本發(fā)明涉及一種水下仿生胸鰭推進(jìn)裝置，屬于水下潛器技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，是一種能夠模仿海洋中胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)的蝠鲼胸鰭三維運(yùn)動(dòng)變形的多鰭條多關(guān)節(jié)仿生胸鰭驅(qū)動(dòng)骨架。

背景技術(shù)：
魚類經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的自然選擇，進(jìn)化出了近乎完美的游動(dòng)技能，尤其在速度、機(jī)動(dòng)性、效率、低噪聲等諸多方面表現(xiàn)非常突出。但是人類研發(fā)的水下螺旋槳推進(jìn)器，與魚類相比，在速度、機(jī)動(dòng)性、效率等諸多方面均表現(xiàn)欠佳。因而越來(lái)越多的研究者試圖通過(guò)仿生方式來(lái)提高水下推進(jìn)器的性能，因此水下仿生機(jī)器人也受到了越來(lái)越多的關(guān)注。魚類的推進(jìn)方式主要分為兩種，身體/尾鰭推進(jìn)模式(body/caudalfinmode,BCF)和中央鰭/對(duì)鰭推進(jìn)模式(medianand/orpairedfinmode,MPF)。本發(fā)明中的仿生原型(蝠鲼)依靠胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)，屬于MPF魚類的一種，與BCF模式相比，在機(jī)動(dòng)性、噪聲、游動(dòng)效率方面具備明顯優(yōu)勢(shì)。蝠鲼胸鰭在擺動(dòng)時(shí)，其展向截面形狀為多項(xiàng)式曲線，通常有三種方法以擬合曲線運(yùn)動(dòng)規(guī)律：智能材料、柔性機(jī)構(gòu)、剛性機(jī)構(gòu)。智能材料與柔性機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力較小，導(dǎo)致仿生機(jī)器魚游速低等問題，而多數(shù)剛性機(jī)構(gòu)存在鰭條外形隆起，導(dǎo)致胸鰭外形不美觀、不光滑，驅(qū)動(dòng)效率低等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決上述問題，在擬合胸鰭變形的多項(xiàng)式曲線的前提下，優(yōu)化胸鰭的變形效果，提高胸鰭外形的光滑程度，本發(fā)明提出一種基于行星輪系和同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的水下推進(jìn)裝置，而且能夠裝備到水下潛器機(jī)體上的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活的水下推進(jìn)裝置。基于行星輪系和同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的水下推進(jìn)裝置，其特征在于：包括前鰭條、中鰭條與后鰭條，均由m組傳動(dòng)桿、m套行星輪系機(jī)構(gòu)、一根尾桿與一個(gè)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)構(gòu)成；m≥1且m為自然數(shù)。所述傳動(dòng)桿內(nèi)部具有空腔，安裝有同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，兩個(gè)同步帶輪分別通過(guò)輪軸安裝于傳動(dòng)桿的輸入端與輸出端；行星輪系機(jī)構(gòu)具有相互嚙合的太陽(yáng)輪和行星輪。上述m組傳動(dòng)桿中，位于末端傳動(dòng)桿的輸入端與驅(qū)動(dòng)舵機(jī)輸出軸固定，由驅(qū)動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)桿上下擺動(dòng)；且通過(guò)一套行星輪系機(jī)構(gòu)將傳動(dòng)桿上下擺動(dòng)轉(zhuǎn)化為末端傳動(dòng)桿的輸入端輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使末端傳動(dòng)桿內(nèi)同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。當(dāng)m>1時(shí)，第n組傳動(dòng)桿與第n+1組傳動(dòng)桿中，n＝1、2、3、……、m-1，第n+1組傳動(dòng)桿的輸入端與第n組傳動(dòng)桿輸出端的轉(zhuǎn)軸固定；進(jìn)而使第n組傳動(dòng)桿內(nèi)同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞至第n+1組傳動(dòng)桿，驅(qū)動(dòng)第n+1組傳動(dòng)桿的上下擺動(dòng)；且通過(guò)一套行星輪系機(jī)構(gòu)將第n組傳動(dòng)桿上下擺動(dòng)轉(zhuǎn)化為第n+1組傳動(dòng)桿的輸入端輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使第n+1組傳動(dòng)桿內(nèi)同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞傳動(dòng)。