[发明专利]一种仿生胸鳍运动装置设计方法

说明书

本发明提供了一种仿生胸鳍运动装置设计方法，根据仿生胸鳍运动装置的设计要求，通过主电机、副电机、主梁、曲轴、固定支架和组装方法的设计，完成仿生胸鳍的摆动和扭转的运动，应用本发明的技术方案，以解决现有设计方法得到的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。

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设计方法，能够解决现有设计方法得到的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设计方法，步骤如下：

根据仿生胸鳍运动装置的设计要求，胸鳍运动方式、摆动角度、扭转角度、运动频率、摆动驱动最大力矩、扭转驱动最大力矩、电机尺寸、质量约束和减震降噪要求，确定主电机和副电机的类型和尺寸；

环框设计：根据仿生胸鳍的三维模型，沿仿生胸鳍展向设计n个环框，所述的环框设计包括一个固定环框的设计和n-1个扭转环框的设计，环框外形与环框所在位置的仿生胸鳍的外形相同，环框内部为薄板支撑的框架结构；

主梁设计：根据仿生胸鳍的设计要求和沿展向的剖面特征，设计主梁的直径和长度，并设计主梁与主电机的连接结构、主梁与环框的连接结构；

曲轴设计：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，根据仿生胸鳍的设计要求对曲轴的段数、每段直径和固定架进行设计。

固定支座设计：根据需要固定位置的主梁和曲轴的相对位置、主梁和曲轴的直径以及主梁和曲轴与固定支座的连接方式来设计固定支座。

仿生胸鳍运动装置的组装：将主梁的一端和主电机连接，主梁和位于仿生胸鳍根部的固定环框固定连接，和扭转环框通过轴承连接，曲轴的一端与副电机连接，副电机固定于固定环框内，曲轴与扭转环框通过滑动槽连接，主梁与曲轴之间通过固定支架连接。

进一步的，所述的固定架的设计：所述的固定架为一块平板，在平板的上下两面的合适位置打孔，分别固定前后两端曲轴，孔中心之间的距离由此处曲轴中心线距离主梁中心线的距离确定，固定架的厚度、形状以及选材以满足曲轴扭转的强度要求为设计前提，重量越轻越好。