CN209410310U - 一种基于运动实现的仿生蓝点魟水下推进器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于运动实现的仿生蓝点魟水下推进器，包括：一对胸鳍系统、主体和尾巴系统，所述胸鳍系统包括多个摆动结构、电机、偏心轮轴和转动主轴，所述摆动结构包括U形架和鳍条，所述鳍条固接在所述U形架上，所述U形架内设偏心轮，各偏心轮固定在偏心轮轴上，所述U形架还设有转动主轴孔，所述U形架可围绕所述转动主轴转动，各个偏心轮轴向间距固定，周向角度差相等，当偏心轮轴匀速转动时，偏心轮推动各个鳍条运动呈往复性摆动运动，且各个鳍条间相位差相等，通过所述摆动机构可实现将电机匀速转动转化为鳍条往复性摆动运动，同时可通过改变各个偏心轮间相位差来改变推进器的整个胸鳍上行波数目；所述主体采用核心桶结构。

Description

一种基于运动实现的仿生蓝点魟水下推进器

技术领域

本实用新型涉及水下航行器领域，尤其是涉及一种仿生结构航行器。

背景技术

随着人类文明的不断发展，地球上陆地资源日趋枯竭。因此，人类开始将目光投向海洋。人类对海洋的开发利用已逐渐成为当前科学研究的热点，适应海洋环境的水下推进器是人类开发和勘探海洋资源所必需的工具。目前绝大多数的水下推进器采用了螺旋桨推进系统

以螺旋桨作为推进系统的水下推进器，存在效率低、推进噪音大、产生较大尾涡影响周围生态环境、机动性能差、系统体积大、瞬时响应的严重滞后、可靠性难以保证等缺点，所以以螺旋桨为推进系统的水下航行器不能满足高机动性、运动灵活等要求。

而随着人类对海洋的不断了解，以蓝点魟、蝠鲼、大西洋牛鼻鲼等为典型代表的鳐形目鱼类，具有良好的运动性能，游动机动性强，鱼鳍受载面积大，游动扰动小，其超凡的游动机动性能、低扰动性和高效率是传统的螺旋桨推进系统所望尘莫及的。鳐鱼的游动推进模式具有高机动性、低扰动性以及高效率等传统推进系统所不具备的优点，为人类研究和开发能够更好地适应海洋水下环境的推进系统提供了模仿对象。

螺旋桨产生推力面产生机动控制力，这种机械设计对于推进器巡航速度行驶于空旷的海域的应用领域是经济有效的，但是由于机动控制力依赖于流体在操控舵面上流动产生的升力，在低速下难以实现机动，此外这类推进器在尾迹产生大量大带宽的噪声，导致一些水下生态系统遭到破坏。

波动鳍推进，通过波动或摆动硕大柔韧的胸鳍产生推进力，在复杂环境下也能保持很高的机动性能并能很好的抑制紊流(湍流)。但由于波动鳍在波动过程中水的相互作用十分复杂，目前还没有一个能十分准确描述波动模型的理论。已有的鱼类推进理论大都基于势流、线性边界条件和尾迹形状固定的假设，尚不能分析流体与鱼体之间的非线性作用，也无法解决尾迹的动态变化问题，不能精确描述真实鱼类的游动过程，计算结果仅能定性地指导仿生机器鱼的设计。但是目前基于波动鳍的航行器原型机的研制以及航行器在水中的多模态运动控制及定深定向等简单闭环控制运动等功能不太成熟，水下航行器与真实波动鳍推进鱼类游动还存在非常明显的差距。

航行器的运动实现如果想要达到真正神似的效果，必须合理的仿生结构设计和控制。

实用新型内容

针对以上现有技术问题，本实用新型的目的在于提供一种按照功能仿生的思路研制具有类似仿生对象的运动特征结构，实现真正神似的仿生运动。

具体技术方案如下：

一种基于运动实现的仿生蓝点魟水下推进器，包括：一对胸鳍系统、主体和尾巴系统，所述胸鳍系统包括多个摆动结构、电机、偏心轮轴和转动主轴，所述摆动结构包括U形架和鳍条，所述鳍条固接在所述U形架上，所述U形架内设偏心轮，各偏心轮固定在偏心轮轴上，所述U形架还设有转动主轴孔，所述U形架可围绕所述转动主轴转动，各个偏心轮轴向间距固定，周向角度差相等，当偏心轮轴匀速转动时，偏心轮推动各个鳍条运动呈往复性摆动运动，且各个鳍条间相位差相等，通过所述摆动机构可实现将电机匀速转动转化为鳍条往复性摆动运动，同时可通过改变各个偏心轮间相位差来改变推进器的整个胸鳍上行波数目；所述主体采用核心桶结构。

