CN112498638B - 一种高速摆动的两关节仿生鱼尾装置 - Google Patents
一种高速摆动的两关节仿生鱼尾装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于仿生水下推进器技术领域，具体涉及一种高速摆动的两关节仿生鱼尾装置。本发明包括鱼尾前部、鱼尾中部和鱼尾尾鳍；鱼尾前部中设有驱动装置安装架、主动轴、第一曲轴和第二曲轴；鱼尾中部的前端设有第一关节从动轴；鱼尾尾鳍的前端设有第二关节从动轴。本发明运行时，主动轴在电机的驱动下转动从而通过齿轮带动第一曲轴和第二曲轴转动，第一曲轴和第二曲轴通过套在连杆轴颈上的皮带分别带动第一关节从动轴和第二关节从动轴转动，实现仿生鱼尾摆动。本发明仅依靠单个电机就可实现双关节仿生鱼尾的高速摆动，实现了机器鱼的快速机动。
Description
技术领域
本发明属于仿生水下推进器技术领域，具体涉及一种高速摆动的两关节仿生鱼尾装置。
背景技术
水下推进器是探索和还发海洋的重要工具，仿生鱼作为鱼类推进机理和机器人技术的结合，为水下推进器的研发提供了一种新的思路，相较于传统的水下推进器，具有重要的研究价值和应用前景。一旦步入应用，仿生鱼将在复杂危险水下环境作业、军事侦察、水下救捞、海洋生物观察、考古等方面发挥重要作用。
已有的仿生机器鱼游动速度与效率明显低于水中的快速鱼类。观察发现快速鱼类拍动频率极快，例如飞鱼快速游动时拍动频率达到20赫兹。由于结构形式的限制，现有的拍动机构设计在电机的驱动下远达不到高效推进的频率与幅度要求。
发明内容
本发明的目的在于提供仅依靠单个电机就可实现双关节仿生鱼尾的高速摆动，实现机器鱼的快速机动的一种高速摆动的两关节仿生鱼尾装置。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括鱼尾前部、鱼尾中部和鱼尾尾鳍；所述的鱼尾前部包括鱼尾前部外壳、驱动装置安装架、主动轴、第一曲轴和第二曲轴；所述的驱动装置安装架固定在前部外壳内，驱动装置安装架包括顶板和底板，在顶板前部安装有电机；所述的主动轴安装在驱动装置安装架的前部，主动轴上端与电机的输出端连接，主动轴下端约束在底板中，主动轴可在电机的驱动下转动，在主动轴上设有第一齿轮；所述的第一曲轴为两拐曲轴，包括上部连杆轴颈和下部连杆轴颈，且第一曲轴的上部连杆轴颈和下部连杆轴颈的半径与径向方向均不相同；在第一曲轴的上部连杆轴颈和下部连杆轴颈之间设有第二齿轮；所述的第二曲轴为两拐曲轴，包括上部连杆轴颈和下部连杆轴颈，且第二曲轴的上部连杆轴颈和下部连杆轴颈的半径与径向方向均不相同；在第二曲轴的上部连杆轴颈和下部连杆轴颈之间设有第三齿轮；所述的第一曲轴与第二曲轴沿鱼尾前部外壳的纵剖面对称布置在主动轴后方的左右两侧，第二齿轮与第三齿轮均与第一齿轮啮合，第一曲轴与第二曲轴的上下两端约束在驱动装置安装架的顶板和底板上，且第一曲轴与第二曲轴可在主动轴的带动下转动；所述的鱼尾中部布置在鱼尾前部的后方，在鱼尾中部的前端设有第一关节从动轴；所述的第一关节从动轴的上部设有第一关节皮带轮；所述的鱼尾尾鳍布置在鱼尾中部的后方，在鱼尾尾鳍的前端设有第二关节从动轴；所述的第二关节从动轴的下部设有第二关节皮带轮，第二关节从动轴与第一关节从动轴之间通过连杆连接，连杆布置在鱼尾中部内；所述的第一曲轴的上部连杆轴颈、第一关节从动轴和第二曲轴的上部连杆轴颈之间通过第一皮带连接；所述的第一皮带的一端与第一曲轴的上部连杆轴颈连接，另一端绕过第一关节从动轴上部的第一关节皮带轮后与第二曲轴的上部连杆轴颈连接；所述的第一曲轴的下部连杆轴颈、第二关节从动轴和第二曲轴的下部连杆轴颈之间通过第二皮带连接；所述的第二皮带的一端与第一曲轴的下部连杆轴颈连接，另一端绕过第二关节从动轴下部的第二关节皮带轮后与第二曲轴的下部连杆轴颈连接。
本发明还可以包括：所述的第一曲轴的上部连杆轴颈的半径大于第一曲轴的下部连杆轴颈；所述的第二曲轴的上部连杆轴颈的半径大于第二曲轴的下部连杆轴颈。