第m組傳動(dòng)桿的輸出端輪軸通過(guò)尾桿連接臂與尾桿末端固定，通過(guò)第m組傳動(dòng)桿內(nèi)同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞至尾桿，驅(qū)動(dòng)尾桿上下擺動(dòng)。上述前鰭條、中鰭條與后鰭條中驅(qū)動(dòng)舵機(jī)安裝于舵機(jī)安裝座上，通過(guò)舵機(jī)安裝座與機(jī)器魚中間基體固定。通過(guò)合理控制鰭條間的運(yùn)動(dòng)相位差，本發(fā)明基于行星輪系和同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的水下推進(jìn)裝置，可實(shí)現(xiàn)由展向擺動(dòng)以及弦向波動(dòng)耦合而成的復(fù)雜三維運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：1、本發(fā)明基于行星輪系和同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的水下推進(jìn)裝置，前鰭條、中鰭條、后鰭條均采用防水舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠擬合仿生對(duì)象蝠鲼的胸鰭展向變形規(guī)律；2、本發(fā)明基于行星輪系和同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的水下推進(jìn)裝置，能夠靈活應(yīng)用于仿生水下航行器中，根據(jù)航行器的尺寸以及任務(wù)需求，可以靈活選擇鰭條的數(shù)目以及展向長(zhǎng)度。3、本發(fā)明基于行星輪系和同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的水下推進(jìn)裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，在鰭條的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，鰭條運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)處無(wú)隆起，外形光滑，可以采用非透水整體澆筑蒙皮包覆。4、本發(fā)明基于行星輪系和同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的水下推進(jìn)裝置，前鰭條與后鰭條采用相同關(guān)節(jié)數(shù)目及剛度的鰭條，使得航行器具備良好的倒游能力；5、本發(fā)明基于行星輪系和同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的水下推進(jìn)裝置，中鰭條尾桿上裝有轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，提高了胸鰭尖端的弦向轉(zhuǎn)動(dòng)能力，相鄰鰭條通過(guò)彈簧牽連，以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明基于行星輪系和同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的水下推進(jìn)裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明基于行星輪系和同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的水下推進(jìn)裝置的前鰭條或后鰭條結(jié)構(gòu)爆炸圖；圖3為本發(fā)明基于行星輪系和同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的水下推進(jìn)裝置的中鰭條結(jié)構(gòu)爆炸圖。圖中：1-前鰭條2-中鰭條3-后鰭條4-傳動(dòng)桿5-尾桿6-尾桿安裝臂7-行星輪系機(jī)構(gòu)8-驅(qū)動(dòng)舵機(jī)9-舵機(jī)安裝座10-彈簧11-轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)12-中間基體401-連桿402-蓋板403-同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)403a-傳動(dòng)帶輪403b-傳動(dòng)帶701-太陽(yáng)輪702-行星輪具體實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明仿生胸鰭鰭條裝置，包括前鰭條1、中鰭條2與后鰭條3，前鰭條1、中鰭條2、后鰭條3分別沿弦向等間隔設(shè)置，如圖1、圖2、圖3所示。本實(shí)施例方式中，前鰭條1與后鰭條3均包括一組傳動(dòng)桿4、一根尾桿5、一組尾桿安裝臂6、一套行星輪系機(jī)構(gòu)7、一個(gè)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)8以及舵機(jī)安裝座9。而中鰭條包括兩組傳動(dòng)桿4、一根尾桿5、一組尾桿安裝臂6、兩套行星輪系機(jī)構(gòu)7、一個(gè)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)8以及舵機(jī)安裝座9。