进一步地，所述主体前部连接有头部结构，所述头部结构通过旋转轴固定在所述水下推进器的支架结构，舵机的摆臂固定在所述头部结构上，且所述旋转轴与所述舵机的摆臂轴心在一条线上。

进一步地，当所述推进器前进或后退时，所述头部结构有一个往上的倾角，约10°，配合两边所述胸鳍系统做同频率波。

进一步地，还包括驱动元件固定结构,连接所述核心桶和旁边的胸鳍系统，所述驱动元件固定结构左边的四个紧凑的垂直孔与中间的核心桶由螺丝连接，中间的通孔固定电机，最右边的通孔固定U型架的转轴。

进一步地，当所述推进器左转或右转时，两边电机做不同方向的运动，从而两边胸鳍产生不同方向的力，使仿生航行器做原地自转的运动。

进一步地，当所述推进器上浮或下沉时，两边的胸鳍系统停止运动，然后使头部结构运动，上浮时头部结构慢慢的上抬，然后突然下压，靠反作用力将头部结构抬起，然后再配合胸鳍运动就可以实现上浮运动，下沉时，头部结构慢慢的下压，然后突然抬起，靠反作用力将头部结构下压，然后再配合胸鳍运动就可以实现下沉运动。

进一步地，所述旋转轴上加有轴承。

进一步地，所述偏心轮上设有六边形的固定孔，所述偏心轮轴为六棱柱,所述U形架具有卡钳，所述卡钳内设滑槽用于偏心轮的滑动，垂直于所述卡钳平面的方向上设置凹槽防止转动时与所述偏心轮轴抵触。

进一步地，胸鳍系统固定结构为4个半圆形不锈钢结构，两两贴合形成半径略小于所述核心桶桶身外径的环形，由两边的螺丝固定紧，使其固定在核心桶桶身。

进一步地，所述电机采用步进电机。

与目前现有技术相比，本实用新型的优点在于：按照功能仿生的思路研制具有类似仿生对象的运动特征从而实现真正神似的运动仿生效果，具体结构优点在具体实施方式部分中体现

附图说明

图1为仿生蓝点魟整体结构图；

图2为胸鳍整体结构图；

图3为胸鳍摆动结构图；

图4为两侧摆动结构加核心桶截面图；

图5为U型架侧面图；

图6为U型架凹槽示意图；

图7为头部结构整体结构图；

图8为驱动元件固定结构图。

图中附图标记：偏心轮轴1,转动主轴2,U形架3,鳍条4,偏心轮5,转动主轴孔6,仿生凹槽7,旋转轴8,固定孔9,卡钳10,滑槽11,凹槽12，驱动元件固定结构13。

具体实施方式

下面根据附图对本实用新型进行详细描述，其为本实用新型多种实施方式中的一种优选实施例。

参见图1-8，仿生蓝点魟水下推进器包括一对胸鳍、主体、和尾巴系统，在设MPF模式仿生航行器的设计时，为完成基本的六个自由度的运动之外，必须要有良好的机动性、扰动小、高效率等特点，所以在实际机械设计中，须满足以下要求。

a.在整个机械设计时，一定要考虑仿生航行器的所受浮力和自身重力的大小。尽量保证航行器本身在水里属于零浮力状态，另外保证质量呈左右前后对称，仿生航行器的总体重心和浮心位于整个航行器的中间位置。重心要低，在中心的正下方，这样才能保证航行器在水中航行时即使有外界的扰动依然能平稳的运动。在选择各个零件的时候，在满足零件强度等性能的前提下，尽量选择质量轻的材料，减轻航行器本身的重量。

b.考虑到航行器的推进方式时胸鳍的推动方式，所以胸鳍部位的机械设计和蒙皮材料要保证能产生良好的波形效果，且波形完整，易于控制。所以要机械结构稳定，蒙皮材料尽量选择高弹性、低硬度的柔性材料，最终能产生相应的柔性变形。尽量使用圆滑的过渡流线和减阻材料减小航行器在水中的阻力。

c.头部结构为控制航行器沉浮的主要部位，必须要能在一个自由度旋转，主要由舵机驱动，且为传感器(摄像头、避障换能器)预留了位置，且设计本身要尽量与仿生对象的外形形似，根据水下流体分析及和其他元件和机械结构的配合。

