CN111959730A - 一种仿生鱼尾推进机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生鱼尾推进机构，包括：弹性摆板；分布在弹性摆板两侧且盛放有驱动液的第一腔体和第二腔体；控制所述第一腔体和第二腔体内液体压力的液压驱动机构；所述弹性摆板与所述第一腔体或第二腔体之间设有传动面，在所述第一腔体和第二腔体压力驱动下，所述弹性摆板进行弯曲摇摆运动。本发明的仿生鱼尾推进机构，引入弹性摆板和位于弹性摆板两侧的第一腔体和第二腔体，利用两个腔体实现对中间弹性摆板的受力控制，进而实现对摆板摆动方向和摆动频率的控制，最终实现对仿生鱼尾推进机构的控制，控制更加灵活，控制精度更高。

Description

一种仿生鱼尾推进机构

技术领域

本发明涉及一种推进机构，具体是涉及一种高效仿生鱼尾推进机构。

背景技术

仿生鱼尾摆动驱动机构由于其控制灵活，驱动效率较高，在机械驱动领域使用越来越普遍。目前仿生鱼尾摆动驱动机构按照驱动方式不同，通常分为：1机械结构驱动的仿生鱼尾驱动机构。2.通过新型智能材料的仿生鱼尾驱动机构。3.通过线牵引方式驱动的仿生鱼尾驱动机构。4.通过液压方式驱动的仿生鱼尾驱动机构。

现有的机械结构驱动的仿生鱼尾摆动驱动机构，普遍存在结构复杂，体积庞大，故障率高。现有的通过新型智能材料的仿生鱼尾驱动机构，对于不同的智能材料存在不同的问题：调节温度实现驱动存在温控精度难以保障，调节电压实现驱动存在电压高达上千伏，水凝胶驱动方式存在相位变换缓慢。现有通过线牵引方式驱动的仿生鱼尾驱动机构，通过线的牵引并且结合机械装置，存在结构复杂，体积庞大，控制难度高。现有的通过液压方式驱动的仿生鱼尾驱动机构，需要采用特定的腔体结构，导致驱动液压效率低下需要大量的液体进行驱动。

总之，现有的仿生鱼尾摆动驱动机构普遍存在驱动效率低、驱动准确度低，不够灵活的缺陷。

发明内容

本发明提供了一种驱动效率高、控制灵活的仿生鱼尾推进机构。

一种仿生鱼尾推进机构，包括：

弹性摆板；

分布在弹性摆板两侧且盛放有驱动液的第一腔体和第二腔体；

控制所述第一腔体和第二腔体内液体压力的液压驱动机构；

所述弹性摆板与所述第一腔体或第二腔体之间设有传动面，在所述第一腔体和第二腔体压力驱动下，所述弹性摆板进行弯曲摇摆运动。

作为优选，所述第一腔体和第二腔体为沿弹性摆板对称设置的结构。采用该技术方案，更有利于实现更为精确的控制。

作为优选，所述第一腔体和第二腔体由沿弹性摆板高度方向依次布置且相互连通的子腔组成。

作为优选，对于某一腔体，所述子腔的水平尺寸自上而下逐渐缩小。采用该技术方案，使得所述推进机构更加符合鱼尾结构，进一步提高了所述推进机构的控制灵活性。

作为优选，所述子腔为水平布置的弧形槽；且对于某一腔体，多个子腔的水平尺寸自上而下逐渐缩小。所述弧形槽包括但不限于半圆或者任意度数的圆弧形弧形槽、半椭圆形弧形槽、仿鱼身型弧形槽或者其他形状的弧形结构形成的弧形槽。

作为优选，在竖直平面上，所述弧形槽横截面为U型；某一腔体，其内部各个子腔通过一竖直设置的通道相互连通。

作为优选，在竖直平面上，所述弧形槽横截面为V型；某一腔体，其内部各个子腔侧壁依次连接形成连通的腔体。

上述两个技术方案中，所述竖直平面可以是经过弹性摆板竖直中分线的任一平面(除弹性摆板所在的平面以外的平面)。当采用横截面为U型的弧形槽结构的子腔结构时，相邻两个子腔本身相互独立，通过另设的通道相互连通。所述通道可以为圆柱形通道或者其他形状的通道。当采用V型的弧形槽结构的子腔结构时，多个V型结构的子腔腔壁依次连接，形成完整的封闭的腔壁结构，中间直接形成所述的通道，实现该腔体内子腔的连通。

