专利名称：一种模块化的仿生机器海豚推进机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种模块化的仿生机器海豚的推进机构，特别是关于一种基于曲柄滑块的机器海豚尾部拍动机构。
背景技术：
机器海豚作为ー种模仿生物海豚运动的机器系统，是机器人学与仿生学高度发展的产物。与传统的基于螺旋桨推进的水下航行器相比较，机器海豚具有高效性、高机动性、 低噪声等优点。机器海豚的尾部在竖直面内的拍动运动一般由多关节串联的上下拍动机构来实现，尾部的上下拍动运动是机器海豚向前游动的主要推进カ来源，机器海豚的游速只与尾部拍动的频率相关，拍动频率越高，游动速度越快。为了提高机器海豚的游动速度，必须要提高电机的效率。传统的方法都是利用电机正反转来实现尾部的上下拍动运动，这样电机利用率较低，不利于机器海豚的高速运动。作为生物推进机理和工程技术的结合点，机器海豚是包含水动力学控制和机器人技术的多学科问题。在国际国内上，由于机器海豚开发研制的诸多困难，针对机器海豚的理论和技术研究尚处于初级阶段。虽然有过相关的技术探索，但国内外尚未能实现ー种小型可以快速推进的机器海豚，需要进ー步研制仿生海豚，以填补这一空白。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于曲柄滑块机构的模块化推进机构的设计方法。该推进机构结构简单，所需零件少，重量较轻，依靠ー个直流电机单方向的旋转就能够实现机器海豚的背腹式波动运动，依靠改变电机的转速来改变机器海豚尾部的拍动频率。本发明的模块化的仿生机器海豚的推进机构包括骨架，固定在骨架ー侧的直流电机，固定在直流电机输出轴上的传动大齿轮、与传动大齿轮啮合的传动小齿轮、与传动小齿轮固定的主轴、由主轴旋转驱动的一套曲柄滑块机构、由曲柄滑块机构中的滑块上下运动驱动的齿轮齿条机构和固定在齿轮齿条机构中的齿轮轴上的连接圆筒，其中通过连接圆筒来连接后续关节或者尾鰭，其中通过所述齿轮齿条机构中的齿轮轴上下拍动来模仿生物海豚的拍动运动，齿轮轴的输出角度与曲柄滑块机构中的曲柄长度相关，通过改变曲柄的长度，能够改变齿轮轴的输出角度，所述齿轮轴的拍动频率与电机转速正相关，直流电机经减速箱后，经传动齿轮系传动将运动传入主轴，主轴的转动驱动曲柄转动，曲柄的转动带动连杆运动驱动滑块相对于光轴上下滑动，滑块上固定有齿条，滑块的上下运动带动齿条上下运动，由齿条带动齿轮轴旋转形成上下拍动的运动。本发明的模块化的仿生机器海豚的推进机构结构简单，所需零件较少，通过改变电机的转速就能调节齿轮轴的拍动频率，采用模块化的设计思想，为了获得更高的拍动频率和カ矩，只需要更换直流电机即可，为了改变齿轮轴的拍动幅度，只需要改变曲柄的长度即可。
在仿生机器海豚的制作过程中，通过串联多个模块化推进机构来构成仿生机器海豚的多关节尾部，通过多个直流电机的协调配合来实现机器海豚尾部的上下拍动运动。此夕卜，多个串联的模块化推进机构也可以用于机器鱼产生仿鱼的侧向拍动，且模仿鱼类游动时不用克服自身重力，能够减小功率损耗。
图I是本发明模块化的仿生机器海豚推进机构的轴视图。图2是本发明模块化的仿生机器海豚推进机构的俯视图。图3是本发明模块化的仿生机器海豚推进机构的剖视图
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并參照附图，对本发明进ー步详细说明。本发明提出一种模块化的仿生机器海豚推进机构，由这种模块化的推进机构串联组成机器海豚的尾部，每个关节的运动采用ー个直流电机来实现，将电机的旋转运动转化为尾部的上下反复拍动运动，通过多关节的配合，形成机器海豚的背腹式波动运动。图I是本发明模块化的仿生机器海豚推进机构的轴视图。图2是本发明模块化的仿生机器海豚推进机构的俯视图。如图I、图2、图3所示，所述模块化的仿生机器海豚推进机构包括电机齿轮挡圈
