水中仿鱼尾推进系统及其使用方法与流程

本发明涉及仿生学推进装置技术领域，具体而言，尤其涉及一种水中仿鱼尾推进系统及使用方法。

背景技术：

海洋占有整个地球百分之七十的面积，而对海洋的开发也是人类发展的重中之重，近几十年来。在海洋资源的开发与检测中，水下机器人的应用也是越来越多，无论是在民用还是军用方面，水下机器人都应用的很多。海洋的开发为水下机器人的发展提供了有利的发展平台。

而在水下机器人中绝大部分是运用仿生学的知识，而仿生机器鱼无论是在仿生科研领域，还是在水下机器人科研领域，都是重要的科研方向之一。

传统的推进系统不适用于现阶段的水下机器人，传统的推进设备是螺旋桨推进，而螺旋桨推进的缺点就是综合效率低、瞬时相应有严重滞后现象、运动灵活性能差。

这些缺点都对水下机器人制作后的应用有较重的影响，如自主水下机器人(auv)、无人水下探测器或无人无缆水下航行器(uuv)的实体化过程。

技术实现要素：

根据上述提出传统的推进系统不适用于现阶段的水下机器人，传统的推进设备是螺旋桨推进，而螺旋桨推进的缺点就是综合效率低、瞬时相应有严重滞后现象、运动灵活性能差的技术问题，而提供一种水中仿鱼尾推进系统及其使用方法。本发明主要利用仿鱼尾装置的首部、至少一个中部和尾部，带动其外部的仿鱼尾骨架回转运动，形成鱼尾拍打动作，从而结合仿生学的知识，模仿海豚在海里运动方式，水中仿鱼尾推进装置，具有高效、机动性好和噪音小等优点。

本发明采用的技术手段如下：

一种水中仿鱼尾推进系统，包括：仿鱼尾装置和动力装置，所述仿鱼尾装置的前端安装于待推进装置尾部，所述动力装置安装于所述仿鱼尾装置前端，且通过传动机构将所述动力装置的回转运动传递至所述仿鱼尾装置的输入轴；所述仿鱼尾装置包括首部、至少一个中部和尾部，所述中部和尾部外部设置有仿鱼尾骨架，且在输入轴的驱动下，所述仿鱼尾装置的首部、至少一个中部和尾部，带动其外部的仿鱼尾骨架回转运动，形成鱼尾拍打动作。

进一步地，所述的动力装置包括电动马达和减速齿轮箱，所述减速齿轮箱的输出轴传动连接有所述输入轴。

进一步地，所述的首部具有双层传动链结构，所述首部的上层传动链包括输入轴、首部上输入轴连接齿轮、首部上第一传动齿轮、首部上第二传动齿轮、首部上输出齿和首部上输出轴；

所述输入轴同所述首部上输入轴连接齿轮的中心键连接，所述首部上输入轴连接齿轮依次传动连接有首部上第一传动齿轮、首部上第二传动齿轮和首部上输出齿，所述首部上输出齿的中心键连接有首部上输出轴；

所述首部的下层传动链包括输入轴、首部下输入轴连接齿轮、首部下传动齿轮、首部下输出轴齿轮和首部下输出轴；

所述输入轴同所述首部下输入轴连接齿轮的中心键连接，所述首部下输入轴连接齿轮依次传动连接有首部下传动齿轮和首部下输出轴齿轮，所述首部下输出轴齿轮的中心键连接有首部下输出轴；

所述首部下输出轴同所述中部前端的半内齿轮啮合，且驱动所述中部相对所述首部末端回转运动，所述首部上输出轴同所述中部内的齿轮传动连接，且向所述中部内的传动链结构传递驱动力。

进一步地，所述仿鱼尾装置具有二个所述中部，分别为第一中部和第二中部，其中所述第一中部具有双层传动链结构，所述第一中部的上层传动链包括中部后半部分输入轴、中部后半部分输入轴齿轮、中部后半部分上传动齿轮、中部后半部分上输出轴齿轮和中部后半部分上输出轴；

