專利名稱：胸鰭柔性擺動機器魚的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種機器魚。
(二)
背景技術：
當前無論是水面艦船還是水下的潛器，絕大多數(shù)采用傳統(tǒng)的螺旋槳做為推進器。雖然這種推進器現(xiàn)今有其非常大的優(yōu)勢，但在一些特殊的環(huán)境下，存在著局限性。螺旋槳伴有較大的噪音和尾渦，因此潛器的隱蔽性問題較難解決。螺旋槳推進器的這些問題不利于開發(fā)具有大范圍轉(zhuǎn)移能力和高機動性的水下機器魚，為克服這些問題，適應未來水下機器魚技術發(fā)展的要求，人們在開發(fā)新能源的同時，也在積極尋找性能更加優(yōu)良的新型推進方式。如何設計和制造高性能的仿生推進的機器魚，成為一個新興的熱點問題。
近年來，隨著仿生學研究的不斷進步，科研工作者的目光集中到長期生活在水下，特別是能在水中自由遨游的魚類的游動機理的研究上。魚類長期生存在水下，進化出了性能完備的游動機能和器官。在過去，將魚類的這種特殊本領應用于船舶及水下潛器這種想法由于種種原因難以實現(xiàn)，然而，伴隨著仿生學、材料科學、自動控制理論等學科的發(fā)展，利用魚類游動機理推動機器人在水下浮游的想法成為現(xiàn)實。
仿生學研究表明，仿魚鰭推進模式具有高穩(wěn)定性、優(yōu)良的機動性和隱蔽性，是魚類適應復雜的水下環(huán)境以及上億年自然進化的結果。目前水下仿生技術研究方面，眾多的研究主要集中于尾鰭的運動和魚體的運動，如振動的薄片產(chǎn)生推力等。這樣會導致機器魚只能做有限的機動，難以實現(xiàn)懸浮和定位等運動。用尾鰭擺動作為推進的方式，雖然與螺旋槳相比具有一定的優(yōu)勢，但是仍然具有不少缺點。例如在水中的靈活性不夠，致使其在轉(zhuǎn)彎和掉頭的時候很不靈活；在機器魚的前進過程中，產(chǎn)生擺艏的現(xiàn)象，姿態(tài)不穩(wěn)定，頭尾難以協(xié)調(diào)，不能一直沿著直線方向前進，致使其在工程應用中有很大的局限性。
在自然界中，有很多魚類，在低速情況下，是利用胸鰭實現(xiàn)良好的動力定位和機動。因此，可嘗試利用胸鰭作為推進器，胸鰭模式推進是指魚類依靠胸鰭的擺動或波動，或者依靠兩者的復合運動來完成自身的推進或機動動作。這種推進模式的主體不參與運動，只是依靠胸鰭的波動或者擺動來完成推進和機動。它結合了以上兩種推進方式的優(yōu)點，具有穩(wěn)定性好，機動性高的特點。這正是給仿生水下機器魚在低速的情況下實現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮和良好的操縱提供了一個很好的解決方案。
涉及到胸鰭驅(qū)動的機器魚的公開報道有:楊少波等于2008年11月發(fā)表的"一種新型的胸鰭擺動模式推進機器魚設計與實現(xiàn)"的科技論文；專利申請?zhí)枮?00510130335，名稱為"一種仿生機器魚胸鰭結構"的專利文件中公開的技術方案等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有優(yōu)良的機動性和操縱性能，具有一定的工程應用價值，結構簡單、緊湊的胸鰭柔性擺動機器魚。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的
它包括外殼，安裝在外殼后部的尾鰭驅(qū)動機構和與尾鰭驅(qū)動機構連接的尾鰭，所述的外殼為剛性外殼，在外殼的中部靠前的位置設置有胸鰭推進和操縱機構，所述胸鰭推進和操縱機構的組成包括設置在外殼內(nèi)的托架和安裝在托架上的一個胸鰭驅(qū)動電機，胸鰭驅(qū)動電機通過主動齒輪帶動左右兩個從動齒輪，左右兩個從動齒輪分別與一個圓柱凸輪固定連接，圓柱凸輪和從動齒輪通過軸承固定在托架上，每個圓柱凸輪有一個與之相配合的凸輪滾子，凸輪滾子沿固定在托架上的支座上下滑動，凸輪滾子上通過滑塊連接有胸鰭連桿，滑塊連接在凸輪滾子上，可以沿凸輪滾子轉(zhuǎn)動，胸鰭連桿可以沿滑塊左右滑動，胸鰭連桿上安裝胸鰭。
