一种仿海狮前鳍推进装置的制作方法

本发明涉及仿生水下航行器推进技术领域，更具体地说，本发明涉及一种具有仿海狮前鳍运动特征的高效率仿生推进装置。

背景技术：

随着水下航行器应用领域的拓展，要求水下航行器具有更加优良的运动性能，因而对其推进技术也提出了新的挑战，柔性仿生推进技术成为当前研究热点与前沿。现有水下航行器的运动能力仍与自然界水生动物相比差距较大，导致这些差距的部分原因是由于水下航行器推进技术的限制。当前主流推进技术仍然是以螺旋桨作为推进装置，螺旋桨推进虽然可产生可靠且稳定的推力，但在推进效率、噪声和尾迹控制等方面不够理想，难以满足多样化的海洋探索任务。

海洋生物由于其游动具有高效率、低噪声、高机动性的特点，已然成为研究新型水下推进技术的新宠。通过对海洋生物原型的生理构造、行为特征等方面进行研究，参照生物体的基本形态和运动规则，同时结合机器人学、流体力学、材料学以及柔性机构等技术，为探索新的高效推进技术以及提升水下航行器性能提供了新的方法与技术路径。

作为水下鳍足目生物的一种，海狮是一种非常敏捷的游泳者，其使用前鳍产生推力，具有较低的运输成本和较高的游泳效率(前鳍机械效率可达88％)。据研究表明，海狮前鳍涵盖了两种推进方式，既可以产生基于升力的推力，又可以产生基于阻力的推力，同时在前鳍的整个运动周期上几乎都有推力产生。另外，海狮可以通过调节其前鳍运动特征，如拍动速度、拍动频率、拍动幅度等，从而适应不同情形的水下运动。

故本发明为探索新型水下航行器推进技术，以海狮为仿生对象，设计了一种仿海狮前鳍推进装置。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，以海狮为仿生对象，设计一种具有与海狮前鳍推进方式相似的仿生推进装置，可实现较高的推进效率和可控的推进模式。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种仿海狮前鳍推进装置，包括基座单元、驱动单元、摆盘机构、空间曲柄摇杆机构以及仿海狮柔性前鳍单元；所述基座单元包括电机座、减速机座、转向槽台、可调角度机构、合页铰链和水平板；所述电机座与减速机座一体加工成型，转向槽台固定于减速机座上方，可调角度机构固定于水平板上并安装于电机座之间，合页铰链一端固定于电机座底部，另一端固定于水平板；

所述驱动单元包括防水步进电机、联轴器和直角减速机；防水步进电机与直角减速机分别固定于电机座及减速机座上并通过联轴器相连，所述摆盘机构由驱动单元的直角减速机输出轴驱动；所述空间曲柄摇杆机构曲柄端与摆盘机构连接，摇杆端与仿海狮柔性前鳍单元固连；

所述仿海狮柔性前鳍单元由连接板、柔性覆层、仿海狮前鳍骨骼构成；仿海狮前鳍骨骼固定于连接板上，柔性覆层包裹于仿海狮前鳍骨骼的外层。

进一步的，所述仿海狮柔性前鳍单元中的仿海狮前鳍骨骼由24块仿前鳍骨组成，仿前鳍骨之间通过柔性弹簧铰链相连，模仿海狮前鳍骨骼间的相对位置及运动关系。

进一步的，所述仿前鳍骨使用尼龙材质，通过3d打印加工而成，具有与生物原型海狮前鳍相同的骨骼含量、密度及外形特征。

进一步的，所述的仿海狮柔性前鳍单元中的柔性覆层由硅橡胶与玻璃微珠掺混，灌注于模具中，成型于仿海狮前鳍骨骼外层，具有与海狮前鳍相似的外形、柔性特征与结构参数，所述结构参数包括展弦比、截面翼型和相对厚度，同时整个仿海狮柔性前鳍单元在水下具有中性浮力。

进一步的，所述的摆盘机构由角度轴、直角沟槽轴承、摆盘臂、滚轮、控制轨构成；直角沟槽轴承和滚轮安装于摆盘臂上；角度轴一端与直角沟槽轴承连接，另一端与驱动单元的直角减速机输出端连接；滚轮受控于控制轨中；控制轨安装于基座单元的转向槽台上；其中，更改控制轨的安装角度，能够使推进装置左右两侧改变运动方向，从而实现推进装置推进方向的改变。

