一种适用于船艇的扭簧串仿生鱼尾桨的制作方法

本发明涉及一种尾桨，更具体的说是一种适用于船艇的扭簧串仿生鱼尾桨。

背景技术：

目前水面和水下航行器基本采用螺旋桨结构，桨叶曲率固定不变，是效能低的主要原因，会产生较大的噪音和尾涡。鱼类和鲸类海洋动物的游动方式是生物进化史的结晶，具有高效能、高速度、高灵活性，低噪声各种优点。水面航行器和水下潜航器如果采用仿生鱼尾水下推进技术，就可以做到高效能，灵活低噪的效果。

目前仿鱼尾推进有多种方式，例如发明名称为仿生机器鱼的柔性推进机构申请号2004100536602，该专利采用两个电机分别拉紧和放松鱼尾鳍两侧的钢丝绳来控制鱼尾的柔性摆动。缺点是传动刚性不足，力矩输出羸弱，动作粗拙，难以控制，无法用于较大型艇体结构。

发明名称为一种仿鱼尾推进系统的机械传动装置申请号2005200205718，

该专利采用电机驱动蜗轮蜗杆副，继而带动偏心轮、滑动框架、拉杆，带动l型摆杆摆动，同时固定半齿轮又迫使传动齿轮组带动摆杆转动，摆杆末端有弹簧片和尾鳍，形成具有3个自由度绞链轴的柔性摆动。这种结构的缺点是摆动节点只有2个，刚性动作单一僵硬。

发明名称为电磁驱动多关节仿生鱼尾推进装置申请号2007100726206)，该专利采用纵向骨材、横向骨材，并分为多节，连接轴连接，这种结构的缺点是柔性有余，刚性不足，很难用于实际应用；还有动力多节点结构，每个自由度节点安装一个舵机，一般要3个以上自由度节点，安装3个舵机，势必造成结构复杂，动作协调难度提高的缺点。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种适用于船艇的扭簧串仿生鱼尾桨，能够逼真地仿生海洋动物和鱼类的游动方式，提高传动效率，降低噪音；并且扭簧串自由度节点的数量可以任意设计，不仅可以模拟金枪鱼等鯵科模式的游动机理，还可以模拟鳗鱼等鳗鲡模式游动机理；扭簧串结构极为简单，易于加工制造。

为解决上述技术问题，本发明一种适用于船艇的扭簧串仿生鱼尾桨包括安装板、扭力簧串、尾体和尾鳍，所述扭力簧串的一端固定连接在所述安装板的一端，所述扭力簧串的另一端固定连接有所述尾鳍，所述扭力簧串包裹有所述尾体。

作为本发明的进一步优化，本发明一种适用于船艇的扭簧串仿生鱼尾桨所述的扭簧串仿生鱼尾桨还包括动力箱和驱动轴，所述动力箱由控制器、电源、电机和减速器组成，所述电源的输出端连接着控制器和电机的电源端，所述电源给控制器和电机供电，所述控制器的输出端连接着所述电机的输入端，所述电机的输出轴连接着所述减速器的输入端，所述减速器的输出端连接着所述驱动轴的一端，所述驱动轴的另一端与所述安装板的另一端固定连接。

作为本发明的进一步优化，本发明一种适用于船艇的扭簧串仿生鱼尾桨所述的扭力簧串由单根弹簧钢丝或钢管制成。

作为本发明的进一步优化，本发明一种适用于船艇的扭簧串仿生鱼尾桨所述的扭力簧串由首段圆圈状的安装孔、多个扭簧节点和末段圆圈状的安装孔组成，所述首段圆圈状的安装孔固定在安装板上，所述末段圆圈状的安装孔固定在尾鳍上，所述扭簧节点依次连接在首段圆圈状的安装孔和末段圆圈状的安装孔之间，从首段到末端，扭簧节点的扭簧直径逐渐加大或者扭簧圈数逐渐增加，所述扭力簧串为一体结构。

作为本发明的进一步优化，本发明一种适用于船艇的扭簧串仿生鱼尾桨所述的尾体由柔性材料制成。

本发明一种适用于船艇的扭簧串仿生鱼尾桨的有益效果为：

1.用扭簧串仿生鱼尾桨取代现有船艇的螺旋桨推进方式，充分发挥船艇动力资源，高效能输出力矩，逼真地仿生海洋动物和鱼类的游动方式，从而获得鱼类游动的速度和效能；要达到鱼类游动效果，必须具有多个自由度节点，使用扭簧做为节点比较理想，相对于舵机作为节点，更为简单可靠，扭簧可以储存和释放能量，产生鞭状摆动动作，逼真地模拟了鱼类的游进动作。

2.本发明中采用了新颖的刚性呈梯度变化的扭簧串结构，扭簧串模仿出了鱼腰鱼尾的肌肉功能；本发明可根据船艇结构大小需要，设计任意多个扭簧节点，从扭簧串首段到末端每个扭簧节点刚度不同，递减排列；动力输出连接扭簧串首端，扭簧串末端连接尾鳍。

3.本发明采用的扭簧串结构优势明显，自由度节点的数量可以任意增减设计，不仅可以模拟金枪鱼等鯵科模式的游动机理，还可以模拟鳗鱼等鳗鲡模式游动机理；扭簧串使用单根任意截面的弹簧钢丝或钢管弯曲加工制造；扭簧串结构极为简单，易于加工制造；扭簧串为纯机械结构可以用于重载荷，大型船艇和潜器。

