本發(fā)明涉及仿生機(jī)器魚技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種仿箱鲀科機(jī)器魚胸鰭的改進(jìn)型推進(jìn)機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

一直以來深海及內(nèi)陸河流是人們探索的目標(biāo)，隨著海洋權(quán)益在國(guó)家戰(zhàn)略中的重要性的日益凸顯、人民生活對(duì)水資源的安全性要求日益提升。開發(fā)海洋資源、保護(hù)海洋環(huán)境、提升內(nèi)陸河治理能力也是國(guó)家管水資源的三大重要原則。

目前，水下機(jī)器人技術(shù)、水下航行器技術(shù)等都成為國(guó)家管理水資源的重要工具，此類航行器形態(tài)笨重且不便攜帶，智能化程度較低。鑒于水下環(huán)境的復(fù)雜性及我國(guó)水域面積遼闊、管理難度較大、人力物力成本較高,故此一類節(jié)能、環(huán)保、低成本、高效率的新一代航行器-----水下仿生機(jī)器魚應(yīng)運(yùn)而生。魚類作為自然界進(jìn)化的產(chǎn)物，在水中具有極為出色的游動(dòng)能力，對(duì)其游動(dòng)機(jī)理的研究有助于將機(jī)器魚應(yīng)用到國(guó)家管理公共服務(wù)中去，加強(qiáng)國(guó)家對(duì)海洋的治理能力，提高環(huán)保部門及飲用水等部門對(duì)內(nèi)陸河及飲用水安全的監(jiān)測(cè)能力。而胸鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)是提高機(jī)器魚機(jī)動(dòng)性能是的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，推進(jìn)機(jī)構(gòu)多以單自由度胸鰭為仿生對(duì)象，極大的制約了仿生機(jī)器魚的技術(shù)發(fā)展，無(wú)法滿足水下科研的技術(shù)要求。

現(xiàn)有技術(shù)中已公開的一種新型機(jī)器魚胸鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)、cn203005728u，其中兩胸鰭沿機(jī)器魚中軸線兩側(cè)對(duì)稱布置，所述兩機(jī)構(gòu)之間裝配夾角為90度，所述機(jī)構(gòu)均包括主動(dòng)力電機(jī)、舵機(jī)托架、主傳動(dòng)軸、套筒、滑動(dòng)桿、半球副、擺動(dòng)架、轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)等部件組成了主動(dòng)力傳輸機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，所述主動(dòng)力電機(jī)將力矩傳遞給齒輪對(duì)，形成主動(dòng)力傳輸機(jī)構(gòu)；所述齒輪通過主傳動(dòng)軸、主傳動(dòng)軸支架傳遞給舵機(jī)托架，所述舵機(jī)安裝在舵機(jī)托架上，所述舵機(jī)為第二動(dòng)力電機(jī)組成旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；所述旋轉(zhuǎn)舵機(jī)、套筒、滑動(dòng)桿、半球副等組成動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，將垂直面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成水平面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過我們對(duì)該機(jī)構(gòu)試制后發(fā)現(xiàn)其存在一些缺點(diǎn)：所述主傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)缺乏現(xiàn)實(shí)可操作性，制造難度大、傳動(dòng)效果差、密封困難；所述主動(dòng)電機(jī)（采用了舵機(jī)）與齒輪連接困難，直接影響齒輪傳動(dòng)的效率及整個(gè)機(jī)構(gòu)的靈活性；所述擺動(dòng)架尺寸過大影響到機(jī)器魚的整體尺寸，通過我們對(duì)機(jī)構(gòu)分析及相關(guān)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該機(jī)械胸鰭的運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)達(dá)不到我們所需要的效果；所述第二軸承座設(shè)計(jì)成分離式直接影響到胸鰭與魚殼連接處的密封，該缺陷使得機(jī)器魚無(wú)法完成諸如，下潛、上浮、水下轉(zhuǎn)彎、水下翻滾等運(yùn)動(dòng)模態(tài)；所述滑動(dòng)桿設(shè)計(jì)成多段式，制造難度加大、傳動(dòng)效果不理想，很難和球副形成操作性高的動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)；另外，所述第二軸承座與魚殼連接處密封效果不理想，無(wú)法進(jìn)行機(jī)器魚水下運(yùn)動(dòng)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種游動(dòng)性能好、外形體積大、機(jī)動(dòng)性能優(yōu)的仿箱鲀科機(jī)器魚胸鰭的改進(jìn)型推進(jìn)機(jī)構(gòu)。

