一种仿生鱼尾水下推进器的制作方法

1.本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种仿生鱼尾水下推进器。


背景技术：

2.21世纪以来，随着海洋资源的开发与利用，水下机器人成为探索和开发海洋的利器。传统的水下机器人大多采用螺旋桨推进，存在机动性差、噪声大与隐蔽性低等缺点。仿生机器鱼具有推进效率高、能耗低、机动性能好、噪音低与隐蔽性高等优点，受到了国内外研究学者的高度关注。仿生机器鱼在多个领域具有广泛的应用，例如海洋资源的探测和开发、军事侦察与水下考古等。
3.现有的仿生机器鱼通常由多根连杆串联而成，每根连杆由单个电机驱动，并且能够对每个关节精准控制，形成多关节机器鱼。多关节机器鱼的鱼体波可以看成多根折线拟合，即鱼体波是离散的。理论上随着连杆数量的增加，可以更好地模拟真实鱼类，但是机器鱼的结构和控制也会变得更加复杂。
4.而基于液压驱动的机器鱼鱼尾通常采用柔性材料，通过液体压差实现鱼尾的摆动。这种驱动方式存在迟滞效应，无法做到实时控制，并且频率较低，一般用于机器鱼低速游动模式中。近年来，许多研究学者将智能材料应用于机器鱼中,例如形状记忆合金(sma)。虽然这种驱动方式简单，但是同样受限于频率和迟滞效应。
5.基于以上原因，需要探索一种结构简单、控制简单、柔性好及仿生度高的仿生机器鱼推进机构。


技术实现要素：

6.本发明提供一种仿生鱼尾水下推进器，用以解决现有技术中多关节机器鱼的鱼体波非连续，基于液压驱动的机器鱼和基于智能材料的机器鱼的低频率和迟滞效应的缺陷，实现一种结构简单、运动灵活、抗干扰性强、效率高与具有较强实用性的仿生鱼尾水下推进器。
7.本发明提供一种仿生鱼尾水下推进器，包括：
8.摆动机构，所述摆动机构包括弹性片与固定在所述弹性片尾端的刚性尾鳍；
9.驱动机构，所述驱动机构包括舵机；
10.传动机构，所述传动机构包括卷线器与连接线，所述卷线器与所述舵机的输出轴同轴连接，所述连接线的两端分别固定连接所述弹性片的摆向两侧，所述卷线器与所述连接线固定连接，所述卷线器适于在往复转动时通过所述连接线带动所述弹性片摆动；
11.壳体，所述壳体包括头部壳体与尾部弹性壳体，所述驱动机构和所述传动机构位于所述头部壳体内，所述弹性片位于所述尾部弹性壳体内，所述刚性尾鳍位于所述尾部弹性壳体的尾端外侧。
12.根据本发明提供的一种仿生鱼尾水下推进器，所述卷线器包括卷线盘与转轴，所述转轴用于带动所述卷线盘转动；
13.所述卷线盘的周向侧壁上设置卷线槽，所述卷线槽内设有连接线通孔。
14.根据本发明提供的一种仿生鱼尾水下推进器，所述舵机的输出轴固定有舵盘，所述转轴通过固定盘与所述舵盘固定连接。
15.根据本发明提供的一种仿生鱼尾水下推进器，所述摆动机构还包括固定在所述弹性片前端的连接板；
16.所述连接板与所述头部壳体固定连接，所述连接板上设有用于所述连接线穿过的第一通孔。
17.根据本发明提供的一种仿生鱼尾水下推进器，所述仿生鱼尾水下推进器还包括支架台，所述支架台固定在所述头部壳体内，所述舵机与所述连接板均固定在所述支架台上，所述转轴与所述支架台通过轴承转动连接。
18.根据本发明提供的一种仿生鱼尾水下推进器，所述摆动机构还包括支撑板，所述支撑板设有第二通孔与第三通孔，所述弹性片穿过所述第二通孔并与所述支撑板固定连接，所述第三通孔用于所述连接线穿过。
19.根据本发明提供的一种仿生鱼尾水下推进器，所述摆动机构还包括固定夹，所述固定夹包括第一固定夹与第二固定夹；
20.所述第一固定夹与所述连接板固定连接，所述第一固定夹夹持固定所述弹性片；
21.所述第二固定夹与所述支撑板固定连接，所述第二固定夹夹持固定所述弹性片。
22.根据本发明提供的一种仿生鱼尾水下推进器，所述支撑板有多个，多个所述支撑板间隔排列，所述连接线与多个所述支撑板中的其中一个固定连接。
23.根据本发明提供的一种仿生鱼尾水下推进器，所述支撑板与所述连接板的形状相同，所述连接板与所述支撑板的面积沿前端至后端的方向逐渐减小。
24.根据本发明提供的一种仿生鱼尾水下推进器，所述舵机包括第一舵机与第二舵机，所述卷线器包括第一卷线器与第二卷线器，所述连接线包括第一连接线与第二连接线；
25.所述第一舵机与所述第一卷线器连接，所述第一卷线器与所述第一连接线固定连接；
26.所述第二舵机与所述第二卷线器连接，所述第二卷线器与所述第二连接线固定连接；
27.所述第一连接线与所述第二连接线固定在不同的所述支撑板上。
28.本发明提供的仿生鱼尾水下推进器，通过舵机带动卷线器进行双向转动，卷线器通过带动连接线而驱动弹性片进行左右摆动，摆动过程中不受限于频率，不存在迟滞效应，鱼体波弯曲而连续，在水中的仿生效果更佳。并且本实施例所述的仿生鱼尾水下推进器具有结构简单、控制简单、运动灵活、抗干扰性强、柔性好及仿生度高的优势。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1是本发明提供的仿生鱼尾水下推进器外部结构示意图；
31.图2是本发明提供的仿生鱼尾水下推进器外部结构示意图之一；
32.图3是图2中i处放大图；
33.图4是图2中ii处放大图；
34.图5是本发明提供的仿生鱼尾水下推进器外部结构示意图之二；
35.图6是本发明提供的驱动机构与支架台装配图之一；
