本實(shí)用新型屬于水下仿生機(jī)器魚的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于曲柄滑塊結(jié)構(gòu)的雙尾鰭仿生機(jī)器魚。

背景技術(shù)：

近年來，水下機(jī)器人的研究越來越受到各國的重視。如何提升水下機(jī)器人的效率、機(jī)動(dòng)性、同時(shí)降低噪聲始終是水下機(jī)器人技術(shù)研究的重要問題。在早期，以螺旋槳或者噴水裝置作為推進(jìn)器的水下機(jī)器人往往會(huì)產(chǎn)生側(cè)向渦流，降低效率。魚類作為最古老的脊椎動(dòng)物，具備無比卓越的水下運(yùn)動(dòng)能力，其游動(dòng)效率普遍超過了80％，與之形成鮮明對(duì)比的是傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)效率僅為它的一半。此外在機(jī)動(dòng)性方面，梭子魚在快速啟動(dòng)捕捉獵物時(shí)能夠達(dá)到200m/s²的加速度，這些都是傳統(tǒng)水下機(jī)器人無法具備的優(yōu)良性能。根據(jù)魚類非凡的水下運(yùn)動(dòng)性能，生物學(xué)家以及機(jī)器人工作者開發(fā)出了新型水下推進(jìn)裝置，即仿生機(jī)器魚。與傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)器相比，仿生機(jī)器魚具有推進(jìn)效率高、機(jī)動(dòng)性能好、噪音低、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

鑒于仿生機(jī)器魚的諸多優(yōu)點(diǎn)，使得新型仿生機(jī)器魚的研究與開發(fā)越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視，同時(shí)也取得了許多階段性成果。但是，在理論分析以及實(shí)驗(yàn)方面仍有許多問題亟待解決，所設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器魚的各項(xiàng)性能指標(biāo)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到自然界真實(shí)魚類的水平。本實(shí)用新型根據(jù)仿生機(jī)器魚的性能特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款雙尾鰭仿生機(jī)器魚，并創(chuàng)新性的采用了曲柄滑塊傳動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)單電機(jī)控制雙尾鰭的來回往復(fù)擺動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題為：針對(duì)目前仿生機(jī)器魚在水中游行的不穩(wěn)定性以及推進(jìn)力不足的情況，采用獨(dú)特的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)巧妙的實(shí)現(xiàn)了單電機(jī)控制雙尾鰭的呈180度相位差的來回往復(fù)擺動(dòng)，可顯著提高仿生機(jī)器魚在水中的巡游速度和穩(wěn)定性。

本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為：一種基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的雙尾鰭仿生機(jī)器魚，由尾鰭、魚尾、魚體以及魚頭四個(gè)部分組成，尾鰭、魚尾、魚體以及魚頭依次連接，魚尾部分巧妙的 利用了曲柄滑塊裝置將電機(jī)輸出的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)化為雙尾鰭正弦來回往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)形式。

進(jìn)一步的，所述仿生機(jī)器魚整體呈魚體形狀。

進(jìn)一步的，所述仿生機(jī)器魚尾部有兩個(gè)對(duì)稱擺動(dòng)的尾鰭，尾鰭形狀為長(zhǎng)方形，橢圓形或扇形。

進(jìn)一步的，所述電機(jī)軸與第一曲柄，第一短軸與第二曲柄，第二曲柄與第二短軸的連接方式是鍵槽連接、鉸接或螺栓連接。

進(jìn)一步的，所述的曲柄滑塊裝置中的第一關(guān)鍵零件和第二關(guān)鍵零件與短軸的連接方式為U型槽連接。

進(jìn)一步的，所述曲柄滑塊裝置中為了保證第一關(guān)鍵零件和第二關(guān)鍵零件只能在水平方向上來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可采用水平滑軌或U型槽裝置限制其自由度。

