CN114735178A - 一种变刚度仿生柔性摆动推进机构 - Google Patents

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Abstract

一种变刚度仿生柔性摆动推进机构，它涉及一种推进机构，本发明第一马达安装在鱼头的内侧壁上，主动锥齿轮套装在第一马达的输出轴上，两个锥齿轮减速器通过支架安装在鱼头的内侧壁上，两个从动锥齿轮分别套装在锥齿轮减速器的转动轴上，主动锥齿轮分别与两个从动锥齿轮啮合，锥齿轮减速器的两个输出轴分别与两个曲柄连接，两个曲柄的旋转方向相反，每个曲柄通过滑轨组件与薄壁弹性梁连接，薄壁弹性梁与鱼尾连接，椭圆拉簧的一端与鱼尾固定连接，椭圆拉簧的另一端与收紧组件连接，收紧组件安装在鱼头的内侧壁上，两个骨架相对设置在椭圆拉簧的外侧，每个骨架的一端与鱼头的内侧壁固定连接，每个骨架的另一端与鱼尾转动连接。

Description

一种变刚度仿生柔性摆动推进机构
技术领域
本发明涉及一种推进机构，具体涉及一种变刚度仿生柔性摆动推进机构，本发明涉及仿生水下机器人技术领域。
背景技术
目前国内外科研机构对水下生物如金枪鱼、旗鱼、鲨鱼类游泳时身体摆动的研究证实这类鱼把身体—尾鳍(Body and Caudal Fin,BCF)作为推进器，身体左右摆动击水，产生逆卡门涡街，利用其产生的反作用力使鱼体向前推进。由于这些鱼推进效率高、速度快、机动性强，被众多学者作为仿生研究的对象。目前已有多种仿生机械鱼问世，但是推进效率和速度与鱼类差距很大，其主要原因是对鱼类游动过程中肌肉伸缩导致身体刚度和形状柔性改变的复现不够成功，而有些仿生机械鱼为最大限度的复现鱼游动的高性能，采用多段复杂串并联机构，但是牺牲了鱼本身的轻量灵活的优点。
发明内容
本发明为了解决传统的机械鱼多个驱动源，多段串并联机构，设计方法控制复杂，鱼身笨重，无法携带其他探测设备的弊端，进而提供一种变刚度仿生柔性摆动推进机构。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
本发明包括鱼头、鱼尾、第一马达、锥齿轮减速器、椭圆拉簧、骨架、薄壁弹性梁、曲柄、主动锥齿轮、两个从动锥齿轮、滑轨组件和收紧组件，第一马达安装在鱼头的内侧壁上，主动锥齿轮套装在第一马达的输出轴上，两个锥齿轮减速器通过支架安装在鱼头的内侧壁上，两个从动锥齿轮分别套装在锥齿轮减速器的转动轴上，主动锥齿轮分别与两个从动锥齿轮啮合，锥齿轮减速器的两个输出轴分别与两个曲柄连接，两个曲柄的旋转方向相反，每个曲柄通过滑轨组件与薄壁弹性梁连接，薄壁弹性梁与鱼尾连接，椭圆拉簧的一端与鱼尾固定连接，椭圆拉簧的另一端与收紧组件连接，收紧组件安装在鱼头的内侧壁上，两个骨架相对设置在椭圆拉簧的外侧，每个骨架的一端与鱼头的内侧壁固定连接，每个骨架的另一端与鱼尾转动连接。
进一步地，所述滑轨组件包括：直线滑轨、方形滑轨、支座，支座位于锥齿轮减速器与椭圆拉簧之间，支座包括连接杆、两个滑轨，连接杆的两端分别设有滑块，曲柄的输出端插装在方形滑轨内且曲柄的输出端可沿方形滑轨的长度方向往复运动，两个直线滑轨分别与一个滑块滑动连接，直线滑轨在滑块的轨道内直线往复运动，方形滑轨通过直线滑轨与薄壁弹性梁连接。
进一步地，所述收紧组件包括第二马达、调节绳、收紧轮和调节杆，第二马达安装在鱼头的内侧壁上并位于第一马达的上部，第二马达的输出轴与调节轮固定连接，调节杆通过安架安装在鱼头的内侧壁并位于收紧轮的上部，调节绳的一端与与椭圆拉簧相距鱼尾较远的一端连接，调节绳的另一端绕过支座的连接杆，再绕过在调节杆后与缠绕在收紧轮上。
进一步地，骨架为具有弹性的弧形杆体。
进一步地，鱼尾上设有分别与两个骨架连接的两个通孔，每个骨架的一端插装在相对应的通孔内。
进一步地，所述薄壁弹性梁的末端通过连接销与鱼尾连接。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用柔性变形体和弹簧的配合，模拟鱼的形体特征，并将鱼在游动过程中的向体肌肉收缩的特性变化，设计为电机驱动的片状弹性柔性体的伸缩，避免了多驱动源驱动多段串并联机构的机械鱼设计方案，采用单驱动源驱动，利用两曲柄运动的配合来实现鱼体的运动，使得控制模型变得简单可靠。同时简单的结构使得鱼体内留有很大的剩余空间，鱼体的重量小，可以携带一些用于水下探测或者其他目的的设备，使机械鱼能够具有多种水下功能，可以作为一种水下移动平台，而不仅仅限于模仿鱼的游动。
