一种低扰动MPF仿生波动推进器

本发明涉及水下机器人，具体为一种低扰动mpf仿生波动推进器。

背景技术：

1、水下机器人是海洋开发平台及水下活动的重要载体，在海洋环境研究、海洋矿产勘探等领域具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值。传统的水下航行器多采用螺旋桨推进方式，螺旋桨推进器技术成熟，应用可靠，可以满足对于水下推进的诸多要求，但其在低速姿态调整工况下的工作效率低，稳定性差，且推进过程中会产生较大的噪声和明显的尾迹，扰动大，这些不足之处都大大限制了螺旋桨推进器的应用场景和技术进步。鱼类在水中有着优异的机动能力，可观的推进效率和出色的隐蔽性，因此现在着眼于新型推进方式的研究。

2、鱼类的推进模式根据推进器官的不同分为身体/尾鳍推进模式（body and/orcaudal fin, bcf）和中央鳍/对鳍推进模式（median and/or paired fin, mpf）两大类。bcf模式的鱼类约占鱼类总量的85%，mpf模式的约占15%。整体而言，bcf模式比mpf模式能够达到更高的游泳速度，mpf模式在机动性，稳定性等方面相较于bcf模式都有着巨大的优势。因此，mpf推进模式更适合在水下作业机器人上应用。

3、其中，仿生对鳍推进模式更适于在水下机器人上应用，现有技术中，用于驱动仿生对鳍波动的推进单元往往采用曲柄摇杆机构、曲柄滑块、多连杆或偏心轮等结构，虽能简便地实现波动，但与理想状态下仿生鱼鳍的正弦波动存在较大差别，推进效果不理想，此外较难通过精进结构的方式提升仿生效果。

技术实现思路

1、本发明公开了一种低扰动mpf仿生波动推进器，它解决了现有仿生对鳍推进机构存在的结构复杂、仿生波动效果差的技术问题，具有结构合理、仿生波动效果好的技术效果。所采用的技术方案如下：

2、一种低扰动mpf仿生波动推进器，包括机架、两仿生推进单元和驱动单元，两所述仿生推进单元轴向并列地设于机架上。所述仿生推进单元包括支杆、与支杆平行设置的驱动杆和若干摆动组件，所述摆动组件包括摆杆、第一驱动臂和第一凸轮，所述摆杆和第一驱动臂的第一端套设在支杆上所述第一凸轮套设在驱动杆上且可与第一驱动臂第二端抵接，所述驱动单元设于机架上且可将旋转运动传递至两驱动杆，以驱动第一凸轮旋转，所述摆杆的第一端与第一驱动臂固接，所述摆杆的第二端设有用于夹持用于夹持柔性板的夹头，当所述驱动杆旋转时，所述第一驱动臂驱使第一摆杆同步地上下往复摆动。

3、在上述技术方案的基础之上，所述摆动组件还包括第二驱动臂和第二凸轮，所述第二驱动臂的第一端套设在支杆上，所述第二凸轮套设在驱动杆上且可与第二驱动臂第二端抵接，所述第二凸轮和第一凸轮共轭设置，以稳定地驱动摆杆上下往复摆动产生动力。

4、在上述技术方案的基础之上，若干所述摆动组件沿驱动杆的圆周方向等相位差布置。

5、在上述技术方案的基础之上，所述第一驱动臂的第二端转动连接有第一滚轮，且所述第一凸轮外周面的相应位置处设有容置第一滚轮的第一凹槽，所述第二驱动臂的第二端转动连接有第二滚轮，且所述第二凸轮外周面的相应位置处设有容置第二滚轮的第二凹槽。

6、在上述技术方案的基础之上，若干所述摆动组件沿仿生推进单元轴向均匀布置，所述第一驱动臂和第二驱动臂的第一端均套设在支杆外且与支杆固接。

7、在上述技术方案的基础之上，所述机架上设有竖向延伸的滑轨，所述滑轨上设有可沿滑轨上下滑移的滑块，所述仿生推进单元还包括支座、棘轮和控制杆，所述支座左右可滑移地设于机架上，所述支杆和驱动杆的两端设于支座上，且所述驱动杆可将旋转运动传递至棘轮，所述控制杆的两端分别与支座和滑块铰接，且靠近所述棘轮的控制杆上设有与可与棘轮配合的棘爪，当所述驱动杆驱动棘轮正向旋转时，所述棘爪随动，当所述驱动杆动棘轮反向旋转时，所述棘爪驱动控制杆转动，以使所述支座左右滑移，进而伸展或收缩两仿生推进单元。

