一种仿生企鹅推进机构的制作方法

本实用新型涉及仿生技术领域，特别是指一种仿生企鹅推进机构。

背景技术：

鱼游鸟飞，动物奔跑跳跃，都是在神经系统的指挥下，肌肉发力所致。鸟翼扑动是由于生长在翼翅根部的肌肉群有节律的伸缩运动所致，翼翅根部下方的肌肉群收缩，翼翅下扑，根部上方的肌肉收缩，翼翅上扑。鱼尾左右摆动是由于生长在鱼体脊椎两侧的肌肉群有节律的运动所致。观察鱼的游动，可以看到鱼体的后三分之一都是在摆动的，由于鱼体整体是纺锤形的(断面呈楔形)，所以当鱼尾摆动时，其后部的每一段都会产生一定的推力，但其最大的推力应该产生于并没有肌肉组织和结缔组织的尾部。鱼的尾鳍是脊椎向后延伸形成的，尾部向后延伸呈扇面展开，里面布列了锥状尾骨，这些锥状尾骨有着非常好的弹性。尾骨外覆盖脂肪和鱼皮，当鱼尾摆动时，尾鳍发生形变，产生了推力。

仿生学是一门综合学科，涉及数学、物理、机械、工程、材料、生物学等，其核心要素是通过设计，利用机械、工程的方法，模仿生物的一些特性，如像鸟一样飞行，像鱼一样游动，有效实现生物的一些特殊性能。要想实现这些功能，需要建立相应的应用模型，包括数学、物理、材料、机械、工程、传输与控制等方面。正确的建模会起到事半功倍的效果，错误的、不合理的建模则会事倍功半，甚至无功而返。建模的五大要素：

(1)数学模型 建立清晰、准确、简单的数学模型，便于设计、制作、装配。数学模型包括机器鱼的整体结构，鱼头、鱼体、鱼尾的比例，鱼尾的几何形状，鱼尾的摆动频率，摆角，推水量的计算，马达、电源、电子原器件的安装位置等。

(2)物理模型 建立严谨规范的物理模型，便于从科学的角度推演、论证机器鱼运动的可行性和效果。物理模型包括流体力学原理，牛顿运动定律，材料的力学性能等。

(3)材料模型 选择理想的材料，便于加工制作、装配，更重要的是材料的选择会直接影响到实验的效果。材料的选择包括鱼体材料、尾鳍材料、运动部件和连接件材料，尤以尾鳍材料最为重要，这是仿生推进的核心要素。

(4)驱动模型 选择适当的驱动方式，便于实现制作和实操。驱动模型包括摆动机构的若干模式：曲柄滑槽机构A型、曲柄滑槽机构B型、曲柄滑杆机构、曲柄连杆机构，手动驱动模式，仿生动力冲浪模式，马达、电源、电调、遥控器的匹配等。

(5)传输与控制模型 传输与控制是大脑，针对不同的环境和需求，设计理想的传输与控制模式，对仿生机器鱼的研究有着极其重要的作用。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种仿生企鹅推进机构。

该仿生推进机构包括企鹅体、动力马达、曲柄二、翼骨、弹性鳍、减速齿轮、支架、舵机、尾鳍、舵机轴、主轴齿轮和曲柄轴；翼骨位于企鹅体的肩部，弹性鳍分布在企鹅体两侧并通过翼骨与企鹅体连接，支架、减速齿轮、主轴齿轮、曲柄轴、动力马达、曲柄二位于企鹅体内部中间位置，动力马达通过主轴齿轮与支架连接，支架连接减速齿轮后再通过曲柄轴、曲柄二连接至弹性鳍，舵机、舵机轴位于企鹅体尾部内部，舵机通过舵机轴连接至企鹅体尾部外侧的尾鳍。

弹性鳍和尾鳍均由三个以上弹性小单元构成，每个小单元之间留有缝隙；弹性鳍和尾鳍的内、外部材质分别为弹性钢丝或钢条、具有弹性的橡胶或硅胶，或内外部材质均为弹性合金或纤维。

仿生企鹅为完全仿生企鹅，企鹅体的双翼由单机双曲柄机构驱动，动力马达驱动曲柄二转动，曲柄二通过滑槽或滑杆驱动双翼上下扑动，双翼扑动时，弹性鳍和翼膜发生形变，产生推力；舵机的轴向后伸出，轴上固定尾鳍，尾鳍能够八自由度控制方向。

八自由度包括左、右、上、下、左上、左下、右上、右下。

仿生企鹅为仿生企鹅动力冲浪板，企鹅体整体成纺锤形，翼骨利用紧固件与企鹅体固定，尾鳍通过尾鳍与企鹅体固定件与企鹅体固定，企鹅体上设置冲浪板脚踏。

本实用新型的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，根据仿生学原理提供了多种仿生推进机构模型，能够有效实现推进过程，且机构简单，易于制作。