其中，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)安裝座9用來(lái)支撐驅(qū)動(dòng)舵機(jī)8，固定安裝于機(jī)器魚中間基體12上。傳動(dòng)桿4包括兩根連桿401、一組蓋板402與一套同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)403；兩根連桿401通過(guò)一組上下設(shè)置的蓋板402固定，內(nèi)部形成空腔，作為同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)403安裝腔。同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)403由兩個(gè)傳動(dòng)帶輪403a與一條傳動(dòng)帶403b構(gòu)成，兩個(gè)傳動(dòng)帶輪403a分別設(shè)置于傳動(dòng)桿401的輸入端與輸出端處，固定于轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸兩端分別與兩根連桿401的相對(duì)位置通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承相連；兩個(gè)傳動(dòng)帶輪403a間通過(guò)傳動(dòng)皮帶403b相連。行星輪系機(jī)構(gòu)7包括相互嚙合的太陽(yáng)輪701與行星輪702，用于將驅(qū)動(dòng)舵機(jī)8輸出的動(dòng)力傳遞至同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)403。行星輪系機(jī)構(gòu)7通過(guò)齒輪箱封裝，防止在行星輪系機(jī)構(gòu)7運(yùn)動(dòng)過(guò)程中卷入異物。所述前鰭條1與后鰭條3結(jié)構(gòu)相同，具體為：將傳動(dòng)桿4視為行星架，則太陽(yáng)輪701固定安裝在舵機(jī)安裝座9上，行星輪702固定安裝在傳動(dòng)桿4輸入端的轉(zhuǎn)軸上。驅(qū)動(dòng)舵機(jī)8的輸出軸穿過(guò)太陽(yáng)輪701后，與傳動(dòng)桿4輸入端外壁固定；傳動(dòng)桿4輸出端的轉(zhuǎn)軸兩端通過(guò)一組尾桿安裝臂6與尾桿5的末端固定。由此，通過(guò)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)8可以直接將動(dòng)力傳遞至傳動(dòng)桿4，使傳動(dòng)桿4上下擺動(dòng)；同時(shí)傳動(dòng)桿4帶動(dòng)行星輪702繞太陽(yáng)輪701轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)傳動(dòng)桿4輸入端的傳動(dòng)帶輪403a轉(zhuǎn)動(dòng)，由此動(dòng)力通過(guò)同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)403傳遞至尾桿5，帶動(dòng)尾桿5上下擺動(dòng)。所述中鰭條2的具體結(jié)構(gòu)為：令中鰭條2中兩組傳動(dòng)桿4分別為第一傳動(dòng)桿與第二傳動(dòng)桿，兩套行星輪系機(jī)構(gòu)7分別為第一行星輪系機(jī)構(gòu)與第二行星輪系機(jī)構(gòu)。將第一傳動(dòng)桿視為第一行星輪系的行星架，則第一行星輪系機(jī)構(gòu)中太陽(yáng)輪701固定安裝在舵機(jī)安裝座9上，行星輪702安裝在第一傳動(dòng)桿輸入端的轉(zhuǎn)軸上。驅(qū)動(dòng)舵機(jī)8的輸出軸穿過(guò)第一行星輪系機(jī)構(gòu)中的太陽(yáng)輪701后與第一傳動(dòng)桿輸入端固定。第二傳動(dòng)桿的輸入端固定于第一傳動(dòng)桿輸出端的轉(zhuǎn)軸上。將第二傳動(dòng)桿視為第二行星輪系的行星輪架，第二行星輪系機(jī)構(gòu)中太陽(yáng)輪701固定安裝在第一級(jí)傳動(dòng)桿的輸出端外壁上，行星輪702與第二傳動(dòng)桿輸入端的轉(zhuǎn)軸固定。第二傳動(dòng)桿輸出端的轉(zhuǎn)軸兩端通過(guò)尾桿安裝臂6與尾桿5的末端固定。由此，通過(guò)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)8可以直接將動(dòng)力傳遞至第一傳動(dòng)桿，使第一傳動(dòng)桿上下擺動(dòng)；同時(shí)第一傳動(dòng)桿帶動(dòng)第一行星輪系機(jī)構(gòu)中行星輪702繞太陽(yáng)輪701轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)第一傳動(dòng)桿輸入端的傳動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由此動(dòng)力通過(guò)同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)403傳遞至第二傳動(dòng)桿，使第二傳動(dòng)桿上下擺動(dòng)；同時(shí)第二傳動(dòng)桿帶動(dòng)第二行星輪系機(jī)構(gòu)中行星輪702繞太陽(yáng)輪701轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)第二傳動(dòng)桿輸入端的傳動(dòng)帶輪403a轉(zhuǎn)動(dòng)，由此動(dòng)力通過(guò)同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)403傳遞至尾桿5，帶動(dòng)尾桿5上下擺動(dòng)。