情况下，宽度尽量小。

主梁8设计：根据仿生胸鳍的设计要求和沿展向的剖面特征，设计主梁8的直径和长度，并设计主梁8与主电机1的连接结构、主梁8与环框的连接结构；主梁8为圆柱状的直杆，主梁8的长度由仿生胸鳍的长度确定，其直径根据所选择的主梁8材料在承受胸鳍摆动最大外力载荷情况下，确保主梁8不产生弯曲变形来确定，同时还需要满足主梁8在环框内安装及主梁8中心线与曲轴6中心线距离的要求。

优选的在一个实施例中，主梁8可为等直径的圆柱状直杆或变直径的圆柱状直杆，变直径适用于各环框厚度不一致的情况、为了减轻主梁8重量的情况和其他为了满足设计要求的情况。

曲轴6设计：曲轴6由圆柱状直杆和固定架组合而成，曲轴6的段数根据扭转环框4的数量和扭转环框4需要完成的最大扭转角度来确定，曲轴6的每段直杆的直径根据胸鳍运动时对应环框位置最大外力载荷、所选材料的屈服强度、扭转环框内部空间及直杆中心线与主梁中心线距离确定，在满足以上要求的情况下，直径应尽量小，以减轻结构重量，固定架将前后两段曲轴6直杆固定，前后两端直杆分别固定于固定架的两端，其目的是确保与曲轴连接的环框在曲轴的带动下实现不同的扭转角度，固定架与曲轴直杆的连接为固定连接，连接方式可以为螺纹连接，也可以为销钉连接，或者现有的别的实现固定连接要求的连接方法，固定架上用于连接的孔之间的距离由此处曲轴与主梁的距离确定。

曲轴6各段的直径需满足所选择的直杆材料在承受仿生胸鳍在此处扭转最大外力载荷情况下，确保曲轴6不产生弯曲变形，同时还需要满足曲轴6在扭转环框4内安装及曲轴6中心线与主梁8中心线距离的要求。曲轴6上不同直杆中心线距离主梁中心线的最大和最小距离根据其对应连接的扭转环框4最大扭转角度来确定。

固定支座5设计：根据需要固定位置的主梁8和曲轴6的相对位置、主梁8和曲轴6的直径以及主梁8和曲轴6与固定支座5的连接方式来设计固定支座5，固定支座5为对称的两部分结合而成，每部分为两个相连的半圆型槽，半圆形槽的直径由当前位置的轴承9外径确定，两个圆形槽之间的距离由当前位置主梁8和曲轴6之间的距离确定。

仿生胸鳍运动装置的组装：将主梁8的一端和主电机1连接，主梁8和位于仿生胸鳍根部的固定环框3固定连接，和扭转环框4通过轴承9连接，曲轴6的一端与副电机2连接，副电机2固定于固定环框3内，曲轴6与扭转环框4通过滑动槽7连接，主梁8与曲轴6之间通过固定支架5连接。

在一个具体的实施例中，仿生胸鳍运动装置设计要求为：仿生胸鳍同时做绕根部的周期性上下摆动和绕沿展向固定轴的周期性扭转运动，仿生胸鳍运动频率不大于0.6Hz，摆动角度范围±40°，扭转角度范围±45°，扭转角度电机采用直驱与减速器组合模式，仿生胸鳍摆动驱动扭矩不低于40N.m，仿生胸鳍扭转驱动扭矩不低于7N.m，根据此要求设计仿生胸鳍。

一种仿生胸鳍运动装置，如图1所示，包括主电机1、副电机2、主梁8、曲轴6和环框，环框共7个，包括6个扭转环框4和1个固定环框3，固定环框3与主梁8固定连接，扭转环框4与主梁1通过滚动轴承9连接，与曲轴6通过滑动槽7连接；选用的主电机1最大输出扭矩为50N.m，尺度为直径90mm，长度为120mm，重量不超过8kg，主电机1输出轴中心线与胸鳍展向截面平行，副电机2采用直驱与减速器组合模式，副电机运动2为位置跟随模式，副电机2最大输出扭矩为10N.m，尺度为直径50mm，长度为60mm，重量不超过4kg，副电机2安装在固定环框3上,副电机2的电机输出轴中心线与主电机1输出轴中心线垂直。

如图2所示，主梁8为6段变直径的圆柱段组合，从根部到端部圆柱段直径分别：16mm、15mm、14mm、12.5mm、10mm、6mm。每一段的长度分别为110mm、70mm、70mm、70mm、70mm、70mm。

如图3所示，曲轴6为变直径的9段圆柱和8个固定架，如图7所示，为一种固定架的实现方式，在其他的实施例中，可以采用其他的形状和固定方式，沿胸鳍展向的圆柱直径和长度分别为：直径8mm/长度11mm、直径10mm/40长度mm、直径8mm/长度11mm、直径10mm/长度40mm、8mm/长度11mm、直径10mm/长度40mm、直径10mm/长度107mm、直径6mm/长度108mm、直径4mm/长度14mm，对应的固定架的尺寸分别为：长20mm宽16mm高2mm、长20mm宽16mm高4mm、长20mm宽16mm高4mm、长20mm宽16mm高4mm、长20mm宽16mm高4mm、长20mm宽16mm高4mm、长20mm宽16mm高4mm、长15mm宽10mm高3mm、长10mm宽7mm高2.5mm。

