CN207157471U - 一种仿箱鲀科机器鱼胸鳍的改进型推进机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及仿生机器鱼技术领域，具体是一种仿箱鲀科机器鱼胸鳍的改进型推进机构。包括刚性胸鳍片、胸鳍驱动机构、底板和鱼壳壳体，胸鳍驱动机构设在底板上，胸鳍驱动机构驱动刚性胸鳍片；所述胸鳍驱动机构包括主动力电机、齿轮组、转动舵机、摆动架和柔性蒙皮；所述齿轮组分为主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮和从动齿轮固定在齿轮固定板，主动力电机的传动轴与摆动架连接，摆动架与轴承组连接，轴承组分为关节轴承、第一轴承、第二轴承和第三轴承。实现机构的旋转运动，旋转角度及推进力较之前机构大有增加，实现了仿生机器鱼直游、转向、变速巡游、上浮、下潜的灵活性，提升了机器鱼整体推进能力。解决了主动力轴加工难度大、加工成本高、抗扭转力矩小的缺点，实现了扭转力矩的有效传输，提高了各零件之间的配合精度。

Description

一种仿箱鲀科机器鱼胸鳍的改进型推进机构

技术领域

本实用新型涉及仿生机器鱼技术领域，具体是一种仿箱鲀科机器鱼胸鳍的改进型推进机构。

背景技术

一直以来深海及内陆河流是人们探索的目标，随着海洋权益在国家战略中的重要性的日益凸显、人民生活对水资源的安全性要求日益提升。开发海洋资源、保护海洋环境、提升内陆河治理能力也是国家管水资源的三大重要原则。

目前，水下机器人技术、水下航行器技术等都成为国家管理水资源的重要工具，此类航行器形态笨重且不便携带，智能化程度较低。鉴于水下环境的复杂性及我国水域面积辽阔、管理难度较大、人力物力成本较高,故此一类节能、环保、低成本、高效率的新一代航行器-----水下仿生机器鱼应运而生。鱼类作为自然界进化的产物，在水中具有极为出色的游动能力，对其游动机理的研究有助于将机器鱼应用到国家管理公共服务中去，加强国家对海洋的治理能力，提高环保部门及饮用水等部门对内陆河及饮用水安全的监测能力。而胸鳍推进机构是提高机器鱼机动性能是的关键技术之一。目前，推进机构多以单自由度胸鳍为仿生对象，极大的制约了仿生机器鱼的技术发展，无法满足水下科研的技术要求。

现有技术中已公开的一种新型机器鱼胸鳍推进机构、CN 203005728U，其中两胸鳍沿机器鱼中轴线两侧对称布置，所述两机构之间装配夹角为90度，所述机构均包括主动力电机、舵机托架、主传动轴、套筒、滑动杆、半球副、摆动架、转动舵机等部件组成了主动力传输机构、旋转机构、动力转换机构，所述主动力电机将力矩传递给齿轮对，形成主动力传输机构；所述齿轮通过主传动轴、主传动轴支架传递给舵机托架，所述舵机安装在舵机托架上，所述舵机为第二动力电机组成旋转机构；所述旋转舵机、套筒、滑动杆、半球副等组成动力转换机构，将垂直面旋转运动转换成水平面的旋转运动。经过我们对该机构试制后发现其存在一些缺点：所述主传动轴设计缺乏现实可操作性，制造难度大、传动效果差、密封困难；所述主动电机(采用了舵机)与齿轮连接困难，直接影响齿轮传动的效率及整个机构的灵活性；所述摆动架尺寸过大影响到机器鱼的整体尺寸，通过我们对机构分析及相关实验发现该机械胸鳍的运动远达不到我们所需要的效果；所述第二轴承座设计成分离式直接影响到胸鳍与鱼壳连接处的密封，该缺陷使得机器鱼无法完成诸如，下潜、上浮、水下转弯、水下翻滚等运动模态；所述滑动杆设计成多段式，制造难度加大、传动效果不理想，很难和球副形成 操作性高的动力转换机构；另外，所述第二轴承座与鱼壳连接处密封效果不理想，无法进行机器鱼水下运动的相关实验。