本發(fā)明的解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：

一種仿箱鲀科機(jī)器魚胸鰭的改進(jìn)型推進(jìn)機(jī)構(gòu)，包括剛性胸鰭片、胸鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、底板和魚殼殼體，胸鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)在底板上，胸鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)剛性胸鰭片；所述胸鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括包括主動(dòng)力電機(jī)、齒輪組、轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)、擺動(dòng)架和柔性蒙皮；所述齒輪組分為主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪，主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪固定在齒輪固定板，主動(dòng)力電機(jī)的傳動(dòng)軸與擺動(dòng)架連接，擺動(dòng)架與軸承組連接，軸承組分為關(guān)節(jié)軸承、第一軸承、第二軸承和第三軸承。

所述第一軸承設(shè)在從動(dòng)動(dòng)軸上，從動(dòng)動(dòng)軸與舵機(jī)托架和轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)連接，轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)通過舵機(jī)固定板與擺動(dòng)架連接，擺動(dòng)架與連接套筒連接，連接套筒與滑動(dòng)桿一端連接，滑動(dòng)桿另一端連接剛性胸鰭片。

所述滑動(dòng)桿上設(shè)有第二軸承座和第三軸承座，第二軸承座上連接第二軸承，第二軸承內(nèi)側(cè)設(shè)有關(guān)節(jié)軸承套筒，關(guān)節(jié)軸承套筒上設(shè)置關(guān)節(jié)軸承；第三軸承座上設(shè)有第三軸承。

所述第三軸承座兩側(cè)設(shè)有第三軸承端蓋ⅰ和第三軸承端蓋ⅱ；第二軸承座上第二軸承端蓋。

所述魚殼殼體與胸鰭固定板連接，魚殼殼體與滑動(dòng)桿之間設(shè)有柔性蒙皮。

所述連接套筒通過導(dǎo)向釘與滑動(dòng)桿一端連接，連接套筒通過轉(zhuǎn)動(dòng)銷釘與擺動(dòng)架連接。

所述從動(dòng)動(dòng)軸通過傳動(dòng)軸支架與底板連接。

所述柔性蒙皮為仿魚皮橡膠。

本發(fā)明的有益效果為：

1、一種仿箱鲀科機(jī)器魚胸鰭的改進(jìn)型推進(jìn)機(jī)構(gòu)，包括剛性胸鰭片、胸鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、底板和魚殼殼體，胸鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)在底板上，胸鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)剛性胸鰭片；所述胸鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括包括主動(dòng)力電機(jī)、齒輪組、轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)、擺動(dòng)架和柔性蒙皮；所述齒輪組分為主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪，主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪固定在齒輪固定板，主動(dòng)力電機(jī)的傳動(dòng)軸與擺動(dòng)架連接，擺動(dòng)架與軸承組連接，軸承組分為關(guān)節(jié)軸承、第一軸承、第二軸承和第三軸承。實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)角度及推進(jìn)力較之前機(jī)構(gòu)大有增加，實(shí)現(xiàn)了仿生機(jī)器魚直游、轉(zhuǎn)向、變速巡游、上浮、下潛的靈活性，提升了機(jī)器魚整體推進(jìn)能力。解決了主動(dòng)力軸加工難度大、加工成本高、抗扭轉(zhuǎn)力矩小的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)力矩的有效傳輸，提高了各零件之間的配合精度。

2、第一軸承設(shè)在從動(dòng)動(dòng)軸上，從動(dòng)動(dòng)軸與舵機(jī)托架和轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)連接，轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)通過舵機(jī)固定板與擺動(dòng)架連接，擺動(dòng)架與連接套筒連接，連接套筒與滑動(dòng)桿一端連接，滑動(dòng)桿另一端連接剛性胸鰭片。結(jié)構(gòu)緊湊運(yùn)動(dòng)形態(tài)多樣，更加符合仿生學(xué)。

3、滑動(dòng)桿上設(shè)有第二軸承座和第三軸承座，第二軸承座上連接第二軸承，第二軸承內(nèi)側(cè)設(shè)有關(guān)節(jié)軸承套筒，關(guān)節(jié)軸承套筒上設(shè)置關(guān)節(jié)軸承；第三軸承座上設(shè)有第三軸承。多軸承組合可以實(shí)現(xiàn)多方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)提升動(dòng)力軸傳輸穩(wěn)定性。

