专利名称：线驱动多关节水下矢量推进装置及其仿生机构的制作方法
技术领域：
线驱动多关节水下矢量推进装置及其仿生机构技术领域[0001]本实用新型涉及在水中使用的仿生机构领域，尤其涉及的是一种噪音小、推进效率高的线驱动多关节水下矢量推进装置及其仿生机构。
背景技术：
[0002]仿生机构指的是模拟生物运动的构造形态和功能而制作的机构。随着人类在水面以及水下活动的增加，模仿鱼类游动的装置以及机构越来越多，例如鱼尾推进装置。与传统的螺旋桨驱动相比，仿鱼尾推进装置通过鱼尾的往复摆动而产生推力，其摆动频率低，噪音小，推进效率高，不仅可实现推进还可以对方向进行控制。[0003]现有的仿鱼尾推进装置仅可实现平面内的摆动或波动，以模仿鰺科类鱼尾的摆动或鳗状类鱼身的波动，但缺少可以在空间摆动以提供任意方向推力的推进功能。[0004]例如，现有技术中包括鱼形外壳、若干节骨架、电池和接收控制电路板的遥控多关节仿生机器鱼，每节骨架由舵机、固定架和摆动连接架构成。虽然这样类型的设计可以实现平面内鱼尾的摆动或波动，但只能通过鱼尾控制机器鱼偏航方向，而不能控制机器鱼俯仰方向。同时，该类设计的每一个关节需要一个驱动器，导致系统结构复杂，控制困难。[0005]又如，现有技术中包括A/D变换器、中央控制器、驱动器和弹性薄板的仿鱼形的机器人控制尾鳍水下推进装置，通过控制弹性薄板的往复摆动，为机器鱼提供向前推进和左右转弯方向的控制。但该类设计中，弹性薄板的摆动仅为平面摆动，只能控制左右转弯，也无法控制机器鱼俯仰运动。[0006]再如，现有技术中包括鱼身、鱼尾、重心改变装置的三维运动仿生机器鱼，通过鱼尾的摆动提供向前的推力，通过重心改变装置控制游动方向，以及现有技术中包括鱼壳体、胸鳍、尾部、浮力调节部分的仿生机器鱼，通过尾部的摆动提供推力，由电机带动胸鳍拍动控制机器鱼游动方向。虽然这两种设计中的机器鱼都可以实现三维运动，但其运动方向通过鱼尾外的重心改变装置或胸鳍控制，与单纯依靠鱼尾控制运动方向相比，增加了系统的复杂性。[0007]通过上述分析可知，现有技术中的仿鱼尾水下推进机构中鱼尾只能实现平面内的摆动或波动，为机器鱼提供向前的推力和控制左右转弯，而机器鱼的俯仰大都需要由另外的系统进行控制。因此，现有技术尚有待改进和发展。发明内容[0008]为解决上述技术问题，本实用新型提供一种线驱动多关节水下矢量推进装置，可在推进水下航行器的同时控制其偏航和俯仰方向。[0009]同时，本实用新型还提供一种使用驱动器数量少、结构紧凑、易于控制的仿生机构。[0010]本实用新型的技术方案如下:一种线驱动多关节水下矢量推进装置，其中:该装置包括柔性软管、椎骨和驱动线，所述椎骨由一中心柱和非同一平面内的至少三片翅片组成，所述中心柱上设置有中心孔，所述柔性软管从所述中心孔中穿过以串连多节椎骨，所述椎骨的一端设置有凹球面，所述椎骨的另一端设置有凸球面，前一节椎骨的凸球面适配在后一节椎骨的凹球面中形成一球面关节，每一翅片上各设置有一线孔，同一侧翅片上的线孔中由一根驱动线穿过，用于通过交替收紧放松不同侧翅片上的驱动线，带动所述椎骨绕相应的球面关节朝不同方向转动。[0011]所述的线驱动多关节水下矢量推进装置，其中:同一节椎骨后端面翅片的高度低于其前端面翅片的高度，且后一节椎骨前端面翅片的高度适配前一节椎骨后端面翅片的高度。[0012]所述的线驱动多关节水下矢量推进装置，其中:所述翅片上的线孔走向与该翅片的外边沿走向相一致。