专利名称：一种多关节仿牛鼻鲼驱动骨架的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种仿生鱼类的内部驱动骨架，更特别地说，是指一种能够模仿海洋中双侧胸鳍摆动游动的牛鼻鲼胸鳍三维运动变形的多关节仿牛鼻鲼驱动骨架。
背景技术：
按照推进运动所使用身体部位的不同，鱼类的运动可以分为两种主要模式①身体、尾鳍推进模式——利用身体的弯曲波动或者尾鳍的周期性往复拍动产生推进力；②中间鳍、对鳍推进模式——利用胸鳍、腹鳍或者背鳍的周期性拍动或者波动产生推进力。因此，仿生研究领域所开发的机器鱼也可以分为此两大类。类牛鼻鲼的胸鳍摆动推进模式就属于中间鳍、对鳍推进模式的一种。此类仿生鱼主要的推进机构为硕大、扁平的胸鳍。对胸鳍运动的拟合程度对此类仿生鱼推进性能的影响很大。目前，所开发的摆动胸鳍，根据其整体刚度，可分为柔性和刚性两类。柔性胸鳍与自然原型更为接近，能够实现更优的推进效果。柔性摆动胸鳍的主要推进机构有两种结构形式，一种为采用刚性或者具有一定柔性的前缘带动胸鳍摆动，实现仿生胸鳍在水流作用下的被动摆动运动；另一种为采用多条弦向仿生鳍条机构，实现仿生胸鳍的主动摆动运动， 亦即实现仿生胸鳍鳍面波的可控传递。现有的多弦向鳍条驱动机构，或为拟合自然原型的运动采用十分复杂内部结构， 而制作、控制困难；或对自然原型的鳍条结构进行了大规模的简化，而不能达到所模仿自然原型的运动效果。
发明内容
本发明的目的是提出一种多关节仿牛鼻鲼驱动骨架，该骨架采用MATLAB仿真软件和CATIA建模软件对牛鼻鲼的胸鳍摆动变形模式进行拟合得到运动形式，然后根据运动形式设计了多关节仿牛鼻鲼驱动骨架。本发明的一种多关节仿牛鼻鲼驱动骨架，该骨架由一个躯干(1)和八个运动关节组成，八个运动关节以躯干(1)左右对称布置；所述的八个运动关节是指第一左关节运动组件(11)、第二左关节运动组件(12)、第三左关节运动组件(13)、第四左关节运动组件 (14)、第一右关节运动组件(21)、第二右关节运动组件(22)、第三右关节运动组件03)和第四右关节运动组件04)；其中，第一左关节运动组件(11)与第一右关节运动组件的结构相同，且对称安装在躯干(1)的左右；第二左关节运动组件(1 与第二右关节运动组件02)的结构相同，且对称安装在躯干(1)的左右；第三左关节运动组件(13)与第三右关节运动组件03)的结构相同，且对称安装在躯干(1)的左右；第四左关节运动组件(14) 与第四右关节运动组件04)的结构相同，且对称安装在躯干(1)的左右。本发明的骨架的运动形式包括有前向游动、左向游动、右向游动、翻转游动和俯仰游动。本发明多关节仿牛鼻鲼驱动骨架的优点在于①以单侧三根弦向驱动鳍条实现驱动骨架弦向由前到后的驱动波的传递运动。
②采用三关节滑块_摇杆机构实现对牛鼻鲼胸鳍最大展长处摆动运动的大尺度拟合。③每根驱动鳍条仅采用一个舵机控制，减少了驱动源个数。④单根弦向驱动鳍条采用独立舵机驱动，实现了每根鳍条在摆动频率、摆动幅度、 相位差角等参数上的灵活可控。⑤以尾部的两个独立摆动运动鳍条，实现仿生鱼尾鳍部分的两侧差动运动。⑥多关节鳍条翼尖端关节采用柔性薄板，单关节鳍条直接采用柔性薄板，满足了仿生摆动胸鳍近翼根部位的驱动刚性需求以及近翼尖部位的柔性运动需求。⑦对中部机体空腔和每个驱动舵机均采用独立密封机构，增加驱动骨架整体的可靠性。
图1是本发明多关节仿牛鼻鲼驱动骨架的结构图。图IA是未装配躯干的本发明多关节仿牛鼻鲼驱动骨架的结构图。图2是本发明躯干的结构图。图3是本发明第一左关节运动组件的结构图。图3A是本发明第一左关节运动组件中舵机座的结构图。图3B是本发明第一左关节运动组件的分解图。图4是本发明第二左关节运动组件的结构图。图4A是本发明第二左关节运动组件中舵机座的结构图。图4B是本发明第二左关节运动组件的分解图。图5是本发明第三左关节运动组件的结构图。图5A是本发明第三左关节运动组件中舵机座的结构图。图5B是本发明第三左关节运动组件的分解图。图6是本发明第四左关节运动组件的结构图。图6A是本发明第四左关节运动组件中舵机座的结构图。图6B是本发明第四左关节运动组件的分解图。图7是本发明多关节仿牛鼻鲼驱动骨架的俯视简示图。图中1.躯干1A.上盖体1B.下盖体1C.舵机架1D.密封架1E.第一挡块 1F.第二挡块1G. A通孔1H.B通孔11.第一左关节运动组件111. A舵机座111A. U形连接臂111B.传动轴轴孔111C.摇臂槽111D.空腔112. A鳍条113. A摆杆113A.滑块腔113B. 