4.本发明采用的步进电机或伺服电机由电脑芯片编程控制，步进电机驱动扭簧串尾体往复摆动，实现仿真鱼游动时的折腰，甩尾，转向动作；步进电机轴转动时，由于整个尾体尾鳍收到水的阻力，扭簧串第一个扭簧节点受力最大，首先屈服达到一定角度时，第二个扭簧节点开始屈服，依次传递到各个扭簧节点，尾体呈现鞭状运动，由于分布在尾体各个节点上扭簧的作用力，尾体各段都能产生推进力；控制轴摆动的速度和角度，就可以实现加速，减速，转弯变向各种动作。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明一种适用于船艇的扭簧串仿生鱼尾桨的结构示意图。

图2为本发明一种适用于船艇的扭簧串仿生鱼尾桨的安装板、扭力簧串和尾鳍的安装示意图。

图3为本发明一种适用于船艇的扭簧串仿生鱼尾桨的工作示意图。

图4-9为本发明一种适用于船艇的扭簧串仿生鱼尾桨的工作过程示意图。

图10为本发明一种适用于船艇的扭簧串仿生鱼尾桨的动力箱的结构示意图。

图中：船艇1、动力箱2、驱动轴3、安装板4、扭力簧串5、尾体6和尾鳍7。

具体实施方式

下面结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10说明本实施方式，本发明一种适用于船艇的扭簧串仿生鱼尾桨能够逼真地仿生海洋动物和鱼类的游动方式，提高传动效率，降低噪音；并且扭簧串自由度节点的数量可以任意设计，不仅可以模拟金枪鱼等鯵科模式的游动机理，还可以模拟鳗鱼等鳗鲡模式游动机理；扭簧串结构极为简单，易于加工制造。

该扭簧串仿生鱼尾桨包括安装板4、扭力簧串5、尾体6和尾鳍7，所述扭力簧串5的一端通过焊接或螺栓连接等方式固定连接在所述安装板4的一端，所述扭力簧串5的另一端通过焊接或螺栓连接等方式固定连接有所述尾鳍7，所述扭力簧串5包裹有所述尾体6。所述的尾体6由柔性材料制成，能够弯曲，并且尾体6的面积可以影响推力的大小。

所述的扭簧串仿生鱼尾桨还包括动力箱2和驱动轴3，所述动力箱2由控制器、电源、电机和减速器组成，所述电源的输出端连接着控制器和电机的电源端，所述电源给控制器和电机供电。电源可以是电池，发电机或其他可以提供电力的设备。所述控制器的输出端连接着所述电机的输入端，所述电机的输出轴通过联轴器连接着所述减速器的输入端，所述减速器的输出端通过联轴器连接着所述驱动轴3的一端，所述驱动轴3的另一端与所述安装板4的另一端通过焊接或销连接等方式固定连接。电机采用步进电机或伺服电机，电机驱动扭簧串尾体往复摆动。控制器用于控制电机的转动状态，包括转速、转向、启停等，控制器可以根据电机型号选用市场上已有的步进电机控制器或伺服电机控制器。

所述的扭力簧串5由单根弹簧钢丝或钢管制成，扭力簧串5由首段圆圈状的安装孔、多个扭簧节点和末段圆圈状的安装孔组成，所述首段圆圈状的安装孔固定在安装板4上，所述末段圆圈状的安装孔固定在尾鳍7上，所述扭簧节点依次连接在首段圆圈状的安装孔和末段圆圈状的安装孔之间，从首段到末端，扭簧节点的扭簧直径逐渐加大或者扭簧圈数逐渐增加，形成扭簧串各节点扭力矩逐渐减小的排列，所述扭力簧串5为一体结构。

动力箱2可以直接外挂在船艇1后舷上，驱动轴3及整个鱼尾桨置放后舷外水下。动力箱2控制扭力簧串5摆动，从而推动船艇1前进。

工作时，动力箱2的驱动轴3向一侧转动一定角度，由于扭力簧串的整体受水的阻力作用，靠近驱动轴3的第一个扭簧节点受力最大，首先屈服，节点弯曲一定角度，第一个扭簧储能，随后第二个扭簧节点开始屈服，节点弯曲一定角度，第二个扭簧储能，依次第三、四、五个扭簧节点屈服，节点弯曲一定角度，第三、四、五个扭簧储能，扭簧串鱼尾弯成弓形转动向后侧方推水，产生反作用力，使船体获得前进力。

参看图4-9扭力簧串5工作顺序示意图，图4显示，动力箱2的驱动轴3向一侧转动一定角度后，停止并反向转动，此时，图5显示，扭力簧串5第一个扭簧节点释放弹簧能并反方向扭转屈服，带动第二个扭簧节点仍继续按原方向转动一定距离，然后第二个扭簧节点也释放弹簧能并反方向扭转屈服，带动第三个扭簧节点仍继续按原方向转动一定距离，图6显示，然后第三个扭簧节点也释放弹簧能并反方向扭转屈服，依次类推图7、8、9显示下一组反转动作，在水的阻力作用下，扭力簧串5整体呈现鞭状运动状态，驱动轴3反复摆动，尾体6和尾鳍7反复扭曲向侧后方推水，产生反作用力，使船体获得前进力；在连续游进中，扭力簧串5沿正弦曲线轨迹运动，逼真地模拟了鱼类的游动方式。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。