CN110576957A - 展向弯曲与弦向摆动可控的多骨架仿蝠鲼胸鳍推进机构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种展向弯曲与弦向摆动可控的多骨架仿蝠鲼胸鳍推进机构，仿生水下航行器领域；包括胸鳍骨架、线辊及驱动电机、转向电机组件和蒙皮；所述胸鳍骨架由多个NACA00翼型的骨架、钢丝绳和中部横梁组成；多个骨架的弦长沿胸鳍骨架的轴向从胸鳍根部到尖部依次减小；各骨架的前缘和后缘分别通过钢丝绳连接，形成胸鳍骨架的外缘；分别由线辊及驱动电机和转向电机组件实现了扑翼展向弯曲摆动的自由度和绕展向旋转的弦向摆动的自由度；本发明将驱动部分全部置于翼根部，解决了翼梢过重带来的摆动所需的扭矩过大，驱动困难，耗能高的问题。且将旋转电机也置于翼根部，带电部件结构紧凑，便于防水密封，使水下工作安全可靠。

Description

展向弯曲与弦向摆动可控的多骨架仿蝠鲼胸鳍推进机构

技术领域

本发明属于仿生水下航行器领域，具体涉及一种展向弯曲与弦向摆动可控的多骨架仿蝠鲼胸鳍推进机构。

背景技术

仿鱼类柔体潜水器的推进方式分为两种。BCF推进模式为大多数尾鳍鱼类的游动方式，通过波动或摆动部分身体及尾鳍的方式，利用涡流将水向身后推动获得反作用力来实现向前运动。在高速巡游时，该运动模式可以实现80％以上的高运动效率。MPF推进模式主要为胸鳍推进鱼类的游动方式，蝠鲼为MPF模式中的胸鳍摆动推进鱼类，主要以胸鳍为主要推进部位，尾鳍辅助调节俯仰，在低速运动的情况下，能保持较高的机动性、稳定性和较高的游动效率，一般可实现精确的六自由度运动及转向动作。

目前关于自主变形柔性胸鳍推进研究，多采用行星轮系、曲柄连杆、四边形连杆等胸鳍推进机构，存在结构复杂、重量大、翼梢处转矩大且与蝠鲼运动方式拟合程度不高等问题。在多骨架的柔性胸鳍驱动机构中，存在柔性绳驱机构调节运动形状不易控制，绳被拉出后难以收回。此外，旋转自由度的电机位于翼梢位置，增大驱动转矩且会对多骨架结构造成压弯等影响。

经文献检索，授权号为2018103107367的专利名称为一种仿蝠鲼水下扑翼推进装置的发明专利，首次提出了一种由蒙皮、电机、传动齿轮组、张线轮组和鳍条机构组成的仿蝠鲼水下扑翼推进装置。鳍条机构为张拉框架结构，由多根竖直杆和交叉杆依次沿轴向连接组合，相邻对应两根竖直杆和交叉杆分别铰接，在鳍条机构上安装外骨架和蒙皮。该机构可完成仿蝠鲼柔性胸鳍，但仅有纵向的扑动自由度，无展向旋转自由度，对蝠鲼运动性能的仿生不佳。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种展向弯曲与弦向摆动可控的多骨架仿蝠鲼胸鳍推进机构，该机构采取骨架支撑结构与柔性绳驱运动，实现仿生蝠鲼胸鳍展向弯曲摆动运动与弦向摆动运动。该胸鳍推进机构较现有的运动机构而言，将整个驱动模块置于翼根处，有效避免了骨架结构被压弯变形、翼梢处转矩大的缺点。且整个机构均可发生展向与弦向二自由度的柔性形变，能完成更多的运动状态。