轴套孔114^摇臂114々.滑槽114B.轴孔114C.方形孔115. A舵机罩116. A舵机117. A传动轴组件117A.A舵机盘117B.A十字滑块联轴器117B-1.输出轴117B-2.X轴向槽117C. A四氟垫圈1170.8四氟垫圈118^轴销1184^轴套119^滑块119々^滑动轴12.第二左关节运动组件121. B舵机座121A. U形连接臂121B.传动轴轴孔121C.摇臂槽121D.空腔 122. B鳍条123. B摆杆123A.滑块腔123B.轴套孔124. B摇臂124A.减重孔124B. 销钉孔124C.滑块腔124D.轴套孔125. B舵机罩126. B舵机127. B传动轴组件127A. B舵机盘 127B.B十字滑块联轴器127B-1.输出轴127B-2.X轴向槽127C.A四氟垫圈127D. B四氟垫圈128. B轴销128A. B轴套129. B滑块129A. B滑动轴12A.加长摇臂12A-1.滑槽12A-2.轴孔12A-3.方形孔12A-2. U形叉12B.连接轴12C.销轴12D.滑块13.第三左关节运动组件131. C舵机座 131B.传动轴轴孔131C.摇臂槽131D.空腔132. C鳍条134. C摇臂134A.槽口 134C.方形孔135. C舵机罩136. C舵机137. C传动轴组件137A. C舵机盘137B. C十字滑块联轴器137B-1.输出轴137B-2. X轴向槽137C. A四氟垫圈137D. B四氟垫圈14.第四左关节运动组件141. D舵机座 141B.传动轴轴孔141D.空腔142. D鳍条 144. D摇臂144A.槽口 144C.方形孔145. D舵机罩146. D舵机147. D传动轴组件147A. D舵机盘147B. D十字滑块联轴器147B-1.输出轴147B-2. X轴向槽147C. A四氟垫圈147D. B四氟垫圈21.第一右关节运动组件211.E舵机座 22.第二右关节运动组件221.F舵机座23.第三右关节运动组件231. G舵机座 24.第四右关节运动组件Ml. H舵机座
具体实施例方式下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明，由于为左右对称结构设计(如图 1、图2、图7所示)，故省略了对躯干右侧的运动关节的详细说明，本领域的技术人员能够通过对左侧运动关节的详细说明得到唯一的右侧运动关节的详细结构。参见图1、图1A、图2、图7所示，本发明的一种多关节仿牛鼻鲼驱动骨架，该骨架由一个躯干1和八个运动关节组成，八个运动关节以躯干1左右对称布置，下文也称为左右关节组件。在图7中标注出本发明设计的头部和尾部，以头部的左侧为左侧运动关节组件 (第一左关节运动组件11、第二左关节运动组件12、第三左关节运动组件13、第四左关节运动组件14)，以头部的右侧为右侧运动关节组件(第一右关节运动组件21、第二右关节运动组件22、第三右关节运动组件23、第四右关节运动组件24)。在本发明中的八个运动关节是指第一左关节运动组件11、第二左关节运动组件 12、第三左关节运动组件13、第四左关节运动组件14、第一右关节运动组件21、第二右关节运动组件22、第三右关节运动组件23、第四右关节运动组件M。其中，第一左关节运动组件11与第一右关节运动组件21的结构相同，第二左关节运动组件12与第二右关节运动组件22的结构相同，第三左关节运动组件13与第三右关节运动组件23的结构相同，第四左关节运动组件14与第四右关节运动组件M的结构相同。(A)躯干 1参见图2所示，躯干1包括有上盖体1A、下盖体1B、舵机架1C、密封架1D、第一挡块1E、第二挡块IF ；上盖体IA安装在第一挡块IE与第二挡块IF之间；且用密封架ID实现上盖体IA 与下盖体IB的密封；第一挡块IE设置在骨架的头部，第二挡块IF设置在骨架的尾部；舵机架IC安装在下盖体IB上，且置于密封架ID下方；下盖体IB上设有用于电缆通过的A通孔IG和B通孔IH ；舵机架IC上设有多个用于安装每一个运动关节上舵机座的安装孔。在本发明中，躯干1用于实现八个运动关节的安装以及运动关节相互间的位置确定。躯干1内的空腔主要用于安装和固定各种驱动指令发出所用的设备，如八个运动关节是怎样运动的控制电路板、控制中心处理器等，同时也是多关节仿牛鼻鲼驱动骨架能够在水中浮起或下沉时所需浮力的器件。(B)第一左关节运动组件11
