专利名称：液压驱动身体尾鳍方式仿生水下推进器的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及到仿生水下推进器的设计领域，特指一种液压驱动身体尾鳍方式仿 生水下推进器。
技术背景目前，国内外很多科研机构开展水下生物如金枪鱼、鲨鱼、海豚等推进运动的研究， 并且研制出一些机器鱼、仿鱼机器人或仿生水下推进器等。大量试验表明模仿鱼类身体-尾鳍(Body and Caudal Fin，縮写为BCF)推进方式的水下推进器具有效率高、流体扰 动小、机动性好等特性。但这些装置仍然存在一些缺陷，如装置中的每个关节采用电动 机驱动，往复摆动由凸轮摆杆机构实现，自身能量损耗大、效率低、摆动频率低、动作 僵硬无柔性等，很难走出实验室并在实际的工程实践中加以应用。 发明内容本发明要解决的问题就在于针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构 简单紧凑、传动效率高、动作柔性灵活的模仿鱼类身体-尾鳍方式运动的液压驱动身体尾 鳍方式仿生水下推进器，本发明通过调整液压源流体的压力即可改变该装置的负载能力， 通过调整液压源流体的流量和流体分配装置的运转参数，即可改变该装置的运动参数， 实现动态调整运动状态的效果。为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为 一种液压驱动身体尾鳍方式仿生 水下推进器，其特征在于它包括两节以上的摆动装置、尾鳍以及液压控制单元，所述 摆动装置包括T形支架和对称布置于T形支架上的两个液压油缸，所有摆动装置的T形 支架依次首尾铰接相连，相邻T形支架之间可做相对转动，液压油缸一端铰接于T形支 架上，另一端通过活塞杆与下一节摆动装置的T形支架铰接，每个液压油缸上分别设有与液压控制单元相连的油嘴接头，在同一个运动周期内当一个液压油缸的活塞杆处于伸 出行程时，另一个液压油缸的活塞杆处于縮回行程，所述尾鳍与最后一节摆动装置相连。 所述液压油缸上均设有与有杆腔连通的第一油嘴接头和与无杆腔连通的第二油嘴接 头，其中一个液压油缸的第一油嘴接头与另一个液压油缸的第二油嘴接头通过液压管路串联后与液压控制单元相连。3所述液压控制单元包括液压源和电磁控制阀，液压源通过电磁控制阀以及液压管路 后与液压油缸上的油嘴接头相连。所述液压控制单元为液压源和单通道旋转式流体分配阀，单通道旋转式流体分配阀 包括伺服电机和阀体，伺服电机的输出端与阀体内的旋转阀芯相连，阀体上开设有用来 与液压源相连的进油管接头和回油管接头以及用来与液压油缸相连的第一阀支路油孔接 头和第二阀支路油孔接头。所述液压油缸的活塞杆上套设有回复弹簧。与现有技术相比，本发明的优点就在于(1)本发明由多个单节摆动装置、连接支 架、弹性尾鳍等部分组成。本发明只需配备一个液压源、 一个流体分配装置即可独立地 完成模拟水下生物柔性长鳍的波动运动，液压源可以采用工业上较为成熟的伺服电机驱 动齿轮泵装置，具有体积小、噪音低、流体压力高等优点。(2)本发明采用液压摆动机 构替代现有各种仿生水下推进器采用的电动机和摆动机构，不但结构简单、体积小、重 量轻，而且负载能力大、摆动频率高、运动具有柔性，可以显著提高推进性能；(3)本 发明在每个关节两侧安装弹簧，在无驱动时保持身体、尾鳍成一直线，在运动过程中同 时起到能量储存/释放和回复平衡位置的两种作用，类似自然界动物的肌腱，能明显提高 运动性能和效率。(4)本发明有效解决了电动机驱动的现有仿生水下推进器很难密封的 问题，各个关节可以裸露在水中，易于工程应用。