所述的鱼尾前部内的驱动装置安装架的顶板和底板之间设有第一限位立柱组、第二限位立柱组、第三限位立柱组和第四限位立柱组，四组限位立柱组结构相同；所述的第一限位立柱组第一限位立柱组由两根立柱组成，在每根立柱的上部和下部各设有一个限位轴承；所述的第一限位立柱组设置在第一曲轴的正后方；所述的第二限位立柱组设置在第二曲轴的正后方；所述的第三限位立柱组设置在驱动装置安装架的尾部，位于第一限位立柱组的正后方；所述的第四限位立柱组设置在驱动装置安装架的尾部，位于第二限位立柱组的正后方；所述的第一皮带从第一曲轴的上部连杆轴颈出发，首先穿过第一限位立柱组上部的两个限位轴承之间，再从第三限位立柱组上部的两个限位轴承之间穿过，之后绕过第一关节从动轴上部的第一关节皮带轮，再从第四限位立柱组上部的两个限位轴承之间穿过，再从第二限位立柱组上部的两个限位轴承之间穿过，最终连接至第二曲轴的上部连杆轴颈；所述的第二皮带从第一曲轴的下部连杆轴颈出发，首先穿过第一限位立柱组下部的两个限位轴承之间，再从第三限位立柱组下部的两个限位轴承之间穿过，之后绕过第二关节从动轴下部的第二关节皮带轮，再从第四限位立柱组下部的两个限位轴承之间穿过，再从第二限位立柱组下部的两个限位轴承之间穿过，最终连接至第二曲轴的下部连杆轴颈。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的一种高速摆动的两关节仿生鱼尾装置在运行时可实现高速摆动，主动轴在电机的驱动下转动从而通过齿轮带动曲轴转动，曲轴通过套在连杆轴颈上的皮带分别带动两根从动轴转动，通过双关节转动实现尾部的高效率推进。本发明仅依靠单个电机就可实现双关节仿生鱼尾的高速摆动，实现了机器鱼的快速机动。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的内部结构示意图。
图3为本发明的内部结构俯视图。
图4为本发明的鱼尾拍动轨迹示意图。
图5为本发明中曲轴的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明设计了一种高速摆动的两关节仿生鱼尾装置，装置运行时，主动轴在电机的驱动下转动从而通过齿轮带动两个曲轴转动，曲轴通过套在连杆轴颈上的皮带分别带动两根从动轴转动，实现鱼尾摆动。本发明仅通过一个电机控制了双关节仿生鱼尾的运动，在电机转速不受限制的条件下，可实现仿生鱼尾的高频摆动。
一种高速摆动的两关节仿生鱼尾装置，包括鱼尾前部、鱼尾中部和鱼尾尾鳍；
所述的鱼尾前部包括鱼尾前部外壳1、驱动装置安装架、主动轴4、第一曲轴2和第二曲轴；所述的驱动装置安装架固定在前部外壳内，驱动装置安装架包括顶板和底板，在顶板前部安装有电机11；
所述的主动轴4安装在驱动装置安装架1的前部，主动轴4上端与电机11的输出端连接，主动轴下端约束在底板中，主动轴可在电机的驱动下转动，在主动轴上设有第一齿轮；
所述的第一曲轴2为两拐曲轴，包括上部连杆轴颈和下部连杆轴颈，且第一曲轴的上部连杆轴颈和下部连杆轴颈的半径与径向方向均不相同；在第一曲轴的上部连杆轴颈和下部连杆轴颈之间设有第二齿轮3；
所述的第二曲轴为两拐曲轴，包括上部连杆轴颈和下部连杆轴颈，且第二曲轴的上部连杆轴颈和下部连杆轴颈的半径与径向方向均不相同；在第二曲轴的上部连杆轴颈和下部连杆轴颈之间设有第三齿轮；
所述的第一曲轴2与第二曲轴沿鱼尾前部外壳的纵剖面对称布置在主动轴后方的左右两侧，第二齿轮3与第三齿轮均与第一齿轮啮合，第一曲轴与第二曲轴的上下两端约束在驱动装置安装架的顶板和底板上，且第一曲轴与第二曲轴可在主动轴的带动下转动；