8、在上述技术方案的基础之上，所述棘轮设于支座的下方且与支座转动连接，所述滑轨包括在机架底板上轴向延伸的长孔，且设于两所述仿生推进单元中驱动杆同侧的棘轮旋向相反地设置，每一所述支座的两侧对称地设有两棘轮，且两所述仿生推进单元中摆动组件呈中心对称地设置。

9、在上述技术方案的基础之上，所述驱动单元包括第一电机和第二电机，所述第一电机和第二电机可分别将旋转运动传递至两驱动杆。

10、在上述技术方案的基础之上，所述机架包括轴向延伸的两侧板，两所述侧板间连接有至少一滑杆，所述滑杆穿经支座且与支座滑动连接。

11、在上述技术方案的基础之上，所述夹头包括相对设置的两夹持臂，所述夹持臂上设有轴向排列的多个用于连接柔性板的连接孔，所述摆杆驱动柔性板摆动用以仿生鱼鳍波动。

12、有益效果

13、本发明结构合理，两仿生推进单元并列设置，通过凸轮和驱动臂配合的方式驱动摆杆上下摆动，不仅结构简单、故障率低，而且还可通过对凸轮轮廓曲线的细致设置精准控制摆杆运动行程，此外大大提升了摆杆理想正弦波摆动的可提升空间，有利于实现柔性板正弦波动，有效提高仿生效果，相较于现有技术中的螺旋桨的驱动方式，可大大减小扰动，有利于适用多种作业要求。此外还包括共轭设置的两凸轮，与两凸轮配合的两驱动臂可分设在支杆两侧，不仅可限位两凸轮的转动，而且稳定性好，避免支杆带动摆杆径向跳动。

14、本发明设计巧妙，支座下方的两侧设有棘轮，两驱动杆可通过传动组件驱动棘轮旋转，进而可驱动控制杆转动，以控制两仿生推进单元靠近或远离，当一侧的驱动杆反向转动时，通过棘轮和棘爪的配合可驱动两支座相远离，当另一侧的驱动杆反向转动时，通过棘轮棘爪的配合可驱动两支座相靠近，如此两电机驱动推进器前进或后退的同时还可收缩或伸展两仿生推进单元，可方便实现工作和非工作状态切换，大大简化了驱动结构，有利于提高运行可靠性，降低使用和维护成本。本发明中两仿生推进单元分别驱动，通过控制两驱动杆差速运动，可方便地实现推进器方向控制。

技术特征：

1.一种低扰动mpf仿生波动推进器，其特征在于，包括机架（1）、两仿生推进单元（2）和驱动单元，两所述仿生推进单元（2）轴向并列地设于机架（1）上，所述仿生推进单元（2）包括支杆（21）、与支杆（21）平行设置的驱动杆（22）和若干摆动组件（23），所述摆动组件（23）包括摆杆（231）、第一驱动臂（232）和第一凸轮（233），所述第一驱动臂（232）的第一端套设在支杆（21）上，所述第一凸轮（233）套设在驱动杆（22）上且可与第一驱动臂（232）第二端抵接，所述驱动单元设于机架（1）上且可将旋转运动传递至两驱动杆（22），以驱动第一凸轮（233）旋转，所述摆杆（231）的第一端与第一驱动臂（232）固接，所述摆杆（231）的第二端设有用于夹持用于夹持柔性板的夹头，当所述驱动杆（22）旋转时，所述第一驱动臂（232）驱使第一摆杆（231）同步地上下往复摆动。

2.根据权利要求1所述的低扰动mpf仿生波动推进器，其特征在于，所述摆动组件（23）还包括第二驱动臂（234）和第二凸轮（235），所述第二驱动臂（234）的第一端套设在支杆（21）上，所述第二凸轮（235）套设在驱动杆（22）上且可与第二驱动臂（234）第二端抵接，所述第二凸轮（235）和第一凸轮（233）共轭设置，以稳定地驱动摆杆（231）上下往复摆动产生动力。

