專利名稱：一種躍水機器海豚的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種躍水機器海豚。
背景技術：
生物海豚具有高超的運動性能，隨著研究的深入，人們愈來愈發(fā)現(xiàn)海豚的運動性能在很多方面都高于普通魚類，它們能夠完成躍出水面、空中轉體等很多高難度動作。從工程技術角度來說，如果能利用現(xiàn)有的機 械、電子、計算機、控制等手段，開發(fā)一套模仿海豚運動的仿生機器人，無論在理論上或實踐中都有極大意義。目前，機器海豚引起了水下仿生機器人領域研究者的廣泛興趣和熱切關注，機器海豚的研究已經從最初的理論分析、簡單的功能模仿，發(fā)展到現(xiàn)在開始追求真實海豚的運動性能。生物海豚肌肉發(fā)達，依靠尾部和尾鰭的上下擺動及鰭肢的配合，瞬時游速可超過llm/s (約合3 5倍體長/秒)，可以輕松完成躍出水面的動作，并且在躍出水面后還能做轉體等復雜動作，但要讓仿生機器海豚上完成躍水動作是比較困難的。在獲得高游速方面，許多研究者做了大量的工作。目前文獻中報道的最高游速為北京航空航天大學的SPC-II型機器魚，其最高游速可達I. 2倍體長/秒，與真實海豚或魚類的游速有一定差距，更難以實現(xiàn)躍水等以高速為前提的高難度動作。此前的機器海豚大多采用多舵機串聯(lián)來模擬生物海豚的背覆式推進，由于舵機的輸出速度和功率有限，難以達到較高的頻率，成為機器海豚游速提升的瓶頸。目前的機器海豚靈活性、機動性方面也受到剛性頭部的限制，僅依靠尾部的上下拍動難以實現(xiàn)上浮、下潛、轉彎等動作。仿生機器海豚的研究包含了生物學、水動力學、自動控制、材料學和機器人技術等多學科交叉問題，形態(tài)和機理比較復雜，在國際上尚處于起步階段。海豚跨介質的躍水運動是其高效機動行為的集中體現(xiàn)，也是水下仿生學研究的理想目標之一。針對躍水機器海豚的研究還未見相關報道。按照“結構決定功能”的基本原理，機器海豚采用何種推進結構在很大程度上決定了它所能達到的游速。要使機器海豚能躍出水面，高游速是關鍵。綜合仿生技術、機器人技術及智能控制技術，研制開發(fā)具有高游速的躍水機器海豚，不僅有助于理解和揭示海豚高性能游動的奧秘、減阻機制，而且可為水下航行器提高其速度和機動性提供新的技術途徑。

發(fā)明內容
針對以上問題，本發(fā)明的主要目的是提供一種能夠實現(xiàn)高速游動并且躍出水面的仿生機器海豚。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種躍水機器海豚，其包括剛性軀干殼體，設置在所述剛性軀干殼體上的剛性鋁制骨架、背鰭，設置在所述骨架上的頸關節(jié)機構、平衡滑塊機構、胸鰭機構、控制電路板、背腹式推進機構，設置在所述頸關節(jié)機構上的頭部外殼，設置在所述胸鰭機構上的胸鰭，設置在所述背腹式推進機構上的尾柄外殼、尾椎形外殼和尾鰭；其中，所述骨架包括剛性鋁制底座、剛性底板和安裝在所述剛性底板前端和所述剛性鋁制底板后端之間的底板連接件。其中，所述頸關節(jié)機構包括舵機和三維姿態(tài)傳感器，所述舵機帶動所述三維姿態(tài)傳感器進行俯仰運動，所述三維姿態(tài)傳感器傳送安裝在所述頸關節(jié)結構上的頭部外殼的姿態(tài)信息給所述控制電路板。其中，所述舵機通過大U型塊固定安裝在所述剛性鋁制底座上的俯仰關節(jié)支架上，所述大U型塊的U型口朝向所述躍水機器海豚的頭部；；所述舵機兩側上固定安裝有小U型塊，所述小U型塊的U型口與所述舵機5的輸出軸朝向一致，均朝向機器海豚的右側，且所述小U型塊的底部與所述大U型塊的左側端部連接，且其右側端部的外表面上固定安裝有舵機前端支架，所述姿態(tài)傳感器安裝在所述舵機前端支架上；當所述舵機繞其自身輸出軸進行往復旋轉時帶動所述小U型塊進行旋轉，進而帶動所述舵機前端支架上下擺動，從而帶動所述三維姿態(tài)傳感器進行俯仰運動。