所述首部上输出轴同所述中部后半部分输入轴传动连接，所述中部后半部分输入轴同所述中部后半部分输入轴齿轮键连接，所述中部后半部分输入轴齿轮传动连接有中部后半部分上传动齿轮和中部后半部分上输出轴齿轮，所述中部后半部分上输出轴同所述中部后半部分上输出轴齿轮中心键连接；

所述第一中部的下层传动链包括中部后半部分下第一传动齿轮、中部后半部分下第二传动齿轮、中部后半部分下输出轴齿轮和中部后半部分下输出轴；

所述中部后半部分输入轴同所述中部后半部分下第一传动齿轮键连接，所述中部后半部分下第一传动齿轮传动连接有中部后半部分下第二传动齿轮和中部后半部分下输出轴齿轮，所述中部后半部分下输出轴齿轮同所述中部后半部分下输出轴键连接；

所述中部后半部分上输出轴同所述第二中部前端的半内齿轮啮合，且驱动所述第二中部相对所述第一中部末端回转运动，所述中部后半部分下输出轴同所述第二中部内的齿轮传动连接，且向所述第二中部的传动链结构传递驱动力。

进一步地，所述第二中部的输出轴同所述尾部的半内齿轮啮合，且驱动所述尾部相对所述第二中部末端回转运动。

进一步地，所述仿鱼尾骨架为具有柔性伸缩能力的骨架结构。

进一步地，所述仿鱼尾骨架包括第一仿鱼尾骨架、第二仿鱼尾骨架和第三仿鱼尾骨架，且所述第一仿鱼尾骨架套接于所述第一中部外部，所述第二仿鱼尾骨架套接于所述第二中部外部，所述第三仿鱼尾骨架套接于所述尾部外部。

进一步地，所述首部上输出轴通过三个相同齿轮传动连接于所述中部后半部分输入轴。

进一步地，所述首部上输出轴的转速为所述输入轴的二倍，所述首部下输出轴的转速同所述输入轴的转速相同。

本发明还提供了一种上述水中仿鱼尾推进系统的使用方法，当仿鱼尾装置的输入轴输入回转力，首部中的上层传动链增速，首部上输出轴将回转力传递至中部，首部的下层传递链等速，首部下输出轴同中部的半内齿轮啮合，且驱动中部回转运动，最终传递至尾部，中部和尾部回转运动形成波型运动或拍打运动。

与现有技术相比较，本发明所述的仿鱼尾推进系统及其使用方法，具有以下优点：

1、与传统的螺旋桨推进装置比，本发明水中仿鱼尾推进系统，运用仿生学，模仿海豚在海里运动方式，推进更加平缓，与水的打击不强烈，噪音也比较小，同样的机动性也会比传统的螺旋桨推进装置更加好。

2、与相同的仿鱼尾推进装置相比，本发明的水中仿鱼尾推进系统运用的是齿轮传动，具有传动比较准确、效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长等特点，同时，本发明所述的仿鱼尾装置的中部，可以根据设置要求无限连接，也就是可以让摆动更加接近大自然中的鱼尾摆动。

3、本发明所述的仿鱼尾骨架作为外表皮结构，能让水中仿鱼尾系统的密封性更好。

4、本发明的运动规律不仅仅可以运用在仿鱼尾这一部分，本发明还可以模仿同样是通过弧形摆动运动的运动部分，比如蛇的爬行，通过改变所述的仿鱼尾装置骨架结构的骨架外形，可以实现转换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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做以简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明水中仿鱼尾推进系统的正视图。