[0013]所述的线驱动多关节水下矢量推进装置，其中:所述椎骨上翅片的数量设置为四片，并呈十字型均布在所述中心柱的侧壁上。[0014]所述的线驱动多关节水下矢量推进装置，其中:位于所述椎骨凸球面一端的中心孔处设置有外喇叭口，所述外喇叭口的锥度与相邻两节椎骨之间的最大倾斜角度相一致。[0015]所述的线驱动多关节水下矢量推进装置，其中:所述凹球面位于所述椎骨的前端，所述凸球面位于所述椎骨的后端，该推进装置还包括连接在最后一节椎骨后端的末节椎骨，所述末节椎骨也由一中心柱和非同一平面内的至少三片翅片组成，每一翅片上也各设置有一线孔，所述末节椎骨的前端设置有适配最后一节椎骨凸球面的凹球面，所述末节椎骨的后端设置为连通该凹球面的中心孔以适配所述柔性软管穿过。[0016]所述的线驱动多关节水下矢量推进装置，其中:所述末节椎骨前端面翅片的高度适配最后一节椎骨后端面翅片的高度，所述末节椎骨后端面翅片的高度与该末节椎骨中心柱的侧壁相齐平。[0017]所述的线驱动多关节水下矢量推进装置，其中:该推进装置还包括连接在所述末节椎骨后端面上的尾盖，所述尾盖上设置有适配插入所述末节椎骨中心孔的尾盖中心柱以及适配该末节椎骨线孔以固定所述驱动线的尾盖定位孔。[0018]一种仿生机构，包括设置在尾部的推进装置，其特征在于:该推进装置设置为上述中任一项所述的线驱动多关节水下矢量推进装置。[0019]所述的仿生机构，其中:该仿生机构包括仿生机器鱼。[0020]本实用新型所提供的线驱动多关节水下矢量推进装置及其仿生机构，由于采用了柔性软管串连具有球面关节要素的椎骨，并通过交替收紧放松椎骨不同翅片上的驱动线，带动椎骨绕相应的球面关节产生转动，可形成任意方向的推力和拐弯，进而实现了在推进水下航行器的同时控制其偏航和俯仰方向，而且使用驱动器数量少、结构紧凑、易于控制。
[0021]图1是本实用新型线驱动多关节水下矢量推进装置处于直线状态下的立体图。[0022]图2是本实用新型线驱动多关节水下矢量推进装置所用椎骨实施例的立体放大图。[0023]图3是本实用新型线驱动多关节水下矢量推进装置所用椎骨的纵向剖视放大图。[0024]图4是本实用新型线驱动多关节水下矢量推进装置所用球面关节处于转动状态下的纵向剖视放大图。[0025]图5是本实用新型线驱动多关节水下矢量推进装置所用末节椎骨的轴向剖视放大图。[0026]结合图6所示，图6是本实用新型线驱动多关节水下矢量推进装置所用尾盖的轴向剖视放大图。[0027]图7是本实用新型线驱动多关节水下矢量推进装置处于弯曲状态下的立体图。[0028]图8是本实用新型线驱动多关节水下矢量推进装置处于弯曲状态下的剖视图。
具体实施方式
[0029]以下将结合附图，对本实用新型的具体实施方式
和实施例加以详细说明，所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的具体实施方式