实用新型内容

本实用新型解决现有技术的不足提供一种游动性能好、外形体积大、机动性能优的仿箱鲀科机器鱼胸鳍的改进型推进机构。

本实用新型的解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种仿箱鲀科机器鱼胸鳍的改进型推进机构，包括刚性胸鳍片、胸鳍驱动机构、底板和鱼壳壳体，胸鳍驱动机构设在底板上，胸鳍驱动机构驱动刚性胸鳍片；所述胸鳍驱动机构包括包括主动力电机、齿轮组、转动舵机、摆动架和柔性蒙皮；所述齿轮组分为主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮和从动齿轮固定在齿轮固定板，主动力电机的传动轴与摆动架连接，摆动架与轴承组连接，轴承组分为关节轴承、第一轴承、第二轴承和第三轴承。

所述第一轴承设在从动动轴上，从动动轴与舵机托架和转动舵机连接，转动舵机通过舵机固定板与摆动架连接，摆动架与连接套筒连接，连接套筒与滑动杆一端连接，滑动杆另一端连接刚性胸鳍片。

所述滑动杆上设有第二轴承座和第三轴承座，第二轴承座上连接第二轴承，第二轴承内侧设有关节轴承套筒，关节轴承套筒上设置关节轴承；第三轴承座上设有第三轴承。

所述第三轴承座两侧设有第三轴承端盖Ⅰ和第三轴承端盖Ⅱ；第二轴承座上第二轴承端盖。

所述鱼壳壳体与胸鳍固定板连接，鱼壳壳体与滑动杆之间设有柔性蒙皮。

所述连接套筒通过导向钉与滑动杆一端连接，连接套筒通过转动销钉与摆动架连接。

所述从动动轴通过传动轴支架与底板连接。

所述柔性蒙皮为仿鱼皮橡胶。

本实用新型的有益效果为：

1、一种仿箱鲀科机器鱼胸鳍的改进型推进机构，包括刚性胸鳍片、胸鳍驱动机构、底板和鱼壳壳体，胸鳍驱动机构设在底板上，胸鳍驱动机构驱动刚性胸鳍片；所述胸鳍驱动机构包括包括主动力电机、齿轮组、转动舵机、摆动架和柔性蒙皮；所述齿轮组分为主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮和从动齿轮固定在齿轮固定板，主动力电机的传动轴与摆动架连接，摆动架与轴承组连接，轴承组分为关节轴承、第一轴承、第二轴承和第三轴承。实现机构的旋转运动，旋转角度及推进力较之前机构大有增加，实现了仿生机器鱼直游、转向、变速巡游、上浮、下潜的灵活性，提升了机器鱼整体推进能力。解决了主动力轴加工难度大、加工成本高、抗扭转力矩小的缺点，实现了扭转力矩的有效传输，提高了各零件之间的配合精度。

2、第一轴承设在从动动轴上，从动动轴与舵机托架和转动舵机连接，转动舵机通过舵机固定板与摆动架连接，摆动架与连接套筒连接，连接套筒与滑动杆一端连接，滑动杆另一端连接刚性胸鳍片。结构紧凑运动形态多样，更加符合仿生学。

3、滑动杆上设有第二轴承座和第三轴承座，第二轴承座上连接第二轴承，第二轴承内侧设有关节轴承套筒，关节轴承套筒上设置关节轴承；第三轴承座上设有第三轴承。多轴承组合可以实现多方向运动，同时提升动力轴传输稳定性。

4、第三轴承座两侧设有第三轴承端盖Ⅰ和第三轴承端盖Ⅱ；第二轴承座上第二轴承端盖。形成壳体内两层密封，提升水下防水性能。所述鱼壳壳体与胸鳍固定板连接，鱼壳壳体与滑动杆之间设有柔性蒙皮。保证鱼体灵活性的同时进一步提升整体防水密封性能。

综上所述本实用新型通过左右胸鳍各自独立的双自由度运动，实现机器鱼水下直游、水下垂直面转弯、下潜、上浮等多种游动模式。

仿箱鲀科机器鱼具有游动性能好、外形体积大、机动性能优等优点，该优点使得仿箱鲀机器鱼可以灵活的在水下运动、方便搭载更多的应用型传感器及其他机构，如，配重调心机构、机械臂机构、复杂的单关节尾鳍机构、高蓄能电源等。通过结合现代传感器技术、机械密封技术、现代智能控制技术等研究使得仿箱鲀科机器鱼的游动机理是未来仿生机器鱼研究的热点和趋势。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的结构俯视图；

