一种仿海豹尾部结构及运动的仿生推进装置的制作方法

本发明属于仿生水下机器人技术领域，尤其涉及一种仿海豹尾部结构及运动的仿生推进装置。

背景技术：

传统水下航行器通过控制自身浮力以及重浮心的变化，实现下沉、上浮、转向等功能，同时通过螺旋桨等推进装置提供向前的推进力，具有续航时间长、体积小、经济性好等特点，因而得到了广泛的应用。但由于受到传统刚性机械结构的限制，使得目前水下航行器在环境适应性与机动性上尚有欠缺。同时，螺旋桨推进装置的使用虽能提供较大的推进力，但会产生较大的噪声，消耗较多的能量。

仿生机器人作为机器人研究的新领域，将传统机械结构与自然界生物运动行为相结合，创造出更加接近自然界生物的高效、柔顺、灵活的运动机构。水下生物经过上亿年的进化，在机动性、推进效率等方面具有绝对的优越性，也是仿生研究者的重点研究对象。海豹作为鳍足目哺乳动物，依靠尾部运动提供推进力，具有极强的机动性和优秀的推进效率。其稳重而灵活的躯体的运动机理具有较高的研究价值。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种解决现有水下机械人噪音和耗能大、结构复杂等问题的仿海豹尾部结构及运动的仿生推进装置。

本发明是这样实现的，一种仿海豹尾部结构及运动的仿生推进装置，其特征在于：包括脊椎框架单元、盆骨单元、胫骨单元、尾鳍单元和驱动单元。

所述盆骨单元通过具有弹性的脊椎柔性铰链连接于脊椎框架单元的中后部，所述盆骨单元的后部两侧通过具有弹性的髋关节柔性铰链对称安装两所述胫骨单元，胫骨单元的后部通过弹簧片连接后部为扇面形的尾鳍单元，所述驱动单元安装在所述脊椎框架单元上。

所述驱动单元包括防水陀机和由防水陀机驱动的线盘，线盘设置有可通过收线拉动盆骨单元摆动、且令摆动方向对侧的胫骨单元和尾鳍单元之间夹角变化的拉线。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明通过拉线作为驱动连接部件，采用仿海豹骨骼的结构设计方案，并使用柔性铰链作为连接“海豹骨骼”的柔性材料，高度模仿了海豹尾部柔顺运动动作，在水中运功更佳柔顺静谧，结构简单且噪音小，推进效率高。

2.本发明中作为主要连接件的柔性铰链可免除传统机械运动副所产生的摩擦，进一步提高了机械效率。

在上述技术方案中，优选的，所述脊椎框架单元的左右两侧部安装第一定滑轮，所述盆骨单元的左右两侧安装第二定滑轮，胫骨单元上安装第三定滑轮，尾鳍单元的前部安装第四定滑轮，线盘的拉线绕过第一定滑轮和与此第一定滑轮对侧的第二定滑轮、第三定滑轮和第四定滑轮后与尾鳍单元连接，拉线可令第二定滑轮、第三定滑轮和第四定滑轮产生向与之所在一侧相反方向的内收力。

在上述技术方案中，优选的，包括第一段刚性外壳体、第二段柔性外壳体和第三段刚性外壳体，所述第一段刚性外壳体固定在所述脊椎框架单元的前部，所述第三段刚性外壳体固定在所述盆骨单元上，所述第二段柔性外壳体为弹性条状板螺旋形成的壳体，所述第二段柔性外壳体的前端与所述第一段刚性外壳体固定，所述第二段柔性外壳体的后端与所述第三段刚性外壳体固定。

