一种仿生鱼柔性翼的驱动机构及其驱动方法与流程

1.本发明涉及水下航行器技术领域，尤其是一种仿生鱼柔性翼的驱动机构及其驱动方法。


背景技术：

2.在复杂多变的深远海环境中，续航力和隐蔽性仍然是制约无人水下航行器(unmanned underwater vehicles,uuv)作战能力的瓶颈，同时也是水下无人装备发展的关键。
3.经历上亿年的自然选择，自然界中的生物已经进化出了多样的外形和各具特色的运动能力，其中空中飞行的鸟类和水中游动的鱼类更是其中的佼佼者，它们的高推进效率、高机动性、完善的流体性能、低噪声、好的隐身性等，均是现有uuv所无法比拟的，这也为水下无人装备的研发提供了新的思路。
4.鉴于此，本文拟师法高度进化的自然界生物出色的运动能力，提出基于柔性振荡翼推进运动方式的仿生uuv概念设想，以解决制约我国现有uuv续航力小、隐蔽性差的关键基础性问题。仿生推进附体的引入使得水翼能够采用如鱼鳍摆动的仿生推进方式，这种推进方式不仅具有较高的推进效率，同时还避免了类似机器鱼的机体变形引起的搭载困难的弱点，对于有效提升我国海军深远海水下探测侦查作战能力具有重要的意义。


技术实现要素：

5.本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的仿生鱼柔性翼的驱动机构及其驱动方法，从而极大的助力于实现柔性翼产生有规则的波动运动，如鱼鳍摆动进行仿生推进，实现游动的高机动性能。
6.本发明所采用的技术方案如下：
7.一种仿生鱼柔性翼的驱动机构，包括底座，底座上前后间隔安装有轴座，轴座上共同转动安装有转轴，转轴上沿着长度方向间隔安装有多个转盘，单个转盘侧面垂直安装有挡柱；所述底座上安装有与转盘一一对应的多组联动机构；
8.单组联动机构的结构为：包括竖直安装于底座顶面的支座，位于转盘左右两侧的支座上均竖向滑动安装有滑块，滑块由转动中转盘上的挡柱拨动而相对于支座向上或向下移动；所述滑块外侧面侧向安装有翼杆。
9.作为上述技术方案的进一步改进：
10.两个滑块位于支座的同一侧面上，两个滑块相向侧面上分别配装有挡块；所述转盘侧面安装有两个挡柱，两个挡柱位于转盘同一直径方向的两端；转动中转盘上的两个挡柱分别施力于两个挡块，驱使两个滑块一上一下移动。
11.相邻转盘之间的间隔距离相等，相邻转盘上由两个挡柱所在直径方向构成的夹角θ相等，为：
[0012][0013]
其中，h为翼杆随滑块上下移动振幅的一半；r为两个挡柱所在圆的半径；n为转盘的数量。
[0014]
若转轴总长为l，相邻转盘之间的间隔距离为b，则转轴上转盘的数量n为：
[0015][0016]
还包括拨叉，拨叉经由销轴转动安装于支座侧面上，拨叉两端活动配装于两个滑块上，由拨叉的衔接带动两个滑块一上一下联动。
[0017]
位于销轴两侧的拨叉上均开设有长槽，滑块上均安装有滑动销，滑动销嵌装于对应长槽中并沿长槽滑动。
[0018]
前后贯穿支座开设有容纳转盘的孔，转盘位于支座同一竖直平面内，拨叉位于转盘下方，拨叉两端分别获得安装于对应滑块的下部。
[0019]
所述拨叉包括条形本体，条形本体中部经通孔配装销轴与支座转动安装，条形本体中部朝向转盘延伸有中杆，转盘上的挡柱经中杆推动拨叉相对于支座摆动；所述中杆相对于条形本体向着挡柱施力方向倾斜。
[0020]
所述中杆相对于与条形本体垂直的中分位置倾斜6
°‑
10
°