。[0030]如图1所示，图1是本实用新型线驱动多关节水下矢量推进装置处于直线状态下的立体图，该线驱动多关节水下矢量推进装置主要由一根柔性软管1、多节椎骨3-1，3-2，3-3，3-4，3-5，3-6，3-7, 3-8, 3-9, 3-10 和至少三根驱动线 2-1, 2-2 组成，所有椎骨 3-1, 3-2, 3-3，3-4，3-5，3-6，3-7, 3-8, 3-9, 3-10的结构相似，所述柔性软管I从这10节椎骨3-1, 3-2,3-3，3-4，3-5，3-6，3-7, 3-8, 3-9, 3-10中穿过，所述驱动线2-1, 2-2分别从这10节椎骨3-1，3-2，3-3，3-4，3-5，3-6, 3-7, 3-8, 3-9, 3-10 上的翅片中穿过，所述驱动线 2-1，2-2 的一端用于连接在可收紧和放松的驱动器上，所述驱动线2-1，2-2的另一端固定在末节椎骨3-10后端的尾盖4上。[0031]结合图2所示，图2是本实用新型线驱动多关节水下矢量推进装置所用椎骨实施例的立体放大图，以第一节椎骨3-1为例，所述节椎骨3-1可由一中心柱3-1-0和不在同一平面内的至少三片翅片3-1-6组成，图1所示椎骨3-1上的翅片3-1-6数量为四片，这四片翅片3-1-6可呈十字型均布在所述中心柱3-1-0的侧壁上，所述中心柱3-1-0呈圆柱形，在所述中心柱3-1-0的中心位置处还设置有用于所述柔性软管I穿过的中心孔3-1-4。[0032]结合图3所示，图3是本实用新型线驱动多关节水下矢量推进装置所用椎骨的纵向剖视放大图，仍以第一节椎骨3-1为例，在该椎骨3-1的每一翅片3-1-6上都设置一适配相应驱动线穿过的线孔3-1-5，所述线孔3-1-5可沿所述中心柱的轴向或所述中心孔3-1-4的轴向设置；同时，所述椎骨3-1中心柱下端端面设置有一凹球面3-1-2，该凹球面3-1-2的底部与所述中心孔3-1-4相连通，所述椎骨3-1中心柱上端端面设置有一由凸球面3-1-1围成的凸球部，所述中心孔3-1-4连通至该凸球部的顶端。[0033]较好的是，位于所述椎骨3-1凸球面3-1-1 —端的中心孔3-1-4 口部设置为外喇叭口 3-1-3，所述外喇叭口 3-1-3的锥度与相邻两节椎骨之间的最大倾斜角度相一致，以便于该推进装置在朝任意方向转动到最大角度时各相邻椎骨之间都为所述柔性软管形成畅通的通道，避免因所述柔性软管影响该推进装置的灵活性。[0034]较好的是，仍以第一节椎骨3-1为例，所述翅片3-1-6的纵截面轮廓呈直角梯形，即每一翅片3-1-6的外侧边呈斜边设置，而该翅片3-1-6上的线孔3-1-5走向也可与倾斜的外侧边边沿走向相一致，由此当收紧驱动线时可使所有椎骨同侧翅片上的线孔首尾相连，减少了错位的线孔之间对驱动线所产生的阻力，提高了该推进装置的灵活性。[0035]结合图4所示，图4是本实用新型线驱动多关节水下矢量推进装置所用球面关节处于转动状态下的纵向剖视放大图，前一节椎骨3-1的凸球面3-1-1适配在后一节椎骨3-2的凹球面3-2-2中形成一球面关节，同一侧翅片(3-1-6和3_2_6)上的线孔(3_1_5和3-2-5)可由一根驱动线穿过，通过交替收紧放松不同侧翅片上的驱动线，带动所述椎骨3-2相对所述椎骨3-1绕相应的球面关节朝不同方向转动，而相邻两节椎骨(3-1和3-2)之间的最大倾斜角度可由同一侧翅片(3-1-6和3-2-6)之间的间隙决定，前一节椎骨3-1同侧翅片3-1-6的后端与后一节椎骨3-2同侧翅片3-2-6的前端相接触时的状态，即为相邻两节椎骨(3-1和3-2)之间的最大倾斜角度。[0036]进一步地，以所述凹球面3-1-2作为所述椎骨3-1的前端，所述凸球面3_1_1作为所述椎骨3-1的后端为例，较好的是，所述椎骨3-1后端面翅片3-1-6的高度低于该椎骨3-1前端面翅片3-1-6的高度，且后一节椎骨3-2前端面翅片3-2-6的高度适配前一节椎骨3-1后端面翅片3-1-6的高度，即相邻椎骨的翅片由前向后依次变小，可有效提高该推进装置的灵活性。