所述的鱼尾前部内的驱动装置安装架的顶板和底板之间设有第一限位立柱组、第二限位立柱组、第三限位立柱组和第四限位立柱组，四组限位立柱组结构相同；所述的第一限位立柱组第一限位立柱组由两根立柱组成，在每根立柱的上部和下部各设有一个限位轴承9；所述的第一限位立柱组设置在第一曲轴2的正后方；所述的第二限位立柱组设置在第二曲轴的正后方；所述的第三限位立柱组设置在驱动装置安装架的尾部，位于第一限位立柱组的正后方；所述的第四限位立柱组设置在驱动装置安装架的尾部，位于第二限位立柱组的正后方；
所述的鱼尾中部布置在鱼尾前部的后方，在鱼尾中部的前端设有第一关节从动轴5；所述的第一关节从动轴的上部设有第一关节皮带轮；
所述的鱼尾尾鳍布置在鱼尾中部的后方，在鱼尾尾鳍的前端设有第二关节从动轴6；所述的第二关节从动轴的下部设有第二关节皮带轮，第二关节从动轴与第一关节从动轴之间通过连杆10连接，连杆布置在鱼尾中部内；
所述的第一曲轴的上部连杆轴颈、第一关节从动轴和第二曲轴的上部连杆轴颈之间通过第一皮带连接；所述的第一曲轴的下部连杆轴颈、第二关节从动轴和第二曲轴的下部连杆轴颈之间通过第二皮带连接；
所述的第一皮带一端连接在第一曲轴的上部连杆轴颈上，另一端从第一曲轴的上部连杆轴颈出发，首先穿过第一限位立柱组上部的两个限位轴承之间，再从第三限位立柱组上部的两个限位轴承之间穿过，之后绕过第一关节从动轴上部的第一关节皮带轮，再从第四限位立柱组上部的两个限位轴承之间穿过，再从第二限位立柱组上部的两个限位轴承之间穿过，最终连接至第二曲轴的上部连杆轴颈；
所述的第二皮带一端连接在第一曲轴的下部连杆轴颈，另一端从第一曲轴的下部连杆轴颈出发，首先穿过第一限位立柱组下部的两个限位轴承之间，再从第三限位立柱组下部的两个限位轴承之间穿过，之后绕过第二关节从动轴下部的第二关节皮带轮，再从第四限位立柱组下部的两个限位轴承之间穿过，再从第二限位立柱组下部的两个限位轴承之间穿过，最终连接至第二曲轴的下部连杆轴颈；
所述的第一曲轴的上部连杆轴颈的半径大于第一曲轴的下部连杆轴颈；所述的第二曲轴的上部连杆轴颈的半径大于第二曲轴的下部连杆轴颈；
当高速摆动的两关节仿生鱼尾装置运行时，主动轴在电机的驱动下转动从而通过齿轮带动第一曲轴和第二曲轴转动，第一曲轴和第二曲轴通过套在连杆轴颈上的皮带分别带动第一关节从动轴和第二关节从动轴转动，实现仿生鱼尾摆动。由于第一关节从动轴5相连的第一皮带连接在半径较大的连杆轴颈上，与第二关节从动轴6相连的第二皮带连接在半径较小的连杆轴颈上，从而实现了鱼尾中部较大的摆动运动。本发明提供的一种高速摆动的两关节仿生鱼尾装置在运行时可实现高速摆动，主动轴在电机的驱动下转动从而通过齿轮带动曲轴转动，曲轴通过套在连杆轴颈上的皮带分别带动两根从动轴转动，通过双关节转动实现尾部的高效率推进。
如附图1～5所示，本发明为一种高速摆动的仿生鱼尾装置，主要包括：外壳基座1、曲轴2、齿轮3、主动轴4、第一关节从动轴5、第二关节从动轴6、第一关节皮带与皮带轮7、第二关节皮带与皮带轮8、限位轴承9、连杆10、电机11。
皮带均为非闭合式，分别穿过两根从动轴上的皮带轮，两端套在曲轴的连杆轴颈上，并受到限位轴承的约束。曲轴为两拐曲轴，其两个连杆轴颈处的半径与径向方向均不相同，径向方向相差90度。曲轴共有两个，沿仿生鱼纵剖面对称布置，上下两端约束在外壳中，中间盘面为齿轮，与安装在主动轴上的齿轮啮合。仿生鱼尾分为两个关节，通过两根从动轴控制，两根从动轴分别穿过连杆两端的开孔，约束在外壳上，轴上装有皮带轮。
如图所示，电机11与装置最前端的主动轴4连接，主动轴4约束在外壳1上，中间固定有齿轮3。曲轴2为两拐曲轴，其两个连杆轴颈处的半径与径向方向均不相同。曲轴2共有两个，沿仿生鱼纵剖面对称布置，上下两端约束在外壳1中，中间盘面为齿轮，与安装在主动轴4上的齿轮3啮合。仿生鱼尾分为两个关节，通过从动轴5和6控制，从动轴5和6分别穿过连杆10两端的开孔，约束在外壳1上，轴上均装有皮带和皮带轮。皮带7和8为非闭合式，分别穿过从动轴5和6上的皮带轮，两端套在曲轴2不同的曲轴上，并受到限位轴承9的约束。其中，与第一关节从动轴5相连的皮带7连接在半径较大的连杆轴颈上，实现较大的摆动运动；与第二关节从动轴6相连的皮带8连接在半径较小的连杆轴颈上。