在上述技术方案中，优选的，所述盆骨单元设有盆骨浮力体，所述胫骨单元设有胫骨浮力体。

在上述技术方案中，优选的，所述第一段刚性外壳体、第二段柔性外壳体和第三段刚性外壳体构成仿海豹尾部躯体外形的壳体整体，所述壳体整体的外表面设置硅胶表层。

在上述技术方案中，优选的，所述尾鳍单元包括位于前部的踝关节，所述踝关节的前部与所述胫骨单元的后部通过弹簧片连接，所述踝关节的后部通过鳍轴安装扇面形的尾鳍组件，所述尾鳍组件包括上鳍板和下鳍板，上鳍板和下鳍板通过所述鳍轴铰接，所述上鳍板和下鳍板铰接点前方构成剪形构造，所述上鳍板和下鳍板铰接点后方构成扇面形，所述上鳍板和下鳍板的前端与所述拉线连接，所述鳍轴上套装令所述剪形构造夹角减小的卷簧。

在上述技术方案中，优选的，所述上鳍板包括上侧外趾骨和上侧内趾骨，所述上侧外趾骨固定于所述上侧内趾骨且位于上侧内趾骨的上方；所述下鳍板包括下侧外趾骨和下侧内趾骨，所述下侧外趾骨固定于所述下侧内趾骨且位于下侧内趾骨的下方，所述上侧内趾骨和下侧内趾骨的前部通过所述鳍轴铰接铰接，所述上鳍板和下鳍板外侧套设有柔性鳍形套。

在上述技术方案中，优选的，所述上鳍板和下鳍板之一具有与令另一鳍板相对且可令其插入的缝槽。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明的内部结构示意图；

图3是本发明中盆骨单元与胫骨单元的连接结构示意图；

图4是本发明中盆骨单元的结构示意图；

图5是本发明中胫骨单元与尾鳍单元的连接结构示意图；

图6是本发明中尾鳍单元的结构示意图；

图7是本发明中上鳍板和下下鳍板的安装结构示意图；

图8是本发明中下鳍板的结构示意图；

图9是本发明中上鳍板的结构示意图；

图10是本发明中拉线的绕线结构示意图。

图中、1、脊椎框架单元；1-1、第一定滑轮；2、盆骨单元；2-1、第二定滑轮；2-2、盆骨浮力体；3、胫骨单元；3-1、第三定滑轮；3-2、盆骨浮力体；4、尾鳍单元；4-1、第四定滑轮；4-2、踝关节；4-3、鳍轴；4-4、上鳍板；4-4-1、上侧外趾骨；4-4-2、上侧内趾骨；4-5、下鳍板；4-5-1、下侧外趾骨；4-5-2、下侧内趾骨；4-6、卷簧；5、驱动单元；5-1、防水陀机；5-2、线盘；6、脊椎柔性铰链；7、髋关节柔性铰链；8、弹簧片；9、第一段刚性外壳体；10、第二段柔性外壳体；11、第三段刚性外壳体；12、密封舱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为解决现有水下机械人噪音和耗能大、结构复杂等弊端，本发明特提供一种仿海豹尾部结构及运动的仿生推进装置，本装置动作更加接近自然界的生物，且机械效率高。为了进一步说明本发明的结构，结合附图详细说明书如下：

请参阅图1-图6以及图10，一种仿海豹尾部结构及运动的仿生推进装置，包括脊椎框架单元1、盆骨单元2、胫骨单元3、尾鳍单元4和驱动单元5。具体的，脊椎框架单元1的主体为框架构造，可选用abs材料。盆骨单元2的主体为abs材质的架体。盆骨单元2设于脊椎框架单元1的后方。此处以及以下所述“前后左右”均以装置的行进方向为参照标准。

盆骨单元2通过脊椎柔性铰链6连接于脊椎框架单元1的中后部。具体的，脊椎柔性铰链6是两弧顶相对设置的弧形弹性金属片构成，其前端通过螺栓固定在脊椎框架单元1的后部中心位置，且后端通过螺栓固定盆骨单元2的前部中心位置。脊椎框架单元1的后部以及盆骨单元2的前部具有用于固定弧形弹性金属片的斜面部分。本实施例中，脊椎框架单元1和盆骨单元2之间的中心位置处上下设置两所述脊椎柔性铰链6。