主梁8和曲轴6通过两个固定支座5相连，如图6所示固定支座5形状为长方体状，由沿高度方向等分的上下两块通过螺栓固定连接而成。固定支座5方块的长度应大于主梁与曲轴的距离，本例取方块长65mm，方块宽15mm，方块的主体高度8mm，在滚动轴承处局部增厚，其局部增厚之后的高度应大于对应位置处主梁和曲轴直径的最大值，

滑动槽7的宽度大于等于此处曲轴6的直径，滑动槽7的长度应大于曲轴6绕副电机2转动的圆周直径与曲轴6直径之和。

在一个具体的实施例中，一种仿生胸鳍运动装置设计方法，如图8所示，步骤如下：

1、确定主电机1和副电机2：根据仿生胸鳍运动装置设计要求主电机1最大输出扭矩为50N.m，尺度为直径90mm，长度为120mm，重量不超过8kg，主电机1采用直驱与减速器组合模式，主电机1运动为位置跟随模式；副电机2最大输出扭矩为10N.m，尺度为直径50mm，长度为60mm，重量不超过4kg，副电机2采用直驱与减速器组合模式，副电机2运动为位置跟随模式。根据仿生胸鳍运动设计结果，主电机1输出轴外端面与副电机输出轴中心线距离为30mm。

2、环框设计：沿仿生胸鳍展向设计7个环框，其中一个为根部的固定环框3，其余为扭转环框4，环框之间等间距排布。环框内设计为薄板支撑的框架结构,薄板厚度根据结构强度校核进行设计，本实施例中薄板厚度为2.5mm；如图4所示，在固定环框3内部设计副电机2连接结构，固定环框3长度为对应的胸鳍根部弦长度为40mm，宽度等于副电机2安装支座宽度为10mm，扭转环框4长度为对应位置处仿生胸鳍的弦长。以固定环框3外侧端面为起点，根据仿生胸鳍的长度和环框的个数，可得到相邻环框间距为60mm，确定每个扭转环框4中心距离固定环框3外侧端面的距离分别为105mm、165mm、225mm、285mm、345mm、405mm，在扭转环框4的内部设计滑动槽7，滑动槽7的宽度大于等于此处曲轴6的直径，滑动槽7的长度应大于曲轴6绕副电机2转动的圆周直径与曲轴6直径之和。

3、主梁8设计：根据仿生胸鳍环框数量，设计主梁8为6段变直径的圆柱段组合，根据仿生胸鳍运动过程中水动力外载荷加载，通过主梁8强度校核，确定从根部到端部圆柱段直径分别：16mm、15mm、14mm、12.5mm、10mm、6mm。每一段的长度分别为110mm、70mm、70mm、70mm、70mm、70mm。

主梁8最大直径端与主电机输出轴之间采用法兰盘固定连接。主梁8通过7组滚动轴承9与固定环框3、扭转环框4进行滚动连接，滚动轴承9内径为对应连接位置处主梁8的直径，滚动轴承9与环框之间采用定位销沿主梁长度方向左右定位。

4、曲轴6设计：根据以上设计的扭转环框4位置、最大扭转角度、曲轴转动半径要求，设计曲轴6为变直径的9段圆柱和8个固定架组合，前后圆柱之间通过固定架按照每一段圆柱与主梁的间距要求进行连接。依据曲轴6承受的最大水动外力载荷进行每一段圆柱的强度校核，确定沿仿生胸鳍展向的圆柱直径和长度分别为：直径8mm/长度11mm、直径10mm/40长度mm、直径8mm/长度11mm、直径10mm/长度40mm、8mm/长度11mm、直径10mm/长度40mm、直径10mm/长度107mm、直径6mm/长度108mm、直径4mm/长度14mm。对应的固定架的尺寸分别为：长20mm宽16mm高2mm、长20mm宽16mm高4mm、长20mm宽16mm高4mm、长20mm宽16mm高4mm、长20mm宽16mm高4mm、长20mm宽16mm高4mm、长20mm宽16mm高4mm、长15mm宽10mm高3mm、长10mm宽7mm高2.5mm。

曲轴6最大端面直径的一端插入到副电机2输出轴的凹槽内，通过定位销固定。曲轴6依次穿过6个扭转环框4，通过滑动槽7与扭转环框4进行滑动连接。滑动槽7是在扭转环框4内指定位置处开设的槽位，曲轴6可在滑动槽7内滑动以带动扭转环框4扭转。以扭转环框4扭转角度0°为滑动槽7设计的平衡点，此时曲轴6位于滑动槽7内的最前端，每一个滑动槽7的长度应不小于曲轴绕副电机2输出轴中心线旋转时的圆周直径与对应位置处曲轴6直径之和。

