多关节连杆式尾部机构及采用其推进的仿生机器鱼制造技术

本发明专利技术公开了一种多关节连杆式尾部机构及采用其推进的仿生机器鱼，包括至少2个具有相位差的关节、以及用于驱动每一关节实现摆动运动的驱动执行机构，该驱动执行机构包括竖直滑槽、可沿竖直滑槽往复运动的水平滑槽、以及偏心轴可沿水平滑槽往复运动且可旋转运动的偏心轮，水平滑槽通过连杆机构与关节相连；其中水平滑槽的初始位置之间具有相位差，偏心轮旋转使偏心轴沿水平滑槽往复运动并带动水平滑槽沿竖直滑槽往复运动，同时水平滑槽通过连杆机构带动关节作行波状摆动。本发明专利技术能够较准确地模拟鱼体尾部行波状摆动，降低摆动惯量的同时提升了仿生机器鱼的推进效果。

Multi-Joint Linkage Tail Mechanism and Bionic Robot Fish with Its Propulsion

【技术实现步骤摘要】
多关节连杆式尾部机构及采用其推进的仿生机器鱼
本专利技术涉及仿生机构，尤其一种涉及多关节连杆式尾部机构及采用其推进的仿生机器鱼。
技术介绍
随着科学技术的进步，具有海洋勘测、海底探查、海洋救捞以及水下侦察和跟踪功能的水下机器人已成为探索海洋和开发海洋的重要工具。生物界内鱼类凭借较高的游动速度和推进效率成为水下机器人的重点研究对象。通过对鱼类游动方式的研究，发现其柔性尾部按行波规律摆动是产生推进力的主要来源。目前，仿生机器鱼的尾部结构设计方案还停留在单电机驱动两关节运动或者采用多个舵机运动模拟多个关节运动，这些方案对尾部的运动规律描述存在不准确性，一定程度上影响机器鱼的推进效率。因此，亟待设计一款可准确模拟鱼类游动方式的尾部机构。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的第一目的是提供一种有可以准确模拟鱼类尾部行波状摆动运动且机动性能良好的多关节连杆式尾部机构。第二目的是提供一种采用该多关节连杆式尾部机构推进的仿生机器鱼。技术方案：为实现以上目的，本专利技术公开了一种多关节连杆式尾部机构，包括至少2个具有相位差的关节、以及用于驱动每一关节实现摆动运动的驱动执行机构，该驱动执行机构包括竖直滑槽、可沿竖直滑槽往复运动的水平滑槽、以及偏心轴可沿水平滑槽往复运动且可旋转运动的偏心轮，水平滑槽通过连杆机构与关节相连；其中水平滑槽的初始位置之间具有相位差，偏心轮旋转使偏心轴沿水平滑槽往复运动并带动水平滑槽沿竖直滑槽往复运动，同时水平滑槽通过连杆机构带动关节作行波状摆动。其中，所述驱动执行机构还包括依次连接的驱动电机、主齿轮和副齿轮，每一副齿轮的输出轴与偏心轮相连接，驱动电机驱动主齿轮和副齿轮啮合带动偏心轮旋转。优选的，所述每一水平滑槽上均连接有一曲柄，一曲柄通过第一连杆与一关节相连接，其余曲柄依次通过第一连杆和至少一个平行四边形机构与其余关节分别相连接。再者，所述关节包括第一关节和第二关节，副齿轮的数量为1个，该副齿轮的输出轴两端分别连接有偏心轮，一曲柄依次通过第一连杆和第一平行四边形机构与第二关节相连接；第一平行四边形机构包括依次连接的L型连杆和第二连杆，第一关节的中段处和L型连杆的弯折处共穿设有一固定轴，第一关节的端部和第二关节的折弯处共穿设有一可转动轴，可转动轴与固定轴相互平行。进一步，所述关节包括第一关节、第二关节和第三关节，副齿轮的数量为2个，主齿轮与2个副齿轮依次外啮合传动，一副齿轮的输出轴两端分别连接有偏心轮，另一副齿轮的输出轴一端连接有偏心轮，一曲柄依次通过第一连杆和第一平行四边形机构与第二关节相连接，另一曲柄依次通过第一连杆、第一平行四边形机构和第二平行四边形机构与第三关节相连接；第一平行四边形机构包括依次连接的L型连杆和第二连杆，第二平行四边形机构包括分别与第二连杆端部相连接的第三连杆和第四连杆，且第一关节的中段处和L型连杆的弯折处共穿设有一固定轴，第一关节的端部、第二关节的折弯处和第三连杆的端部共穿设有一可转动轴，第二关节的端部和第三关节的折弯处共穿设有一可转动轴，每一可转动轴均与固定轴相互平行。