CN112896473B - 一种基于凸轮机构的仿生鱼单自由度模块化结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于凸轮机构的仿生鱼单自由度模块化结构，包括依次连接的多个模组，多个模组中的最前一个是鱼头模组、最后一个是鱼尾模组；多个模组中的每个模组均包括机架，机架的中心穿设有转动轴，前一模组的转动轴的第二端通过万向联轴器连接至后一模组的转动轴的第一端，后一模组通过摆动连接件与前一模组连接，实现模组在平面内摆动的效果，其中，摆动连接件包括圆柱凸轮、销轴、第一轴承和第二轴承；通过模组间的组合，可实现鱼类的游动姿态。本发明按照旗鱼的游动姿态设计了一种单自由度模块化仿生机器鱼，可以单电机驱动，通过机械结构传递运动实现鱼类身体的波动姿态；本发明采用模块化设计，可以通过更换模组实现不同的游动姿态。

Description

一种基于凸轮机构的仿生鱼单自由度模块化结构

技术领域

本发明涉及机器人，特别涉及一种基于凸轮机构的仿生鱼单自由度模块化结构。

背景技术

目前，水下无人检测的需求日益增长，例如探索动态水下环境，污染源跟踪，水下考古、搜索和救援等等。大多数自主水下航行器的常规设计都以螺旋桨为主要推进方式，但基于螺旋桨的运动存在诸如低机动性、低效率和高功耗等问题。除此之外，螺旋桨的转动可能会产生更多的海洋碎片，增加海洋生物的死亡率，对浅水生态系统产生干扰。而仿生水下航行器可以使航行器更加安静，机动性更高(降低发生事故的几率)，功耗更低(执行任务的时间更长)。同时仿生水下航行器可以保持周围环境的原状，用于数据采集和探测。我们可以通过机械结构和运动控制来实现鱼类的运动姿态，设计方法可分为两类，即离散体设计和连续体设计。前者是“多驱动多关节”的结构，虽然可以通过配置多电机轻松地达到模拟多段鱼体的运动效果，但如何协调各摆动关节来实现高效的游动是困难的。连续体设计的思想是“单驱动多关节”，结构只有一个电机进行驱动，通过机械结构本身来实现运动效果，结构简单，安全可靠，价格低廉。因此，有必要设计一种新型的单自由度机械结构来实现鱼类的运动效果。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供用于自主水下航行器的一种基于凸轮机构的仿生机器鱼单自由度模块化结构。本发明模拟旗鱼的形态，单电机驱动，通过机械结构传递运动，实现鱼类的游动姿态。本发明使用模块化设计，可以通过更换不同的模组实现不同的运动姿态。

本发明所采用的技术方案是：一种基于凸轮机构的仿生鱼单自由度模块化结构，包括依次连接的多个模组，所述多个模组中的最前一个是鱼头模组、所述多个模组中的最后一个是鱼尾模组；所述多个模组中的每个模组均包括机架，所述机架的中心穿设有转动轴使得所述转动轴的第一端位于所述机架的第一侧并且所述转动轴的与所述第一端相对的第二端位于所述机架的与所述第一侧相反的第二侧，前一模组的所述转动轴的所述第二端通过万向联轴器连接至后一模组的所述转动轴的所述第一端，

其中，

所述鱼头模组内设置有控制电机，所述控制电机用于驱动所述鱼头模组的转动轴转动；

所述仿生鱼单自由度模块化结构还包括设置在所述多个模组中的相邻模组之间的摆动连接件，所述摆动连接件包括：

圆柱凸轮，所述圆柱凸轮设置在前一模组的所述机架的第二侧、并设置在该模组的所述转动轴上能随所述转动轴的转动而转动；

销轴，所述销轴固定在前一模组的所述机架的第二侧上；

第一轴承，所述第一轴承设置在后一模组的所述机架的第一侧，后一模组的所述机架的第一侧通过所述第一轴承与前一模组的所述机架的第二侧上的所述销轴连接，用于使后一模组的所述机架能发生绕前一模组的所述机架的所述销轴的轴线摆动；

