一种软体仿生鱼尾推进装置

1.本实用新型涉及仿生机械设备，尤其涉及一种软体仿生鱼尾推进装置。


背景技术：

2.仿生鱼，作为一种典型的水下移动机器，应用的领域非常广泛；在科普教育方面，仿生鱼已成功运用到鱼类游动机理和水下仿生机器人的科普展示中；在水质监测方面，仿生鱼作为水下移动平台，能够搭载各种水质传感器，监测包括叶绿素、含氧量、ph值、电导率等参数在内的各种水质参数；在军事应用方面，仿生鱼有望通过搭载一些军用传感器，利用其机动、灵活的游动特点，完成军事侦察、反潜、排雷、布雷等特殊任务；在生物研究方面，仿生鱼可以辅助生物学家研究鱼类游动机理，探索鱼游生物学现象，例如鱼群效应、反卡门涡街等；在工程应用方面，仿生鱼运用新型的水下推进方式，为高性能水下航行器的研制提供重要的理论基础和技术支撑；因此，研究仿生机器鱼可以为生物学理论验证、鱼类游动机理探究及新型水下移动机器人的研制等提供支持，具有非常重要的研究意义，其中仿生鱼尾的推进系统研究更是仿生鱼研究中重要的关键环节。
3.目前，水下仿生鱼尾推进系统，大都采用电机驱动曲柄摇杆机构或偏心轮机构将旋转运动转化为鱼尾的往复摆动，从而实现向前推进；如申请号2015205513225一种水下高仿真机器鱼机构与系统中就采用曲柄摇杆机构驱动鱼尾摆动，又如申请号2005200205718一种仿鱼尾推进系统的机械传动装置中就采用蜗轮蜗杆、偏心轮机构驱动鱼尾摆动，这类推进装置的机构运动均为刚性运动，仅能实现一个摆动，不能真实模仿鱼尾柔性变形摆动，造成运动灵活性和平稳性较差，同时鱼尾转弯半径大，转弯效率低。


