CN1974320A - 基于柔性扑翼推进的仿生水下机器人 - Google Patents

基于柔性扑翼推进的仿生水下机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于柔性扑翼推进的仿生水下机器人，由壳体、左柔性翼、右柔性翼、动力单元和控制单元组成；所述动力单元包括有减速电机、齿轮组、曲柄摇杆机构；所述控制单元包括有两个舵机、两个连杆、两个升降舵和方向舵；动力单元和控制单元固定在壳体内，左柔性翼的前缘梁通过左翼根安装在左摇杆的左翼根轴上，左柔性翼的翼面根部与壳体固连；右柔性翼的前缘梁通过右翼根安装在右摇杆上的右翼根轴上，右柔性翼的翼面根部与壳体固连；动力单元采用曲柄摇杆机构将电机的旋转运动转化为翼的往复转动，能够传递较大的动力；升降舵、方向舵由两个舵机分别控制，无耦合关系，控制简单。

Description

基于柔性扑翼推进的仿生水下机器人
技术领域
本发明涉及一种水下机器人架构，更特别地说，是指一种基于柔性扑翼推进的仿生水下机器人。
背景技术
鱼类在水中高速、高效、高机动性的运动能力一直是人类追求的目标。近十多年来，国内外很多学者从理论和试验等方面对鱼类的推进机理进行了研究。
英国Heriot-Watt大学的Michael Sfakiotakis等人认为，鱼类在水中游动的推进力主要来自尾鳍或胸鳍的摆动或波动。他们分析了几种典型的游动方式，计算了各种游动方式产生的推进力，认为主要依靠尾鳍推进的游动方式速度和加速度较大，而主要依靠胸鳍推进的游动方式有着更高的机动性和游动效率。中国科学院童秉纲院士研究了波状游动的鱼类产生推力的机制，认为鱼类游动的推力主要来源于惯性力、前缘吸力、尾涡作用和月牙形尾鳍的动态失速特性这四个方面。
已有的仿生水下机器人有以下两个特点：
1.目前样机都是采用尾鳍推进为主的方式。从理论上讲，这种方式能够产生更高的速度和加速度。但实际上，由于对推进机理定量的研究不足、设计和加工的不完善等原因，这些样机的试验结果与理想情况尚有较大的差距，每秒游动距离通常不超过1倍身长，没有充分体现出尾鳍推进方式在速度和加速度上的优势。另外，尾鳍推进方式在俯仰方向的机动性比较差，不能迅速上浮/下潜成为制约仿生水下机器人应用的一大问题。
2.现有机器鱼的机构本体大多采用刚性结构，有些样机尽管采用了具有一定柔性的尾鳍，但远远没有发挥柔性的作用。事实上，自然鱼类的身体具有很好的柔性。其身体和尾鳍的柔性在其游动中发挥着非常重要的作用。正确地认识这一点并加以研究和利用对设计和制作仿生游动机器人具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于柔性扑翼推进的仿生水下机器人，该仿生水下机器人由电机驱动，通过齿轮组驱动两组曲柄摇杆机构最终在翼根轴上输出往复旋转运动。两组曲柄摇杆机构完全对称，且其急回系数为零，保证翼的上扇和下扇时间相同。
本发明是一种基于柔性扑翼推进的仿生水下机器人，由壳体、左柔性翼、右柔性翼、动力单元和控制单元组成；所述动力单元包括有减速电机、齿轮组、曲柄摇杆机构；所述控制单元包括有两个舵机、两个连杆、两个升降舵和一个方向舵；动力单元和控制单元固定在壳体内，左柔性翼的前缘梁通过左翼根安装在左摇杆的左翼根轴上，左柔性翼的翼面根部与壳体固连；右柔性翼的前缘梁通过右翼根安装在右摇杆上的右翼根轴上，右柔性翼的翼面根部与壳体固连。