4、第三軸承座兩側(cè)設(shè)有第三軸承端蓋ⅰ和第三軸承端蓋ⅱ；第二軸承座上第二軸承端蓋。形成殼體內(nèi)兩層密封，提升水下防水性能。所述魚殼殼體與胸鰭固定板連接，魚殼殼體與滑動(dòng)桿之間設(shè)有柔性蒙皮。保證魚體靈活性的同時(shí)進(jìn)一步提升整體防水密封性能。

綜上所述本發(fā)明通過左右胸鰭各自獨(dú)立的雙自由度運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚水下直游、水下垂直面轉(zhuǎn)彎、下潛、上浮等多種游動(dòng)模式。

仿箱鲀科機(jī)器魚具有游動(dòng)性能好、外形體積大、機(jī)動(dòng)性能優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)，該優(yōu)點(diǎn)使得仿箱鲀機(jī)器魚可以靈活的在水下運(yùn)動(dòng)、方便搭載更多的應(yīng)用型傳感器及其他機(jī)構(gòu)，如，配重調(diào)心機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂機(jī)構(gòu)、復(fù)雜的單關(guān)節(jié)尾鰭機(jī)構(gòu)、高蓄能電源等。通過結(jié)合現(xiàn)代傳感器技術(shù)、機(jī)械密封技術(shù)、現(xiàn)代智能控制技術(shù)等研究使得仿箱鲀科機(jī)器魚的游動(dòng)機(jī)理是未來仿生機(jī)器魚研究的熱點(diǎn)和趨勢(shì)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖3是本發(fā)明的胸鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的胸鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配圖；

圖5是本發(fā)明的胸鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的密封結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明的胸鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的密封結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖中：剛性胸鰭片1、第二軸承座3、連接套筒4、底板9、主動(dòng)力電機(jī)21、第一電機(jī)支架22、主動(dòng)齒輪23、胸鰭固定板26、滑動(dòng)桿28、傳動(dòng)軸31、齒輪固定板32、從動(dòng)齒輪33、從動(dòng)動(dòng)軸34、第一軸承端蓋35、舵機(jī)托架36、舵機(jī)固定板37、擺動(dòng)架38、第三軸承端蓋ⅰ41、第三軸承座42、第三軸承端蓋ⅱ44、第二軸承46、關(guān)節(jié)軸承47、關(guān)節(jié)軸承套筒48、魚殼殼體51、導(dǎo)向釘61、轉(zhuǎn)動(dòng)銷釘62、傳動(dòng)軸支架210、柔性蒙皮311、第三軸承312、第二軸承端蓋314、轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)315、第一軸承316。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。.

一種仿箱鲀科機(jī)器魚胸鰭的改進(jìn)型推進(jìn)機(jī)構(gòu)，包括剛性胸鰭片1、胸鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、底板9和魚殼殼體51，胸鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)在底板9上，胸鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)剛性胸鰭片1；所述胸鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括包括主動(dòng)力電機(jī)21、齒輪組、轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)315、擺動(dòng)架38和柔性蒙皮311；所述齒輪組分為主動(dòng)齒輪23和從動(dòng)齒輪34，主動(dòng)齒輪23和從動(dòng)齒輪34固定在齒輪固定板32，主動(dòng)力電機(jī)21的傳動(dòng)軸31與擺動(dòng)架38連接，擺動(dòng)架38與軸承組連接，軸承組分為關(guān)節(jié)軸承47、第一軸承316、第二軸承46和第三軸承312。所述第一軸承316設(shè)在從動(dòng)動(dòng)軸34上，從動(dòng)動(dòng)軸34與舵機(jī)托架36和轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)315連接，轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)315通過舵機(jī)固定板37與擺動(dòng)架38連接，擺動(dòng)架38與連接套筒4連接，連接套筒4與滑動(dòng)桿28一端連接，滑動(dòng)桿28另一端連接剛性胸鰭片1。