优选的，所述关节包括第一关节、第二关节、第三关节和第四关节，副齿轮的数量为2个，主齿轮与2个副齿轮依次外啮合传动，一副齿轮的输出轴两端分别连接有偏心轮，另一副齿轮的输出轴两端分别连接有偏心轮，一曲柄依次通过第一连杆和第一平行四边形机构与第二关节相连接，一曲柄依次通过第一连杆、第一平行四边形机构和第二平行四边形机构与第三关节相连接，另一曲柄依次通过第一连杆、第一平行四边形机构、第二平行四边形机构和第三平行四边形机构与第四关节相连接；第一平行四边形机构包括依次连接的L型连杆和第二连杆，第二平行四边形机构包括分别与第二连杆端部相连接的第三连杆和第四连杆，第三平行四边形机构包括分别与第四连杆端部相连接的第五连杆和第六连杆，且第一关节的中段处和L型连杆的弯折处共穿设有一固定轴，第一关节的端部、第二关节的折弯处和第三连杆的端部共穿设有一可转动轴，第二关节的端部、第三关节的折弯处和第五连杆的端部共穿设有一可转动轴，第三关节的端部和第四关节的折弯处共穿设有一可转动轴，每一可转动轴均与固定轴相互平行。再者，所述驱动电机和竖直滑槽均固定在底座上。本专利技术一种采用多关节连杆式尾部机构推进的仿生机器鱼，包括用于包覆多关节连杆式尾部机构的仿生外壳。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下显著优点：1、本专利技术利用水平滑槽的初始位置之间具有相位差，以及偏心轮旋转使偏心轴沿水平滑槽往复运动并带动水平滑槽沿竖直滑槽往复运动，同时水平滑槽通过连杆机构带动关节作行波状摆动，能够较准确地模拟鱼体尾部行波状摆动，具有很好的灵活度和良好的机动性能，降低摆动惯量的同时提升了仿生机器鱼的推进效果；2、本专利技术利用齿轮组啮合将电机的输出动力分解为多个关节的运动动力输入，通过对齿轮传动比的设计，能够改变各关节摆动的速度频率，从而达到最佳摆动效果，提高推进效率；3、本专利技术相邻关节之间采用平行四边形机构，能使前后相对杆件保持平行，并且有效地传递杆件之间的力、速度和运动形式，多连杆铰接保证了运动的可靠性；4、本专利技术设计偏心轮滑槽机构将输入的旋转运动转化成水平竖直两个方向的直线运动，竖直方向与连杆机构相接，便于对各关节运动规律进行控制；5、本专利技术在空间和电机负载能力允许的范围内，可进一步增加关节的数量，更加逼真地模拟鱼体尾部行波状的摆动运动，同时单电机驱动在较好模拟尾部摆动规律的基础上仍能提供较大力矩；6、本专利技术仅通过一个电机实现了对两关节以上的任意多个关节的驱动，在节省空间的同时保证了各个关节运动的稳定同步性。附图说明图1为本专利技术中实施例1中二关节连杆式尾部机构的结构示意图；图2为本专利技术实施例1中齿轮组、偏心轮和水平滑槽的结构示意图；图3为本专利技术实施例1中平行四边形机构的机构示意图；图4为本专利技术实施例2中三关节连杆式尾部机构的结构示意图；图5为本专利技术实施例2中齿轮组、偏心轮和水平滑槽的结构示意图；图6为本专利技术实施例2中平行四边形机构的机构示意图；图7为本专利技术中实施例3中四关节连杆式尾部机构的结构示意图；图8为本专利技术实施例3中齿轮组、偏心轮和水平滑槽的结构示意图；图9为本专利技术实施例3中平行四边形机构的机构示意图；图10为本专利技术中偏心轮的结构示意图。图11(a)～图11(l)为本专利技术中尾部机构一个周期内的运动规律示意图；图12(a)～图12(l)为本专利技术中带仿生外壳的尾部机构一个周期内的运动规律示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步说明。