[发明专利]一种仿生胸鳍运动装置

说明书

本发明提供了一种仿生胸鳍运动装置，包括主电机、副电机、主梁、曲轴和环框，主电机与主梁的一端相连，带动主动梁及与连接的环框、副电机和曲轴作上下拍动，副电机与曲轴的一端相连，带动曲轴转动，曲轴在环框内滑动，同时带动环框绕主梁转动。应用本发明的技术方案，能够解决现有技术中仿生胸鳍拍动角度与扭转角度精确控制和机构简单不能兼得的技术问题。

技术领域

本发明涉及水下仿生技术领域技术领域，尤其涉及一种仿生胸鳍运动装置。

背景技术

仿生胸鳍推进是模仿海洋生物蝠鲼胸鳍运动模式的一种推进方式，具有推进效率高、低速机动性强、水体扰动小等优势，近年来被多数高校院所争相模仿，成为了水下仿生推进技术的一个重要发展方向。对蝠鲼胸鳍运动特征的分析发现，胸鳍的运动是两自由度的耦合运动，即：胸鳍运动时，同时存在上下拍动与沿体长方向的波动，且波动的幅值从胸鳍翼尖到翼根逐渐减小。针对此种仿生运动模式的运动装置设计，国内外院校、企业单位主要采用三种实现方案：一种是通过一根主梁带动柔性薄皮胸鳍作单自由度的上下拍动，波动依赖于柔性薄壁与水流的相互作用被动实现，此种方案机构简单，但由于薄壁的被动运动无法准确控制，样机游动性能受水流环境和胸鳍材料影响极大，环境适应性差；一种是将胸鳍沿体长方向分成几段，类似于在胸鳍内部插入几根鳍条，通过设计单个鳍条的单自由度上下拍动和前后鳍条拍动的时间差实现拍动与波动耦合，此种方案需要设计每个鳍条的驱动机构和伺服系统，机构设计及多个鳍条运动协同控制系统复杂；一种是采用设计一种绳索形式的整体张拉机构+扭转机构，通过绳索两端的往复伸拉实现胸鳍上下拍动，通过固定在张拉机构上的电机驱动张拉机构扭转，实现仿生胸鳍的上下拍动与扭转耦合运动，此种方案下受到整体张拉机构限制，胸鳍上下摆动幅值、胸鳍展向形变及扭转角度幅值均会受到很大限制，且整体张拉机构运动疲劳及响应迟滞现象无法回避。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种仿生胸鳍运动装置，能够解决现有装置中仿生胸鳍拍动角度与扭转角度精确控制和机构简单不能兼得的技术问题。

本发明提供了一种仿生胸鳍运动装置，包括主电机、副电机、主梁、曲轴和环框，所述的主梁为圆柱状的直杆，所述的曲轴是由圆柱状直杆和固定架组合而成的直杆中心不在同一条直线上的结构，所述的固定架将前后两段直杆固定，其目的是确保与曲轴连接的环框在曲轴的带动下实现不同的扭转角度，所述的主梁和曲轴通过固定支座相连，所述的环框包括扭转环框和固定环框，所述的固定环框为仿生胸鳍根部的第一个环框，固定环框与主梁固定连接，所述扭转环框为其余的环框，扭转环框与主梁通过轴承连接，与曲轴通过扭转环框内部的滑动槽连接，所述的主电机与主梁的一端相连，带动主动梁及与其连接的环框、副电机和曲轴作上下拍动，所述的副电机与曲轴的一端相连，带动曲轴转动，所述的曲轴在扭转环框内滑动，同时带动扭转环框绕主梁转动。

进一步的，所述的主电机的电机输出轴中心线与仿生胸鳍展向截面平行，主电机性能和尺寸参数依据仿生胸鳍的设计要求进行设计。

进一步的，所述的副电机的电机输出轴中心线与主电机输出轴中心线垂直，副电机性能和尺寸参数依据仿生胸鳍的设计要求进行设计。

优选的，所述的副电机安装在固定环框上。

优选的，所述的主电机和副电机为旋转电机。

进一步的，所述的主梁的长度由仿生胸鳍的长度确定，其直径需满足所选择的主梁材料在承受胸鳍摆动最大外力载荷情况下，确保主梁不产生弯曲变形，同时还需要满足主梁在环框内安装及主梁中心线与曲轴中心线距离的要求。

优选的，所述的主梁可为等直径的圆柱状直杆或变直径的圆柱状直杆。

进一步的，所述的曲轴的直径需满足所选择的直杆材料在承受胸鳍扭转最大外力载荷情况下，确保曲轴不产生弯曲变形，同时还需要满足曲轴在环框内安装及曲轴中心线与主梁中心线距离的要求,所述的曲轴上不同直杆中心线距离主梁中心线的最大和最小距离根据其对应连接的扭转环框最大扭转角度来确定。