專利名稱：雙驅(qū)動仿生胸鰭骨架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙驅(qū)動仿生胸鰭骨架，更特別地說，是指一種能夠模擬海洋中牛鼻鲼胸鰭變形的柔性胸鰭骨架，屬于水下仿生推進(jìn)器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自然界中，按照推進(jìn)運動所使用身體部位的不同，魚類的運動可以分為兩種主要模式:①身體、尾鰭推進(jìn)模式——利用身體的彎曲波動或者尾鰭的周期性往復(fù)拍動產(chǎn)生推進(jìn)力中間鰭、對鰭推進(jìn)模式——利用胸鰭、腹鰭或者背鰭的周期性拍動或者波動產(chǎn)生推進(jìn)力。因此，仿生研究領(lǐng)域所開發(fā)的機器魚也可以分為此兩大類。類牛鼻鲼的胸鰭擺動推進(jìn)模式就屬于中間鰭、對鰭推進(jìn)模式的一種、此類仿生魚主要的推進(jìn)機構(gòu)為碩大、扁平的胸鰭、對胸鰭骨架的設(shè)計對此類仿生魚推進(jìn)性能影響很大。柔性胸鰭擺動推進(jìn)仿生機器人(魚)能夠?qū)崿F(xiàn)低頻、低阻、高效、高機動性的水下運動，它在水下探測和軍用偵查領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，而柔性胸鰭擺動推進(jìn)仿生機器人(魚)的實現(xiàn)的關(guān)鍵在于柔性胸鰭骨架的設(shè)計，目前，所開發(fā)的擺動胸鰭，根據(jù)其整體剛度，可分為柔性和剛性兩類。柔性胸鰭與自然界牛鼻鲼的胸鰭更為接近，能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)的推進(jìn)效果。柔性擺動胸鰭的主要推進(jìn)機構(gòu)由兩種結(jié)構(gòu)形式，一種為采用剛性或者具有一定柔性的前緣帶動胸鰭擺動，實現(xiàn)仿生胸鰭在水流作用下的被動擺動運動；另一種為采用多條弦向仿生鰭條結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)仿生胸鰭的主動擺動運動，亦即實現(xiàn)仿生胸鰭鰭面波的可控傳遞。現(xiàn)有的仿牛鼻鲼胸鰭結(jié)構(gòu)或為擬合自然原型的運動采用十分復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而制作、控制困難；或?qū)ψ匀辉偷男伥捊Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了大規(guī)模的簡化，而不能達(dá)到所模仿自然原型的運動效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有胸鰭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，或不能達(dá)到所模仿自然原型的運動效果，提出一種仿牛鼻鲼擺動的雙驅(qū)動仿生胸鰭骨架，該骨架通過Matlab軟件提取牛鼻鲼胸鰭運動輪廓，再根據(jù)運動形式，利用CATIA建模軟件建立了仿牛鼻鲼胸鰭骨架。一種雙驅(qū)動仿生胸鰭骨架，包括機架、第一運動關(guān)節(jié)、第二運動關(guān)節(jié)、類胸鰭擺動板；第一個運動關(guān)節(jié)包括前擺動桿、前滑桿、前驅(qū)動軸、骨架連接塊；第二個運動關(guān)節(jié)包括后擺動桿、軸承座、后驅(qū)動軸；類胸鰭擺動板包括展向肋板、第一弦向肋板、第二弦向肋板、第三弦向肋板和擺動板；前擺動桿一端與前驅(qū)動軸固定連接，另一端通過圓柱副結(jié)構(gòu)與前滑桿一端連接，前滑桿的另一端通過旋轉(zhuǎn)副結(jié)構(gòu)連接擺動頭，擺動頭是指擺動板的頭部部分；前驅(qū)動軸與機架的前部通孔通過滾動軸承連接，構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；后擺動桿一端與后驅(qū)動軸固定連接，另一端通過兩個軸承座連接擺動板，后驅(qū)動軸與擺動板之間形成旋轉(zhuǎn)副結(jié)構(gòu)；后驅(qū)動軸與機架的后部通孔通過滾動軸承連接，構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；第一弦向肋板、第二弦向肋板、第三弦向肋板分別等間距固定連接在展向肋板上；展向肋板的一端與骨架連接塊固定連接，骨架連接塊通過圓柱副結(jié)構(gòu)與展向肋板前部的擺動頭連接；前驅(qū)動軸、后驅(qū)動軸分別連接兩個直流伺服電機。本發(fā)明的優(yōu)點在于:(I)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、運動平滑，如果將其加入到仿生機器魚上，可以實現(xiàn)機器魚的高效巡游和靈活轉(zhuǎn)彎；(2)本發(fā)明以兩根弦向驅(qū)動鰭條實現(xiàn)胸鰭骨架由前到后的驅(qū)動波的傳遞運動；(3)本發(fā)明每根驅(qū)動鰭條僅采用一個電機驅(qū)動，減少了驅(qū)動源個數(shù)，控制簡單；(4)本發(fā)明單根弦向驅(qū)動鰭條采用獨立電機驅(qū)動，實現(xiàn)了每根鰭條在擺動頻率、擺動幅度、相位差角等參數(shù)上的靈活可控；(5)本發(fā)明胸鰭鰭條采用碳纖維板制作，能夠具有一定的展向和弦向柔性；(6)本發(fā)明雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是能夠?qū)崿F(xiàn)近似牛鼻鲼胸鰭的運動，而且由于只需要兩個伺服電機，因此控制比較簡單。