本发明的技术方案是：一种展向弯曲与弦向摆动可控的多骨架仿蝠鲼胸鳍推进机构,其特征在于：包括胸鳍骨架、线辊及驱动电机、转向电机组件和蒙皮；所述胸鳍骨架由多个NACA00翼型的骨架、钢丝绳和中部横梁组成，用于支撑整个仿蝠鲼胸鳍推进机构；多个骨架沿胸鳍骨架的轴向均布，且多个骨架的弦长从胸鳍根部到尖部依次减小；所述骨架前端圆弧的顶点处为前缘，后端尖角形的尖点为后缘，各骨架的前缘和后缘分别通过钢丝绳连接，形成胸鳍骨架的外缘；所述骨架中部垂直于弦长方向设置有加强板，在加强板的中点开有第一通孔；所述中部横梁依次穿过各骨架的第一通孔，并保证间隙配合，用于固定胸鳍骨架的展向位置；所述骨架的上、下两侧圆弧与所述加强板的交点处均开有多个第二通孔，用于穿过所述驱动绳；胸鳍尖部的骨架上、下两侧各开有一个第二通孔，从胸鳍尖部到根部的各骨架上的第二通孔的数量依次递增，相邻骨架上第二通孔的递增数量为1；

所述线辊及驱动电机包括第一电机、第一电机支架、第一松塔型线辊、第二电机、第二电机支架、第二松塔型线辊和多条驱动绳；第一电机和第二电机分别通过第一电机支架和第二电机支架固定于胸鳍根部的控制舱壳体侧面上，其输出轴均与控制舱壳体侧面平行；第一松塔型线辊和第二松塔型线辊分别与第一电机和第二电机的输出轴同轴固定，所述松塔型线辊能够与电机同步旋转；多条所述驱动绳平均分为两组，每一组驱动绳的数量与骨架的数量相同；第一组驱动绳的驱动一端固定于第一松塔型拉线辊的每一层上，另一端分别穿过骨架上侧圆弧的第二通孔，并分别与被牵引骨架的上侧圆弧的第二通孔固连；第二组驱动绳的驱动一端固定于第二松塔型拉线辊的每一层上，另一端分别穿过骨架下侧圆弧的第二通孔，并分别与被牵引骨架的下侧圆弧的第二通孔固连；通过电机驱动松塔型线辊，进一步带动驱动绳的拉伸，实现了扑翼展向弯曲摆动的自由度；

所述转向电机组件包括旋转电机、旋转电机支架、第一直齿圆柱齿轮和第二直齿圆柱齿轮；所述旋转电机通过旋转电机支架固定于胸鳍根部的控制舱壳体侧面上；所述第一直齿圆柱齿轮与旋转电机的输出轴连接，并与第二直齿圆柱齿轮啮合，所述第二直齿圆柱齿轮中心孔处固定的转轴与胸鳍根部的骨架的第一通孔同轴固定；通过旋转电机带动齿轮旋转，进一步带动胸鳍根部的骨架绕所述中部横梁转动，实现扑翼绕展向旋转的弦向摆动的自由度；

所述中部横梁为具有弹性的可变形材质；所述蒙皮为柔性材料，包覆于胸鳍骨架的外侧，且与各骨架粘连固定。

本发明的进一步技术方案是：所述骨架的前缘到所述加强板的部分为刚性材料，是ABS、POM或碳纤维；骨架的后缘到所述加强板的部分为柔性材料，是硅胶或水凝胶。

本发明的进一步技术方案是：所述骨架由模具浇筑而成。

本发明的进一步技术方案是：所述松塔型线辊的结构为一端是半径逐层递增的台阶形圆锥体，另一端是圆柱状支撑杆用于与电机输出轴同轴固定。

本发明的进一步技术方案是：所述牵引绳用抗拉材料凯芙拉绳或钢丝绳制成。

本发明的进一步技术方案是：所述蒙皮外壳为珠光布料、POBB薄膜或聚乳酸薄膜的柔性材料。

有益效果

本发明的有益效果在于：一种展向弯曲与弦向摆动可控的多骨架仿蝠鲼胸鳍推进机构，所有骨架均可以相对运动，相对位置可控，通过两个电机驱动松塔型线辊拉动牵引绳的方式完成弦向摆动，通过旋转电机驱动一个骨架完成旋转，其他的骨架在柔性绳的牵引下完成自适应，形成展向弯曲运动，使胸鳍机构可以完成二自由度的柔性扑翼驱动。相较目前的多骨架式胸鳍推进机构将驱动弯曲自由度的旋转电机置于最翼梢处而言，本发明将驱动部分全部置于翼根部，有效解决了翼梢过重带来的摆动所需的扭矩过大，驱动困难，耗能高的问题；以及骨架结构中部横梁被压弯，使仿生扑翼动作不准确的问题。且将旋转电机也置于翼根部，带电部件结构紧凑，便于防水密封，使水下工作安全可靠。