图l是本发明的结构示意图；图2是本发明中摆动装置的结构示意图；图3是本发明实施例中单通道旋转式流体分配阀的结构示意图。 图例说明1、单关节支架2、左液压缸底座转轴3、左液压缸底座4、第一液压缸油孔接头5、左液压缸体6、第二液压缸油孔接头7、左液压缸活塞复位弹簧8、左液压缸活塞杆9、第一活塞杆转轴10、,单关节支架转轴11、第二活塞杆转轴12、,右液压缸活塞杆13、右液压缸活塞复位弹簧14、,第三液压缸油孔接头15、右液压缸体16、,第四液压缸油孔接头17、右液压缸底座18、右液压缸底座转轴19、右活塞杆转轴安装孔20、单关节支架转轴安装孔21、左活塞杆转轴安装孔22、第一阀支路油孔接头23、回油管接头24、伺服电机25、第二阀支路油孔接头26、进油管接头27、第一支油路油管30、尾部骨架31、尾部支架32、柔性尾鳍33、刚性尾鳍34、第一支油路油管36、第一主油路油管37、单通道旋转式流体分配阀38、第二主油路油管40、阀体41、横梁42、纵梁具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。如图1所示，本发明液压驱动身体尾鳍方式仿生水下推进器，它包括两节以上的摆动装置、尾鳍以及液压控制单元，所述摆动装置包括T形支架和对称布置于T形支架上 的两个液压油缸，所有摆动装置的T形支架依次首尾铰接相连，相邻T形支架之间可做 相对转动，液压油缸一端铰接于T形支架上，另一端通过活塞杆与下一节摆动装置的T 形支架铰接，每个液压油缸上分别设有与液压控制单元相连的油嘴接头，在同一个运动 周期内当一个液压油缸的活塞杆处于伸出行程时，另一个液压油缸的活塞杆处于縮回行 程，所述尾鳍与最后一节摆动装置相连。液压油缸上均设有与有杆腔连通的第一油嘴接 头和与无杆腔连通的第二油嘴接头，其中一个液压油缸的第一油嘴接头与另一个液压油 缸的第二油嘴接头通过液压管路串联后与液压控制单元相连。液压控制单元可以采用电 磁阀调节的形式，其包括液压源和电磁控制阀，液压源通过电磁控制阀以及液压管路后 与液压油缸上的油嘴接头相连，即可由2n个双向电磁阀组成分配回路，每两个为一组控 制一个摆动关节，每组之间按照一定的时序进行控制，驱动所有关节按照一定的相位顺 序进行摆动。在本实施例中，参见图3所示，液压控制单元为液压源和单通道旋转式流 体分配阀37，单通道旋转式流体分配阀37包括伺服电机24和阀体40，伺服电机24的 输出端与阀体40内的旋转阀芯相连，阀体40上开设有用来与液压源相连的进油管接头 26和回油管接头23以及用来与液压油缸相连的第一阀支路油孔接头22和第二阀支路油 孔接头25。在较佳实施例中，液压油缸的活塞杆上套设有左液压缸活塞复位弹簧7。参见图2所示，在具体实施例中，本发明n个摆动装置的结构均相同，以第一节摆 动装置为例，它包括单关节支架l、左致动臂和右致动臂，单关节支架1由纵梁42和横 梁41组成，纵梁42的端部设有用来与下一节单关节支架1相连的单关节支架转轴10， 横梁41上开设有用来与上一节单关节支架1相连的单关节支架转轴安装孔20，左致动臂 和右致动臂分别位于纵梁42的两侧。左致动臂包括左液压缸体5，左液压缸体5上设有 第一液压缸油孔接头4和第二液压缸油孔接头6，第一液压缸油孔接头4与左液压缸体5 内的无杆腔连通，第二液压缸油孔接头6与左液压缸体5内的有杆腔连通，左液压缸体5 一端的左液压缸活塞杆8与下一节单关节支架1的横梁41铰接，左液压缸体5的另一端 设有左液压缸底座3，左液压缸底座3通过左液压缸底座转轴2铰接于横梁41上，左液 压缸体5可以绕左液压缸底座转轴2转动。