CN110901867A - 一种基于齿轮连杆机构的仿生鱼尾 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于齿轮连杆机构的仿生鱼尾，包括驱动部件、杆件、齿轮、连接件和铰接孔，其中驱动部件包括防水电机、蜗轮、蜗杆，杆件包括曲柄、一级摇杆上、一级摇杆下、二级摇杆上、二级摇杆下、连杆，尾鳍连接件和尾鳍，连接件包括鱼体支架、定转轴、动转轴；防水电机固定在仿生鱼躯体末端的鱼体支架上，防水电机与蜗杆连接，蜗杆与蜗轮配合；通过防水电机为整套机构提供动力，实现一级摇杆的摆动，通过齿轮传动比产生曲柄与一级摇杆的相对转角，实现二级摇杆相对于一级摇杆的相对摆动，通过齿轮传动比实现了三级摇杆相对于二级摇杆的相对摆动，通过控制防水电机操纵左右摆动及单侧摆的速度和幅度，实现可变速直线游动及可变曲率转向功能。

Description

一种基于齿轮连杆机构的仿生鱼尾

技术领域

本发明涉及一种仿生鱼尾，特别是一种基于齿轮连杆机构的仿生鱼尾，本发明可用于水下仿生机器人上，属于水下探测装置技术及机械设计领域。

背景技术

仿生鱼因为具有推进效率高、机动性强、隐蔽性好等优势正逐渐被广泛应用在军事侦查、水下环境探测、海底追踪等领域。自然界中的鱼主要把身体和尾鳍作为主要的推进器，利用身体左右摆动拍水产生的反作用力推动整体前游，通过身体的波动和尾鳍的摆动形成向后传播的推进波，从而实现快速高效的游动。仿生鱼前进及转向的动力来自于身体尾部和尾鳍的摆动，目前摆动的方式主要通过舵机摆动、机械往复机构、液压传动等方式实现，但都或多或少的存在驱动电机较多、尾部左右摆动不对称，结构复杂、摆动力矩小、可摆动的关节少、摆动幅度不能改变、摆动的连续性差等缺点。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种传动精度高，可靠性高、摆动的连续性好，而且能够实现精确摆动，易于建立摆动机构的数学模型，便于设计和控制、结构简单的基于齿轮连杆机构的仿生鱼尾，解决现有的仿生鱼尾摆动装置存在的驱动电机较多、尾部左右摆动不对称，结构复杂、摆动力矩小、可摆动的关节少、摆动幅度不能改变、摆动的连续性差等问题。

为解决上述技术问题，本发明的一种基于齿轮连杆机构的仿生鱼尾，其结构包括驱动部件、杆件、齿轮、连接件和铰接孔，其中驱动部件包括防水电机1、蜗轮14、蜗杆3，杆件包括曲柄21、一级摇杆上5、一级摇杆下20、二级摇杆上6、二级摇杆下18、连杆4，尾鳍连接件10和尾鳍11，齿轮包括第一齿轮15、第二齿轮13、第三齿轮12、第四齿轮22、第五齿轮19、第六齿轮7、第七齿轮8和第八齿轮9，连接件包括鱼体支架16、第一定转轴23-1、第二定转轴23-2、第一动转轴17-1、第二动转轴17-2、第三动转轴17-3、第四动转轴17-4、第五动转轴17-5和第六动转轴17-6；铰接孔包括第一铰接孔24、第二铰接孔25、第三铰接孔26、第四铰接孔27、第五铰接孔28、第六铰接孔29和第七铰接孔30，所述防水电机1固定在仿生鱼躯体末端的鱼体支架16上，防水电机1与蜗杆3连接，蜗杆3与蜗轮14配合；