圖1是本發(fā)明第一個視圖的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明第二個視圖的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中:1-機架2-第一運動關(guān)節(jié)3-第二運動關(guān)節(jié)4-類胸鰭擺動板 201-前擺動桿202-前滑桿203-擺動頭204-前驅(qū)動軸205-骨架連接塊301-后擺動桿302-軸承座303-后驅(qū)動軸401-展向肋板402-第一弦向肋板 403-第二弦向肋板404-第二弦向肋板 405-擺動板
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明是一種雙驅(qū)動仿生胸鰭骨架，如圖1、圖2所示，包括機架1、第一運動關(guān)節(jié)
2、第二運動關(guān)節(jié)3、類胸鰭擺動板4 ；第一個運動關(guān)節(jié)2包括前擺動桿201、前滑桿202、前驅(qū)動軸204、骨架連接塊205 ；第二個運動關(guān)節(jié)3包括后擺動桿301、軸承座302、后驅(qū)動軸303 ；類胸鰭擺動板4包括展向肋板401、第一弦向肋板402、第二弦向肋板403、第三弦向肋板404和擺動板405 ；機架I沒有固定形狀，只是作為雙驅(qū)動仿生胸鰭骨架的一個假想載體，具體實施時需要將直流伺服電機及驅(qū)動軸與仿生機器魚機體連接；前擺動桿201 —端與前驅(qū)動軸204通過螺栓固定連接，另一端通過圓柱副結(jié)構(gòu)與前滑桿202 —端連接，前滑桿202的另一端通過旋轉(zhuǎn)副結(jié)構(gòu)連接擺動頭203，擺動頭203是指擺動板405的頭部部分；前驅(qū)動軸204與機架I的前部通孔通過滾動軸承連接構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，前驅(qū)動軸204可以機架I前部通孔為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；
其中，前擺動桿201和前滑桿202之間的運動通過一個圓柱副實現(xiàn)，即前滑桿202既能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的運動，也能在前擺動桿201中滑動，最后產(chǎn)生一個比較復(fù)雜的空間運動。前滑桿202和擺動頭203之間是一個旋轉(zhuǎn)副，實現(xiàn)兩個部件的旋轉(zhuǎn)運動。后擺動桿301 —端與后驅(qū)動軸303通過螺栓固定連接，另一端通過兩個軸承座302連接擺動板403 ；后驅(qū)動軸303與機架1的后部通孔通過滾動軸承連接構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，后驅(qū)動軸303可以機架I后部通孔為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；其中，后驅(qū)動軸303與擺動板403之間形成旋轉(zhuǎn)副結(jié)構(gòu)，通過兩個軸承座302，使后擺動桿301在擺動板403中能夠旋轉(zhuǎn)；展向肋板401是基于自然界牛鼻鲼前緣骨架結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計所得，第一弦向肋板402、第二弦向肋板403、第三弦向肋板404符合NACA0012標(biāo)準(zhǔn)翼型形狀，展向肋板401與第一弦向肋板402、第二弦向肋板403、第三弦向肋板404通過螺栓固定連接；展向肋板401的一端與骨架連接塊205固定連接，骨架連接塊205通過圓柱副結(jié)構(gòu)與展向肋板401前部的擺動頭203連接；其中，擺動頭203與骨架連接塊205之間的圓柱副結(jié)構(gòu)，骨架連接塊205既能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的運動，也能在擺動頭203中滑動，最后也是產(chǎn)生一個比較復(fù)雜的空間運動。前驅(qū)動軸204、后驅(qū)動軸303分別連接兩個直流伺服電機，通過直流伺服電機控制前驅(qū)動軸204、后驅(qū)動軸303分別帶動前擺動桿201、后擺動桿301運動，進(jìn)而使類胸鰭擺動板4運動，胸鰭擺動板4產(chǎn)生近似牛鼻鲼胸鰭的運動；通過控制直流伺服電機，使兩個電機產(chǎn)生以一定相差同等擺動幅度和相同擺動頻率的簡諧運動，進(jìn)而帶動前驅(qū)動軸、后驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)，最終帶動展向肋板及弦向肋板產(chǎn)生近似牛鼻鲼胸鰭的運動。