其中，所述胸鰭機構包括四個舵機，其中兩個后端舵機左右并排固定在所述剛性 鋁制底座中部上方，其輸出軸平行指向機器海豚前方；另外兩個前端舵機左右并列固定安裝在所述剛性鋁制底座前部上方，且其后端分別與所述兩個后端舵機的輸出軸相連；其中左側前端舵機的左外側輸出軸上安裝有左胸鰭軸，右側前端舵機的右外側輸出軸上安裝有右胸鰭軸；在所述兩個前端舵機輸出軸的帶動下，所述左、右胸鰭軸做仰俯運動，進而帶動安裝在其上的左、右胸鰭做仰俯運動，而所述兩個前端舵機在所述兩個后端舵機的輸出軸的帶動下繞所述兩個后端舵機做往復回轉運動，進而帶動所述左、右胸鰭軸繞所述兩個后端舵機做往復回轉運動，進而帶動所述左、右胸鰭做往復回轉運動。其中，所述平衡機滑塊機構位于所述頸關節(jié)機構的后方并且位于所述胸鰭機構的上方，用于調節(jié)機器海豚的重心；所述平衡機滑塊機構包括舵機和電源裝置，所述舵機通過齒輪驅動絲杠滑塊，所述絲杠滑塊固定安裝在電池底板的后端，所述電源裝置固定在所述電池底板頂部，所述電池底板的后端連接有滑動變阻器，所述滑動變阻器具有一滑動變阻的動觸點，該動觸點與所述電池底板的后端相接；當所述絲杠滑塊在所述舵機的驅動下在水平方向做左右平移運動時，所述電池底板、所述電源裝置和所述滑動變阻器也隨之做水平方向的左右平移運動；所述控制電路板通過測量所述滑動變阻器的動觸點處的電壓來計算所述電池底板和所述電源裝置在水平方向上的相對位置，進而通過調節(jié)所述電源裝置在所述電池底板上的相對位置來調節(jié)所述機器海豚的重心。其中，所述背腹式推進機構包括連接在所述剛性底板上的腰關節(jié)和連接在腰關節(jié)上的尾關節(jié)；所述腰關節(jié)包括上電機模塊和下電機模塊，其中上電機模塊和下電機模塊的輸出軸通過齒輪配合帶動尾關節(jié)的上下擺動；所述尾關節(jié)包括尾電機模塊，所述尾電機模塊的輸出軸同齒輪配合帶動安裝在尾軸上的尾鰭上下擺動。其中，所述上電機模塊、下電機模塊和尾電機模塊結構相同，包括直流電機、一安裝在所述直流電機前端輸出軸上的編碼器、安裝所述直流電機后端輸出軸上的減速器，其中所述編碼器用于記錄所述直流電機輸出軸的旋轉角度并傳送給所述控制電路板，所述減速器用于控制所述直流電機輸出軸的速度。其中，所述腰關節(jié)結構通過三對齒輪傳遞所述上電機模塊和下電機模塊輸出軸的聯(lián)合往復旋轉運動給尾關節(jié)機構；所述三對齒輪包括安裝在所述下電機模塊后端輸出軸上的下主動錐齒輪；與所述下主動錐齒輪前側嚙合的下從動錐齒輪，所述下從動錐齒輪的安裝在下主軸的左端；安裝在所述下主軸右端的主軸從動圓柱齒輪；在所述主軸從動圓柱齒輪上方與其嚙合的主軸主動圓柱齒輪，所述主軸主動圓柱齒輪安裝在上主軸的右端；安裝在所述上主軸左側的上從動錐齒輪；與所述上從動錐齒輪前側嚙合的上主動錐齒輪，所述上主動錐齒輪安裝在所述上電機模塊的所述減速器的輸出軸上。其中，所述尾關節(jié)機構安裝在所述下主軸上，并隨著所述下主軸繞其自身軸線的轉動而上下擺動；且所述尾電機模塊輸出軸的旋轉往復運動通過一對錐齒輪的傳動轉化為所述尾軸的旋轉往復運動，其中所述一對錐齒輪包括安裝在所述尾電機模塊后端輸出軸上的尾主動錐齒輪和與所述尾主動錐齒輪嚙合的尾從動錐齒輪；所述尾從動錐齒輪安裝在所述尾軸左端，所述尾軸上安裝有尾鰭骨架，所述尾鰭安裝在所述尾鰭骨架上。其中，所述所有齒輪模數(shù)均為O. 5mm，所述主軸主動圓柱齒輪與所述主軸從動圓柱齒輪傳動比為33 56，所述尾主動錐齒輪與所述尾從動錐齒輪傳動比為41 22，其余所 述齒輪傳動比均為1:1。本發(fā)明由于采用了以上技術方案，其具有以下優(yōu)點1、頭部由一個舵機控制，可以實現(xiàn)頭部的上下擺動，可以輔助機器海豚的上浮下潛運動；2、胸鰭由四個舵機控制，兩側胸鰭分別可以實現(xiàn)俯仰和橫滾兩個自由度的運動，并且它們之間的運動是相互獨立的，兩側胸鰭公交相同時可以實現(xiàn)上浮下潛運動，兩側胸鰭公交相反時可以實現(xiàn)轉彎運動；3、剛性軀干殼體內的平衡滑塊機構可以快速調節(jié)海豚重心，保持海豚重心在軸心線上，并且配重塊就是電源裝置，就地取材，節(jié)省了空間，在重心偏離的時候不必拆卸海豚，提高了海豚的性能；4、背腹式推進結構采用腰關節(jié)和尾關節(jié)兩個關節(jié)，能夠更好地模擬生物海豚豚體波，獲得更快的推進速度，腰關節(jié)采用兩個電機模塊同時驅動尾關節(jié)的擺動，提供的輸出功率更高，可以提高尾柄上下擺動的頻率；5、胸鰭、背鰭、尾鰭均采用模仿真實海豚鰭肢形狀設計，符合流體流線型設計，可有效減小鰭肢帶來的阻力。本發(fā)明一方面為研究海豚運動的水動力學、游動機理及控制方法提供實驗平臺；另一方面，為研制高效、快速的水下推進器提供技術基礎。


