[发明专利]一种摆动扭转复合运动胸鳍推进仿生机器鱼

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿生机器鱼，具体来说，是指一种摆动扭转复合运动胸鳍推进仿生机器鱼，属于机械仿生领域。

背景技术

鱼类的推进模式根据产生推进力部位的不同，可以分为身体/尾鳍推进模式和中间鳍/对鳍推进模式。以胸鳍作为主要推进力来源的运动模式属于中间鳍/对鳍推进模式的一种。胸鳍推进模式根据胸鳍上传递波数的不同，又可分为胸鳍波动推进模式和胸鳍摆动推进模式。胸鳍波动推进模式在运动过程中，胸鳍上传递的波数大于1个完整波；胸鳍摆动推进模式在运动过程中，胸鳍上传递的波数小于1个完整波。胸鳍摆动推进模式除具有鱼类经过亿万年进化而来的高效率推进特点外，还具有胸鳍推进模式所特有的高机动性，高稳定性等特点，同时胸鳍摆动推进模式具有所有胸鳍推进模式鱼类中几近最高的运动速度。胸鳍摆动推进需要产生有效的攻角才能够通过与来流的相互作用产生前向的推进力，进而实现仿生推进。目前，采用胸鳍摆动推进模式的仿生机器鱼，多采用两种方式实现有效攻角：其一，采用柔性胸鳍前缘驱动，在胸鳍的上下摆动过程中，通过柔性鳍面和水流的相互作用产生的被动变形，实现有效攻角；其二，采用多鳍条驱动机构，通过各个鳍条的摆动相位的差异，实现鳍面的波动传递，进而实现有效的攻角。前者，在驱动过程中鳍面变形可控性低，对周边环境的依赖性高，适应性低；后者，驱动机构多数较为复杂，控制系统也相应的较为复杂；采用简单运动模式实现胸鳍摆动仿生推进运动的胸鳍摆动推进模式仿生机器鱼的原理样机较少。

发明内容

本发明的目的是提供一种胸鳍摆动推进模式仿生机器鱼，以鲼科鱼类为原型，采用电机、舵机结合软轴传动，得到仿生胸鳍的有效攻角，进而实现仿生胸鳍复合摆动推进的仿生机器鱼。

一种摆动扭转复合运动胸鳍推进仿生机器鱼，包括身部、摆动胸鳍以及尾部；

其中，身部包括身部外壳与身部外壳内固定安装的浮沉机构；所述浮沉机构包括密封壳体、浮沉筒、活塞以及由第一驱动舵机与传动齿轮构成的驱动机构；密封壳体顶面设计有与密封壳体内部以及身部外壳外部连通的浮沉筒；活塞由活塞盘与垂直活塞盘的活塞杆构成；活塞盘设置在浮沉筒内，周向侧壁与浮沉筒周向内侧壁间相互配合；而活塞杆穿过密封壳体位于密封壳体内部，通过活塞杆上下运动，使活塞盘可在浮尘筒内部进行上下活塞运动；活塞杆末端沿活塞杆轴向设计为齿条结构；齿条结构与第一驱动舵机驱动转动的传动齿轮啮合；

所述摆动胸鳍有两套，分别对称安装在身部两侧；摆动胸鳍包括胸鳍骨架、摆动驱动机构与扭转驱动机构；其中，摆动驱动机构由防水密封壳、直流电机、联轴器、前摆臂、后摆臂与摆杆构成；防水密封壳沿身部前后轴向固定在身部外壳侧壁上，防水密封壳内部固定安装有直流电机；直流电机的输出轴与联轴器相连，联轴器输出轴的输出端由防水密封壳前端面伸出；前摆臂与后摆臂均与防水密封壳轴线垂直设置；前摆臂与联轴器输出轴的输出端固连，而后摆臂与防水密封壳后端面上安装的连接轴转动套接；前摆臂与后摆臂间通过摆杆相连；

所述胸鳍骨架包括柔性鳍条与柔性骨架支板；柔性鳍条为两根；两根柔性鳍条的一端分别与摆杆前后两端固连，另一端通过蝶形连接件固连；柔性骨架支板为n个，n≥1；n个柔性骨架支板位于两柔性鳍条之间，均与两柔性鳍条套接；

所述扭转驱动机构由第二驱动舵机与柔性软轴构成；其中，第二驱动舵机固定安装在摆动驱动机构中的摆杆中部，通过舵机外壳密封；第二驱动舵机输出轴上固定有夹具；柔性软轴一端由夹具夹紧，另一端依次穿过摆动胸鳍根部到尖端间的各个柔性骨架支板后与蝶形连接件固连。

所述尾部由左侧尾与右侧尾构成；其中，左侧尾与右侧尾对称设置在身部外壳后端两侧，均由第三驱动舵机与尾板构成，第三驱动舵机与身部外壳后端固定；尾板水平设置与第三驱动舵机输出轴固定。

本发明的优点在于：

1、本发明仿生机器鱼中通过摆动驱动机构可实现摆动胸鳍的上下摆动运动，同时采用软轴传动将摆动胸鳍根部舵机产生的扭转运动传递到摆动胸鳍鳍面和鳍尖，实现仿生鲼科鱼类胸鳍整体的扭转运动，结合仿生鲼科鱼类胸鳍鳍骨和弦向仿生支撑的柔性，实现仿生鲼科鱼类摆动胸鳍的摆动和扭转复合运动，产生有效攻角并以简单机构实现仿生驱动；

2、本发明仿生机器鱼中胸鳍鳍骨构型参照鲼科鱼类仿生原型，实现鳍面展向柔性和弦向柔性的仿生分布，且采用大功率单电机实现胸鳍的摆动运动，可控摆幅程度高、可控摆频范围大；

3、本发明仿生机器鱼通过软轴传动将扭转运动传递到摆动鳍鳍面和鳍尖，使摆动鳍复合运动兼具柔性和扭转性能；