参见图3、图3A、图;3B所示，第一左关节运动组件11包括有A舵机座111、A鳍条 112、A摆杆113、A摇臂114、A舵机罩115、A舵机116、A传动轴组件117、A轴销118、A滑块 119。A传动轴组件117包括有A舵机盘117A、A十字滑块联轴器117B、A四氟垫圈117C 和B四氟垫圈117D。A舵机盘117A套接在A舵机116的输出轴，且A舵机盘117A卡合在 A十字滑块联轴器117B的X轴向槽117B-2内，A十字滑块联轴器117B的输出轴117B-1上套接A四氟垫圈117C和B四氟垫圈117D，且A四氟垫圈117C与B四氟垫圈117D之间安装有A摇臂114的一端，即A摇臂114的方形孔114C套接在A十字滑块联轴器117B的输出轴117B-1上。A传动轴组件117置于A舵机座111的传动轴轴孔IllB内，且A四氟垫圈 117C与B四氟垫圈117D安装在摇臂槽IllC的两侧。A摆杆113上设有滑块腔113A和轴套孔11 ；滑块腔113A用于放置A滑块119A ； 轴套孔113B用于放置A轴套IlSA0A摇臂114上设有滑槽114A、轴孔114B、方形孔114C ；滑槽114A用于放置A滑动轴119在其内滑动；轴孔114B用于放置A销轴118 ；方形孔114C用于A传动轴组件117上的十字滑块联轴器117B的输出轴117B-1端穿过。参见图3A所示，A舵机座111上设有U形连接臂111A、传动轴轴孔111B、摇臂槽 IllC和空腔IllD ；U形连接臂IllA用于与A摆杆113的一端连接；传动轴轴孔11IB用于放置A传动轴组件117;摇臂槽IllC用于放置A摇臂114的一端，摇臂槽IllC两侧的传动轴轴孔IllB内用于安装A四氟垫圈117C与B四氟垫圈117D ； 空腔11ID用于放置A舵机116，且A舵机116的外部罩着A舵机罩115，A舵机罩 115固定在A舵机座111上。第一左关节运动组件11的装配关系为A舵机116安装在A舵机座111的空腔11ID内，且外部罩着A舵机罩115，A舵机罩115固定在A舵机座111上；A鳍条112的一端连接在A摆杆113的另一端上，A摆杆113的一端通过A摇臂轴 119A实现与A舵机座111的U形连接臂11IA连接；所述A摇臂轴119A在A滑块119内滑动，A滑块119安装在A摆杆113的滑块腔113A内；A摇臂114的一端置于A舵机座111的摇臂槽IllC内，且A摇臂114的方形孔 114C套接在A十字滑块联轴器117B的输出轴117B-1上，并置于A四氟垫圈117C与B四氟垫圈117D之间；A摇臂114的另一端通过A销轴118实现与A摆杆113的另一端连接；A销轴118的一端安装在A摇臂114的轴孔114B内，A销轴118的另一端置于A轴套118A内， A轴套118A安装在A摆杆113的轴套孔11 内；A传动轴组件117的A舵机盘117A连接在A舵机116的输出轴上，A舵机116安装在空腔11ID (设在A舵机座111上)里，且外部罩有A舵机罩115，A舵机盘117A卡合在 A十字滑块联轴器117B的X轴向槽117B-2内，A十字滑块联轴器117B的输出轴117B-1上套接有A四氟垫圈117C和B四氟垫圈117D。(C)第二左关节运动组件12
参见图4、图4A、图4B所示，第二左关节运动组件12包括有B舵机座121、B鳍条 122、B摆杆123、B摇臂124、B舵机罩125、B舵机126、B传动轴组件127、B轴销128、B滑块129、加长摇臂12A、连接轴12B、销轴12C、滑块12D。B传动轴组件127包括有B舵机盘127A、B十字滑块联轴器127B、A四氟垫圈127C 和B四氟垫圈127D。B舵机盘127A套接在B舵机126的输出轴，且B舵机盘127A卡合在 B十字滑块联轴器127B的X轴向槽127B-2内，B十字滑块联轴器127B的输出轴127B-1上套接有A四氟垫圈127C和B四氟垫圈127D，且A四氟垫圈127C与B四氟垫圈127D之间安装有加长摇臂12A的一端，即加长摇臂12A的方形孔12A-3套接在B十字滑块联轴器127B 的输出轴127B-1上。B传动轴组件127置于B舵机座121的传动轴轴孔121B内，且A四氟垫圈127C与B四氟垫圈127D安装在摇臂槽121C的两侧。B摆杆123上设有滑块腔123A和轴套孔123B ；滑块腔123A用于放置滑块12D ；轴套孔123B用于放置连接轴12B。B摇臂124上设有减重孔124A、销钉孔124B、滑块腔124C、轴套孔124D ；销钉孔 124B用于放置一销钉，该销钉将连接轴12B安装在B摇臂124的一端，连接轴12B穿过B摆杆123上有轴套孔123B ；滑块腔114C用于放置B滑块129 ；轴套孔124D用于放置B轴套 128A。