作为优选，所述第一腔体或第二腔体包括：

与所述弹性摆板固定充当所述传动面的平侧壁；

两侧分别与所述平侧壁两侧密封对接的弧形壁；

封闭所述弹性摆板、弧形壁顶部的顶侧板；

所述第一腔体或第二腔体的型腔结构设置在所述弧形壁上。

第一腔体和第二腔体上的开口一般设置在所述顶侧板上。

作为优选，所述弧形槽为设置在所述弧形壁上的凹槽结构(比如U型的弧形槽)；或者所述弧形壁为褶皱结构的侧壁，褶皱直接形成所述的弧形槽(比如V型的弧形槽)。作为进一步预选，所述弧形壁为水平尺寸自上而下逐渐减小的褶皱结构。

作为优选，所述弹性摆板为薄型、可弯曲、不可伸长的聚合纤维材料构成。作为进一步优选，所述弹性摆板由环氧树脂纤维板以及设置在环氧树脂纤维板两侧的弹性硅胶体组成。作为优选，所述第一腔体或/和第二腔体为硅胶材料。利用所述弹性硅胶体可以方便实现弹性摆板与两侧腔体的固定。

作为优选，所述弹性摆板上设有定位孔。利用所述定位孔进一步方便和强化了弹性摆板两侧的腔体的固定。

作为优选，所述液压驱动机构包括：

机架；

固定在所述机架上的活塞组件，该活塞组件的出液口与所述第一腔体或第二腔体的开口密封连接；

轴接在所述机架上的驱动盘，该驱动盘具有相对其中心轴倾斜的驱动斜面；

驱动所述驱动盘绕其中心轴转动的驱动机构；

所述活塞组件的活塞杆的自由端与所述驱动斜面始终接触配合，且在驱动盘作用下进行轴向往复移动。

作为优选，所述活塞组件为两组，其对应的活塞杆分别与所述驱动盘一侧的驱动斜面的行程最高点和行程最低点分别接触配合；且两组活塞组件的出液口分别与所述第一腔体或第二腔体的开口密封连接。采用该技术方案，两个活塞组件的运行相位对称，且运动方向相反，一个活塞输入液体的同时，另外一组活塞组件进行同步出液，分别实现对第一腔体或第二腔体的液体同步控制，进一步保证了控制灵活度和控制精度。

作为优选，包括促使所述活塞杆的自由端与所述驱动斜面紧密抵靠的定位机构。

作为进一步优选，所述活塞杆的自由端为球头端；所述定位机构为设置在驱动斜面上与所述球头端配合的环形球头槽；或者所述定位机构为设置在活塞腔内或者套设在活塞杆上的弹簧。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明的仿生鱼尾推进机构，引入弹性摆板和位于弹性摆板两侧的第一腔体和第二腔体，利用两个腔体实现对中间弹性摆板的受力控制，进而实现对摆板摆动方向和摆动频率的控制，最终实现对仿生鱼尾推进机构的控制，控制更加灵活，控制精度更高。

本发明通过配合使用特定结构的液压驱动机构，进一步增加了本发明的仿生鱼尾推进机构控制性能。同时本发明采用V型波浪形的腔体结构，引入特殊折法，利用该折法折叠后形成特殊的褶皱，使得弹性体在液体压力下需沿单一轴线方向拉伸或者压缩，提高驱动效率。