I、传动大齿轮2、传动小齿轮3、电机前支架4、骨架5、轴承固定圆筒6、铜轴7、曲柄挡圈8、曲柄9、光轴挡板10、光轴11、仿轴承12、齿条13、齿轮轴14、旋转轴15、连接圆筒16，尾部轴承挡圈17、尾部轴承18、电机后支架19、滑块20、连杆21、曲柄垫片22、主轴23、主轴前部轴承24、直流电机25、主轴尾部轴承26、连接螺栓27、滑块垫片28和轴承端盖29。所述推进机构由连接圆筒16来连接后续关节或者尾鰭，在与关节串联时，需将后续关节的骨架通过ー个连接架与连接圆筒16固定，在与尾鰭相连时，需将尾鰭通过尾鳍支架与连接圆筒16相固定。在所述推进机构中，直流电机25通过电机前支架4和电机后支架19固定在骨架上，直流电机25的输出轴上固定有传动大齿轮2，在尾部密封时，为防止传动大齿轮2摩擦损害套在其外表面的硅胶皮，故在传动大齿轮2的外部套有电机齿轮挡圈1，电机齿轮挡圈I通过螺钉固定在电机前支架4上，电机齿轮挡圈I采用聚四氟こ烯材料制作而成，表面较为光滑，具有润滑作用，不会磨损外部硅胶皮。传动大齿轮2与传动小齿轮3相啮合，完成运动的传递，传动小齿轮3固定在主轴23的前端，主轴23通过主轴前部轴承24和主轴尾部轴承26固定在骨架5的中心位置，轴承固定圆筒6套在主轴23上，安装在主轴前部轴承24和主轴尾部轴承26之间，起到轴承端盖的作用，防止轴承脱落，同时轴承端盖29固定在骨架外側，防止主轴前部轴承24脱落。在主轴23的末端固定有曲柄滑块机构中的曲柄9，曲柄9的另一端与铜轴7相配合，在铜轴7上依次串联有曲柄挡圈8、曲柄9、曲柄垫片22和连杆21，通过铜轴7的作用将曲柄9和连杆21串联起来，连杆21和滑块垫片28通过连接螺栓27与滑块20相配合，连杆21和滑块垫片28应与连接螺栓27的光轴部分相配合，而滑块20与连接螺栓27的螺纹部分紧密连接。在滑块20上通过过盈配合安装有两个仿轴承12，仿轴承12与光轴11间隙配合，仿轴承12在光轴11上上下滑动，两种不同材料之间相互运动需要安装滑动轴承，由于本发明为了减小重量和尺寸，光轴11的直径为3mm，没有相应的滑动轴承，故在滑块上内嵌两个仿轴承12，仿轴承12采用聚四氟こ烯材料制作而成，具有润滑的作用，在仿轴承12沿着光轴上下运动时，需要加入润滑油。光轴11通过光轴挡板10固定在骨架5上，在滑块20的后部固定有齿条13，齿条13与齿轮轴14相啮合，齿轮轴14固定在旋转轴15上，旋转轴15通过尾部轴承18安装在骨架5上，尾部轴承挡圈17套在旋转轴15上，安装在尾部 轴承18和齿轮轴14之间，起到轴承端盖的作用，防止轴承脱落。在齿轮轴14的末端固定有连接圆筒16，通过连接圆筒16可与后续部件相连接。所述模块化推进机构，由ー个直流电机驱动，直流电机25的输出轴转动带动固定在其上的传动大齿轮2旋转，由传动大齿轮2旋转带动传动小齿轮3旋转，由传动小齿轮3的转动带动主轴23的转动，由主轴23的转动带动曲柄9的旋转，曲柄9的旋转带动连杆21运动，连杆21的运动会带动滑块20沿光轴11上下滑动，滑块20的上下运动会带动齿条13的上下运动，由齿条13的上下运动会带动与之啮合的齿轮轴14上下拍动，这就形成了机器海豚尾部的上下拍动运动。通过改变电机的转速能够改变齿轮轴14的拍动频率，通过改变曲柄9的长度能够改变齿轮轴14上下拍动的幅度。上述曲柄滑块机构其行程速比系数为1，不存在急回特性。所述的推进机构除主轴、曲柄、连杆、齿轮等运动部件采用45号钢制作而成，滑块采用黄铜制作而成以外，其余部件均采用硬质铝合金制作而成，其整体质量轻，能够适用于串联组成多关节的尾部拍动机构，且由于该推进机构内部的运动都有轴和轴承的支撑，其运动时阻カ较小，齿轮轴输出功率较大。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进ー步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种模块化的仿生机器海豚的推进机构，其特征在于，该推进机构包括骨架，固定在骨架ー侧的直流电机，固定在直流电机输出轴上的传动大齿轮、与传动大齿轮啮合的传动小齿轮、与传动小齿轮固定的主轴、由主轴旋转驱动的一套曲柄滑块机构、由曲柄滑块机构中的滑块上下运动驱动的齿轮齿条机构和固定在齿轮齿条机构中的齿轮轴上的连接圆筒，其中通过连接圆筒来连接后续关节或者尾鰭，其中通过所述齿轮齿条机构中的齿轮轴上下拍动来模仿生物海豚的拍动运动，齿轮轴的输出角度与曲柄滑块机构中的曲柄长度相关，通过改变曲柄的长度，能够改变齿轮轴的输出角度，所述齿轮轴的拍动频率与电机转速正相关，直流电机经減速箱后，经传动齿轮系传动将运动传入主轴，主轴的转动驱动曲柄转动，曲柄的转动带动连杆运动驱动滑块相对于光轴上下滑动，滑块上固定有齿条，滑块的上下运动带动齿条上下运动，由齿条带动齿轮轴旋转形成上下拍动的运动。
