一种双关节机械鱼尾部推进机构及其工作方法与流程

本发明涉及一种双关节机械鱼尾部推进机构及其工作方法。

背景技术：

鱼类以其快速、高效的机动性能赢得了人类的称赞,20世纪90年代以前对于鱼类仿生学的研究主要集中于理论方面，90年代各国纷纷运用鱼类推进机理研发新的水下航行器。1994年mit的m.triantafyllou研究组成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生机器鱼。此后,仿生机器鱼的研究逐渐成为机器人领域的研究热点。国外有代表性的成果还有美国东北大学海洋科学中心利用形状记忆合金(sma)和连杆机构开发了波动推进的机器鳗鱼。日本名古屋大学toshiofukuda教授在微型仿鱼水下推进器方面开展研究,先后研制出形状记忆合金驱动微型身体波动式水下推进器和压电陶瓷(pzt〉驱动的双鳍鱼型微机器人。日本运输省船舶技术研究所（nmri)自1999年来开展了一系列机器鱼研究项目,并开发了一种新型发动机半自由活塞型斯特灵发动机作为机器鱼的动力源。在中国,哈尔滨工程大学开展了仿生机器章鱼的研究工作。北京航空航天大学机器人研究所设计研制了机器鳗鱼、机器海豚以及spc仿生机器鱼。

目前研究机器鱼的组织机构很多，机器鱼推进实现方法也很多，主要有舵机推进和直流电机驱动两种。使用舵机作为动力驱动电机的机器鱼，由于舵机转动力矩小、易损坏、响应速度慢等缺点，不适合于长时间使用的场合。因此，有必要设计一种新的机械鱼尾部推进机构替代现有的舵机驱动方式。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种双关节机械鱼尾部推进机构及其工作方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种双关节机械鱼尾部推进机构，包括从前往后依次设置的固定支架、尾部摆动框架以及尾鳍，所述尾部摆动框架的上侧设有与固定支架水平铰接的前连杆a，所述前连杆a的前端与尾部摆动框架的前端水平铰接，尾部摆动框架的前端下部固联有前连杆b，所述前连杆b与固定支架的下端水平铰接；所述尾鳍的前端固联有后连杆，所述后连杆与尾部摆动框架的后端水平铰接，所述尾部摆动框架的内部从前往后依次设有前随动框和后随动框，所述前随动框的上端与前连杆a的后端水平铰接，前随动框的内部设有用以驱动前随动框做左右平移运动的前偏心轮，所述后随动框的上端与后连杆的前端水平铰接，后随动框的内部设有用以驱动后随动框做左右平移运动的后偏心轮，所述前偏心轮与后偏心轮经固联在尾部摆动框架前端的直流推进电机驱动旋转。

进一步的，所述前随动框包括位于尾部摆动框架内部的矩形状前移动框体，所述前移动框体的顶部竖设有贯穿尾部摆动框架顶部的前导杆，所述前导杆的顶部竖设有用以与前连杆a的后端水平铰接的铰接轴a；所述后随动框包括位于尾部摆动框架内部的矩形状后移动框体，所述后移动框体的顶部竖设有贯穿尾部摆动框架顶部的后导杆，所述后导杆的顶部竖设有用以与后连杆的前端水平铰接的铰接轴b。

进一步的，所述前偏心轮位于前移动框体的内部，前偏心轮与前移动框体的左右侧壁相切；所述后偏心轮位于后移动框体的内部，后偏心轮与后移动框体的左右侧壁相切。

进一步的，所述前偏心轮与后偏心轮的相位角存在90°的相位差。

进一步的，所述尾部摆动框架的顶面前端和底面前端分别设有用以与前移动框体滑动配合的前纵向滑槽，尾部摆动框架的顶面后端和底面后端分别设有用以与后移动框体滑动配合的后纵向滑槽。

进一步的，所述尾部摆动框架的顶部前后两端分别设有纵向延伸的前长条孔和后长条孔；所述前导杆贯穿前长条孔并与前长条孔沿纵向滑动连接；所述后导杆贯穿后长条孔并与后长条孔沿纵向滑动连接。

进一步的，所述尾部摆动框架的顶面前端固联有铰接轴c；所述前连杆a的前后两端分别设有u型铰接口a，所述铰接轴a和铰接轴c分别贯穿位于前后两侧的u型铰接口a，当尾部摆动框架左右摆转时，铰接轴a和铰接轴c均与u型铰接口a在水平面产生相对滑动。