圖I是本發(fā)明的躍水機器海豚的整體結構示意圖；圖2是本發(fā)明的躍水機器海豚的頸關節(jié)機構的軸測圖；圖3是本發(fā)明的躍水機器海豚的胸鰭機構的軸測圖；圖4是本發(fā)明的躍水機器海豚的平衡滑塊機構的軸測圖；圖5是本發(fā)明的躍水機器海豚的背腹式推進機構的軸測圖；圖6是本發(fā)明的躍水機器海豚的背腹式推進機構的局部軸測圖；圖7是本發(fā)明的躍水機器海豚的內部整體結構的軸測圖；圖8是本發(fā)明的躍水機器海豚樣機示意圖；圖9是本發(fā)明的機器海豚躍水的視頻截圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。如圖I、圖7所示，本發(fā)明的躍水機器海豚包括包括主軀干剛性外殼上部89和主軀干剛性外殼下部88的剛性軀干殼體；設置在所述剛性軀干殼體上的骨架和背鰭90，所述骨架包括剛性鋁制底座13、剛性底板44和安裝在剛性底板44前端和所述剛性鋁制底板13后端之間的底板連接件43 ;設置在所述骨架上的頸關節(jié)機構、平衡滑塊機構、胸鰭機構、控制電路板、包括連接在所述骨架上的腰關節(jié)、連接在所述腰關節(jié)上的尾關節(jié)和安裝在所述尾關節(jié)上的尾鰭92的背腹式推進機構；設置在所述頸關節(jié)機構上包括頭部剛性外殼上部86和頭部剛性外殼下部85的頭部外殼；設置在所述胸鰭機構上的胸鰭87 (另一個未標出)；設置在所述腰關節(jié)上的尾柄外殼91、設置在所述尾關節(jié)上的尾椎形外殼93和安裝在所述尾關節(jié)上的尾鰭92。如圖2(圖2中右方為機器海豚的頭部方向)、圖7所示，本發(fā)明的頸關節(jié)機構在機器海豚的最前端，包括一端通過螺釘安裝在所述剛性鋁制底座13上的俯仰關節(jié)支架9 ； 通過螺釘安裝在所述俯仰關節(jié)支架9中部前面的舵機大U型塊8，所述舵機大U型塊8的U型口朝向所述機器海豚頭部，其左側和右側分別有一個通孔；通過螺釘安裝在所述舵機大U型塊8兩端的舵機左支架12、舵機右支架6 ;安裝在所述舵機大U型塊8右邊外側的舵機圓盤7，所述舵機圓盤7的圓形凸臺正好與所述舵機大U型塊的右側通孔配合，所述舵機圓盤7的凸臺中心有具有齒形特征的孔；通過螺釘和齒形配合安裝在所述舵機圓盤7上的舵機5，所述舵機5的輸出軸與所述舵機圓盤7的中心線重合并具有齒形特征，與具有齒形孔的所述舵機圓盤7配合，這樣所述舵機5的輸出軸、所述舵機圓盤7和所述舵機大U型塊8與所述骨架一致固定不動；兩端通過螺釘固定在所述舵機5兩側邊耳朵上的舵機小U型塊11，所述舵機小U型塊11的U型口與所述舵機5的輸出軸朝向一致，均朝向機器海豚的右側，所述舵機小U型塊的底部有一個與所述舵機5輸出軸同軸線的通孔，所述舵機大U型塊8和所述小U型塊11通過半長螺釘和軸承連接，所述軸承外圈安裝在所述大U型塊8左側的孔內，所述半長螺釘是指緊貼著螺帽的半長部分是螺紋，遠離螺帽的半長部分沒有螺紋而與軸承內圈配合，這樣所述舵機5和所述舵機小U型塊11作為一個整體可以繞所述舵機5的輸出軸作往復回轉運動；前側左右兩端通過螺釘安裝在所述舵機左支架12下端和舵機右支架6下端的胸鰭前端支架10，所述胸鰭前端支架10后端通過螺釘安裝在所述剛性鋁制底座13的前端；通過螺釘安裝在所述舵機小U型塊11前端的舵機前端支架I和開關架4 ;通過螺釘安裝在所述舵機前端支架I前面的姿態(tài)傳感器支架2 ;通過螺釘安裝在所述姿態(tài)傳感器支架2上的三維姿態(tài)傳感器3。所述舵機5繞其自身輸出軸的往復回轉運動帶動所述小U型塊11及所述舵機前端支架I繞所述舵機5輸出軸上下擺動，從而帶動所述三維姿態(tài)傳感器3的俯仰運動，從而將姿態(tài)信息傳給所述控制電路板上的控制模塊進行處理，所述舵機前端支架I的上下擺動帶動安裝在其上的所述頭部外殼作俯仰(Pitch)運動。其中，所述舵機5為HS-7980TH舵機，所述三維姿態(tài)傳感器3為3DM-GX3-25傳感器。