图3是本实用新型的胸鳍驱动机构的结构示意图；

图4是本实用新型的胸鳍驱动机构的装配图；

图5是本实用新型的胸鳍驱动机构的密封结构示意图；

图6是本实用新型的胸鳍驱动机构的密封结构剖视图。

图中：刚性胸鳍片1、第二轴承座3、连接套筒4、底板9、主动力电机21、第一电机支架22、主动齿轮23、胸鳍固定板26、滑动杆28、传动轴31、齿轮固定板32、从动齿轮33、从动动轴34、第一轴承端盖35、舵机托架36、舵机固定板37、摆动架38、第三轴承端盖Ⅰ41、第三轴承座42、第三轴承端盖Ⅱ44、第二轴承46、关节轴承47、关节轴承套筒48、鱼壳壳体51、导向钉61、转动销钉62、传动轴支架210、柔性蒙皮311、第三轴承312、第二轴承端盖314、转动舵机315、第一轴承316。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施 例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

一种仿箱鲀科机器鱼胸鳍的改进型推进机构，包括刚性胸鳍片1、胸鳍驱动机构、底板9和鱼壳壳体51，胸鳍驱动机构设在底板9上，胸鳍驱动机构驱动刚性胸鳍片1；所述胸鳍驱动机构包括包括主动力电机21、齿轮组、转动舵机315、摆动架38和柔性蒙皮311；所述齿轮组分为主动齿轮23和从动齿轮33，主动齿轮23和从动齿轮33固定在齿轮固定板32，主动力电机21的传动轴31与摆动架38连接，摆动架38与轴承组连接，轴承组分为关节轴承47、第一轴承316、第二轴承46和第三轴承312。所述第一轴承316设在从动动轴34上，从动动轴34与舵机托架36和转动舵机315连接，转动舵机315通过舵机固定板37与摆动架38连接，摆动架38与连接套筒4连接，连接套筒4与滑动杆28一端连接，滑动杆28另一端连接刚性胸鳍片1。

滑动杆28上设有第二轴承座3和第三轴承座42，第二轴承座3上连接第二轴承46，第二轴承46内侧设有关节轴承套筒48，关节轴承套筒48上设置关节轴承47；第三轴承座42上设有第三轴承312。所述第三轴承座42两侧设有第三轴承端盖Ⅰ41和第三轴承端盖Ⅱ44；第二轴承座3上第二轴承端盖314。所述鱼壳壳体51与胸鳍固定板26连接，鱼壳壳体51与滑动杆28之间设有柔性蒙皮311。

连接套筒4通过导向钉61与滑动杆28一端连接，连接套筒4通过转动销钉62与摆动架38连接。所述从动动轴34通过传动轴支架210与底板9连接。所述主动齿轮23和从动齿轮33的齿轮传动比为1:1，齿数相同。所述柔性蒙皮311为仿鱼皮橡胶。

整个过程中需保证主传动轴43的中心线、套筒4的中心线、第二轴承座3的中心线三者位于同一高度，否则无法保证机器鱼的正常运转。

一种仿箱鲀科机器鱼胸鳍的改进型推进机构的运动方式主要有以下三种情况：

1、主动力电机21没有动力输出时，转动舵机315有动力输出。在这种运动条件下，机器鱼胸鳍则以关节轴承为支点配合摆动舵机任意方向摆动，胸鳍运动产生推力，随着转动舵机315摆动幅度的大小变化就会改变推进力的大小，因而，机器鱼的运动速度也会相应改变。

2、转动舵机315没有动力输出时，主动力电机21有动力输出。在这种运动条件下，机器鱼则以齿轮组为动力传递，第一轴承316、第二轴承46、第三轴承312沿轴心轴转动，带动主传动轴34、舵机托架35、转动舵机315、摆动架38、舵机固定板37、套筒4、滑动杆28、关节轴承组件313、刚性胸鳍片1做旋转运动，刚性胸鳍片1旋转运动。在实际试验中该运动状态为机器鱼在静水条件下的悬停的必要因素。

