一种基于张拉整体结构的仿生水下推进装置

1.本发明属于水下机器人技术领域，尤其涉及一种基于张拉整体结构的仿生水下推进装置。


背景技术：

2.水下推进装置的研究是水下机器人技术的研究重点之一，目前螺旋桨推进和仿生推进是水下推进装置的两个重要研究方向。在自然界中，经过数亿年的进化，鱼类具有了极佳的游泳速度、游泳效率和游泳的灵活性，其各方面相对指标均优于人造水下航行器，在此基础之上，越来越多的科研工作者开始致力于仿生机器鱼推进装置的研制。这种仿生鱼推进装置具有优秀的游泳性能和出色的机动性，同时噪音低，不易缠绕，对环境适应性强，在一些特殊的应用场景中相比于螺旋桨推进具有优势。
3.鱼类的游动模式大致分为身体/尾鳍摆动推进(bcf)与中间鳍/对鳍推进模式(mpf)两种。由于大多数鱼类都采用bcf模式作为推进模式，并且该类鱼的游泳性能也较高，所以常被作为仿生机器鱼的推进模式。目前，基于身体/尾鳍摆动推进的仿生机器鱼推进装置以结构特性可以分成两大类：刚性结构和连续的柔性结构。其中刚性结构有多舵机串联结构、曲柄连杆往复摆动结构，这种结构由于关节之间摩擦较大，并且需要的舵机数量多，往往达不到较优的效率；连续的柔性结构有基于气、液、形状记忆合金等材料驱动的，其主要优点有变形连续，体波与真鱼较为接近，但其缺点也较为明显，即摆动速度一般较慢，游泳速度慢。以上两种结构方式的仿生机器鱼推进装置均无法调节刚度，而刚度的变化在鱼类的游动中对于效率的提升是至关重要的。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种解决目前的基于身体/尾鳍摆动推进的仿生机器鱼推进装置的仿生效果以及游动效率不佳问题的基于张拉整体结构的仿生水下推进装置。
5.本发明是这样实现的，一种基于张拉整体结构的仿生水下推进装置，其特征在于：包括头部、摆动机构、尾鳍以及安装于头部的驱动机构，所述头部、摆动机构和尾鳍沿轴向依次连接，所述驱动机构安装于所述头部；所述摆动机构包括关节部件、铰接轴、横拉弹性部件和连杆；包括轴向间隔设置的若干所述关节部件，其中位于轴向前端的所述关节部件连接所述头部，位于轴向后端的所述关节部件连接所述尾鳍；所述铰接轴的轴线竖直设置，所述关节部件左右侧设置所述铰接轴；所述横拉弹性部件连接于所述铰接轴之间，所述横拉弹性部件对两所述铰接轴施以靠近的弹力；所述连杆连接相邻的两所述关节部件，所述连杆的两端分别连接两所述关节部件的所述铰接轴，两所述关节部件之间设置两呈x形构造的所述连杆；所述驱动机构包括轴向滑台、直线驱动陀机、摆动驱动陀机和弹性拉线；所述轴向滑台以沿轴向移动的方式安装于所述头部；所述直线驱动陀机安装于头部，所述直线驱动陀机驱动所述轴向滑台轴向移动；所述摆动驱动陀机安装于所述轴向滑台；所述弹
性拉线与所述关节部件的侧部连接，所述弹性拉线与所述摆动驱动陀机连接并由所述摆动驱动陀机施以拉力。
6.在上述技术方案中，优选的，所述关节部件包括两左右对称设置的关节组件和设置于两所述关节组件之间的横向导向柱；所述横向导向柱设于两所述关节组件之一，两所述关节组件之另一设有与所述横向导向柱结合的横向导向孔。
7.在上述技术方案中，优选的，两所述关节组件的上部和下部分别设有所述铰接轴，相邻的两所述关节部件的上部和下部分别连接呈x形构造的所述连杆。
8.在上述技术方案中，优选的，所述横拉弹性部件是连接于两所述关节组件的弹簧。
9.在上述技术方案中，优选的，所述关节组件的外侧部形成环轴线的曲形面部，轴向自前向后的所述关节部件的外轮廓尺寸依次减小。
10.在上述技术方案中，优选的，所述关节组件设有令所述弹性拉线通过的穿孔。