附图说明

图1为本实用新型仿生企鹅推进机构翼翅等效弹性面坐标图；

图2为本实用新型仿生企鹅推进机构翼翅划水受力示意图；

图3为本实用新型仿生企鹅推进机构的结构示意图；

图4为本实用新型仿生企鹅推进机构的完全仿生形企鹅结构示意图；

图5为本实用新型仿生企鹅推进机构的仿生企鹅动力冲浪板结构示意图；

图6为本实用新型的完全仿生企鹅动力冲浪板结构示意图；

图7为本实用新型仿生企鹅的扑翼机构一结构示意图；

图8为本实用新型仿生企鹅的扑翼机构二结构示意图。

其中：

1-翼骨，2-弹性鳍，3-减速齿轮，4-舵机，5-舵机轴，6-主轴齿轮，7-曲柄轴，8-翼膜，9-尾鳍与企鹅体固定件，10-冲浪板脚踏，11-企鹅体，12-动力马达，13-曲柄二，14-尾鳍，15-支架，16-马达，17-曲柄一，18-摆轴，19-滑槽，20-摆轴支架。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实用新型提供一种仿生企鹅推进机构，如图3所示，仿生企鹅包括企鹅体11、动力马达12、曲柄二13、翼骨1、弹性鳍2、减速齿轮3、支架15、舵机4、尾鳍14、舵机轴5、主轴齿轮6和曲柄轴7；翼骨1位于企鹅体11的肩部，弹性鳍2分布在企鹅体11两侧并通过翼骨1与企鹅体11连接，支架15、减速齿轮3、主轴齿轮6、曲柄轴7、动力马达12、曲柄二13位于企鹅体11内部中间位置，动力马达12通过主轴齿轮6与支架15连接，支架15连接减速齿轮3后再通过曲柄轴7、曲柄二13连接至弹性鳍2，舵机4、舵机轴5位于企鹅体11尾部内部，舵机4通过舵机轴5连接至企鹅体11尾部外侧的尾鳍14。

弹性鳍2和尾鳍14均由三个以上弹性小单元构成，每个小单元之间留有缝隙；弹性鳍2和尾鳍14的内、外部材质分别为弹性钢丝或钢条、具有弹性的橡胶或硅胶，或内外部材质均为弹性合金或纤维。

如图4所示，仿生企鹅为完全仿生企鹅，企鹅体11的双翼由单机双曲柄机构驱动，动力马达12驱动曲柄二13转动，曲柄二13发生形变，产生推力；舵机4的轴向后伸出，轴上固定尾鳍14，尾鳍14能够八自由度控制方向。八自由度包括左、右、上、下、左上、左下、右上、右下。

如图5所示，仿生企鹅为仿生企鹅动力冲浪板，企鹅体11整体成纺锤形，翼骨1利用紧固件与企鹅体11固定，尾鳍14通过尾鳍与企鹅体固定件9与企鹅体11固定，企鹅体11上设置冲浪板脚踏10。身体可以侧向站位，两脚置于前后两个冲浪板脚踏10的位置，两脚交替发力向下踩踏冲浪板，弹性鳍2和弹性尾鳍拨水发生形变，产生向前的推力。也可以正向站位，面向前进方向，双脚置于左右脚踏位置，左右脚交替发力向下踩踏冲浪板，弹性鳍2拨水发生形变，产生向前的推力。

在具体设计过程中，设计仿生企鹅时，考虑到观察企鹅游动，发现企鹅是通过扑动双翼运动的，其前进、转向都是通过双翼来控制(有人认为企鹅转向时靠双脚的蹼完成，有待商榷)，所以对企鹅双翼的材料构成及其力学性能就要有充分清晰的认识和理解。企鹅的两翼有着非常好的弹性，扑动双翼时，翼面拨水发生形变，从而产生推力，这和鱼的尾鳍的动力效果是完全一样的，这样，我们可以根据鱼尾鳍的结构来设计企鹅的两翼。

从而，把企鹅的翼翅看做一个弹性面O′MNC，如图1所示。企鹅翼翅在扑动过程中，翼翅以翼根为轴上下扑动，相当于弹性面O′MNC绕O′x轴上下摆动。此时，翼面O′MNC内的线段OAB会随着翼面的扑动而发生形变，正是这种形变使企鹅获得游动的动力，游弋于大海之中。

进一步的，如图2所示，直线1是经过点P的AB弧的切线翼，企鹅翼翅在点P处对水有一个垂直于直线1的法向作用力F，水在点P处对企鹅翼翅有一个反作用力F′(F′使发生弹性形变而储备了弹性势能，显然F′＝F)，F′在游动方向MN上有一个分力F″。在一个扑动周期中，在点P处始终存在一个指向游动方向的分力F″，在翼翅AB段上的各点也都有指向游动方向的分力，在整个翼膜上各点处也都有指向游动方向的分力，所有这些分力的和就是企鹅向前游动的动力。

也可设计完全仿生企鹅动力冲浪板，如图6所示，企鹅体11整体成纺锤形，翼骨1利用紧固件与企鹅体11固定，尾鳍14通过尾鳍与企鹅体固定件9与企鹅体11固定。身体可以侧向站位，两脚置于前后两个脚踏的位置，两脚交替发力向下踩踏冲浪板，弹性鳍2和翼膜8及弹性尾鳍拨水发生形变，产生向前的推力。也可以正向站位，面向前进方向，双脚置于左右脚踏位置，左右脚交替发力向下踩踏冲浪板，弹性鳍2和翼膜8拨水发生形变，产生向前的推力。

为了简化推进机构，将摆轴18向左右两侧延伸，将弹性鳍2固定在摆轴18上，摆轴18通过摆轴支架20固定到滑槽19上，马达16工作时带动曲柄转动，曲柄一17带动滑槽(或滑杆)19绕摆轴18摆动，固定于摆轴18上的弹性鳍2随着摆轴摆动，弹性鳍2拨水(或空气)发生形变，产生向前的推力。如图7所示。这一机构既可以用于水中航器的推进，也可以用于空气中航器的推进。

进一步的，为了简化推进机构，将摆轴18向左右两侧延伸，将弹性鳍2固定在摆轴18上，摆轴18通过摆轴支架20固定到滑槽19上，弹性鳍2上覆盖韧性较大的翼膜8，马达16工作时带动曲柄转动，曲柄带动滑槽(或滑杆)19绕摆轴摆动，固定于摆轴18上的弹性鳍2和翼膜8随着摆轴摆动，弹性鳍2和翼膜8拨水(或空气)发生形变，产生向前的推力。如图8所示。这一机构既可以用于水中航器的推进，也可以用于空气中航器的推进。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。