滑動(dòng)桿28上設(shè)有第二軸承座3和第三軸承座42，第二軸承座3上連接第二軸承46，第二軸承46內(nèi)側(cè)設(shè)有關(guān)節(jié)軸承套筒48，關(guān)節(jié)軸承套筒48上設(shè)置關(guān)節(jié)軸承47；第三軸承座42上設(shè)有第三軸承312。所述第三軸承座42兩側(cè)設(shè)有第三軸承端蓋ⅰ41和第三軸承端蓋ⅱ44；第二軸承座3上第二軸承端蓋314。所述魚殼殼體51與胸鰭固定板26連接，魚殼殼體51與滑動(dòng)桿28之間設(shè)有柔性蒙皮311。

連接套筒4通過導(dǎo)向釘61與滑動(dòng)桿28一端連接，連接套筒4通過轉(zhuǎn)動(dòng)銷釘62與擺動(dòng)架38連接。所述從動(dòng)動(dòng)軸34通過傳動(dòng)軸支架210與底板9連接。所述主動(dòng)齒輪23和從動(dòng)齒輪34的齒輪傳動(dòng)比為1:1，齒數(shù)相同。所述柔性蒙皮311為仿魚皮橡膠。

整個(gè)過程中需保證主傳動(dòng)軸43的中心線、套筒4的中心線、第二軸承座3的中心線三者位于同一高度，否則無(wú)法保證機(jī)器魚的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

一種仿箱鲀科機(jī)器魚胸鰭的改進(jìn)型推進(jìn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式主要有以下三種情況：

1、主動(dòng)力電機(jī)21沒有動(dòng)力輸出時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)315有動(dòng)力輸出。在這種運(yùn)動(dòng)條件下，機(jī)器魚胸鰭則以關(guān)節(jié)軸承為支點(diǎn)配合擺動(dòng)舵機(jī)任意方向擺動(dòng)，胸鰭運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生推力，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)315擺動(dòng)幅度的大小變化就會(huì)改變推進(jìn)力的大小，因而，機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)相應(yīng)改變。

2、轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)315沒有動(dòng)力輸出時(shí)，主動(dòng)力電機(jī)21有動(dòng)力輸出。在這種運(yùn)動(dòng)條件下，機(jī)器魚則以齒輪組為動(dòng)力傳遞，第一軸承316、第二軸承46、第三軸承312沿軸心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)主傳動(dòng)軸34、舵機(jī)托架35、轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)315、擺動(dòng)架38、舵機(jī)固定板37、套筒4、滑動(dòng)桿28、關(guān)節(jié)軸承組件313、剛性胸鰭片1做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，剛性胸鰭片1旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際試驗(yàn)中該運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為機(jī)器魚在靜水條件下的懸停的必要因素。

3、主動(dòng)力電機(jī)21和轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)315均有輸出。在這種運(yùn)動(dòng)條件下，為前兩種運(yùn)動(dòng)方式符合的情況，事實(shí)上，機(jī)器魚在運(yùn)動(dòng)過程中也是經(jīng)常處于該運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，主動(dòng)力電機(jī)21給整個(gè)機(jī)構(gòu)提供原動(dòng)力，轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)315則為機(jī)構(gòu)提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由此便能實(shí)現(xiàn)兩自由度機(jī)器魚胸鰭運(yùn)動(dòng)間的協(xié)調(diào)配合，產(chǎn)生多種條件下胸鰭的運(yùn)動(dòng)形式。實(shí)現(xiàn)由胸鰭配合其他機(jī)構(gòu)完成機(jī)器魚直游、轉(zhuǎn)彎、下潛、上浮、懸停等多種運(yùn)動(dòng)形式。

本發(fā)明的一種仿箱鲀科機(jī)器魚胸鰭的改進(jìn)型推進(jìn)機(jī)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明解決了胸鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下靜密封問題、胸鰭機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)潔，易于加工，各部件材質(zhì)采用不同材料起到金屬間的自潤(rùn)滑，提高了摩擦部件的抗疲勞性能、采用直齒圓柱齒輪對(duì)和主動(dòng)力電機(jī)提供機(jī)構(gòu)的原動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)角度及推進(jìn)力較之前機(jī)構(gòu)大有改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了仿生機(jī)器魚直游、轉(zhuǎn)向、變速巡游、上浮、下潛的靈活性，提升了機(jī)器魚整體推進(jìn)能力。

以上所述僅對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案做出描述，并不用于局限制本發(fā)明，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域內(nèi)任何科技工作者，對(duì)本發(fā)明所作的任何修改、同等替換、機(jī)構(gòu)改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。