参见图4A所示，B舵机座121上设有U形连接臂121A、传动轴轴孔121B、摇臂槽 121C和空腔121D ；U形连接臂121A用于与B摇臂124的一端连接；传动轴轴孔121B用于放置B传动轴组件127 ；摇臂槽121C用于放置加长摇臂12A的一端；摇臂槽121C两侧的传动轴轴孔121B 内用于安装A四氟垫圈127C与B四氟垫圈127D ；空腔121D用于放置B舵机126，且B舵机126的外部罩着B舵机罩125，B舵机罩 125固定在B舵机座121上。第二左关节运动组件12的装配关系为B舵机126安装在B舵机座121的空腔121D内，且外部罩着B舵机罩125，B舵机罩125固定在B舵机座121上；B鳍条122的一端连接在B摆杆123的另一端上，B摆杆123的一端通过销轴12C 与滑块12D的配合实现与加长摇臂12A的U形叉12A-4连接；加长摇臂12A的一端置于B 舵机座121的摇臂槽121C内；加长摇臂12A的一端套接在B十字滑块联轴器127B的输出轴127B-1上，并置于A 四氟垫圈127C与B四氟垫圈127D之间；加长摇臂12A的另一端通过轴销12C与滑块12D的配合实现与B摆杆123的另一端连接；B销轴128的一端安装在加长摇臂12A的轴孔12A-2 内，B销轴128的另一端置于B轴套128A内，B轴套128A安装在B摇臂124的轴套孔124D 内；B摇臂124的一端通过在销钉孔124B中安装销钉，在销钉与连接轴12B的配合下实现B摇臂124的一端与B摆杆123的另一端的轴接；B摇臂124的另一端通过B滑动轴 129A与B滑块129的配合实现将B摇臂124的另一端连接在B舵机座121的U形连接臂 121A上；B摇臂124上的轴套孔124D内套接有B轴套128A，B轴销128穿过B轴套128A，B轴销1 的另一端安装在加长摇臂12A的轴孔12A-2中；B传动轴组件127的B舵机盘127A连接在B舵机126的输出轴上，B舵机1 安装在空腔121D (设在B舵机座121上)里，且外部罩有B舵机罩125，B舵机盘127A卡合在 B十字滑块联轴器127B的X轴向槽127B-2内，B十字滑块联轴器127B的输出轴127B-1上套接有A四氟垫圈127C和B四氟垫圈127D。(D)第三左关节运动组件13参见图5、图5A、图5B所示，第三左关节运动组件13包括有C舵机座131、C鳍条 132、C摇臂134、C舵机罩135、C舵机136、C传动轴组件137。C传动轴组件137包括有C舵机盘137A、C十字滑块联轴器137B、A四氟垫圈137C 和B四氟垫圈137D。C舵机盘137A套接在C舵机136的输出轴，且C舵机盘137A卡合在 C十字滑块联轴器137B的X轴向槽137B-2内，C十字滑块联轴器137B的输出轴137B-1上套接有A四氟垫圈137C和B四氟垫圈137D，且A四氟垫圈137C与B四氟垫圈137D之间安装有C摇臂134的一端，即C摇臂134的方形孔134C套接在C十字滑块联轴器137B的输出轴137B-1上。C传动轴组件137置于C舵机座131的传动轴轴孔131B内，且A四氟垫圈 137C与B四氟垫圈137D安装在摇臂槽131C的两侧。C摇臂134的一端开有槽口 134A，该槽口 134A用于固定C鳍条132的一端；C摇臂134的另一端开有方形孔134C，该方形孔134C套接在C十字滑块联轴器137B的输出轴 137B-1上；且C摇臂134的另一端置于C舵机座131的摇臂槽131C内。参见图5A所示，C舵机座131上设有传动轴轴孔131B、摇臂槽131C和空腔131D ；传动轴轴孔131B用于放置C传动轴组件137 ；摇臂槽131C用于放置C摇臂134的一端；摇臂槽131C两侧的传动轴轴孔131B内用于安装A四氟垫圈137C与B四氟垫圈137D ；空腔131D用于放置C舵机136，且C舵机136的外部罩着C舵机罩135，C舵机罩 135固定在C舵机座131上。第三左关节运动组件13的装配关系为C舵机136安装在C舵机座131的空腔131D内，且外部罩着C舵机罩135，C舵机罩135固定在C舵机座131上；C鳍条132的一端连接在C摇臂1；34的槽口 134B中；C摇臂134另一端置于C舵机座131的摇臂槽131C内，且C摇臂134的方形孔134C 套接在C十字滑块联轴器137B的输出轴137B-1上，并置于A四氟垫圈137C与B四氟垫圈 137D之间；C传动轴组件137的C舵机盘137A连接在C舵机136的输出轴上，C舵机136安装在空腔131D (设在C舵机座131上)里，且外部罩有C舵机罩135，C舵机盘137A卡合在 C十字滑块联轴器137B的X轴向槽137B-2内，C十字滑块联轴器137B的输出轴137B-1上套接有A四氟垫圈137C和B四氟垫圈137D。