本发明基于柔性扑翼推进的仿生水下机器人的优点在于：(1)动力单元采用曲柄摇杆机构将电机的旋转运动转化为翼的往复转动，能够传递较大的动力；(2)升降舵、方向舵由两个舵机分别控制，无耦合关系，控制简单；(3)游动效率高。有研究表明，蝠鲼等海底软骨鱼类可以利用流体动力地面效应(hydrodynamic groundeffect)增加游动的效率，因此其加速性能、机动性、推进效率等并不比其它鱼类逊色。(4)机动性好。翼(左柔性翼、右柔性翼)的扇动能产生较大的瞬时加速度，同时大舵面(左升降舵、右升降舵)配合扁平机身(壳体)能够产生较大的俯仰加速度，从而使整机具有较好的机动性。(5)噪声小。传统螺旋桨推进潜器为了提高速度，需要螺旋桨有极高的转速，从而产生空泡和很大的噪声。本发明模仿鳐、蝠鲼等水生动物，利用扑翼推进，其推进装置是巨大的柔性翼，不会产生噪声。这一点将使其在军事、科研领域具有非常广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明基于柔性扑翼推进的仿生水下机器人的外观示意图。
图2是无壳体的内部结构图。
图3是动力单元结构图。
图4是曲柄摇杆机构结构图。
图5是控制单元结构图。
图中：      1.壳体        2.左柔性翼    201.左翼根    202.前缘梁
203.翼面    3.右柔性翼    301.右翼根    302.前缘梁    303.翼面
4.动力单元  401.减速电机  402.前机架    403.后机架    404.电机架
405.左机架座    406.右机架座      407.左翼根轴      408.右翼根轴    409.左传动连杆
410.右传动连杆  411.左机架定位销  412.右机架定位销
413.左齿轮      414.右齿轮        415.主动齿轮      416.右摇杆      417.左摇杆
418.右曲柄      419.左曲柄
5.控制单元      501.方向舵轴      502.升降舵轴      503.升降舵摇臂  504.左升降舵
505.右升降舵    506.方向舵        507.升降舵连杆    508.方向舵连杆  509.右舵机
510.左舵机      511.右舵机架      512.左舵机架      513.方向舵摇臂
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参见图1所示，本发明是一种基于柔性扑翼推进的仿生水下机器人，由壳体1、左柔性翼2、右柔性翼3、动力单元4和控制单元5组成；(参见图3、图4所示)所述动力单元4包括有减速电机401、齿轮组(主动齿轮415、左齿轮413、右齿轮414)、曲柄摇杆机构(左传动连杆409、右传动连杆410、左曲柄419、右曲柄418、前机架402、后机架403、左摇杆417、右摇杆416)；(参见图5所示)所述控制单元5包括有两个舵机、两个连杆、两个升降舵和一个方向舵。本发明机器人机构为左右对称结构设计，左机架座405与右机架座406、左舵机架512与右舵机架511固连在壳体1内。
动力单元4和控制单元5放置在壳体1内，且通过左机架座405与右机架座406、左舵机架512与右舵机架511固连在壳体1内。
参见图2所示，左柔性翼2的前缘梁202通过左翼根201安装在左摇杆417的左翼根轴407上，左柔性翼2的翼面203根部与壳体1左侧固连。
参见图2所示，右柔性翼3的前缘梁302通过右翼根301安装在右摇杆416上的右翼根轴408上，右柔性翼3的翼面303根部与壳体1右侧固连。
请参见图3、图4所示，减速电机401安装在电机架404的一端上、电机架404的另一端安装在后机架403上，减速电机401的输出轴上安装有主动齿轮415；前机架402与后机架403平行放置，通过左机架定位销411和右机架定位销412固连，且左端部安装有左摇杆417，右端部安装有右摇杆416，前机架402与后机架403的中部安装有左曲柄419、右曲柄418，左传动连杆409的一端与左曲柄419的未端相连，左传动连杆409的另一端与左摇杆417的未端相连，右传动连杆410的一端与右曲柄418的末端相连，右传动连杆410的另一端与右摇杆416的未端相连；左齿轮413安装在左曲柄419的轴上，右齿轮414安装在右曲柄418的轴上，所述右齿轮414为组合齿轮，其大齿轮与左齿轮413啮合，其小齿轮与主动齿轮415啮合；左机架座405固连在后机架403的左侧，右机架座406固连在后机架403的右侧，左机架座405的安装面固连在以壳体1中心线对称划分的左半部分壳体上，右机架座406的安装面固连在以壳体1中心线对称划分的右半部分壳体上。