图2为本发明水中仿鱼尾推进系统的左视图。

图3为本发明水中仿鱼尾推进系统的俯视图。

图4为本发明水中仿鱼尾推进系统上半部分内剖图。

图5为本发明水中仿鱼尾推进系统下半部分内剖图。

其中：1、首部，2、中部，3、尾部，4、第一仿鱼尾骨架，5、第二仿鱼尾骨架，6、第三仿鱼尾骨架，

7、输入轴，8、首部上输入轴连接齿轮，9、首部上第一传动齿轮，10、首部上第二传动齿轮，11、首部上输出轴，

12、中部后半部分输入轴，13、中部后半部分输入轴齿轮，14、中部后半部分上传动齿轮，15、中部后半部分上输出轴齿轮，

16、首部下传动齿轮，17、首部下输出轴齿轮，18、首部下输出轴，19、中部后半部分下第一传动齿轮，20、中部后半部分下第二传动齿轮，21、中部后半部分下输出轴齿轮。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1至图5所示，本发明提供了一种水中仿鱼尾推进系统，包括：仿鱼尾装置和动力装置，所述仿鱼尾装置的前端安装于待推进装置尾部，所述动力装置安装于所述仿鱼尾装置前端，且通过传动机构将所述动力装置的回转运动传递至所述仿鱼尾装置的输入轴7；所述的动力装置包括电动马达和减速齿轮箱，所述减速齿轮箱的输出轴传动连接有所述输入轴7。

本发明的实施方式中，所述动力装置为现有技术常规动力装置，本领域普通技术人员能够直接购买得到，因此未做具体说明。

所述仿鱼尾装置包括首部1、至少一个中部2和尾部3，所述中部2和尾部3外部设置有仿鱼尾骨架，且在输入轴7的驱动下，所述仿鱼尾装置的首部1、至少一个中部2和尾部3，带动其外部的仿鱼尾骨架回转运动，形成鱼尾拍打动作。

在本发明的其他实施方式中，动力装置可以设置在所需推进物体尾部或者中部，仿鱼尾装置设置在所需推进装置尾部；通过齿轮连接或者直接连接使动力装置的回转运动作用在仿鱼尾装置的推动轴上，仿鱼尾装置首部可直接刚性连接在所需推进物体尾部，推动轴的回转运动带动整个仿鱼尾装置进行类鱼尾的拍打运动，推动所需推进物体前进。

在本发明的实施方式中，所述的首部1具有双层传动链结构，双层传动链结构要求输出转速不一样，小的为所在部分的回转转速，其转速差为传递下一部分的输入转速。

所述首部1的上层传动链包括输入轴7、首部上输入轴连接齿轮8、首部上第一传动齿轮9、首部上第二传动齿轮10、首部上输出齿和首部上输出轴11；所述输入轴7同所述首部上输入轴连接齿轮8的中心键连接，所述首部上输入轴连接齿轮8依次传动连接有首部上第一传动齿轮9、首部上第二传动齿轮10和首部上输出齿，所述首部上输出齿的中心键连接有首部上输出轴11；所述首部1的下层传动链包括输入轴7、首部下输入轴连接齿轮、首部下传动齿轮16、首部下输出轴齿轮17和首部下输出轴18；所述输入轴7同所述首部下输入轴连接齿轮的中心键连接，所述首部下输入轴连接齿轮依次传动连接有首部下传动齿轮16和首部下输出轴齿轮17，所述首部下输出轴齿轮17的中心键连接有首部下输出轴18。

具体驱动，所述首部下输出轴18同所述中部2前端的半内齿轮啮合，且驱动所述中部2相对所述首部末端1回转运动，实现中部的摆动，此时，所述输出轴18具有外齿轮或加工有外齿，用于同所述半内齿轮配合，所述首部上输出轴11同所述中部2内的齿轮传动连接，且向所述中部2内的传动链结构传递驱动力。

在本发明的实施方式中，所述仿鱼尾装置具有二个所述中部2，分别为第一中部和第二中部，其中所述第一中部具有双层传动链结构，所述第一中部的上层传动链包括中部后半部分输入轴12、中部后半部分输入轴齿轮13、中部后半部分上传动齿轮14、中部后半部分上输出轴齿轮15和中部后半部分上输出轴；所述首部上输出轴11同所述中部后半部分输入轴12传动连接，优选的，所述首部上输出轴11通过三个相同齿轮传动连接于所述中部后半部分输入轴12。

所述中部后半部分输入轴12同所述中部后半部分输入轴齿轮13键连接，所述中部后半部分输入轴齿轮13传动连接有中部后半部分上传动齿轮14和中部后半部分上输出轴齿轮15，所述中部后半部分上输出轴同所述中部后半部分上输出轴齿轮15中心键连接。