盆骨单元2的后部两侧通过髋关节柔性铰链7对称安装两胫骨单元3。髋关节柔性铰链7同样为两弧顶相对设置的弧形弹性金属片。髋关节柔性铰链7的前端通过螺钉固定在盆骨单元2的侧部，髋关节柔性铰链7的后端通过螺栓固定胫骨单元3的前端。胫骨单元3的主体为abs材质的长条状框架体，框架体上可利用螺栓安装面板。具体的，本实施例中，在盆骨单元2的前部设有向左右延伸的架体部分，两架体部分上分别通过螺钉安装髋关节柔性铰链7。

胫骨单元3的后部通过弹簧片8连接后部为扇面形的尾鳍单元4。具体的，弹簧8片为v形金属弹性片，其两端分别通过螺钉固定在胫骨单元3的主体后端以及尾鳍单元4的前端。为了保证胫骨单元3与尾鳍单元4之间连接的稳定可靠性，胫骨单元3的主体后端与尾鳍单元4的前端通过轴线竖直设置的销轴铰接，尾鳍单元4可以销轴为轴心翻转。本实施例中，在此销轴的上下侧分别设置所述弹簧片8。

驱动单元5包括防水陀机5-1和由防水陀机5-1驱动的线盘5-2，线盘5-2设置有可通过收线拉动盆骨单元1摆动、且令摆动方向对侧的胫骨单元2和尾鳍单元4之间夹角变化的拉线。盆骨单元2向一侧方向摆动，位于摆动方向对侧的胫骨单元3和尾鳍单元4之间夹角变化，此活动方式与海豹的游动推进动作相仿。

本实施例中，具体的，在脊椎框架单元1的主体框架内侧中轴位置设置一架体部分，此架体部分利用螺钉安装防水陀机5-1，防水陀机5-1的输出轴竖直朝上且安装具有两个线槽的线盘5-2。

脊椎框架单元1的左右两侧部安装第一定滑轮1-1，盆骨单元2的左右两侧安装第二定滑轮2-1，胫骨单元3上安装第三定滑轮3-1，尾鳍单元4的前部安装第四定滑轮4-1。线盘5-2的拉线绕过第一定滑轮1-1和与此第一定滑轮1-1对侧的第二定滑轮2-1、第三定滑轮3-1和第四定滑轮4-1后与尾鳍单元4连接。拉线可令第二定滑轮2-1、第三定滑轮3-1和第四定滑轮4-1产生向与之所在一侧相反方向的内收力。具体动作表现为，以左侧尾鳍单元4做冲程动作为例，线盘5-2向一方向转动并拉动绕过右侧第一定滑轮1-1的右侧拉线，盆骨单元2左侧的第二定滑轮2-1受到此拉线的压力而整体向右侧摆动，盆骨单元2摆动的同时，左侧的胫骨单元3和尾鳍单元4上的第三定滑轮3-1和第四定滑轮4-1同时受到向右压力，压力令胫骨单元3和尾鳍单元4的夹角变化，且由盆骨单元2带动向右摆动。