如圖I、圖3(圖3中左為機器海豚的前方)、圖7所示，本發(fā)明的胸鰭機構緊靠所述頸關節(jié)機構的后端，包括兩個HS7950舵機16、27，其輸出軸平行指向機器海豚前方并并排固定在所述剛性鋁制底座13中部上方；舵機大U型套15，其U型口指向機器海豚前方，其兩端分別安裝在所述舵機16的右側耳朵上和所述舵機27的左側耳朵上，用于固定兩個所述舵機16、27的相對位置，其后部下方通過螺釘固定在所述剛性鋁制底座13上，即將所述舵機16、27固定在所述剛性鋁制底座的中部d、U型套14，其U型口朝下，同時套住所述舵機16的左側、所述舵機27的右側和所述舵機大U型套15的中部，并通過螺釘固定在所述剛性鋁制底座的中部；HS-7950舵機盤17、26，其中心有齒形孔，安裝在所述舵機16、27的齒形輸出軸上，孔的軸線分別與所述舵機16、27的輸出軸軸心線共線，這樣所述舵機盤17、26與所述舵機16、27的輸出軸保持固定；兩個SAVOX舵機U型塊18、22，其U型口朝下，其后端分別通過螺釘固定在所述舵機盤17、26的前側，其前端具有中心線與所述舵機16、27輸出軸軸線共線的圓形通孔，分別通過半長螺釘和軸承連接在所述胸鰭前端支架10的后側，所述軸承外圈安裝在所述U型塊18、22的圓形通孔內，所述軸承內圈與所述半長螺釘?shù)臒o螺紋部分配合，這樣所述舵機U型塊18、22和所述舵機盤17、26可分別繞著所述舵機16、27的輸出軸作往復回轉運動；兩個SAVOX舵機19、23，其前后兩側的耳朵部位通過螺釘固定在所述SAVOX舵機U型塊18、22的前后兩側，這樣所述舵機19、23和所述U型塊18、22可 作為整體，分別繞所述舵機16、27的輸出軸作往復回轉運動；兩個SAVOX舵機盤20、24，分別通過中心的齒形孔與所述舵機19、23的齒形輸出軸配合而保持相對固定，所述舵機19的輸出軸軸線與所述舵機盤20的齒形孔中心線重合并指向機器海豚的右方，所述舵機23的輸出軸軸線與所述舵機盤24的齒形孔中心線重合并指向機器海豚的左方；兩個胸軸21、25的一端分別通過螺釘固定在所述舵機盤20、24的外側；一對胸鰭87通過螺釘固定在所述胸軸21、25上。這樣所述胸鰭87就可以與所述胸軸21、25及所述舵機19、23的輸出軸一起繞所述舵機19、23的輸出軸作往復回轉運動，即所述胸鰭87的俯仰運動，而所述舵機19、23分別繞所述舵機16、27的輸出軸的往復回轉運動，即帶動所述胸軸21、25繞所述舵機16、27的輸出軸作往復回轉運動，即帶動所述胸鰭87的橫滾運動。如圖I、圖4(圖4右方為機器海豚的前方)、圖7所示，本發(fā)明的平衡滑塊機構位于所述頸關節(jié)機構的后方并且位于所述胸鰭機構的上方，包括通過螺釘安裝在所述剛性鋁制底座13上的控制器前端支架28 ;兩端通過螺釘安裝在所述控制器前端支架28前端面上的舵機架38，所述舵機架是U型塊，U型口朝向機器海豚的后方；通過螺釘安裝在所述控制器前端支架28后端面上的控制器前端小支架36 ;耳朵處通過螺釘安裝在所述舵機架38兩端上的SM-S4315R舵機29，所述舵機29輸出軸朝向機器海豚的右方；通過螺釘安裝在所述SM-S4315R舵機29輸出軸上的主動圓柱齒輪30 ;與所述主動圓柱齒輪30相嚙合的從動圓柱齒輪31 ;連接所述從動圓柱齒輪31的絲桿架32，所述絲桿架是U型的，U型口朝向機器海豚的后方，兩端有軸承孔；通過一對軸承連接在所述絲桿架32上的絲桿35 ;通過螺紋連接在所述絲桿35上的絲桿滑塊33 ;前端通過螺釘安裝在所述絲桿滑塊33上的電池底板34 ;通過膠帶固定在所述電池底板34頂部的電源裝置37 ;連接在所述電池底板后端的滑動變阻器40，所述滑動變阻器40的方形凸臺卡在所述電池底板34后端的方形通孔內，所述滑動變阻器40的方形凸臺是滑動變阻的動觸點，可以與所述電池底板34 —起沿水平方向左右移動；通過螺釘安裝在所述滑動變阻器40左右兩端下方的控制器后端上支架41、45 ;通過螺釘安裝在所述控制器后端上支架41、45上方的直線導軌架39和下方的控制器后端下支架42、46，所述控制器后端下支架42、46安裝在剛性底板44的前端，所述直線導軌架39的后端面與所述滑動變阻器40的前端面緊挨，用于保護所述滑動變阻器40。所述主動圓柱齒輪30與從動圓柱齒輪31傳動比為33 56。