(E)第四左关节运动组件14参见图6、图6A、图6B所示，第四左关节运动组件14包括有D舵机座141、D鳍条 142、D摇臂144、D舵机罩145、D舵机146、D传动轴组件147。D传动轴组件147包括有D舵机盘147A、D十字滑块联轴器147B、A四氟垫圈147C和B四氟垫圈147D。D舵机盘147A套接在D舵机146的输出轴上，且D舵机盘147A卡合在D十字滑块联轴器147B的X轴向槽147B-2内，D十字滑块联轴器147B的输出轴147B-1 上套接A四氟垫圈147C和B四氟垫圈147D ；D摇臂144的方形孔144C套接在D十字滑块联轴器147B的输出轴147B-1端部。D摇臂144上设有槽口 144A、方形孔144C ；槽口 144A用于安装D鳍条142的一端； 方形孔144C用于安装D传动轴组件147上的D十字滑块联轴器147B的输出轴147B-1的端部。参见图6A所示，D舵机座141上设有传动轴轴孔141B和空腔141D ；传动轴轴孔141B用于放置D传动轴组件147 ；空腔141D用于放置D舵机146，且D舵机146的外部罩着D舵机罩145，D舵机罩 145固定在D舵机座141上。第四左关节运动组件14的装配关系为D舵机146安装在D舵机座141的空腔141D内，且外部罩着D舵机罩145，D舵机罩145固定在D舵机座141上；D鳍条142的一端连接在D摇臂144的槽口 144A内，D摇臂144的方形孔144C套接在十字滑块联轴器147B的输出轴147B-1上；D传动轴组件147的D舵机盘147A连接在D舵机146的输出轴上，D舵机146安装在空腔141D (设在D舵机座141上)里，且外部罩有D舵机罩145，D舵机盘147A卡合在十字滑块联轴器147B的X轴向槽147B-2内，十字滑块联轴器147B的输出轴147B-1上套接有A四氟垫圈147C和B四氟垫圈147D。在本发明中，左侧的四个运动关节上的传动轴组件的结构相同。所述传动轴组件安装在舵机座的传动轴轴孔内。通过舵机座分别与躯干上的舵机架固定安装。左右四个运动关节在各自舵机的驱动下实现仿牛鼻鲼鱼的游动。(F)第一右关节运动组件21在本发明中，由于第一左关节运动组件11与第一右关节运动组件21的结构相同， 故将不对第一右关节运动组件21进行详细说明。参见图IA所示，第一左关节运动组件11 与第一右关节运动组件21是以躯干1对称设置的，因此第一右关节运动组件21的E舵机座211安装在躯干1的舵机架IC的右边。(G)第二右关节运动组件22在本发明中，由于第二左关节运动组件12与第二右关节运动组件22的结构相同， 故将不对第二右关节运动组件22进行详细说明。参见图IA所示，第二左关节运动组件12 与第二右关节运动组件22是以躯干1对称设置的，因此第二右关节运动组件22的F舵机座221安装在躯干1的舵机架IC的右边。(H)第三右关节运动组件23在本发明中，由于第三左关节运动组件13与第三右关节运动组件23的结构相同， 故将不对第三右关节运动组件23进行详细说明。参见图IA所示，第三左关节运动组件13 与第三右关节运动组件23是以躯干1对称设置的，因此第三右关节运动组件23的G舵机座231安装在躯干1的舵机架IC的右边。(I)第四右关节运动组件24
在本发明中，由于第四左关节运动组件14与第四右关节运动组件对的结构相同， 故将不对第四右关节运动组件M进行详细说明。参见图IA所示，第四左关节运动组件14 与第四右关节运动组件M是以躯干1对称设置的，因此第四右关节运动组件M的H舵机座241安装在躯干1的舵机架IC的右边。本发明的多关节仿牛鼻鲼驱动骨架的运动形式包括有前向游动、左向游动、右向游动、翻转游动和俯仰游动。下面将对每一种游动与结构相结合进行说明(一)前向游动左右关节组件中的八根鳍条同步向上或同步向下运动，实现仿牛鼻鲼机器鱼前向游动。