第二轴承，所述第二轴承设置在后一模组的所述机架的第一侧，所述第二轴承的内圈固定在轴承支架上并通过所述轴承支架连接在后一模组的所述机架上、外圈与前一模组的所述圆柱凸轮相接触，使得前一模组的所述圆柱凸轮的转动推动后一模组的所述第二轴承做往复运动进而实现后一模组的所述机架绕前一模组的所述机架的所述销轴的所述轴线的所述摆动。

进一步地，所述圆柱凸轮为圆柱形结构，所述圆柱形结构的侧壁不等高，将t时刻结构模拟鱼体波动曲线时圆柱凸轮与第二轴承的接触点作为圆柱凸轮的初始位置，当将所述圆柱形结构内半径的轮廓沿初始位置所在高处展开为一平面时，所述圆柱形结构与所述第二轴承接触的端部轮廓形状为一曲线。

进一步地，所述曲线为通过实际旗鱼波动曲线计算得到1个周期内圆柱凸轮各时刻轮廓高度通过正弦曲线逼近得到。

进一步地，所述多个模组中，除所述鱼头模组和所述鱼尾模组外的模组为鱼身模组，所述鱼身模组≥0个。

进一步地，所述鱼头模组内还设置有用于提供能源的电池组。

进一步地，所述鱼头模组内还设置有控制板，所述控制板与所述控制电机连接，所述控制板接受上位机信号，控制所述控制电机的能动及转速。

进一步地，所述销轴设置有两个，两个所述销轴沿该销轴所在的所述机架的圆周方向间隔180°布置，所述第一轴承与所述销轴一一对应；

所述第二轴承设置有两个，两个所述第二轴承沿与该第二轴承配合的所述圆柱凸轮的圆周方向间隔180°布置，固定两个所述第二轴承的两个轴承支架所在的平面与所述销轴的轴线相垂直。

本发明的有益效果是：本发明按照旗鱼的游动姿态设计了一种单自由度模块化仿生机器鱼。本发明可以通过单电机驱动，通过机械结构传递运动实现鱼类身体的波动姿态。本发明采用模块化设计，可以通过更换模组实现不同的游动姿态。

附图说明

图1：本发明的仿生鱼单自由度模块化结构整机示意图；

图2：本发明的鱼头模组结构示意图；

图3：本发明的鱼身模组结构示意图；

图4：本发明的鱼尾模组结构示意图；

图5：本发明的圆柱凸轮的轮廓形状示意图；

图6：本发明的模拟波动姿态原理图；

附图标注：

1——鱼头模组； 2——鱼身1号模组；

3——鱼身2号模组； 4——鱼身3号模组；

5——鱼身4号模组； 6——鱼身5号模组；

7——鱼尾模组； 8——鱼头壳体；

9——控制板； 10——电池组；

11——电池支架； 12——控制电机；

13——机架； 14——转动轴；

15——万向联轴器； 16——圆柱凸轮；

17——销轴； 18——鳍条；

19——第一轴承； 20——第二轴承；

21——轴承支架； 22——尾梗；

23——尾鳍。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如附图1至图6所示，一种基于凸轮机构的仿生鱼单自由度模块化结构，结构只有一个自由度，单电机驱动，通过机构设计实现鱼类的游泳姿态。模块化设计，可通过更换模组实现不同的游泳姿态。所述仿生鱼单自由度模块化结构包括依次连接的多个模组，所述多个模组中的最前一个是鱼头模组1、所述多个模组中的最后一个是鱼尾模组7、其余模组为鱼身模组，鱼身模组的数量任意，≥0个，本实施例中，共设置有5个鱼身模组，分别为鱼身1号模组2、鱼身2号模组3、鱼身3号模组4、鱼身4号模组5和鱼身5号模组6。所述鱼头模组1是机器鱼的机架模组，其中包括机器的动力与控制部分；所述鱼身模组是机器鱼的传动和工作部分，并可通过更换其中的模组结构来实现不同的游动姿态；所述鱼尾模组7是机器的工作部分。

