一种基于鲹科鱼类的三自由度仿生胸鳍推进机构的制作方法

本发明涉及仿生机器鱼技术领域，特别是涉及一种基于鲹科鱼类的三自由度的仿生胸鳍推进机构。

背景技术：

水下机器人作为人类大脑和肢体在水下的延伸，能够在人类无法到达的水下深度和广度上进行探测、识别和作业，因此水下机器人在海洋石油开发、矿藏调查、打捞作业、水质实时监测等领域具有广阔的应用前景。随着海洋资源的开发利用和海洋军事领域的广泛需求，传统的水下探测器因其具有效率低、机动性差、噪音高等缺点已经不能满足科研和工程的上需要，为了克服这些问题，适应未来水下航行器发展的要求，人们在开发新能源的同时，也在积极的寻找性能更加优良的新型推进方式。

仿生学研究表明，仿鱼鳍推进模式具有高效率、高稳定性、优良的机动性、噪音低、对环境扰动小等优势，是鱼类为了适应复杂的水下生活，经过亿万年的自然进化的结果，它为研制效率高、机动性好和噪声低的水下航行器提供了新的思路。例如鱼类通过尾鳍、胸鳍、背鳍、臀鳍和腹鳍的配合，其游动效率普遍超过了80%，其中鲹科鱼类的游动效率更高，可以达到90%，反观传统的螺旋桨推进装置，它的平均推进效率仅为40-50%。因此，进一步开展对仿生机器鱼运动机理的深入研究具有非常重要的作用。同时，应用现代控制方法，控制其仿生机器鱼的推进器，使得其的运动更具仿生性、效率更高，也是具有重要的研究意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种使仿生机器鱼具有高机动性、高效率，并且能够实现复杂的三维运动的基于鲹科鱼类的三自由度仿生胸鳍推进机构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种基于鲹科鱼类的三自由度的仿生胸鳍推进机构，包括输出轴、框架、仿生胸鳍和驱动执行机构，所述驱动执行机构包括拍翼机构和摇翼机构，驱动执行机构通过输出轴与仿生胸鳍连接，所述框架上连接输出轴。

所述拍翼机构，所述拍翼机构的输出轴设在中间滑块上，中间滑块上连接横纵双向的滑杆，框架上设有皮带轮、机架和线轴承，机架之间设有连接杆，连接杆上设有移动块，移动块与滑杆连接，皮带轮之间设有皮带，拍翼步进电机驱动皮带带动移动块、连接杆和滑杆运动，连接杆和滑杆带动中间滑块移动。

所述摇翼机构，所述摇翼机构在框架上设置底板，底板上设有连接片，连接片上连接摇翼步进电机、齿轮对、轴承座和轴承；摇翼步进电机通过齿轮对带动输出轴旋转。

所述摇翼步进电机通过连接短轴与输出轴连接。

所述连接短轴通过端盖固定在框架上。

所述仿生胸鳍的形状呈扇形。

所述框架为铝黄铜合金。

本发明的有益效果为：

1、一种基于鲹科鱼类的三自由度的仿生胸鳍推进机构，包括输出轴、框架、仿生胸鳍和驱动执行机构，所述驱动执行机构包括拍翼机构和摇翼机构，驱动执行机构通过输出轴与仿生胸鳍连接，所述框架上连接输出轴。可以实现仿生机器鱼在水中的多种复杂动作，例如前进后退、上升下潜、悬停转弯等等，实现了机器鱼在空间中的复杂三维运动。运动性能更佳贴合仿生生物。

2、所述摇翼步进电机通过连接短轴与输出轴连接。所述连接短轴通过端盖固定在框架上。减少整体设备轴距仿生胸鳍的形状呈扇形，运行传动效率更高。所述

3、所述框架为铝黄铜合金。可在冷态及热态下进行压力加工,对海水及盐水有良好的耐蚀性，并耐冲击腐蚀，加工较为便捷，塑性性能好，仿生尺寸更容易加工。

综上所述，对称放置的两套胸鳍的拍翼推进机构以及与之相连接的两套摇翼推进机构。拍翼机构实现上下和左右的拍翼运动，摇翼机构实现整体的旋转运动。胸鳍推进机构的拍翼运动和摇翼运动相互分离、互不干涉，既能够单独运动也能耦合运动，能够实现任意方向上的推进力，因此可以实现机器鱼在空间中的复杂的三维运动。本发明和以往大多数机器鱼相比，无论是在驱动形式的多样性或者是自由度数上，都有无以比拟的优势，从而可以使机器鱼更加自如、稳定的游动。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明胸鳍拍翼机构的结构示意图；