本發(fā)明還可以包括
1、 還包括回轉(zhuǎn)操控機構，所述回轉(zhuǎn)操控機構包括安裝在托架上的托架移動控制電機，托架移動控制電機軸上安裝回轉(zhuǎn)齒輪，外殼內(nèi)固定有齒條，回轉(zhuǎn)齒輪與齒條相嚙合帶動托架沿著齒條左右移動。
2、 所述外殼的底部布置三條縱桁，在中部、艏艉曲線變化較大處及兩側過
渡位置布置有五條環(huán)形肋骨，整體用蒙皮包住。
3、 所述胸鰭一面為柔性， 一面為剛性。
本發(fā)明是對現(xiàn)有傳統(tǒng)推進原理的革新，主要包括機器魚"鼠標"型外形、推進和操縱機構、柔性胸鰭等三部分。該機器魚形狀酷似鼠標，是由鼠標外形啟發(fā)，并配有一剛性梯形尾鰭和一對柔性梯形胸鰭。此機器魚是將整體用蒙皮包住，中間用多節(jié)骨架將蒙皮撐起。機器魚底部布置三條縱桁，并依據(jù)設計的機器魚外殼形狀，制作環(huán)形肋骨，在機器魚中部、艏艉曲線變化較大處及兩側過渡位置布置五條環(huán)形肋骨，將機器魚的整體框架撐起，外殼用玻璃鋼制成，整體形成水密結構。魚體外殼沒有采用真實魚類的型線，外形比較肥大，在阻力性能上可能會差一些，采用此種型線主要是從總布置以及機動性方面考慮。機器魚形狀酷似"鼠標"，具有優(yōu)良的機動性和操縱性能，具有一定的工程應用價值。
該機器魚是利用柔性胸鰭擺動實現(xiàn)推進的。所選的傳動機構為圓柱凸輪機構，出發(fā)點是把垂直面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為水平面內(nèi)的擺動。對于擺動圓柱凸輪運動機構可以實現(xiàn)將連續(xù)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為從動件直線移動或擺動。只需要設計適當?shù)妮喞€，從動件便可獲得任意的運動規(guī)律，且結構簡單、緊湊、設計方便。為保證胸鰭的運動同步性，機器魚的一對胸鰭用一個電機帶動，利用三個齒輪的嚙合實現(xiàn)兩個圓柱凸輪的同步，圓柱凸輪輪廓為正弦曲線，滑塊在凸輪凹槽內(nèi)可運動，凸輪的轉(zhuǎn)動推動滑塊，滑塊與胸鰭連接桿相連，將凸輪轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為胸鰭的擺動。胸鰭的擺動運動相當于劃槳，進行推動機器魚前進。
(四)


圖l是本發(fā)明的結構示意圖2是胸鰭推進和操縱機構的結構示意圖3是圖2的局部放大圖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述
機器魚沒有仿照魚類的柔性身軀，而是采用剛性軀體。選擇則性軀體是由于一個剛性的軀體提供了幾個優(yōu)于柔性體的特點。首要地，操縱一個剛性軀體要求較少的機械裝置，簡化系統(tǒng)不僅釋放了更多的內(nèi)部空間用于極需的有效負載，而且增加了系統(tǒng)的可靠性。
結合圖1、 2、 3，機器魚胸鰭驅(qū)動電機2通過主動齒輪3帶動從動齒輪4、 5，從動齒輪4、 5與圓柱凸輪6、 8固定連接，利用軸承固定在托架1上，凸輪滾子15、 16沿固定在托架1上的支座上下滑動。胸鰭連桿13、 14通過滑塊7、 9與凸輪滾子15、 16連接，滑塊連接在滾子上，可以沿滾子轉(zhuǎn)動，胸鰭連桿可以沿滑塊左右滑動。這樣電機的轉(zhuǎn)動通過圓柱凸輪轉(zhuǎn)變?yōu)樾伥挼耐鶑蛿[動。為保證胸鰭的運動同步性，機器魚的一對胸鰭用一個電機帶動，利用三個齒輪的嚙合實現(xiàn)兩個圓柱凸輪的同步。
尾鰭驅(qū)動機構和與尾鰭驅(qū)動機構連接的尾鰭，的組成包括電池17、尾鰭控制電機齒條18、凸輪19、尾鰭連接桿20、尾鰭21和第二托架22。