请参见图5所示，方向舵506固连在方向舵轴501上，方向舵轴501垂直安装在壳体1的后部，方向舵摇臂513固连在方向舵506的侧面上；左升降舵504、右升降舵505分别固连在升降舵轴502的两端，升降舵轴502与壳体1的后部保持水平；方向舵连杆508的一端连接在方向舵摇臂513上，另一端安装在左舵机510的摇臂末端，左舵机510固连在左舵机架512上，左舵机架512固连在壳体1内；升降舵连杆507的一端与升降舵摇臂503上，另一端安装在右舵机509的摇臂末端，右舵机509固连在右舵机架511上，右舵机架511固连在壳体1内。
在本发明中，壳体1的纵截面为双NACA翼型，采用硬质材料，如玻璃钢、聚乙烯塑料、碳纤维材料做成，用于保持本发明机器人的外形和安装动力单元4、控制单元。左柔性翼2的翼面203和右柔性翼3的翼面303采用柔性材料，如硅橡胶薄板、聚酯薄膜等材料制作，能够在水动力作用下产生一定的形变，从而产生推力。
请参见图3、图4所示，动力单元4中的减速电机401产生旋转运动，经过互相齿轮组的啮合将运动传递给左曲柄419、右曲柄418。左曲柄419、右曲柄418、左传动连杆409、右传动连杆410、左摇杆417和右摇杆416构成一个曲柄摇杆机构，将左曲柄419的连续旋转运动转化为左摇杆417的往复摆动；将右曲柄418的连续旋转运动转化为右摇杆416的往复摆动。
请参见图5所示，控制单元5的左舵机510产生运动体现为左舵机510摇臂的转动，此转动经由方向舵连杆508传递至方向舵摇臂513带动方向舵506转动；控制单元5的右舵机509产生运动体现为右舵机509摇臂的转动，此转动经由升降舵连杆507传递至升降舵摇臂503带动升降舵轴502转动，进而带动左升降舵504和右升降舵505转动。
本发明基于柔性扑翼推进的仿生水下机器人在前进方向上运动时，减速电机401依次驱动主动齿轮415、右齿轮414、左齿轮413、右曲柄418、左曲柄419旋转，然后右曲柄418依次带动右传动连杆410、右摇杆416产生往复转动，右摇杆416通过右翼根轴408和右翼根301带动右柔性翼3产生往复扇动；左曲柄419依次带动左传动连杆409、左摇杆417产生往复转动，左摇杆417通过左翼根轴407和左翼根201带动左柔性翼2产生往复扇动。左柔性翼2和右柔性翼3的往复扇动能够驱动水向后流动，从而产生向前的反作用力，推动机器人前进。
本发明机器人结构游动效率高：有研究表明，蝠鲼等海底软骨鱼类可以利用流体动力地面效应(hydrodynamic ground effect)增加游动的效率，因此其加速性能、机动性、推进效率等并不比其它鱼类逊色。机动性好：翼(左柔性翼、右柔性翼)的扇动能产生较大的瞬时加速度，同时大舵面(左升降舵、右升降舵)配合扁平机身(壳体)能够产生较大的俯仰加速度，从而使整机具有较好的机动性。噪声小：传统螺旋桨推进潜器为了提高速度，需要螺旋桨有极高的转速，从而产生空泡和很大的噪声。本发明机器人结构模仿鳐、蝠鲼等水生动物，利用扑翼推进，其推进装置是巨大的柔性翼，不会产生噪声。这一点将使其在军事、科研领域具有非常广阔的应用前景。

Claims (5)

1、一种基于柔性扑翼推进的仿生水下机器人，其特征在于：由壳体(1)、左柔性翼(2)、右柔性翼(3)、动力单元(4)和控制单元(5)组成；所述动力单元(4)包括有减速电机(401)、以及主动齿轮(415)、左齿轮(413)和右齿轮(414)构成的齿轮组、以及左传动连杆(409)、右传动连杆(410)、左曲柄(419)、右曲柄(418)、前机架(402)、后机架(403)、左摇杆(417)和右摇杆(416)构成的曲柄摇杆机构；所述控制单元(5)包括有两个舵机、两个连杆、两个升降舵和一个方向舵；动力单元(4)和控制单元(5)固定在壳体(1)内；