一种基于运动实现的仿生蓝点魟水下推进器，包括：一对胸鳍系统、主体和尾巴系统，所述胸鳍系统包括多个摆动结构、电机、偏心轮轴和转动主轴，所述摆动结构包括U形架和鳍条，所述鳍条固接在所述U形架上，所述U形架内设偏心轮，各偏心轮固定在偏心轮轴上，所述U形架还设有转动主轴孔，所述U形架可围绕所述转动主轴转动，各个偏心轮轴向间距固定，周向角度差相等，当偏心轮轴匀速转动时，偏心轮推动各个鳍条运动呈往复性摆动运动，且各个鳍条间相位差相等，通过所述摆动机构可实现将电机匀速转动转化为鳍条往复性摆动运动，同时可通过改变各个偏心轮间相位差来改变推进器的整个胸鳍上行波数目；所述主体采用核心桶结构。所述主体前部连接有头部结构，所述头部结构通过旋转轴固定在所述水下推进器的支架结构，舵机的摆臂固定在所述头部结构上，且所述旋转轴与所述舵机的摆臂轴心在一条线上。还包括驱动元件固定结构,连接所述核心桶和旁边的胸鳍系统，所述驱动元件固定结构左边的四个紧凑的垂直孔与中间的核心桶由螺丝连接，中间的通孔固定电机，最右边的通孔固定U型架的转轴。

运动实现：

调整航行器的动作使航行器能在水中完成六个自由度的航行，调整速度等。

一、空间运动控制

航行器在重力及浮力调配成零浮力状态，即悬浮在水中，但是以特别慢的速度往水下沉，头部略轻，微微上抬。要靠仿生航行器在水中不断的运动才能保证在一定深度运动。

a.前进/后退：头部有一个往上的倾角，约10°，配合两边胸鳍做同频率波，两边尽量不要有相位差，由于柔性系统，控制难度大，相对复杂，为保证走直线，调试过程中尝试一边停止另一边动，这样两边不断轮换的方式。

b.左转/右转：两边步进电机做不同方向的运动，这样两边胸鳍产生不同方向的力，能使仿生航行器做原地自转的运动。头部此时不动即可。

c.上浮/下称：在实际操作过程中，当所述推进器上浮或下沉时，两边的胸鳍系统停止运动，然后使头部结构运动，上浮时头部结构慢慢的上抬，然后突然下压，靠反作用力将头部结构抬起，然后再配合胸鳍运动就可以实现上浮运动，下沉时，头部结构慢慢的下压，然后突然抬起，靠反作用力将头部结构下压，然后再配合胸鳍运动就可以实现下沉运动。

二、速度控制

仿生航行器主要通过胸鳍的频率来控制航行器运动速度，但不是频率越快推力越大，从而速度越大，但是是可以改变速度。下面为MPF模式推力的影响因素：

1.频率：波动产生的推进力随着频率的增加而变大，但是游动的稳定性减弱，但受限于自身的功率、能耗以及效率等因素，频率增加到一定程度后推进效果反而降低，还会增加能耗。

2.波长：波动产生的推进力随着波长的增大而变大且效果非常显著，但是会降低稳定性，且鳍面产生完整的波形会减少晃动。

3.摆幅：进力随摆幅的增加而变大。同时也说明了摆幅对改变游动效果影响没有频率和波长显著,同时摆幅的增加导致游动稳定性能变差。

4.蒙皮形状：鳍面外沿轮廓的分布与仿生鳍摆幅包络线波动模式一致时,产生的推进力效果最佳。

进一步地，所述旋转轴上加有轴承。

进一步地，所述偏心轮上设有六边形的固定孔，所述偏心轮轴为六棱柱,所述U形架具有卡钳，所述卡钳内设滑槽用于偏心轮的滑动，垂直于所述卡钳平面的方向上设置凹槽防止转动时与所述偏心轮轴抵触。

偏心轮实际最终确定为直径为40mm厚度为3mm的铝合金，其中固定孔为边长为2的六边形，固定孔距离偏心轮圆心距离为15.5mm,最大摆角在±20度左右。其中固定孔理论上在圆内距离偏心轮中心越大越好，但是实际上不能太靠近圆的边缘处，不然会和接触的U型架的设计抵住，从而使整体卡住，且U型架的设计也要考虑这一点。实际制作过程中要保证与铝合金六棱柱完全固定住，使用专用的粘合金属的AB胶即可，在圆的边缘处要适合的磨去其棱角，尽最大可能的减少与U型架之间的摩擦。其中铝合金六棱柱主要考虑其重量以及刚性，铝合金六棱柱要和偏心轮之间同步旋转，保证其之间不会实现相对转动。另外在考虑公差加工之后要保证六棱柱和偏心轮之间要完全垂直。

