一种胸鳍同频异幅的仿生鳐鱼摆动机构

1.本发明涉及仿生鱼技术领域，具体涉及一种胸鳍同频异幅的仿生鳐鱼机器人。


背景技术：

2.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。
3.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。实用新型专利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，无法完成本发明说明书附图图8，图9和图10所示的左、右异幅驱动。发明专利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’的输出外力矩有很大差异，这种不对称的驱动会导致4b-1和4b
’‑
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。发明专利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。发明专利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。发明专利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。发明专利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。这与本发明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。


技术实现要素：

[0006]
本发明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]
本发明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]
本发明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。本发明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。
附图说明
[0011]
图1本发明的结构示意图，图2是图1中固定框架、柱形滑轨和主动杆的结构示意图，图3是图1中左滑动关节的结构示意图，图4为图1中滑杆齿轮的示意图，图5是图1中主动齿轮、左滑杆齿轮和右滑杆齿轮的摆放位置示意图，图6是图1中主动杆的结构示意图，图7是图1中左鳍条的结构示意图，图8为鳐鱼向左转向时，胸鳍下扑时的机构的正视图，图9为鳐鱼向右转向时，胸鳍上扑时的机构的正视图，图10为总装示意图(x轴正方向为鳐鱼的前进方向)，图11为鱼体绕图8中x轴不受控转动的胸鳍摆动相位图，图12为鱼体绕图8中x轴不受控转动的胸鳍摆动相位图，图13为鱼体绕图8中x轴不受控转动的剖面受力示意图，图14为左右鱼鳍最大仰角与调幅横杆的偏移距离d的函数关系图，图15是图1中主动杆、调幅横杆、左滑动关节、右滑动关节、左鳍条和右鳍条的组装动态图(a-b-c)。
具体实施方式
[0012]
具体实施方式一、结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图15描述本实施方式。本实施方式由同频摆动机构1、异幅机构2和固定框架3组成，同频摆动机构1设在异幅机构2的后方，由固定框架3将两者固定连接；
[0013]
所述的同频摆动机构由主动齿轮1-1、第一滑杆齿轮1-2-1、第二滑杆齿轮1-2-2、柱形滑轨1-3、主动杆1-4、左凸起部分1-2-3和右凸起部分1-2-4构成，主动齿轮1-1与电机连接，主动齿轮1-1设在第一滑杆齿轮1-2-1和第二滑杆齿轮1-2-2中间，与第一滑杆齿轮1-2-1和第二滑杆齿轮1-2-2啮合，第一滑杆齿轮1-2-1的左凸起部分1-2-3和第二滑杆齿轮1-2-2的右凸起部分1-2-4卡在主动杆1-4的凹槽内，进而使主动杆1-4上、下沿z轴方向摆动，主动杆1-4的中部设有插孔，柱形滑轨1-3的下端设在主动杆1-4中部的插孔内，柱形滑轨1-3的上、下端设在固定框架3的上、下横杆上；
[0014]
所述的异幅机构由调幅横杆2-1、左滑动关节2-2、右滑动关节2-3、左鳍条2-4和右鳍条2-5构成，左滑动关节2-2和右滑动关节2-3插接在调幅横杆2-1的两端，是鳍条摆动的支点，由舵机进行控制，进而左、右运动，两端的滑动关节随调幅横杆2-1同方向运动，故鳍条摆动的支点位置也同方向偏移，调幅横杆2-1设在调幅横杆2-1设在固定框架3前侧的凹槽内，左滑动关节2-2上设有调幅横杆2-1的插孔2-2-1和左鳍条2-4的鳍条插孔2-2-2，左滑动关节2-2的插孔2-2-1前侧插接在调幅横杆2-1的一端，左鳍条2-4和右鳍条2-5的一端设有套环，左鳍条2-4插在左滑动关节2-2上的鳍条插孔2-2-2内，左鳍条2-4一端的套环套在主动杆1-4的凸起柱1-4-1上，左滑动关节2-2和右滑动关节2-3对称设置。受主动杆1-4的单一控制，二者的摆动频率相同。
[0015]
由于同频摆动机构1、异幅机构2和固定框架3的外表的硅胶蒙皮是柔性的，而鳍条的位置靠前，所以当鳍条运动时，后侧的胸鳍部分会延迟于鳍条运动，对鳍条产生相位差，
进而形成波浪形状，达到向后推水的效果，以推动鳐鱼前进。
[0016]