进一步的，所述后连杆呈倒l形，后连杆的竖直边与尾鳍相固联，后连杆的水平边中部与尾部摆动框架的顶面后端水平铰接，后连杆的水平边前端设有u型铰接口b，所述铰接轴b贯穿u型铰接口b，当尾部摆动框左右摆转时，铰接轴b与u型铰接口b在水平面产生相对滑动。

进一步的，所述固定支架呈卧式u型状，固定支架的上侧边后端与前连杆a的中部水平铰接，所述前连杆b的前端与固定支架的下侧边后端水平铰接。

本发明采用的另一种技术方案是：一种双关节机械鱼尾部推进机构的工作方法，工作时：直流推进电机驱动前偏心轮和后偏心轮旋转，前偏心轮和后偏心轮分别带动前随动框和后随动框做左右平移运动，前随动框通过铰接轴a带动前连杆a绕着固定支架水平转动，前连杆a通过铰接轴c带动尾部摆动框架左右摆转，后随动框通过铰接轴b带动后连杆绕着尾部摆动框架水平转动，后连杆转动的同时带动尾鳍左右摆转。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：本发明结构设计简单、合理，不仅具有双关节能较好对生物的尾部进行仿真，而且用直流电机同时驱动尾部的两个关节，可使尾部摆动频率达到4hz以上，获得更高的推进速度，适合于长时间使用的场合。

附图说明：

图1是本发明实施例的立体构造示意图；

图2是本发明实施例的主视构造示意图；

图3是图2中的a-a剖面示意图；

图4是图2中的b-b剖面示意图；

图5是本发明实施例的俯视构造示意图；

图6是图1中省略固定支架上半部结构的示意图；

图7是尾部摆动框架的立体构造示意图一；

图8是尾部摆动框架的立体构造示意图二；

图9是前随动框和后随动框的立体构造示意图。

图中：

1-固定支架；2-尾部摆动框架；3-尾鳍；4-前连杆a；5-前连杆b；6-后连杆；7-前随动框；8-后随动框；9-前偏心轮；10-后偏心轮；11-直流推进电机；12-前移动框体；13-前导杆；14-铰接轴a；15-后移动框体；16-后导杆；17-铰接轴b；18-前纵向滑槽；19-后纵向滑槽；20-前长条孔；21-后长条孔；22-铰接轴c；23-u型铰接口a；24-u型铰接口b。

具体实施方式:

为了更清楚地解释本发明，下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明，显而易见地，下面所列的附图仅仅是本发明的一些具体实施例。

如图1～9所示，本发明一种双关节机械鱼尾部推进机构，包括从前往后依次设置的固定支架1、尾部摆动框架2以及尾鳍3，所述尾部摆动框架2的上侧设有与固定支架1水平铰接的前连杆a4，所述前连杆a4的前端与尾部摆动框架2的前端水平铰接，尾部摆动框架2的前端下部固联有前连杆b5，所述前连杆b5与固定支架1的下端水平铰接；所述尾鳍3的前端固联有后连杆6，所述后连杆6与尾部摆动框架2的后端水平铰接，所述尾部摆动框架2的内部从前往后依次设有前随动框7和后随动框8，所述前随动框7的上端与前连杆a4的后端水平铰接，前随动框7的内部设有用以驱动前随动框7做左右平移运动的前偏心轮9，所述后随动框8的上端与后连杆6的前端水平铰接，后随动框8的内部设有用以驱动后随动框8做左右平移运动的后偏心轮10，所述前偏心轮9与后偏心轮10经一固联在尾部摆动框架2前端的直流推进电机11驱动旋转。当直流推进电机11驱动前偏心轮9和后偏心轮10同步做竖向旋转运动时，前偏心轮9和后偏心轮10同步驱动前随动框7和后随动框8做左右平移运动，前随动框7在移动的同时带动前连杆a4水平转动，前连杆a4水平转动的同时带动尾部摆动框架2左右摆转，前连杆a4、尾部摆动框架2、前连杆b5以及前随动框7之间构成机械鱼的第一关节；后随动框8在移动的同时带动后连杆6水平转动，后连杆6水平转动的同时带动尾鳍3绕着尾部摆动框架2左右摆转，尾部摆动框架2、后连杆6以及尾鳍3构成机械鱼的第二关节。