所述第一中部的下层传动链包括中部后半部分下第一传动齿轮19、中部后半部分下第二传动齿轮20、中部后半部分下输出轴齿轮21和中部后半部分下输出轴；所述中部后半部分输入轴12同所述中部后半部分下第一传动齿轮19键连接，所述中部后半部分下第一传动齿轮19传动连接有中部后半部分下第二传动齿轮20和中部后半部分下输出轴齿轮21，所述中部后半部分下输出轴齿轮21同所述中部后半部分下输出轴键连接。

具体驱动，所述中部后半部分上输出轴同所述第二中部前端的半内齿轮啮合，且驱动所述第二中部相对所述第一中部末端回转运动，所述中部后半部分下输出轴同所述第二中部内的齿轮传动连接，且向所述第二中部的传动链结构传递驱动力。所述第二中部的输出轴同所述尾部3的半内齿轮啮合，且驱动所述尾部3相对所述第二中部末端回转运动。

在本发明的实施方式中，所述仿鱼尾骨架为具有柔性伸缩能力的骨架结构，外表所用材料为有一定伸缩能力的材料。

所述仿鱼尾骨架包括第一仿鱼尾骨架4、第二仿鱼尾骨架5和第三仿鱼尾骨架6，且所述第一仿鱼尾骨架4套接于所述第一中部外部，所述第二仿鱼尾骨架5套接于所述第二中部外部，所述第三仿鱼尾骨架6套接于所述尾部3外部。

在本发明的实施方式中，所述首部上输出轴11的转速为所述输入轴7的二倍，所述首部下输出轴18的转速同所述输入轴7的转速相同。当然，在本发明的其他实施方式中，在输入轴转速恒定的情况下，其输出轴的转速差可以根据需要进行适当调整，以使其实现向下一级机构传递转速的功能。优选的，其下一级机构的摆动速度是越来越快，推动效果更好。

本发明所述水中仿鱼尾推进系统，采用的齿轮大小为标准齿轮，无其他要求。

在本发明的实施方式中，所述的仿鱼尾装置首部和仿鱼尾装置中部，都有两层齿轮结构，一层为使相应部分进行回转，另一部分将回转力继续往下传，其中可以通过改变齿轮的数目和大小改变回转方向和回转速度比，然后改变运动的幅度和大小。

在本发明的实施方式中，包括仿鱼尾装置的首部1中的输入轴7连接动力装置的输出轴，提供一个回转力，并将整个仿鱼尾装置固定在所需推动物体的后面。然后输入轴7通过键与首部上输入轴连接齿轮8和首部下输出轴齿轮17连接。传递扭矩大时，用花键连接；传递扭矩小时，用平键连接。通过齿轮传动回转运动，它的传动比较准确，效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长。这样时后面的部件运动更加的符合设计。

通过输入轴齿轮输出的回转运动传递到上述的仿鱼尾装置首部1中分为上下两个齿轮传动链，包括图中首部上第一传动齿轮9、首部上第二传动齿轮10和首部上输出轴11组成的上齿轮传动链，以及首部下传动齿轮16、首部下输出轴齿轮17组成的下齿轮传动链。上齿轮传动链上齿轮齿数比为24：18：12：12，最终首部上输出轴7输出的转速为输入轴的两倍。而下齿轮传动齿轮的齿数比为24：24：24，最终首部下输出轴齿轮17输出的转速和输入轴7的转速一样。同时也保证了上下齿轮链输入轴与输出轴的位置一定。

仿鱼尾装置首部1输出的上输出轴和下输出轴与仿鱼尾装置中部2连接，使仿鱼尾装置中部2的下输入的轴输出的转速与首部输入轴7转速相等。同时在仿鱼尾装置中部2前半部分的下部分有一个刚性连接的半内齿轮，该半内齿轮与首部下输出轴18具有的齿轮传动连接，最终使仿鱼尾装置中部进行回转运动。