本实施例中，左液压缸活塞杆8上开设有用 来装设第一活塞杆转轴9的圆孔，左液压缸活塞杆8通过第一活塞杆转轴9铰接于下一 节单关节支架1的横梁41上，与左活塞杆转轴安装孔21相连。左液压缸活塞杆8可绕 第一活塞杆转轴9旋转，从而形成了一条长度可以沿轴向伸縮，两端可以转动的致动臂。 左液压缸活塞杆8上套设有左液压缸活塞复位弹簧7，左液压缸活塞复位弹簧7的一端面 与左液压缸体5的端面相接触，另一端与左液压缸活塞杆8端面相接触。该实施例中， 右致动臂与左致动臂的结构一样并对称布置于纵梁42的另一侧，右致动臂包括右液压缸 体15,右液压缸体15上设有第三液压缸油孔接头14和第四液压缸油孔接头16，第三液 压缸油孔接头14与右液压缸体15内的有杆腔连通，第四液压缸油孔接头16与右液压缸 体15内的有杆腔连通，右液压缸体15 —端的右液压缸活塞杆12与下一节单关节支架1 的横梁41铰接，右液压缸体15的另一端设有右液压缸底座17，右液压液压缸底座17 通过右液压缸底座转轴18铰接于横梁41上，右液压缸体15可以绕右液压缸底座转轴18 转动。右液压缸活塞杆12上开设有用来装设第二活塞杆转轴11的圆孔，右液压缸活塞 杆12通过第二活塞杆转轴11铰接于下一节单关节支架1的横梁41上，与右活塞杆转轴 安装孔19相连。右液压缸活塞杆12可绕第二活塞杆转轴11旋转，从而形成了一条长度 可以沿轴向伸缩，两端可以转动的致动臂。右液压缸体活塞杆12上套设有右液压缸活塞 复位弹簧13，右液压缸活塞复位弹簧13的一端面与右液压缸体15的端面相接触，另一 端与右液压缸活塞杆13端面相接触。参见图1所示，该实施例中包括三节相同的摆动装置，将第一节摆动装置上单关节 支架1的纵梁42通过单关节支架转轴10与第二节摆动装置的横梁41铰接，将单关节支 架转轴10套设于第二节摆动装置横梁41上的单关节支架转轴安装孔20中。按此原理，将三节相同的摆动装置首尾依次连接在一起，各摆动装置之间可以绕转轴自由转动。最 后一节摆动装置的另一端通过尾部支架31与尾鳍相连，尾鳍包括刚性尾鳍33和柔性尾 鳍32，用刚性尾鳍33将柔性尾鳍32夹紧，然后通过螺钉将刚性尾鳍33固定在尾部支架 31上。在每个摆动装置中，将两个液压油缸对角的一对液压缸体油孔接头用支路油管连通， 例如，第一液压缸油孔接头4与第三液压缸油孔接头14用第一支油路油管34连通，第 二液压缸油孔接头6与第四液压缸油孔接头16用第二支油路油管27连通。然后，用第 一主油路油管38将所有摆动装置中的第二支路油管27连通，并连接到单通道旋转式流 体分配阀37中的第二阀支路油孔接头25上；用第二主油路油管36将所有摆动装置中的 第一支路油管34连通，并连接到单通道旋转式流体分配阀37中的第一阀支路油孔接头 22上，完成系统油路的连接。工作原理向单通道旋转式流体分配阔37中的进油管接头26中注入高压液压油， 当伺服电机24旋转时，将使得第二阀支路油孔接头25与第一阀支路油孔接头22分别交 替地与进油管接头26和回油管接头23连通。不妨设伺服电机24前半个转动周期内，第 二阀支路油孔接头25与进油管接头26相通，则此半个周期内第一阀支路油孔接头22与 回油管接头23连通，此时液压油通过第一主油路油管38和第二支油路油管27流入所有 摆动装置中左液压缸体5和右液压缸体15上的第二液压缸体油孔接头6和第四液压缸体 油孔接头16，并且推动左液压缸活塞杆8收縮，推动右液压缸活塞杆12伸出，从而使得 下一个摆动装置绕上一个摆动装置的单关节支架转轴IO逆时针转动一个角度，从第一液 压缸油孔接头4与第三液压缸油孔接头14中挤压出的液压油经第二主油路油管36和第 一支油路油管34流回到单通道旋转式流体分配阀37上的第一阀支路油孔接头22，并通 过回油管接头23流出。