附图说明

图1是本发明基于多骨架的柔性胸鳍机构的总体结构图；

图2是本发明的胸鳍机构驱动绳的局部放大图；

图3是本发明的胸鳍机构的驱动部分结构图；

图4是本发明的松塔型驱动线辊图；

图5是本发明的松塔型驱动线辊图；

图6是本发明的胸鳍骨架的左视图；

图7是本发明胸鳍机构的水平位置动作图；

图8是本发明胸鳍机构的扑翼动作图；

附图标记说明：1.第一电机、2.第一电机支架、3.第一松塔型线辊、4.旋转电机、5.中部横梁、6.骨架、7.旋转电机支架、8.第二电机、9.第二电机支架、10.第二松塔型线辊、11.第一直齿圆柱齿轮、12.第一直齿圆柱齿轮。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明是一种展向弯曲与弦向摆动可控的多骨架仿蝠鲼胸鳍推进机构，包括第一电机1、第一电机支架2、第一松塔型线辊3、旋转电机4、中部横梁5、骨架6、旋转电机支架7、第二电机8、第二电机支架9、第二松塔型线辊10、第一直齿圆柱齿轮11、第一直齿圆柱齿轮12和蒙皮。

结合图2、图4-6所示叙述该机构的安装方法：胸鳍推进机构主要包括胸鳍骨架、线辊及驱动电机、转向电机组件。本实施例所述胸鳍骨架由8个NACA00翼型的骨架6、钢丝绳和中部横梁组成，用于支撑整个仿蝠鲼胸鳍推进机构；8个骨架6的弦长沿胸鳍骨架的轴向从胸鳍根部到尖部依次减小；所述骨架6前端圆弧的顶点处为前缘，后端尖角形的尖点为后缘，后缘部分可以在水流的作用下发生被动变形，以提高航行器的水动力性能；连接前、后缘的直线称为翼弦，其长度称为弦长；各骨架6的前缘和后缘分别通过钢丝绳连接，形成胸鳍骨架的外缘；所述钢丝绳在各骨架的两侧打结，以对各骨架的前后位置起到限位和固定的作用。所述骨架6中部垂直于弦长方向设置有加强板，在加强板的中点开有第一通孔；所述中部横梁依次穿过各骨架的第一通孔，并保证间隙配合，用于固定胸鳍骨架的展向位置，并对每个骨架在中部横梁上的位置做轴向限位；所述骨架的上、下两侧圆弧与所述加强板的交点处均开有多个第二通孔，用于穿过所述驱动绳；胸鳍尖部的骨架上、下两侧各开有一个第二通孔，从胸鳍尖部到根部的各骨架上的第二通孔的数量依次递增，相邻骨架6上第二通孔的递增数量为1；

所述线辊及驱动电机包括第一电机1、第一电机支架2、第一松塔型线辊3、第二电机8、第二电机支架9、第二松塔型线辊10和16条驱动绳；第一电机1和第二电机8分别通过第一电机支架2和第二电机支架9固定于胸鳍根部的控制舱壳体侧面上；第一松塔型线辊3和第二松塔型线辊10分别与第一电机1和第二电机8的输出轴同轴固定，所述松塔型线辊能够与电机同步旋转；本实施例中16条所述驱动绳平均分为两组，每一组驱动绳的数量与骨架的数量相同为8条；第一组驱动绳的驱动一端分别固定于第一松塔型拉线辊的每一层上，另一端分别穿过骨架6上侧圆弧的第二通孔，并分别与被牵引骨架的上侧圆弧的第二通孔固连；如第一根驱动绳从骨架的加强板到后缘方向的第一个通孔穿过并固定，第二至八根驱动绳从骨架的加强板到后缘方向的第二至八个通孔穿过，并为间隙配合；第二根驱动绳从骨架的加强板到后缘方向的第二个通孔穿过并固定，第三至八根驱动绳从骨架的加强板到后缘方向的第三至八个通孔穿过，并间隙配合；第三根驱动绳从骨架的加强板到后缘方向的第三个通孔穿过并固定，第四至八根驱动绳从骨架的加强板到后缘方向的第四至八个通孔穿过，并间隙配合；依照上述规律依次将第一组8根驱动绳安装完成。第二组驱动绳的驱动一端固定于第二松塔型拉线辊的每一层上，另一端分别穿过骨架下侧圆弧的第二通孔，并分别与被牵引骨架的下侧圆弧的第二通孔固连；依照第一组驱动绳的安装完方法将第二组驱动绳安装完成。通过电机驱动松塔型线辊，进一步带动驱动绳的拉伸，实现了扑翼展向弯曲摆动的自由度；