左柔性翼(2)的前缘梁(202)通过左翼根(201)安装在左摇杆(417)的左翼根轴(407)上，左柔性翼(2)的翼面(203)根部与壳体(1)左侧固连；
右柔性翼(3)的前缘梁(302)通过右翼根(301)安装在右摇杆(416)上的右翼根轴(408)上，右柔性翼(3)的翼面(303)根部与壳体(1)右侧固连；
减速电机(401)安装在电机架(404)的一端上、电机架(404)的另一端安装在后机架(403)上，减速电机(401)的输出轴上安装有主动齿轮(415)；前机架(402)与后机架(403)平行放置，通过左机架定位销(411)和右机架定位销(412)固连，且左端部安装有左摇杆(417)，右端部安装有右摇杆(416)，前机架(402)与后机架(403)的中部安装有左曲柄(419)、右曲柄(418)，左传动连杆(409)的一端与左曲柄(419)的末端相连，左传动连杆(409)的另一端与左摇杆(417)的末端相连，右传动连杆(410)的一端与右曲柄(418)的末端相连，右传动连杆(410)的另一端与右摇杆(416)的未端相连；左齿轮(413)安装在左曲柄(419)的轴上，右齿轮(414)安装在右曲柄(418)的轴上，所述右齿轮(414)为组合齿轮，其大齿轮与左齿轮(413)啮合，其小齿轮与主动齿轮(415)啮合；左机架座(405)固连在后机架(403)的左侧，右机架座(406)固连在后机架(403)的右侧，左机架座(405)的安装面固连在以壳体(1)中心线对称划分的左半部分壳体上，右机架座(406)的安装面固连在以壳体(1)中心线对称划分的右半部分壳体上；
方向舵(506)固连在方向舵轴(501)上，方向舵轴(501)垂直安装在壳体(1)的后部；方向舵摇臂(513)固连在方向舵(506)的侧面上；左升降舵(504)、右升降舵(505)分别固连在升降舵轴(502)的两端，升降舵轴(502)与壳体(1)的后部保持水平；方向舵连杆(508)的一端连接在方向舵摇臂(513)上，另一端安装在左舵机(510)的摇臂末端，左舵机(510)固连在左舵机架(512)上，左舵机架(512)固连在壳体(1)内；升降舵连杆(507)的一端与升降舵摇臂(503)上，另一端安装在右舵机(509)的摇臂末端，右舵机(509)固连在右舵机架(511)上，右舵机架(511)固连在壳体(1)内。
2、根据权利要求1所述的基于柔性扑翼推进的仿生水下机器人，其特征在于：所述壳体(1)的纵截面为双NACA翼型，采用硬质材料制作。
3、根据权利要求1所述的基于柔性扑翼推进的仿生水下机器人，其特征在于：所述左柔性翼(2)的翼面(203)和右柔性翼(3)的翼面(303)采用柔性材料制作。
4、根据权利要求1所述的基于柔性扑翼推进的仿生水下机器人，其特征在于：所述左曲柄(419)、右曲柄(418)、左传动连杆(409)、右传动连杆(410)、左摇杆(417)和右摇杆(416)构成一个曲柄摇杆机构。
5、根据权利要求1所述的基于柔性扑翼推进的仿生水下机器人，其特征在于：所述控制单元(5)的左舵机(510)产生运动体现为左舵机(510)摇臂的转动，此转动经由方向舵连杆(508)传递至方向舵摇臂(513)带动方向舵(506)转动；控制单元(5)的右舵机(509)产生运动体现为右舵机(509)摇臂的转动，此转动经由升降舵连杆(507)传递至升降舵摇臂(503)带动升降舵轴(502)转动，进而带动左升降舵(504)和右升降舵(505)转动。
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