2、本发明鱼身整体采用多种弹性、柔性元件，可以方便的实现对机械鱼体型特征的调整，模仿不同类型鱼的运动，分析鱼的体型特征对它游动性能的影响。这样的设计使它可以调节出不同的特性来灵活的适应不同的应用场合，达到最好的游动性能。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明的正视图；
图4是两个曲柄的运动关系原理图。
图中：1-机械鱼的头部；2-马达；3-收紧轮；4-马达；5-锥齿轮减速器；6-椭圆拉簧；7-骨架；8-鱼尾；9-薄壁弹性梁；10-调节绳；11-直线滑轨；12-方形滑轨；13-曲柄；14-支座；14-1连接杆；14-2滑块；15-调节杆；16-主动锥齿轮；17-从动锥齿轮。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种变刚度仿生柔性摆动推进机构包括鱼头1和鱼尾8，还包括第一马达4、锥齿轮减速器5、椭圆拉簧6、骨架7、薄壁弹性梁9、曲柄13、主动锥齿轮16、两个从动锥齿轮17、滑轨组件和收紧组件，第一马达4安装在鱼头1的内侧壁上，主动锥齿轮16套装在第一马达4的输出轴上，两个锥齿轮减速器5通过支架安装在鱼头1的内侧壁上，两个从动锥齿轮17分别套装在锥齿轮减速器5的转动轴上，主动锥齿轮16分别与两个从动锥齿轮17啮合，锥齿轮减速器5的两个输出轴分别与两个曲柄13连接，两个曲柄13的旋转方向相反，每个曲柄13通过滑轨组件与薄壁弹性梁9连接，薄壁弹性梁9与鱼尾8连接，椭圆拉簧6的一端与鱼尾8固定连接，椭圆拉簧6的另一端与收紧组件连接，收紧组件安装在鱼头1的内侧壁上，两个骨架7相对设置在椭圆拉簧6的外侧，每个骨架7的一端与鱼头1的内侧壁固定连接，每个骨架7的另一端与鱼尾8转动连接。
具体实施方式二：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述滑轨组件包括：直线滑轨11、方形滑轨12、支座14，支座14位于锥齿轮减速器5与椭圆拉簧6之间，支座14包括连接杆14-1、两个滑轨14-2，连接杆14-1的两端分别设有滑块14-2，曲柄13的输出端插装在方形滑轨12内且曲柄13的输出端可沿方形滑轨12的长度方向往复运动，两个直线滑轨11分别与一个滑块14-2滑动连接，直线滑轨11在滑块14-2的轨道内直线往复运动，方形滑轨12通过直线滑轨11与薄壁弹性梁9连接。
其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述收紧组件包括第二马达2、调节绳10、收紧轮3和调节杆15，第二马达2安装在鱼头1的内侧壁上并位于第一马达4的上部，第二马达2的输出轴与调节轮3固定连接，调节杆15通过安架安装在鱼头1的内侧壁并位于收紧轮3的上部，调节绳10的一端与与椭圆拉簧6相距鱼尾8较远的一端连接，调节绳10的另一端绕过支座14的连接杆14-1，再绕过在调节杆15后与缠绕在收紧轮3上。
通过第二马达2的转动带动调节轮3收紧或者放开调节绳10，来调节椭圆拉簧6的拉力(可称之为鱼身的预紧力)，就可以使鱼骨架7和薄壁弹性梁9变形，形成一定的弧度，模拟鱼的身体曲线。鱼尾8本身可以绕鱼骨架的竖直轴转动。
其它组成以连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式骨架7为具有弹性的弧形杆体。
其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式鱼尾8上设有分别与两个骨架7连接的两个通孔，每个骨架7的一端插装在相对应的通孔内。
其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述薄壁弹性梁9的末端通过连接销与鱼尾8连接。
