可实现椭圆轨迹的海豚胸鳍蝶泳式拍动机构论文和设计-夏丹

全文摘要

本发明公开了一种可实现椭圆轨迹的海豚胸鳍蝶泳式拍动机构，包括一对仿生胸鳍、以及用于驱动该对仿生胸鳍实现椭圆轨迹的击水、划水和换向运动的驱动执行机构，该驱动执行机构通过输出轴与一对仿生胸鳍相连接；其中所述驱动执行机构包括带动仿生胸鳍实现椭圆轨迹的击水和划水运动的胸鳍拍动机构和带动仿生胸鳍实现换向运动的胸鳍转动机构。本发明实现了机构的二自由度运动，拍动与转动既可分离又可复合，既可使胸鳍完成一个周期内的椭圆轨迹击水和划水运动，也可为其击水和划水动作提供合适的迎角，在短时间内达到理想的角度，使得机构具有更好的灵活度，提升了仿生胸鳍的机动性能。

主设计要求

1.一种可实现椭圆轨迹的海豚胸鳍蝶泳式拍动机构，其特征在于：包括一对仿生胸鳍(1)、以及用于驱动该对仿生胸鳍(1)实现椭圆轨迹的击水、划水和换向运动的驱动执行机构，该驱动执行机构通过输出轴(2)与一对仿生胸鳍(1)相连接；其中所述驱动执行机构包括带动仿生胸鳍实现椭圆轨迹的击水和划水运动的胸鳍拍动机构和带动仿生胸鳍实现换向运动的胸鳍转动机构；所述胸鳍拍动机构包括十字滑槽(3)、依次连接的伺服电机(4)、锥齿轮组(5)和驱动轴(6)，该驱动轴(6)的两端分别通过曲柄(7)连接有摆动连杆(8)，该摆动连杆(8)上以曲柄(7)和摆动连杆(8)的连接处为中心对称设有滑块(9)，所述伺服电机(4)驱动锥齿轮组(5)啮合带动驱动轴(6)转动时，驱动轴(6)带动曲柄(7)以及曲柄(7)和摆动连杆(8)的连接处共同作圆周运动，进而带动两滑块(9)沿十字滑槽(3)作往复运动，使得与仿生胸鳍(1)相连接的摆动连杆(8)端部输出椭圆轨迹运动；还包括同心套设的椭圆盘(10)和小圆盘(11)，该小圆盘(11)套设在椭圆盘(10)内且两者之间间隔形成圆形线槽(12)，所述十字滑槽(3)开设在椭圆盘(10)和小圆盘(11)上。

设计方案

2.根据权利要求1所述的可实现椭圆轨迹的海豚胸鳍蝶泳式拍动机构，其特征在于：所述锥齿轮组(5)包括两个相互啮合且中心轴垂直设置的锥齿轮。

3.根据权利要求1所述的可实现椭圆轨迹的海豚胸鳍蝶泳式拍动机构，其特征在于：所述胸鳍转动机构包括用于驱动输出轴(2)旋转的舵机(13)和用于固定舵机(13)的舵机支架(14)。

4.根据权利要求1所述的可实现椭圆轨迹的海豚胸鳍蝶泳式拍动机构，其特征在于：所述胸鳍拍动机构和胸鳍转动机构之间依次连接有万向节(15)和滑杆组件，该滑杆组件包括相互配合的滑杆(16)和套筒(17)。

5.根据权利要求1所述的可实现椭圆轨迹的海豚胸鳍蝶泳式拍动机构，其特征在于：还包括用于包覆驱动执行机构的仿生外壳(18)和套设在输出轴(2)上、与仿生外壳(18)相连接的鱼眼轴承(19)。

设计说明书

技术领域

本发明涉及仿生机构，尤其涉及一种可实现椭圆轨迹的海豚胸鳍蝶泳式拍动机构。

背景技术

仿生学研究表明，仿生机器海豚通过胸鳍和尾鳍的协调运动，可实现前进后退、上升下潜以及机动转弯等，同时可实现海豚的跃水运动及悬停定位。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。

仿生机器海豚的研究不仅可以为研究海豚运动的水动力学、游动机理、运动控制方法提供实验本体，并且与传统螺旋桨推进器相比，机器海豚有着噪声低、效率高，耗能低等优点，在水下机器人领域，海豚在游动性能、跃水运动、减阻机制、声纳探测等方面具有比鱼类更为卓越的性能。

