技术领域本发明属于机器鱼技术领域，特别是涉及一种仿生机器鱼尾部摆动机构。
背景技术：
无论是海洋资源的勘探，海水变化信息的收集，海洋生物的研究或者军事侦查和情报的收集都依赖于水下技术的发展。传统的水下推进方式如螺旋桨推进已经不能满足人们日益多样的需求。随着仿生学、电子技术、材料科学和控制技术的发展，研究人员模仿鱼类的运动方式希望获得拥有鱼类一样卓越性能的水下推进器。自1994年MIT研制成功了世界上第一条真正意义上的仿生机器鱼后，仿生机器鱼逐渐成为国内外研究的热点。对于工程师来说，他们更关注鱼类中的鲹科类，因为鲹科类相比较于其它鱼类运动速度更快，而且具有更高的运动效率。目前，仿鲹科类机器鱼大多采用舵机或者控制直流电机正反转来实现尾部摆动方式，不仅摆动频率受电机的机械惯性限制，而且控制电路复杂，电能大大消耗在尾鳍驱动伺服系统上。这些因素限制了小型机器鱼在实际生活中的应用范围。CN105129062A公开了一种仿生鱼及其鱼尾的工作原理，鱼尾包括复数个第一架体，复数个第一架体可沿水平方向转动的依次铰接，形成鱼尾主体，鱼尾摆动时，驱动器控制转轴转动使主动轮、从动轮转动，从动轮转动时通过两侧的限位块使第三架体以铰接处为固定点相对于连接件沿水平方向做来回摆动，由于鱼尾主体与第三架体相互铰接，鱼尾主体跟随第三架体的摆动而摆动，同时由于鱼尾主体的相邻两第一架体之间相互铰接，使得鱼尾主体呈弯曲状柔和摆动。上述专利存在的缺点是鱼尾主体包括复数个第一架体，摆动时由第三架体依次带动多个第一架体摆动，导致鱼尾摆动频率低，仿生鱼速度受限。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种提高尾部摆动频率、提高机器鱼速度的仿生机器鱼尾部摆动机构。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种仿生机器鱼尾部摆动机构，包括电机，其中还包括偏心轮、框架、摆动杆，电机安装在电机支架上，转轴支架与电机支架固定连接，转轴支架的顶板和底板上分别设置上、下限位槽，框架的顶端和底端分别位于上、下限位槽内，电机的输出轴上安装偏心轮，偏心轮上安装第一轴承，第一轴承位于框架内，框架的顶部设置安装轴，安装轴上安装第二轴承，摆动杆的前端开设安装槽，第二轴承位于安装槽内，转轴支架上安装转轴，摆动杆上开设安装孔，安装孔内安装第三轴承，第三轴承安装在转轴上，摆动杆的后端与尾鳍固定连接。本发明仿生机器鱼尾部摆动机构，进一步的，所述偏心轮的偏心距为e，转轴轴线与框架上安装轴轴线之间的垂直距离为d，d、e的选择满足下述公式：其中d、e不为零。本发明仿生机器鱼尾部摆动机构，进一步的，所述第一轴承为滚动轴承，第一轴承与框架内侧壁之间采用间隙配合。本发明仿生机器鱼尾部摆动机构，进一步的，通过第一挡圈对第一轴承进行轴向定位。本发明仿生机器鱼尾部摆动机构，进一步的，所述第二轴承为滚动轴承，第二轴承与安装槽的内壁之间采用间隙配合。本发明仿生机器鱼尾部摆动机构，进一步的，通过第二挡圈对第二轴承进行轴向定位。本发明仿生机器鱼尾部摆动机构，进一步的，所述框架的四个角均设为倒圆角。本发明仿生机器鱼尾部摆动机构，进一步的，所述转轴支架顶部安装固定架，通过固定架对第三轴承进行轴向定位。本发明仿生机器鱼尾部摆动机构，进一步的，所述摆动杆与转轴支架、固定架之间分别设置垫片。本发明仿生机器鱼尾部摆动机构，进一步的，所述转轴支架的顶板和底板上分别设置上、下限位块，上、下限位块与转轴支架之间分别形成所述上、下限位槽。本发明仿生机器鱼尾部摆动机构与现有技术相比，具有以下有益效果：1.本发明仿生机器鱼尾部摆动机构，利用电机带动偏心轮转动，驱动框架在上、下限位槽中按正弦规律左右直线运动，框架作用于摆动杆的一端，最终实现摆动杆的正弦角度变化规律输出。本发明提供了一种可以实现从电机的连续旋转运动到输出角度按正弦规律变化的尾部摆动机构，为仿生机器鱼提供了一种普遍适用的尾部摆动机构，相比于传统的驱动方式，通过摆动杆输出运动的方式减小了尾部摆动惯性带来的能量损失，大大提高了机器鱼的尾部摆动频率，使其与自然界中鲹科类的鱼类摆动频率吻合，从而提高了机器鱼的推进速度，增加机器鱼的实用性。本发明摆动机构运行过程中电机能够连续高效旋转，大大简化了控制电路，减少了电能在伺服系统上的消耗。2.本发明采用偏心轮替代曲柄使得结构更加紧凑，提高了运行过程中与框架的平稳接触。3.