所述松塔型驱动线辊的结构为一端是半径逐层递增的台阶形圆锥体，另一端是圆柱状支撑杆用于与电机输出轴同轴安装；驱动绳一端按松塔型驱动线辊的环侧面由小到大的顺序依次缠绕，并分别与穿过松塔型驱动线辊每个环面的侧面的小通孔，与小通孔固定。每一侧胸鳍结构的上下两个绳驱机构关于水平对称面对称。按骨架由中部到翼梢由内而外的顺序，驱动绳从骨架下侧的小孔中，按从前缘到后缘的顺序，依次穿出。绳的一端缠绕在松塔型绕线辊由小到大的环面上，另一端末端与需要驱动的骨架上的小孔内侧固连。

胸鳍的弦向向上弯曲扑动动作结合图2进行说明。当第一电机1带动第一松塔型驱动线辊顺时针旋转时，上侧部分驱动绳被拉紧，绳驱动线辊端到骨架上侧固定端的距离缩小，每段绳缩小的距离与驱动线辊各环的直径有关，且骨架从中部到翼梢，缩小的距离逐渐增大。因连接各胸鳍骨架的中部横梁为柔性，横梁会向上翘曲。且各胸鳍骨架不再是初始状态时的平行放置，而是每个骨架的相对位置会被绳牵引出一个角度。此时，骨架下侧部分的电机8带动下侧的驱动线辊逆时针与上侧线辊旋转相同的角度，以弥补绳长的变化。

胸鳍的弦向向下弯曲扑动动作结合图2进行说明。当电机8带动松塔型驱动线辊顺时针转动时，下侧部分的驱动绳被张紧缩短，将各胸鳍骨架的上侧与绳固定的位置向下及向翼梢方向牵引。同时，电机1输出轴逆时针与电机8转动相同的角度，放松上侧的驱动绳，以弥补绳长的变化。因连接各胸鳍骨架的中部横梁为柔性，此时横梁会向下翘曲。

胸鳍绕展向旋转的弦向摆动动作结合图2进行说明。当旋转电机4转动时，会通过圆柱齿轮传动，带动骨架6的最内侧骨架即胸鳍根部的骨架进行旋转。因各骨架上下两侧依靠驱动绳互相牵引，且各骨架均可绕中部横梁旋转，所以当最内侧骨架进行旋转时，内部的各骨架会随着被驱动绳牵引着进行旋转运动。各骨架的旋转角度，随着骨架从骨架从中部到外的顺序顺次减小。

