一種仿生波動長鰭水下推進器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于仿生機器魚技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種仿生波動長鰭水下推進器，尤其涉及一種模仿長刀魚游動方式的仿生波動長鰭水下推進器。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，自主水下航行器(AUVs)已被廣泛應(yīng)用于海洋開發(fā)、海洋研宄、水下環(huán)境保護等領(lǐng)域。螺旋槳等傳統(tǒng)的水下推進器會在尾跡中會產(chǎn)生大量大帶寬的噪聲，導(dǎo)致一些水下生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴重破壞，并且還具有效率低，機動性差等缺點。而魚類經(jīng)過長時間的演化，進化出了各種高效、高機動的推進方式。模擬魚類推進方式，研發(fā)高性能、高機動性、對環(huán)境擾動小的智能仿生水下機器人引起了越來越多研宄人員的興趣。
[0003]根據(jù)魚類游動時身體產(chǎn)生推力部位的不同，可以將魚類游動模式分為身體/尾鰭模式(Body and/or Caudal Fin,BCF)和中央鰭 / 對鰭模式(Median and/or Paired Fin，MPF)，采用MPF模式游動的魚類通常依靠波動的長鰭產(chǎn)生推力來進行游動，相比BCF模式的魚類，它們在低速、復(fù)雜環(huán)境下往往具有更好的機動性和穩(wěn)定性。
[0004]據(jù)現(xiàn)有文獻，最早進行仿MPF模式魚類實驗研宄的是英國赫瑞瓦特大學(xué)，他們于2001年設(shè)計了一種長鰭驅(qū)動裝置，其中包含8個并行排列的的鰭條，鰭條通過柔性薄膜形成一條長鰭，并通過氣動裝置驅(qū)動鰭條實現(xiàn)長鰭的波動，并可通過改變行波方向來改變推力方向，但由于氣動驅(qū)動器體積和慣性較大，難以投入實際應(yīng)用。經(jīng)過多年的研宄發(fā)展，國內(nèi)外研宄人員逐漸研制出了多種MPF模式的仿生機器魚系統(tǒng)。在國外，美國西北大學(xué)在研宄電鰻游動機理的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種長腹鰭波動推進裝置；新加坡南洋理工大學(xué)在深入研宄長鰭波動推進機理的基礎(chǔ)上，研制了相應(yīng)的長鰭波動推進系統(tǒng)。在國內(nèi)，國防科技大學(xué)率先開展了仿生波動長鰭推進器的研宄，并研制了多種仿生波動鰭推進實驗裝置。
[0005]上述長鰭推進裝置能實現(xiàn)前進、后退運動，但游動速度較慢，因結(jié)構(gòu)限制，難以實現(xiàn)水下快速三維運動，且可擴展性不強，對研制新型水下推進器的指導(dǎo)作用有限。中科院自動化所曾模仿鰩魚研制了一種靠胸鰭波動推進的仿生機器魚，其能實現(xiàn)前進、后退、上升、下潛等多模態(tài)運動，但因為其長鰭上舵機和鰭條數(shù)量較少，鰭面上最多只能實現(xiàn)I個正弦波形的波動，機器魚所能進行的運動種類受到限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的以上問題，基于模塊化思想，設(shè)計了一種即可在水中獨立地模擬刀魚進行快速穩(wěn)定三維運動，又可安裝在水下機器平臺兩側(cè)模擬鰩魚運動的仿生波動長鰭水下推進器。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種仿生波動長鰭水下推進器，采取以下技術(shù)方案包括:上半筒、下半筒、密封圈、螺絲孔、氣門嘴芯、防水插頭、多個第一錐齒輪、多個鰭條、長鰭、控制電路板、多個第一舵機、多個壓條、第一軸承座、配重塊、絲桿、第二舵機、螺絲孔、電池組件，以及多路第一舵機動力輸出結(jié)構(gòu)由一長軸、多個鰭條座、多個第二軸承座、多個軸套、多個聚四氟乙烯圈、多個格來圈、多個滾珠軸承、多個第二錐齒輪組成，其中:
[0008]由上半筒、下半筒組成圓筒形腔體；在上半筒與下半筒之間設(shè)置有密封圈，上半筒、下半筒和密封圈固定連接并壓緊構(gòu)成一個密封腔體；在上半筒的外殼頂部設(shè)置有氣門嘴芯和防水插頭；長鰭設(shè)置于圓筒形腔體下部，長鰭上具有多根鰭條，所有鰭條等間距分布在長鰭的鰭面上，并每根鰭條的一端插入對應(yīng)的鰭條座中固定，長鰭的鰭面與每根鰭條連接一體結(jié)構(gòu)；在上半筒、下半筒的腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)含有控制電路板、多個第一舵機、多個壓條、第一軸承座、可調(diào)節(jié)配重塊、絲桿、第二舵機、多個螺絲孔、電池組件；在下半筒的后部設(shè)置有一第二舵機，第二舵機的輸出軸連接絲杠，絲桿中設(shè)置有配重塊，絲杠一端置于第一軸承座中，第二舵機帶動絲桿轉(zhuǎn)動，即可調(diào)節(jié)配重塊的位置，從而調(diào)節(jié)波動鰭推進器的重心和浮心相對位置，進而調(diào)節(jié)波動鰭推進器運動的俯仰角，有利于實現(xiàn)波動鰭推進器在水下的三維運動；在密封腔體內(nèi)部安裝有控制電路板、多個第一舵機和電池組件，控制電路板放置于密封腔體前部凹槽中并固定連接，并控制電路板與多個第一舵機通過舵機線連接，多個第一舵機并排等間距放置于下半筒中并通過對應(yīng)的螺絲孔用螺絲固定在下半筒中；電池組件放置于上半筒中；并電池組件與控制電路板連接，向控制電路板供電；多路第一舵機動力輸出結(jié)構(gòu)中的每路第一舵機動力輸出結(jié)構(gòu)由鰭條座、第二軸承座、軸套、聚四氟乙烯圈、格來圈、滾珠軸承、第二錐齒輪組成，其中每路第一舵機的動力輸出軸置于軸套的一端部中，每個聚四氟乙烯圈置于對應(yīng)的格來圈中組合成一斯特封；每個軸套一端部依序置于斯特封、下半筒的外殼上的軸孔中，并軸套的另一端部延伸至圓筒形腔體外部，在圓筒形腔體、第二錐齒輪之間放置壓條，用于將圓筒形腔體、軸套和斯特封壓緊固定，防止每個第一舵機的動力輸出軸轉(zhuǎn)動過程中，水從下半筒的外殼上的軸孔滲入到圓筒形腔體內(nèi)部；第二軸承座的中部具有圓形通孔，第二軸承座的端面上設(shè)置有對應(yīng)的鰭條座，在每個鰭條座的中部設(shè)置有圓形通孔且與第二軸承座的圓形通孔同心；每個鰭條座通過第一舵機的花鍵與第一錐齒輪緊配合，第一錐齒輪與第二錐齒輪相互嚙合，一根長軸穿過每個第二軸承座的圓形通孔和每個鰭條座的圓形通孔，長軸用于保證所有的每個第二軸承座的圓形通孔和每個鰭條座的圓形通孔同心；軸套的中部設(shè)計有六角形臺階，軸套與對應(yīng)的第二錐齒輪緊配合，用于帶動第二錐齒輪轉(zhuǎn)動；在第二錐齒輪的下端面設(shè)置有對應(yīng)的第二軸承座，第二錐齒輪的下端面與對應(yīng)的第二軸承座底部端面共面，用于限定第二錐齒輪位置，保證第二錐齒輪在平面內(nèi)穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)；軸套位于圓筒形腔體外部的頂端設(shè)置成圓柱形軸，圓柱形軸伸至對應(yīng)的第二軸承座底部的圓形孔中，在每個第二軸承座的底部圓形孔內(nèi)設(shè)置有對應(yīng)的滾珠軸承，用于支撐對應(yīng)的軸套，保證對應(yīng)的軸套旋轉(zhuǎn)時與電機輸出軸孔以及第二軸承座的底部孔同心而不會發(fā)生傾斜偏轉(zhuǎn)，同時減少軸套與第二軸承座之間的摩擦阻力。
[0009]本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有水下推進器相比，具有以下優(yōu)點:
[0010]1、本發(fā)明的仿生波動長鰭水下推進器主體呈圓筒形，且兩端呈半球形，可有效減小推進器在水下三維空間中游動的阻力，提高推進器的能量利用效率；
[0011]2、本發(fā)明的仿生波動長鰭水下推進器圓筒形腔體頂端設(shè)有防水電纜接頭，可增強機器魚充電、通訊連接的便利性，且不影響機器魚的密封性能；
[0012]3、本發(fā)明的仿生波動長鰭水下推進器的動力源全部安裝在推進器主體腔內(nèi)，通過動力輸出軸和錐齒輪將舵機的轉(zhuǎn)動運動轉(zhuǎn)換為鰭條的擺動運動，進而驅(qū)動仿生波動長鰭水下推進器的長鰭運動；本發(fā)明采用數(shù)字舵機驅(qū)動方式，便于控制，各個數(shù)字舵機緊密排列，體積減少，重量減少，游速變快，速度可達半個體長/秒，從而解決現(xiàn)有技術(shù)氣動驅(qū)動器體積和慣性較大的技術(shù)問題。
[0013]4、本發(fā)明的仿生波動長鰭水下推進器在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加了舵機和鰭條數(shù)量，且各個鰭條相互獨立的，可對每一鰭條的運動進行單獨控制，長鰭上能實現(xiàn)多個正弦或更復(fù)雜波形，本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)在鰭面上最多只能實現(xiàn)I個正弦波形的波動，機器魚所能進行的運動種類受到限制的技術(shù)問題，比現(xiàn)有技術(shù)具有更好的機動性和穩(wěn)定性，且有利于進行更高層次的運動控制。
[0014]5、本發(fā)明的仿生波動長鰭水下推進器結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、噪聲低、隱蔽性好、對環(huán)境影響小、穩(wěn)定性尚、易于控制，且不易受水生植物纏繞，可為研制尚效、尚隱蔽性、尚穩(wěn)定性的新型水下推進器提供關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。
[0015]6、本發(fā)明的仿生波動長鰭水下推進器本身具有俯仰角調(diào)節(jié)模塊，且具有很強的擴展性，即可在水中獨立地模