调幅横杆2-1被约束在柱形滑轨1-3上，由舵机进行控制，进而左、右(沿图11中的y轴方向)运动。两端的滑动关节随调幅横杆2-1同方向运动，故鳍条摆动的支点位置也同方向偏移。当调幅横杆受控向右(y轴正方向)运动时，左滑动关节2-2相对鱼体向内侧偏移，左支点内偏；右滑动关节2-3相对鱼体向外侧偏移，右支点外偏。在此情况下，左鳍条的摆动幅度增大，右鳍条的摆动幅度减小(如图9所示)，左侧推力大于右侧，鱼体向左转向，如此便可以用左右不同摆幅的驱动来控制方向。又由于同频摆动机构让左右鳍条的摆幅时刻相同，两侧鳍条便能在转弯时实现同频且异幅摆动。
[0017]
具体实施方式二、结合图1、图4描述本实施方式。本实施方式所述的主动杆1-4为矩形，开有两个对称的条形孔，主动杆在两滑杆齿轮的驱动下，沿柱形滑轨往复平动。
[0018]
具体实施方式三、结合图8、图9、图14描述本实施方式。本实施方式所述的调幅横杆在一个舵机的驱动下左、右运动，调节两鳍条支点的位置，进而在不改变鳍条摆动频率的情况下实现鱼体的偏航。
[0019]
当鳐鱼直线前进时，如图8所示，两滑动关节充当的支点关于中轴线对称，显然两侧鳍条摆动幅度保持相等(a＝b)，两侧的推力也相等，因而能直线前进；
[0020]
当鳐鱼向左转向时，如图9所示，由于调幅横杆发生了偏移，所以两滑动关节一个外移，一个内移。左侧鳍条由于支点内移，因此动力臂变短，阻力臂边长，摆幅a增大；右侧鳍条由于支点外移，因此动力臂变长，同时阻力臂边短，摆幅b减小。两鳍条摆动的支点位置发生改变因而两侧的鳍条在同频摆动的条件下，能够实现不同幅度的摆动(a》b)。这使得鳐鱼获得的左、右推力不相等，仿生鳐鱼便可以实现左转弯。
[0021]
当鳐鱼向右转向时，如图7所示，左、右鳍条摆幅不同(a《b)，原理同上。
[0022]
下面计算调幅横杆相对于中心的偏移距离d与左右胸鳍最大仰角的关系：
[0023]
设滑杆齿轮的左凸起部分1-2-3到第一滑杆齿轮1-2-1圆心的距离为r；调幅横杆总长度2l。根据几何原理，得到结论如下：
[0024][0025][0026]
得到函数图像如图14所示。可见，在可控的偏移距离d范围内，左、右鱼鳍摆幅差值的可控性极为可观。
[0027]
本发明专利是通过控制调幅横杆2-1的横向位置，调节滑动关节2-2与2-3的位置，将一侧的振幅调大，同时将另一侧的振幅调小，以实现鳍条振幅和鳐鱼航向的同时调节，如图9和图10中所示。因此，本发明专利的这一特点不是适应性设置，本发明专利与现有技术有本质上的区别。发明专利cn105197240a采取左右两个舵机实现对左右翼的控制，本专利只使用一个舵机，同时协调左右两侧的摆幅，可以达到与其相同的效果。本专利未引入连杆等复杂且力学性能较差的零件，避免了机构的冗余，减少了机构由于无法向扑翼供给足够的驱动力而带来的损坏风险。另一方面，cn105197240a专利的左右摇臂4b-1和4b
’‑
1是两个分立的执行机构，因而在原理层面区别明显。
[0028]
本发明专利中垂直平动的主动杆1-4在均匀受力的同时，也能避免出现对比专利
中4b-1杆的频繁往复转动，进而规避附加动约束反力，减少机构疲劳，增加构件寿命。同时，本发明专利采用两个滑杆齿轮1-2-1和1-2-2直接驱动主动杆1-4，尽可能的压缩了机构的高度，因此在制作轻量化、小型化uuv或uav时更具有优势。此外，根据动力学的基本常识，而cn105197240a专利中3c仅带动单侧的3d，进而驱动整个机构。由于3d，3d’齿轮时刻具有对称的角加速度，而3d齿轮相比3d’多受到一个主动力矩，因此3d齿轮的输出外力矩就与3d’的输出外力矩有很大差异，这种不对称的驱动会导致4b-1和4b
’‑
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。本发明专利的主动齿轮1-1并行驱动1-2-1与1-2-2两个滑杆齿轮，这种对称性结构可以完全避免出现cn105197240a专利中侧翻的情形，因此在性能，原理及效果上存在本质上的区别，并非是cn105197240a专利机械结构的变形设计。
[0029]
以上实施例仅是示例性的，并不局限本发明，应当指出对于本领域的技术人员来说，在本发明所提供的技术方案的启示下，所做出的其它等同的多种变化、修改、替换和变型，均应视为本发明的保护范围。

技术特征：
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，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。2.根据权利要求1所述的一种胸鳍同频异幅的仿生鳐鱼摆动机构，其特征在于：所述的主动杆为矩形，开有两个对称的条形孔，主动杆在两滑杆齿轮的驱动下，沿柱形滑轨往复平动。3.根据权利要求1所述的一种胸鳍同频异幅的仿生鳐鱼摆动机构，其特征在于：所述的调幅横杆在一个舵机的驱动下左、右运动，调节两鳍条支点的位置，进而在不改变鳍条摆动频率的情况下实现鱼体的偏航。4.根据权利要求1所述的一种胸鳍同频异幅的仿生鳐鱼摆动机构，其特征在于：所述的同频摆动机构、异幅机构和固定框架的外表面采用柔性硅胶材料。

技术总结
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。


技术研发人员：王涵信 韩为 刘英想 刘鹏 周栋
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.03.06
技术公布日：2023/5/5