專利名稱：胸鰭柔性擺動機(jī)器魚的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機(jī)器魚。
(二)
背景技術(shù)：
當(dāng)前無論是水面艦船還是水下的潛器，絕大多數(shù)采用傳統(tǒng)的螺旋槳做為推進(jìn)器。雖然這種推進(jìn)器現(xiàn)今有其非常大的優(yōu)勢，但在一些特殊的環(huán)境下，存在著局限性。螺旋槳伴有較大的噪音和尾渦，因此潛器的隱蔽性問題較難解決。螺旋槳推進(jìn)器的這些問題不利于開發(fā)具有大范圍轉(zhuǎn)移能力和高機(jī)動性的水下機(jī)器魚，為克服這些問題，適應(yīng)未來水下機(jī)器魚技術(shù)發(fā)展的要求，人們在開發(fā)新能源的同時，也在積極尋找性能更加優(yōu)良的新型推進(jìn)方式。如何設(shè)計和制造高性能的仿生推進(jìn)的機(jī)器魚，成為一個新興的熱點(diǎn)問題。
近年來，隨著仿生學(xué)研究的不斷進(jìn)步，科研工作者的目光集中到長期生活在水下，特別是能在水中自由遨游的魚類的游動機(jī)理的研究上。魚類長期生存在水下，進(jìn)化出了性能完備的游動機(jī)能和器官。在過去，將魚類的這種特殊本領(lǐng)應(yīng)用于船舶及水下潛器這種想法由于種種原因難以實(shí)現(xiàn)，然而，伴隨著仿生學(xué)、材料科學(xué)、自動控制理論等學(xué)科的發(fā)展，利用魚類游動機(jī)理推動機(jī)器人在水下浮游的想法成為現(xiàn)實(shí)。
仿生學(xué)研究表明，仿魚鰭推進(jìn)模式具有高穩(wěn)定性、優(yōu)良的機(jī)動性和隱蔽性，是魚類適應(yīng)復(fù)雜的水下環(huán)境以及上億年自然進(jìn)化的結(jié)果。目前水下仿生技術(shù)研究方面，眾多的研究主要集中于尾鰭的運(yùn)動和魚體的運(yùn)動，如振動的薄片產(chǎn)生推力等。這樣會導(dǎo)致機(jī)器魚只能做有限的機(jī)動，難以實(shí)現(xiàn)懸浮和定位等運(yùn)動。用尾鰭擺動作為推進(jìn)的方式，雖然與螺旋槳相比具有一定的優(yōu)勢，但是仍然具有不少缺點(diǎn)。例如在水中的靈活性不夠，致使其在轉(zhuǎn)彎和掉頭的時候很不靈活；在機(jī)器魚的前進(jìn)過程中，產(chǎn)生擺艏的現(xiàn)象，姿態(tài)不穩(wěn)定，頭尾難以協(xié)調(diào)，不能一直沿著直線方向前進(jìn)，致使其在工程應(yīng)用中有很大的局限性。
在自然界中，有很多魚類，在低速情況下，是利用胸鰭實(shí)現(xiàn)良好的動力定位和機(jī)動。因此，可嘗試?yán)眯伥捵鳛橥七M(jìn)器，胸鰭模式推進(jìn)是指魚類依靠胸鰭的擺動或波動，或者依靠兩者的復(fù)合運(yùn)動來完成自身的推進(jìn)或機(jī)動動作。這種推進(jìn)模式的主體不參與運(yùn)動，只是依靠胸鰭的波動或者擺動來完成推進(jìn)和機(jī)動。它結(jié)合了以上兩種推進(jìn)方式的優(yōu)點(diǎn)，具有穩(wěn)定性好，機(jī)動性高的特點(diǎn)。這正是給仿生水下機(jī)器魚在低速的情況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮和良好的操縱提供了一個很好的解決方案。
涉及到胸鰭驅(qū)動的機(jī)器魚的公開報道有:楊少波等于2008年11月發(fā)表的"一種新型的胸鰭擺動模式推進(jìn)機(jī)器魚設(shè)計與實(shí)現(xiàn)"的科技論文；專利申請?zhí)枮?00510130335，名稱為"一種仿生機(jī)器魚胸鰭結(jié)構(gòu)"的專利文件中公開的技術(shù)方案等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有優(yōu)良的機(jī)動性和操縱性能，具有一定的工程應(yīng)用價值，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊的胸鰭柔性擺動機(jī)器魚。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