36.图7是本发明提供的驱动机构与支架台装配图之二；
37.图8是本发明提供的支撑板结构示意图。
38.附图标记：
39.100：摆动机构；
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110：弹性片；
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120：连接板；
40.121：第一通孔；
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122：第四通孔；
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130：支撑板；
41.131：第二通孔；
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132：第三通孔；
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140：固定夹；
42.141：第一固定夹；
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142：第二固定夹；
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150：刚性尾鳍；
43.200：驱动机构；
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210：舵机；
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211：第一舵机；
44.220：舵盘；
45.300：传动机构；
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310：卷线器；
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311：卷线盘；
46.312：转轴；
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313：卷线槽；
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314：对线通孔；
47.315：第一卷线器；
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316：第二卷线器；
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317:固定孔；
48.320：连接线；
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321：第一连接线；
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322：第二连接线；
49.330：固定盘；
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340：轴承；
50.400：壳体；
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410：头部壳体；
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411:第一头部壳体；
51.412：第二头部壳体；
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420：尾部弹性壳体；
52.500：支架台；
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510：固定架。
具体实施方式
53.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
54.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”与“第二”等是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“内”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
55.需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明实施例中的具体含义。
56.下面结合图1
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图8描述本发明的仿生鱼尾水下推进器。
57.结合图1与图2所示，本实施例提供一种仿生鱼尾水下推进器，包括：
58.摆动机构100，摆动机构100包括弹性片110与固定在弹性片110尾端的刚性尾鳍
150；
59.驱动机构200，驱动机构200包括舵机210；
60.传动机构300、传动机构300包括卷线器310与连接线320，卷线器310与舵机210的输出轴同轴连接，连接线320的两端分别固定连接弹性片110的摆向两侧，卷线器310与连接线320固定连接，卷线器310适于在转动时通过连接线320带动弹性片110摆动；