[0037]结合图5所示，图5是本实用新型线驱动多关节水下矢量推进装置所用末节椎骨的轴向剖视放大图，该末节椎骨3-10位于所述推进装置的末端，所述末节椎骨3-10也由一中心柱和非同一平面内的至少三片翅片组成，每一翅片上也各设置有一线孔3-10-3，所述末节椎骨3-10的前端设置有适配最后一节椎骨凸球面的凹球面3-10-1，所述末节椎骨3-10的后端设置为连通该凹球面3-10-1的中心孔3-10-2以适配所述柔性软管穿过。[0038]较好的是，所述末节椎骨3-10前端面翅片的高度适配最后一节椎骨后端面翅片的高度，所述末节椎骨3-10后端面翅片的高度与该末节椎骨3-10中心柱的侧壁表面基本相齐平，可有效提高该推进装置的灵活性。[0039]进一步地，结合图6所示，图6是本实用新型线驱动多关节水下矢量推进装置所用尾盖的轴向剖视放大图，该推进装置还包括连接在前述末节椎骨3-10后端面上的尾盖4，所述尾盖4的大小与所述末节椎骨3-10中心柱后端面的大小相适配，可有效提高该推进装置的灵活性。所述尾盖4上设置有适配插入所述末节椎骨3-10中心孔3-10-2的尾盖中心柱4-1以及适配该末节椎骨3-10线孔3-10-3以固定所述驱动线的尾盖定位孔4-2。[0040]如图7所示，图7是本实用新型线驱动多关节水下矢量推进装置处于弯曲状态下的立体图，用所述柔性软管I从所有椎骨3-1，3-2，3-3，3-4，3-5, 3-6, 3-7, 3-8, 3-9, 3-10的中心孔中穿过，将多节椎骨3-1，3-2，3-3，3-4，3-5, 3-6, 3-7, 3-8, 3-9, 3-10依次串连，并用尾盖4封堵末节椎骨3-10的中心孔，最后分别用驱动线2-1，2-2，2-3，2-4从这些椎骨3-1，3-2，3-3，3-4，3-5, 3-6, 3-7, 3-8, 3-9, 3-10同一侧翅片上的线孔中穿过，所述驱动线2-1，2-2，2-3，2-4 一端均固定在所述尾盖4上，另一端分别与驱动器相连接。[0041]当驱动线2-1收紧到最大，驱动线2-3放松到最大时，推进装置往驱动线2-1方向转至最大；反之，当驱动线2-3收紧到最大，驱动线2-1放松到最大时，推进装置往驱动线2-3方向转至最大；通过驱动线2-1，2-3的交替收紧、放松，推进装置即可在水平面内往复摆动。[0042]与此类似，结合图8所示，图8是本实用新型线驱动多关节水下矢量推进装置处于弯曲状态下的剖视图，当驱动线2-4收紧到最大，驱动线2-2放松到最大时，所有椎骨3-1，3-2，3-3，3-4，3-5，3-6,3-7, 3-8, 3-9, 3-10绕各自的球面关节向驱动线2_4 —侧转动，直至相邻椎骨之间的翅片相接触，推进装置往驱动线2-4方向转至最大，此时所述柔性软管I也向驱动线2-4 —侧弯曲至最大；反之，当驱动线2-2收紧到最大，驱动线2-4放松到最大时，推进装置往驱动线2-2方向转至最大；通过驱动线2-2，2-4的交替收紧放松，推进装置可在垂直平面内往复摆动。[0043]而当四条驱动线2-1，2-2，2-3，2-4协同交替收紧放松时，推进装置即可在水平和垂直平面任意往复摆动；推进装置摆动的幅度由驱动线2-1，2-2，2-3，2-4的收放程度决定，最大摆动幅度则由所述3-1，3-2，3-3，3-4，3-5, 3-6, 3-7, 3-8, 3-9, 3-10上的翅片决定。