具体各关节的运动机理为第一左关节组件11中的A摇臂114向上运动带动A鳍条112向上，同时第一右关节组件21中的摇臂向上运动带动鳍条向上；第二左关节组件12中的加长摇臂12A向上运动带动B鳍条122向上，同时第二右关节组件22中的加长摇臂向上运动带动鳍条向上；第三左关节组件13中的C鳍条132向上，同时第三左关节组件23中的鳍条向上；第一左关节组件11中的A摇臂114向下运动带动A鳍条112向下，同时第一右关节组件21中的摇臂向下运动带动鳍条向下；第二左关节组件12中的加长摇臂12A向下运动带动B鳍条122向下，同时第二右关节组件22中的加长摇臂向下运动带动鳍条向下；第三左关节组件13中的C鳍条132向下，同时第三左关节组件23中的鳍条向下；第四左关节组件14和第四右关节组件M协同调节俯仰和偏航，保持前向游动的稳定性。在本发明中，第一左关节组件11与第一右关节组件21为相同形式的运动；第二左关节组件12与第二右关节组件22为相同形式的运动；故在这四个传动轴组件上，舵机通过十字滑块联轴器带动摇臂/加长摇臂上下摆动，在摇臂/加长摇臂摆动的过程中A轴销带动鳍条上下摆动，即摇臂/加长摇臂与鳍条形成转动副；在摇臂/加长摇臂摆动的过程中B 轴销与滑槽相对滑动实现鳍条绕A轴销的转动运动，即舵机座与鳍条形成转滑动副。(二)左向游动右关节组件中的四根鳍条向上或向下运动，实现仿牛鼻鲼机器鱼左向游动。具体各关节的运动机理为第一左关节组件11中的A摇臂114保持水平静止状态，则第一右关节组件21中的摇臂向上运动带动鳍条向上；第二左关节组件12中的加长摇臂12A保持水平静止状态，则第二右关节组件22 中的加长摇臂向上运动带动鳍条向上；第三左关节组件13中的C鳍条132保持水平静止状态，则第三左关节组件23中的鳍条向上；第一左关节组件11中的A摇臂114保持水平静止状态，则第一右关节组件21中的摇臂向下运动带动鳍条向下；第二左关节组件12中的加长摇臂12A保持水平静止状态，则第二右关节组件22 中的加长摇臂向下运动带动鳍条向下；
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第三左关节组件13中的C鳍条132保持水平静止状态，则第三左关节组件23中的鳍条向下；第四左关节组件14和第四右关节组件M协同调节俯仰和偏航，保持左向游动的稳定性。在本发明中，左关节组件中的舵机转盘在不转动条件下，右关节组件中的舵机通过十字滑块联轴器带动摇臂/加长摇臂上下摆动，在摇臂/加长摇臂摆动的过程中A轴销带动鳍条上下摆动，即摇臂/加长摇臂与鳍条形成转动副；在摇臂/加长摇臂摆动的过程中 B轴销与滑槽相对滑动实现鳍条绕A轴销的转动运动，即舵机座与鳍条形成转滑动副。(三)右向游动左关节组件中的四根鳍条向上或向下运动，实现仿牛鼻鲼机器鱼右向游动。具体各关节的运动机理为第一左关节组件11中的A摇臂114向上运动带动A鳍条112向上，则第一右关节组件21中的摇臂保持水平静止状态；第二左关节组件12中的加长摇臂12A向上运动带动B鳍条122向上，则第二右关节组件22中的加长摇臂保持水平静止状态；第三左关节组件13中的C鳍条132向上，则第三左关节组件23中的鳍条保持水平静止状态；第一左关节组件11中的A摇臂114向下运动带动A鳍条112向下，则第一右关节组件21中的摇臂保持水平静止状态；第二左关节组件12中的加长摇臂12A向下运动带动B鳍条122向下，则第二右关节组件22中的加长摇臂保持水平静止状态；第三左关节组件13中的C鳍条132向下，则第三左关节组件23中的鳍条保持水平静止状态；第四左关节组件14和第四右关节组件M协同调节俯仰和偏航，保持右向游动的稳定性。在本发明中，右关节组件中的舵机转盘在不转动条件下，左关节组件中的舵机通过十字滑块联轴器带动左关节组件上的摇臂/加长摇臂上下摆动，在摇臂/加长摇臂摆动的过程中A轴销带动鳍条上下摆动，即摇臂/加长摇臂与鳍条形成转动副；在摇臂/加长摇臂摆动的过程中B轴销与滑槽相对滑动实现鳍条绕A轴销的转动运动，即舵机座与鳍条形成转滑动副。(四)翻转游动左关节组件中的四根鳍条同步向上，则右关节组件中的四根鳍条同步向下运动， 实现仿牛鼻鲼机器鱼翻转游动；或者左关节组件中的四根鳍条同步向下，则右关节组件中的四根鳍条同步向上运动， 实现仿牛鼻鲼机器鱼翻转游动。具体各关节的运动机理为第一左关节组件11中的A摇臂114向上运动带动A鳍条112向上，同步的第一右关节组件21中的摇臂向下运动带动鳍条向下；第二左关节组件12中的加长摇臂12A向上运动带动B鳍条122向上，同步的第二右关节组件22中的加长摇臂向下运动带动鳍条向下；
