专利名称：双驱动仿生胸鳍骨架的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双驱动仿生胸鳍骨架，更特别地说，是指一种能够模拟海洋中牛鼻鲼胸鳍变形的柔性胸鳍骨架，属于水下仿生推进器技术领域。
背景技术：
自然界中，按照推进运动所使用身体部位的不同，鱼类的运动可以分为两种主要模式:①身体、尾鳍推进模式——利用身体的弯曲波动或者尾鳍的周期性往复拍动产生推进力中间鳍、对鳍推进模式——利用胸鳍、腹鳍或者背鳍的周期性拍动或者波动产生推进力。因此，仿生研究领域所开发的机器鱼也可以分为此两大类。类牛鼻鲼的胸鳍摆动推进模式就属于中间鳍、对鳍推进模式的一种、此类仿生鱼主要的推进机构为硕大、扁平的胸鳍、对胸鳍骨架的设计对此类仿生鱼推进性能影响很大。柔性胸鳍摆动推进仿生机器人(鱼)能够实现低频、低阻、高效、高机动性的水下运动，它在水下探测和军用侦查领域都有广泛的应用前景，而柔性胸鳍摆动推进仿生机器人(鱼)的实现的关键在于柔性胸鳍骨架的设计，目前，所开发的摆动胸鳍，根据其整体刚度，可分为柔性和刚性两类。柔性胸鳍与自然界牛鼻鲼的胸鳍更为接近，能够实现更优的推进效果。柔性摆动胸鳍的主要推进机构由两种结构形式，一种为采用刚性或者具有一定柔性的前缘带动胸鳍摆动，实现仿生胸鳍在水流作用下的被动摆动运动；另一种为采用多条弦向仿生鳍条结构，实现仿生胸鳍的主动摆动运动，亦即实现仿生胸鳍鳍面波的可控传递。现有的仿牛鼻鲼胸鳍结构或为拟合自然原型的运动采用十分复杂内部结构，而制作、控制困难；或对自然原型的胸鳍结构进行了大规模的简化，而不能达到所模仿自然原型的运动效果。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有胸鳍结构复杂，或不能达到所模仿自然原型的运动效果，提出一种仿牛鼻鲼摆动的双驱动仿生胸鳍骨架，该骨架通过Matlab软件提取牛鼻鲼胸鳍运动轮廓，再根据运动形式，利用CATIA建模软件建立了仿牛鼻鲼胸鳍骨架。一种双驱动仿生胸鳍骨架，包括机架、第一运动关节、第二运动关节、类胸鳍摆动板；第一个运动关节包括前摆动杆、前滑杆、前驱动轴、骨架连接块；第二个运动关节包括后摆动杆、轴承座、后驱动轴；类胸鳍摆动板包括展向肋板、第一弦向肋板、第二弦向肋板、第三弦向肋板和摆动板；前摆动杆一端与前驱动轴固定连接，另一端通过圆柱副结构与前滑杆一端连接，前滑杆的另一端通过旋转副结构连接摆动头，摆动头是指摆动板的头部部分；前驱动轴与机架的前部通孔通过滚动轴承连接，构成转动副；后摆动杆一端与后驱动轴固定连接，另一端通过两个轴承座连接摆动板，后驱动轴与摆动板之间形成旋转副结构；后驱动轴与机架的后部通孔通过滚动轴承连接，构成转动副；第一弦向肋板、第二弦向肋板、第三弦向肋板分别等间距固定连接在展向肋板上；展向肋板的一端与骨架连接块固定连接，骨架连接块通过圆柱副结构与展向肋板前部的摆动头连接；前驱动轴、后驱动轴分别连接两个直流伺服电机。本发明的优点在于:(I)本发明结构简单、紧凑、运动平滑，如果将其加入到仿生机器鱼上，可以实现机器鱼的高效巡游和灵活转弯；(2)本发明以两根弦向驱动鳍条实现胸鳍骨架由前到后的驱动波的传递运动；(3)本发明每根驱动鳍条仅采用一个电机驱动，减少了驱动源个数，控制简单；(4)本发明单根弦向驱动鳍条采用独立电机驱动，实现了每根鳍条在摆动频率、摆动幅度、相位差角等参数上的灵活可控；(5)本发明胸鳍鳍条采用碳纤维板制作，能够具有一定的展向和弦向柔性；(6)本发明虽然结构简单，但是能够实现近似牛鼻鲼胸鳍的运动，而且由于只需要两个伺服电机，因此控制比较简单。
图1是本发明第一个视图的结构示意图；图2是本发明第二个视图的结构示意图；图中:1-机架2-第一运动关节3-第二运动关节4-类胸鳍摆动板 201-前摆动杆202-前滑杆203-摆动头204-前驱动轴205-骨架连接块301-后摆动杆302-轴承座303-后驱动轴401-展向肋板402-第一弦向肋板 403-第二弦向肋板404-第二弦向肋板 405-摆动板
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明是一种双驱动仿生胸鳍骨架，如图1、图2所示，包括机架1、第一运动关节
2、第二运动关节3、类胸鳍摆动板4 ；第一个运动关节2包括前摆动杆201、前滑杆202、前驱动轴204、骨架连接块205 ；第二个运动关节3包括后摆动杆301、轴承座302、后驱动轴303 ；类胸鳍摆动板4包括展向肋板401、第一弦向肋板402、第二弦向肋板403、第三弦向肋板404和摆动板405 ；机架I没有固定形状，只是作为双驱动仿生胸鳍骨架的一个假想载体，具体实施时需要将直流伺服电机及驱动轴与仿生机器鱼机体连接；前摆动杆201 —端与前驱动轴204通过螺栓固定连接，另一端通过圆柱副结构与前滑杆202 —端连接，前滑杆202的另一端通过旋转副结构连接摆动头203，摆动头203是指摆动板405的头部部分；前驱动轴204与机架I的前部通孔通过滚动轴承连接构成转动副，前驱动轴204可以机架I前部通孔为中心进行旋转；
