CN113184153A - 一种可转弯快速游动软体机械鱼 - Google Patents

一种可转弯快速游动软体机械鱼 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种可转弯快速游动软体机械鱼，包括鱼头与鱼尾，鱼头的内部设置有传动装置和舵机，所述传动装置包括安装基座，以及设置在其上的斜齿轮组、从动轴和拉线轴直齿轮；电机驱动斜齿轮组将水平转动力改变为垂直驱动力，并通过两个拉线轴直齿轮转动带动两个驱动线交替收紧与放松，拉动鱼尾实现正弦摆动使机械鱼游动，当转弯时，舵机带动整个传动装置转动使尾部摆动方向改变实转弯运动。该机械鱼采用仿生结构，仿照鱼的形状进行结构设计，具有很好的伪装性和隐蔽性；通过万向节连接水平放置的电机输出轴与传动装置，可实现传动装置运行过程中的整体空间转动到达机械鱼转弯效果，同时降低了运动部分的整体高度，有利于减少整个机器鱼的体积。

Description

一种可转弯快速游动软体机械鱼
技术领域
本发明涉及水下仿生机器人技术领域，具体涉及一种可转弯快速游动软体机器鱼。
背景技术
随着陆地资源日益紧缺，而海洋占据了地球面积的71％，具有极大的开发潜力。因此人类慢慢将目光投向海洋，对水下推进器的研究越来越多。现有的水下推进器多采用螺旋桨作为推进系统，能耗高、综合效率低，有较大噪音以及机动性差的众多缺点。而鱼类经过了长时间的进化，其所采用的尾鳍推进模式具有极高的效率，具有极高的机动性并且噪音小，对环境的影响小，故模仿鱼类运动的仿生机器鱼成为仿生机器人领域的一个研究热点。
仿生机器鱼的研究需要结合仿生学、机械设计、自动控制等多种技术，目前，国内外很多研究机构已经研发了多种水下仿生机器鱼，其中由舵机驱动尾部摆动的样机较为常见。虽然现有的许多样机已经可以实现直行，转弯等多种运动。但是，由于舵机转动速度慢，导致样机的尾部摆动频率低，进而使得机器鱼推进速度及推进效率低下。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种可转弯快速游动软体机器鱼，使软体机器鱼可以达到较高的游动速度及运动效率。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种可转弯快速游动软体机械鱼，包括鱼头，其通过柔性关节组件与鱼尾连接，鱼头的内部设置有电机、传动装置和舵机，所述传动装置包括安装基座，以及设置在其上的斜齿轮组、从动轴和拉线轴直齿轮；
所述电机的输出轴与十字万向节联轴器的一端连接，十字万向节联轴器的另一端通过斜齿轮组与垂直设置的从动轴连接，从动轴的轴线垂直与十字万向节联轴器的轴线，两个拉线轴直齿轮对称分布在从动轴的两侧，并分别与从动轴啮合，两个拉线轴直齿轮的边缘分别连接一驱动线，并且两个驱动线的连接端与从动轴的轴心位于同一平面，两个驱动线的另一端穿过柔性关节组件与鱼尾连接，并且两个驱动线对称设置关节组件的两侧，两个驱动线交替收紧和放松使拉动鱼尾正弦摆动运动；
所述舵机与安装基座连接，用于使安装基座水平转动，用于改变尾部摆动方向。
优选的，所述斜齿轮组包括主动锥形齿轮和从动锥形齿轮；
所述主动锥形齿轮的传动轴与十字万向节联轴器连接，从动锥形齿轮套设在从动轴上，并与主动锥形齿轮啮合，从动轴上的下端设置有从动轴直齿轮，从动轴直齿轮分别与拉线轴直齿轮啮合。
优选的，所述安装基座包括垂直的支撑板以及水平设置在其顶部的固定板，主动锥形齿轮的传动轴穿过支撑板与十字万向节联轴器连接，从动轴垂的上端与固定板转动连接，拉线轴直齿轮的转轴上端与固定板转动连接。
优选的，所述支撑板下端靠近鱼头的一侧设置有舵盘，舵盘与舵机的输出轴固接。
优选的，所述拉线轴直齿轮的底部固接有拉线圆盘，拉线圆盘的底面边缘设置有垂直的拉线棒，驱动线的端部与拉线棒套接。
优选的，所述柔性关节组件包括柔性的中间支撑板，以及设置在其上的多个间隔设置的支撑块，中间支撑板首端的支撑块与鱼头的末端连接，中间支撑板末端的支撑块与鱼尾连接，驱动线穿过每个支撑块与鱼尾连接。
