專利名稱：一種水下機(jī)械式仿生撲翼推進(jìn)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水下航行器推進(jìn)裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種水下機(jī)械式仿生 撲翼推進(jìn)器。
背景技術(shù)：
水下航行器作為一種水下無人智能移動(dòng)平臺，其驅(qū)動(dòng)裝置多采用螺旋槳推進(jìn)裝 置。特別是在海底地形復(fù)雜，存在暗流、浪、涌的區(qū)域?qū)λ潞叫衅鞯牟倏v性能要求較高。要 完成海洋謀些參數(shù)的測量，海底信息調(diào)查，定點(diǎn)考察作業(yè)任務(wù)，則要求水下航行器在低速條 件下應(yīng)具有良好的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性。采用螺旋槳推進(jìn)，以鰭舵進(jìn)行操縱性控制的運(yùn)動(dòng)方式 已經(jīng)難以滿足這種需求。近年來，為了提高水下航行器的操縱性能，科研人員通過對魚類等海洋生物的仿 生學(xué)研究，不斷成功研制了新型的推進(jìn)裝置和方式。如美國麻省理工學(xué)院的仿生金槍魚、 英國Essex大學(xué)研制的第一條具有自主控制能力的機(jī)器魚等。仿魚推進(jìn)器是利用魚類的游 動(dòng)推進(jìn)機(jī)理，如鰻鱺目身體波動(dòng)模式、鰺科模式、鰺科加新月形尾鰭模式和胸鰭模式等。通 過機(jī)械、電子結(jié)構(gòu)或功能材料如形狀記憶合金、人造肌肉等，來模擬魚類的游動(dòng)推進(jìn)動(dòng)作， 從而實(shí)現(xiàn)水下運(yùn)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)的推進(jìn)功能。仿生機(jī)器魚與采用螺旋槳推進(jìn)的水下航行器相 比，具有推進(jìn)效率高、機(jī)動(dòng)性能好、隱蔽性能好等優(yōu)點(diǎn)。而其運(yùn)動(dòng)方式不足之處在機(jī)動(dòng)性方 面，機(jī)器魚不能S形轉(zhuǎn)彎、快速啟動(dòng)、快速制動(dòng)；在下潛過程中不能快速穩(wěn)定的懸浮在水中； 在推進(jìn)方面，因?yàn)椴恢~是怎樣控制渦流推進(jìn)，不能預(yù)測給定一個(gè)命令機(jī)器魚將會(huì)做出什 么樣動(dòng)作。這種仿生推進(jìn)方式的水下航行器的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性尚有待提高。在自然界的水生生物中，除了魚類外，還有一些生物具有獨(dú)特的游動(dòng)方式，經(jīng)過自 然界的選擇和自身的進(jìn)化，它們的游動(dòng)方式變得愈加成熟和完美，如海洋生物海龜、海獅、 海豚、企鵝等。此類生物都長有鰭狀肢體，其運(yùn)動(dòng)方式與普通魚類有明顯不同。在水中游動(dòng) 時(shí)，其身體軀干不做大幅擺動(dòng)，主要依靠撲翼的劃水產(chǎn)生動(dòng)力。盡管此類生物具有較大的體 形，但是它們卻具有爆發(fā)力強(qiáng)、啟動(dòng)快等特點(diǎn)，尤其在低速條件下具備良好的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定 性。因此，利用仿生學(xué)原理研制類似海龜、海獅、海豚等動(dòng)物的水下推進(jìn)器具有非常廣闊的 應(yīng)用前景。發(fā)明專利CN101003301A中公開了一種“水下仿水翼推進(jìn)裝置”，該裝置采用兩個(gè) 電機(jī)+控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水翼拍動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是兩個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)。這種裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且 需要精確的控制，須配置復(fù)雜的單片機(jī)控制系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是針對現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足提供一種水下機(jī)械式仿生 撲翼推進(jìn)器，其要解決的技術(shù)問題是通過簡單的機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，較為真實(shí)的實(shí)現(xiàn)水生撲 翼的劃水動(dòng)作，而且不需要復(fù)雜的控制機(jī)構(gòu)，能夠很好模擬水生撲翼運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置。本 發(fā)明水下機(jī)械式仿生撲翼推進(jìn)器裝置，它主要由水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、豎直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、仿生撲翼、固定底板五部分組成。該推進(jìn)器采用機(jī)械式運(yùn)動(dòng)分離的方法，由一些簡單的 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度模擬撲翼三維運(yùn)動(dòng)，各部分具有如下特點(diǎn)所述的水平運(yùn)動(dòng)機(jī) 構(gòu)是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和水平滑塊運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌等部分組成。該機(jī)構(gòu)的作用是實(shí) 現(xiàn)撲翼運(yùn)動(dòng)中水平方向上的運(yùn)動(dòng)。偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)具有急回特性，能夠?qū)崿F(xiàn)向前運(yùn)動(dòng)和 向后運(yùn)動(dòng)速度的不同，因此能夠模擬撲翼緩慢向前劃、快速向后劃的運(yùn)動(dòng)。水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中 各個(gè)連桿的尺寸是根據(jù)撲翼水平方向運(yùn)動(dòng)距離及其前后劃動(dòng)速度來確定的。所述的豎直運(yùn) 動(dòng)機(jī)構(gòu)是由凸輪、豎直滑塊、滾輪等部分組成。該機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)撲翼豎直方向上的運(yùn) 動(dòng)。豎直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是在水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上的，通過凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)豎直滑塊 運(yùn)動(dòng)。