3.根据权利要求2所述的低扰动mpf仿生波动推进器，其特征在于，若干所述摆动组件（23）沿驱动杆（22）的圆周方向等相位差布置。

4.根据权利要求3所述的低扰动mpf仿生波动推进器，其特征在于，所述第一驱动臂（232）的第二端转动连接有第一滚轮，且所述第一凸轮（233）外周面的相应位置处设有容置第一滚轮的第一凹槽，所述第二驱动臂（234）的第二端转动连接有第二滚轮，且所述第二凸轮（235）外周面的相应位置处设有容置第二滚轮的第二凹槽。

5.根据权利要求2所述的低扰动mpf仿生波动推进器，其特征在于，若干所述摆动组件（23）沿仿生推进单元（23）轴向均匀布置，所述第一驱动臂（232）和第二驱动臂（234）的第一端均套设在支杆（21）外且与支杆（21）固接。

6.根据权利要求1~4中任一所述的低扰动mpf仿生波动推进器，其特征在于，所述机架（1）上设有滑轨（3），所述滑轨（3）上设有可沿滑轨（3）轴向滑移的滑块（4），所述仿生推进单元（2）还包括支座（26）、棘轮（24）和控制杆（25），所述支座（26）左右可滑移地设于机架（1）上，所述支杆（21）和驱动杆（22）的两端设于支座（26）上，且所述驱动杆（22）可将旋转运动传递至棘轮（24），所述控制杆（25）的两端分别与支座（26）和滑块（4）铰接，且靠近所述棘轮（24）的控制杆（25）上设有与可与棘轮（24）配合的棘爪，当所述驱动杆（22）驱动棘轮（24）正向旋转时，所述棘爪随动，当所述驱动杆（22）驱动棘轮（24）反向旋转时，所述棘爪驱动控制杆（25）转动，以使所述支座（26）左右滑移，进而伸展或收缩两仿生推进单元（2）。

7.根据权利要求6所述的低扰动mpf仿生波动推进器，其特征在于，所述棘轮（24）设于支座（26）的下方且与支座（26）转动连接，所述滑轨（3）包括在机架（1）底板上轴向延伸的长孔，且设于两所述仿生推进单元（2）中支座（26）同侧的棘轮（24）旋向相反地设置，每一所述支座（26）的两侧对称地设有两棘轮（24），且两所述仿生推进单元（2）中摆动组件（23）呈中心对称地设置。

8.根据权利要求7所述的低扰动mpf仿生波动推进器，其特征在于，所述驱动单元包括第一电机和第二电机，所述第一电机和第二电机固设于机架上且可分别将旋转运动传递至两驱动杆。

9.根据权利要求7或8所述的低扰动mpf仿生波动推进器，其特征在于，所述机架（1）包括轴向延伸的两侧板，两所述侧板间连接有至少一滑杆（5），所述滑杆（5）穿经支座（26）且与支座（26）滑动连接。

10.根据权利要求6所述的低扰动mpf仿生波动推进器，其特征在于，所述夹头包括相对设置的两夹持臂，所述夹持臂上设有轴向排列的多个用于连接柔性板的连接孔，所述摆杆（231）可驱动柔性板摆动用以仿生鱼鳍波动。

技术总结
本发明公开了一种低扰动MPF仿生波动推进器，涉及水下机器人技术领域，包括机架、两仿生推进单元和驱动单元，两所述仿生推进单元轴向并列地设于机架上，所述仿生推进单元包括支杆、驱动杆和若干摆动组件，所述摆动组件包括摆杆、第一驱动臂和第一凸轮，所述摆杆和第一驱动臂的第一端套设在支杆上，所述第一凸轮套设在驱动杆上且可与第一驱动臂第二端抵接，所述驱动单元设于机架上且可将旋转运动传递至两驱动杆，当所述驱动杆旋转时，所述第一摆杆和第一驱动臂同步旋转，使摆杆上下往复摆动。本实用结构合理、仿生波动效果好。

技术研发人员：马鹏磊,刘贵杰,谢迎春,王文谦,姚兵,孙治雷,张喜林
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15