；转动中转盘上的挡柱依次施力于滑块上的挡块和拨叉上的中杆，推动滑块相对于支座完成包括一上、一下在内的一个行程。
[0021]
一种所述的仿生鱼柔性翼的驱动机构的驱动方法，包括如下步骤：
[0022]
转轴由外部电机驱动以自身轴向为圆心转动，转轴带动各个转盘同步转动；
[0023]
对于单个转动的转盘而言，转盘侧面上的挡柱分别沿着转动方向施力于两侧滑块上的挡块，使得左右两侧滑块分别一上一下相对于支座移动，滑块外侧面对应翼杆随滑块在竖直面内移动，衔接于两个滑块之间的拨叉被动相对于支座转动；随着转盘的转动，挡柱脱离挡块后，挡柱沿着转动方向施力于拨叉的中杆上，推动拨叉相对于支座摆动，由拨叉带动两端滑块分别反向相对于支座移动；
[0024]
随着转盘的持续转动，转盘上的挡柱重复依次施力于滑块的挡块、拨叉的中杆上，驱动支座上两个滑块上下相反方向的往复移动，实现翼杆的上下往复摆动；
[0025]
相邻转盘上挡柱与滑块的挡块、拨叉的中杆推动作用存在时间差，形成相邻联动机构上翼杆上下移动的相位差。
[0026]
本发明的有益效果如下：
[0027]
本发明结构紧凑、合理，操作方便，能够由转轴的转动，经转动的转盘带动联动机构中两侧滑块上下移动，开展翼杆在竖直面内的直线移动，多个转盘的同时转动，极大地助力于实现柔性翼产生有规则的波动运动，能够如鱼鳍摆动进行仿生推进，实现游动的高机动性能；
[0028]
本发明还包括如下优点：
[0029]
左右滑块分别带动翼杆上下移动，使得翼杆呈现周期性的上下运动；在一个运动周期中，由转动中转盘上的挡柱依次施力于滑块上的挡块和拨叉上的中杆，完成包括一上、一下在内的一个行程周期；通过转盘的连续转动，实现翼杆连续地周期性上下运动；
[0030]
通过调整相邻转盘上两个挡柱所在直径方向之间的夹角，即相位角，实现翼杆周期性上下运动中振幅的调整；
[0031]
本发明中的驱动机构，推进效率可达87％，明显高于同尺寸四叶螺旋桨78％的推进效率。
附图说明
[0032]
图1为本发明的结构示意图。
[0033]
图2为本发明联动机构的结构示意图。
[0034]
图3为本发明联动机构在另一行程状态下的示意图。
[0035]
图4为本发明拨叉的结构示意图。
[0036]
其中：1、底座；2、轴座；3、转轴；4、转盘；5、挡柱；6、联动机构；7、翼杆；
[0037]
61、支座；62、导轨；63、挡块；64、滑块；65、拨叉；66、销轴；67、滑动销；
[0038]
651、条形本体；652、长槽；653、通孔；654、中杆。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
[0040]
如图1和图2所示，本实施例的仿生鱼柔性翼的驱动机构，包括底座1，底座1上前后间隔安装有轴座2，轴座2上共同转动安装有转轴3，转轴3上沿着长度方向间隔安装有多个转盘4，单个转盘4侧面垂直安装有挡柱5；底座1上安装有与转盘4一一对应的多组联动机构6，从而由转轴3的转动，经各个转盘4的同时转动带动多组联动机构6同时动作；
[0041]
单组联动机构6的结构为：包括竖直安装于底座1顶面的支座61，位于转盘4左右两侧的支座61上均竖向滑动安装有滑块64，滑块64由转动中转盘4上的挡柱5拨动而相对于支座61向上或向下移动；滑块64外侧面侧向安装有翼杆7，从而经由转动的转盘4上挡柱5的拨动来触发滑块64相对于支座61的移动。
[0042]