本专利技术一种多关节连杆式尾部机构，包括至少2个具有相位差的关节、以及用于驱动每一关节实现摆动运动的驱动执行机构，该驱动执行机构包括驱动电机4、主齿轮5、副齿轮6、竖直滑槽1、可沿竖直滑槽1往复运动的水平滑槽2、以及偏心轴可沿水平滑槽2往复运动且可旋转运动的偏心轮3，每一副齿轮6的输出轴与偏心轮3相连接，偏心轮3上设有偏心轴，如图10所示。水平滑槽2通过连杆机构与关节相连，即每一水平滑槽2上均连接有一曲柄7，一曲柄7通过第一连杆8与一关节相连接，其余曲柄7依次通过第一连杆8和至少一个平行四边形机构与其余关节分别相连接；其中水平滑槽2的初始位置之间具有相位差，使关节相互之间形成相位差，保障关节在运动过程中能够较准确地模拟鱼体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多关节连杆式尾部机构，其特征在于：包括至少2个具有相位差的关节、以及用于驱动每一关节实现摆动运动的驱动执行机构，该驱动执行机构包括竖直滑槽(1)、可沿竖直滑槽(1)往复运动的水平滑槽(2)、以及偏心轴可沿水平滑槽(2)往复运动且可旋转运动的偏心轮(3)，水平滑槽(2)通过连杆机构与关节相连；其中水平滑槽(2)的初始位置之间具有相位差，偏心轮(3)旋转使偏心轴沿水平滑槽(2)往复运动并带动水平滑槽(2)沿竖直滑槽(1)往复运动，同时水平滑槽(2)通过连杆机构带动关节作行波状摆动。

【技术特征摘要】
1.一种多关节连杆式尾部机构，其特征在于：包括至少2个具有相位差的关节、以及用于驱动每一关节实现摆动运动的驱动执行机构，该驱动执行机构包括竖直滑槽(1)、可沿竖直滑槽(1)往复运动的水平滑槽(2)、以及偏心轴可沿水平滑槽(2)往复运动且可旋转运动的偏心轮(3)，水平滑槽(2)通过连杆机构与关节相连；其中水平滑槽(2)的初始位置之间具有相位差，偏心轮(3)旋转使偏心轴沿水平滑槽(2)往复运动并带动水平滑槽(2)沿竖直滑槽(1)往复运动，同时水平滑槽(2)通过连杆机构带动关节作行波状摆动。2.根据权利要求1所述的多关节连杆式尾部机构，其特征在于：所述驱动执行机构还包括依次连接的驱动电机(4)、主齿轮(5)和副齿轮(6)，每一副齿轮(6)的输出轴与偏心轮(3)相连接，驱动电机(4)驱动主齿轮(5)和副齿轮(6)啮合带动偏心轮(3)旋转。3.根据权利要求2所述的多关节连杆式尾部机构，其特征在于：所述每一水平滑槽(2)上均连接有一曲柄(7)，一曲柄(7)通过第一连杆(8)与一关节相连接，其余曲柄(7)依次通过第一连杆(8)和至少一个平行四边形机构与其余关节分别相连接。4.根据权利要求3所述的多关节连杆式尾部机构，其特征在于：所述关节包括第一关节(9)和第二关节(10)，副齿轮(6)的数量为1个，该副齿轮(6)的输出轴两端分别连接有偏心轮(3)，一曲柄(7)依次通过第一连杆(8)和第一平行四边形机构与第二关节(10)相连接；第一平行四边形机构包括依次连接的L型连杆(11)和第二连杆(12)，第一关节(9)的中段处和L型连杆(11)的弯折处共穿设有一固定轴(13)，第一关节(9)的端部和第二关节(10)的折弯处共穿设有一可转动轴(14)，可转动轴(14)与固定轴(13)相互平行。5.根据权利要求3所述的多关节连杆式尾部机构，其特征在于：所述关节包括第一关节(9)、第二关节(10)和第三关节(15)，副齿轮(6)的数量为2个，主齿轮(5)与2个副齿轮(6)依次外啮合传动，一副齿轮(6)的输出轴两端分别连接有偏心轮(3)，另一副齿轮(6)的输出轴一端连接有偏心轮(3)，一曲柄(7)依次通过第一连杆(8)和第一平行四边形机构与第二关节(10)相连接，另一曲柄(7)依次通过第一连杆(8)、第一平行四边形机构和第二平行四边形机构与第三关节(15)相连接；第...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏丹，朱阳洋，赵意，熊雨杉，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32