權(quán)利要求
1.一種雙驅(qū)動仿生胸鰭骨架，包括機架(I)、第一運動關(guān)節(jié)(2)、第二運動關(guān)節(jié)(3)、類胸鰭擺動板(4)； 第一個運動關(guān)節(jié)(2)包括前擺動桿(201 )、前滑桿(202)、前驅(qū)動軸(204)、骨架連接塊(205);第二個運動關(guān)節(jié)(3)包括后擺動桿(301)、軸承座(302)、后驅(qū)動軸(303);類胸鰭擺動板(4)包括展向肋板(401)、第一弦向肋板(402)、第二弦向肋板(403)、第三弦向肋板(404)和擺動板(405);前擺動桿(201) —端與前驅(qū)動軸(204)固定連接，另一端通過圓柱副結(jié)構(gòu)與前滑桿(202) —端連接，前滑桿(202)的另一端通過旋轉(zhuǎn)副結(jié)構(gòu)連接擺動頭(203)，擺動頭(203)是指擺動板(405)的頭部部分；前驅(qū)動軸(204)與機架(I)的前部通孔通過滾動軸承連接，構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；后擺動桿(301) —端與后驅(qū)動軸(303)固定連接，另一端通過兩個軸承座(302)連接擺動板(403)，后驅(qū)動軸(303)與擺動板(403)之間形成旋轉(zhuǎn)副結(jié)構(gòu)；后驅(qū)動軸(303)與機架(I)的后部通孔通過滾動軸承連接，構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；第一弦向肋板(402)、第二弦向肋板(403)、第三弦向肋板(404)分別固定等間距連接在展向肋板(401)上；展向肋板(401)的一端與骨架連接塊(205)固定連接，骨架連接塊(205)通過圓柱副結(jié)構(gòu)與展向肋板(401)前部的擺動頭(203)連接；前驅(qū)動軸(204)、后驅(qū)動軸(303)分別連接兩個直流伺服電機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙驅(qū)動仿生胸鰭骨架，所述的展向肋板(401)的形狀為牛鼻鲼前緣骨架結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙驅(qū)動仿生胸鰭骨架，所述的第一弦向肋板(402)、第二弦向肋板(403)、第三弦向肋板(404)符合NACA0012標(biāo)準(zhǔn)翼型形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙驅(qū)動仿生胸鰭骨架，通過控制直流伺服電機，使兩個直流伺服電機產(chǎn)生以一定相位差同等擺動幅度和相同擺動頻率的簡諧運動，進(jìn)而帶動前驅(qū)動軸(204)、后驅(qū)動軸(303 )旋轉(zhuǎn)，最終帶動展向肋板(401)、第一弦向肋板(402 )、第二弦向肋板(403)和第三弦向肋板 (404)產(chǎn)生近似牛鼻鲼胸鰭的運動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙驅(qū)動仿生胸鰭骨架，包括機架、第一運動關(guān)節(jié)、第二運動關(guān)節(jié)、類胸鰭擺動板；第一個運動關(guān)節(jié)包括前擺動桿、前滑桿、前驅(qū)動軸、骨架連接塊；第二個運動關(guān)節(jié)包括后擺動桿、軸承座、后驅(qū)動軸；類胸鰭擺動板包括展向肋板、第一弦向肋板、第二弦向肋板、第三弦向肋板和擺動板；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、運動平滑，如果將其加入到仿生機器魚上，可以實現(xiàn)機器魚的高效巡游和靈活轉(zhuǎn)彎；本發(fā)明以兩根弦向驅(qū)動鰭條實現(xiàn)胸鰭骨架由前到后的驅(qū)動波的傳遞運動；本發(fā)明每根驅(qū)動鰭條僅采用一個電機驅(qū)動，減少了驅(qū)動源個數(shù)，控制簡單；本發(fā)明單根弦向驅(qū)動鰭條采用獨立電機驅(qū)動，實現(xiàn)了每根鰭條在擺動頻率、擺動幅度、相位差角等參數(shù)上的靈活可控。
文檔編號B63H1/36GK103213664SQ20131014143
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者畢樹生, 牛傳猛, 張利格, 馬宏偉 申請人:北京航空航天大學(xué)