它包括外殼，安裝在外殼后部的尾鰭驅(qū)動機(jī)構(gòu)和與尾鰭驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接的尾鰭，所述的外殼為剛性外殼，在外殼的中部靠前的位置設(shè)置有胸鰭推進(jìn)和操縱機(jī)構(gòu)，所述胸鰭推進(jìn)和操縱機(jī)構(gòu)的組成包括設(shè)置在外殼內(nèi)的托架和安裝在托架上的一個胸鰭驅(qū)動電機(jī)，胸鰭驅(qū)動電機(jī)通過主動齒輪帶動左右兩個從動齒輪，左右兩個從動齒輪分別與一個圓柱凸輪固定連接，圓柱凸輪和從動齒輪通過軸承固定在托架上，每個圓柱凸輪有一個與之相配合的凸輪滾子，凸輪滾子沿固定在托架上的支座上下滑動，凸輪滾子上通過滑塊連接有胸鰭連桿，滑塊連接在凸輪滾子上，可以沿凸輪滾子轉(zhuǎn)動，胸鰭連桿可以沿滑塊左右滑動，胸鰭連桿上安裝胸鰭。
本發(fā)明還可以包括
1、 還包括回轉(zhuǎn)操控機(jī)構(gòu)，所述回轉(zhuǎn)操控機(jī)構(gòu)包括安裝在托架上的托架移動控制電機(jī)，托架移動控制電機(jī)軸上安裝回轉(zhuǎn)齒輪，外殼內(nèi)固定有齒條，回轉(zhuǎn)齒輪與齒條相嚙合帶動托架沿著齒條左右移動。
2、 所述外殼的底部布置三條縱桁，在中部、艏艉曲線變化較大處及兩側(cè)過
渡位置布置有五條環(huán)形肋骨，整體用蒙皮包住。
3、 所述胸鰭一面為柔性， 一面為剛性。
本發(fā)明是對現(xiàn)有傳統(tǒng)推進(jìn)原理的革新，主要包括機(jī)器魚"鼠標(biāo)"型外形、推進(jìn)和操縱機(jī)構(gòu)、柔性胸鰭等三部分。該機(jī)器魚形狀酷似鼠標(biāo)，是由鼠標(biāo)外形啟發(fā)，并配有一剛性梯形尾鰭和一對柔性梯形胸鰭。此機(jī)器魚是將整體用蒙皮包住，中間用多節(jié)骨架將蒙皮撐起。機(jī)器魚底部布置三條縱桁，并依據(jù)設(shè)計的機(jī)器魚外殼形狀，制作環(huán)形肋骨，在機(jī)器魚中部、艏艉曲線變化較大處及兩側(cè)過渡位置布置五條環(huán)形肋骨，將機(jī)器魚的整體框架撐起，外殼用玻璃鋼制成，整體形成水密結(jié)構(gòu)。魚體外殼沒有采用真實(shí)魚類的型線，外形比較肥大，在阻力性能上可能會差一些，采用此種型線主要是從總布置以及機(jī)動性方面考慮。機(jī)器魚形狀酷似"鼠標(biāo)"，具有優(yōu)良的機(jī)動性和操縱性能，具有一定的工程應(yīng)用價值。
該機(jī)器魚是利用柔性胸鰭擺動實(shí)現(xiàn)推進(jìn)的。所選的傳動機(jī)構(gòu)為圓柱凸輪機(jī)構(gòu)，出發(fā)點(diǎn)是把垂直面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為水平面內(nèi)的擺動。對于擺動圓柱凸輪運(yùn)動機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)將連續(xù)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為從動件直線移動或擺動。只需要設(shè)計適當(dāng)?shù)妮喞€，從動件便可獲得任意的運(yùn)動規(guī)律，且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計方便。為保證胸鰭的運(yùn)動同步性，機(jī)器魚的一對胸鰭用一個電機(jī)帶動，利用三個齒輪的嚙合實(shí)現(xiàn)兩個圓柱凸輪的同步，圓柱凸輪輪廓為正弦曲線，滑塊在凸輪凹槽內(nèi)可運(yùn)動，凸輪的轉(zhuǎn)動推動滑塊，滑塊與胸鰭連接桿相連，將凸輪轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為胸鰭的擺動。胸鰭的擺動運(yùn)動相當(dāng)于劃槳，進(jìn)行推動機(jī)器魚前進(jìn)。