進(jìn)一步的，所述的雙尾鰭與尾部夾持裝置的連接方式為螺栓連接、膠粘、焊接或鉚接。

具體的，一種基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的雙尾鰭仿生機(jī)器魚，由尾鰭、魚尾、魚體以及魚頭四個(gè)部分組成，尾鰭、魚尾、魚體以及魚頭依次連接，所述的魚尾部又兩個(gè)對(duì)稱的尾鰭，尾鰭形狀呈長(zhǎng)方形，魚尾包括電機(jī)的輸出軸、第一曲柄、第一短軸、第二曲柄、第二短軸、第一關(guān)鍵零件、第二關(guān)鍵零件、第一水平滑軌和第二水平滑軌，所述的電機(jī)的輸出軸通過鍵槽之間的配合與第一曲柄一端相連，所述的第一曲柄的另一端通過鍵槽之間的配合與第一短軸一端相連，所述的第一短軸另一端通過鍵槽之間的配合與第二曲柄一端相連，所述的第二曲柄另一端通過鍵槽之間的配合與第二短軸一端相連，第二短軸另一端通過鍵槽之間的配合與軸承相連，這樣就將電機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為了兩個(gè)相位差為180°的第一短軸、第二短軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；第一關(guān)鍵零件、第二關(guān)鍵零件上的U形槽分別與第一短軸、第二短軸相配合，第一關(guān)鍵零件、第二關(guān)鍵零件與第一水平滑軌、第二水平滑軌配合，用于實(shí)現(xiàn)第一關(guān)鍵零件、第二關(guān)鍵零件只有水平方向上運(yùn)動(dòng)的自由度，第一關(guān)鍵零件、第二關(guān)鍵零件就把第一短軸、第二短軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成了水平方向的橫向移動(dòng)。

其中，電機(jī)的輸出軸通過鍵槽與第一曲柄和第二曲柄相連，兩個(gè)曲柄通過鍵槽的配合與第一短軸和第二短軸相連，第一短軸和第二短軸通過U形槽的配合帶動(dòng)第一關(guān)鍵零件和第二關(guān)鍵零件運(yùn)動(dòng)，第一關(guān)鍵零件和第二關(guān)鍵零件又與第一水平滑軌、第二水平滑軌配合，用來保證零件只能在水平方向上運(yùn)動(dòng)，尾部夾持裝置的曲柄通過第三短軸和第四短軸與第一關(guān)鍵零件和第二關(guān)鍵零件相連，所述的雙尾鰭通過螺栓連接的方式與尾部的夾持裝置相連，這樣就把第一關(guān)鍵零件和第二關(guān)鍵零件的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)傳遞給尾部對(duì)稱的雙尾鰭。

本實(shí)用新型的原理在于：

本實(shí)用新型仿生機(jī)器魚尾部采用了獨(dú)特的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置，巧妙的實(shí)現(xiàn)了單個(gè) 電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)控制雙尾鰭來回往復(fù)擺動(dòng)，并且從機(jī)構(gòu)上保證雙尾鰭運(yùn)動(dòng)的相位差始終為180°，理論和實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)雙尾鰭擺動(dòng)的相位差在180°時(shí)，該結(jié)構(gòu)能夠有效的消除尾鰭在擺動(dòng)過程中產(chǎn)生的側(cè)向力，從而提高了仿生機(jī)器魚游行時(shí)的穩(wěn)定性，而單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)尾鰭來回?cái)[動(dòng)，使得尾鰭擺動(dòng)能夠達(dá)到很高的頻率，進(jìn)而提高了仿生機(jī)器魚的巡游效率和速度。

實(shí)現(xiàn)過程：仿生機(jī)器魚尾部采用對(duì)稱的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，使電機(jī)的輸出軸帶動(dòng)雙尾鰭實(shí)現(xiàn)相位差為180°的來回往復(fù)擺動(dòng)，具體結(jié)構(gòu)見附圖及說明。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)、本發(fā)明利用單個(gè)電機(jī)控制，在尾部獨(dú)特的采用了對(duì)稱的曲柄滑塊傳動(dòng)裝置，能夠有效的保證尾部雙尾鰭來回?cái)[動(dòng)的相位差始終為180°，從而消除了側(cè)向力，保證了巡游的穩(wěn)定性。

(2)、利用單電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生尾鰭的正弦擺動(dòng)形式，從而使尾鰭能夠達(dá)到更高的頻率。

(3)、能夠利用結(jié)構(gòu)的特殊性比較簡(jiǎn)單的改變尾鰭擺動(dòng)的幅值。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型仿生機(jī)器魚總裝圖；

圖2為仿生機(jī)器魚尾部部分傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖；

圖3為雙尾鰭內(nèi)部部分結(jié)構(gòu)圖；

圖4為仿生機(jī)器魚的魚尾整體結(jié)構(gòu)圖；

圖5為仿生機(jī)器魚的關(guān)鍵零件圖；

圖6為仿生機(jī)器魚魚身及魚頭部分。

圖中附圖標(biāo)記含義為：1為尾鰭，2為魚尾，3為魚體，4為魚頭，5為電機(jī)輸出軸，6為第一曲柄，7為第一短軸，8為第二曲柄，9為第二短軸，10為第一關(guān)鍵零件，11為第一水平滑軌，12為第二關(guān)鍵零件，13為第二水平滑軌，14為尾部第一曲柄，15為第三短軸，16為尾部第二曲柄，17為第四短軸。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式進(jìn)一步說明本實(shí)用新型。