所述多个模组中的每个模组均包括机架13，所述机架13的中心穿设有转动轴14使得所述转动轴14的第一端位于所述机架13的第一侧并且所述转动轴14的与所述第一端相对的第二端位于所述机架13的与所述第一侧相反的第二侧，前一模组的所述转动轴14的所述第二端通过万向联轴器15连接至后一模组的所述转动轴14的所述第一端，各模组之间通过所述万向联轴器15传递转矩。所述万象联轴器通过六边形孔与所述转动轴14配合，通过顶丝固定，将动力传递至后一模组。

所述鱼头模组1的结构如图2所示，所述鱼头模组1内设置有设置有控制电机12、电池组10和控制板9，所述控制电机12、电池组10和控制板9均位于所述鱼头膜组的机架13的第一侧。所述控制电机12通过螺钉固定在所述鱼头模组1的机架13上，所述鱼头模组1的转动轴14通过螺钉固定在所述控制电机12上，所述控制电机12驱动所述鱼头模组1的转动轴14转动，所述鱼头模组1的转动轴14可为所述控制电机12的输出轴，本实施例中，所述控制电机12为盘式电机。所述电池组10通过电池支架11固定，所述电池支架11通过螺钉固定在所述控制电机12上，所述电池组10为所述控制电机12提供能量，本实施例中，所述电池组10为锂电池组。所述控制板9与所述控制电机12连接，所述控制板9接受上位机信号，控制所述控制电机12的能动及转速。所述鱼头模组1的鱼背部设置有多个铜板鳍条18，每个所述鳍条18上均包覆有柔性材料，模拟旗鱼的背鳍。所述鱼头膜组的机架13第一侧连接有鱼头壳体8，对所述鱼头模组1内的结构进行封装。

所述鱼身模组的结构如图3所示，所述鱼尾模组7的结构如图4所示，所述鱼身模组和所述鱼尾模组7的转动轴14通过轴承与该转动轴14所在的所述机架13配合，所述轴承通过轴承端盖固定。所述鱼尾模组7连接在整机结构的最后，形成完整的旗鱼姿态，所述鱼尾模组7的所述机架13的第二侧依次连接有柔性尾梗22和半月形尾鳍23，所述尾鳍23使用柔性材料制作，在水阻的作用下，尾鳍23自适应摆动，更加符合旗鱼的游动姿态。

所述仿生鱼单自由度模块化结构还包括设置在所述多个模组中的相邻模组之间的摆动连接件，所述摆动连接件包括圆柱凸轮16、销轴17、第一轴承19和第二轴承20。所述圆柱凸轮16设置在前一模组的所述机架13的第二侧、并通过螺钉连接在该模组的所述转动轴14上能随所述转动轴14的转动而转动，所述圆柱凸轮16与后一模组的第二轴承20配合作用，使前一模组与后一模组间形成拟合鱼体波动曲线的夹角。所述销轴17固定在前一模组的所述机架13的第二侧上，所述销轴17设置有两个，两个所述销轴17沿该销轴17所在的所述机架13的圆周方向间隔180°布置。所述第一轴承19设置在后一模组的所述机架13的第一侧，所述第一轴承19与前一模组的所述销轴17一一对应，用于与该销轴17同轴配合；后一模组的所述机架13的第一侧通过所述第一轴承19与前一模组的所述机架13的第二侧上的所述销轴17连接，用于对后一模组进行约束，使后一模组的所述机架13能发生绕前一模组的所述机架13的所述销轴17的轴线摆动，防止后一模组的所述机架13沿其转动轴14的轴线发生旋转。所述第二轴承20设置在后一模组的所述机架13的第一侧，所述第二轴承20设置有两个，两个所述第二轴承20沿与该第二轴承20配合的所述圆柱凸轮16的圆周方向间隔180°布置，固定两个所述第二轴承20的两个轴承支架21所在的平面与所述销轴17的轴线相垂直；所述第二轴承20可绕其轴线转动，不可沿其轴线移动，每个所述第二轴承20的内圈通过销轴固定在轴承支架21上，所述轴承支架21通过螺钉固定在后一模组的所述机架13上，每个所述第二轴承20的外圈与前一模组的所述圆柱凸轮16相接触，使得前一模组的所述圆柱凸轮16的转动推动后一模组的所述第二轴承20做往复运动进而实现后一模组的所述机架13绕前一模组的所述机架13的所述销轴17的所述轴线的所述摆动。所述圆柱凸轮16与所述第二轴承20的配合实现了拟合鱼体波动曲线的各线段间的夹角，所述销轴17与所述第一轴承19的配合对模组的摆动施加约束，防止模组在运动是发生绕轴向的旋转。

