[发明专利]一种基于凸轮机构的仿生鱼单自由度模块化结构

说明书

本发明公开了一种基于凸轮机构的仿生鱼单自由度模块化结构，包括依次连接的多个模组，多个模组中的最前一个是鱼头模组、最后一个是鱼尾模组；多个模组中的每个模组均包括机架，机架的中心穿设有转动轴，前一模组的转动轴的第二端通过万向联轴器连接至后一模组的转动轴的第一端，后一模组通过摆动连接件与前一模组连接，实现模组在平面内摆动的效果，其中，摆动连接件包括圆柱凸轮、销轴、第一轴承和第二轴承；通过模组间的组合，可实现鱼类的游动姿态。本发明按照旗鱼的游动姿态设计了一种单自由度模块化仿生机器鱼，可以单电机驱动，通过机械结构传递运动实现鱼类身体的波动姿态；本发明采用模块化设计，可以通过更换模组实现不同的游动姿态。

技术领域

本发明涉及机器人，特别涉及一种基于凸轮机构的仿生鱼单自由度模块化结构。

背景技术

目前，水下无人检测的需求日益增长，例如探索动态水下环境，污染源跟踪，水下考古、搜索和救援等等。大多数自主水下航行器的常规设计都以螺旋桨为主要推进方式，但基于螺旋桨的运动存在诸如低机动性、低效率和高功耗等问题。除此之外，螺旋桨的转动可能会产生更多的海洋碎片，增加海洋生物的死亡率，对浅水生态系统产生干扰。而仿生水下航行器可以使航行器更加安静，机动性更高(降低发生事故的几率)，功耗更低(执行任务的时间更长)。同时仿生水下航行器可以保持周围环境的原状，用于数据采集和探测。我们可以通过机械结构和运动控制来实现鱼类的运动姿态，设计方法可分为两类，即离散体设计和连续体设计。前者是“多驱动多关节”的结构，虽然可以通过配置多电机轻松地达到模拟多段鱼体的运动效果，但如何协调各摆动关节来实现高效的游动是困难的。连续体设计的思想是“单驱动多关节”，结构只有一个电机进行驱动，通过机械结构本身来实现运动效果，结构简单，安全可靠，价格低廉。因此，有必要设计一种新型的单自由度机械结构来实现鱼类的运动效果。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供用于自主水下航行器的一种基于凸轮机构的仿生机器鱼单自由度模块化结构。本发明模拟旗鱼的形态，单电机驱动，通过机械结构传递运动，实现鱼类的游动姿态。本发明使用模块化设计，可以通过更换不同的模组实现不同的运动姿态。

本发明所采用的技术方案是：一种基于凸轮机构的仿生鱼单自由度模块化结构，包括依次连接的多个模组，所述多个模组中的最前一个是鱼头模组、所述多个模组中的最后一个是鱼尾模组；所述多个模组中的每个模组均包括机架，所述机架的中心穿设有转动轴使得所述转动轴的第一端位于所述机架的第一侧并且所述转动轴的与所述第一端相对的第二端位于所述机架的与所述第一侧相反的第二侧，前一模组的所述转动轴的所述第二端通过万向联轴器连接至后一模组的所述转动轴的所述第一端，

其中，

所述鱼头模组内设置有控制电机，所述控制电机用于驱动所述鱼头模组的转动轴转动；

所述仿生鱼单自由度模块化结构还包括设置在所述多个模组中的相邻模组之间的摆动连接件，所述摆动连接件包括：

圆柱凸轮，所述圆柱凸轮设置在前一模组的所述机架的第二侧、并设置在该模组的所述转动轴上能随所述转动轴的转动而转动；

销轴，所述销轴固定在前一模组的所述机架的第二侧上；

第一轴承，所述第一轴承设置在后一模组的所述机架的第一侧，后一模组的所述机架的第一侧通过所述第一轴承与前一模组的所述机架的第二侧上的所述销轴连接，用于使后一模组的所述机架能发生绕前一模组的所述机架的所述销轴的轴线摆动；

第二轴承，所述第二轴承设置在后一模组的所述机架的第一侧，所述第二轴承的内圈固定在轴承支架上并通过所述轴承支架连接在后一模组的所述机架上、外圈与前一模组的所述圆柱凸轮相接触，使得前一模组的所述圆柱凸轮的转动推动后一模组的所述第二轴承做往复运动进而实现后一模组的所述机架绕前一模组的所述机架的所述销轴的所述轴线的所述摆动。