(四)


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2是胸鰭推進(jìn)和操縱機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖3是圖2的局部放大圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述
機(jī)器魚沒有仿照魚類的柔性身軀，而是采用剛性軀體。選擇則性軀體是由于一個剛性的軀體提供了幾個優(yōu)于柔性體的特點(diǎn)。首要地，操縱一個剛性軀體要求較少的機(jī)械裝置，簡化系統(tǒng)不僅釋放了更多的內(nèi)部空間用于極需的有效負(fù)載，而且增加了系統(tǒng)的可靠性。
結(jié)合圖1、 2、 3，機(jī)器魚胸鰭驅(qū)動電機(jī)2通過主動齒輪3帶動從動齒輪4、 5，從動齒輪4、 5與圓柱凸輪6、 8固定連接，利用軸承固定在托架1上，凸輪滾子15、 16沿固定在托架1上的支座上下滑動。胸鰭連桿13、 14通過滑塊7、 9與凸輪滾子15、 16連接，滑塊連接在滾子上，可以沿滾子轉(zhuǎn)動，胸鰭連桿可以沿滑塊左右滑動。這樣電機(jī)的轉(zhuǎn)動通過圓柱凸輪轉(zhuǎn)變?yōu)樾伥挼耐鶑?fù)擺動。為保證胸鰭的運(yùn)動同步性，機(jī)器魚的一對胸鰭用一個電機(jī)帶動，利用三個齒輪的嚙合實(shí)現(xiàn)兩個圓柱凸輪的同步。
尾鰭驅(qū)動機(jī)構(gòu)和與尾鰭驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接的尾鰭，的組成包括電池17、尾鰭控制電機(jī)齒條18、凸輪19、尾鰭連接桿20、尾鰭21和第二托架22。
利用機(jī)器魚的胸鰭推進(jìn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)，還可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的水平面內(nèi)回轉(zhuǎn)運(yùn)動。托架移動控制電機(jī)IO，帶動回轉(zhuǎn)齒輪ll轉(zhuǎn)動，這樣托架1沿著固定于機(jī)器魚體上的齒條12左右移動，從而改變胸鰭連桿13、 14與滑塊7、 9的相對位置，導(dǎo)致左右胸鰭的擺幅不同，從而形成回轉(zhuǎn)力矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚水平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。另外，整個托架1的移動會導(dǎo)致機(jī)器魚重心的移動，機(jī)器魚的浮態(tài)和穩(wěn)性將隨之改變，經(jīng)過計算不影響機(jī)器魚的性能。
機(jī)器魚是將整體用蒙皮包住，中間用多節(jié)骨架將蒙皮撐起。機(jī)器魚底部布置三條縱桁，并依據(jù)設(shè)計的機(jī)器魚外殼形狀，制作環(huán)形肋骨，在機(jī)器魚中部、艏艉曲線變化較大處及兩側(cè)過渡位置布置五條環(huán)形肋骨，將機(jī)器魚的整體框架撐起，外殼用玻璃鋼制成，整體形成水密結(jié)構(gòu)。
