[发明专利]基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种水下仿生胸鳍推进装置，属于水下潜器技术领域，具体来说，是一种能够模仿海洋中胸鳍摆动推进的蝠鲼胸鳍三维运动变形的多鳍条多关节仿生胸鳍驱动骨架。

背景技术

鱼类经过亿万年的自然选择，进化出了近乎完美的游动技能，尤其在速度、机动性、效率、低噪声等诸多方面表现非常突出。但是人类研发的水下螺旋桨推进器，与鱼类相比，在速度、机动性、效率等诸多方面均表现欠佳。因而越来越多的研究者试图通过仿生方式来提高水下推进器的性能，因此水下仿生机器人也受到了越来越多的关注。

鱼类的推进方式主要分为两种，身体/尾鳍推进模式(body/caudal fin mode,BCF)和中央鳍/对鳍推进模式(median and/or paired fin mode,MPF)。本发明中的仿生原型(蝠鲼)依靠胸鳍摆动推进，属于MPF鱼类的一种，与BCF模式相比，在机动性、噪声、游动效率方面具备明显优势。蝠鲼胸鳍在摆动时，其展向截面形状为多项式曲线，通常有三种方法以拟合曲线运动规律：智能材料、柔性机构、刚性机构。智能材料与柔性机构产生的驱动力较小，导致仿生机器鱼游速低等问题，而多数刚性机构存在鳍条外形隆起，导致胸鳍外形不美观、不光滑，驱动效率低等问题。

发明内容

为了解决上述问题，在拟合胸鳍变形的多项式曲线的前提下，优化胸鳍的变形效果，提高胸鳍外形的光滑程度，本发明提出一种基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，而且能够装备到水下潜器机体上的，结构简单、应用灵活的水下推进装置。

基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，其特征在于：包括前鳍条、中鳍条与后鳍条，均由m组传动杆、m套行星轮系机构、一根尾杆与一个驱动舵机构成；m≥1且m为自然数。所述传动杆内部具有空腔，安装有同步带传动机构，同步带传动机构中，两个同步带轮分别通过轮轴安装于传动杆的输入端与输出端；行星轮系机构具有相互啮合的太阳轮和行星轮。

上述m组传动杆中，位于末端传动杆的输入端与驱动舵机输出轴固定，由驱动舵机驱动传动杆上下摆动；且通过一套行星轮系机构将传动杆上下摆动转化为末端传动杆的输入端轮轴的转动，进而使末端传动杆内同步带传动机构实现动力传递。

当m>1时，第n组传动杆与第n+1组传动杆中，n＝1、2、3、……、m-1，第n+1组传动杆的输入端与第n组传动杆输出端的转轴固定；进而使第n组传动杆内同步带传动机构将动力传递至第n+1组传动杆，驱动第n+1组传动杆的上下摆动；且通过一套行星轮系机构将第n组传动杆上下摆动转化为第n+1组传动杆的输入端轮轴的转动，进而使第n+1组传动杆内同步带传动机构实现动力传递传动。

第m组传动杆的输出端轮轴通过尾杆连接臂与尾杆末端固定，通过第m组传动杆内同步带传动机构将动力传递至尾杆，驱动尾杆上下摆动。

上述前鳍条、中鳍条与后鳍条中驱动舵机安装于舵机安装座上，通过舵机安装座与机器鱼中间基体固定。

通过合理控制鳍条间的运动相位差，本发明基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，可实现由展向摆动以及弦向波动耦合而成的复杂三维运动。

本发明的优点在于：

1、本发明基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，前鳍条、中鳍条、后鳍条均采用防水舵机驱动，能够拟合仿生对象蝠鲼的胸鳍展向变形规律；

2、本发明基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，能够灵活应用于仿生水下航行器中，根据航行器的尺寸以及任务需求，可以灵活选择鳍条的数目以及展向长度。

3、本发明基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，结构紧凑，在鳍条的整个运动过程中，鳍条运动关节处无隆起，外形光滑，可以采用非透水整体浇筑蒙皮包覆。

4、本发明基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，前鳍条与后鳍条采用相同关节数目及刚度的鳍条，使得航行器具备良好的倒游能力；

5、本发明基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置，中鳍条尾杆上装有转动关节，提高了胸鳍尖端的弦向转动能力，相邻鳍条通过弹簧牵连，以驱动转动关节运动。

附图说明

图1为本发明基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置整体结构示意图；

图2为本发明基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置的前鳍条或后鳍条结构爆炸图；

图3为本发明基于行星轮系和同步带传动机构的水下推进装置的中鳍条结构爆炸图。

图中：

1-前鳍条2-中鳍条3-后鳍条4-传动杆