[0044]在摆动的过程中，这些椎骨上的翅片在该椎骨绕相应的球面关节转动时可起到拍打周围水流的作用，而后一节椎骨的转动角度均可在前一节椎骨的转动角度上进行累加，进而可为水中航行器、仿生机器鱼等仿生机构提供向前的推动力，并由此控制其基本运动的方向。基本运动包括直线运动，左右拐弯和上下俯仰。[0045]直线运动:当驱动线2-1，2-3在交替收紧放松的过程中，驱动线2-1的收紧放松程度与2-3的收紧放松程度相同时，推进装置在水平面内摆动幅度相对称；当驱动线2-2，2-4在交替收紧放松的过程中，驱动线2-2的收紧放松程度与驱动线2-4的收紧放松程度相同时，推进装置在竖直平面内摆动幅度相对称；而当四条驱动线2-1，2-2，2-3，2-4协同交替收紧放松时，同样可以实现推进装置在水平面和垂直平面内摆动幅度相对称。在摆动幅度相对称时，推进装置可为水中航行器提供向前的推力，使水中航行器沿直线运动。[0046]左右拐弯:当驱动线2-1，2-3在交替收紧放松的过程中，驱动线2-1的收紧放松程度与驱动线2-3的收紧放松程度不相同时，推进装置在水平面内摆动幅度不对称。此时，推进装置提供的推力方向偏离水中航行器轴线方向，以带动水中航行器在水平面内左右拐弯。拐弯方向为摆动幅度较小的一侧。例如，当驱动线2-1的收紧程度小于驱动线2-3的收紧程度时，航行器就拐向驱动线2-1 —侧，拐弯幅度受驱动线2-1，2-3收紧差异程度决定。[0047]上下俯仰:当驱动线2-2，2-4在交替收紧放松的过程中，驱动线2_2的收紧放松程度与驱动线2-4的收紧放松程度不相同时，推进装置在垂直平面内摆动幅度不对称。此时，推进装置提供的推力方向偏离水中航行器轴线方向，以带动水中航行器在垂直平面内上下俯仰。俯仰方向为摆动幅度较小的一侧。例如，当驱动线2-2的收紧程度小于驱动线2-4的收紧程度时，航行器就向驱动线2-2 —侧俯冲，俯冲幅度受驱动线2-2，2-4收紧差异程度决定。[0048]基于上述线驱动多关节水下矢量推进装置，本实用新型还提出了一种仿生机构，该仿生机构包括设置在尾部的推进装置，其中，所述推进装置设置为上述任一项实施例中所述的线驱动多关节水下矢量推进装置。[0049]在本实用新型仿生机构的优选实施方式中，以仿生机器鱼为例，如图7所示，所述柔性软管I可采用圆柱形橡胶管制作，具有一定弹性，可做大变形弯曲，四条所述驱动线2-1，2-2，2-3，2-4可采用细钢丝制作，而包括尾盖4和末节椎骨3_10在内的10节椎骨3-1，3-2，3-3，3-4，3-5，3-6, 3-7, 3-8, 3-9, 3-10均可采用ABS等塑料制作。通过四条驱动线2-1，2-2，2-3，2-4的不对称协同交替收紧放松，推进装置可提供任意方向的推力，从而可实现任意方向的拐弯。[0050]应当理解的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不足以限制本实用新型的技术方案，对本领域普通技术人员来说，在本实用新型的精神和原则之内，可以根据上述说明加以增减、替换、变换或改进，而所有这些增减、替换、变换或改进后的技术方案，都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