当所述鱼头模组1中的控制电机12输出转矩，带动鱼头模组1的转动轴14和圆柱凸轮16进行转动，后一模组的转动轴14通过万向联轴器15与前一模组的转动轴14连接相邻模组，将前一模组转动轴14的转动传递给下一模组的转动轴14并带动下一模组的圆柱凸轮16发生转动，同时，后一模组的两个轴承支架21上的第二轴承20均与前一模组的圆柱凸轮16保持线接触(或使用圆柱万向球与圆柱凸轮16进行点接触)，圆柱凸轮16推动第二轴承20进而带动后一模组的机架13进行摆动，从而实现所有鱼身模组及鱼尾模组7在平面内的摆动；此外，前一模组的销轴17与后一模组的第一轴承19的配合限制后一模组的机架13绕其转动轴14转动，对所有鱼身模组及鱼尾模组7进行约束。

其中，模组摆动的角度按照所设计的圆柱凸轮16执行，并且，通过不同轮廓的圆柱凸轮16达到不同的游动姿态。具体地，所述圆柱凸轮16为圆柱形结构，所述圆柱形结构的侧壁不等高，如图5所示，将t时刻结构模拟鱼体波动曲线时圆柱凸轮16与第二轴承20的接触点作为圆柱凸轮16的初始位置，当将所述圆柱形结构在内半径处沿初始位置所在高处展开为一平面时，所述圆柱形结构与所述第二轴承20接触的端部轮廓形状为一曲线，该曲线确定了模组的摆动角度，并且，可通过设计不同的曲线从而设计不同的凸轮轮廓达到不同的游动姿态。本实施例中，所述曲线为通过实际旗鱼波动曲线计算得到1个周期内圆柱凸轮16各时刻轮廓高度通过正弦曲线逼近得到。此外，本发明采用模块化设计，每组模块采用不同轮廓形状的圆柱凸轮16，则，可直接通过更换模组实现不同的游泳姿态。

通过以上结构，可以对鱼类的游动姿态进行模拟。

本发明使用Lighthill方程描述鱼体的波动曲线，对曲线使用线段进行拟合(本实施例中使用6段线段进行拟合，因此，采用5个鱼身模组+1个鱼尾模组7)，进而可以得到鱼体波动过程中线段间夹角θ，如图6所示。本发明结构模拟波动姿态的原理如图6所示。第二轴承20到机架13摆动中心(即后一模组的摆动中心)的距离为r，通过线段间夹角θ(即前一模组与后一模组的夹角)，可以求得此时与第二轴承20接触的圆柱凸轮16的理论轮廓的半径rcosθ和壁高rsinθ。由理论轮廓可以求得圆柱凸轮16的工作轮廓。为保证圆柱凸轮16在转动过程中与第二轴承20保持线接触，圆柱凸轮16的轮廓表面是如图6中所示的斜面。通过圆柱凸轮16转动过程中的理论轮廓的半径rcosθ，可以求得圆柱凸轮16的壁厚范围，从而确定圆柱凸轮16的内半径R_内和外半径R_外，再求得外半径上的壁高R_外tanθ和内半径上的壁高R_内tanθ，鱼体波动一个周期，圆柱凸轮16旋转一周，通过各时刻的夹角θ计算空间凸轮轮廓各点的位置，即可得到可以实现拟合鱼体波动曲线的线段间夹角的空间凸轮结构。