进一步的，所述的空间曲柄摇杆机构包括曲柄轴、可伸缩推杆、摇杆架，曲柄轴穿过摆盘机构的直角沟槽轴承后与摆盘机构的角度轴固连；可伸缩推杆一端与曲柄轴相连，另一端与摇杆架相连；摇杆架与摆盘机构的摆盘臂相连，同时与仿海狮柔性前鳍单元连接板固连；其中，可伸缩推杆的长度可调；通过调整可伸缩推杆的长度，能够调整仿海狮前鳍推进装置的运动轨迹以及动力特性；还能够实现类似海龟前肢“8”字形的运动轨迹。

进一步的，所述可调角度机构由手轮、滚珠丝杠、支撑杆、支撑块构成；手轮用于驱动固定于水平板上的滚珠丝杆，从而推动支撑杆，进而带动固定于电机座之间的支撑块，使装置围绕合页铰链转动，能够调节推进装置与水平面间的俯仰角，实现对仿海狮前鳍推进装置的动力特性及动力大小的调整。

进一步的，所述防水步进电机的转速可调，改变左右两防水步进电机的转速，能实现推进装置左右差动推进，进一步提升推进装置的机动性能。

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.本发明中设计的运动机构高度模仿了海狮前鳍的运动动作。通过串联的摆盘机构与空间曲柄摇杆机构驱动仿海狮前鳍单元，具有与生物原型海狮的前鳍类似运动特征及动力原理，涵盖了两种推进方式，既可以产生基于升力的推力，又可以产生基于阻力的推力。同时装置具有与海狮前鳍类似的椭圆形运动轨迹，以及在运动时前鳍迎角的周期性变化特征。因此具有与海狮前鳍推进方式接近的高效推进性能。

2.本发明所设计的仿海狮柔性前鳍在外形上具有海狮生物原型前鳍基本相同的展弦比、截面翼型、相对厚度等外形参数。在构造上，仿海狮前鳍骨骼使用3d打印技术加工仿前鳍骨，使用连接柔性弹簧铰链连接以仿照骨骼间的相对位置及运动关系，使用硅橡胶及玻璃微珠混合材料构成的柔性覆层包裹。从而使仿海狮柔性前鳍具有与海狮生物原型前鳍基本相同的骨骼含量、柔性特征、密度特征，提升了运动的柔顺性，进而提升了机构的推进效率。

3.本发明可通过调整空间曲柄摇杆机构中可伸缩推杆的长度，可以调整仿海狮前鳍推进装置产生不同的运动轨迹，模仿海狮面对不同运动情形或者不同种类海狮中前鳍的轨迹变化。另外，通过此种调节方式，装置还可以实现类似海龟前肢的“8”字形运动轨迹。

4.本发明可以通过调整安装于基座单元转向槽台上控制轨的安装角度，使机构左右两侧改变运动方向，产生不同方向的推力，从而实现机构推进方向的改变。

5.本发明基座单元中可调角度机构可以调节机构整体与水平面间的俯仰角，从而可以调整仿海狮前鳍推进装置的动力特性及推力大小，适应不同水下运动情况需求。

6.本发明可以通过控制驱动单元中防水步进电机的转速大小及周期，类似于海狮控制前鳍拍动速度及拍动周期，既可以产生不同的动力大小，又可以实现左右前鳍差动运动，使装置能适应多种水下运动需求的同时，也提升了机动性能。

附图说明

图1为本发明的整体外观示意图。

图2为本发明基座单元结构爆炸示意图。

图3a和图3b分别为本发明中摆盘机构和空间曲柄摇杆机构的结构示意图及机械结构爆炸示意图。

图4为本发明仿海狮柔性前鳍内部构造示意图。

图5a和图5b为本发明装置推进方向调整示意图。

图6a至图6c为本发明装置运动轨迹调整示意图。

图7a和图7b为本发明装置俯仰角调整示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。

如图1至图3b所示，一种仿海狮前鳍推进装置，包括基座单元、驱动单元、摆盘机构、空间曲柄摇杆机构以及仿生海狮柔性前鳍单元。基座单元由2个电机座101、1个减速机座102、2个转向槽台103、1个可调角度机构104、2个合页铰链105、1个水平板106组成。驱动单元由2个防水步进电机201、2个联轴器202、2个直角减速机203组成。摆盘机构300、空间曲柄摇杆机构400、仿海狮柔性前鳍单元500均有两套，对称布置于装置左右两侧。摆盘机构300由角度轴301、直角沟槽轴承302、摆盘臂303、滚轮304、控制轨305构成。空间曲柄摇杆机构400由曲柄轴401、可伸缩推杆402、摇杆架403构成。仿海狮柔性前鳍单元500包括连接板501、柔性覆层502、仿海狮前鳍骨骼503、柔性弹簧铰链504构成。