5、固定支座5设计：固定支座5用于锁死主梁8与曲轴6的相位位置，在沿胸鳍展向的相邻扭转环框4中间位置设计连接主梁8与曲轴6的固定支座5。固定支座5形状为长方体的方块，由沿高度方向等分的上下两块通过螺栓固定连接而成。固定支座5的长度应大于主梁与曲轴的距离，本例取值65mm，宽15mm，主体厚度8mm，固定支座5与曲轴6、主梁8之间通过滚动轴承9连接，在连接处为半圆形槽，半圆形槽的内径和滚动轴承9的外径相同，滚动轴承9的内径与对应位置处主梁8、曲轴6直杆的直径相同。

6、仿生胸鳍运动装置的组装：将主梁8的一端和主电机1连接，主梁8和位于仿生胸鳍根部的固定环框3固定连接，和扭转环框4通过轴承9连接，曲轴6的一端与副电机2连接，副电机2固定于固定环框3内，曲轴6与扭转环框4通过滑动槽7连接，主梁8与曲轴6之间通过固定支架5连接。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿生胸鳍运动装置，其特征在于：包括主电机、副电机、主梁、曲轴和环框，所述的主梁为圆柱状的直杆，所述的曲轴是由圆柱状直杆和固定架组合而成的直杆中心不在一条直线上的结构，所述的固定架将前后两段直杆固定，其目的是确保与曲轴连接的环框在曲轴的带动下实现不同的扭转角度，所述的主梁和曲轴通过固定支座相连，所述的环框包括扭转环框和固定环框，所述的固定环框为仿生胸鳍根部的第一个环框，固定环框与主梁固定连接，所述扭转环框为其余的环框，扭转环框与主梁通过轴承连接，与曲轴通过扭转环框内部的滑动槽连接，所述的主电机与主梁的一端相连，带动主动梁及与其连接的环框、副电机和曲轴作上下拍动，所述的副电机与曲轴的一端相连，带动曲轴转动，所述的曲轴在扭转环框内滑动，同时带动扭转环框绕主梁转动。

2.根据权利要求1所述的仿生胸鳍运动装置，其特征在于：所述的主电机的电机输出轴中心线与仿生胸鳍展向截面平行，主电机性能和尺寸参数依据仿生胸鳍的设计要求进行设计。

3.根据权利要求1所述的仿生胸鳍运动装置，其特征在于：所述的副电机的电机输出轴中心线与主电机输出轴中心线垂直，副电机性能和尺寸参数依据仿生胸鳍的设计要求进行设计。

4.根据权利要求3所述的仿生胸鳍运动装置，其特征在于：所述的副电机安装在固定环框上。

5.根据权利要求1所述的仿生胸鳍运动装置，其特征在于：所述的主梁的长度由仿生胸鳍的长度确定，其直径需满足所选择的主梁材料在承受胸鳍摆动最大外力载荷情况下，确保主梁不产生弯曲变形，同时还需要满足主梁在环框内安装及主梁中心线与曲轴中心线距离的要求；所述的主梁可为等直径的圆柱状直杆或变直径的圆柱状直杆。

6.根据权利要求1所述的仿生胸鳍运动装置，其特征在于：所述的曲轴的直径需满足所选择的直杆材料在承受胸鳍扭转最大外力载荷情况下，确保曲轴不产生弯曲变形，同时还需要满足曲轴在环框内安装及曲轴中心线与主梁中心线距离的要求,所述的曲轴上不同直杆中心线距离主梁中心线的最大和最小距离根据其对应连接的扭转环框最大扭转角度来确定。

7.根据权利要求1所述的仿生胸鳍运动装置，其特征在于：所述的固定架为一块平板，在平板的上下两面的合适位置打孔，分别固定前后两端曲轴，孔中心之间的距离由此处曲轴中心线距离主梁中心线的距离确定，固定架的厚度、形状以及选材以满足曲轴扭转的强度要求为设计前提，重量越轻越好。

8.根据权利要求1所述的仿生胸鳍运动装置，其特征在于：所述的固定支座为对称的两部分结合而成，每部分为两个相连的半圆型槽，半圆形槽的直径由当前位置的轴承外径确定，两个圆形槽之间的距离由当前位置主梁和曲轴之间的距离确定。

9.根据权利要求1所述的仿生胸鳍运动装置，其特征在于：所述的扭转环框的个数由仿生胸鳍的大小及要求得到的运动效果确定；所述的扭转环框内设有滑动槽，所述的滑动槽的宽度大于等于此处曲轴的直径，滑动槽的长度应大于此处曲轴绕副电机转动的圆周直径与曲轴直径之和；所述的扭转环框的形状由扭转环框所在处的仿生胸鳍的外形确定，所述的扭转环框的宽度应满足滚动轴承固定安装及环框的强度要求，在满足二者的情况下，宽度尽量小。

10.根据权利要求2所述的仿生胸鳍运动装置，其特征在于：所述的固定环框的外形由仿生胸鳍的外形确定，在内部设计副电机连接结构，固定环框宽度应满足副电机固定支撑的尺度要求，并且应满足在承受胸鳍运动过程中最大外力载荷情况下，环框不发生弯曲变形。