本实施例中，所述前随动框7包括位于尾部摆动框架2内部的矩形状前移动框体12，所述前移动框体12的顶部竖设有贯穿尾部摆动框架2顶部的前导杆13，所述前导杆13的顶部竖设有用以与前连杆a4的后端水平铰接的铰接轴a14；所述后随动框8包括位于尾部摆动框架2内部的矩形状后移动框体15，所述后移动框体15的顶部竖设有贯穿尾部摆动框架2顶部的后导杆16，所述后导杆16的顶部竖设有用以与后连杆6的前端水平铰接的铰接轴b17。

本实施例中，所述前偏心轮9位于前移动框体12的内部，前偏心轮9与前移动框体12的左右侧壁相切，当前偏心轮9在直流推进电机11驱动做竖向旋转运动时，前偏心轮9推动前移动框体12沿纵向做左右平移运动；所述后偏心轮10位于后移动框体15的内部，后偏心轮10与后移动框体15的左右侧壁相切，当后偏心轮10在直流推进电机11驱动做竖向旋转运动时，后偏心轮10推动后移动框体15沿纵向做左右平移运动。

本实施例中，所述前偏心轮9与后偏心轮10的相位角存在90°的相位差，以便使得尾部摆动框架的左右摆转和尾鳍的左右摆转存在相应的相位差。

本实施例中，所述尾部摆动框架2的顶面前端和底面前端分别设有用以与前移动框体12滑动配合的前纵向滑槽18，以便对前随动框的左右平移运动起导向作用，尾部摆动框架2的顶面后端和底面后端分别设有用以与后移动框体15滑动配合的后纵向滑槽19，以便对后随动框的左右平移运动起导向作用。

本实施例中，所述尾部摆动框架2的顶部前后两端分别设有纵向延伸的前长条孔20和后长条孔21；所述前导杆13贯穿前长条孔20并与前长条孔20沿纵向滑动连接；所述后导杆16贯穿后长条孔21并与后长条孔21沿纵向滑动连接。

本实施例中，所述尾部摆动框架2的顶面前端固联有铰接轴c22；所述前连杆a4的前后两端分别设有u型铰接口a23，所述铰接轴a14和铰接轴c22分别贯穿位于前后两侧的u型铰接口a23，当尾部摆动框架2左右摆转时，铰接轴a14和铰接轴c22均与u型铰接口a23在水平面产生相对滑动。

本实施例中，所述后连杆6呈倒l形，后连杆6的竖直边与尾鳍3相固联，后连杆6的水平边中部与尾部摆动框架2的顶面后端水平铰接，后连杆6的水平边前端设有u型铰接口b24，所述铰接轴b17贯穿u型铰接口b24，当尾部摆动框架2左右摆转时，铰接轴b17与u型铰接口b24在水平面产生相对滑动。

本实施例中，所述固定支架1呈卧式u型状，固定支架1的上侧边后端与前连杆a4的中部水平铰接，所述前连杆b5的前端与固定支架1的下侧边后端水平铰接。优选的，固定支架是由上下两个l形的上支架和下支架上下对接构成，上支架的水平边长度大于下支架的水平边的长度，前连杆a的中部与上支架的水平边中部水平铰接，前连杆b的前端与下支架的水平边后端水平铰接。

本实施例中，所述直流推进电机11为带减速器的直流电机，直流推进电机11的输出轴伸入尾部摆动框架2的内部并与前偏心轮9和后偏心轮10固定连接，以便驱动前偏心轮和后偏心轮同步旋转。

具体实施过程：直流推进电机11驱动前偏心轮9和后偏心轮10旋转，前偏心轮9和后偏心轮10分别带动前随动框7和后随动框8做左右平移运动，前随动框7通过铰接轴a14带动前连杆a4绕着固定支架1水平转动，前连杆a4通过铰接轴c22带动尾部摆动框架2左右摆转，后随动框8通过铰接轴b17带动后连杆6绕着尾部摆动框架2水平转动，后连杆6转动的同时带动尾鳍3左右摆转，由于前偏心轮9与后偏心轮10存在90°的相位差，故尾部第一关节和第二关节之间也存在相应的相位差。

本发明采用的另一种技术方案是：一种双关节机械鱼尾部推进机构的工作方法，工作时：直流推进电机11驱动前偏心轮9和后偏心轮20旋转，前偏心轮9和后偏心轮20分别带动前随动框7和后随动框8做左右平移运动，前随动框7通过铰接轴a14带动前连杆a4绕着固定支架1水平转动，前连杆a4通过铰接轴c22带动尾部摆动框架2左右摆转，后随动框8通过铰接轴b17带动后连杆6绕着尾部摆动框架2水平转动，后连杆6转动的同时带动尾鳍3左右摆转。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。