如图1、图2所示，在基座单元中，2个电机座101与1个减速机座102加工时一体成型；2个转向槽台103对称固定于减速机座102上方；可调角度机构104固定于水平板106上，同时布置于2个电机座101之间；合页铰链105一端固定于电机座101底部，另一端固定于水平板106。在驱动单元中，2个防水步进电机201与2个直角减速机203分别通过2个联轴器202相连；2个防水步进电机201分别对称固定于基座单元的2个电机座101上，2个直角减速机203对称固定于减速机座102上。

如图1、图3a和图3b所示，摆盘机构300由驱动单元的直角减速机203输出轴驱动。空间曲柄摇杆机构400的曲柄端与摆盘机构300串联，摇杆端与仿海狮柔性前鳍单元500固连。在摆盘机构300中，直角沟槽轴承302和滚轮304安装于摆盘臂303上；角度轴301倾斜面与轴线法向平面呈30°；角度轴301一端与直角沟槽轴承302连接，另一端与驱动单元的直角减速机203输出端连接；滚轮304受控于控制轨305中；控制轨305安装于基座单元的转向槽台103上，从而约束摆盘臂303进行简谐摆盘运动，能够模仿海狮前鳍运动过程中迎角的周期性变化。在空间曲柄摇杆机构400中，曲柄轴401穿过摆盘机构300的直角沟槽轴承302后与摆盘机构的角度轴301固连，因而摆盘机构300的角度轴301倾斜面的旋转运动带动曲柄轴401进行转动；可伸缩推杆402一端与曲柄轴401相连，另一端与摇杆架403相连；摇杆架403与摆盘机构300的摆盘臂303相连，同时与仿海狮柔性前鳍单元500连接板501固连，因此摆盘机构300摆盘臂303即为空间曲柄摇杆机构400的机架，故空间曲柄摇杆机构400的运动基于摆盘机构300运动之上，从而在两个机构的串联驱动下，使仿海狮柔性前鳍单元500产生类似于海狮前鳍根部的拍划运动。可模仿生物原型海狮的前鳍运动特征及动力原理：在前鳍拍动的恢复阶段和动力阶段，基于升力产生推力，在之后的桨相阶段产生基于阻力的推力。同时，仿海狮柔性前鳍单元也具有与海狮前鳍类似的椭圆形运动轨迹，以及在运动时前鳍迎角的周期性变化特征。

如图4所示，仿海狮柔性前鳍单元500中，仿海狮前鳍骨骼503由24块通过3d打印成型的仿前鳍骨组成，根部固定于连接板501上，仿前鳍骨之间通过柔性弹簧铰链504连接，以模仿海狮前鳍骨骼间的相对位置及运动关系，从而使仿海狮前鳍骨骼503具有与动物海狮前鳍相同的骨骼含量及肢体运动特征。仿海狮柔性前鳍单元500中的柔性覆层502是通过将仿海狮前鳍骨骼503放置于模具中，使用硅橡胶与玻璃微珠掺混后灌注成型的，具有与海狮前鳍相似的形状、柔性特征与外形参数(展弦比、截面翼型、相对厚度)，同时整个仿海狮柔性前鳍单元500在水下具有中性密度。

如图5a和图5b所示，摆盘机构300的控制轨305安装于基座单元的转向槽台103上。更改控制轨305的安装角度，可以使机构左右两侧机构改变运动方向，从而实现机构推进方向的改变。左右安装角度范围在负30度至正30度之间。图5b为左转30度的示意图。

如图6a至图6c所示，空间曲柄摇杆机构400的可伸缩推杆402长度可调，长度范围在144-157mm间。调整可伸缩推杆402的长度，可以调整仿海狮前鳍推进装置的运动轨迹以及动力特性。图6a至图6c中三种轨迹分别对应可伸缩推杆400的长度为：144mm，150.5mm，157mm。可见本装置也可以实现仿海龟前肢“8”字形的运动轨迹。

如图2、图7a和图7b所示，基座单元中可调角度机构104由手轮601、滚珠丝杠602、支撑杆603、支撑块604构成。手轮601用于驱动固定于水平板106上的滚珠丝杆602，从而推动支撑杆603，进而推动固定于2个电机座101之间的支撑块604，使装置围绕合页铰链105转动，可以调节装置与水平面间的俯仰角，从而可以调整仿海狮前鳍推进装置的动力特性。俯仰角调整范围在0-30度之间。图7b为机构俯仰角调整至30度的示意图。

另外，可以通过控制驱动单元中防水步进电机201的转速大小及周期，类似于海狮控制前鳍拍动速度及拍动周期，既可以产生不同的动力大小，又可以实现左右前鳍差动运动，使装置能适应多种水下运动需求，提升了机动性能。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

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