圖1為該仿生機(jī)器魚的總裝配3D圖。從總裝配圖中可以看出，仿生機(jī)器魚由尾鰭1、魚尾2、魚體3以及魚頭4四個(gè)部分組成。本實(shí)用新型的創(chuàng)新點(diǎn)在于尾部獨(dú)特的曲柄滑塊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此重點(diǎn)講一下魚尾2部分。

圖2為魚尾內(nèi)部部分傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖。在圖2中可以看到，電機(jī)的輸出軸5通過鍵槽之間的配合與第一曲柄6相連，而第一曲柄6的另一端鍵槽又與第一短軸7配合，接著再用同樣的連接方式將第一短軸7與第二短軸9通過第二曲柄8相連，這樣就能巧妙的把電機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為了兩個(gè)相位差為180°的第一短軸7、第二短軸9的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

在圖2的基礎(chǔ)上，加入第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12以及第一水平滑軌11、第二水平滑軌13就形成了圖3。在圖3中，第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12上的U形槽與圖2中的第一短軸7、第二短軸9相配合，而第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12與第一水平滑軌11、第二水平滑軌13配合，保證了第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12只有水平方向上運(yùn)動(dòng)的自由度，這樣，第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12的特殊結(jié)構(gòu)就把圖2中第一短軸7、第二短軸9的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成了水平方向的橫向移動(dòng)。

在圖3的基礎(chǔ)上，把尾鰭的連接裝置加入進(jìn)去，形成圖4。圖4中，第三短軸15、第四短軸17通過鍵槽與圖3中的第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12配合，尾鰭連接裝置的尾部第一曲柄14、第二曲柄16又與第三短軸15、第四短軸17相連，這樣就能把第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12的水平運(yùn)動(dòng)傳遞給尾鰭，實(shí)現(xiàn)尾鰭的來回往復(fù)擺動(dòng)。從上述的說明中我們明顯可以知道，該傳動(dòng)裝置其實(shí)就是兩個(gè)對(duì)稱的曲柄滑塊裝置，圖2中的第一短軸7、第二短軸9(相當(dāng)于曲柄)帶動(dòng)圖3中的第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12(相當(dāng)于滑塊)來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

為了能夠更加清楚的介紹傳動(dòng)原理，將第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12的結(jié)構(gòu)圖展示出來，即為圖5。第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12形狀相同，從圖5中可以看到，該第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12的a處是一個(gè)U型槽，它分別與圖2中的第一短軸7、第二短軸9配合，把第一短軸7、第二短軸9的相位差為180度的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為同樣相位差為180度的兩個(gè)水平來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12的b處是兩個(gè)圓筒形狀的通孔，兩根圓柱形的水平滑軌剛好能夠插入通孔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)與關(guān)鍵零件的配合，保證該第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12只有水平沿滑軌方向的單個(gè)自由度。該第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12的c處有一個(gè)鍵槽，用來與第三短軸15和第四短軸17上的鍵配合，通過鍵槽連接的方式將水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)的形式傳遞給尾鰭，實(shí)現(xiàn)尾鰭的來回往復(fù)擺動(dòng)。總的來說，該結(jié)構(gòu)巧妙的實(shí)現(xiàn)了單電機(jī)控制雙尾鰭呈180度相位差的來回往復(fù)擺動(dòng)。根據(jù)曲柄滑塊的理論知識(shí)，要想增大滑塊的行程，就得增大曲柄的旋轉(zhuǎn)半徑。同樣的道理，如果想要增大尾鰭的擺幅，可以增大圖2中第一短軸7、第二短軸9的旋轉(zhuǎn)半徑，具體實(shí)現(xiàn)方式可以是增加圖2中第一曲柄2、第二曲柄4的長(zhǎng)度。

圖6為仿生機(jī)器魚的魚體及魚頭部分，魚體上下各有4個(gè)緊固螺栓，實(shí)現(xiàn)與魚尾及魚頭 部分的連接和固定，魚體內(nèi)部裝有控制電機(jī)、給電機(jī)供電的電池以及各種電路板及驅(qū)動(dòng)裝置，魚頭內(nèi)部裝有開關(guān)裝置。