一种仿生型水下航行器扑翼推进装置

摘要

本发明公开了一种仿生型水下航行器扑翼推进装置，安装于水下航行器，包括驱动电机组件、传动齿轮组、滚珠丝杠、舵机、转动轴、自适应欠驱动柔性机翼骨架、单滑块双摇杆机构和固定座，所述驱动电机组件、滚珠丝杠和固定座分别与水下航行器主体连接，所述驱动电机组件由电机、减速器和编码器组成，所述滚珠丝杠由丝杠、丝杠螺母和丝杆固定座组成，所述减速器的输出轴与传动齿轮组的主动齿轮连接；传动齿轮组的从动轮与滚珠丝杠的丝杠连接，所述电机通过传动齿轮组带动丝杠转动。该装置整体结构设置前端机翼和后端机翼两个部分。整个装置具有两个自由度，可以实现水下航行器推进、转弯、上浮和下潜等动作。

权利要求

1.一种仿生型水下航行器扑翼推进装置，安装于水下航行器，其特征在于，包括驱动电机组件、传动齿轮组、滚珠丝杠、舵机、转动轴、自适应欠驱动柔性机翼骨架、单滑块双摇杆机构和固定座，所述驱动电机组件、滚珠丝杠和固定座分别与水下航行器主体连接，所述驱动电机组件由电机、减速器和编码器组成，所述滚珠丝杠由丝杠、丝杠螺母和丝杆固定座组成，所述减速器的输出轴与传动齿轮组的主动齿轮连接；传动齿轮组的从动轮与滚珠丝杠的丝杠连接，所述电机通过传动齿轮组带动丝杠转动；

所述单滑块双摇杆机构由滑块、移动轴、第一连杆、第二连杆、第三连杆、固定轴、第一摇杆、第二摇杆 和第三摇杆组成；所述滑块和移动轴固接，所述第一连杆和第二连杆的一端通过轴承与移动轴相连，第一连杆的另一端与第二摇杆的一端相连，第二连杆的另一端与第一摇杆的一端相连，第一摇杆的另一端和第二摇杆的中间端与固定轴通过轴承相连，固定轴安装于固定座上；所述第三连杆的一端与第一摇杆的中间端相连，第三连杆另一端和第二摇杆的另一端分别与第三摇杆的一端和中间端相连，构成一个闭环；滑块和移动轴固定于滚珠丝杠的丝杠螺母，通过螺母的直线运动驱动第二摇杆和第三摇杆上下拍动；

所述第二摇杆上还连接有舵机、第一轴承座和第二轴承座，所述转动轴由第一旋转轴、第二旋转轴和第三旋转轴组成；第一旋转轴通过轴承安装在第一轴承座和第二轴承座上，第二旋转轴固定于第一旋转轴尾部，第三旋转轴通过轴承安装于第三轴承座，所述第三轴承座固定于第三摇杆；

所述自适应欠驱动柔性机翼骨架包括第一柔性机翼骨架、第二柔性机翼骨架、第三柔性机翼骨架、第四柔性机翼骨架、第五柔性机翼骨架和第六柔性机翼骨架，每个柔性机翼骨架均由机翼骨架、铰链固定座和弹簧钢片构成。

2.根据权利要求1所述一种仿生型水下航行器扑翼推进装置，其特征在于，所述第一旋转轴的一端与舵机输出轴相连，第一旋转轴另一端与第二旋转轴相连，所述第一柔性机翼骨架和第二柔性机翼骨架安装于第一旋转轴中间位置，第三柔性机翼骨架和第四柔性机翼骨架安装于 第二旋转轴两端位置；所述第五柔性机翼骨架和第六柔性机翼骨架安装于第三旋转轴两端位置。

3.根据权利要求1所述一种仿生型水下航行器扑翼推进装置，其特征在于，所述的第一连杆、第二连杆、第三连杆和第一摇杆为直杆，第二摇杆和第三摇杆为弯杆，其弯曲角度为大于零度小于一百八十度的任意角度。

说明书

一种仿生型水下航行器扑翼推进装置

技术领域

[0001] 本发明涉及水下航行器的推进装置，更具体的说，是涉及一种仿生型水下航行器扑翼推进装置。

背景技术

[0002] 近年来，随着人类对海洋探索的不断深入，水下航行器发挥着越来越重要的作用。这使得我们对于水下航行器的各方面性能有了更高的要求。目前，大部分水下航行器采用螺旋桨推进的方式，由于其低速情况下的推进效率低、噪声大、灵活性不足等问题，传统的推进方式越来越难以满足水下航行器任务多样化的要求。而海龟、蝠鲼等海洋生物的扑翼运动方式经过无数年的进化，具有推进效率高、稳定性强、机动性及操纵性好等优点，特别适合在海洋环境下的推进。因此，通过深入研究海洋生物的扑翼推进机理，设计一种合适的扑翼机构，这对于提高水下航行器的推进性能具有重要的意义。