11.在上述技术方案中，优选的，所述头部设有与连杆端部连接的竖向转轴，轴向前端的所述关节部件的上部和下部分别通过呈x形构造的所述连杆连接于所述头部。
12.在上述技术方案中，优选的，所述头部安装有轴向滑轨，所述轴向滑台配装于所述轴向滑轨。
13.在上述技术方案中，优选的，所述弹性拉线包括钢丝线和串联于钢丝线的拉簧，x形构造的所述连杆侧方分别设置串联于所述钢丝线的所述拉簧。
14.在上述技术方案中，优选的，所述摆动驱动陀机的输出轴安装与所述钢丝线连接的拉线凸轮。
15.本发明申请的优点和效果是：
16.本技术所提出的张拉整体结构作为水下航行器的推进装置，在张拉整体结构中加入弹性拉线实现了摆动机构的柔性。设置了直线驱动舵机，直线驱动舵机可通过弹性拉线改变关节部件轴向之间的间距，使推进装置的整体结构的刚度可以在一定范围内变化，以模仿真实的鱼类身体的调节功能，实现提高游泳效率的效果。该推进装置既可以实现摆动尾鳍的快速响应，又可以有一定的柔性，降低了舵机的驱动力要求，减少了机械的摩擦和磨损，传动效率高。这种基于张拉整体结构的仿生水下推进装置，可以应用在仿生机器鱼或其它水下航行器中，具有运动灵活，不易受到水中杂物缠绕，噪音低，效率高等优点。
附图说明
17.图1是本发明的结构示意图；
18.图2是本发明中摆动机构的结构示意图；
19.图3是本发明中关节部件的结构示意图；
20.图4是本发明中关节组件的结构示意图；
21.图5是本发明中驱动机构的结构示意图；
22.图6是本发明中摆动机构的尺寸关系图；
23.图7是本发明中摆动机构未摆动状态的俯视图；
24.图8是本发明中摆动机构摆动状态的俯视图。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
26.为解决目前的基于身体/尾鳍摆动推进的仿生机器鱼推进装置的仿生效果以及游动效率不佳问题，本发明特提供一种基于张拉整体结构的仿生水下推进装置，本推进装置刚柔耦合，既可以在一定范围内改变刚度，又响应速度快，游泳速度与效率高，机动性强，可以实现水下航行器的推进需求。为了进一步说明本发明的结构，结合附图详细说明书如下：
27.请参阅图1，一种基于张拉整体结构的仿生水下推进装置，包括头部1、摆动机构2、尾鳍3以及安装于头部的驱动机构4。头部、摆动机构和尾鳍沿轴向依次连接，驱动机构安装于头部。此处所述的轴向，可理解为本推进装置的前进方向。
28.本实施例中，头部的内部主体为支撑架101，支撑架的外部安装仿形类鱼头部的头部外壳102。头部外壳通过螺钉固定于支撑架，头部外壳的材质为材质为韧性树脂，可以通过3d打印的方式制成，依照生物鱼的外型仿制。本推进装置的控制模块103设置于头部外壳内侧的支撑架上，其由单片机、通信模块与舵机驱动模块集成，其负责接受上位机的控制信号，生成控制波形，产生舵机控制指令，同时将反馈数据传回上位机。
29.请参阅图2-图4，摆动机构为本推进装置的中间结构，是推进装置实现游动的动作机构，摆动机构包括关节部件、铰接轴、横拉弹性部件和连杆。
30.摆动机构包括轴向间隔设置的若干关节部件，本实施例中，关节部件的数量为三个。其中位于轴向前端的关节部件连接头部，位于轴向后端的关节部件连接尾鳍。
