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：
本实用新型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。
背景技术：
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。
实用新型内容
本实用新型要解决的问题就在于针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供 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，本实用新型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，本实用新型提出的解决方案为 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。
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阔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阔支路油孔接 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，本实用新型的优点就在于(1)本实用新型由多个单节摆动装置、 连接支架、弹性尾鳍等部分组成。本实用新型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)本实用新型 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)本实用新型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)本实用新型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1是本实用新型的结构示意图;
图2是本实用新型中摆动装置的结构示意图;
图3是本实用新型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
左液压缸底座转轴
3、左液压缸底座
第一液压缸油孔接头
5、左液压缸体
第二液压缸油孔接头
7、左液压缸活塞复位弹簧
左液压缸活塞杆
9、第一活塞杆转轴
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、第二阔支路油孔接头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实用新型做进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型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，本实用新型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1、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 —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縮，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阀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。
专利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。本实用新型结构简单紧凑、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B63H1/36GK201254280SQ20082005384
公开日2009年6月10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