海豚有新月形的尾鳍，游进时利用躯干和尾鳍做上下的波动复合运动来推动身体前进，辅以胸鳍的拍动运动，进一步提升了海豚的推进及跃升性能。海豚泳是从蝶泳演变而来，它的双臂击水力量是竞技游泳中最大的一种，击水效果明显，同时具备了灵活性与机动性。

因此设计一款可实现椭圆轨迹的海豚胸鳍蝶泳式拍动机构，可以提升机器海豚的直线推进及辅助跃升性能，同时保证了机器海豚的机动性和稳定性。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种加快机器直游速度和大幅提高机器海豚直线推进性能与跃升性能的可实现椭圆轨迹的海豚胸鳍蝶泳式拍动机构。

技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种可实现椭圆轨迹的海豚胸鳍蝶泳式拍动机构，其特征在于，包括一对仿生胸鳍、以及用于驱动该对仿生胸鳍实现椭圆轨迹的击水、划水和换向运动的驱动执行机构，该驱动执行机构通过输出轴与一对仿生胸鳍相连接；其中所述驱动执行机构包括带动仿生胸鳍实现椭圆轨迹的击水和划水运动的胸鳍拍动机构和带动仿生胸鳍实现换向运动的胸鳍转动机构。

其中，所述胸鳍拍动机构包括十字滑槽、依次连接的伺服电机、锥齿轮组和驱动轴，该驱动轴的两端分别通过曲柄连接有摆动连杆，该摆动连杆上以曲柄和摆动连杆的连接处为中心对称设有滑块，所述伺服电机驱动锥齿轮组啮合带动驱动轴转动时，驱动轴带动曲柄以及曲柄和摆动连杆的连接处共同作圆周运动，进而带动两滑块沿十字滑槽往复运动，使得与仿生胸鳍相连接的摆动连杆端部输出椭圆轨迹运动。

优选的，还包括同心套设的椭圆盘和小圆盘，该小圆盘套设在椭圆盘内且两者之间间隔形成圆形线槽，所述十字滑槽开设在椭圆盘和小圆盘上。

进一步，所述锥齿轮组包括两个相互啮合且中心轴垂直设置的锥齿轮。

再者，所述胸鳍转动机构包括用于驱动输出轴旋转的舵机和用于固定舵机的舵机支架。

进一步，所述胸鳍拍动机构和胸鳍转动机构之间依次连接有万向节和滑杆组件，该滑杆组件包括相互配合的滑杆和套筒。

优选的，还包括用于包覆驱动执行机构的仿生外壳和套设在输出轴上、与仿生外壳相连接的鱼眼轴承。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

1、本发明实现了机构的二自由度运动，拍动与转动既可分离又可复合，既可使胸鳍完成一个周期内的椭圆轨迹击水和划水运动，也可为其击水和划水动作提供合适的迎角，在短时间内达到理想角度，使得机构具有更好的灵活度，提升了仿生胸鳍的机动性能；

2、本发明利用十字滑槽、曲柄和摆动连杆等机构，使仿生胸鳍实现椭圆轨迹的摆动，提高了胸鳍击水、划水的效率，提高了仿生机器海豚直游及跃升的效率，使仿生机器海豚运动性能更贴合仿生生物；

3、本发明通过一个伺服电机同时驱动两侧的胸鳍实现同步的椭圆轨迹的蝶泳式拍动，保证了胸鳍的稳定性与运动性能；

4、本发明在仿生外壳上安装鱼眼轴承可满足输出轴的二自由度运动，兼具较好的密封性能，方便外壳和其内部设备的安装。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中胸鳍拍动机构的结构示意图；

图3是本发明中胸鳍拍动机构的曲柄处的结构示意图；

图4是本发明中仿生胸鳍的椭圆轨迹的极限位置一示意图；

图5是本发明中仿生胸鳍的椭圆轨迹的极限位置二示意图；

图6是本发明中仿生胸鳍的椭圆轨迹的极限位置三示意图；

图7是本发明中仿生胸鳍的椭圆轨迹的极限位置四示意图；

图8是本发明中胸鳍转动机构的结构示意图；

图9是本发明的整体仿生外壳的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1和图9所示，本发明一种可实现椭圆轨迹的海豚胸鳍蝶泳式拍动机构，包括一对仿生胸鳍1、输出轴2、驱动执行机构和用于包覆驱动执行机构的仿生外壳18，鱼眼轴承19套设在输出轴2上，与仿生外壳18相连接的。驱动执行机构用于驱动该对仿生胸鳍1实现椭圆轨迹的击水、划水和换向运动，该驱动执行机构通过输出轴2与一对仿生胸鳍1相连接；其中驱动执行机构包括带动仿生胸鳍实现椭圆轨迹的击水和划水运动的胸鳍拍动机构和带动仿生胸鳍实现换向运动的胸鳍转动机构。