技术实现要素：

4.针对上述情况，本实用新型的目的在于提供一种软体仿生鱼尾推进装置，它采用软体脊柱经拉绳驱动，结合舵机控制尾鳍协同运动的结构，从而克服了现有技术不能模仿鱼尾柔性摆动的缺陷，能够实现控制鱼尾快速向前推进的同时进行转向，整体运动灵活、平稳，便于满足用户的需求，同时整体结构科学合理、简单紧凑，安装和操作方便，市场前景广阔，便于推广使用。
5.为了实现上述目的，一种软体仿生鱼尾推进装置，它包括动力机构、鱼尾部、舵机和尾鳍；所述动力机构包括圆筒形状的机架、安装于机架内的驱动电机和曲柄机构，所述鱼尾部包括软体脊柱、围板、拉绳、若干关节，所述围板与若干关节同轴设于软体脊柱外侧，且围板位于软体脊柱前端，若干关节分布于软体脊柱的后端，所述拉绳的一端与曲柄机构连接，拉绳的另一端与若干关节穿接；所述动力机构的机架经支柱与鱼尾部的围板紧固连接，所述舵机安装于支座上，所述支座的前端与鱼尾部最后端的关节固定连接，且支座的后端铰接支架，所述尾鳍安装于支架上；启动驱动电机，经连接的曲柄机构及拉绳带动软体脊柱与尾鳍向两侧摆动，同时启动舵机控制尾鳍协同运动，实现向前推进及转向。
6.为了实现结构、效果优化，其进一步的措施是：所述曲柄机构包括连杆一、连杆二、
滑轨、滑块、铰轴、摆动块，所述摆动块设于机架内尾端且摆动块中心经铰轴与机架铰接，所述摆动块的一端经连杆一与机架内前端安装的驱动电机连接，摆动块的另一端经连杆二与滑块连接，所述滑轨安装于机架内前端，所述滑块滑动连接于滑轨上。
7.所述连杆一的两端分别与摆动块、驱动电机的输出轴端面铰接，所述连杆二的两端分别与滑块、摆动块铰接。
8.所述软体脊柱呈圆柱状，所述软体脊柱上设有多个轴向等距分布且贯通软体脊柱的通孔，所述通孔用于安装围板与若干关节。
9.所述软体脊柱中两通孔之间的外圆表面上设有环形的圆弧形凹槽。
10.所述围板与若干关节上分别对称设有两个传动孔用于穿接拉绳。
11.所述拉绳设有两根，且两根拉绳的一端分别与曲柄机构中摆动块的两端对应连接，拉绳的另一端穿过围板及若干关节上的传动孔并经蝴蝶扣锁紧在软体脊柱最后端的关节上。
12.所述软体脊柱采用聚氨酯棒材料制作而成。
13.本实用新型相比现有技术所产生的有益效果：
14.(ⅰ)本实用新型中采用柔性骨架的软体脊柱上安装关节，并通过拉绳穿接驱动，能够较为真实的模拟鱼类游动，并且控制简单，协调性好，整体结构简单紧凑，推进效率高，能满足用户的需求；
15.(ⅱ)本实用新型采用舵机单独控制尾鳍协同运动的结构，当拉绳驱动软体脊柱及尾鳍向两侧摆动实现向前推进时，结合利用舵机控制尾鳍再向两侧匀速摆动，能进一步有效提高推进效率，促进鱼尾部整体快速向前游行，也可利用舵机控制尾鳍偏转一定的角度后进行摆动，此时有利于实现鱼尾部快速转向，同时软体脊柱与尾鳍的摆动动作均能独立完成，不会发生相互干扰，整体运动灵活、安全、平稳，运动可靠性高；
16.(ⅲ)本实用新型采用软体脊柱经拉绳驱动，结合舵机控制尾鳍协同运动的结构，从而克服了现有技术不能模仿鱼尾柔性摆动的缺陷，能够实现控制鱼尾快速向前推进的同时进行转向，整体运动灵活、平稳，便于满足用户的需求，同时整体结构科学合理、简单紧凑，安装和操作方便，具有显著的经济效益和社会效益。
17.本实用新型广泛适用于仿生机器鱼配套使用。
18.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。
附图说明
19.构成本技术一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
20.图1为本实用新型的整体三维结构示意图。
21.图2为本实用新型的主视结构示意图。
22.图3为本实用新型的俯视结构示意图。
23.图4为本实用新型中软体脊柱的剖视图。
24.图5为本实用新型中动力机构的结构示意图。
25.图6为本实用新型中尾鳍的转向示意图。
26.图中：1-动力机构，101-机架，102-连杆一，103-驱动电机，104-滑轨，105-滑块，
106-连杆二，107-铰轴，108-摆动块，109-支柱，2-鱼尾部，201-围板，202-软体脊柱，203-关节，204-传动孔，205-圆弧形凹槽，206-通孔，207-拉绳，3-舵机，301-支座，4-尾鳍，401-支架。
具体实施方式