所述控制電路板安放在所述平衡滑塊機構和所述胸鰭機構所組成的中空腔體內。所述機器海豚的平衡滑塊機構是由所述SM-S4315R舵機29驅動的，所述SM-S4315R舵機29的輸出運動通過一對圓柱齒輪30、31的傳動將旋轉運動傳遞給所述絲桿35的旋轉運動，所述絲桿35與所述絲桿滑塊33通過螺紋連接，是將旋轉運動轉化為平移的機械裝置，從而帶動所述絲桿滑塊33在左右方向上的平移運動，安裝在所述絲桿滑塊33上的電池底板34以及安裝在所述電池底板34上的滑動變阻器40也隨之作水平方向的左右平移運動，所述滑動變阻器40的兩端連接到電源上，通過測量動觸點和其中一端之間的電壓與電源電壓之間的比值，就可以計算出所述電池底板34及所述電源裝置37在水平方向上的相對位置，所述電路板的控制模塊就可以通過控制所述舵機29的旋轉角度而精確調節(jié)所述電源裝置37的相對位置從而調節(jié)所述躍水機器海豚左右方向的重心。如圖I、圖5 (右上為機器海豚的前方)、圖6 (右為機器海豚的前方)所示，本發(fā)明的背腹式推進機構位于所述胸鰭機構和平衡滑塊機構的后面，包括連接在所述剛性底板44 上的腰關節(jié)和連接在所述腰關節(jié)后端的尾關節(jié)。所述腰關節(jié)包括兩個底部通過螺釘安裝在所述剛性底板44上的主電機擋板51、56 ;兩個分別通過螺釘安裝在所述主電機擋板51、56外側的三角筋48 (其中一個附圖未示出)，所述三角筋48的底端與所述剛性底板44通過螺釘連接，用于加強固定所述電機擋板51、56 ;下電機模塊；上電機模塊；三個底部通過螺釘安裝在所述剛性底板44上的主電機下托塊84、94、95 (在附圖6中標出)，用于固定下電機模塊的底部；安裝在所述下電機模塊后端輸出軸上的下主動錐齒輪61，所述錐齒輪61與所述下電機模塊輸出軸是通過不完整的圓柱孔和不完整的圓柱軸配合，以保證所述下電機模塊輸出軸的旋轉運動傳遞給所述下主動錐齒輪61，所述下電機模塊輸出軸軸端部和所述錐齒輪61端部通過螺釘固定；與所述下主動錐齒輪61嚙合的下從動錐齒輪62 ;左側安裝在所述下從動錐齒輪62上的下主軸80，所述下主軸80通過一對軸承安裝在所述主電機擋板51、56的后下方，以保證所述下主軸80的自由轉動，所述下從動錐齒輪62在所述主電機擋板56的內側(右側)；安裝在所述下主軸80右端的主軸從動圓柱齒輪79，所述下主軸80與所述主軸從動圓柱齒輪79是通過不完整圓柱孔和軸配合的，以保證它們圓周方向的相對固定，所述下主軸80的端部通過螺釘與所述主軸從動圓柱齒輪79固定，所述主軸從動圓柱齒輪79在所述主電機擋板51的外側(右側)；在所述主軸從動圓柱齒輪79上方與其嚙合的主軸主動圓柱齒輪81 ;安裝在所述主軸主動圓柱齒輪81上的上主軸59，所述主軸主動圓柱齒輪81安裝在所述上主軸的右側，并且在所述主電機擋板51的外側(右側)，所述上主軸59通過一對軸承安裝在所述主電機擋板51、56的后上方，以保證所述上主軸59的自由轉動，所述主軸主動圓柱齒輪81與所述上主軸59通過不完整圓柱孔和軸配合，以保證它們圓周方向的相對固定，所述上主軸59的端部通過螺釘與所述齒輪81固定；通過不完整孔與不完整軸配合的方式安裝在所述上主軸59左側的上從動錐齒輪60 ;與所述上從動錐齒輪60前側嚙合的上主動錐齒輪58，所述上主動錐齒輪58安裝在所述上電機模塊的減速器55的輸出軸上。其中，所述上主動錐齒輪58與所述上從動錐齒輪60傳動比為I : I,所述下主動錐齒輪61與所述下從動錐齒輪62傳動比為I : 1，所述主軸主動圓柱齒輪81與主軸從動圓柱齒輪79傳動比為I : 1，且為節(jié)約空間所述主軸主動圓柱齒輪81與主軸從動圓柱齒輪79均為非完整圓柱齒輪，因為電機是往復轉動，并不需要齒輪完整哨合。