3、主动力电机21和转动舵机315均有输出。在这种运动条件下，为前两种运动方式符合的情况，事实上，机器鱼在运动过程中也是经常处于该运动状态下，主动力电机21给整个机 构提供原动力，转动舵机315则为机构提供旋转运动，由此便能实现两自由度机器鱼胸鳍运动间的协调配合，产生多种条件下胸鳍的运动形式。实现由胸鳍配合其他机构完成机器鱼直游、转弯、下潜、上浮、悬停等多种运动形式。

本实用新型的一种仿箱鲀科机器鱼胸鳍的改进型推进机构与现有技术相比较，本实用新型解决了胸鳍推进机构设计中运动状态下静密封问题、胸鳍机构简洁，易于加工，各部件材质采用不同材料起到金属间的自润滑，提高了摩擦部件的抗疲劳性能、采用直齿圆柱齿轮对和主动力电机提供机构的原动力，实现机构的旋转运动，旋转角度及推进力较之前机构大有改进，实现了仿生机器鱼直游、转向、变速巡游、上浮、下潜的灵活性，提升了机器鱼整体推进能力。

以上所述仅对本实用新型的优选实施方案做出描述，并不用于局限制本实用新型，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域内任何科技工作者，对本实用新型所作的任何修改、同等替换、机构改进等，均应包含在本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种仿箱鲀科机器鱼胸鳍的改进型推进机构，其特征在于包括刚性胸鳍片（1）、胸鳍驱动机构、底板（9）和鱼壳壳体（51），胸鳍驱动机构设在底板（9）上，胸鳍驱动机构驱动刚性胸鳍片（1）；所述胸鳍驱动机构包括包括主动力电机（21）、齿轮组、转动舵机（315）、摆动架（38）和柔性蒙皮（311）；所述齿轮组分为主动齿轮（23）和从动齿轮（33），主动齿轮（23）和从动齿轮（33）固定在齿轮固定板（32），主动力电机（21）的传动轴（31）与摆动架（38）连接，摆动架（38）与轴承组连接，轴承组分为关节轴承（47）、第一轴承（316）、第二轴承（46）和第三轴承（312）。

2.根据权利要求1所述的一种仿箱鲀科机器鱼胸鳍的改进型推进机构，其特征在于所述第一轴承（316）设在从动动轴（34）上，从动动轴（34）与舵机托架（36）和转动舵机（315）连接，转动舵机（315）通过舵机固定板（37）与摆动架（38）连接，摆动架（38）与连接套筒（4）连接，连接套筒（4）与滑动杆（28）一端连接，滑动杆（28）另一端连接刚性胸鳍片（1）。

3.根据权利要求2所述的一种仿箱鲀科机器鱼胸鳍的改进型推进机构，其特征在于所述滑动杆（28）上设有第二轴承座（3）和第三轴承座（42），第二轴承座（3）上连接第二轴承（46），第二轴承（46）内侧设有关节轴承套筒（48），关节轴承套筒（48）上设置关节轴承（47）；第三轴承座（42）上设有第三轴承（312）。

4.根据权利要求3所述的一种仿箱鲀科机器鱼胸鳍的改进型推进机构，其特征在于所述第三轴承座（42）两侧设有第三轴承端盖Ⅰ（41）和第三轴承端盖Ⅱ（44）；第二轴承座（3）上第二轴承端盖（314）。

5.根据权利要求1所述的一种仿箱鲀科机器鱼胸鳍的改进型推进机构，其特征在于所述鱼壳壳体（51）与胸鳍固定板（26）连接，鱼壳壳体（51）与滑动杆（28）之间设有柔性蒙皮（311）。

6.根据权利要求2所述的一种仿箱鲀科机器鱼胸鳍的改进型推进机构，其特征在于所述连接套筒（4）通过导向钉（61）与滑动杆（28）一端连接，连接套筒（4）通过转动销钉（62）与摆动架（38）连接。

7.根据权利要求2所述的一种仿箱鲀科机器鱼胸鳍的改进型推进机构，其特征在于所述从动动轴（34）通过传动轴支架（210）与底板（9）连接。

8.根据权利要求1所述的一种仿箱鲀科机器鱼胸鳍的改进型推进机构，其特征在于所述主动齿轮（23）和从动齿轮（33）的齿轮传动比为1:1，齿数相同。

9.根据权利要求1所述的一种仿箱鲀科机器鱼胸鳍的改进型推进机构，其特征在于所述柔性蒙皮（311）为仿鱼皮橡胶。