本实施例中，选择某一时刻t的鱼体波动曲线，将该时刻结构模拟鱼体波动曲线时圆柱凸轮16与第二轴承20的接触点作为各圆柱凸轮16的初始位置，将圆柱凸轮16内半径的轮廓沿初始位置所在高展开为一平面图形，设该平面图形具有三条直线边和一条曲线边，其中两条直线边为圆柱凸轮16初始位置所在高所在边、另一条直线边为圆柱凸轮16非接触第二轴承20端所在边，曲线边为圆柱凸轮16接触第二轴承20端所在边，设圆柱凸轮16初始位置所在高所在边与圆柱凸轮16非接触第二轴承20端所在边的相交点为O点，圆柱凸轮16非接触第二轴承20端所在边为x轴，圆柱凸轮16初始位置所在高所在边为y轴，如图5所示，则，每个圆柱凸轮16设计如下：

所述鱼头模组1的机架13的第二侧上的圆柱凸轮16：内半径为43mm，外半径为48mm，与所述鱼身1号模组2上的第二轴承20接触的内半径端部轮廓形状所在曲线为y＝8.184*sin(0.02327*x+2.601)+6.075*sin(0.00007636*x-0.7375)+28；

所述鱼身1号模组2的机架13的第二侧上的圆柱凸轮16：内半径为39mm，外半径为44mm，与所述鱼身2号模组3上的第二轴承20接触的内半径端部轮廓形状所在曲线为y＝5.578*sin(0.008735*x+3.38)+7.731*sin(0.02908*x+0.1015)+1.624*sin(0.03545*x+2.148)+0.143*sin(0.07395*x-1.271)+28；

所述鱼身2号模组3的机架13的第二侧上的圆柱凸轮16：内半径为35mm，外半径为40mm，与所述鱼身3号模组4上的第二轴承20接触的内半径端部轮廓形状所在曲线为y＝18.32*sin(0.01091*x+4.562)+18.07*sin(0.01674*x+0.973)+2.475*sin(0.0353*x-0.7561)+0.1945*sin(0.08463*x-3.788)+28；

所述鱼身3号模组4的机架13的第二侧上的圆柱凸轮16：内半径为29mm，外半径为34mm，与所述鱼身4号模组5上的第二轴承20接触的内半径端部轮廓形状所在曲线为y＝4.505*sin(0.0002291*x+5.151)+6.213*sin(0.03454*x-0.867)+0.1899*sin(0.1006*x-5.827)+28；

所述鱼身4号模组5的机架13的第二侧上的圆柱凸轮16：内半径为22mm，外半径为27mm，与所述鱼身5号模组6上的第二轴承20接触的内半径端部轮廓形状所在曲线为y＝4.008*sin(0.0001436*x-1.496)+5.047*sin(0.04599*x-1.585)-0.1914*sin(0.1357*x-5.196)+28；

所述鱼身5号模组6的机架13的第二侧上的圆柱凸轮16：内半径为15.3mm，外半径为20.3mm，与所述鱼尾模组7上的第二轴承20接触的内半径端部轮廓形状所在曲线为y＝10.21*sin(0.0322*x-3.39)+9.812*sin(0.05104*x-1.337)+0.1537*sin(0.1384*x-0.4167)+0.2116*sin(0.2088*x+1.437)+28。