所述下電機模塊包括，安放在主電機下托塊84、94、95上的MaxonEC90直流電機49、安裝在所述電機49前端輸出軸上的編碼器47、安裝在所述電機49后端的電機法蘭83、通過螺釘安裝在所述電機法蘭83后側的減速器82，所述減速器82前端的動力輸入部位與所述電機49的后端輸出軸緊固，所述減速器82的后端輸出軸即為整個下電機模塊的動力輸出軸；兩個通過螺釘分別安裝在所述主電機擋板51、56內側的雙聯(lián)電機固定圈50(其中一個附圖未示出)，所述兩個固定圈均是半圓形，左右各一個，之間通過螺釘緊固形成圓形環(huán)，用于夾緊下電機模塊并且支撐上電機模塊。所述上電機模塊組成結構與下電機模塊相同，包括MaxonEC90直流電機53、安裝在所述電機53前端的編碼器52、安裝在所述電機53后端的電機法蘭54、安裝在所述電機法蘭54后側的減速器55，所述減速器55的后端輸出軸即為上電機模塊的動力輸出軸，所述減速器55的下表面與所述下電機模塊的電機法蘭83的上表面配合,這樣有兩處從上電機模塊下方支撐上電機模塊；所述尾關節(jié)安裝在所述下主軸80上，在所述腰關節(jié)的后方，包括前端安裝在所 述下主軸80上的尾電機底座78，它們之間也是通過不完整圓柱孔和不完整圓柱軸配合的，以保證所述尾電機底座78隨著所述下主軸80繞其自身軸線的轉動而上下擺動；底部通過螺釘安裝在所述尾電機底座78上靠近所述下主軸80方向上的導線架63，所述導線架63用于將尾電機導電線牽引到控制電路板以防止導線與周圍齒輪產生干涉；兩個底部通過螺釘安裝在所述尾電機底座78上的具有一定間距的尾電機固定環(huán)73、76，用于固定尾電機模塊；套在所述尾電機固定環(huán)73、76圓環(huán)內的尾電機模塊，其中所述尾電機模塊包括套在所述尾電機固定環(huán)76上的MaxonEC90直流電機75、安裝在所述電機75前端輸出軸上的編碼器64 (編碼器64與導線架63之間存在間隙)、安裝在所述電機75后端輸出軸上的減速器74,所述減速器74套在所述尾電機固定環(huán)73上；兩個底部通過螺釘安裝在所述尾電機底座78后端的尾軸固定架67 ;安裝在所述減速器74的后端輸出軸上的尾主動錐齒輪69 ;與所述主動錐齒輪69嚙合的尾從動錐齒輪68 ;連接在所述尾從動錐齒輪68上的尾軸(附圖中未標出)，所述尾軸通過一對軸承安裝在兩個所述尾軸固定架67之間；通過不完整圓柱孔和不完整圓柱軸配合的方式安裝在所述尾軸上的尾鰭骨架65、66 ;通過螺釘安裝在所述尾軸固定架67外側的尾軸軸承蓋板70 ;安裝在所述減速器74輸出軸靠近所述主動錐齒輪69的平面軸承墊片71 ;通過螺釘安裝在所述尾電機底座78上的尾電機防縱轉板72，同時也通過螺釘安裝在所述尾電機模塊的減速器74上。所述尾鰭92通過螺釘固定在所述尾鰭骨架66上。其中，所述尾主動錐齒輪69與尾從動錐齒輪68傳動比為41 22。其中，所述編碼器用于記錄所述直流電機輸出軸的旋轉角度并傳送給所述控制電路板，所述減速器用于降低所述直流電機輸出軸的速度。所述躍水機器海豚的頸關節(jié)機構通過所述俯仰關節(jié)支架9和胸鰭前端支架10固定安裝在所述剛性鋁制底座13上，所述躍水機器海豚的胸鰭機構通過所述胸鰭前端支架10、所述舵機大U型套15和小U型套14安裝在剛性鋁制底座13上，所述躍水機器海豚的平衡滑塊機構通過控制器前端支架28安裝在所述剛性鋁制底座13上，并且通過控制器后端上下支架41、42、45、46安裝在所述剛性底板44上，所述剛性底板44通過所述底板連接件43安裝在所述剛性鋁制底座13上，所述躍水機器海豚的背覆式推進機構通過所述主電機擋板51、56、所述三角筋48安裝在所述剛性底板44上。
所述腰關節(jié)的上電機模塊和下電機模塊的輸出軸的聯(lián)合往復旋轉運動通過三對齒輪傳動傳遞到所述下主軸80繞其自身軸線的往復旋轉運動，從而帶動安裝在其上的所述尾電機底座78的上下擺動，即帶動尾關節(jié)整體的上下擺動。所述尾電機模塊輸出軸的旋轉往復運動通過一對錐齒輪69、68的傳動轉化為所述尾軸的旋轉往復運動，從而帶動所述尾鰭骨架65、66繞所述尾軸軸心線上下擺動，繼而帶動安裝在所述尾鰭骨架66上的所述尾鰭92繞所述尾軸軸心線上下擺動。本發(fā)明通過兩關節(jié)的上下擺動來模擬生物海豚的背覆式推進運動，使所述躍水機器海豚獲得向前的推動力。所述躍水機器海豚的躍水是通過下潛到一定深度再斜向上沖出水面的，這一動作是靠所述躍水機器海豚的頸關節(jié)機構、胸鰭機構、背覆式推進機構的聯(lián)合運動實現(xiàn)的。所述躍水機器海豚的下潛運動過程中，背覆式推進機構兩關節(jié)的上下擺動提供前進的動力，通過控制所述舵機5的轉動角度控制所述躍水機器海豚的頭部往下擺過一定角度，同時通過控制所述舵機19、23的旋轉角度控制所述兩個胸鰭87的攻角相等并且為負，在所述躍水機器海豚進入水底一定深度后使頭部和胸鰭恢復原狀。