[0003] 目前，对于水下仿生扑翼推进机构，大致有两种类型。第一种是采用鳍条加蒙皮的形式，利用电机控制鳍条的旋转运动，由于其单边机翼的鳍条一般不少于三条，导致需要使用多组电机，这增加了机翼控制系统的开发难度，同时对于环境的适应能力也不强；第二种是采用曲柄摇杆等机构组合在一起的驱动方式，这类扑翼机构控制和机构分析较为简单，但是并不能很好的模仿海洋生物的实际扑翼运动，运动效率并没有得到很大的提升。因此，开发和研究一种结构简单、适应性强的扑翼推进装置成为目前水下航行器发展的重要研究方向之一。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种仿生型水下航行器扑翼推进装置，该扑翼推进装置以蝠鲼胸鳍运动为仿生对象，仿照蝠鲼胸鳍在运动过程中靠近身体部分的胸鳍和远离身体部分的胸鳍运动规律不同、产生的推进力不同的特点，推进装置整体结构设置前端机翼和后端机翼两个部分。整个装置具有两个自由度，可以实现水下航行器推进、转弯、上浮和下潜等动作。

[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0006] 一种仿生型水下航行器扑翼推进装置，安装于水下航行器，包括驱动电机组件、传动齿轮组、滚珠丝杠、舵机、转动轴、自适应欠驱动柔性机翼骨架、单滑块双摇杆机构和固定座，所述驱动电机组件、滚珠丝杠和固定座分别与水下航行器主体连接，所述驱动电机组件由电机、减速器和编码器组成，所述滚珠丝杠由丝杠、丝杠螺母和丝杆固定座组成，所述减速器的输出轴与传动齿轮组的主动齿轮连接；传动齿轮组的从动轮与滚珠丝杠的丝杠连接，所述电机通过传动齿轮组带动丝杠转动；

[0007] 所述单滑块双摇杆机构由滑块、移动轴、第一连杆、第二连杆、第三连杆、固定轴、第一摇杆、第二摇和第三摇杆相互连接组成；

[0008] 所述第二摇杆上还连接有舵机、第一轴承座和第二轴承座，所述转动轴由第一旋转轴、第二旋转轴和第三旋转轴组成；第一旋转轴通过轴承安装在第一轴承座和第二轴承座上，第二旋转轴固定于第一旋转轴尾部，第三旋转轴通过轴承安装于第三轴承座，所述第三轴承座固定于第三摇杆；

[0009] 所述自适应欠驱动柔性机翼骨架包括第一柔性机翼骨架、第二柔性机翼骨架、第三柔性机翼骨架、第四柔性机翼骨架、第五柔性机翼骨架和第六柔性机翼骨架，每个柔性机翼骨架均由机翼骨架、铰链固定座和弹簧钢片构成。

[0010] 进一步的，所述滑块和移动轴固接，所述第一连杆和第二连杆的一端通过轴承与移动轴相连，第一连杆的另一端与第二摇杆的一端相连，第二连杆的另一端与第一摇杆的一端相连，第一摇杆的另一端和第二摇杆的中间端与固定轴通过轴承相连，固定轴安装于固定座上；所述第三连杆的一端与第一摇杆的中间端相连，第三连杆另一端和第二摇杆的另一端分别与第三摇杆的一端和中间端相连，构成一个闭环；滑块和移动轴固定于滚珠丝杠的丝杠螺母，通过螺母的直线运动驱动第二摇杆和第三摇杆上下拍动。

[0011] 进一步的，所述第一旋转轴的一端与舵机输出轴相连，第一旋转轴另一端与第二旋转轴相连，所述第一柔性机翼骨架和第二柔性机翼骨架安装于第一旋转轴中间位置，第三柔性机翼骨架和第四柔性机翼骨架安装与第二旋转轴两端位置；所述第五柔性机翼骨架和第六柔性机翼骨架安装于第三旋转轴两端位置。

[0012] 进一步的，所述的第一连杆、第二连杆、第三连杆和第一摇杆为直杆，第二摇杆和第三摇杆为弯杆，其弯曲角度为大于零度小于一百八十度的任意角度。

[0013] 与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

[0014] 1.本发明采用二自由度执行机构，整体装置具有拍动运动和转动运动两个自由度；扑翼的拍动运动由驱动电机组件独立控制，转动运动由舵机独立控制，使扑翼机构控制程序的开发难度降低，整体尺寸小、运动灵活。

[0015] 2.本发明的拍动运动的执行部分采用双摇杆结构，将机翼分为前端机翼和后端机翼两个部分，在运动过程中，靠近机身的前端机翼部分拍动幅度较小，远离机身的后端机翼部分拍动幅度较大。分段机翼设计使机翼运动更加符合蝠鲼胸鳍实际的运动规律，减小扑翼运动阻力、提高推进力。

[0016] 3.本发明的拍动运动的驱动部分采用滑块结构，其整体空间尺寸较小，可以将驱动电机组件、传动齿轮组、滚珠丝杠这一套驱动装置放置于水下航行器机身的外面，构成一套整体的扑翼装置单元，适合不同尺寸和外形的水下航行器。同时也可以根据实际情况，将驱动装置放置于机身中，减少水下航行器扑翼部分的整体安装尺寸。