图3是本发明胸鳍摇翼机构的结构示意图；

图4是本发明胸鳍摇翼机构的装配示意图。

具体实施方式

一种基于鲹科鱼类的三自由度的仿生胸鳍推进机构，包括输出轴1、框架2、仿生胸鳍3和驱动执行机构，所述驱动执行机构包括拍翼机构和摇翼机构，驱动执行机构通过输出轴1与仿生胸鳍3连接，所述框架2上连接输出轴1。

所述拍翼机构，所述拍翼机构的输出轴1设在中间滑块20上，中间滑块20上连接横纵双向的滑杆29，框架2上设有皮带轮22、机架26和线轴承25，机架26之间设有连接杆28，连接杆28上设有移动块27，移动块27与滑杆29连接，皮带轮22之间设有皮带23，拍翼步进电机21驱动皮带23带动移动块27、连接杆28和滑杆29运动，连接杆28和滑杆29带动中间滑块20移动。所述摇翼机构，所述摇翼机构在框架2上设置底板34，底板34上设有连接片31，连接片31上连接摇翼步进电机30、齿轮对32、轴承座33和轴承35；摇翼步进电机30通过齿轮对32带动输出轴1旋转。所述摇翼步进电机30通过连接短轴36与输出轴1连接。所述连接短轴36通过端盖37固定在框架2上。所述仿生胸鳍3的形状呈扇形。所述框架2为铝黄铜合金。

结合图1-4所示，本发明基于鲹科鱼类的三自由度仿生胸鳍推进机构包括仿生胸鳍、对称放置的两套胸鳍的拍翼推进机构以及与之相连接的两套摇翼推进机构。拍翼机构实现上下和左右的拍翼运动，摇翼机构实现整体的旋转运动。胸鳍推进机构采用模块化设计，对称分布在鱼体中轴线两侧。

本发明基于鲹科鱼类的三自由度仿生胸鳍推进机构安装在机器鱼主体的腹部位置，使两片仿生胸鳍3转动，仿生胸鳍3实现摆动的动作。

本发明基于鲹科鱼类的三自由度仿生胸鳍推进机构的工作进程为：

1.当紧固在框架上的一个步进电机21运转，与连接片连接的步进电机30不运转时，皮带轮机构带动移动块27在移动杆24上运动，从而带动中间滑块20的运动，最终使输出轴1运动，仿生胸鳍3实现上下或左右的拍翼运动。

2.当紧固在框架上的两个拍翼步进电机21同时运转，与连接片连接的摇翼步进电机30不运转时，皮带轮机构带动移动块27在移动杆24上运动，从而带动中间滑块20的运动，最终使输出轴1运动，仿生胸鳍3实现平面内的任意方向的拍翼运动。

3.当紧固在框架上的两个拍翼步进电机21不运转，与连接片连接的摇翼步进电机30运转时，齿轮对32通过连接短轴36使整个框架2部分整体转动，输出轴1转动，仿生胸鳍3实现摇翼运动。

4.当紧固在框架2上的一个拍翼步进电机21运转，与连接片31连接的摇翼步进电机30运转或者当紧固在框架上的两个拍翼步进电机21运转，与连接片连接的摇翼步进电机30运转时，仿生胸鳍3实现拍翼和摇翼的复合动作。

技术特征：

技术总结
本发明涉及仿生机器鱼技术领域，特别是涉及一种基于鲹科鱼类的三自由度的仿生胸鳍推进机构。对称放置的两套胸鳍的拍翼推进机构以及与之相连接的两套摇翼推进机构。拍翼机构实现上下和左右的拍翼运动，摇翼机构实现整体的旋转运动。胸鳍推进机构的拍翼运动和摇翼运动相互分离、互不干涉，既能够单独运动也能耦合运动，能够实现任意方向上的推进力，因此可以实现机器鱼在空间中的复杂的三维运动。本发明和以往大多数机器鱼相比，无论是在驱动形式的多样性或者是自由度数上，都有无以比拟的优势，从而可以使机器鱼更加自如、稳定的游动。

技术研发人员：李宗刚;严健;葛立明;石慧荣;麻有田;冀庆恩;夏文卿
受保护的技术使用者：兰州交通大学
技术研发日：2017.06.14
技术公布日：2017.08.29