本发明的新型腔体为3D结构，左右两边各占四个象限，弹性可在均匀形变下进行，提高驱动效率。

本发明的弹性摆板可弯曲但不可伸长，弹性摆板由薄型弯曲不可伸长聚合纤维加上弹性硅胶体组合而成，不仅可以快速弯曲，而且可以快速恢复到中性状态，提高驱动效率。

附图说明

图1为本发明一种仿生鱼尾推进机构的一种结构示意图；

图2为图1所示仿生鱼尾推进机构的侧视图；

图3为图1中一个腔体部分的结构示意图；

图4为图3所示腔体部分局部剖视图；

图5为图1所示仿生鱼尾推进机构进行摆动过程的示意图；

图6为本发明另一种仿生鱼尾推进机构的一种结构示意图；

图7为图6所示的仿生鱼尾推进机构主视图；

图8为图6所示的仿生鱼尾推进机构侧视图；

图9为图7所示仿生鱼尾推进机构A-A剖视图；

图10为本发明液压驱动机构的一种结构示意图；

图11为图10所示液压驱动机构的侧视图；

图12为本发明液压驱动机构的另一种结构示意图；

图13为本发明液压驱动机构的又一种结构示意图；

图14为图13所示液压驱动机构的侧视图；

图15为图14所示机构的B-B剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1～4所示，一种仿生鱼尾推进机构，包括：弹性摆板101；分布在弹性摆板101两侧且盛放有驱动液的第一腔体201和第二腔体202；控制所述第一腔体201和第二腔体202内液体压力的液压驱动机构；所述弹性摆板101与所述第一腔体201或第二腔体202之间设有传动面203，在所述第一腔体201和第二腔体202压力驱动下，所述弹性摆板进行弯曲摇摆运动。

本实施例中，所述第一腔体201和第二腔体202为沿弹性摆板101对称设置的结构。采用该技术方案，更有利于实现更为精确的控制。所述第一腔体和第二腔体由沿弹性摆板高度方向依次布置且相互连通的子腔204组成。

所述子腔为水平布置的弧形槽；所述弧形槽包括但不限于半圆或者任意度数的圆弧形弧形槽、半椭圆形弧形槽、仿鱼身型弧形槽或者其他形状的弧形结构形成的弧形槽。本实施例中，子腔为仿鱼身型弧形槽。

如图4所示，在第一腔体201和第二腔体202的对称面(过弹性摆板中间线的竖直平面)上，弧形槽401横截面为V型；某一腔体，其内部各个横截面为V型的子腔的两个V型侧壁依次连接形成连通的腔体(中心位置为连通的通道)。对于某一腔体内(第一腔体或第二腔体)，多个弧形槽401的水平尺寸自上而下逐渐缩小，形成仿鱼尾结构，进一步减少摩擦力，增加灵活性。

进一步讲，本实施例中，所述第一腔体或第二腔体包括：与所述弹性摆板固定充当所述传动面的平侧壁402；两侧分别与所述平侧壁两侧密封对接的弧形壁403；封闭所述弹性摆板、弧形壁顶部的顶侧板404；第一腔体或第二腔体可以采用一次成型的结构，比如可以为由硅胶材料制作而成的褶皱结构。第一腔体和第二腔体上的开口一般设置在所述顶侧板上，分别与液压驱动机构的进出液口密封连接。另外一个角度来看，所述弧形壁为褶皱结构的侧壁，褶皱直接形成所述的V型的弧形槽。所述弧形壁为水平尺寸自上而下逐渐减小的褶皱结构。

述弹性摆板101为薄型、可弯曲、不可伸长的聚合纤维材料构成。本实施例中，所述弹性摆板由环氧树脂纤维板，环氧树脂纤维板两侧设有弹性硅胶体。所述第一腔体或/和第二腔体为硅胶材料。利用所述弹性硅胶体可以方便实现弹性摆板与两侧腔体的固定。

所述弹性摆板上设有定位孔102。利用所述定位孔进一步方便和强化了弹性摆板两侧的腔体的固定。

为了进一步说明本方案弹性摆板在液体压力下的变形状态，结合特殊折纸结构，利用该折法折叠后形成特殊的褶皱，只需沿单一轴线方向拉伸或者压缩，整个结构即可展开或者收缩下设计出3D结构下的三浦折纸结构新型腔体见图5。整体高效仿生鱼尾结构，驱动液体分别在两个腔体中循环流动，高效仿生鱼尾当向左摆动时如图5驱动液体从第一腔体201流出，进入液体驱动机构中；驱动液体从第二腔体202流入；第一腔体201在负压下发生收缩，第二腔体202在受压下发生膨胀展开，在可弯曲但不可伸长弹性摆板101作用下，鱼尾发生高效的弯曲，向右摆动驱动液体反向流动即可。通过弹性摆板101的左右摆动，即可实现对外接部件的驱动或者推进。