所述躍水機器海豚的向上沖出水面的過程中，背覆式推進機構兩關節(jié)的上下擺動繼續(xù)提供前進的動力，通過控制所述舵機5的 轉動角度控制所述躍水機器海豚的頭部往上擺過一定角度，同時通過控制所述舵機19、23的旋轉角度控制所述兩個胸鰭87的攻角相等并且為正，這樣所述躍水機器海豚就會斜向上沖向水面，直到躍出水面。所述躍水機器海豚的重要受力部件均采用鈦合金材料，一般受力部件均采用鋁合金，輕受力部件及絕緣部件均采用尼龍，外殼及背鰭采用聚丙烯材料，胸鰭及尾鰭采用人造橡膠，防水外皮采用乳膠。根據(jù)上述技術方案制作的躍水機器海豚樣機見圖8，其尺寸(長X寬X高)為705mmX223mmX 192mm,總重量約為4. 7kg。在測試中，機器海豚的最高游速可達I. Ilm/s (折合I. 57倍體長/秒)，并且成功地實現(xiàn)了機器海豚的躍水。如圖9機器海豚躍水視頻截圖所示，機器海豚的身體完全躍出了水面，并完整復現(xiàn)了 “出水一騰空一再入水”這一生物躍水過程。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種躍水機器海豚，其包括剛性軀干殼體，設置在所述剛性軀干殼體上的剛性鋁制骨架、背鰭，設置在所述骨架上的頸關節(jié)機構、平衡滑塊機構、胸鰭機構、控制電路板、背腹式推進機構，設置在所述頸關節(jié)機構上的頭部外殼，設置在所述胸鰭機構上的胸鰭，設置在所述背腹式推進機構上的尾柄外殼、尾椎形外殼和尾鰭；其中，所述骨架包括剛性鋁制底座(13)、剛性底板(44)和安裝在所述剛性底板前端和所述剛性鋁制底板后端之間的底板連接件(43)。
2.如權利要求I所述的躍水機器海豚，其特征在于所述頸關節(jié)機構包括舵機(5)和三維姿態(tài)傳感器(3)，所述舵機帶動所述三維姿態(tài)傳感器進行俯仰運動，所述三維姿態(tài)傳感器傳送安裝在所述頸關節(jié)結構上的頭部外殼的姿態(tài)信息給所述控制電路板。
3.如權利要求2所述的躍水機器海豚，其特征在于所述舵機(5)通過大U型塊(8)固定安裝在所述剛性鋁制底座上的俯仰關節(jié)支架(9)上，所述大U型塊(8)的U型口朝向所述躍水機器海豚的頭部；所述舵機(5)兩側上固定安裝有小U型塊(11)，所述小U型塊(11)的U型口與所述舵機(5)的輸出軸朝向一致，均朝向機器海豚的右側，且所述小U型塊(11)的底部與所述大U型塊(8)的左側端部連接，且其右側端部的外表面上固定安裝有舵機前端支架(I)，所述姿態(tài)傳感器(3)安裝在所述舵機前端支架(I)上；當所述舵機(5)繞其自身輸出軸進行往復旋轉時帶動所述小U型塊(11)進行旋轉，進而帶動所述舵機前端支架(I)上的所述三維姿態(tài)傳感器(3)進行俯仰運動。
4.如權利要求2所述的躍水機器海豚，其特征在于所述胸鰭機構包括四個舵機，其中兩個后端舵機左右并排固定在所述剛性鋁制底座(13)中部上方，其輸出軸平行指向機器海豚前方；另外兩個前端舵機左右并排固定安裝在所述剛性鋁制底座(13)前部上方，且其后端分別與所述兩個后端舵機的輸出軸相連；其中左側前端舵機的左外側輸出軸上安裝有左胸鰭軸，右側前端舵機的右外側輸出軸上安裝有右胸鰭軸；在所述兩個前端舵機輸出軸的帶動下，所述左、右胸鰭軸做仰俯運動，進而帶動安裝在其上的左、右胸鰭做仰俯運動，而所述兩個前端舵機在所述兩個后端舵機的輸出軸的帶動下繞所述兩個后端舵機做往復回轉運動，進而帶動所述左、右胸鰭軸繞所述兩個后端舵機做往復回轉運動，進而帶動所述左、右胸鰭做往復回轉運動。