本实施例中，能够由转轴3的转动，经转动的转盘4带动联动机构6中两侧滑块64上下移动，开展翼杆7在竖直面内的直线移动。
[0043]
本实施例中，滑块64可以经由安装于支座61上的导轨62实现滑动配装，也可以将滑块64直接滑动配装于支座61侧面上，能够实现滑块64与支座61之间可靠的相对滑动即可。
[0044]
两个滑块64位于支座61的同一侧面上，两个滑块64相向侧面上分别配装有挡块63；转盘4侧面安装有两个挡柱5，两个挡柱5位于转盘4同一直径方向的两端；转动中转盘4上的两个挡柱5分别施力于两个挡块63，驱使两个滑块64一上一下移动。
[0045]
本实施例中，由同一转盘4上呈180
°
设置的两个挡柱5来同时推动两侧滑块64移动，从而实现了支座61上两个滑块64的同时、相反方向移动；当然，也可以经由其他中间结构，由转盘4的转动来带动两个滑块64同时、相反方向移动，比如，由挡柱5推动与两个滑块64均活动安装的拨叉65，亦能将转盘4的转动动力转化为支座61上两个滑块64的同时移动。
[0046]
相邻转盘4之间的间隔距离相等，相邻转盘4上由两个挡柱5所在直径方向构成的夹角θ相等，从而能够经由联动机构6的转换，实现由同侧多个翼杆7带动的柔性翼的规则波动；夹角θ为：
[0047][0048]
其中，h为翼杆7随滑块64上下移动振幅的一半；r为两个挡柱5所在圆的半径；n为转盘4的数量。
[0049]
比如，当振幅为59.8mm，两个挡柱5所在圆半径为50.6mm，转盘4的数量为2时，可以设定夹角θ为53.8
°
。
[0050]
当然，可以根据实际设计需求，来设定不同的参数，比如不同的振幅、挡柱5所在圆半径改变、转盘4数量改变等，来设定不同的夹角θ。
[0051]
通过调整相邻转盘4上两个挡柱5所在直径方向之间的夹角，即相位角，实现翼杆7周期性上下运动中振幅的调整。
[0052]
若转轴3总长为l，相邻转盘4之间的间隔距离为b，则转轴3上转盘4的数量n为：
[0053][0054]
比如，当转轴3的总长l为100mm，相邻转盘4之间的间隔距离b为100mm时，n为2，即在转轴3上设定两组转盘4。
[0055]
还包括拨叉65，拨叉65经由销轴66转动安装于支座61侧面上，拨叉65两端活动配装于两个滑块64上，由拨叉65的衔接带动两个滑块64一上一下联动，经由拨叉65的设置，有效保证了两侧滑块64移动的同时性关联性。
[0056]
如图4所示，位于销轴66两侧的拨叉65上均开设有长槽652，滑块64上均安装有滑动销67，滑动销67嵌装于对应长槽652中并沿长槽652滑动，从而有效实现并保证了拨叉65与两侧滑块64之间的可靠衔接和联动。
[0057]
前后贯穿支座61开设有容纳转盘4的孔，转盘4位于支座61同一竖直平面内，整体结构布局紧凑、合理、巧妙；拨叉65位于转盘4下方，拨叉65两端分别获得安装于对应滑块64的下部，从而一方面能够经由转盘4的转动经挡柱5来同时带动两侧滑块64移动，另一方面亦实现了拨叉65在两个滑块64之间的动力衔接。
[0058]
拨叉65包括条形本体651，条形本体651中部经通孔653配装销轴66与支座61转动安装，条形本体651中部朝向转盘4延伸有中杆654，转盘4上的挡柱5经中杆654推动拨叉65相对于支座61摆动，如图3所示；转动的转盘4经由挡柱5可以推动拨叉65中杆654，来驱使拨叉65相对于支座61摆动，进而由拨叉65来带动两侧滑块64同时移动。