31.关节部件包括两左右对称设置的关节组件201和设置于两关节组件之间的横向导向柱202。在横向导向柱的作用下，关节部件形成具有可改变横向宽度的、具有横向扩张弹性的组合部件。横向导向柱设于两关节组件之一，两关节组件之另一设有与横向导向柱结合的横向导向孔。关节组件的外侧部形成环轴线的曲形面部，关节组件设有令弹性拉线通过的穿孔203。具体的，关节组件呈类半月状的构件，在关节组件内侧端面的上、中、下部位设有与关节组件一体的横向导向柱，对应的另一关节组件的端面设有位置对应的导向孔。轴向自前向后的关节部件的外轮廓尺寸依次减小，令三个关节部件的外侧蒙皮后可形成前宽后窄类鱼躯体的外轮廓，模拟真实的鱼体截面结构。
32.铰接轴204的轴线竖直设置，关节部件左右侧设置铰接轴。本实施例中，具体的，在关节组件的上部和下部形成与关节组件一体的竖向同轴线的两转轴。每个关节部件有两个铰接轴，用于连接连杆，可以提供良好的侧向支撑力。
33.横拉弹性部件连接于铰接轴之间，横拉弹性部件对两铰接轴施以靠近的弹力。本实施例中，横拉弹性部件是连接于两关节组件的弹簧205。在关节组件的相对端面的上部和下部设有相对的凹槽，弹簧的两端分别连接于此凹槽中，即两关节组件之间设置上下分布的两个弹簧。横拉弹性部件可以平衡两个关节组件受到的两侧弹性拉线的侧向力。
34.连杆206为两端设有铰接孔的刚性杆，连杆连接相邻的两关节部件，连杆的两端分别连接两关节部件的铰接轴，两关节部件之间设置两呈x形构造的连杆。具体的，相邻的两关节部件的上部和下部分别连接呈x形构造的连杆。头部设有与连杆端部连接的竖向转轴，轴向前端的关节部件的上部和下部分别通过呈x形构造的连杆连接于头部。
35.请参阅图5，驱动机构是驱动摆动机构活动的部件组合，驱动机构包括轴向滑台401、直线驱动陀机402、摆动驱动陀机403和弹性拉线404。
36.轴向滑台以沿轴向移动的方式安装于头部。头部安装有轴向滑轨，轴向滑台配装于轴向滑轨405。具体的，在头部的支撑架上通过螺钉安装有上滑轨和下滑轨，上滑轨配备上滑块，下滑轨配备下滑块，实现摆动驱动舵机的低阻力的滑行。直线驱动陀机安装于头部，直线驱动陀机驱动轴向滑台轴向移动。摆动驱动陀机安装于轴向滑台，本实施例中，滑台是利用螺钉安装摆动驱动舵机支架，用于安装摆动驱动陀机。摆动驱动舵机支架由三个部分组成，分别是上支架、下支架和后支架。上支架与上滑轨的上滑块连接，下支架与下滑轨的下滑块连接，后支架与直线驱动舵机连接，传递直线驱动舵机的推力。直线驱动舵机固定在在头部的支撑架上，其输出轴与摆动驱动舵机支架连接，推动摆动驱动舵机进行直线运行。
37.摆动驱动陀机的输出轴安装与弹性拉线连接的拉线凸轮。拉线凸轮以螺栓夹紧的方式固定在摆动驱动舵机上，同时拉线凸轮上端通过小轴承与摆动驱动舵机支架连接，以确保拉线凸轮可以正常转动，凸轮上固定弹性拉线并缠绕，弹性拉线另一端连接摆动机构的对应部位，摆动驱动舵机、带动拉线凸轮、往复转动，弹性拉线带动摆动机构进行摆动。
38.直线驱动舵机的作用在于，可以改变弹性拉线的预紧力，通过预紧力的改变使张拉整体结构摆动尾鳍发生一定程度的外形，配合预紧力的变化使尾鳍的刚度在各自分段内发生一定的变化，这样就可以模拟真实鱼类的尾鳍刚度变化，使其游泳效率提升。拉线凸轮的半径也经过设计，可以确保拉伸行程和放线行程不会发生冲突。
39.弹性拉线连接关节部件两侧，其贯穿关节部件侧部且与轴向尾端关节部件侧部连接。弹性拉线贯穿关节部件的关节组件的穿孔。弹性拉线与摆动驱动陀机连接并由摆动驱动陀机施以拉力。弹性拉线包括钢丝线和串联于钢丝线的拉簧，x形构造的连杆侧方分别设置串联于钢丝线的拉簧。本实施例中，具体的，轴向前端的第一关节部件通过左右设置的两弹性拉线与摆动驱动陀机连接，第二关节部件通过贯穿第一关节部件的左右设置的两弹性拉线与摆动驱动陀机连接，第三关节部件与第二关节部件通过左右设置的两弹性拉线连接。