此时，整个仿生装置向一个方向偏摆，形成一个方向的弯曲。在伺服电机24转动的后半个周期内，第一阀支路油孔接头22与进油管接头26相通， 第二阀支路油孔接头25与回油管接头23连通，此时下一个摆动装置相对于上一个摆动 装置的单关节支架转轴IO顺时针转动一个角度。此时整个仿生装置向另一个方向偏摆， 形成另一个方向的弯曲，如图1所示。当伺服电机24连续旋转时，即可驱动仿该装置左右来回摆动，带动柔性尾鳍32往 复拍水，产生向前的推进力。
权利要求
1、一种液压驱动身体尾鳍方式仿生水下推进器，其特征在于它包括两节以上的摆动装置、尾鳍以及液压控制单元，所述摆动装置包括T形支架和对称布置于T形支架上的两个液压油缸，所有摆动装置的T形支架依次首尾铰接相连，相邻T形支架之间可做相对转动，液压油缸一端铰接于T形支架上，另一端通过活塞杆与下一节摆动装置的T形支架铰接，每个液压油缸上分别设有与液压控制单元相连的油嘴接头，在同一个运动周期内当一个液压油缸的活塞杆处于伸出行程时，另一个液压油缸的活塞杆处于缩回行程，所述尾鳍与最后一节摆动装置相连。
2、 根据权利要求1所述的液压驱动身体尾鳍方式仿生水下推进器，其特征在于所 述液压油缸上均设有与有杆腔连通的第一油嘴接头和与无杆腔连通的第二油嘴接头，其 中一个液压油缸的第一油嘴接头与另一个液压油缸的第二油嘴接头通过液压管路串联后 与液压控制单元相连。
3、 根据权利要求2所述的液压驱动身体尾鳍方式仿生水下推进器，其特征在于所述液压控制单元包括液压源和电磁控制阀，液压源通过电磁控制阀以及液压管路后与液 压油缸上的油嘴接头相连。
4、 根据权利要求2所述的液压驱动身体尾鳍方式仿生水下推进器，其特征在于所述液压控制单元为液压源和单通道旋转式流体分配阀(37)，单通道旋转式流体分配阀 (37)包括伺服电机(24)和阀体(40)，伺服电机(24)的输出端与阀体(40)内的旋转阀芯相连，阀体(40)上开设有用来与液压源相连的进油管接头(26)和回油管接头 (23)以及用来与液压油缸相连的第一阀支路油孔接头(22)和第二阀支路油孔接头(25)。
5、 根据权利要求1或2或3或4所述的液压驱动身体尾鳍方式仿生水下推进器，其 特征在于所述液压油缸的活塞杆上套设有回复弹簧。
全文摘要
一种液压驱动身体尾鳍方式仿生水下推进器，它包括两节以上的摆动装置、尾鳍以及液压控制单元，所述摆动装置包括T形支架和对称布置于T形支架上的两个液压油缸，所有摆动装置的T形支架依次首尾铰接相连，相邻T形支架之间可做相对转动，液压油缸一端铰接于T形支架上，另一端通过活塞杆与下一节摆动装置的T形支架铰接，每个液压油缸上分别设有与液压控制单元相连的油嘴接头，在同一个运动周期内当一个液压油缸的活塞杆处于伸出行程时，另一个液压油缸的活塞杆处于缩回行程，所述尾鳍与最后一节摆动装置相连。本发明结构简单紧凑、传动效率高、能够柔性灵活地模仿鱼类身体-尾鳍方式运动，为水中航行器运动提供推进力。
文档编号B63H1/36GK101323365SQ200810031900
公开日2008年12月17日 申请日期2008年7月28日 优先权日2008年7月28日
发明者张代兵, 徐海军, 林龙信, 沈林成, 胡天江, 谢海斌 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学