所述蜗轮14与一级摇杆上5、第一齿轮15和一级摇杆下20固连在一起，然后通过第一定转轴23-1铰接在鱼体支架16的第一铰接孔24上，所述曲柄21与第四齿轮22固连在一起，然后通过第一定转轴23-1铰接在鱼体支架16的第一铰接孔24上，所述第二齿轮13与第三齿轮12固连在一起，然后通过第二定转轴23-2铰接在鱼体支架16上，所述第五齿轮19固连在一级摇杆上5上，所述第六齿轮7通过第二动转轴17-2铰接在二级摇杆上6和二级摇杆下18的第三铰接孔26上，所述第七齿轮8通过第三动转轴17-3铰接在二级摇杆上6和二级摇杆下18的第四铰接孔27上，所述第八齿轮9通过第四动转轴17-4铰接在二级摇杆上6和二级摇杆下18的第五铰接孔28上，与尾鳍连接件10固连，尾鳍连接件10与尾鳍11固连。

进一步，二级摇杆上6和二级摇杆下18为L形，通过第一动转轴17-1铰接在一级摇杆上5和一级摇杆下20的第二铰接孔25上。

进一步，连杆4的一端通过第五动转轴17-5铰接在曲柄21的第七铰接孔30上，连杆4的另一端通过第六动转轴17-6铰接在二级摇杆上6和二级摇杆下18的第六铰接孔29上。

进一步，第一齿轮15与第二齿轮13啮合，第三齿轮12和第四齿轮22啮合，第五齿轮19和第六齿轮7啮合，第七齿轮8和第八齿轮9啮合。

本发明的有益效果：本发明的基于齿轮连杆机构的仿生鱼尾是一种齿轮传动的连杆机构，通过蜗轮蜗杆传动将防水电机的动力传递到摆动机构。基于齿轮连杆机构的仿生鱼尾具有如下优点：

(1)基于齿轮连杆机构的仿生鱼尾采用齿轮传动，传动精度高，可靠性高、摆动的连续性好，而且能够实现精确摆动，易于建立摆动机构的数学模型，便于设计和控制，相比其它仿生鱼摆尾机构具有结构简单的优势。

(2)整体采用齿轮传动和连杆机构，只需要一个电机驱动就能够实现鱼尾的左右摆动和单侧摆动，并且保证了左右摆动的对称性，有效避免了因尾部左右摆动的幅度、速度不对称导致的仿生鱼在游动时偏离航向的问题。

(3)通过齿轮传动的方式能够用一个电机实现尾部3个关节的相对摆动，提高了仿生性和推进效率，并且只需要通过控制电机的旋转方向、速度及旋转的圈数就能控制鱼尾的摆动方向、摆动速度及摆动的幅度。

(4)通过蜗轮蜗杆将电机的动力传递到摆动机构，能够增大电机传动到摆动机构的扭矩，使仿生鱼的摆尾动作更加有力。

附图说明

图1是本发明一种基于齿轮连杆机构的仿生鱼尾的结构图

图2是结构俯视图；

图3是铰接孔分布图；

图4是定转轴和动转轴的分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。

本发明专利通过防水电机驱动蜗轮蜗杆为整套机构提供动力，实现一级摇杆的摆动，通过第一齿轮与第四齿轮的传动比产生了曲柄与一级摇杆的相对转角，从而实现了二级摇杆相对于一级摇杆的相对摆动，通过第八齿轮与第五齿轮的传动比实现了三级摇杆相对于二级摇杆的相对摆动，通过控制防水电机的正反转、转动的圈数和速度能够操纵仿生鱼尾左右摆动的速度和幅度及单侧摆的速度和幅度，最终实现了仿生鱼在水下可变速直线游动及可变曲率转向的功能。

结合图1、图2、图3和图4，本发明提供一种技术方案：一种基于齿轮连杆机构的仿生鱼尾，其结构包括防水电机1、蜗轮14、蜗杆3和蜗杆支架2，杆件包括曲柄21、一级摇杆上5、一级摇杆下20、二级摇杆上6、二级摇杆下18、连杆4，尾鳍连接件10和尾鳍11，齿轮包括第一齿轮15、第二齿轮13、第三齿轮12、第四齿轮22、第五齿轮19、第六齿轮7、第七齿轮8和第八齿轮9，连接件包括鱼体支架16、定转轴和动转轴，其中，定转轴包括第一定转轴23-1和第二定转轴23-2，动转轴包括第一动转轴17-1、第二动转轴17-2、第三动转轴17-3、第四动转轴17-4、第五动转轴17-5和第六动转轴17-6；铰接孔包括第一铰接孔24、第二铰接孔25、第三铰接孔26、第四铰接孔27、第五铰接孔28、第六铰接孔29和第七铰接孔30。