61.壳体400，壳体400包括头部壳体410与尾部弹性壳体420，驱动机构200和传动机构300位于头部壳体310内，弹性片110位于尾部弹性壳体420内，刚性尾鳍150位于尾部弹性壳体420的尾端外侧。
62.具体地，所述壳体400分为头部壳体410与尾部弹性壳体420。需要说明的是，本实施例所述的头部指的是仿生鱼尾水下推进器前进的方向，如附图中x轴正方向；本实施例所述的尾部指的是仿生鱼尾水下推进器鱼尾端所在的方向，如附图中x轴反方向。
63.头部壳体410为仿生鱼头的形状，可依据其内部结构设置为不同形状，本实施例为方盒形。尾部弹性壳体420为仿生鱼尾形状，如附图所述的类似圆锥形。头部壳体410与尾部弹性壳体420之间密封连接，并且头部壳体410具有一定的刚性，确保仿生鱼尾水下推进器前进过程中碰到礁石等硬物时不会被损坏；尾部弹性壳体420具有一定的弹性，能够在其内部的摆动机构100驱动下进行摆动，来模仿鱼类的摆动而前进。
64.具体地，依据不同的设计要求，刚性尾鳍150可以有不同的形状，可参照现有不同种类的鱼类尾部来形成刚性尾鳍150的形状，如附图所述的新月牙形。
65.具体地，所述摆动机构100包括弹性片110，弹性片110具有一定的韧性，如采用金属板，当弹性片110不受外力驱动时，弹性片110为平整状态；当弹性片110受到侧向的拉力时，弹性片110发生弯曲；当弹性片110失去侧向拉力时，弹性片110受弹性恢复力的作用而恢复至平整状态；较好地，弹性片110为弹簧钢片。
66.本实施例所述的驱动机构200为舵机210，舵机是一种位置(角度)伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。
67.本实施例所述的传动机构300包括卷线器310与连接线320，卷线器310与舵机210的输出轴同轴连接，舵机210能够驱动所述卷线器310进行转动，并且转动方向为双向，既可以顺时针转动(以俯视角度的方向)，也可以逆时针转动；所述连接线320优选为钢丝线。
68.连接线320的两端分别固定连接弹性片110的摆向两侧，其中，摆向两侧指的是弹性片110能够发生弯曲摆动的两侧；卷线器310与连接线320固定连接，卷线器310适于在转动时通过连接线320带动弹性片110摆动，进而弹性片110带动尾端的刚性尾鳍150进行摆动，类似鱼类在水中通过摆动前进。
69.本实施例提供一种仿生鱼尾水下推进器，通过舵机210来带动卷线器310进行双向转动，卷线器310通过带动连接线320而驱动弹性片110进行左右摆动，摆动过程中不受限于频率，不存在迟滞效应，鱼体波弯曲而连续，在水中的仿生效果更佳。并且本实施例所述的仿生鱼尾水下推进器具有结构简单、控制简单、柔性好及仿生度高的优势。
70.具体地，结合图3所示，卷线器310包括卷线盘311与转轴312，转轴312用于带动卷线盘311转动，卷线盘311为类似圆饼形，并在卷线盘311的周向侧壁上设置卷线槽313，卷线槽313用于卡设连接线320，以防止连接线320在转动过程中脱离卷线盘311。较好地，卷线槽313内设有连接线通孔314，连接线通孔314为贯穿孔，连接线320可穿过连接线通孔314，并
在卷线盘311的x轴正方向前端设置螺纹孔317，螺纹孔317与连接线通孔314相贯通并且相互垂直，拧入螺钉以在所述连接线通孔314内固定连接线320与卷线盘。
71.优选地，所述卷线盘311的x轴正方向前端设有鼓形面，螺纹孔317设置在鼓形面上。
72.具体地，舵机210的输出轴固定有舵盘220，转轴312通过固定盘330与舵盘220固定连接，舵盘220与固定盘330之间通过螺钉固定连接，并且舵盘220与固定盘330之间设置有橡胶缓冲垫，减震，防止转动中相互振动。
73.较好地，所述卷线盘311中心处设置鼓形通孔，所述转轴312截面呈鼓形，转轴312穿过所述通孔，进而带动所述卷线盘311转动。
74.进一步地，摆动机构100还包括固定在弹性片110前端的连接板120，连接板120用于固定连接弹性片110与头部壳体410，以在弹性片110摆动过程中，头部壳体410不会与摆动机构100发生相对偏移；
75.具体地，连接板120与头部壳体410固定连接，并且连接板120上设有用于连接线320穿过的第一通孔121，连接线320穿过第一通孔121与弹性片100连接。一方面，第一通孔121使得连接线320在往复拉扯过程中不会受到连接板120的影响，另一方面，第一通孔121对连接线320进行侧向限位，防止连接线320发生晃动，并确保连接线320能够在拉扯过程中准确对转卷线槽313，防止转动过程中偏离。
76.进一步地，仿生鱼尾水下推进器还包括支架台500，支架台500固定在头部壳体410内，舵机210与连接板120均固定在支架台500上，转轴312与支架台500通过轴承340转动连接。
77.具体地，结合图6所示，支架台500为类似c型结构，舵机210固定在顶板上，并且舵机210的输出轴穿过顶板而在支架台500的腔内与传动机构300连接。传动机构300位于c型支架台500的腔内，传功机构300的顶部与驱动机构200的舵盘220连接，驱动机构200的底部与支架台500转动连接。
