一种低扰动MPF仿生波动推进器的制作方法

一种低扰动mpf仿生波动推进器
技术领域
1.本发明涉及水下机器人技术领域，具体为一种低扰动mpf仿生波动推进器。


背景技术：

2.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。
3.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/or caudal 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。
4.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。


技术实现要素：

5.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：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。
6.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。
7.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。
8.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。
9.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。
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.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。
15.有益效果本发明结构合理，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。
16.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。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
18.图1：实施例1的立体结构示意图；图2：图1中去除机架后的立体结构示意图；图3：图2俯视图的结构示意图；图4：图2仰视图的立体结构示意图；图5：摆动组件的立体结构示意图一；图6：摆动组件的立体结构示意图二；图7：若干摆杆驱动下的柔性板立体结构示意图；图8：实施例2俯视图的结构示意图图9：实施例2的立体结构示意图；
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本文的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本文的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。本文中，术语“第一”、“第二”等仅被用来将一个元素与另一个元素区分开来，而不要求或者暗示这些元素之间存在任何实际的关系或者顺序。实际上第一元素也能够被称为第二元素，反之亦然。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的结构、装置或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种结构、装置或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的结构、装置或者设备中还存在另外的相同要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
19.本文中的术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本文和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本文的描述中，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
20.本文中，除非另有说明，术语“多个”表示两个或两个以上。
21.本文中，字符“/”表示前后对象是一种“或”的关系。例如，a/b表示：a或b。
22.本文中，术语“和/或”是一种描述对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，a和/或b，表示：a或b，或，a和b这三种关系。
23.实施例1
如图1~6所示的一种低扰动mpf仿生波动推进器，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。
24.所述仿生推进单元2包括支座26、支杆21、驱动杆22、若干摆动组件23、棘轮24和控制杆25，如图2所示，支座26包括竖向设置的两立板，支杆21的两端穿经立板并与立板转动连接，其转动连接处套设有轴承，驱动杆22与支杆21平行设置，且驱动杆22穿经立板并与立板转动连接，其转动连接处套设有轴承。
25.所述摆动组件23包括摆杆231、第一驱动臂232、第一凸轮233、第二驱动臂234和第二凸轮235，若干所述摆动组件23沿仿生推进单元2轴向均匀布置，且若干所述摆动组件23沿驱动杆22的圆周方向等相位差布置，如此可使若干摆杆231大致呈正弦波摆动。
