本發(fā)明涉及仿生機(jī)器魚技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于鲹科魚類的三自由度的仿生胸鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

水下機(jī)器人作為人類大腦和肢體在水下的延伸，能夠在人類無法到達(dá)的水下深度和廣度上進(jìn)行探測、識別和作業(yè)，因此水下機(jī)器人在海洋石油開發(fā)、礦藏調(diào)查、打撈作業(yè)、水質(zhì)實時監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著海洋資源的開發(fā)利用和海洋軍事領(lǐng)域的廣泛需求，傳統(tǒng)的水下探測器因其具有效率低、機(jī)動性差、噪音高等缺點已經(jīng)不能滿足科研和工程的上需要，為了克服這些問題，適應(yīng)未來水下航行器發(fā)展的要求，人們在開發(fā)新能源的同時，也在積極的尋找性能更加優(yōu)良的新型推進(jìn)方式。

仿生學(xué)研究表明，仿魚鰭推進(jìn)模式具有高效率、高穩(wěn)定性、優(yōu)良的機(jī)動性、噪音低、對環(huán)境擾動小等優(yōu)勢，是魚類為了適應(yīng)復(fù)雜的水下生活，經(jīng)過億萬年的自然進(jìn)化的結(jié)果，它為研制效率高、機(jī)動性好和噪聲低的水下航行器提供了新的思路。例如魚類通過尾鰭、胸鰭、背鰭、臀鰭和腹鰭的配合，其游動效率普遍超過了80%，其中鲹科魚類的游動效率更高，可以達(dá)到90%，反觀傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)裝置，它的平均推進(jìn)效率僅為40-50%。因此，進(jìn)一步開展對仿生機(jī)器魚運動機(jī)理的深入研究具有非常重要的作用。同時，應(yīng)用現(xiàn)代控制方法，控制其仿生機(jī)器魚的推進(jìn)器，使得其的運動更具仿生性、效率更高，也是具有重要的研究意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提供一種使仿生機(jī)器魚具有高機(jī)動性、高效率，并且能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的三維運動的基于鲹科魚類的三自由度仿生胸鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：

一種基于鲹科魚類的三自由度的仿生胸鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)，包括輸出軸、框架、仿生胸鰭和驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所述驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括拍翼機(jī)構(gòu)和搖翼機(jī)構(gòu)，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過輸出軸與仿生胸鰭連接，所述框架上連接輸出軸。

所述拍翼機(jī)構(gòu)，所述拍翼機(jī)構(gòu)的輸出軸設(shè)在中間滑塊上，中間滑塊上連接橫縱雙向的滑桿，框架上設(shè)有皮帶輪、機(jī)架和線軸承，機(jī)架之間設(shè)有連接桿，連接桿上設(shè)有移動塊，移動塊與滑桿連接，皮帶輪之間設(shè)有皮帶，拍翼步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動皮帶帶動移動塊、連接桿和滑桿運動，連接桿和滑桿帶動中間滑塊移動。

所述搖翼機(jī)構(gòu)，所述搖翼機(jī)構(gòu)在框架上設(shè)置底板，底板上設(shè)有連接片，連接片上連接搖翼步進(jìn)電機(jī)、齒輪對、軸承座和軸承；搖翼步進(jìn)電機(jī)通過齒輪對帶動輸出軸旋轉(zhuǎn)。

所述搖翼步進(jìn)電機(jī)通過連接短軸與輸出軸連接。

所述連接短軸通過端蓋固定在框架上。

所述仿生胸鰭的形狀呈扇形。

所述框架為鋁黃銅合金。

本發(fā)明的有益效果為：

1、一種基于鲹科魚類的三自由度的仿生胸鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)，包括輸出軸、框架、仿生胸鰭和驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所述驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括拍翼機(jī)構(gòu)和搖翼機(jī)構(gòu)，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過輸出軸與仿生胸鰭連接，所述框架上連接輸出軸?？梢詫崿F(xiàn)仿生機(jī)器魚在水中的多種復(fù)雜動作，例如前進(jìn)后退、上升下潛、懸停轉(zhuǎn)彎等等，實現(xiàn)了機(jī)器魚在空間中的復(fù)雜三維運動。運動性能更佳貼合仿生生物。

2、所述搖翼步進(jìn)電機(jī)通過連接短軸與輸出軸連接。所述連接短軸通過端蓋固定在框架上。減少整體設(shè)備軸距仿生胸鰭的形狀呈扇形，運行傳動效率更高。所述

3、所述框架為鋁黃銅合金。可在冷態(tài)及熱態(tài)下進(jìn)行壓力加工,對海水及鹽水有良好的耐蝕性，并耐沖擊腐蝕，加工較為便捷，塑性性能好，仿生尺寸更容易加工。

綜上所述，對稱放置的兩套胸鰭的拍翼推進(jìn)機(jī)構(gòu)以及與之相連接的兩套搖翼推進(jìn)機(jī)構(gòu)。拍翼機(jī)構(gòu)實現(xiàn)上下和左右的拍翼運動，搖翼機(jī)構(gòu)實現(xiàn)整體的旋轉(zhuǎn)運動。胸鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)的拍翼運動和搖翼運動相互分離、互不干涉，既能夠單獨運動也能耦合運動，能夠?qū)崿F(xiàn)任意方向上的推進(jìn)力，因此可以實現(xiàn)機(jī)器魚在空間中的復(fù)雜的三維運動。本發(fā)明和以往大多數(shù)機(jī)器魚相比，無論是在驅(qū)動形式的多樣性或者是自由度數(shù)上，都有無以比擬的優(yōu)勢，從而可以使機(jī)器魚更加自如、穩(wěn)定的游動。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明胸鰭拍翼機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明胸鰭搖翼機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明胸鰭搖翼機(jī)構(gòu)的裝配示意圖。