利用機器魚的胸鰭推進驅(qū)動機構，還可以實現(xiàn)機器魚的水平面內(nèi)回轉(zhuǎn)運動。托架移動控制電機IO，帶動回轉(zhuǎn)齒輪ll轉(zhuǎn)動，這樣托架1沿著固定于機器魚體上的齒條12左右移動，從而改變胸鰭連桿13、 14與滑塊7、 9的相對位置，導致左右胸鰭的擺幅不同，從而形成回轉(zhuǎn)力矩，實現(xiàn)機器魚水平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)運動。另外，整個托架1的移動會導致機器魚重心的移動，機器魚的浮態(tài)和穩(wěn)性將隨之改變，經(jīng)過計算不影響機器魚的性能。
機器魚是將整體用蒙皮包住，中間用多節(jié)骨架將蒙皮撐起。機器魚底部布置三條縱桁，并依據(jù)設計的機器魚外殼形狀，制作環(huán)形肋骨，在機器魚中部、艏艉曲線變化較大處及兩側過渡位置布置五條環(huán)形肋骨，將機器魚的整體框架撐起，外殼用玻璃鋼制成，整體形成水密結構。
胸鰭的柔性擺動是指胸鰭通過在擺動過程中變形來實現(xiàn)，使胸鰭運動過程中產(chǎn)生最大的推水作用力和最小回收的阻力，從而提高機器魚的推進效率。機器魚的胸鰭，可見面為胸鰭的回收面，用2塊矩形和2塊三角形鋁合金制成，厚度為5cm，推水面用有機硅膠制成，厚度為5-10cm，即中間較厚，兩邊較薄。這樣，剛性的鋁合金保證了胸鰭以展開的形狀推水；回收時，由于有機硅膠可變形，使4塊鋁合金分開，改變胸鰭形狀，減小胸鰭回收阻力。
權利要求
1、一種胸鰭柔性擺動機器魚，它包括外殼，安裝在外殼后部的尾鰭驅(qū)動機構和與尾鰭驅(qū)動機構連接的尾鰭，其特征是所述的外殼為剛性外殼，在外殼的中部靠前的位置設置有胸鰭推進和操縱機構，所述胸鰭推進和操縱機構的組成包括設置在外殼內(nèi)的托架和安裝在托架上的一個胸鰭驅(qū)動電機，胸鰭驅(qū)動電機通過主動齒輪帶動左右兩個從動齒輪，左右兩個從動齒輪分別與一個圓柱凸輪固定連接，圓柱凸輪和從動齒輪通過軸承固定在托架上，每個圓柱凸輪有一個與之相配合的凸輪滾子，凸輪滾子沿固定在托架上的支座上下滑動，凸輪滾子上通過滑塊連接有胸鰭連桿，滑塊連接在凸輪滾子上，可以沿凸輪滾子轉(zhuǎn)動，胸鰭連桿可以沿滑塊左右滑動，胸鰭連桿上安裝胸鰭。
2、 根據(jù)權利要求1所述的胸鰭柔性擺動機器魚，其特征是還包括回轉(zhuǎn)操 控機構，所述回轉(zhuǎn)操控機構包括安裝在托架上的托架移動控制電機，托架移動 控制電機軸上安裝回轉(zhuǎn)齒輪，外殼內(nèi)固定有齒條，回轉(zhuǎn)齒輪與齒條相嚙合帶動 托架沿著齒條左右移動。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的胸鰭柔性擺動機器魚，其特征是所述外殼 的底部布置三條縱桁，在中部、艏艉曲線變化較大處及兩側過渡位置布置有五 條環(huán)形肋骨，整體用蒙皮包住。
4、 根據(jù)權利要求1或2所述的胸鰭柔性擺動機器魚，其特征是所述胸鰭 一面為柔性， 一面為剛性。
5、 根據(jù)權利要求3所述的胸鰭柔性擺動機器魚，其特征是所述胸鰭一面 為柔性， 一面為剛性。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種胸鰭柔性擺動機器魚。它包括外殼，安裝在外殼后部的尾鰭驅(qū)動機構和與尾鰭驅(qū)動機構連接的尾鰭，外殼為剛性外殼，其中設置有胸鰭推進和操縱機構，包括設置在外殼內(nèi)的托架和安裝在托架上的一個電機，電機通過主動齒輪帶動左右兩個從動齒輪，兩個從動齒輪分別與圓柱凸輪固定連接，圓柱凸輪和從動齒輪通過軸承固定在托架上，每個圓柱凸輪配合有凸輪滾子，凸輪滾子沿固定在托架上的支座上下滑動，凸輪滾子上通過滑塊連接有胸鰭連桿，滑塊連接在凸輪滾子上胸鰭連桿上安裝胸鰭。本發(fā)明結構簡單、緊湊。
文檔編號B63C11/00GK101665147SQ20091007292
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權日2009年9月18日
發(fā)明者凱 于, 史長權, 王麗艷, 王立權, 勝 黃 申請人:哈爾濱工程大學