将所述鱼头模组1、鱼身1～5号模组2～6及鱼尾模组7依次相连，机器鱼便可以实现真实鱼类的游动姿态。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于凸轮机构的仿生鱼单自由度模块化结构，其特征在于，包括依次连接的多个模组，所述多个模组中的最前一个是鱼头模组（1）、所述多个模组中的最后一个是鱼尾模组（7）；所述多个模组中的每个模组均包括机架（13），所述机架（13）的中心穿设有转动轴（14）使得所述转动轴（14）的第一端位于所述机架（13）的第一侧并且所述转动轴（14）的与所述第一端相对的第二端位于所述机架（13）的与所述第一侧相反的第二侧，前一模组的所述转动轴（14）的所述第二端通过万向联轴器（15）连接至后一模组的所述转动轴（14）的所述第一端，

其中，

所述鱼头模组（1）内设置有控制电机（12），所述控制电机（12）用于驱动所述鱼头模组（1）的转动轴（14）转动；

所述仿生鱼单自由度模块化结构还包括设置在所述多个模组中的相邻模组之间的摆动连接件，所述摆动连接件包括：

圆柱凸轮（16），所述圆柱凸轮（16）设置在前一模组的所述机架（13）的第二侧、并设置在该模组的所述转动轴（14）上能随所述转动轴（14）的转动而转动；所述圆柱凸轮（16）为圆柱形结构，所述圆柱形结构的侧壁不等高，将t时刻结构模拟鱼体波动曲线时圆柱凸轮（16）与第二轴承（20）的接触点作为圆柱凸轮（16）的初始位置，当将所述圆柱形结构内半径的轮廓沿初始位置所在高处展开为一平面时，所述圆柱形结构与所述第二轴承（20）接触的端部轮廓形状为一曲线，所述圆柱形结构与所述第二轴承（20）接触的端部轮廓形状是对通过实际旗鱼波动曲线计算得到的圆柱凸轮（16）在1个周期内的各时刻轮廓高度进行正弦曲线逼近而得到的；

销轴（17），所述销轴（17）固定在前一模组的所述机架（13）的第二侧上；

第一轴承（19），所述第一轴承（19）设置在后一模组的所述机架（13）的第一侧，后一模组的所述机架（13）的第一侧通过所述第一轴承（19）与前一模组的所述机架（13）的第二侧上的所述销轴（17）连接，用于使后一模组的所述机架（13）能发生绕前一模组的所述机架（13）的所述销轴（17）的轴线摆动；

第二轴承（20），所述第二轴承（20）设置在后一模组的所述机架（13）的第一侧，所述第二轴承（20）的内圈固定在轴承支架（21）上并通过所述轴承支架（21）连接在后一模组的所述机架（13）上、外圈与前一模组的所述圆柱凸轮（16）相接触，使得前一模组的所述圆柱凸轮（16）的转动推动后一模组的所述第二轴承（20）做往复运动进而实现后一模组的所述机架（13）绕前一模组的所述机架（13）的所述销轴（17）的所述轴线的所述摆动；

其中，所述销轴（17）设置有两个，两个所述销轴（17）沿该销轴（17）所在的所述机架（13）的圆周方向间隔180°布置，所述第一轴承（19）与所述销轴（17）一一对应；所述第二轴承（20）设置有两个，两个所述第二轴承（20）沿与该第二轴承（20）配合的所述圆柱凸轮（16）的圆周方向间隔180°布置，固定两个所述第二轴承（20）的两个轴承支架（21）所在的平面与所述销轴（17）的轴线相垂直。

2.根据权利要求1所述的基于凸轮机构的仿生鱼单自由度模块化结构，其特征在于，所述多个模组中，除所述鱼头模组（1）和所述鱼尾模组（7）外的模组为鱼身模组，所述鱼身模组≥0个。

3.根据权利要求1所述的基于凸轮机构的仿生鱼单自由度模块化结构，其特征在于，所述鱼头模组（1）内还设置有用于提供能源的电池组（10）。

4.根据权利要求1所述的基于凸轮机构的仿生鱼单自由度模块化结构，其特征在于，所述鱼头模组（1）内还设置有控制板（9），所述控制板（9）与所述控制电机（12）连接，所述控制板（9）接受上位机信号，控制所述控制电机（12）的能动及转速。

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