5.如權利要求I所述的躍水機器海豚，其特征在于所述平衡機滑塊機構位于所述頸關節(jié)機構的后方并且位于所述胸鰭機構的上方，用于調節(jié)機器海豚的重心；所述平衡機滑塊機構包括舵機(29)和電源裝置(37)，所述舵機(29)通過齒輪驅動絲杠滑塊(33)，所述絲杠滑塊固定安裝在電池底板(34)的后端，所述電源裝置(37)固定在所述電池底板(34)頂部，所述電池底板(34)的后端連接有滑動變阻器(40)，所述滑動變阻器(40)具有一滑動變阻的動觸點，該動觸點與所述電池底板(34)的后端相接；當所述絲杠滑塊(33)在所述舵機(29)的驅動下在水平方向做左右平移運動時，所述電池底板(34)、所述電源裝置(37)和所述滑動變阻器(40)也隨之做水平方向的左右平移運動；所述控制電路板通過測量所述滑動變阻器的動觸點處的電壓來計算所述電池底板(34)和所述電源裝置(37)在水平方向上的相對位置，進而通過調節(jié)所述電源裝置(37)在所述電池底板(34)上的相對位置來調節(jié)所述機器海豚的重心。
6.如權利要求I所述的躍水機器海豚，其特征在于所述背腹式推進機構包括連接在所述剛性底板(44)上的腰關節(jié)和連接在腰關節(jié)上的尾關節(jié)；所述腰關節(jié)包括上電機模塊和下電機模塊，其中上電機模塊和下電機模塊的輸出軸通過齒輪配合帶動尾關節(jié)的上下擺動；所述尾關節(jié)包括尾電機模塊，所述尾電機模塊的輸出軸同齒輪配合帶動安裝在尾軸上的尾鰭上下擺動。
7.如權利要求6所述的躍水機器海豚，其特征在于所述上電機模塊、下電機模塊和尾電機模塊結構相同，包括直流電機、安裝在所述直流電機前端輸出軸上的編碼器、安裝在所述直流電機后端輸出軸上的減速器；其中所述編碼器用于記錄所述直流電機輸出軸的旋轉角度并傳送給所述控制電路板，所述減速器用于控制所述直流電機輸出軸的速度。
8.如權利要求7所述的躍水機器海豚，其特征在于所述腰關節(jié)通過三對齒輪傳遞所述上電機模塊和下電機模塊輸出軸的聯(lián)合往復旋轉運動給尾關節(jié)； 其中所述三對齒輪包括安裝在所述下電機模塊后端輸出軸上的下主動錐齒輪(61)；與所述下主動錐齒輪￠1)前側嚙合的下從動錐齒輪(62)，所述下從動錐齒￠2)輪安裝在下主軸(80)的左端；安裝在所述下主軸(80)右端的主軸從動圓柱齒輪(79);在所述主軸從動圓柱齒輪(79)上方與其嚙合的主軸主動圓柱齒輪(81)，所述主軸主動圓柱齒輪(81)安裝在上主軸(59)的右端；安裝在所述上主軸(59)左側的上從動錐齒輪￠0);與所述上從動錐齒輪￠0)前側嚙合的上主動錐齒輪(58)，所述上主動錐齒輪(58)安裝在所述上電機模塊后端輸出軸上。
9.如權利要求8所述的躍水機器海豚，其特征在于所述尾關節(jié)機構安裝在所述下主軸(80)上，并隨著所述下主軸(80)繞其自身軸線的轉動而上下擺動；且所述尾電機模塊輸出軸的旋轉往復運動通過一對錐齒輪的傳動轉化為所述尾軸的旋轉往復運動，其中所述一對錐齒輪包括安裝在所述尾電機模塊后端輸出軸上的尾主動錐齒輪￠9)和與所述尾主動錐齒輪￠9)嚙合的尾從動錐齒輪￠8);所述尾從動錐齒輪￠8)安裝在所述尾軸左端，所述尾軸上安裝有尾鰭骨架，所述尾鰭安裝在所述尾鰭骨架上。
10.如權利要求9所述的躍水機器海豚，其特征在于所述所有齒輪模數(shù)均為O.5mm，所述主軸主動圓柱齒輪(81)與所述主軸從動圓柱齒輪(79)傳動比為33 56，所述尾主動錐齒輪￠9)與所述尾從動錐齒輪￠8)傳動比為41 22，其余所述齒輪傳動比均為I : I。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種躍水機器海豚，其特征在于它包括剛性軀干殼體，設置在所述剛性軀干殼體上的剛性鋁制骨架、背鰭，設置在所述骨架上的頸關節(jié)機構、平衡滑塊機構、胸鰭機構、控制電路板、背腹式推進機構，設置在所述頸關節(jié)機構上的頭部外殼，設置在平衡滑塊機構上的電源裝置，設置在所述胸鰭機構上的胸鰭，設置在所述背腹式推進機構上的尾柄殼、尾鰭。本發(fā)明通過直流電機和舵機輸出運動，實現(xiàn)頭部俯仰擺動、左右胸鰭兩自由度轉動、尾部兩關節(jié)上下擺動，最終實現(xiàn)機器海豚躍出水面。本發(fā)明一方面為研究海豚運動的水動力學、游動機理及控制方法提供實驗平臺；另一方面，為研制高效、快速的水下推進器提供技術基礎。
文檔編號B25J11/00GK102962843SQ20121051119
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月3日 優(yōu)先權日2012年12月3日
發(fā)明者喻俊志, 蘇宗帥, 肖俊東, 譚民 申請人:中國科學院自動化研究所