摆动结构的数量及其间距决定最后形成的波数和波长，按照推进波的波形拟合条件确定合理的鳍条数，鳍条数越多越能产生柔顺的波形，鳍条数码太少则波动鳍鳍面呈现的正弦波数太少，而蓝点魟鳍条数有二百条以上，而根据香农采样定理为能模仿正弦运动，两根鳍条至少满足相位差小于90度，而蓝点魟在运动波数介于1.2-1.5之间，综合考虑到上述胸鳍设计整体的长度及冗余，最终使用8根鳍条，每根之间间隔44mm,第一根到第八根之间的距离308mm,形成相位差为60度，约1.17个波数(理想为1.25)。

为保证航行器蒙皮整体中间的近乎刚性和旁边的柔性，在航行器的背鳍处加一层硬度较大的硅胶板，蒙皮紧密的贴合在硅胶板上，保证背鳍处的中心隆起及近刚性。左右上部分的布兜均是为了固定鳍条头部等其他移动部位，保证不会被是运动结构卡死。

由于整体航行器的推力全部来自两边的胸鳍，力是由周期性驱动元件带动固定在六棱柱上的偏心轮然后再传递到固定在U型架上的鳍条，所以要求驱动元件的力矩较大，因为机械结构的限制，驱动元件必须要有以下要求。

a.必须为周期性驱动元件，速度必须可以调整，但是速度要求不高，最大能在2m/s即可。

b.驱动元件的力矩要求较高(具体在设计制作中发现必须大于0.55N

且最好本身要有良好的防水性，保证水下耐压能力大于航行器设计总体耐压能力。

c.本身结构必须易于固定，容易固定在支架上。

综合比较上述性能，高扭矩的步进电机是个很好的选择，配合步进电机驱动板，可以实现高扭矩输出，切易控制，能精确的控制步进电机的转速。

步进电机选型：

步进电机使用传统42步进电机，1.7A电流，在12V的工作电压可以产生0.55NM的力矩。该步进电机的的力矩较大，因为步进电机内部没有芯片等不能防水的工作元件，定子为漆包铜线，转子为磁铁加不锈钢另外外部做了喷漆处理，外壳为不锈钢，接线部分为焊接，防水问题可以很好的解决。

上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于运动实现的仿生蓝点魟水下推进器，其特征在于，包括：一对胸鳍系统、主体和尾巴系统，所述胸鳍系统包括多个摆动结构、电机、偏心轮轴和转动主轴，所述摆动结构包括U形架和鳍条，所述鳍条固接在所述U形架上，所述U形架内设偏心轮，各偏心轮固定在偏心轮轴上，所述U形架还设有转动主轴孔，所述U形架可围绕所述转动主轴转动，各个偏心轮轴向间距固定，周向角度差相等，当偏心轮轴匀速转动时，偏心轮推动各个鳍条运动呈往复性摆动运动，且各个鳍条间相位差相等，通过所述摆动结构可实现将电机匀速转动转化为鳍条往复性摆动运动，同时可通过改变各个偏心轮间相位差来改变推进器的整个胸鳍上行波数目；所述主体采用核心桶结构。

2.如权利要求1所述的基于运动实现的仿生蓝点魟水下推进器，其特征在于，所述主体前部连接有头部结构，所述头部结构通过旋转轴固定在所述水下推进器的支架结构，舵机的摆臂固定在所述头部结构上，且所述旋转轴与所述舵机的摆臂轴心在一条线上。

3.如权利要求1所述的基于运动实现的仿生蓝点魟水下推进器，其特征在于，还包括驱动元件固定结构,连接所述核心桶和旁边的胸鳍系统，所述驱动元件固定结构左边的四个紧凑的垂直孔与中间的核心桶由螺丝连接，中间的通孔固定电机，最右边的通孔固定U型架的转轴。

4.如权利要求2所述的基于运动实现的仿生蓝点魟水下推进器，其特征在于，所述旋转轴上加有轴承。

5.如权利要求1所述的基于运动实现的仿生蓝点魟水下推进器，其特征在于，所述偏心轮上设有六边形的固定孔，所述偏心轮轴为六棱柱,所述U形架具有卡钳，所述卡钳内设滑槽用于偏心轮的滑动，垂直于所述卡钳平面的方向上设置凹槽防止转动时与所述偏心轮轴抵触。

6.如权利要求1所述的基于运动实现的仿生蓝点魟水下推进器，其特征在于，胸鳍系统固定结构为4个半圆形不锈钢结构，两两贴合形成半径略小于所述核心桶桶身外径的环形，由两边的螺丝固定紧，使其固定在核心桶桶身。

7.如权利要求1所述的基于运动实现的仿生蓝点魟水下推进器，其特征在于，所述电机采用步进电机。