胸鰭的柔性擺動是指胸鰭通過在擺動過程中變形來實(shí)現(xiàn)，使胸鰭運(yùn)動過程中產(chǎn)生最大的推水作用力和最小回收的阻力，從而提高機(jī)器魚的推進(jìn)效率。機(jī)器魚的胸鰭，可見面為胸鰭的回收面，用2塊矩形和2塊三角形鋁合金制成，厚度為5cm，推水面用有機(jī)硅膠制成，厚度為5-10cm，即中間較厚，兩邊較薄。這樣，剛性的鋁合金保證了胸鰭以展開的形狀推水；回收時，由于有機(jī)硅膠可變形，使4塊鋁合金分開，改變胸鰭形狀，減小胸鰭回收阻力。
權(quán)利要求
1、一種胸鰭柔性擺動機(jī)器魚，它包括外殼，安裝在外殼后部的尾鰭驅(qū)動機(jī)構(gòu)和與尾鰭驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接的尾鰭，其特征是所述的外殼為剛性外殼，在外殼的中部靠前的位置設(shè)置有胸鰭推進(jìn)和操縱機(jī)構(gòu)，所述胸鰭推進(jìn)和操縱機(jī)構(gòu)的組成包括設(shè)置在外殼內(nèi)的托架和安裝在托架上的一個胸鰭驅(qū)動電機(jī)，胸鰭驅(qū)動電機(jī)通過主動齒輪帶動左右兩個從動齒輪，左右兩個從動齒輪分別與一個圓柱凸輪固定連接，圓柱凸輪和從動齒輪通過軸承固定在托架上，每個圓柱凸輪有一個與之相配合的凸輪滾子，凸輪滾子沿固定在托架上的支座上下滑動，凸輪滾子上通過滑塊連接有胸鰭連桿，滑塊連接在凸輪滾子上，可以沿凸輪滾子轉(zhuǎn)動，胸鰭連桿可以沿滑塊左右滑動，胸鰭連桿上安裝胸鰭。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的胸鰭柔性擺動機(jī)器魚，其特征是還包括回轉(zhuǎn)操 控機(jī)構(gòu)，所述回轉(zhuǎn)操控機(jī)構(gòu)包括安裝在托架上的托架移動控制電機(jī)，托架移動 控制電機(jī)軸上安裝回轉(zhuǎn)齒輪，外殼內(nèi)固定有齒條，回轉(zhuǎn)齒輪與齒條相嚙合帶動 托架沿著齒條左右移動。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的胸鰭柔性擺動機(jī)器魚，其特征是所述外殼 的底部布置三條縱桁，在中部、艏艉曲線變化較大處及兩側(cè)過渡位置布置有五 條環(huán)形肋骨，整體用蒙皮包住。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的胸鰭柔性擺動機(jī)器魚，其特征是所述胸鰭 一面為柔性， 一面為剛性。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的胸鰭柔性擺動機(jī)器魚，其特征是所述胸鰭一面 為柔性， 一面為剛性。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種胸鰭柔性擺動機(jī)器魚。它包括外殼，安裝在外殼后部的尾鰭驅(qū)動機(jī)構(gòu)和與尾鰭驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接的尾鰭，外殼為剛性外殼，其中設(shè)置有胸鰭推進(jìn)和操縱機(jī)構(gòu)，包括設(shè)置在外殼內(nèi)的托架和安裝在托架上的一個電機(jī)，電機(jī)通過主動齒輪帶動左右兩個從動齒輪，兩個從動齒輪分別與圓柱凸輪固定連接，圓柱凸輪和從動齒輪通過軸承固定在托架上，每個圓柱凸輪配合有凸輪滾子，凸輪滾子沿固定在托架上的支座上下滑動，凸輪滾子上通過滑塊連接有胸鰭連桿，滑塊連接在凸輪滾子上胸鰭連桿上安裝胸鰭。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。
文檔編號B63C11/00GK101665147SQ20091007292
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者凱 于, 史長權(quán), 王麗艷, 王立權(quán), 勝 黃 申請人:哈爾濱工程大學(xué)