如图2和图3所示，本发明的胸鳍拍动机构包括伺服电机4、锥齿轮组5、驱动轴6、曲柄7、摆动连杆8、滑块9、椭圆盘10和小圆盘11。伺服电机4、锥齿轮组5和驱动轴6依次连接，驱动轴6的两端分别通过曲柄7连接有摆动连杆8，该摆动连杆8上以曲柄7和摆动连杆8的连接处为中心对称设有两滑块9；锥齿轮组5包括两个相互啮合且中心轴垂直设置的锥齿轮。椭圆盘10和小圆盘11两者同心套设，该小圆盘11套设在椭圆盘10内且两者之间间隔形成圆形线槽12，并且在在椭圆盘10和小圆盘11上开设十字滑槽3。当伺服电机4驱动锥齿轮组5啮合带动驱动轴6转动时，驱动轴6带动曲柄7以及曲柄7和摆动连杆8的连接处沿圆形线槽12共同作圆周运动，进而带动两滑块9沿十字滑槽3作往复运动，使得与仿生胸鳍1相连接的摆动连杆8端部输出椭圆轨迹运动。

如图3和图8所示，摆动连杆8端部连接有依次连接有万向节15和滑杆组件，该滑杆组件包括相互配合的滑杆16和套筒17，滑杆组件的一端与万向节15相连，另一端与舵机支架14相连接。胸鳍拍动机构工作时，通过万向节15、套筒17与滑杆16的配合，保证输出轴2和仿生胸鳍1在一个平面内作椭圆轨迹的运动。胸鳍转动机构包括用于驱动输出轴2旋转的舵机13和用于固定舵机13的舵机支架14。舵机13转动带动输出轴2旋转，用于调整胸鳍击水和归位的迎角。

如图4所示，机构处于极限位置一，此时对于胸鳍拍动机构，末端滑块处于十字滑槽的中心处，另一滑块处于十字滑槽右侧长轴中，摆动连杆的位置与十字滑槽的长轴平行，万向节在右侧；对于胸鳍转动机构，调整转动角度，使仿生胸鳍与水面有最大的接触面积，与椭圆运动轨迹的切线垂直，使得击水效果最好。

如图5所示，机构处于极限位置二，此时对于胸鳍拍动机构，末端滑块处于十字滑槽下侧短轴中，另一滑块处于十字滑槽的中心，摆动连杆的位置与十字滑槽的短轴平行，万向节在上侧；对于胸鳍转动机构：调整转动角度，使仿生胸鳍与水面有最大的接触面积，使得击水效果最好。

如图6所示，机构处于极限位置三，此时对于胸鳍拍动机构，末端滑块处于十字滑槽的中心处，另一滑块处于十字滑槽左侧长轴中，摆动连杆的位置与十字滑槽的长轴平行，万向节在左侧；对于胸鳍转动机构：调整转动角度，使仿生胸鳍逐渐相切于椭圆运动轨迹，使得胸鳍与水面有最小的接触面积，加速胸鳍的划水，减小这一过程对海豚推进的阻力。

如图7所示，机构处于极限位置四，此时对于胸鳍拍动机构，末端滑块处于十字滑槽上侧短轴中，另一滑块处于十字滑槽的中心，摆动连杆的位置与十字滑槽的短轴平行，万向节在下侧；对于胸鳍转动机构：调整转动角度，使仿生胸鳍逐渐相切于椭圆运动轨迹，使得胸鳍与水面有最小的接触面积，加速胸鳍的划水，减小这一过程对海豚推进的阻力。

本发明可实现椭圆轨迹的海豚胸鳍蝶泳式拍动机构，其组件对称分布在鱼体中轴线两侧，固定在仿生外壳18的中上部位，输出轴及仿生胸鳍通过鱼眼轴承伸出鱼体外。

在胸鳍拍动机构中，摆动连杆与曲柄连接，其连接处在于摆动连杆与两个滑块连接处的中点，与驱动轴固连的曲柄在圆形线槽内作圆周运动，则摆动连杆与曲柄的连接处也作圆周运动，因此带动两个滑块在十字滑槽中往复运动，使得摆动连杆的末端输出椭圆轨迹的运动。借助于胸鳍拍动机构，胸鳍可以完成一个周期内的椭圆轨迹击水和归位动作，借助于胸鳍转动机构，可以为胸鳍的椭圆轨迹击水和归位动作提供合适的迎角。

设计图

可实现椭圆轨迹的海豚胸鳍蝶泳式拍动机构论文和设计

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