本發(fā)明中各行星輪系機(jī)構(gòu)中太陽(yáng)輪701與行星輪702的分度圓直徑相同，進(jìn)而使前鰭條1與后鰭條3的傳動(dòng)桿4與尾桿擺動(dòng)角度比為1：2；中鰭條2的第一傳動(dòng)桿、第二傳動(dòng)桿與尾桿5間的擺動(dòng)角度比為1：2：3，由此使各鰭條的受力特性良好，尺寸緊湊，同時(shí)機(jī)構(gòu)對(duì)自然原型擺動(dòng)曲線具有最佳的擬合效果。上述前鰭條1、中鰭條2與后鰭條3均采用行星輪系機(jī)構(gòu)7與同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)403實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，且由自身作為行星輪系機(jī)構(gòu)7的行星架，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)以緊湊的機(jī)構(gòu)形式擬合自然原型胸鰭擺動(dòng)曲線。同時(shí)設(shè)計(jì)同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)403安裝于傳動(dòng)桿4內(nèi)部，便于同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)403的密封，防止運(yùn)動(dòng)過(guò)程中異物卷入同步帶。本發(fā)明中前鰭條1與后鰭條3的尾桿5設(shè)計(jì)為條形板狀結(jié)構(gòu)；中鰭條2的尾桿5設(shè)計(jì)為尖端兩側(cè)具有連接端頭的T型板狀結(jié)構(gòu)，前鰭條1與后鰭條2中尾桿5尖端分別與中鰭條2中尾桿5尖端兩側(cè)的連接端頭通過(guò)彈簧10相連；同時(shí)使中鰭條2的第二傳動(dòng)桿與尾桿5間通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)11相連。所述轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)11具有轉(zhuǎn)動(dòng)座與弦向轉(zhuǎn)軸，弦向轉(zhuǎn)軸插入轉(zhuǎn)動(dòng)座內(nèi)，周向上可轉(zhuǎn)動(dòng)，且通過(guò)在轉(zhuǎn)動(dòng)座上固定檔蓋，實(shí)現(xiàn)弦向轉(zhuǎn)軸軸向定位，以限制弦向轉(zhuǎn)軸沿展向的移動(dòng)。即第二傳動(dòng)桿通過(guò)尾桿安裝臂6與轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)11的轉(zhuǎn)動(dòng)座固定，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)11的弦向轉(zhuǎn)軸與尾桿5末端固定，由此使得尾桿5具有弦向俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在本發(fā)明基于行星輪系和同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的水下推進(jìn)裝置運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)彈簧10的拉力可驅(qū)動(dòng)中鰭條2的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)11轉(zhuǎn)動(dòng)，提高了胸鰭尖端的弦向運(yùn)動(dòng)能力。本發(fā)明中前鰭條1、中鰭條2與后鰭條3的尾桿5均為具備良好柔性變形能力的碳纖維桿，以提高鰭條末端的柔性變形能力，進(jìn)而提高仿生推進(jìn)裝置的推進(jìn)效率。上述結(jié)構(gòu)兩套仿生胸鰭鰭條裝置對(duì)稱安裝于水下機(jī)器魚中間基體12兩側(cè)，前鰭條1、中鰭條2、后鰭條3通過(guò)舵機(jī)安裝座9固定安裝于水下機(jī)器魚中間基體12側(cè)壁上；且前鰭條1、中鰭條2、后鰭條3的驅(qū)動(dòng)舵機(jī)8的輸出軸均通過(guò)軸承與水下機(jī)器魚中間基體12側(cè)壁上的三個(gè)軸承座相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)前鰭條1、中鰭條2、后鰭條3的支撐。通過(guò)合理控制鰭條間的運(yùn)動(dòng)相位差，本發(fā)明基于行星輪系和同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的水下推進(jìn)裝置，可實(shí)現(xiàn)由展向擺動(dòng)以及弦向波動(dòng)耦合而成的復(fù)雜三維運(yùn)動(dòng)。