具體實施方式

一種基于鲹科魚類的三自由度的仿生胸鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)，包括輸出軸1、框架2、仿生胸鰭3和驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所述驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括拍翼機(jī)構(gòu)和搖翼機(jī)構(gòu)，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過輸出軸1與仿生胸鰭3連接，所述框架2上連接輸出軸1。

所述拍翼機(jī)構(gòu)，所述拍翼機(jī)構(gòu)的輸出軸1設(shè)在中間滑塊20上，中間滑塊20上連接橫縱雙向的滑桿29，框架2上設(shè)有皮帶輪22、機(jī)架26和線軸承25，機(jī)架26之間設(shè)有連接桿28，連接桿28上設(shè)有移動塊27，移動塊27與滑桿29連接，皮帶輪22之間設(shè)有皮帶23，拍翼步進(jìn)電機(jī)21驅(qū)動皮帶23帶動移動塊27、連接桿28和滑桿29運動，連接桿28和滑桿29帶動中間滑塊20移動。所述搖翼機(jī)構(gòu)，所述搖翼機(jī)構(gòu)在框架2上設(shè)置底板34，底板34上設(shè)有連接片31，連接片31上連接搖翼步進(jìn)電機(jī)30、齒輪對32、軸承座33和軸承35；搖翼步進(jìn)電機(jī)30通過齒輪對32帶動輸出軸1旋轉(zhuǎn)。所述搖翼步進(jìn)電機(jī)30通過連接短軸36與輸出軸1連接。所述連接短軸36通過端蓋37固定在框架2上。所述仿生胸鰭3的形狀呈扇形。所述框架2為鋁黃銅合金。

結(jié)合圖1-4所示，本發(fā)明基于鲹科魚類的三自由度仿生胸鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)包括仿生胸鰭、對稱放置的兩套胸鰭的拍翼推進(jìn)機(jī)構(gòu)以及與之相連接的兩套搖翼推進(jìn)機(jī)構(gòu)。拍翼機(jī)構(gòu)實現(xiàn)上下和左右的拍翼運動，搖翼機(jī)構(gòu)實現(xiàn)整體的旋轉(zhuǎn)運動。胸鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)采用模塊化設(shè)計，對稱分布在魚體中軸線兩側(cè)。

本發(fā)明基于鲹科魚類的三自由度仿生胸鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)器魚主體的腹部位置，使兩片仿生胸鰭3轉(zhuǎn)動，仿生胸鰭3實現(xiàn)擺動的動作。

本發(fā)明基于鲹科魚類的三自由度仿生胸鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)的工作進(jìn)程為：

1.當(dāng)緊固在框架上的一個步進(jìn)電機(jī)21運轉(zhuǎn)，與連接片連接的步進(jìn)電機(jī)30不運轉(zhuǎn)時，皮帶輪機(jī)構(gòu)帶動移動塊27在移動桿24上運動，從而帶動中間滑塊20的運動，最終使輸出軸1運動，仿生胸鰭3實現(xiàn)上下或左右的拍翼運動。

2.當(dāng)緊固在框架上的兩個拍翼步進(jìn)電機(jī)21同時運轉(zhuǎn)，與連接片連接的搖翼步進(jìn)電機(jī)30不運轉(zhuǎn)時，皮帶輪機(jī)構(gòu)帶動移動塊27在移動桿24上運動，從而帶動中間滑塊20的運動，最終使輸出軸1運動，仿生胸鰭3實現(xiàn)平面內(nèi)的任意方向的拍翼運動。

3.當(dāng)緊固在框架上的兩個拍翼步進(jìn)電機(jī)21不運轉(zhuǎn)，與連接片連接的搖翼步進(jìn)電機(jī)30運轉(zhuǎn)時，齒輪對32通過連接短軸36使整個框架2部分整體轉(zhuǎn)動，輸出軸1轉(zhuǎn)動，仿生胸鰭3實現(xiàn)搖翼運動。

4.當(dāng)緊固在框架2上的一個拍翼步進(jìn)電機(jī)21運轉(zhuǎn)，與連接片31連接的搖翼步進(jìn)電機(jī)30運轉(zhuǎn)或者當(dāng)緊固在框架上的兩個拍翼步進(jìn)電機(jī)21運轉(zhuǎn)，與連接片連接的搖翼步進(jìn)電機(jī)30運轉(zhuǎn)時，仿生胸鰭3實現(xiàn)拍翼和搖翼的復(fù)合動作。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及仿生機(jī)器魚技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于鲹科魚類的三自由度的仿生胸鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)。對稱放置的兩套胸鰭的拍翼推進(jìn)機(jī)構(gòu)以及與之相連接的兩套搖翼推進(jìn)機(jī)構(gòu)。拍翼機(jī)構(gòu)實現(xiàn)上下和左右的拍翼運動，搖翼機(jī)構(gòu)實現(xiàn)整體的旋轉(zhuǎn)運動。胸鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)的拍翼運動和搖翼運動相互分離、互不干涉，既能夠單獨運動也能耦合運動，能夠?qū)崿F(xiàn)任意方向上的推進(jìn)力，因此可以實現(xiàn)機(jī)器魚在空間中的復(fù)雜的三維運動。本發(fā)明和以往大多數(shù)機(jī)器魚相比，無論是在驅(qū)動形式的多樣性或者是自由度數(shù)上，都有無以比擬的優(yōu)勢，從而可以使機(jī)器魚更加自如、穩(wěn)定的游動。

技術(shù)研發(fā)人員：李宗剛;嚴(yán)健;葛立明;石慧榮;麻有田;冀慶恩;夏文卿
受保護(hù)的技術(shù)使用者：蘭州交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.06.14
技術(shù)公布日：2017.08.29