图6～图9所示，为另外一种结构的仿生鱼尾推进机构，也包括弹性摆板601、第一腔体602和第二腔体603，第一腔体602和第二腔体603均设有液体进入的开口604。其弹性摆板601与弹性摆板101结构上有微小的差别，功能和材质一样。主要区别在于子腔结构与图1～5所示的子腔结构不同。第一腔体602和第二腔体603也是由平侧壁和弧形壁构成，本实施例的弧形壁与图1～5所示的结构也略有不同，本实施例中，弧形壁为完整的仿鱼尾结构，外形上不存在图1所示的波纹褶皱结构。

图6～图9所示的结构中，其子腔为设置在所述弧形壁上的弧形槽，但是其弧形槽横截面为U型的弧形槽；某一腔体，其内部各个U型的弧形槽相互独立，通过一竖直设置的圆柱形通道701相互连通，通道601顶端与开口604密封导通。

本实施例的推进机构可以通过粘贴，或者设置连接孔、连接柱等方式与外接部件连接，实现对外接部件的推进或者驱动等。

下面介绍所述液压驱动机构的详细结构：

如图10和图11所示，该液压驱动机构包括：机架1001；固定在所述机架上的活塞组件1002；轴接在所述机架上的驱动盘1003，该驱动盘具有相对其中心轴倾斜的驱动斜面1101；驱动所述驱动盘绕其中心轴转动的驱动机构；所述活塞组件的活塞杆的自由端与所述驱动斜面始终接触配合，且在驱动盘作用下进行轴向往复移动。

本发明中，机架的设置，主要是实现对活塞组件、驱动盘、驱动机构的安装。当然，在适合的情况下，驱动机构可以另行安装固定，不要求必须安装在机架上。如图10所示，机架1001包括两端的四个安装板1004。四个安装板1004通过两侧的定位柱1005相互固定。四个安装板1004主要用于实现对活塞组件1002的安装固定。同时，通过轴承件等实现对驱动盘1003的驱动轴的安装定位。驱动盘1003与驱动轴之间直接固定。

活塞组件主要包括活塞腔1102、与活塞腔1102一侧密封且滑动配合的活塞以及与活塞固定的活塞杆1103。活塞腔1102用来存放驱动介质(驱动液体)，且设置有液体出入口1104，该液体出入口1104直接与腔体的开口密封连接，以实现液体驱动；活塞组件在实现介质存放的同时，将驱动盘的驱动力传送给液体介质，并利用液体介质的压力实现液压驱动。

图10和11为本发明驱动盘的一种实施方式的结构示意图。该驱动盘为相位对称驱动盘，通过设置在其上的驱动斜面实现相位对称驱动。相位对称驱动盘整体外形为斜面圆柱体，在中心轴方向，驱动斜面最高点(最高接触点，即在中心轴方向，距离驱动盘中心最远的接触点)和最低点(最低接触点，即在中心轴方向，距离驱动盘中心最近的接触点)的高度差即为整体机构总行程。在驱动过程中，活塞杆轴向的位移，即为驱动位移。驱动盘旋转一周，实现一个循环的驱动。本实施例中，驱动斜面601为平行设置切设置在驱动盘两侧的两个，可以分别实现对两侧活塞组件的驱动。

在活塞组件位置固定时，驱动盘可调时，可以通过选择不同倾斜角度驱动斜面的驱动盘，选择适当的总行程；在活塞组件位置可调，驱动盘不可调时，可以通过调整活塞组件相对中心轴的径向距离，改变最终的总行程，以满足实际需要。