防水电机1固定在仿生鱼躯体末端的鱼体支架16上，防水电机1的电机与蜗杆3连接，蜗杆3与蜗轮14配合，蜗杆3通过蜗杆支架2设置在鱼体支架16下表面上，防水电机1转动带动蜗杆3和蜗轮14转动；蜗轮14通过螺钉与一级摇杆上5、第一齿轮15和一级摇杆下20固连在一起，然后通过第一定转轴23-1铰接在鱼体支架16的第一铰接孔24上，通过防水电机1驱动，一同绕着第一定转轴23-1转动；第二齿轮13与第三齿轮12通过螺钉固连在一起，然后通过第二定转轴23-2铰接在鱼体支架16上，一同绕着第二定转轴23-2转动；曲柄21与第四齿轮22通过螺钉固连在一起，然后通过第一定转轴23-1铰接在鱼体支架16的第一铰接孔24上，通过第一齿轮15、第二齿轮13、第三齿轮12将防水电机的动力传递到第四齿轮22，带动曲柄21一同绕着第一定转轴23-1转动；第五齿轮19通过螺钉固连在一级摇杆上5上，随着一级摇杆上5的摆动而摆动；第六齿轮7通过第二动转轴17-2铰接在二级摇杆上6和二级摇杆下18的第三铰接孔26上，第七齿轮8通过第三动转轴17-3铰接在二级摇杆上6和二级摇杆下18的第四铰接孔27上，第八齿轮9通过第四动转轴17-4铰接在二级摇杆上6和二级摇杆下18的第五铰接孔28上，通过螺钉与尾鳍连接件10固连，尾鳍连接件10通过螺钉与尾鳍11固连，二级摇杆上6摆动产生动力，通过第五齿轮19、第六齿轮7、第七齿轮8将动力传递到第八齿轮9，第八齿轮9带动尾鳍连接件10和尾鳍11一同绕着第四动转轴17-4转动。二级摇杆上6和二级摇杆下18为L形，通过第一动转轴17-1铰接在一级摇杆上5和一级摇杆下20的第二铰接孔25上，连杆4的一端通过第五动转轴17-5铰接在曲柄21的第七铰接孔30上，连杆4的另一端通过第六动转轴17-6铰接在二级摇杆上6和二级摇杆下18的第六铰接孔29上。曲柄21转动，通过连杆4拉动二级摇杆上6和二级摇杆下18绕着第一动转轴17-1转动。第一齿轮15与第二齿轮13啮合，第三齿轮12和第四齿轮22啮合，第五齿轮19和第六齿轮7啮合，第七齿轮8和第八齿轮9啮合。

本发明解决的问题包括现有的仿生鱼尾摆动装置的驱动电机较多、尾部左右摆动不对称，结构复杂、摆动力矩小、可摆动的关节少、摆动幅度不能改变、摆动的连续性差等问题。本发明通过上述部件的互相组合，采用一种齿轮传动的连杆机构，只需要通过控制电机的旋转方向、速度及旋转的圈数就能控制鱼尾的摆动方向、摆动速度及摆动的幅度，具体如下所述：