与同一条拉线结合的第一定滑轮1-1、第二定滑轮2-1、第三定滑轮3-1和第四定滑轮4-1，具有与线盘5-2的一线槽同水平面的线槽。

本实施例中，除游水摆动动作为海豹仿生动作之外，尾鳍单元4同样具有与海豹尾鳍仿生的动作。请参阅图7-图9，具体的，尾鳍单元4包括位于前部的踝关节4-2，踝关节4-2为矩形块状架体，第四定滑轮4-1安装在其上。踝关节4-2的前部与胫骨单元3的后部通过弹簧片8和销轴连接。踝关节4-2的后部通过鳍轴4-3安装扇面形的尾鳍组件。尾鳍组件包括上鳍板4-4和下鳍板4-5，上鳍板4-4和下鳍板4-5通过鳍轴4-3铰接。上鳍板4-4和下鳍板4-5铰接点前方构成剪形构造，上鳍板4-4和下鳍板4-5铰接点后方构成扇面形，上鳍板4-4和下鳍板4-5的前端与同一条拉线连接，鳍轴4-3上套装令所述剪形构造夹角减小的卷簧4-6。即在踝关节4-2的后端设有轴孔，鳍轴4-3是分别插装在轴孔中同轴线的两可绕自身轴线转动的螺钉轴承，下鳍板4-5的前部两侧通过螺纹分别与两螺钉轴承的内端部连接，下鳍板4-5为双面板体构造，双面板体之间构成上侧开口的插缝，插缝的前部具有与螺钉轴承同轴线的轴柱，上鳍板4-4的前部设有与此轴柱结合的轴孔，且上鳍板4-4安装在此轴柱上可绕轴柱转动，上鳍板4-4的位于与插缝对应，上鳍板4-4的轴孔与轴柱之间安装法兰轴承。下鳍板4-5的一面板体内端面设有与轴柱同轴线的圆环形凹槽，上鳍板4-4与之对应的端面具有同轴线的圆环形凹槽，两圆环形凹槽构成用于设置卷簧4-6的圆环形腔，卷簧4-6设置在其内且两端分别与上鳍板4-4和下鳍板4-5连接。卷簧4-6对上鳍板4-4和下鳍板4-5施加令二者后部相互远离(扇面展开)的力。

本实施例中，上鳍板4-4包括上侧外趾骨4-4-1和上侧内趾骨4-4-2。上侧内趾骨4-4-2为上鳍板4-4的主体结构。上侧外趾骨4-4-1固定于上侧内趾骨4-4-2且位于上侧内趾骨4-4-2的上方。上侧外趾骨4-4-1作为上端轮廓与上侧内趾骨4-4-2构成上侧半扇形骨架，上侧外趾骨4-4-1为具有弹性的金属片。下鳍板4-5包括下侧外趾骨4-5-1和下侧内趾骨4-5-2。下侧内趾骨4-5-2为下鳍板4-5的主体结构。下侧外趾骨4-5-1固定于下侧内趾骨4-5-2且位于下侧内趾骨4-5-2的下方，上侧外趾骨4-4-1作为上端轮廓与上侧内趾骨4-4-2构成上侧半扇形骨架，上侧外趾骨4-4-1为具有弹性的金属片。上鳍板4-4和下鳍板4-5外侧套设有柔性鳍形套。本实施例中，柔性鳍形套为硅胶材质的套装在上侧外趾骨4-4-1、上侧内趾骨4-4-2、下侧外趾骨4-5-1和下侧内趾骨4-5-2构成的骨架构造上的与海豹尾鳍形状相仿的套体。

上侧内趾骨4-4-2和下侧内趾骨4-5-2的前部通过鳍轴4-3铰接铰接。在尾鳍单元4摆动的过程中，通过水流压力作用，具有弹性的上侧外趾骨4-4-1与下侧外趾骨4-5-1成弧形弯曲，可实现尾鳍扇形尾部随摆动的圆弧内收。

关于尾鳍的驱动，如上所述，安装在防水舵机5-1上的线盘5-2具有上下两层分布的线槽，两线槽绕装的拉线分别控制左右两侧的尾鳍单元4。初始状态下，防水舵机5-1处于中位状态，两侧拉线紧绷，在脊椎柔性铰链6和其后方两侧的髋关节柔性铰链7自然状态下，盆骨单元2与脊椎框架单元1同轴线，两胫骨单元3在盆骨单元2的两侧对称，胫骨单元3的中轴线与盆骨单元2的中轴线夹角为5°。尾鳍单元4的踝关节4-2中轴线与胫骨单元3的中轴线的夹角6°。后方尾鳍组件在拉线与卷簧4-6的作用下呈半展开状态。

具体动作示例

以动力冲程为例，左侧的尾鳍单元为驱动尾鳍，右侧为被动尾鳍。防水舵机带动右侧拉线进一步拉紧，产生驱动力。此右侧拉线依次绕过右侧第一定滑轮的右侧、左侧第二定滑轮的左侧、左侧第二定滑轮的坐车以及左侧第四定滑轮的左侧。驱动力通过右侧第一定滑轮、左侧第二定滑轮、第三定滑轮和第四定滑轮作用于左侧尾鳍单元的上鳍板和下鳍板前端，使上鳍板和下鳍板克服卷簧的扭矩，绕踝关节后端的铰接点处旋转，并且上侧外趾骨与下侧外趾骨的弯曲令扇形尾部在水流作用下使该侧鳍面展开到最大迎流面积。