[0059]
中杆654相对于条形本体651向着挡柱5施力方向倾斜，从而有效保证挡柱5向中杆654的施力可靠性和稳定性。
[0060]
中杆654相对于与条形本体651垂直的中分位置倾斜6
°‑
10
°
，倾斜角度的设定与转盘4的转速存在关系，可以根据转盘4的转速设定，来匹配设计中杆654的倾斜角度；转动中转盘4上的挡柱5依次施力于滑块64上的挡块63和拨叉65上的中杆654，推动滑块64相对于支座61完成包括一上、一下在内的一个行程。
[0061]
本实施例中，左右滑块64分别带动翼杆7上下移动，使得翼杆7呈现周期性的上下运动；在一个运动周期中，由转动中转盘4上的挡柱5依次施力于滑块64上的挡块63和拨叉65上的中杆654，完成包括一上、一下在内的一个行程周期；通过转盘4的连续转动，实现翼杆7连续地周期性上下运动。
[0062]
本实施例的仿生鱼柔性翼的驱动机构的驱动方法，包括如下步骤：
[0063]
转轴3由外部电机驱动以自身轴向为圆心转动，转轴3带动各个转盘4同步转动；
[0064]
对于单个转动的转盘4而言，转盘4侧面上的挡柱5分别沿着转动方向施力于两侧滑块64上的挡块63，使得左右两侧滑块64分别一上一下相对于支座61移动，滑块64外侧面对应翼杆7随滑块64在竖直面内移动，衔接于两个滑块64之间的拨叉65被动相对于支座61转动；随着转盘4的转动，挡柱5脱离挡块63后，挡柱5沿着转动方向施力于拨叉65的中杆654上，推动拨叉65相对于支座61摆动，由拨叉65带动两端滑块64分别反向相对于支座61移动；
[0065]
随着转盘4的持续转动，转盘4上的挡柱5重复依次施力于滑块64的挡块63、拨叉65的中杆654上，驱动支座61上两个滑块64上下相反方向的往复移动，实现翼杆7的上下往复摆动；
[0066]
相邻转盘4上挡柱5与滑块64的挡块63、拨叉65的中杆654推动作用存在时间差，形成相邻联动机构6上翼杆7上下移动的相位差。
[0067]
本实施例中，对于单个转盘4上两个挡柱5的工作过程可以描述为：
[0068]
在转盘4转动过程中，如图2所示，转盘4顺时针转动，由两个挡柱5与两侧滑块64的挡块63相对应施力，左侧挡柱5经挡块63推动滑块64上行，右侧挡柱5经挡块63推动滑块64下行，实现当前状态下由挡柱5作用于滑块64的挡块63，驱使左右两个滑块64分别一上、一下移动；当两个挡柱5分别驱动左右滑块64的挡块63使其分别产生向上和向下运动后，挡柱5将脱离滑块64的挡块63而进入待命状态，两侧滑块64在惯性作用下移动；如图3所示，随着转盘4的继续转动，两个挡柱5将重新进入工作位置，推动施力于拨叉65的中杆654，经拨叉65相对立支座61的摆动来驱动两侧滑块64产生向下和向上的运动，此时，左侧滑块64下行，右侧滑块64上行；如此周而复始，使得柔性翼的翼杆7产生往复的上下平动。
[0069]
对于转盘4上挡柱5而言，其施力于左右两侧滑块64上挡块63时，做功的作用力方向是不同的：如图2所示，对于左侧滑块64，转盘4挡柱5接触挡块63时，产生向上的托举力；对于右侧滑块64，转盘4挡柱5接触挡块63时，产生向下的压力。
[0070]
从一个运动周期的时间来划分，可以分为前半区和后半区。
[0071]