胸鳍的展向弯曲与弦向摆动两个自由度可以单独动作，并可以进行协同配合，完成该胸鳍扑翼机构的展向弯曲与弦向摆动的复合动作。

中部横梁5为具有弹性的可变形材质，如橡胶等；骨架6由模具浇筑而成，其前缘到所述加强板的部分为刚性材料，是ABS、POM或碳纤维；骨架的后缘到所述加强板的部分为柔性材料，是硅胶或水凝胶；所述牵引绳用抗拉材料凯芙拉绳或钢丝绳制成。所述蒙皮为柔性材料，包覆于胸鳍骨架的外侧，且与各骨架粘连固定。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种展向弯曲与弦向摆动可控的多骨架仿蝠鲼胸鳍推进机构,其特征在于：包括胸鳍骨架、线辊及驱动电机、转向电机组件和蒙皮；所述胸鳍骨架由多个NACA00翼型的骨架、钢丝绳和中部横梁组成，用于支撑整个仿蝠鲼胸鳍推进机构；多个骨架沿胸鳍骨架的轴向均布，且多个骨架的弦长从胸鳍根部到尖部依次减小；所述骨架前端圆弧的顶点处为前缘，后端尖角形的尖点为后缘，各骨架的前缘和后缘分别通过钢丝绳连接，形成胸鳍骨架的外缘；所述骨架中部垂直于弦长方向设置有加强板，在加强板的中点开有第一通孔；所述中部横梁依次穿过各骨架的第一通孔，并保证间隙配合，用于固定胸鳍骨架的展向位置；所述骨架的上、下两侧圆弧与所述加强板的交点处均开有多个第二通孔，用于穿过所述驱动绳；胸鳍尖部的骨架上、下两侧各开有一个第二通孔，从胸鳍尖部到根部的各骨架上的第二通孔的数量依次递增，相邻骨架上第二通孔的递增数量为1；

所述线辊及驱动电机包括第一电机、第一电机支架、第一松塔型线辊、第二电机、第二电机支架、第二松塔型线辊和多条驱动绳；第一电机和第二电机分别通过第一电机支架和第二电机支架固定于胸鳍根部的控制舱壳体侧面上，其输出轴均与控制舱壳体侧面平行；第一松塔型线辊和第二松塔型线辊分别与第一电机和第二电机的输出轴同轴固定，所述松塔型线辊能够与电机同步旋转；多条所述驱动绳平均分为两组，每一组驱动绳的数量与骨架的数量相同；第一组驱动绳的驱动一端固定于第一松塔型拉线辊的每一层上，另一端分别穿过骨架上侧圆弧的第二通孔，并分别与被牵引骨架的上侧圆弧的第二通孔固连；第二组驱动绳的驱动一端固定于第二松塔型拉线辊的每一层上，另一端分别穿过骨架下侧圆弧的第二通孔，并分别与被牵引骨架的下侧圆弧的第二通孔固连；通过电机驱动松塔型线辊，进一步带动驱动绳的拉伸，实现了扑翼展向弯曲摆动的自由度；

所述转向电机组件包括旋转电机、旋转电机支架、第一直齿圆柱齿轮和第二直齿圆柱齿轮；所述旋转电机通过旋转电机支架固定于胸鳍根部的控制舱壳体侧面上；所述第一直齿圆柱齿轮与旋转电机的输出轴连接，并与第二直齿圆柱齿轮啮合，所述第二直齿圆柱齿轮中心孔处固定的转轴与胸鳍根部的骨架的第一通孔同轴固定；通过旋转电机带动齿轮旋转，进一步带动胸鳍根部的骨架绕所述中部横梁转动，实现扑翼绕展向旋转的弦向摆动的自由度；

所述中部横梁为具有弹性的可变形材质；所述蒙皮为柔性材料，包覆于胸鳍骨架的外侧，且与各骨架粘连固定。

2.根据权利要求1所述展向弯曲与弦向摆动可控的多骨架仿蝠鲼胸鳍推进机构,其特征在于：所述骨架的前缘到所述加强板的部分为刚性材料，是ABS、POM或碳纤维；骨架的后缘到所述加强板的部分为柔性材料，是硅胶或水凝胶。

3.根据权利要求1所述展向弯曲与弦向摆动可控的多骨架仿蝠鲼胸鳍推进机构,其特征在于：所述骨架由模具浇筑而成。

4.根据权利要求1所述展向弯曲与弦向摆动可控的多骨架仿蝠鲼胸鳍推进机构,其特征在于：所述松塔型线辊的结构为一端是半径逐层递增的台阶形圆锥体，另一端是圆柱状支撑杆用于与电机输出轴同轴固定。

5.根据权利要求1所述展向弯曲与弦向摆动可控的多骨架仿蝠鲼胸鳍推进机构,其特征在于：所述牵引绳用抗拉材料凯芙拉绳或钢丝绳制成。

6.根据权利要求1所述展向弯曲与弦向摆动可控的多骨架仿蝠鲼胸鳍推进机构,其特征在于：所述蒙皮外壳为珠光布料、POBB薄膜或聚乳酸薄膜的柔性材料。