偏心轮通过第一轴承作用于框架上，框架通过第二轴承作用于摆动杆上，以减小摩擦，降低噪音，提高机械效率。下面结合附图对本发明的仿生机器鱼尾部摆动机构作进一步说明。附图说明图1为本发明仿生机器鱼尾部摆动机构的立体图；图2为本发明仿生机器鱼尾部摆动机构的主视图；图3为本发明仿生机器鱼尾部摆动机构的俯视图；图4为图3中B处A-A放大剖视图；图5为将本发明仿生机器鱼尾部摆动机构安装在仿生机器鱼上的结构示意图。具体实施方式如图1-图4所示，本发明仿生机器鱼尾部摆动机构包括电机1、偏心轮2、框架3、摆动杆4，电机1安装在电机支架11上，转轴支架5安装在电机支架11一侧，转轴支架5与电机支架11通过螺栓固定连接，转轴支架5的顶板51和底板52上分别设置上、下限位块53、54，上、下限位块53、54与转轴支架5之间分别形成上、下限位槽55、56，框架3的顶端和底端分别位于上、下限位槽55、56内。框架3的四个角均设为倒圆角，使框架3运行更加平稳。电机支架11和转轴支架5的侧面分别开设螺纹孔12、57，方便摆动机构与机器鱼外壳的固定。电机1的输出轴12上安装偏心轮2，偏心轮2上安装第一轴承21并通过第一挡圈22进行轴向定位，第一轴承21位于框架3内，第一轴承21与框架3内侧壁之间采用间隙配合，使第一轴承21在偏心轮2与框架3相对运动时运转良好。第一轴承采用滚动轴承。框架3的顶部设置安装轴31，安装轴31上安装第二轴承32并通过第二挡圈33进行轴向定位，摆动杆4的前端开设安装槽41，第二轴承32位于安装槽41内，第二轴承32与安装槽41的内壁之间采用间隙配合，使第二轴承32在框架3与摆动杆4相对运动时运转良好。第二轴承采用滚动轴承。转轴支架5的顶部安装转轴6，摆动杆4上开设安装孔43，安装孔43内安装第三轴承44，第三轴承44安装在转轴6上，并通过固定架45进行轴向定位，固定架45通过螺栓安装在转轴支架5顶部。摆动杆4与转轴支架5、固定架45之间分别设置垫片46、47，避免了摆动杆4与转轴支架5、固定架45之间的摩擦。采用第三轴承44，避免了摆动杆与转轴之间的滑动摩擦，降低了摆动杆在转动时的摩擦力。通过固定架45进行轴向定位，保证高速运行的需求。摆动杆4的后端通过连接头71与尾鳍7固定连接。如图5所示，为本发明仿生机器鱼尾部摆动机构应用于仿生机器鱼上的示意图，仿生机器鱼的外壳分为两部分，前端为刚性壳体8，后端为带有支撑架的柔性的橡胶套9，刚性壳体8与橡胶套9之间采用高分子胶粘贴密封，实现防水功能。刚性壳体8通过螺栓与电机支架11、转轴支架5固定连接，橡胶套9的后端与尾鳍7之间采用高分子胶粘贴密封，采用橡胶套9的目的是实现机器鱼尾部摆动过程的平滑过渡，还有利于增加推进力和减小流体阻力。本发明仿生机器鱼尾部摆动机构，尾部的摆动角度由以下两个长度共同决定：偏心轮的偏心距e，转轴轴线与框架上安装轴轴线之间的垂直距离d。对鲹科模式的鱼类研究表明：鲹科模式的鱼类在高效运动过程中尾部摆动部分占体长的1/3，摆动幅度为体长的0.1～0.12倍之间。因此本发明仿生机器鱼尾部摆动机构，尾部的摆动角度设计如下：电机转速n(r/min)，角速度偏心轮带动框架左右位移变化的规律为:x＝e*sinωt。尾部摆动角度θ为：尾部最大摆动角度为：仿生机器鱼鱼体长为L，摆动部分长度为L/3，摆动幅度为：摆动幅度应满足：0.1L≤k≤0.12L。由以上公式可得出，偏心轮的偏心距e、转轴轴线与框架上安装轴轴线之间的垂直距离d，这两个参数的优选数值应满足下述公式：其中d、e不为零。本发明仿生机器鱼尾部摆动机构的工作过程为：电机1由机器鱼内的控制电路来调整通断和转速，当电机1启动后，电机输出轴12带动偏心轮2转动，偏心轮2通过第一轴承21作用于框架3上，推动框架3左右往复运动，框架3通过其顶部的第二轴承32作用于摆动杆4一端，驱动摆动杆4绕着转轴6转动，形成机器鱼尾部角度的正弦变化输出。机构运行时，电机1只需输出持续的旋转运动，摆动杆4就会按照预先设计的摆动角度往复摆动，控制电路通过改变电机的电压就可以实时改变尾部的摆动频率，降低了控制电路的复杂程度，也减小了伺服系统的能量损耗。电机1每转一周，摆动杆4摆动一个周期，即电机每秒转的圈数就是摆动杆的输出频率。因此通过选择合适的电机型号，可以大大提高机器鱼尾部的摆动频率。以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。