前半区的时历起点：电机驱动转盘4转动，以转盘4挡柱5接触滑块64挡块63的瞬间为t＝0时刻。如图2所示，位于左侧的滑块64，原先处于向下运动的状态，现在由挡柱5上推改变为向上运动，而对于位于右侧的滑块64，原先处于向上运动的状态，现在转变为向下运动；从转盘4挡柱5与滑块64挡块63接触到互相分离，转盘4转动的角度约为90
°
。随后，转盘4挡柱5进入极短暂的空挡区，在此区域，转盘4挡柱5不发生作用力，滑块64的运动处于惯性运动阶段。
[0072]
后半区的时历起点：短暂空挡区之后，如图3所示，从转盘4挡柱5接触拨叉65中杆654的瞬间开始，滑块64的运动也在此时发生位移矢量的改变。由转盘4挡柱5驱动拨叉65中杆654向着转动方向摆动，拨叉65左右两端呈现直线式连接左右两侧的滑块64，拨叉65的摆动驱使左侧滑块64向下、右侧滑块64向上的移动，从而带动安装在左右滑块64上的翼杆7产生单侧直线运动，带动柔性翼产生有规则的波动运动。从转盘4挡柱5与拨叉65中杆654接触到互相分离，随后，转盘4挡柱5进入另一个极短暂的空挡区，空挡区内滑块64惯性移动，在经历完空挡区后，转盘4即完成了半周180
°
的旋转，并立即进入下一次前半区、后半区的循环往复运动。
[0073]
本发明中的驱动机构，推进效率可达87％，明显高于同尺寸四叶螺旋桨78％的推进效率。
[0074]
本发明极大地助力于实现柔性翼产生有规则的波动运动，能够如鱼鳍摆动进行仿生推进，实现游动的高机动性能。
[0075]
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

技术特征：
1.一种仿生鱼柔性翼的驱动机构，其特征在于：包括底座(1)，底座(1)上前后间隔安装有轴座(2)，轴座(2)上共同转动安装有转轴(3)，转轴(3)上沿着长度方向间隔安装有多个转盘(4)，单个转盘(4)侧面垂直安装有挡柱(5)；所述底座(1)上安装有与转盘(4)一一对应的多组联动机构(6)；单组联动机构(6)的结构为：包括竖直安装于底座(1)顶面的支座(61)，位于转盘(4)左右两侧的支座(61)上均竖向滑动安装有滑块(64)，滑块(64)由转动中转盘(4)上的挡柱(5)拨动而相对于支座(61)向上或向下移动；所述滑块(64)外侧面侧向安装有翼杆(7)。2.如权利要求1所述的一种仿生鱼柔性翼的驱动机构，其特征在于：两个滑块(64)位于支座(61)的同一侧面上，两个滑块(64)相向侧面上分别配装有挡块(63)；所述转盘(4)侧面安装有两个挡柱(5)，两个挡柱(5)位于转盘(4)同一直径方向的两端；转动中转盘(4)上的两个挡柱(5)分别施力于两个挡块(63)，驱使两个滑块(64)一上一下移动。3.如权利要求2所述的一种仿生鱼柔性翼的驱动机构，其特征在于：相邻转盘(4)之间的间隔距离相等，相邻转盘(4)上由两个挡柱(5)所在直径方向构成的夹角θ相等，为：其中，h为翼杆(7)随滑块(64)上下移动振幅的一半；r为两个挡柱(5)所在圆的半径；n为转盘(4)的数量。4.如权利要求3所述的一种仿生鱼柔性翼的驱动机构，其特征在于：若转轴(3)总长为l，相邻转盘(4)之间的间隔距离为b，则转轴(3)上转盘(4)的数量n为：5.如权利要求2所述的一种仿生鱼柔性翼的驱动机构，其特征在于：还包括拨叉(65)，拨叉(65)经由销轴(66)转动安装于支座(61)侧面上，拨叉(65)两端活动配装于两个滑块(64)上，由拨叉(65)的衔接带动两个滑块(64)一上一下联动。6.