一种胸鳍同频异幅的仿生鳐鱼摆动机构制造技术

一种胸鳍同频异幅的仿生鳐鱼摆动机构，它涉及仿生鱼技术领域。它解决了解决现有仿生鳐鱼结构复杂，且转向时两侧胸鳍不同频振动而导致能耗较大问题。同频摆动机构、异幅机构和固定框架组成，其特征在于：同频摆动机构设在异幅机构的后方，由固定框架将同频摆动机构和异幅机构固定连接。本发明专利技术减小了不必要的能量损失，左、右鳍条仅由单一电机驱动的对称机构控制。适合在狭长的鱼身或扑翼飞行器当中放置。异幅机构采用单一舵机控制，节约空间，机构复杂度更低，维护成本更低的优点。维护成本更低的优点。维护成本更低的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种胸鳍同频异幅的仿生鳐鱼摆动机构


[0001]本专利技术涉及仿生鱼
，具体涉及一种胸鳍同频异幅的仿生鳐鱼机器人。

技术介绍

[0002]随着科技的发展，海洋在军事、资源开采等领域的地位日渐提高，人们对于潜航器的需求也在不断增大。相比于传统的潜艇、深海机器人等深潜器，仿生鱼类以其隐蔽性好、性能稳定等特点成为新的研发热点。鱼类经过漫长的演化过程，已经进化出了性能优良、效率较高的推进模式，最主要的两种为：BCF(Body and/or Caudal Fin propulsion，身体/尾鳍推进)模式和MPF(Media and/or Paired Fin propulsion，中央鳍/对鳍推进)模式。目前人们对于BCF的研究较多，而MPF驱动模式仍有待突破。MPF的独特优势在于其极好的稳定性和机动性。两片胸鳍通过产生波浪状的形变，可以快速的向后推水，对自身产生前进的推力；而胸鳍的面积较大，对于扰流也有很好的抵御效果。在使用MPF驱动模式的机械结构方面，现有设计采用双电机驱动，存在以下两个问题：一是结构复杂，二是转弯时两侧胸鳍频率不同。结构复杂则不利于维护，而转弯时胸鳍不同频的情况下，当两侧胸鳍瞬时间一上一下运动时，带来鱼体绕图11中的x轴不受控转动的问题，这无疑会造成很大程度的速度和能量损失。这也是本专利解决的两大问题。
[0003]在此从理论上进一步解释上述问题二：目前授权设计的仿生鳐鱼在转弯过程中，需要凭借两侧胸鳍振动频率不同来产生左右侧不相等的推力差，进而使鱼体转动，而两侧胸鳍的不同频率摆动用图12所示来描述。当两胸鳍摆动位移相等时(如图12中x＝0的情形)，鳐鱼鱼体能保持正常的平稳姿态前行。但当两胸鳍摆动情形如图12中t＝1.3时，一鳍条正向上运动而另一鳍条向下运动。在水的阻力作用下，这种运动状态导致鱼身出现图13的力矩关于x轴不平衡情况。此时鱼体关于图11中的x轴显然存在较大的外力矩，根据动量矩定理
[0004][0005]可知，此时鱼体关于x轴的动量矩将发生变化，将产生绕x轴的一个角加速度，因此会绕x轴发生转动。这种转动的动能来源于电机，在浪费能量的同时，也无法保障其稳定性。这对于无人水下潜水器来说，是极为不利的。技术专利CN212637870U虽然也可以同时调节两侧胸鳍的摆动幅度，但由于其调幅丝杠(6)两端外螺旋旋向相反，因此其滑块(4)和调幅滑块(5)始终关于中轴线对称，因此左右鳍条的振幅始终是一致的，这意味着其无法通过转动调幅丝杠(6)来控制鳐鱼的偏航，无法完成本专利技术说明书附图图8，图9和图10所示的左、右异幅驱动。专利技术专利CN105197240A采取左右两个舵机实现对左右翼的控制,因3D齿轮的输出外力矩与3D
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的输出外力矩有很大差异，这种不对称的驱动会导致4B
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1和4B
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1的输出力矩不同，进而在飞行时无法保证升力和扑翼位置的对称而易发生侧翻。专利技术专利CN100340452C采用两个电机分别控制左右侧胸鳍，使用第三个电机实现胸鳍的转动，进而产生推进力。但是该机构在转弯的过程中，需要改变两侧的胸鳍的摆动频率，进而产生左右
的推力差，这就会产生上述的第二个问题，导致较大的能量损耗。而且万向轴和锥齿轮在此结构中存在较大的能量损耗，也不利于仿生鱼的快速前进。专利技术专利CN109018338B的扑翼设计如果用在水下仿生鱼的领域中则存在一些问题。连杆机构在长时间使用过程中，力学性能不好，易损且不易维修；无法改变振幅，转向时也存在上述问题二。专利技术专利CN110588970B的设计虽然实现了同频摆动，但其转向方法与本专利有本质区别。其局限性在于：其偏转机构改变驱动机构整体的位置，从而实现驱动力方向的改变，然而该机构不能通过舵机控制两扑翼支点相对于驱动电机的位置，因此不能改变扑翼的振幅，运动模式较为单一；其头部的齿轮变速箱过于复杂，零件易损坏，维修不便，且重量较大。专利技术专利CN108528666B的设计，在外观上与本专利较为相似，但其转向的实现方式是通过左右两侧步进电机的转速差，产生两侧胸鳍不同的波动速度，进而产生左右侧的推力差；且其尾部组件向转向侧的摆幅减小，实现两侧的受力差，进行相应的转向运动。这与本专利技术专利中体现的用同频摆动机构和异幅机构达到的同频异幅转向方式存在着本质的区别。