权利要求1.一种线驱动多关节水下矢量推进装置，其特征在于:该装置包括柔性软管、椎骨和驱动线，所述椎骨由一中心柱和非同一平面内的至少三片翅片组成，所述中心柱上设置有中心孔，所述柔性软管从所述中心孔中穿过以串连多节椎骨，所述椎骨的一端设置有凹球面，所述椎骨的另一端设置有凸球面，前一节椎骨的凸球面适配在后一节椎骨的凹球面中形成一球面关节，每一翅片上各设置有一线孔，同一侧翅片上的线孔中由一根驱动线穿过，用于通过交替收紧放松不同侧翅片上的驱动线，带动所述椎骨绕相应的球面关节朝不同方向转动。
2.根据权利要求1所述的线驱动多关节水下矢量推进装置，其特征在于:同一节椎骨后端面翅片的高度低于其前端面翅片的高度，且后一节椎骨前端面翅片的高度适配前一节椎骨后端面翅片的高度。
3.根据权利要求2所述的线驱动多关节水下矢量推进装置，其特征在于:所述翅片上的线孔走向与该翅片的外边沿走向相一致。
4.根据权利要求1所述的线驱动多关节水下矢量推进装置，其特征在于:所述椎骨上翅片的数量设置为四片，并呈十字型均布在所述中心柱的侧壁上。
5.根据权利要求1所述的线驱动多关节水下矢量推进装置，其特征在于:位于所述椎骨凸球面一端的中心孔处设置有外喇叭口，所述外喇叭口的锥度与相邻两节椎骨之间的最大倾斜角度相一致。
6.根据权利要求1所述的线驱动多关节水下矢量推进装置，其特征在于:所述凹球面位于所述椎骨的前端，所述凸球面位于所述椎骨的后端，该推进装置还包括连接在最后一节椎骨后端的末节椎骨，所述末节椎骨也由一中心柱和非同一平面内的至少三片翅片组成，每一翅片上也各设置有一线孔，所述末节椎骨的前端设置有适配最后一节椎骨凸球面的凹球面，所述末节椎骨的后端设置为连通该凹球面的中心孔以适配所述柔性软管穿过。
7.根据权利要求6所述的线驱动多关节水下矢量推进装置，其特征在于:所述末节椎骨前端面翅片的高度适配最后一节椎骨后端面翅片的高度，所述末节椎骨后端面翅片的高度与该末节椎骨中心柱的侧壁相齐平。
8.根据权利要求6所述的线驱动多关节水下矢量推进装置，其特征在于:该推进装置还包括连接在所述末节椎骨后端面上的尾盖，所述尾盖上设置有适配插入所述末节椎骨中心孔的尾盖中心柱以及适配该末节椎骨线孔以固定所述驱动线的尾盖定位孔。
9.一种仿生机构，包括设置在尾部的推进装置，其特征在于:该推进装置设置为如权利要求I至8中任一项所述的线驱动多关节水下矢量推进装置。
10.根据权利要求9所述的仿生机构，其特征在于:该仿生机构包括仿生机器鱼。
专利摘要本实用新型公开了线驱动多关节水下矢量推进装置及其仿生机构，该推进装置包括柔性软管、椎骨和驱动线，椎骨由中心柱和非同一平面内的至少三片翅片组成，柔性软管从中心柱上的中心孔中穿过以串连多节椎骨，椎骨的一端设有凹球面，另一端设有凸球面，前一节椎骨的凸球面适配在后一节椎骨的凹球面中形成球面关节，每一翅片上各设有一线孔，同一侧翅片上的线孔中由一根驱动线穿过。由于采用了柔性软管串连具有球面关节要素的椎骨，并通过交替收紧放松椎骨不同翅片上的驱动线，带动椎骨绕相应的球面关节产生转动，可形成任意方向的推力和拐弯，进而实现了在推进水下航行器的同时控制其偏航和俯仰方向，而且使用驱动器数量少、结构紧凑、易于控制。
文档编号B63H1/36GK202966636SQ20122068110
公开日2013年6月5日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者李峥, 杜如虚 申请人:深圳市中科莲花净水科技有限公司