如权利要求5所述的一种仿生鱼柔性翼的驱动机构，其特征在于：位于销轴(66)两侧的拨叉(65)上均开设有长槽(652)，滑块(64)上均安装有滑动销(67)，滑动销(67)嵌装于对应长槽(652)中并沿长槽(652)滑动。7.如权利要求5所述的一种仿生鱼柔性翼的驱动机构，其特征在于：前后贯穿支座(61)开设有容纳转盘(4)的孔，转盘(4)位于支座(61)同一竖直平面内，拨叉(65)位于转盘(4)下方，拨叉(65)两端分别获得安装于对应滑块(64)的下部。8.如权利要求5所述的一种仿生鱼柔性翼的驱动机构，其特征在于：所述拨叉(65)包括条形本体(651)，条形本体(651)中部经通孔(653)配装销轴(66)与支座(61)转动安装，条形本体(651)中部朝向转盘(4)延伸有中杆(654)，转盘(4)上的挡柱(5)经中杆(654)推动拨叉(65)相对于支座(61)摆动；所述中杆(654)相对于条形本体(651)向着挡柱(5)施力方向倾斜。9.如权利要求8所述的一种仿生鱼柔性翼的驱动机构，其特征在于：所述中杆(654)相对于与条形本体(651)垂直的中分位置倾斜6
°‑
10
°
；转动中转盘(4)上的挡柱(5)依次施力于滑块(64)上的挡块(63)和拨叉(65)上的中杆(654)，推动滑块(64)相对于支座(61)完成包括一上、一下在内的一个行程。
10.一种权利要求8所述的仿生鱼柔性翼的驱动机构的驱动方法，其特征在于：包括如下步骤：转轴(3)由外部电机驱动以自身轴向为圆心转动，转轴(3)带动各个转盘(4)同步转动；对于单个转动的转盘(4)而言，转盘(4)侧面上的挡柱(5)分别沿着转动方向施力于两侧滑块(64)上的挡块(63)，使得左右两侧滑块(64)分别一上一下相对于支座(61)移动，滑块(64)外侧面对应翼杆(7)随滑块(64)在竖直面内移动，衔接于两个滑块(64)之间的拨叉(65)被动相对于支座(61)转动；随着转盘(4)的转动，挡柱(5)脱离挡块(63)后，挡柱(5)沿着转动方向施力于拨叉(65)的中杆(654)上，推动拨叉(65)相对于支座(61)摆动，由拨叉(65)带动两端滑块(64)分别反向相对于支座(61)移动；随着转盘(4)的持续转动，转盘(4)上的挡柱(5)重复依次施力于滑块(64)的挡块(63)、拨叉(65)的中杆(654)上，驱动支座(61)上两个滑块(64)上下相反方向的往复移动，实现翼杆(7)的上下往复摆动；相邻转盘(4)上挡柱(5)与滑块(64)的挡块(63)、拨叉(65)的中杆(654)推动作用存在时间差，形成相邻联动机构(6)上翼杆(7)上下移动的相位差。

技术总结
本发明涉及一种仿生鱼柔性翼的驱动机构及其驱动方法，包括底座，底座上前后间隔安装有轴座，轴座上共同转动安装有转轴，转轴上沿着长度方向间隔安装有多个转盘，单个转盘侧面垂直安装有挡柱；底座上安装有与转盘一一对应的多组联动机构；单组联动机构的结构为：包括竖直安装于底座顶面的支座，位于转盘左右两侧的支座上均竖向滑动安装有滑块，滑块由转动中转盘上的挡柱拨动而相对于支座向上或向下移动；滑块外侧面侧向安装有翼杆；从而能够由转轴的转动，经转动的转盘带动联动机构中两侧滑块上下移动，开展翼杆在竖直面内的直线移动，极大的助力于实现柔性翼产生有规则的波动运动。动。动。


技术研发人员：汤新元 李永成 张明辉
受保护的技术使用者：中国船舶科学研究中心
技术研发日：2023.07.17
技术公布日：2023/9/9