所述驱动机构一般选择电机。可以配套设置控制器，通过控制器控制电机的转速，进而改变换向频率和速度。控制器可以是计算机、控制芯片或者控制电路等。

本实施例中，在驱动盘两侧分别设置两个活塞组件。对于某一侧的两个活塞组件，分别与该侧的驱动斜面1101的行程最低点和行程最高点接触传动。位于驱动盘两侧的活塞组件中，位于同一相位驱动斜面的最高点(或者行程对称)的两个活塞组件驱动相位相同，驱动频率相同，且驱动行程一致，可以作为一组进行扩容量驱动。同一侧的两个活塞组件可以分别与第一腔体和第二腔体连接，实现同步出液和进液控制。对于某一侧的两组活塞组件，在最高相位处的活塞随着斜盘旋转，即最高相位变为最低相位，完成驱动介质送出动作，而起始位置在最低相位处的活塞组件随着斜盘旋转，即最低相位变为最高相位，完成驱动介质送入动作。当两者相位翻转时就是完成一次换向的过程。本发明通过控制电机的转速快慢就可以控制换向的快慢，同是改变了单位时间内的流量的大小。控制电机角度和旋向就可以控制介质体积改变的大小。

活塞杆的自由端与所述驱动斜面之间可以通过多种方式实现接触配合。可以通过设置特定的部件或者结构实现两者的接触配合。本发明包括促使所述活塞杆的自由端与所述驱动斜面紧密抵靠的定位机构。本实施例中，定位机构为设置套设在活塞杆上的弹簧1006。活塞杆1103上设有挡块1104，安装板上设有供活塞杆穿过的挡板1106，弹簧1006两端分别与挡块1105和挡板1106相抵。弹簧1006处于压缩状态，在其回弹力的作用下，活塞杆1103的自由端紧密的抵接在驱动盘的驱动斜面上。活塞杆1103的自由端为半球头端，可以保证球头与驱动盘之间的平稳传动。

当然，我们选择的定位机构也可以为设置在活塞腔内的弹簧。图12中，弹簧1201的两端分别与活塞腔1202内壁以及活塞1203内壁相抵。弹簧1201处于压缩状态，在其回弹力的作用下，活塞杆1203的自由端紧密的抵接在驱动盘的驱动斜面1204上。活塞杆1205的自由端为球头端，可以保证球头与驱动盘之间的平稳传动。该技术方案中，机架的结构可以适当简化，其余结构与图10和图11所示的结构类似或者相同。

图13、14和图15所示，为另一种液压驱动机构的结构示意图，该结构中，该实施例中，驱动盘结构与上述实施例均不同，驱动斜面1401和驱动斜面1402，驱动斜面1401和驱动斜面1402倾斜角度不同，驱动相位不同；驱动斜面1401和驱动斜面1402的最低点到最高点之间的距离也不同，所以能够驱动的最大行程也不同。且驱动斜面1401为平行设置切设置在驱动盘两侧的两个，驱动斜面1402为平行设置且设置在驱动盘两侧的两个。本实施例中，在驱动盘两侧分别设置四个活塞组件。对于某一侧的四个活塞组件，其中两个活塞组件(称作活塞组件102a)与驱动斜面1401传动，即活塞组件102a的活塞杆自由端与驱动斜面1401抵接传动。且两个活塞组件102a分别置于该侧的驱动斜面1401的最低点和最高点。另外两个活塞组件(称作活塞组件102b)与驱动斜面1402传动，即活塞组件102b的活塞杆自由端与驱动斜面1402抵接传动。且两个活塞组件102b分别置于该侧驱动斜面1402的最低点和最高点。

本技术方案提供的液压驱动机构既可以采用图10所示的定位机构实现活塞杆与驱动斜面之间的接触状态(此时需要对机架的结构做适应性的调整，参见图10和图11)，也可以采用图12的定位机构实现活塞杆与驱动斜面之间的接触状态。图15所示是上述技术方案采用图12的定位机构，弹簧1501设置在活塞腔1502内，分别与活塞腔1502腔壁和活塞内壁相抵，将活塞杆1502自由端紧紧的抵靠在对应的驱动斜面上。