第三左关节组件13中的C鳍条132向上，同步的第三左关节组件23中的鳍条向下；第一左关节组件11中的A摇臂114向下运动带动A鳍条112向下，同步的第一右关节组件21中的摇臂向上运动带动鳍条向上；第二左关节组件12中的加长摇臂12A向下运动带动A鳍条122向下，同步的第二右关节组件22中的加长摇臂向上运动带动鳍条向上；第三左关节组件13中的C鳍条132向下，同步的第三左关节组件23中的鳍条向上；第四左关节组件14和第四右关节组件24协同调节俯仰和偏航，保持翻转游动的稳定性。在本发明中，舵机通过十字滑块联轴器带动摇臂/加长摇臂上下摆动，在摇臂/加长摇臂摆动的过程中A轴销带动鳍条上下摆动，即摇臂/加长摇臂与鳍条形成转动副；在摇臂/加长摇臂摆动的过程中B轴销与滑槽相对滑动实现鳍条绕A轴销的转动运动，即舵机座与鳍条形成转滑动副。(五)俯仰游动在本发明中，仿牛鼻鲼机器鱼在进行俯仰游动过程中，设置在躯干两侧的左右前三个关节不运动，仅通过第四左关节组件14和第四右关节组件24同步向上或向下协同实现俯仰游动和辅助偏航运动。
权利要求
1.一种多关节仿牛鼻鲼驱动骨架，其特征在于该骨架由一个躯干(1)和八个运动关节组成，八个运动关节以躯干(1)左右对称布置；所述的八个运动关节是指第一左关节运动组件(11)、第二左关节运动组件(12)、第三左关节运动组件(13)、第四左关节运动组件(14)、第一右关节运动组件(21)、第二右关节运动组件(22)、第三右关节运动组件(23)和第四右关节运动组件(24)；其中，第一左关节运动组件(11)与第一右关节运动组件(21)的结构相同，且对称安装在躯干(1)的左右；第二左关节运动组件(12)与第二右关节运动组件(22)的结构相同，且对称安装在躯干(1) 的左右；第三左关节运动组件(13)与第三右关节运动组件(23)的结构相同，且对称安装在躯干(1)的左右；第四左关节运动组件(14)与第四右关节运动组件(24)的结构相同，且对称安装在躯干(1)的左右。
2.根据权利要求1所述的多关节仿牛鼻鲼驱动骨架，其特征在于躯干1包括有上盖体(IA)、下盖体(IB)、舵机架(IC)、密封架(ID)、第一挡块(IE)、第二挡块(IF)；上盖体(IA)安装在第一挡块(IE)与第二挡块(IF)之间；且用密封架(ID)实现上盖体(IA)与下盖体(IB)的密封；舵机架(IC)安装在下盖体(IB)上，且置于密封架(ID)下方； 下盖体(IB)上设有用于电缆通过的A通孔(IG)和B通孔(IH)； 舵机架(IC)上设有多个用于安装每一个运动关节上舵机座的安装孔。
3.根据权利要求1所述的多关节仿牛鼻鲼驱动骨架，其特征在于第一左关节运动组件(11)的结构为A舵机(116)安装在A舵机座(111)的空腔(IllD)内，且外部罩着A舵机罩(115)，A 舵机罩(115)固定在A舵机座(111)上；A鳍条(112)的一端连接在A摆杆(113)的另一端上，A摆杆(113)的一端通过A摇臂轴(119A)实现与A舵机座(111)的U形连接臂(IllA)连接；所述A摇臂轴(119A)在A滑块(119)内滑动，A滑块(119)安装在A摆杆(113)的滑块腔(113A)内；A摇臂(114)的一端置于A舵机座(111)的摇臂槽(IllC)内，且A摇臂(114)的方形孔(114C)套接在十字滑块联轴器(117B)的输出轴(117B-1)上，并置于A四氟垫圈(117C) 与B四氟垫圈(117D)之间；A摇臂(114)的另一端通过A销轴(118)实现与A摆杆(113) 的另一端连接；A销轴(118)的一端安装在A摇臂(114)的轴孔(114B)内，A销轴(118)的另一端置于A轴套(118A)内，A轴套(118A)安装在A摆杆(113)的轴套孔(113B)内；A传动轴组件(117)的A舵机盘(117A)连接在A舵机(116)的输出轴上，A舵机(116) 安装在空腔(IllD)(设在A舵机座(111上))里，且外部罩有A舵机罩(115)，A舵机盘 (117A)卡合在十字滑块联轴器(117B)的X轴向槽(117B-2)内，十字滑块联轴器(117B)的输出轴(117B-1)上套接A四氟垫圈(117C)和B四氟垫圈(117D)。
4.根据权利要求1所述的多关节仿牛鼻鲼驱动骨架，其特征在于第二左关节运动组件(12)的结构为B舵机(126)安装在B舵机座(121)的空腔(121D)内，且外部罩着B舵机罩(125)，B 舵机罩(125)固定在B舵机座(121)上；B鳍条(122)的一端连接在B摆杆(123)的另一端上，B摆杆(123)的一端通过销轴 (12C)与滑块(12D)的配合实现与加长摇臂(12A)的U形叉(12A-4)连接；加长摇臂(12A)的一端置于B舵机座(121)的摇臂槽(121C)内；加长摇臂(12A)的一端套接在十字滑块联轴器(127B)的输出轴(127B-1)上，并置于A 