27.参照图1～图6，本实用新型是这样实现的：一种软体仿生鱼尾推进装置，它包括动力机构1、鱼尾部2、舵机3和尾鳍4；所述动力机构1包括圆筒形状的机架101、安装于机架101内的驱动电机103和曲柄机构，所述鱼尾部2包括软体脊柱202、围板201、拉绳207、若干关节203，所述围板201与若干关节203同轴设于软体脊柱202外侧，且围板201位于软体脊柱202前端，若干关节203分布于软体脊柱202的后端，所述拉绳207的一端与曲柄机构连接，拉绳207的另一端与若干关节203穿接；所述动力机构1的机架101经支柱109与鱼尾部2的围板201紧固连接，所述舵机3安装于支座301上，所述支座301的前端与鱼尾部2最后端的关节203固定连接，且支座301的后端铰接支架401，所述尾鳍4安装于支架401上，所述舵机3的输出端与支架401连接用于驱动支架401及尾鳍4运动；启动驱动电机103，经连接的曲柄机构及拉绳207带动软体脊柱202与尾鳍4向两侧摆动，同时启动舵机3控制尾鳍4协同运动，实现向前推进及转向。
28.参考图1～图6所示，本实用新型中曲柄机构包括连杆一102、连杆二106、滑轨104、滑块105、铰轴107、摆动块108，所述摆动块108设于机架101内尾端且摆动块中心经铰轴107与机架101铰接，所述摆动块108的一端经连杆一102与机架内前端安装的驱动电机103连接，摆动块108的另一端经连杆二106与滑块105连接，所述滑轨104安装于机架101内前端，所述滑块105滑动连接于滑轨104上；所述连杆一102的两端分别与摆动块108、驱动电机103的输出轴端面铰接，所述连杆二106的两端分别与滑块105、摆动块108铰接。
29.如图1～图6所示，本实用新型中软体脊柱202呈圆柱状，所述软体脊柱202上设有多个轴向等距分布且贯通软体脊柱的通孔206，所述通孔206用于安装围板201与若干关节203，所述软体脊柱202中两通孔之间的外圆表面上设有环形的圆弧形凹槽205，通过设置圆弧形凹槽205，便于软体脊柱202向两侧弯曲摆动时提供避让空间，有利于减少摆动阻力，可保障整体运动的灵活、安全、平稳，并有效提高推进效率；所述围板201与若干关节203上分别对称设有两个传动孔204用于穿接拉绳207，所述拉绳207设有两根，且两根拉绳207的一端分别与曲柄机构中摆动块108的两端对应连接，拉绳207的另一端穿过围板201及若干关节203上的传动孔204并经蝴蝶扣锁紧在软体脊柱202最后端的关节203上；所述围板201及若干关节203均呈圆筒形状，且围板201及关节203的外径尺寸从软体脊柱202的前端至尾端逐渐减少，结合动力机构中机架101也为圆筒形状的结构，便于在动力机构1、鱼尾部2、舵机3及尾鳍4外侧安装密封罩，有利于保障整体的密封防水效果；一般在动力机构1的机架101内设置主控制系统，有主控系统发出控制信号(即pwm波)，经过半桥驱动的放大，供给驱动电机103，pwm信号的占空比越低供给驱动电机的电压越大，可使转速越快，从而驱动曲柄机构摆动频率越高，通过拉绳207驱动鱼尾部2向两侧摆动产生的向前主推力越大。
30.结合图1～图5所示，本实用新型中软体脊柱202采用聚氨酯棒材料制作而成，因聚氨酯材料具有较高强度和弹性，并可在较宽的硬度范围内保持高弹性，在相同硬度条件下，其承载能力高于其他弹性材料，同时耐磨性优异，是天然橡胶的2-10倍，还具有优异的耐油
性和耐化学性，良好的抗疲劳和抗振动能力，非常适用于高频弯曲；通过采用聚氨酯材料制成的软体脊柱202，便于更有效更真实的模仿鱼尾柔性变形摆动，解决了现有技术刚性摆动所存在的缺陷，同时运动灵活平稳，安全可靠。
31.结合图1-图6所示，本实用新型的工作原理为：启动驱动电机103，驱动曲柄机构中的连杆一102并带动摆动块108的一端以铰轴107为中心往复摆动，摆动块另一端的连杆二106跟随摆动并带动滑块在滑轨上往返滑动，通过设置连杆二及滑块与滑轨用于平衡摆动块的往复摆动，同时摆动块可带动两端的拉绳207其中一根向前拉，另一根则向后放松，拉绳207的牵引过程主要依靠牵引软体脊柱202最后端的关节203受力来实现摆动，而其余关节203是在拉绳207及软体脊柱202的共同作用下实现向两侧摆动，从而使软体脊柱202与尾鳍4整体向两侧摆动，实现提供向前的主推力；启动舵机3，舵机3可控制支架401带动尾鳍4向两侧均匀摆动从而提供向前的推力，能进一步有效提高推进效率，促进鱼尾部整体快速向前游行；同时可通过设定舵机控制尾鳍的摆动角度范围，当尾鳍4向一侧方向偏转一定的角度摆动时(参见图6所示)，即可实现鱼尾部2的转向运动，若尾鳍4摆动中心向左偏，则鱼尾部2整体向左转向，若尾鳍4摆动中心向右偏，则鱼尾部2整体向右转向，并且偏转摆动中心的偏转幅度越大则转向越快，因此，本技术采用软体脊柱经拉绳驱动，结合舵机控制尾鳍协同运动的结构，整体运动灵活性好，且运动安全、平稳、可靠，能实现真实模仿鱼尾柔性变形摆动，同时解决了现有技术刚性运动存在转弯半径大，转弯效率低的缺陷。