利用该技术方案，位于驱动盘两侧的活塞组件中，位于同一相位驱动斜面的最高点(或者行程对称)的两个活塞组件驱动相位相同，驱动频率相同，且驱动行程一致，可以作为一组进行扩容量驱动。当然，也可以将驱动斜面1401、驱动斜面1402驱动的活塞组件联合使用，进一步起到过大容量的作用。

当然，如果在某一个装置中，需要采用多个容量的仿鱼尾推进机构，此时可以将不同相位的驱动斜面与不同容量的仿鱼尾推进机构的腔体配合使用，以实现对各个仿鱼尾推进机构的驱动。

另外所述定位机构还可以选择球头和球头槽配合的机构，即：可以在驱动盘两侧驱动斜面上固定有倾斜角度一致的分配盘，该分配盘上设有所述的环形球头槽。活塞杆的自由端为与环形球头槽配合的球头端。实际安装时，活塞杆的球头端安装于环形球头槽内，运行过程中，活塞杆的球头端可以在环形球头槽中滑动，进而实现将驱动盘轴向转动驱动力转化为活塞杆的轴向驱动力。球头槽的设置，即需要保证对所述活塞杆球头端的固定，避免其滑落，又需要保证球头端具有一定的自由度，能够在驱动盘转动时，其仅仅发生轴向位移的变化。

Claims (10)

1.一种仿生鱼尾推进机构，其特征在于，包括：

弹性摆板；

分布在弹性摆板两侧且盛放有驱动液的第一腔体和第二腔体；

控制所述第一腔体和第二腔体内液体压力的液压驱动机构；

所述弹性摆板与所述第一腔体或第二腔体之间设有传动面，在所述第一腔体和第二腔体压力驱动下，所述弹性摆板进行弯曲摇摆运动。

2.根据权利要求1所述的仿生鱼尾推进机构，其特征在于，所述第一腔体和第二腔体为沿弹性摆板对称设置的结构。

3.根据权利要求1所述的仿生鱼尾推进机构，其特征在于，所述第一腔体和第二腔体由沿弹性摆板高度方向依次布置且相互连通的子腔组成。

4.根据权利要求3所述的仿生鱼尾推进机构，其特征在于，所述子腔为水平布置的弧形槽；且对于某一腔体，多个子腔的水平尺寸自上而下逐渐缩小。

5.根据权利要求4所述的仿生鱼尾推进机构，其特征在于，在竖直平面上，所述弧形槽横截面为U型；某一腔体，其内部各个子腔通过一竖直设置的通道相互连通。

6.根据权利要求4所述的仿生鱼尾推进机构，其特征在于，在竖直平面上，所述弧形槽横截面为V型；某一腔体，其内部各个子腔侧壁依次连接形成连通的腔体。

7.根据权利要求1所述的仿生鱼尾推进机构，其特征在于，所述液压驱动机构包括：

机架；

固定在所述机架上的活塞组件，该活塞组件的出液口与所述第一腔体或第二腔体的开口密封连接；

轴接在所述机架上的驱动盘，该驱动盘具有相对其中心轴倾斜的驱动斜面；

驱动所述驱动盘绕其中心轴转动的驱动机构；

所述活塞组件的活塞杆的自由端与所述驱动斜面始终接触配合，且在驱动盘作用下进行轴向往复移动。

8.根据权利要求7所述的仿生鱼尾推进机构，其特征在于，所述活塞组件为两组，其对应的活塞杆分别与所述驱动盘一侧的驱动斜面的行程最高点和行程最低点分别接触配合；且两组活塞组件的出液口分别与所述第一腔体或第二腔体的开口密封连接。

9.根据权利要求7所述的仿生鱼尾推进机构，其特征在于，包括促使所述活塞杆的自由端与所述驱动斜面紧密抵靠的定位机构。

10.根据权利要求9所述的仿生鱼尾推进机构，其特征在于，所述活塞杆的自由端为球头端；所述定位机构为设置在驱动斜面上与所述球头端配合的环形球头槽；或者所述定位机构为设置在活塞腔内或者套设在活塞杆上的弹簧。

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