豎直滑塊的運(yùn)動(dòng)相對于水平滑塊是豎直方向的。當(dāng)水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)確定且凸輪 轉(zhuǎn)速一定時(shí)，根據(jù)撲翼運(yùn)動(dòng)的軌跡曲線，可以唯一確定出豎直滑塊的位置即滾輪的位置，基 于此可以反算出凸輪的形狀參數(shù)。所述的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是由鉸鏈機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)軸等部分組 成。該機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)撲翼運(yùn)動(dòng)過程中的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得撲翼向前運(yùn)動(dòng)時(shí)迎水面積小、向 后劃水時(shí)迎水面積大，從而產(chǎn)生向前的推力。翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)沒有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，當(dāng)水平和豎直運(yùn) 動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及其本身的尺寸確定時(shí)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)也就確定了，即翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是 被動(dòng)的。在設(shè)計(jì)當(dāng)中，采用優(yōu)化的方法確定各個(gè)連桿的尺寸，使其運(yùn)動(dòng)盡可能與實(shí)際撲翼運(yùn) 動(dòng)相吻合。整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程為電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)水平滑塊在水平滑 塊運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌中左右運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪推桿機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)豎直滑塊相對水平滑塊作豎直 方向上的運(yùn)動(dòng)。這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)疊加實(shí)現(xiàn)了撲翼末梢運(yùn)動(dòng)軌跡的擬合，同時(shí)帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)，從而使得撲翼翻轉(zhuǎn)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單可靠，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的周期性推進(jìn)力，具有能源利用率高等特點(diǎn)， 并且有助于對仿生推進(jìn)機(jī)理的研究，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。依據(jù)該新型推進(jìn)方式的機(jī) 器海龜在玩具制造業(yè)及科普教育同樣具有廣闊的市場開發(fā)空間。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明水下機(jī)械式仿生撲翼推進(jìn)器的實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的 說明。圖1為本發(fā)明水下機(jī)械式仿生撲翼推進(jìn)器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明水下機(jī)械式仿生撲翼推進(jìn)器的偏置曲柄滑塊示意圖。圖3為本發(fā)明水下機(jī)械式仿生撲翼推進(jìn)器的電機(jī)輸出安裝架示意圖。圖4為本發(fā)明水下機(jī)械式仿生撲翼推進(jìn)器的推桿示意圖。圖5為本發(fā)明水下機(jī)械式仿生撲翼推進(jìn)器的凸輪剖面圖。圖6為本發(fā)明水下機(jī)械式仿生撲翼推進(jìn)器的水平滑塊示意圖。圖7為本發(fā)明水下機(jī)械式仿生撲翼推進(jìn)器的撲翼翼型示意圖。1固定端 2偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)3水平導(dǎo)軌 4仿生撲翼5轉(zhuǎn)軸6鉸鏈機(jī)構(gòu) 7水平滑塊 8推桿 9凸輪10凸輪推桿機(jī)構(gòu)11減速直流電機(jī) 12聯(lián)軸器 13輸出軸14電機(jī)安裝架 15底座 16推桿 17滾輪
具體實(shí)施例方式由圖1和圖2可知，本發(fā)明水下機(jī)械式仿生撲翼推進(jìn)器主要由偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 2、凸輪推桿機(jī)構(gòu)10、鉸鏈機(jī)構(gòu)6和仿生撲翼4四部分組成，其偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)2由固定端 1進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)所采用電機(jī)為減速直流電機(jī)11。通過減速直流電機(jī)11帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從 而驅(qū)動(dòng)水平滑塊7在水平導(dǎo)軌3中左右移動(dòng)。其中連桿均采用2Crl3型不銹鋼，底座采用 45#鋼加工而成，其它零部件均采用標(biāo)準(zhǔn)件。如圖3所示，減速直流電機(jī)11通過4個(gè)M4的螺釘固定在電機(jī)安裝架14上，電機(jī) 安裝架14則利用4個(gè)M8的螺釘與底座15進(jìn)行連接。電機(jī)軸通過聯(lián)軸器12與輸出軸13 連接，輸出軸13與電機(jī)安裝架14之間為間隙配合，輸出軸13其直徑為10mm。所述的凸輪推桿機(jī)構(gòu)10同樣采用減速直流電機(jī)11進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，且電機(jī)型號與偏置 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)2的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為同一型號，以保證轉(zhuǎn)速一致.減速直流電機(jī)通過4個(gè)M4的螺 釘固定在電機(jī)安裝架上，電機(jī)安裝架則利用4個(gè)M8的螺釘與底座進(jìn)行連接如圖4所示，推桿16底部的滾輪17安裝在凸輪導(dǎo)槽內(nèi)，如圖5中a處所示。