32.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，并根据本实用新型的技术方案及其构思加以等同替换或改变，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种软体仿生鱼尾推进装置，其特征在于包括动力机构(1)、鱼尾部(2)、舵机(3)和尾鳍(4)；所述动力机构(1)包括圆筒形状的机架(101)、安装于机架(101)内的驱动电机(103)和曲柄机构，所述鱼尾部(2)包括软体脊柱(202)、围板(201)、拉绳(207)、若干关节(203)，所述围板(201)与若干关节(203)同轴设于软体脊柱(202)外侧，且围板(201)位于软体脊柱(202)前端，若干关节(203)分布于软体脊柱(202)的后端，所述拉绳(207)的一端与曲柄机构连接，拉绳(207)的另一端与若干关节(203)穿接；所述动力机构(1)的机架(101)经支柱(109)与鱼尾部(2)的围板(201)紧固连接，所述舵机(3)安装于支座(301)上，所述支座(301)的前端与鱼尾部(2)最后端的关节(203)固定连接，且支座(301)的后端铰接支架(401)，所述尾鳍(4)安装于支架(401)上；启动驱动电机(103)，经连接的曲柄机构及拉绳(207)带动软体脊柱(202)与尾鳍(4)向两侧摆动，同时启动舵机(3)控制尾鳍(4)协同运动，实现向前推进及转向。2.根据权利要求1所述软体仿生鱼尾推进装置，其特征在于所述曲柄机构包括连杆一(102)、连杆二(106)、滑轨(104)、滑块(105)、铰轴(107)、摆动块(108)，所述摆动块(108)设于机架(101)内尾端且摆动块中心经铰轴(107)与机架(101)铰接，所述摆动块(108)的一端经连杆一(102)与机架内前端安装的驱动电机(103)连接，摆动块(108)的另一端经连杆二(106)与滑块(105)连接，所述滑轨(104)安装于机架(101)内前端，所述滑块(105)滑动连接于滑轨(104)上。3.根据权利要求2所述软体仿生鱼尾推进装置，其特征在于所述连杆一(102)的两端分别与摆动块(108)、驱动电机(103)的输出轴端面铰接，所述连杆二(106)的两端分别与滑块(105)、摆动块(108)铰接。4.根据权利要求1所述软体仿生鱼尾推进装置，其特征在于所述软体脊柱(202)呈圆柱状，所述软体脊柱(202)上设有多个轴向等距分布且贯通软体脊柱的通孔(206)，所述通孔(206)用于安装围板(201)与若干关节(203)。5.根据权利要求4所述软体仿生鱼尾推进装置，其特征在于所述软体脊柱(202)中两通孔之间的外圆表面上设有环形的圆弧形凹槽(205)。6.根据权利要求4所述软体仿生鱼尾推进装置，其特征在于所述围板(201)与若干关节(203)上分别对称设有两个传动孔(204)用于穿接拉绳(207)。7.根据权利要求6所述软体仿生鱼尾推进装置，其特征在于所述拉绳(207)设有两根，且两根拉绳(207)的一端分别与曲柄机构中摆动块(108)的两端对应连接，拉绳(207)的另一端穿过围板(201)及若干关节(203)上的传动孔(204)并经蝴蝶扣锁紧在软体脊柱(202)最后端的关节(203)上。8.根据权利要求1所述软体仿生鱼尾推进装置，其特征在于所述软体脊柱(202)采用聚氨酯棒材料制作而成。

技术总结
本实用新型公开一种软体仿生鱼尾推进装置，它包括动力机构、鱼尾部、舵机及尾鳍，所述动力机构包括圆筒形状的机架、安装于机架内的驱动电机和曲柄机构，鱼尾部包括软体脊柱、围板、拉绳、若干关节，围板与若干关节同轴设于软体脊柱外侧，拉绳的一端与曲柄机构连接，拉绳的另一端与若干关节穿接；动力机构的机架经支柱与鱼尾部的围板紧固连接，舵机安装于支座上，且支座的后端铰接支架，尾鳍安装于支架上；启动驱动电机，经连接的曲柄机构及拉绳带动软体脊柱与尾鳍向两侧摆动，同时启动舵机控制尾鳍协同运动，实现向前推进及转向；克服了现有技术不能模仿鱼尾柔性摆动的缺陷，便于满足用户的需求；它广泛适用于仿生机器鱼的配套使用。用。用。


技术研发人员：张轲 陈立锋 谭强 向龙群 刘虹桥
受保护的技术使用者：湖南科技大学
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/6/13