四氟垫圈(127C)与B四氟垫圈(127D)之间；加长摇臂(12A)的另一端通过轴销(12C)与滑块(12D)的配合实现与B摆杆(123)的另一端连接；B销轴(128)的一端安装在加长摇臂(12A)的轴孔(12A-2)内，B销轴(128)的另一端置于B轴套(128A)内，B轴套(U8A) 安装在B摇臂(124)的轴套孔(124D)内；B摇臂(124)的一端通过在销钉孔(1MB)中安装销钉，在销钉与连接轴(12B)的配合下实现B摇臂(124)的一端与B摆杆(123)的另一端的轴接；B摇臂(124)的另一端通过B 滑动轴(U9A)与B滑块(1 )的配合实现将B摇臂(124)的另一端连接在B舵机座(121) 的U形连接臂(121A)上；B摇臂(124)上的轴套孔(IMD)内套接有B轴套(U8A)，B轴销 (128)穿过B轴套(U8A)，B轴销(128)的另一端安装在加长摇臂(12A)的轴孔(12A-2) 中；B传动轴组件(127)的B舵机盘(127A)连接在B舵机(126)的输出轴上，B舵机(126) 安装在空腔(121D)(设在B舵机座(121)上)里，且外部罩有B舵机罩(125)，B舵机盘 (127A)卡合在十字滑块联轴器(127B)的X轴向槽(127B-2)内，十字滑块联轴器(127B)的输出轴(127B-1)上套接A四氟垫圈(127C)和B四氟垫圈(127D)。
5.根据权利要求1所述的多关节仿牛鼻鲼驱动骨架，其特征在于第三左关节运动组件(13)的结构为C舵机(136)安装在C舵机座(131)的空腔(131D)内，且外部罩着C舵机罩(135)，C 舵机罩(135)固定在C舵机座(131)上；C鳍条(132)的一端连接在C摇臂(134)的槽口(134B)中；C摇臂(134)另一端置于C舵机座(131)的摇臂槽(131C)内，且C摇臂(134)的方形孔 (134C)套接在C十字滑块联轴器(137B)的输出轴(137B-1)上，并置于A四氟垫圈(137C) 与B四氟垫圈(137D)之间；C传动轴组件(137)的C舵机盘(137A)连接在C舵机(136)的输出轴上，C舵机(136) 安装在空腔(131D)(设在C舵机座(131)上)里，且外部罩有C舵机罩(135)，C舵机盘 (137A)卡合在C十字滑块联轴器(137B)的X轴向槽(137B-2)内，C十字滑块联轴器(137B) 的输出轴(137B-1)上套接A四氟垫圈(137C)和B四氟垫圈(137D)。
6.根据权利要求1所述的多关节仿牛鼻鲼驱动骨架，其特征在于第四左关节运动组件(14)的结构为D舵机(146)安装在D舵机座(141)的空腔(141D)内，且外部罩着D舵机罩(145)，D 舵机罩(145)固定在D舵机座(141)上；D鳍条(142)的一端连接在D摇臂(144)的槽口(144A)内，D摇臂(144)的方形孔 (144C)套接在十字滑块联轴器(147B)的输出轴(147B-1)上；D传动轴组件(147)的D舵机盘(147A)连接在D舵机(146)的输出轴上，D舵机(146) 安装在空腔(141D)(设在D舵机座(141)上)里，且外部罩有D舵机罩(145)，D舵机盘 (147A)卡合在十字滑块联轴器(147B)的X轴向槽(147B-2)内，十字滑块联轴器(147B)的输出轴(147B-1)上套接A四氟垫圈(147C)和B四氟垫圈(147D)。
7.根据权利要求1所述的多关节仿牛鼻鲼驱动骨架，其特征在于骨架的运动形式包括有前向游动、左向游动、右向游动、翻转游动和俯仰游动。
8.根据权利要求1所述的多关节仿牛鼻鲼驱动骨架，其特征在于骨架采用MATLAB仿真软件和CATIA建模软件对牛鼻鲼的胸鳍摆动变形模式进行拟合得到运动形式，然后根据运动形式设计了多关节仿牛鼻鲼驱动骨架。
全文摘要
本发明公开了一种多关节仿牛鼻鲼驱动骨架，该骨架由一个躯干和八个运动关节组成，八个运动关节以躯干左右对称布置。运动关节上的弦向驱动鳍条采用独立舵机驱动，实现了每根鳍条在摆动频率、摆动幅度、相位差角等参数上的灵活可控。本发明骨架的运动形式包括有前向游动、左向游动、右向游动、翻转游动和俯仰游动。本发明骨架采用MATLAB仿真软件和CATIA建模软件对牛鼻鲼的胸鳍摆动变形模式进行拟合得到运动形式，然后根据运动形式设计了多关节仿牛鼻鲼驱动骨架。
文档编号B63H1/36GK102303701SQ20111016521
公开日2012年1月4日 申请日期2011年6月20日 优先权日2011年6月20日
发明者张利格, 毕树生, 牛传猛, 蔡月日, 郑礼成 申请人:北京航空航天大学