[0017] 4.本发明的机翼骨架采用自适应欠驱动柔性机翼骨架，可以根据扑翼拍动运动速度、幅度和拍动方向的不同，使机翼自适应的朝不同方向旋转不同角度，减小扑翼在运动过程中的阻力，增加推进力。

[0018] 5.本发明推进装置具有生产加工简单，运动控制方便，高可靠性以及低噪声等优点，在水下航行器推进等众多领域中具有重要意义和广泛的应用前景。

附图说明

[0019] 图1是本发明装置的总体结构示意图；

[0020] 图2是图1中拍动部分结构示意图；

[0021] 图3是图1所示扑翼推进装置的自适应欠驱动柔性机翼骨架部分结构图。

[0022] 附图标记：1、驱动电机组件，2、传动齿轮组，3、滚珠丝杠，4、滑块，5、单滑块双摇杆机构，6、舵机，7、第一轴承座，8、第一柔性机翼骨架，9、第一旋转轴，10、第二柔性机翼骨架，11、第二轴承座，12、第三柔性机翼骨架，13、第二旋转轴，14、第四柔性机翼骨架，15、第五柔性机翼骨架，16、第三旋转轴，17、第三轴承座，18、第六柔性机翼骨架，19、移动轴，20、第一连杆，21、第二连杆，22、固定轴，23、固定座，24、第一摇杆，25、第三连杆，26、第二摇杆，27、第三摇杆，28、第一固定机翼骨架，29、第一柔性铰链固定座，30、第一弹簧钢片，31、第二弹簧钢片，32、第二柔性铰链固定座，33、第二固定机翼骨架，34、第三固定机翼骨架具体实施方式

[0023] 为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

[0024] 如附图1至图3所示，本发明实施例是仿蝠鲼水下扑翼推进装置，是一种二自由度扑翼驱动装置，驱动电机组件1、滚珠丝杠3和固定座23分别安装在水下航行器主体上。驱动电机组件1的输出轴与传动齿轮组2的主动齿轮相连，滚珠丝杠3的丝杠与传动齿轮组2的从动齿轮相连。滑块4和移动轴19固结在一起，与滚珠丝杠3的螺母连接。第一连杆20和第二连杆21的一端通过轴承与移动轴19相连，第一连杆20的另一端与第二摇杆26相连，第二连杆21的另一端与第一摇杆24相连，第一摇杆24的另一端和第二摇杆26的中间端与固定轴22通过轴承相连，固定轴22安装在固定座23上。第三连杆25的一端与第一摇杆24中间端相连，第三连杆25另一端和第二摇杆26的另一端分别与第三摇杆27的一端和中间端相连，构成一个闭环。

[0025] 舵机6、第一轴承座7和第二轴承座11固定在第二摇杆26上，第一旋转轴9通过轴承安装在第一轴承座7和第二轴承座11上，第一旋转轴9一端与舵机6输出轴相连，第一旋转轴9另一端与第二旋转轴13相连。第一柔性机翼骨架8和第二柔性机翼骨架10安装在第一旋转轴9中间位置，第三柔性机翼骨架12和第四柔性机翼骨架14安装在第二旋转轴13两端位置。
第三轴承座17固定在第三摇杆27上，第三旋转轴16通过轴承安装在第三轴承座17上。第五柔性机翼骨架15和第六柔性机翼骨架18安装在第三旋转轴16两端位置。

[0026] 图3为第二柔性机翼骨架10的详细图，其余柔性机翼骨架结构与第二柔性机翼骨架10结构相似。第二柔性机翼骨架10由第一固定机翼骨架28、第二固定机翼骨架33、第三固定机翼骨架34、第一柔性铰链固定座29、第二柔性铰链固定座32、第一弹簧钢片30和第二弹簧钢片31组成。第一固定机翼骨架28固定在第一旋转轴9上，第一柔性铰链固定座29与第一固定机翼骨架28相连，第二柔性铰链固定座32与第二固定机翼骨架33相连，第一弹簧钢片30和第二弹簧钢片31对称安装在第一柔性铰链固定座29和第二柔性铰链固定座32上。其余柔性铰链布置方式与其一致。

[0027] 整个机构的运动过程为：电机通过传动齿轮组带动丝杠旋转，滚珠丝杠将电机的旋转运动转化为螺母的直线运动，通过螺母带动单滑块双摇杆机构5的滑块进行直线运动。滑块通过第一连杆带动第二摇杆上下拍动，实现前端机翼的拍动运动；滑块通过第二连杆和第三连杆带动第三摇杆上下拍动，实现后端机翼的拍动运动。舵机带动旋转轴旋转，实现柔性机翼骨架的往复旋转运动。可以通过控制电机和舵机的旋转方向、旋转角度和速度来控制整个扑翼机构拍动机构和转动机构的运动方向、最大幅度和运动的频率，通过控制电机和舵机运动方程的调整，可以实现近似于仿生对象蝠鲼胸鳍实际的运动规律。

[0028] 本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。