其中，前摆动杆201和前滑杆202之间的运动通过一个圆柱副实现，即前滑杆202既能产生旋转的运动，也能在前摆动杆201中滑动，最后产生一个比较复杂的空间运动。前滑杆202和摆动头203之间是一个旋转副，实现两个部件的旋转运动。后摆动杆301 —端与后驱动轴303通过螺栓固定连接，另一端通过两个轴承座302连接摆动板403 ；后驱动轴303与机架1的后部通孔通过滚动轴承连接构成转动副，后驱动轴303可以机架I后部通孔为中心进行旋转；其中，后驱动轴303与摆动板403之间形成旋转副结构，通过两个轴承座302，使后摆动杆301在摆动板403中能够旋转；展向肋板401是基于自然界牛鼻鲼前缘骨架结构仿生设计所得，第一弦向肋板402、第二弦向肋板403、第三弦向肋板404符合NACA0012标准翼型形状，展向肋板401与第一弦向肋板402、第二弦向肋板403、第三弦向肋板404通过螺栓固定连接；展向肋板401的一端与骨架连接块205固定连接，骨架连接块205通过圆柱副结构与展向肋板401前部的摆动头203连接；其中，摆动头203与骨架连接块205之间的圆柱副结构，骨架连接块205既能产生旋转的运动，也能在摆动头203中滑动，最后也是产生一个比较复杂的空间运动。前驱动轴204、后驱动轴303分别连接两个直流伺服电机，通过直流伺服电机控制前驱动轴204、后驱动轴303分别带动前摆动杆201、后摆动杆301运动，进而使类胸鳍摆动板4运动，胸鳍摆动板4产生近似牛鼻鲼胸鳍的运动；通过控制直流伺服电机，使两个电机产生以一定相差同等摆动幅度和相同摆动频率的简谐运动，进而带动前驱动轴、后驱动轴旋转，最终带动展向肋板及弦向肋板产生近似牛鼻鲼胸鳍的运动。
权利要求
1.一种双驱动仿生胸鳍骨架，包括机架(I)、第一运动关节(2)、第二运动关节(3)、类胸鳍摆动板(4)； 第一个运动关节(2)包括前摆动杆(201 )、前滑杆(202)、前驱动轴(204)、骨架连接块(205);第二个运动关节(3)包括后摆动杆(301)、轴承座(302)、后驱动轴(303);类胸鳍摆动板(4)包括展向肋板(401)、第一弦向肋板(402)、第二弦向肋板(403)、第三弦向肋板(404)和摆动板(405);前摆动杆(201) —端与前驱动轴(204)固定连接，另一端通过圆柱副结构与前滑杆(202) —端连接，前滑杆(202)的另一端通过旋转副结构连接摆动头(203)，摆动头(203)是指摆动板(405)的头部部分；前驱动轴(204)与机架(I)的前部通孔通过滚动轴承连接，构成转动副；后摆动杆(301) —端与后驱动轴(303)固定连接，另一端通过两个轴承座(302)连接摆动板(403)，后驱动轴(303)与摆动板(403)之间形成旋转副结构；后驱动轴(303)与机架(I)的后部通孔通过滚动轴承连接，构成转动副；第一弦向肋板(402)、第二弦向肋板(403)、第三弦向肋板(404)分别固定等间距连接在展向肋板(401)上；展向肋板(401)的一端与骨架连接块(205)固定连接，骨架连接块(205)通过圆柱副结构与展向肋板(401)前部的摆动头(203)连接；前驱动轴(204)、后驱动轴(303)分别连接两个直流伺服电机。
2.根据权利要求1所述的一种双驱动仿生胸鳍骨架，所述的展向肋板(401)的形状为牛鼻鲼前缘骨架结构。
3.根据权利要求1所述的一种双驱动仿生胸鳍骨架，所述的第一弦向肋板(402)、第二弦向肋板(403)、第三弦向肋板(404)符合NACA0012标准翼型形状。
4.根据权利要求1所述的一种双驱动仿生胸鳍骨架，通过控制直流伺服电机，使两个直流伺服电机产生以一定相位差同等摆动幅度和相同摆动频率的简谐运动，进而带动前驱动轴(204)、后驱动轴(303 )旋转，最终带动展向肋板(401)、第一弦向肋板(402 )、第二弦向肋板(403)和第三弦向肋板 (404)产生近似牛鼻鲼胸鳍的运动。
全文摘要
本发明公开了一种双驱动仿生胸鳍骨架，包括机架、第一运动关节、第二运动关节、类胸鳍摆动板；第一个运动关节包括前摆动杆、前滑杆、前驱动轴、骨架连接块；第二个运动关节包括后摆动杆、轴承座、后驱动轴；类胸鳍摆动板包括展向肋板、第一弦向肋板、第二弦向肋板、第三弦向肋板和摆动板；本发明结构简单、紧凑、运动平滑，如果将其加入到仿生机器鱼上，可以实现机器鱼的高效巡游和灵活转弯；本发明以两根弦向驱动鳍条实现胸鳍骨架由前到后的驱动波的传递运动；本发明每根驱动鳍条仅采用一个电机驱动，减少了驱动源个数，控制简单；本发明单根弦向驱动鳍条采用独立电机驱动，实现了每根鳍条在摆动频率、摆动幅度、相位差角等参数上的灵活可控。
文档编号B63H1/36GK103213664SQ20131014143
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月22日 优先权日2013年4月22日
发明者毕树生, 牛传猛, 张利格, 马宏伟 申请人:北京航空航天大学