优选的，所述支撑板的中心设置有垂直的缝隙，缝隙的两侧对称设置有线孔，中间支撑板位于缝隙中，驱动线穿过线孔与鱼尾连接。
优选的，所述柔性关节组件上包覆有硅胶套。
优选的，所述鱼头顶部安装有背鳍，两侧均安装有胸鳍，底部安装有腹鳍。
优选的，所述鱼头包括相互扣合的上壳体和下壳体，电机水平固定在下壳体中，舵机垂直固定在下壳体中，上壳体和下壳体的外部包覆有蒙皮。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种可转弯快速游动软体机械鱼，包括鱼头以及通过软性关节组件连接的鱼尾，鱼头的内部设置传动装置，工作时，电机驱动斜齿轮组将水平转动力改变为垂直驱动力，并通过两个拉线轴直齿轮转动带动两个驱动线交替收紧与放松，拉动鱼尾实现正弦摆动运动，使鱼尾产生动力驱动机械鱼游动，当转弯时，舵机带动安装基座转动移动角度，进而通过十字联轴器带动整个传动装置转动，使尾部摆动方向改变，实现软体机械鱼的转弯运动。该机械鱼采用仿生结构，仿照鱼的形状进行结构设计，具有很好的伪装性和隐蔽性；通过电机进行驱动，相较舵机而言，电机驱动使鱼尾的摆动频率更高，达到的运动速度高，最后，通过万向节连接水平放置的电机输出轴与传动装置，可实现传动装置运行过程中的整体空间转动到达机械鱼转弯效果，同时降低了运动部分的整体高度，有利于减少整个机器鱼的体积。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中可转弯快速游动软体机械鱼的整体示意图；
图2为本发明具体实施方式中鱼头结构的示意图；
图3为本发明具体实施方式中鱼头外壳上半部分的结构示意图；
图4为本发明具体实施方式中鱼头外壳下半部分的结构示意图；
图5为本发明具体实施方式中动力机构的示意图；
图6为本发明具体实施方式中传动机构的结构示意图；
图7为本发明具体实施方式中鱼尾结构的示意图；
图8为本发明具体实施方式中鱼尾支撑结构的示意图；
图9为本发明具体实施方式中拉线棒的运动轨迹示意图。
图中的标号如下：
鱼头结构1：上壳体11；下壳体12。舵机支架123；连接块124；
动力机构2：卡箍21；直流电机22；十字万向节联轴器23；传动机构24；防水舵机25；控制器26；内置电源27。
鱼尾结构3：鱼尾硅胶套31；中间支撑板32；鱼尾支撑结构33；尾鳍34。
传动机构24：安装基座241；主动锥形齿轮242；从动锥形齿轮243；从动轴244；从动轴直齿轮245；拉线轴直齿轮246；拉线圆盘247；拉线棒248；金属舵盘249。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参阅图1-8，一种可转弯快速游动软体机械鱼，包括鱼头结构1、动力机构2、鱼尾结构3，三个部分。
参图2并结合图3、图4所示，鱼头结构1包括上壳体11和下壳体12共两部分组成。鱼头结构1通过模仿自然界鱼类的外形，采用椭圆形状，流线型身躯，减少在水中所受的阻力，为方便安装，制作时分为鱼头外壳包括上壳体11和下壳体12两个部分。鱼头的上壳体11顶部安装有背鳍111，下壳体12两侧均安装有胸鳍122，底部安装有腹鳍125。背鳍111、胸鳍122和腹鳍125共同作用来保持软体机械鱼的平衡，鱼头的上壳体11和下壳体12内侧还可以通过后期贴上配重块进行合理配重使软体机械鱼在运动过程中不会前后倾斜或左右摇晃。上壳体11和下壳体12通过连接孔113和126连接，安装在一起后外部缠上一层蒙皮，保证密封性。
鱼头的下壳体12中还设置有电机支架123和舵机支架，鱼头壳体的尾部设置有连接块124。
参图5所示，动力机构2包括了卡箍21、直流电机22、十字万向节联轴器23、传动机构24、防水舵机25以及对应的控制器26和内置电源27。卡箍21将直流电机22固定在下壳体12的电机支架上，防水舵机25则直接放置在舵机支架的卡槽中。直流电机22沿鱼头的轴向水平放置，电机输出轴通过十字万向节联轴器23与传动机构24相连。控制器26(一般为单片机)和内置电源27通过信号线及电源线与直流电机22的引脚相连，通过控制器26调节PWM波，控制直流电机22的转速。