78.具体地，所述驱动机构200包括转轴312，转轴312的顶部设置固定盘330，固定盘330与舵盘220固定连接，转轴312的底部通过轴承340与支架台500转动连接。
79.较好地，支架台500包括固定架510，固定架510与支架台500的本体螺钉固定连接，固定架510与转轴312之间通过轴承340转动连接，通过拆开支架台500本体与固定架510，即可实现支架台500与转轴312的安装于拆卸。
80.具体地，结合图4、5与8所示，摆动机构100还包括支撑板130，支撑板130可以为一个，也可为多个，本实施例优选有多个支撑板130，如图所示的具有4个支撑板130。
81.支撑板130设有第二通孔131与第三通孔132，弹性片110穿过第二通孔131并与支撑板130固定连接，当有多个支撑板130时，弹性片110依次穿过多个所述支撑板130的第二通孔131形成类似鱼类脊柱结构，多个支撑板130间隔排列。
82.具体地，第三通孔132用于连接线320穿过，与第一通孔121相类似，第三通孔132用于连接线320穿过，并且，连接线320的线端可固定在第三通孔132处。
83.较好地，本实施例所述的多个支撑板130间隔排列，并且连接线320与多个支撑板130中的其中一个固定连接，如连接线320可与最尾端的支撑板130固定连接，摆动机构100可进行最大程度的弯曲摆动，前进速度和前进幅度大；摆动机构100也可与中间位置的支撑
板130摆动，此时该支撑板130前端易在连接线320的拉动下进行摆动，支撑板130后端跟随摆动，摆动幅度相对较小，前进速度相对较慢。连接线320依次穿过其前端支撑板130的第三通孔132。
84.优选地，支撑板130与连接板120的形状相同，如图所示，支撑板130与连接板120均为椭圆形，仿生效果更好。较好地，沿推进器前端至后端的方向，即沿x轴反方向，连接板120与支撑板130的面积逐渐减小，即椭圆形的所述连接板120和支撑板130的半径逐渐减小，以匹配圆锥形的尾部弹性壳体420。
85.较好地，本实施例所述的弹性片110与连接板120和支撑板130之间通过固定夹140固定连接，具体地，摆动机构100还包括固定夹140，固定夹140包括第一固定夹141与第二固定夹142；较好地，所述固定夹140为钢丝固定夹。
86.结合图4与图7所示，第一固定夹141与第二固定夹142结构相同，由相互对称的对夹构成，第一固定夹141与第二固定夹142均通过螺栓将弹性片110夹紧固定。而第一固定夹141与连接板120通过螺栓固定连接；第二固定夹142与支撑板130通过螺栓固定连接。
87.较好地，连接板120上设置两个第一固定夹141，两个第一固定夹141上下排列并夹持固定弹性片110。同样的，每一个支撑板130上设置两个第二固定夹142，两个第二固定夹142上下排列并夹持固定弹性片110。
88.优选地，本实施例所述的驱动机构100与传动机构200的组合方式有两组，结合图4至图6所示，舵机210包括第一舵机211与第二舵机212，卷线器310包括第一卷线器315与第二卷线器316，连接线320包括第一连接线321与第二连接线322；
89.第一舵机211与第一卷线器315连接，第一卷线器315与第一连接线321固定连接；
90.第二舵机212与第二卷线器316连接，第二卷线器316与第二连接线322固定连接；
91.第一连接线321与第二连接线322固定在不同的支撑板130上，结合图2与图4所示，第一连接线321连接在中间的支撑板130上，第二连接线322连接在最尾端的支撑板130上。
92.第一舵机211顺时针转动时(以俯视角度为基准)，第一舵机211带动第一卷线器315顺时针转动，第一卷线器315拉动第一连接线321转动，进而拉动弹性片110的中部相对于弹性片110的前端顺时针摆动；第二舵机212逆时针转动(以俯视角度为基准)，第二舵机212带动第二卷线器316逆时针转动，第二卷线器315拉动第二连接线322转动，进而拉动弹性片110的尾端相对于弹性片110的前端逆时针摆动，此时推进器的尾部呈“s型”摆动。通过控制器控制第一舵机211不断往复转动，第二舵机212与第一舵机211反方向不断往复转动，使得摆动机构100呈现“s”型摆动，仿生鱼尾水下推进器的仿生程度更好，鱼体波不存在停滞。
93.可选地，当第一舵机211与第二舵机212同向转动时，摆动机构100呈现“c”型摆动，游动速度快。
94.较好地，本实施例所述的仿生鱼尾水下推进器，还包括电源装置，所述电源装置为蓄电池，优选锂电池或石墨烯电池，能够为驱动机构提供电源。
95.本发明提供的仿生鱼尾水下推进器，相比于传统的多关节仿鱼推进机构，本发明采用弹性片模拟鱼类脊柱，不仅实现仿生机器鱼的连续鱼体波，提高了运动效率和灵活性，实现了更为逼真的仿生效果；而且整个鱼尾是一个连续体，其抗干扰能力也强于传统的多关节仿生机器鱼；同时，采用不同厚度的弹性片可以模拟不同柔性的鱼尾；甚至可以采用其
他形状的弹性片，其宽度变化规律可以用来模拟鱼尾各点弹性模量的变化规律。此外，本发明采用线驱动的方式来传递力矩，使得整个机构简单、高效，极大地提高了推进机构的工作性能和可靠性，具有较强的实用性。
96.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。