防水电机1固定在鱼体支架16上，防水电机1与蜗杆3连接，蜗杆3与蜗轮14配合。防水电机1转动将动力传递到蜗轮14上，蜗轮14通过螺钉与一级摇杆上5、第一齿轮15固连在一起，一同绕着第一定转轴23-1转动，实现了尾部第一节的摆动，一级摇杆上5摆动后，一方面，第一齿轮15通过第二齿轮13和第三齿轮12将动力传递到第四齿轮22，曲柄21与第四齿轮22通过螺钉固连在一起，一同绕着第一定转轴23-1转动，二级摇杆上6为L形，通过第一动转轴17-1与一级摇杆上5铰接，因为第四齿轮22的直径比第一齿轮15的小，因此曲柄21的角速度比一级摇杆上5的角速度快，曲柄21转动通过连杆4拉动二级摇杆上6绕着第一动转轴17-1转动，实现了尾部第二节的摆动，另一方面，第五齿轮19通过螺钉固连在一级摇杆上5上，随着一级摇杆上5的摆动而摆动，二级摇杆上6绕着第一动转轴17-1转动，带动第六齿轮7转动，从而通过第七齿轮8将动力传递到第八齿轮9，第八齿轮9带动尾鳍连接件10和尾鳍11摆动，从而实现了尾鳍11的摆动。因此只需通过控制防水电机1的旋转方向、速度及旋转的圈数就能控制鱼尾的摆动方向、摆动速度及摆动的幅度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种基于齿轮连杆机构的仿生鱼尾，其结构包括驱动部件、杆件、齿轮、连接件和铰接孔，其中驱动部件包括防水电机(1)、蜗轮(14)、蜗杆(3)，杆件包括曲柄(21)、一级摇杆上(5)、一级摇杆下(20)、二级摇杆上(6)、二级摇杆下(18)、连杆(4)，尾鳍连接件(10)和尾鳍(11)，齿轮包括第一齿轮(15)、第二齿轮(13)、第三齿轮(12)、第四齿轮(22)、第五齿轮(19)、第六齿轮(7)、第七齿轮(8)和第八齿轮(9)，连接件包括鱼体支架(16)、第一定转轴(23-1)、第二定转轴(23-2)、第一动转轴(17-1)、第二动转轴(17-2)、第三动转轴(17-3)、第四动转轴(17-4)、第五动转轴(17-5)和第六动转轴(17-6)；铰接孔包括第一铰接孔(24)、第二铰接孔(25)、第三铰接孔(26)、第四铰接孔(27)、第五铰接孔(28)、第六铰接孔(29)和第七铰接孔(30)，所述防水电机(1)固定在仿生鱼躯体末端的鱼体支架(16)上，其特征在于：防水电机(1)与蜗杆(3)连接，蜗杆(3)与蜗轮(14)配合；

所述蜗轮(14)与一级摇杆上(5)、第一齿轮(15)和一级摇杆下(20)固连在一起，然后通过第一定转轴(23-1)铰接在鱼体支架(16)的第一铰接孔(24)上，所述曲柄(21)与第四齿轮(22)固连在一起，然后通过第一定转轴(23-1)铰接在鱼体支架(16)的第一铰接孔(24)上，所述第二齿轮(13)与第三齿轮(12)固连在一起，然后通过第二定转轴(23-2)铰接在鱼体支架(16)上，所述第五齿轮(19)固连在一级摇杆上(5)上，所述第六齿轮(7)通过第二动转轴(17-2)铰接在二级摇杆上(6)和二级摇杆下(18)的第三铰接孔(26)上，所述第七齿轮(8)通过第三动转轴(17-3)铰接在二级摇杆上(6)和二级摇杆下(18)的第四铰接孔(27)上，所述第八齿轮(9)通过第四动转轴(17-4)铰接在二级摇杆上(6)和二级摇杆下(18)的第五铰接孔(28)上，与尾鳍连接件(10)固连，尾鳍连接件(10)与尾鳍(11)固连。

2.根据权利要求1所述的一种基于齿轮连杆机构的仿生鱼尾，其特征在于：二级摇杆上(6)和二级摇杆下(18)为L形，通过第一动转轴(17-1)铰接在一级摇杆上(5)和一级摇杆下(20)的第二铰接孔(25)上。

3.根据权利要求1所述的一种基于齿轮连杆机构的仿生鱼尾，其特征在于：连杆(4)的一端通过第五动转轴(17-5)铰接在曲柄(21)的第七铰接孔(30)上，连杆(4)的另一端通过第六动转轴(17-6)铰接在二级摇杆上(6)和二级摇杆下(18)的第六铰接孔(29)上。

4.根据权利要求1所述的一种基于齿轮连杆机构的仿生鱼尾，其特征在于：第一齿轮(15)与第二齿轮(13)啮合，第三齿轮(12)和第四齿轮(22)啮合，第五齿轮(19)和第六齿轮(7)啮合，第七齿轮(8)和第八齿轮(9)啮合。

Images