参图6所示，传动机构包括安装基座241、主动锥形齿轮242、从动锥形齿轮243、从动轴244、从动轴直齿轮245和拉线轴直齿轮246。
安装基座241包括垂直的支撑板以及水平设置在其顶部的固定板，主动锥形齿轮242的传动轴穿过支撑板与十字万向节联轴器23连接实现转动，
从动轴244垂直设置，其上端与固定板转动连接，从动锥形齿轮243固接在从动轴244的中部，并与主动锥形齿轮242相互啮合将轴的转动方向由水平转动改变为竖直转动，从动轴直齿轮245固接在从动轴244的下端，并与下述的拉线轴直齿轮246啮合。
从动轴244的两侧分别设置一个拉线轴，拉线轴的上端与固定板转动连接，拉线轴的下端固接有拉线轴直齿轮246，拉线轴直齿轮246的底部固接有拉线圆盘247，拉线圆盘247的底面边缘设置有垂直的拉线棒248，并且两个拉线棒的轴心与从动轴的轴心位于同一平面，拉线棒的运动轨迹参阅图9。
从动锥形齿轮243带动从动轴转动，从动轴直齿轮245跟随旋转。从动轴直齿轮245又带动左右两侧布置的两个拉线轴直齿轮246同向旋转。两个拉线圆盘247分别与左右两个拉线轴直齿轮246相连接，拉线圆盘247上有开孔，将拉线棒248连接在拉线圆盘247上，两个拉线圆盘247安装时拉线棒248应该正好相差180度。两个拉线棒248上绑上驱动线(未图示)，驱动线直接连接到鱼尾部分，当两个拉线圆盘248同向转动时，驱动线开始不断拉动鱼尾实现正弦摆动运动。通过这种布置方式使整个传动部分高度降低，进而减小整个软体机械鱼的体积。
支撑板下端靠近鱼头的一侧设置有金属舵盘249，金属舵盘249与防水舵机25的输出轴固接，当防水舵机25转动一定角度时，通过金属舵盘249带动安装基座241同步水平转动一定的角度，使尾部摆动方向改变，实现软体机械鱼的转弯运动。
参图7所示，鱼尾结构3包括鱼尾硅胶套31、中间支撑板32、鱼尾支撑结构33以及尾鳍34。
鱼尾支撑结构33包括沿鱼尾轴向间隔设置的多个支撑块，多个支撑块的直径自鱼头到鱼尾依次递减，中间支撑板32一侧穿过每个支撑块，将多个支撑块串联，并且中间支撑板垂直设置，鱼尾末端的支撑块连接尾鳍34，多个支撑块上包覆有鱼尾硅胶套31，支撑块上设置有两个线孔，两个线孔位于中间支撑板的两侧，驱动线依次穿过每个支撑块与尾鳍34的两侧连接，靠近鱼头侧的第一个支撑块与连接块124的连接，鱼尾硅胶套31的端部包覆在连接块124上，连接块124与支撑块的结构相同，中间支撑板的端部与连接块124连接，为了降低支撑块的重量，在支撑块上设置有镂空孔。
鱼尾硅胶套31使用硅胶材料在模具中翻模制备而成，套在中间支撑板32及鱼尾支撑结构33上以维持鱼尾形状并产生更大的推进力。中间支撑板32为软质abs板裁剪而成，没有具体形状规定，但是需要能够穿过鱼尾支撑结构33的中间缝隙，并且设计有固定孔，将中间支撑板依次穿过每个支撑块的中间缝隙，将多个支撑块串联，并通过固定孔对每个支撑块的位置定位。
参图8所示，鱼尾支撑结构33与鱼头下壳体12的鱼头鱼尾连接结构124一样，同时几个支撑块的大小逐渐减小。除了鱼尾支撑块外，每个支撑块中间有允许中间支撑板穿过的间隙332，以及两侧各有一个拉线孔333，允许驱动线穿过到达鱼尾后部分。并通过固定孔331将支撑块和中间支撑板固接，当中间支撑板32穿过每个支撑块，并且中间支撑板32的螺孔与固定孔331对齐后通过螺钉或销钉固接，使中间支撑板32和多个鱼尾支撑结构33连接在一起，共同支撑起外部的鱼尾硅胶套31。
另外，尾鳍34与中间支撑板32相连接，并不局限于图示的形状，可以替换成不同类型形状的尾鳍。