而仿鱼尾装置中部2的上输入轴和首部上输出轴是同一根，输出的转速为首部输入轴两倍，最终通过三个相同齿轮连接作用在仿鱼尾装置中部后半部分输入轴12。下半部分没有半内齿轮，下半部分主要起传递运动的作用，同时保持该转速与上半部分的转速不同才能保证有运动的传递。

仿鱼尾装置中部后半部分输入轴12输入转速，通过同仿鱼尾装置首部一样的机理，保证上下两个齿轮链传动传出的转速不同，最后输出在下一个仿鱼尾装置中部2或者直接连接在仿鱼尾装置尾部3，同时，在这途中连接几个仿鱼尾装置中部取决于使用着的需要。

仿鱼尾装置尾部3的主要结构与仿鱼尾装置中部2的前半部分基本相同，具有刚性连接的半内齿轮，使其摆动，差别在于没有继续往下传动运动的齿轮链。

仿鱼尾装置骨架结构的第一个刚性连接在第一个仿鱼尾装置中部上，同时仿鱼尾装置骨架结构的具体数目由使用者通过仿鱼尾装置中部数目决定。仿鱼尾装置骨架结构的外形也可通过使用着自己需要进行改动。仿鱼尾装置的外表满足能贴合仿鱼尾装置骨架结构，并且保证有一定的收缩能力、良好的密封性以及外表阻力少即可，具体材料选择可使用者自己选择，大小外形使用者通过仿鱼尾装置骨架结构大小外形设计。

一种上述水中仿鱼尾推进系统的使用方法，当仿鱼尾装置的输入轴7输入回转力，首部1中的上层传动链增速，首部上输出轴11将回转力传递至中部2，首部2的下层传递链等速，首部下输出轴18同中部2的半内齿轮啮合，且驱动中部2回转运动，最终传递至尾部3，中部2和尾部3回转运动形成波型运动或拍打运动。

当所述动力装置的输出轴与仿鱼尾装置首部输入轴7连接，动力装置要求输出稳定的有一定规律的正反转回转运动，具体转速大小使用着根据所需要求最终推进速度决定。仿鱼尾装置首部1与所需推进物体刚性连接，保证运动的稳定性。主要采用齿轮传动回转运动，它的传动比较准确，效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长。能够保证最终推动的速度稳定、平缓。

本发明所述的仿鱼尾推进系统及其使用方法，经过动力装置传输过来的回转运动，使输入轴上的回转运动速度和方向都可以进行有效控制，有利于更加有效的使仿鱼尾装置进行平稳的推进，仿鱼尾装置的中部可以根据需要多层反复连接，而内部的齿轮连接数目以及齿数比也可根据所需拍打弧度进行调节，增加该装置的使用范围，以及推广性，该系统的主要核心是将回转运动输出为波型运动或拍打运动。

水生生物在经过亿万年的自然演变和进化的过程中，优胜劣汰，早已将水中运动能力发挥到极致，仿生机器鱼是采用了鱼的游动具有高速、高效、高机动性以及噪音小等优点，将鱼类推进运用在水下机器人，代替传统的推进方式具有很重大的意义。

本发明所述的仿鱼尾推进系统及其使用方法，当仿鱼尾推进装置的推动轴有回转力的时候，通过齿轮和轴连接传动到下一部分，使仿鱼尾推进装置做出类似鱼尾的拍击动作，最后推动物体前进。

本发明所述的仿鱼尾推进系统及其使用方法，电动马达通过减速齿轮箱和仿鱼尾装置首部推动轴连接，仿鱼尾装置中部和尾部都依靠齿轮和轴连接，仿鱼尾装置骨架结构可以支撑起外在轮廓，可在其外表再有一定伸缩拉力的外套，贴合在外表面。

本发明所述的仿鱼尾推进系统及其使用方法，还可通过改变仿鱼尾装置骨架结构来进行其它的模仿，仿鱼尾推进系统的主要核心是将回转运动输出为波型运动或拍打运动，比如：蛇的爬行等。只需改变外骨架为圆形即可。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。