同時(shí)， 推桿16也是安裝在水平滑塊7的豎直導(dǎo)軌中，如圖6中b處所示。通過水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和豎 直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的共同作用，從而完成撲翼末梢運(yùn)動(dòng)軌跡的擬合。如圖7所示為仿生撲翼4的翼型，其采用NACA0012低速翼型，翼面形狀采用長流 線形，材料選用耐海水腐蝕的工程塑料。仿生撲翼4側(cè)面鉆有一個(gè)Φ4的通孔，通過該通孔 與翻轉(zhuǎn)軸5過盈配合。翻轉(zhuǎn)軸5與連桿加工成一體，使連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)可以帶動(dòng)仿生撲翼4轉(zhuǎn) 動(dòng)。鉸鏈機(jī)構(gòu)6的固定端1是由2Crl3型不銹鋼制作而成，通過4個(gè)M8的螺釘與底座15 連接。鉸鏈機(jī)構(gòu)6的運(yùn)動(dòng)是被動(dòng)的。在本發(fā)明實(shí)例當(dāng)中采用了兩個(gè)同樣型號的電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)的方式，同時(shí)也可以采用 一個(gè)直流電機(jī)+等速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)，其中等速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以采用皮帶輪機(jī)構(gòu)或者齒 輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。具有鰭狀肢體的水生物在不同運(yùn)動(dòng)過程中，其撲翼運(yùn)動(dòng)軌跡有所不同。不同生物 之間，其撲翼運(yùn)動(dòng)也略有差異。通過改變各機(jī)構(gòu)尺寸及凸輪形狀參數(shù)，能夠從運(yùn)動(dòng)學(xué)上滿足 不同軌跡觀測值擬合的需求。
權(quán)利要求
1.一種水下機(jī)械式仿生撲翼推進(jìn)器，包括偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、凸輪推桿機(jī)構(gòu)、鉸鏈機(jī) 構(gòu)和仿生撲翼，其特征在于偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(2)實(shí)現(xiàn)水平方向上的運(yùn)動(dòng)，凸輪推桿機(jī)構(gòu) (10)實(shí)現(xiàn)豎直方向上的運(yùn)動(dòng)，兩者共同作用實(shí)現(xiàn)撲翼(4)翼稍軌跡的運(yùn)動(dòng)，鉸鏈機(jī)構(gòu)(6)實(shí) 現(xiàn)撲翼的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下機(jī)械式仿生撲翼推進(jìn)器，其特征在于所述偏置曲柄滑 塊機(jī)構(gòu)( 采用直流減速電機(jī)(11)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)水平滑塊(7)在水平導(dǎo)軌C3)中左右移動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下機(jī)械式仿生撲翼推進(jìn)器，其特征在于推桿(16)底部的 滾輪(17)安裝在凸輪導(dǎo)槽內(nèi)，同時(shí)，推桿(16)亦安裝在水平滑塊(7)的豎直導(dǎo)軌中，完成 撲翼末梢運(yùn)動(dòng)軌跡的擬合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下機(jī)械式仿生撲翼推進(jìn)器，其特征在于翻轉(zhuǎn)軸(5)與連 桿加工成一體，連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)其仿生撲翼(4)轉(zhuǎn)動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下機(jī)械式仿生撲翼推進(jìn)器，其特征在于凸輪推桿機(jī)構(gòu) (10)通過同型號的電機(jī)實(shí)現(xiàn)與偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(2)等速的轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)也可以采用一個(gè)直 流電機(jī)+等速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)，其等速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以采用皮帶輪機(jī)構(gòu)或者齒輪傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水下機(jī)械式仿生撲翼推進(jìn)器，它包括水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、豎直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、仿生撲翼、固定底板五部分組成。該推進(jìn)器采用機(jī)械式運(yùn)動(dòng)分離的方法，由簡單的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度模擬撲翼三維運(yùn)動(dòng)，整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程為電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)水平滑塊在水平滑塊運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌中左右運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪推桿機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)豎直滑塊相對水平滑塊作豎直方向上的運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)疊加實(shí)現(xiàn)撲翼末梢運(yùn)動(dòng)軌跡的擬合，同時(shí)帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)撲翼的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)簡單可靠，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的周期性推進(jìn)力，具有能源利用率高等特點(diǎn)和廣闊的市場開發(fā)空間。
文檔編號B63H1/36GK102079382SQ200910219170
公開日2011年6月1日 申請日期2009年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日
發(fā)明者劉占一, 吳文輝, 宋保維, 潘光, 胡海豹 申請人:西北工業(yè)大學(xué)