40.本摆动机构中的关节部件整体呈两并联三单元设计，两并联指本摆动机构的上下两串连杆是通过水平弹簧并联的，同一串连杆之间由转轴相连，而关节部件又通过三个弹性拉线与两串连杆构成张拉整体结构，x形构造的连杆与对应的弹性拉线段形成弹性单元，实现每个单元都是柔性的，驱动机构通过拉动弹性拉线来实现摆动机构的摆动动作。对于每个单元的转动刚度可以通过改变弹簧刚度或者改变预紧力来实现。同时，为了使结构能够稳定形成一定的构型，需要让三个单元中的弹性拉线的三个拉簧的刚度值形成一定的比例。x形构造的连杆安装于两个相邻的关节部件之间，头部与关节部件之间以及关节部件与关节部件之间形成沿轴向的三级关节。请参阅图6，本实施例中躯体的总长262mm，其中第一关节77mm，第二关节89mm，第三关节96mm，第一关节两连杆与头部1相连两连杆转轴间距75mm。
41.摆动机构所形成的三级关节，其中，第一关节与头部相连，第三关节与尾鳍相连，第一关节和第二关节通过弹性拉线与驱动机构直接相连，第三关节通过弹性拉线与第二关节相连。
42.本实施例中，控制系统通过计算离散的cpg方程得到摆动舵机的目标运动位置，同时输出串口信号给舵机驱动器，舵机驱动器可以发送控制指令同时读取舵机的反馈信号。
43.本实施例的具体工作过程如下：
44.请参阅图7和图8，摆动驱动舵机通过拉线凸轮带动两条弹性拉线拉动第一关节部件，弹性拉线左右各一条，同样的，拉线凸轮带动两条弹性拉线拉动第二关节部件，拉线凸轮共有四个线槽，其中两个连接第一关节的线槽长轴和短轴相同，两个连接第二关节的线槽长轴和短轴相同。这样，当摆动驱动舵机向一侧转动时，弹性拉线在凸轮的带动下一端收紧，一端放松，尾鳍两个关节受到弹性拉线的拉力，同时也向一侧转动，第三关节部件只与第二关节部件连接，在第二关节部件的带动下同样向一侧摆动，又因有与水流的作用，所以会与摆动方向形成一定的反角度，这样会更加接近真实的鱼体游动波形。这样，当摆动驱动舵机根据主控输出的波形左右往复摆动时，尾鳍的摆动机构也会跟着摆动，这样就实现了水下仿生推进，当需要转弯时，可以通过改变摆动中心点相位的方式实现水下仿生推进装置的转向驱动。当直线驱动舵机向前推动时，整个摆动驱动舵机机构向头部方向移动，这样就拉长了弹性拉线，增加了弹性拉线的预紧力，改变了尾鳍的扭转刚度，改善仿生推进装置的游泳性能。
45.从结构角度出发，基于张拉整体结构的仿生水下推进装置可以分为刚性的头部，柔性的摆动机构和柔性硅胶制成的柔性尾鳍组成。刚性头部符合真实鱼头的流线型外形以减小阻力，其头部外壳内部装有电源和控制系统驱动系统等，尾鳍则由硅胶材料浇注形成，制作简单。而中间的张拉整体结构单元则由3d打印的单元模块、钢丝加弹簧组成的弹性拉线和金属的转轴和连杆组成，由张拉整体结构组成柔性的串并联结构摆动尾鳍。其中，由弹性拉线提供拉力，由刚性连杆提供张力，从而使单元模块可以在弹性拉线的限制和连杆的支撑下转动，拉线凸轮伸出的拉线分别第一关节部件和第二关节部件的左右两侧连接。这类似于动物关节中的骨骼肌肉系统，刚性连杆类似于骨骼，而弹性拉线类似于动物的肌肉或者是韧带，张拉整体结构正是受到了动物身体构造的启发，这样可以减少纯机械的摩擦和磨损，还能够改善机械的受力状态，降低驱动力的需求。每一组单元的刚度都可以进行设计，使刚度分布尽量模仿真实鱼类，从而实现更高的游泳效率。