当防水舵机摆动到单侧端点时骨盆单元与脊椎框架单元的中轴线夹角为15°夹角。左侧的胫骨单元通过拉线作用贴紧于骨盆单元，并且左侧的踝关节在拉线作用下与同侧的胫骨单元呈反向15°夹角，左侧的尾鳍单元的鳍面与整体前进方向平行。右侧拉线拉紧的同时，左侧拉线松弛。松弛的拉线依次通过左侧的第一定滑轮左侧、右侧第二定滑轮的右侧、右侧第三定滑轮的而右侧以及右侧第四定滑轮的右侧，拉线对右侧尾鳍单元的上鳍板和下鳍板前端拉力减小，使上鳍板和下鳍板无法克服对应卷簧的弹力，且对应侧的上侧外趾骨与下侧外趾骨在水流作用下弧形弯曲，使此尾鳍单元的鳍面弧形收缩为最小面积。与此同时，髋关节柔性铰链右侧失去拉线作用力，恢复初始状态，盆骨单元与胫骨单元呈10°夹角。右侧踝关节与右侧的胫骨单元由于弹簧片的作用，呈12°夹角。至此，实现动力冲程过程中仿海豹的驱动动作。恢复冲程时，防水舵机反向转动，改变拉线的松紧状态，交换尾鳍单元的驱动侧与被动侧，与动力冲程对称，完成一个周期的摆动。

为令本装置外形具有仿生构造，包括第一段刚性外壳体9、第二段柔性外壳体10和第三段刚性外壳体11。第一段刚性外壳体9固定在脊椎框架单元1的前部。第三段刚性外壳体11固定在盆骨单元2上，盆骨单元2的架体前部具有用于固定第三段刚性外壳体11的圈形架。第二段柔性外壳体10为弹性条状板螺旋形成的壳体，第二段柔性外壳体10的前端与第一段刚性外壳体9固定，第二段柔性外壳体10的后端与所述第三段刚性外壳体11固定。第一段刚性外壳体9、第二段柔性外壳体10和第三段刚性外壳体11构成仿海豹尾部躯体外形的壳体整体，壳体整体的外表面设置硅胶表层。第二段柔性外壳体10可使第一段刚性外壳体9与第三段刚性外壳体11随脊椎框架单元与骨盆单元相对摆动而进行柔顺变形，使装置更加接近海豹尾部柔顺的摆动动作。

在脊椎框架单元1的前部安装密封舱12，密封舱12内安装主控制单元和能源单元，主控制单元是防水陀机控制器，能源单元包括两块可充电电池包。

所述线盘5-2的直径的计算过程为：

由于所设计的仿海豹尾部柔性推进机构的摆动频率f＝0.5hz，因此摆动周期：

单程摆动时间：

本实施例中舵机为水下200米防水舵机，扭转角度为0～180°，空载速度为0.1～0.08s/60°。根据需求，取舵机单侧180°转动为1行程，且经计算，拉线单程摆动总长度变化为52.33。则拉线转盘直径为：

为保证椎间盘柔性铰链6不受竖直方向作用力，盆骨单元2设有盆骨浮力体2-2，浮力体是固定在盆骨单元2上的浮力材料，通过此浮力材料对骨盆单元2进行重浮力配平。为保证髋关节柔性铰链7不受竖直方向作用力，胫骨单元3设有盆骨浮力体3-2，浮力体是固定在盆骨单元3上的浮力材料，通过此浮力材料对胫骨单元3进行重浮力配平。盆骨单元2的主体后部位于两胫骨单3元之间，此后部的两侧对胫骨单元3起到限位作用，胫骨单元3受到拉线作用时，可抵住盆骨单元2侧部，助力盆骨单元2摆动。盆骨单元2的后部两侧还凸出于第一定滑轮，以避免胫骨单元3与第一定滑轮干涉。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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