2.如权利要求I所述的推进机构，其特征在于，直流电机通过电机前支架和电机后支架固定在骨架上，直流电机的输出轴上固定有传动大齿轮，在尾部密封时，在传动大齿轮2 的外部套有电机齿轮挡圈，电机齿轮挡圈通过螺钉固定在电机前支架上。
3.如权利要求2所述的推进机构，其特征在干，电机齿轮挡圈I采用聚四氟こ烯材料制 作而成。
4.如权利要求2所述的推进机构，其特征在于，传动小齿轮固定在主轴的前端，主轴通过主轴前部轴承和主轴尾部轴承固定在骨架的中心位置，轴承固定圆筒套在主轴上，安装在主轴前部轴承和主轴尾部轴承之间，起到轴承端盖的作用，防止轴承脱落，同时轴承端盖固定在骨架外側，防止主轴前部轴承脱落。
5.如权利要求4所述的推进机构，其特征在于，在主轴的末端固定有曲柄滑块机构中的曲柄，曲柄的另一端与铜轴配合，在铜轴上依次串联有曲柄挡圈、曲柄、曲柄垫片和连杆，通过铜轴的作用将曲柄和连杆串联起来，连杆和滑块垫片通过连接螺栓与滑块相配合，连杆和滑块垫片与连接螺栓的光轴部分相配合，滑块与连接螺栓的螺纹部分紧密连接，在滑块上通过过盈配合安装有两个仿轴承，仿轴承与光轴间隙配合，仿轴承在光轴上上下滑动，光轴通过光轴挡板固定在骨架上，在滑块的后部固定有齿条，齿条与齿轮轴相啮合，齿轮轴固定在旋转轴上，旋转轴通过尾部轴承安装在骨架上，尾部轴承挡圈套在旋转轴上，安装在尾部轴承和齿轮轴之间，起到轴承端盖的作用，防止轴承脱落，在齿轮轴的末端固定有连接圆筒，通过连接圆筒与后续部件相连接。
6.如权利要求5所述的推进机构，其特征在于，光轴的直径为3mm，没有相应的滑动轴承，在滑块上内嵌两个仿轴承，仿轴承采用聚四氟こ烯材料制作而成。
7.如权利要求6所述的推进机构，其特征在于，直流电机的输出轴转动带动固定在其上的传动大齿轮旋转，由传动大齿轮旋转带动传动小齿轮旋转，由传动小齿轮的转动带动主轴的转动，由主轴的转动带动曲柄的旋转，曲柄的旋转带动连杆运动，连杆的运动会带动滑块沿光轴上下滑动，滑块的上下运动会带动齿条的上下运动，由齿条的上下运动会带动与之啮合的齿轮轴上下拍动，这就形成了机器海豚尾部的上下拍动运动。
8.如权利要求7所述的推进机构，其特征在于，通过改变直流电机的转速能够改变齿轮轴的拍动频率，通过改变曲柄的长度能够改变齿轮轴上下拍动的幅度。
9.如权利要求8所述的推进机构，其特征在于，所述曲柄滑块机构其行程速比系数为Io
10.如权利要求9所述的推进机构，其特征在于，该推进机构中的运动部件采用45号钢制作而成，滑块采用黄铜制作，其余部件均采用硬质铝合金制作而成。
全文摘要
一种模块化的仿生机器海豚的推进机构，包括一骨架，一固定在骨架一侧的直流电机，一固定在直流电机输出轴上的传动齿轮，一与传动齿轮相啮合的小齿轮，一与小齿轮相固定的主轴，一套由主轴驱动的曲柄滑块机构和一套由曲柄滑块机构中的滑块驱动的齿轮齿条机构。本发明通过对直流电机的控制，模拟典型的海豚背腹式波动运动，依靠直流电机单方向的旋转就能实现机器海豚的拍动运动，通过改变电机的转速实现对机器海豚尾部摆动频率的调节。该推进机构结构简单，重量较轻，不仅易于串联构成多关节机器海豚的尾部拍动机构实现在竖直面的背腹式运动，而且可以作为机器鱼的推进机构实现侧向摆动，模仿鱼类游动时不用克服自身重力，能够减小功率损耗。
文档编号B63H1/36GK102730176SQ20121022982
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月4日 优先权日2012年7月4日
发明者危常明, 喻俊志 申请人:中国科学院自动化研究所