本发明提供的一种可转弯快速游动软体机械鱼，工作时，直流电机驱动斜齿轮组将水平转动力改变为垂直驱动力，并通过从动轴直齿轮245带动两个拉线轴直齿轮转动，两个拉线轴直齿轮转动通过两个拉线棒带动两个驱动线交替收紧与放松，拉动鱼尾实现正弦摆动运动，使鱼尾产生动力驱动机械鱼游动，当转弯时，防水舵机25带动金属舵盘249转动移动角度，进而通过十字联轴器带动整个传动装置转动，进而使尾部摆动方向改变，实现软体机械鱼的转弯运动。该机械鱼采用仿生结构，仿照鱼的形状进行结构设计，具有很好的伪装性和隐蔽性；通过直流电机进行驱动，相较舵机而言，直流电机驱动使鱼尾的摆动频率更高，达到的运动速度高。同时通过单片机调节输入电压大小可以控制鱼尾的摆动频率，控制系统简单，可靠度高。最后，通过万向节连接水平放置的电机输出轴与齿轮箱，可实现齿轮传动系统运行过程中的整体空间转动到达机械鱼转弯效果，同时降低了运动部分的整体高度，有利于减少整个机器鱼的体积。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可转弯快速游动软体机械鱼，其特征在于，包括鱼头，其通过柔性关节组件与鱼尾连接，鱼头的内部设置有电机、传动装置(24)和舵机，所述传动装置(24)包括安装基座(241)，以及设置在其上的斜齿轮组、从动轴(244)和拉线轴直齿轮(246)；
所述电机的输出轴与十字万向节联轴器的一端连接，十字万向节联轴器的另一端(23)通过斜齿轮组与垂直设置的从动轴(244)连接，从动轴(244)的轴线垂直与十字万向节联轴器的轴线，两个拉线轴直齿轮(246)对称分布在从动轴(244)的两侧，并分别与从动轴(244)啮合，两个拉线轴直齿轮(246)的边缘分别连接一驱动线，并且两个驱动线的连接端与从动轴的轴心位于同一平面，两个驱动线的另一端穿过柔性关节组件与鱼尾连接，并且两个驱动线对称设置关节组件的两侧，两个驱动线交替收紧和放松使拉动鱼尾正弦摆动运动；
所述舵机与安装基座(241)连接，用于使安装基座(241)水平转动，用于改变尾部摆动方向。
2.根据权利要求1所述的一种可转弯快速游动软体机械鱼，其特征在于，所述斜齿轮组包括主动锥形齿轮(242)和从动锥形齿轮(243)；
所述主动锥形齿轮(242)的传动轴与十字万向节联轴器(23)连接，从动锥形齿轮(243)套设在从动轴(244)上，并与主动锥形齿轮(242)啮合，从动轴(244)上的下端设置有从动轴直齿轮(245)，从动轴直齿轮(245)分别与拉线轴直齿轮(246)啮合。
3.根据权利要求1所述的一种可转弯快速游动软体机械鱼，其特征在于，所述安装基座(241)包括垂直的支撑板以及水平设置在其顶部的固定板，主动锥形齿轮(242)的传动轴穿过支撑板与十字万向节联轴器(23)连接，从动轴(244)垂的上端与固定板转动连接，拉线轴直齿轮(246)的转轴上端与固定板转动连接。
4.根据权利要求1所述的一种可转弯快速游动软体机械鱼，其特征在于，所述支撑板下端靠近鱼头的一侧设置有舵盘，舵盘与舵机(25)的输出轴固接。
5.根据权利要求1所述的一种可转弯快速游动软体机械鱼，其特征在于，所述拉线轴直齿轮(246)的底部固接有拉线圆盘(247)，拉线圆盘(247)的底面边缘设置有垂直的拉线棒(248)，驱动线的端部与拉线棒(248)套接。
6.根据权利要求1所述的一种可转弯快速游动软体机械鱼，其特征在于，所述柔性关节组件包括柔性的中间支撑板(32)，以及设置在其上的多个间隔设置的支撑块，中间支撑板(32)首端的支撑块与鱼头的末端连接，中间支撑板(32)末端的支撑块与鱼尾连接，驱动线穿过每个支撑块与鱼尾连接。
7.根据权利要求6所述的一种可转弯快速游动软体机械鱼，其特征在于，所述支撑板(32)的中心设置有垂直的缝隙，缝隙的两侧对称设置有线孔，中间支撑板(32)位于缝隙中，驱动线穿过线孔与鱼尾连接。
8.根据权利要求1所述的一种可转弯快速游动软体机械鱼，其特征在于，所述柔性关节组件上包覆有硅胶套。
9.根据权利要求1所述的一种可转弯快速游动软体机械鱼，其特征在于，所述鱼头顶部安装有背鳍(111)，两侧均安装有胸鳍(122)，底部安装有腹鳍(125)。
10.根据权利要求1所述的一种可转弯快速游动软体机械鱼，其特征在于，所述鱼头包括相互扣合的上壳体(11)和下壳体(12)，电机水平固定在下壳体中，舵机垂直固定在下壳体中，上壳体(11)和下壳体(12)的外部包覆有蒙皮。
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