其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式七：结合图四说明本实施方式，本实施方式中，两个曲柄13的旋转方向相反，两曲柄13输出端处在减速器输出轴的中心垂直平面时是重合于一点的，它们会同时转到减速器输出轴的中心水平面，并且相距最远的距离，交替处于左右位置，如图四所示，O为减速器输出轴中心，Oa、Ob分别为两侧的摇杆，锥齿轮减速器两个输出轴的转动方向相反，为了能达到拉伸的效果，设计安装时保证初始状态为1或3所示，即两侧摇杆在鱼身垂直方向重合。运动过程以1为开始状态，并且Oa、Ob转动的方向始终相反，逐渐向状态2转动，Oa对薄壁弹性梁起向前拉的作用，同时Ob对薄壁弹性梁起向后送的作用，两者作用程度相同，最终到达2状态，a拉b送，拉伸作用最大。后续转变过程相似，3状态拉伸作用变为零，4状态b拉a送，拉伸作用达到最大，最后回到1状态。
工作原理：
通过第二马达2的转动带动调节轮3收紧或者放开调节绳10，来调节椭圆拉簧6的拉力(可称之为鱼身的预紧力)，就可以使鱼骨架7和薄壁弹性梁9变形，形成一定的弧度，模拟鱼的身体曲线。鱼尾8本身可以绕鱼骨架的竖直轴转动，通过第一马达4带动锥齿轮加速器5控制两侧曲柄13转动，曲柄13在方形滑轨12内往复滑动，带动方形滑轨12沿直线滑轨11前后移动，两侧的曲柄13在设计时按前述的运动规律设计，两侧的薄壁弹性梁9就会在直线滑轨11的带动下交替拉伸，形成鱼尾8的摆动运动，进而使机械鱼击水向前运动。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种变刚度仿生柔性摆动推进机构，它包括鱼头(1)和鱼尾(8)，其特征在于：所述一种变刚度仿生柔性摆动推进机构还包括第一马达(4)、锥齿轮减速器(5)、椭圆拉簧(6)、骨架(7)、薄壁弹性梁(9)、曲柄(13)、主动锥齿轮(16)、两个从动锥齿轮(17)、滑轨组件和收紧组件，第一马达(4)安装在鱼头(1)的内侧壁上，主动锥齿轮(16)套装在第一马达(4)的输出轴上，两个锥齿轮减速器(5)通过支架安装在鱼头(1)的内侧壁上，两个从动锥齿轮(17)分别套装在锥齿轮减速器(5)的转动轴上，主动锥齿轮(16)分别与两个从动锥齿轮(17)啮合，锥齿轮减速器(5)的两个输出轴分别与两个曲柄(13)连接，两个曲柄(13)的旋转方向相反，每个曲柄(13)通过滑轨组件与薄壁弹性梁(9)连接，薄壁弹性梁(9)与鱼尾(8)连接，椭圆拉簧(6)的一端与鱼尾(8)固定连接，椭圆拉簧(6)的另一端与收紧组件连接，收紧组件安装在鱼头(1)的内侧壁上，两个骨架(7)相对设置在椭圆拉簧(6)的外侧，每个骨架(7)的一端与鱼头(1)的内侧壁固定连接，每个骨架(7)的另一端与鱼尾(8)转动连接。
2.根据权利要求1所述的一种变刚度仿生柔性摆动推进机构，其特征在于：所述滑轨组件包括：直线滑轨(11)、方形滑轨(12)、支座(14)，支座(14)位于锥齿轮减速器(5)与椭圆拉簧(6)之间，支座(14)包括连接杆(14-1)、两个滑轨(14-2)，连接杆(14-1)的两端分别设有滑块(14-2)，曲柄(13)的输出端插装在方形滑轨(12)内且曲柄(13)的输出端可沿方形滑轨(12)的长度方向往复运动，两个直线滑轨(11)分别与一个滑块(14-2)滑动连接，直线滑轨(11)在滑块(14-2)的轨道内直线往复运动，方形滑轨(12)通过直线滑轨(11)与薄壁弹性梁(9)连接。
3.根据权利要求1所述的一种变刚度仿生柔性摆动推进机构，其特征在于：所述收紧组件包括第二马达(2)、调节绳(10)、收紧轮(3)和调节杆(15)，第二马达(2)安装在鱼头(1)的内侧壁上并位于第一马达(4)的上部，第二马达(2)的输出轴与调节轮(3)固定连接，调节杆(15)通过安架安装在鱼头(1)的内侧壁并位于收紧轮(3)的上部，调节绳(10)的一端与与椭圆拉簧(6)相距鱼尾(8)较远的一端连接，调节绳(10)的另一端绕过支座(14)的连接杆(14-1)，再绕过在调节杆(15)后与缠绕在收紧轮(3)上。
4.根据权利要求1所述的一种变刚度仿生柔性摆动推进机构，其特征在于：骨架(7)为具有弹性的弧形杆体。
5.根据权利要求1所述的一种变刚度仿生柔性摆动推进机构，其特征在于：鱼尾(8)上设有分别与两个骨架(7)连接的两个通孔，每个骨架(7)的一端插装在相对应的通孔内。
6.根据权利要求1所述的一种变刚度仿生柔性摆动推进机构，其特征在于：所述薄壁弹性梁(9)的末端通过连接销与鱼尾(8)连接。
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