装置运行时，主动轴4在电机11的驱动下转动从而通过齿轮3带动曲轴2转动，曲轴2通过套在连杆轴颈上的皮带7和8分别带动从动轴5和6转动，从而实现鱼尾的摆动。由于曲轴2的两个连杆轴颈处半径与径向方向均不相同，使得两个鱼尾关节的拍动具有90°相位差。本发明仅通过一个电机控制了双关节仿生鱼尾的运动，在电机转速不受限制的条件下，可实现仿生鱼尾的高频摆动。
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 (2)
1.一种高速摆动的两关节仿生鱼尾装置，其特征在于：包括鱼尾前部、鱼尾中部和鱼尾尾鳍；所述的鱼尾前部包括鱼尾前部外壳、驱动装置安装架、主动轴、第一曲轴和第二曲轴；所述的驱动装置安装架固定在前部外壳内，驱动装置安装架包括顶板和底板，在顶板前部安装有电机，在顶板和底板之间设有第一限位立柱组、第二限位立柱组、第三限位立柱组和第四限位立柱组，四组限位立柱组结构相同；所述的第一限位立柱组由两根立柱组成，在每根立柱的上部和下部各设有一个限位轴承；所述的主动轴安装在驱动装置安装架的前部，主动轴上端与电机的输出端连接，主动轴下端约束在底板中，主动轴可在电机的驱动下转动，在主动轴上设有第一齿轮；所述的第一曲轴为两拐曲轴，包括上部连杆轴颈和下部连杆轴颈，且第一曲轴的上部连杆轴颈和下部连杆轴颈的半径与径向方向均不相同；在第一曲轴的上部连杆轴颈和下部连杆轴颈之间设有第二齿轮；所述的第二曲轴为两拐曲轴，包括上部连杆轴颈和下部连杆轴颈，且第二曲轴的上部连杆轴颈和下部连杆轴颈的半径与径向方向均不相同；在第二曲轴的上部连杆轴颈和下部连杆轴颈之间设有第三齿轮；所述的第一曲轴与第二曲轴沿鱼尾前部外壳的纵剖面对称布置在主动轴后方的左右两侧，第二齿轮与第三齿轮均与第一齿轮啮合，第一曲轴与第二曲轴的上下两端约束在驱动装置安装架的顶板和底板上，且第一曲轴与第二曲轴可在主动轴的带动下转动；所述的第一限位立柱组设置在第一曲轴的正后方；所述的第二限位立柱组设置在第二曲轴的正后方；所述的第三限位立柱组设置在驱动装置安装架的尾部，位于第一限位立柱组的正后方；所述的第四限位立柱组设置在驱动装置安装架的尾部，位于第二限位立柱组的正后方；所述的鱼尾中部布置在鱼尾前部的后方，在鱼尾中部的前端设有第一关节从动轴；所述的第一关节从动轴的上部设有第一关节皮带轮；所述的鱼尾尾鳍布置在鱼尾中部的后方，在鱼尾尾鳍的前端设有第二关节从动轴；所述的第二关节从动轴的下部设有第二关节皮带轮，第二关节从动轴与第一关节从动轴之间通过连杆连接，连杆布置在鱼尾中部内；所述的第一曲轴的上部连杆轴颈、第一关节从动轴和第二曲轴的上部连杆轴颈之间通过第一皮带连接；所述的第一曲轴的下部连杆轴颈、第二关节从动轴和第二曲轴的下部连杆轴颈之间通过第二皮带连接；所述的第一皮带从第一曲轴的上部连杆轴颈出发，首先穿过第一限位立柱组上部的两个限位轴承之间，再从第三限位立柱组上部的两个限位轴承之间穿过，之后绕过第一关节从动轴上部的第一关节皮带轮，再从第四限位立柱组上部的两个限位轴承之间穿过，再从第二限位立柱组上部的两个限位轴承之间穿过，最终连接至第二曲轴的上部连杆轴颈；所述的第二皮带从第一曲轴的下部连杆轴颈出发，首先穿过第一限位立柱组下部的两个限位轴承之间，再从第三限位立柱组下部的两个限位轴承之间穿过，之后绕过第二关节从动轴下部的第二关节皮带轮，再从第四限位立柱组下部的两个限位轴承之间穿过，再从第二限位立柱组下部的两个限位轴承之间穿过，最终连接至第二曲轴的下部连杆轴颈。
2.根据权利要求1所述的一种高速摆动的两关节仿生鱼尾装置，其特征在于：所述的第一曲轴的上部连杆轴颈的半径大于第一曲轴的下部连杆轴颈；所述的第二曲轴的上部连杆轴颈的半径大于第二曲轴的下部连杆轴颈。
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