46.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于张拉整体结构的仿生水下推进装置，其特征在于：包括头部、摆动机构、尾鳍以及安装于头部的驱动机构，所述头部、摆动机构和尾鳍沿轴向依次连接，所述驱动机构安装于所述头部；所述摆动机构包括：关节部件，包括轴向间隔设置的若干所述关节部件，其中位于轴向前端的所述关节部件连接所述头部，位于轴向后端的所述关节部件连接所述尾鳍；铰接轴，所述铰接轴的轴线竖直设置，所述关节部件左右侧设置所述铰接轴；横拉弹性部件，所述横拉弹性部件连接于所述铰接轴之间，所述横拉弹性部件对两所述铰接轴施以靠近的弹力；连杆，所述连杆连接相邻的两所述关节部件，所述连杆的两端分别连接两所述关节部件的所述铰接轴，两所述关节部件之间设置两呈x形构造的所述连杆；所述驱动机构包括：轴向滑台，所述轴向滑台以沿轴向移动的方式安装于所述头部；直线驱动陀机，所述直线驱动陀机安装于头部，所述直线驱动陀机驱动所述轴向滑台轴向移动；摆动驱动陀机，所述摆动驱动陀机安装于所述轴向滑台；弹性拉线，所述弹性拉线与所述关节部件的侧部连接，所述弹性拉线与所述摆动驱动陀机连接并由所述摆动驱动陀机施以拉力。2.根据权利要求1所述的基于张拉整体结构的仿生水下推进装置，其特征在于：所述关节部件包括两左右对称设置的关节组件和设置于两所述关节组件之间的横向导向柱；所述横向导向柱设于两所述关节组件之一，两所述关节组件之另一设有与所述横向导向柱结合的横向导向孔。3.根据权利要求2所述的基于张拉整体结构的仿生水下推进装置，其特征在于：两所述关节组件的上部和下部分别设有所述铰接轴，相邻的两所述关节部件的上部和下部分别连接呈x形构造的所述连杆。4.根据权利要求3所述的基于张拉整体结构的仿生水下推进装置，其特征在于：所述横拉弹性部件是连接于两所述关节组件的弹簧。5.根据权利要求4所述的基于张拉整体结构的仿生水下推进装置，其特征在于：所述关节组件的外侧部形成环轴线的曲形面部，轴向自前向后的所述关节部件的外轮廓尺寸依次减小。6.根据权利要求5所述的基于张拉整体结构的仿生水下推进装置，其特征在于：所述关节组件设有令所述弹性拉线通过的穿孔。7.根据权利要求6所述的基于张拉整体结构的仿生水下推进装置，其特征在于：所述头部设有与连杆端部连接的竖向转轴，轴向前端的所述关节部件的上部和下部分别通过呈x形构造的所述连杆连接于所述头部。8.根据权利要求7所述的基于张拉整体结构的仿生水下推进装置，其特征在于：所述头部安装有轴向滑轨，所述轴向滑台配装于所述轴向滑轨。9.根据权利要求8所述的基于张拉整体结构的仿生水下推进装置，其特征在于：所述弹性拉线包括钢丝线和串联于钢丝线的拉簧，x形构造的所述连杆侧方分别设置串联于所述
钢丝线的所述拉簧。10.根据权利要求9所述的基于张拉整体结构的仿生水下推进装置，其特征在于：所述摆动驱动陀机的输出轴安装与所述钢丝线连接的拉线凸轮。

技术总结
本发明公开了一种基于张拉整体结构的仿生水下推进装置，包括头部、摆动机构、尾鳍以及驱动机构，头部、摆动机构和尾鳍沿轴向依次连接，驱动机构安装于头部；摆动机构包括关节部件、铰接轴、横拉弹性部件和连杆；包括轴向间隔设置的若干关节部件；关节部件左右侧设置铰接轴；横拉弹性部件连接于铰接轴之间；连杆连接相邻的两关节部件，连杆的两端分别连接两关节部件的铰接轴，两关节部件之间设置两呈X形构造的连杆；驱动机构包括轴向滑台、直线驱动陀机、摆动驱动陀机和弹性拉线；直线驱动陀机驱动轴向滑台轴向移动；弹性拉线与关节部件的侧部连接。本推进装置刚柔耦合，可以在一定范围内改变刚度，响应速度快，游泳速度与效率高，机动性强。动性强。动性强。


技术研发人员：王延辉 乔宇轩 陈俊 刘玉红 杨绍琼 牛文栋 马伟
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2022.12.26
技术公布日：2023/5/10