技术实现思路

[0006]本专利技术解决了传统的仿生鳐鱼结构大多较复杂，且转向时两侧胸鳍不同频振动而导致能耗较大的问题。运用本专利可以实现在较小的空间中灵活且高效的驱动两侧胸鳍，在转向时改变胸鳍振幅以获得左、右推力差，同时保证两侧胸鳍每时每刻以相同的频率摆动。这在仿生学意义上与真实鳐鱼更为相似，在力学层面上能耗损失也更小，提供了一种胸鳍同频异幅的仿生鳐鱼摆动机构，解决该问题的技术方案如下：
[0007]本专利技术的一种胸鳍同频异幅的仿生鳐鱼摆动机构，由同频摆动机构、异幅机构和固定框架组成，同频摆动机构设在异幅机构的后方，由固定框架将同频摆动机构和异幅机构固定连接；
[0008]所述的同频摆动机构由主动齿轮、第一滑杆齿轮、第二滑杆齿轮、柱形滑轨、主动杆、左凸起部分和右凸起部分构成，主动齿轮与电机连接，主动齿轮设在第一滑杆齿轮和第二滑杆齿轮中间与第一滑杆齿轮和第二滑杆齿轮啮合，第一滑杆齿轮的左凸起部分和第二滑杆齿轮的右凸起部分卡在主动杆的条形槽内，进而使主动杆上、下沿z轴方向摆动，主动杆的中部设有插孔，柱形滑轨设在主动杆中部的插孔内，柱形滑轨的上、下端设在固定框架的上、下横杆上；
[0009]所述的异幅机构由调幅横杆、左滑动关节、右滑动关节、左鳍条和右鳍条构成，左滑动关节和右滑动关节插接在调幅横杆的两端，调幅横杆设在固定框架前侧的凹槽内，左滑动关节上设有调幅横杆的插孔和左鳍条的鳍条插孔，左滑动关节的插孔前侧插接在调幅横杆的一端，左鳍条和右鳍条的一端设有套环，左鳍条插在左滑动关节上的鳍条插孔内，左鳍条一端的套环套在主动杆的凸起柱上，左滑动关节和右滑动关节对称设置。
[0010]本专利技术的一种胸鳍同频异幅的仿生鳐鱼摆动机构与现有技术相比，其显著优点如下：一、鱼体驱动和转向方式为同频异幅驱动。同频摆动机构使左、右胸鳍在任意时刻的振动频率都相等，只需要一个自由度的调节就可以实现转向。直行时，调幅横杆位于中心，两侧胸鳍振幅a＝b；转向时，异幅机构驱动调幅横杆，同时改变两侧支点的位置，使左右振幅一侧变大一侧变小,两侧胸鳍振幅a>b)，进而产生左右推力差，使鱼体转向。这不仅更加符合鳐鱼本身的运动特征，更能使仿生鳐鱼在转向的过程中不会出现鱼身绕x轴的不受控转
动，进而减小了不必要的能量损失；二、左、右鳍条仅由单一电机驱动的对称机构控制。相比左右各设一个独立的驱动单元而言更简单稳定，所需的空间是同类可完成此任务的机构的一半或更少，适合在狭长的鱼身或扑翼飞行器当中放置；三、异幅机构采用单一舵机控制，节约空间，未使用凸轮，连杆，锥齿轮等复杂低效零件，机构复杂度更低，维护成本更低。本专利技术适用于推广到多对鳍条的同频异幅摆动，以及扑翼飞行器的机构设计。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种胸鳍同频异幅的仿生鳐鱼摆动机构，它由同频摆动机构、异幅机构和固定框架组成，其特征在于：同频摆动机构设在异幅机构的后方，由固定框架将同频摆动机构和异幅机构固定连接；所述的同频摆动机构由主动齿轮、第一滑杆齿轮、第二滑杆齿轮、柱形滑轨、主动杆、左凸起部分和右凸起部分构成，主动齿轮与电机连接，主动齿轮设在第一滑杆齿轮和第二滑杆齿轮中间与第一滑杆齿轮和第二滑杆齿轮啮合，第一滑杆齿轮的左凸起部分和第二滑杆齿轮的右凸起部分卡在主动杆的条形槽内，进而使主动杆上、下沿z轴方向摆动，主动杆的中部设有插孔，柱形滑轨设在主动杆中部的插孔内，柱形滑轨的上、下端设在固定框架的上、下横杆上；所述的异幅机构由调幅横杆、左滑动关节、右滑动关节、左鳍条和右鳍条构成，左滑动关节和右滑动关节插接在调幅横杆的两端，调幅横杆设在固定框架前侧的凹槽内，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王涵信，韩为，刘英想，刘鹏，周栋，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：