26.如图5和6所示，摆杆231、第一驱动臂232和第二驱动臂234的第一端套设在支杆21上并于支杆21固定连接，如此当第一驱动臂232和第二驱动臂234驱动支杆21自转时，支杆21自转稳定性好，可弥补部分驱动臂的位置或形状误差导致的运动不协调情况。在本发明的其他实施例中，支杆21也可穿经立板与立板固接，同时摆杆231、第一驱动臂232和第二驱动臂234的第一端套设在支杆21上且与支杆21转动连接，灵活性更好。
27.所述第一凸轮233和第二凸轮235套设在驱动杆22上且与驱动杆22固定连接，所述第二凸轮235和第一凸轮233共轭设置，即当驱动杆22自转时，第一凸轮233的外周面与第一驱动臂232第二端抵接，同时第二凸轮235的外周面与第二驱动臂234的第二端抵接，如图3所示，第一驱动臂232和第二驱动臂234分设在驱动杆22的两侧，不仅可限位两凸轮的转动，而且稳定地驱动摆杆231上下往复摆动产生动力，避免支杆21带动摆杆231径向跳动。
28.本实施例中，如图2所示，所述驱动单元包括第一电机100和第二电机200，所述第一电机通过电机座固设在机架1上，可将旋转运动通过齿轮组传递至一驱动杆22，第二电机通过电机座固设在机架1上，可将旋转运动通过齿轮组传递至另一驱动杆22，两仿生推进单元2分别驱动，有利于精准控制两仿生推进单元2中摆杆231的摆动状态，有利于实现换向等操作。当驱动杆22旋转时，摆杆231、第一驱动臂232和第二驱动臂234同步旋转，使摆杆231上下往复摆动。此外，所述摆杆231的第二端设有用于夹持柔性板的夹头，且若干所述摆动组件23沿驱动杆22的圆周方向等相位差布置，如此若干摆杆共同驱动柔性板大致呈正弦波式摆动，以仿生鱼鳍波动，如图5所示，柔性板的波动情况可由如下数学模型反映：式中x为波动鳍节点的横坐标，y为纵坐标，λ为波长，f为波动频率，l
fin
为波动鳍的长度，h
fin
为波动鳍的宽度，θ
max
为摆幅，θ为摆角，t为时间； am为摆幅变化函数，可以选用例如正比例函数，二次函数，正弦函数等对摆幅变化情况进行灵活调整。
29.本实施例中，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，不仅夹头与柔性板可拆卸地连接，而且还可调整夹持位置，灵活性好，且方便维护和更换柔性板或摆杆。
30.如图5和6所示，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，运行稳定性好。
31.如图4所示，机架1上设有两滑轨3，本实施例中，机架1底板上轴向延伸的两长孔形成滑轨3，两滑轨3的轴线与两仿生推进单元2的对称线共线，滑轨3内嵌设有可沿滑轨3前后滑移的滑块4。
32.如图1所示，所述机架1上设有两滑杆5，所述滑杆5垂直穿经支座26且与支座26滑动连接，如此两仿生推进单元2可相对机架1左右滑移。所述棘轮24设于支座26的下方且与支座26转动连接，且驱动杆22通过锥齿轮组可将旋转运动传递至棘轮。
33.具体为，一仿生推进单元2控制杆25的第一端与其底座26转动连接，所述控制杆25的第二端与滑块4转动连接，此外，靠近该控制杆25第一端处通过扭簧转动连接有可与棘轮24配合的棘爪，如此，当所述驱动杆22驱动棘轮24正向旋转时，所述推进器向前行进且所述棘爪随动，当所述驱动杆22驱动棘轮24反向旋转时，所述棘轮24通过棘爪驱动控制杆25转动，进而驱使支座26沿滑杆左右滑移，进而可伸展或收缩两仿生推进单元2。
34.本实施例中，如图4所示，设于两支座26同侧的棘轮24旋向相反地设置，且每一支座26的两端对称地套设有两棘轮24，且两所述仿生推进单元2中摆动组件呈中心对称地设置，如此可更好地模拟鱼鳍波动。
35.工作过程推进器从收缩状态切换至伸展状态如图2~4所示，第二电机控制右侧仿生推进单元2中驱动杆22逆时针旋转，带动右侧仿生推进单元2中棘轮24顺时针旋转，此时棘爪随动，相反得，第二电机控制右侧仿生推进单元2中的驱动杆22顺时针旋转，通过锥齿轮组驱动右侧仿生推进单元2中棘轮24逆时针旋转，进而驱使右侧仿生推进单元2控制杆25绕其第一端逆时针旋转，进而驱动机架1前端的滑块向前滑移，进而左右两侧的仿生推进单元2相分离，以伸展两仿生推进单元2，且当两控制杆25的轴线平行时，达到死点位置，即为两仿生推进单元2相分离的极限位置。
36.推进器向前行进如图2~4所示，第二电机和第一电机分别控制两仿生推进单元2中驱动杆22顺时针自转，棘爪呈随动状态，使两仿生推进单元2中的若干摆杆231上下往复摆动，进而使柔性板大致呈正弦状态摆动。
37.推进器从伸展状态切换至收缩状态如图2~4所示，第一电机控制左侧仿生推进单元2中驱动杆22逆时针旋转，带动左侧仿生推进单元2棘轮24逆时针旋转，棘轮24和棘爪配合，驱使左侧仿生推进单元2控制杆绕其驱动杆22顺时针旋转，进而驱动机架2前端的滑块4向后滑移，进而左右两侧的仿生推进单元2相靠近，以收缩两仿生推进单元，灵活性好，方便运输和收纳。
38.实施例2实施例2与实施例1的区别在于，如图8和9所示，棘轮24套设在驱动杆22上且与驱动杆22同步旋转，滑轨3竖向设置。
39.上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于
本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。

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。仿生波动效果好。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：青岛海洋地质研究所
技术研发日：2023.08.15
技术公布日：2023/9/13