專利名稱：基于柔性撲翼推進的仿生水下機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種水下機器人架構，更特別地說，是指一種基于柔性撲翼推進的仿生水下機器人。
背景技術：
魚類在水中高速、高效、高機動性的運動能力一直是人類追求的目標。近十多年來，國內外很多學者從理論和試驗等方面對魚類的推進機理進行了研究。
英國Heriot-Watt大學的Michael Sfakiotakis等人認為，魚類在水中游動的推進力主要來自尾鰭或胸鰭的擺動或波動。他們分析了幾種典型的游動方式，計算了各種游動方式產(chǎn)生的推進力，認為主要依靠尾鰭推進的游動方式速度和加速度較大，而主要依靠胸鰭推進的游動方式有著更高的機動性和游動效率。中國科學院童秉綱院士研究了波狀游動的魚類產(chǎn)生推力的機制，認為魚類游動的推力主要來源于慣性力、前緣吸力、尾渦作用和月牙形尾鰭的動態(tài)失速特性這四個方面。
已有的仿生水下機器人有以下兩個特點1.目前樣機都是采用尾鰭推進為主的方式。從理論上講，這種方式能夠產(chǎn)生更高的速度和加速度。但實際上，由于對推進機理定量的研究不足、設計和加工的不完善等原因，這些樣機的試驗結果與理想情況尚有較大的差距，每秒游動距離通常不超過1倍身長，沒有充分體現(xiàn)出尾鰭推進方式在速度和加速度上的優(yōu)勢。另外，尾鰭推進方式在俯仰方向的機動性比較差，不能迅速上浮/下潛成為制約仿生水下機器人應用的一大問題。
2.現(xiàn)有機器魚的機構本體大多采用剛性結構，有些樣機盡管采用了具有一定柔性的尾鰭，但遠遠沒有發(fā)揮柔性的作用。事實上，自然魚類的身體具有很好的柔性。其身體和尾鰭的柔性在其游動中發(fā)揮著非常重要的作用。正確地認識這一點并加以研究和利用對設計和制作仿生游動機器人具有重要意義。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種基于柔性撲翼推進的仿生水下機器人，該仿生水下機器人由電機驅動，通過齒輪組驅動兩組曲柄搖桿機構最終在翼根軸上輸出往復旋轉運動。兩組曲柄搖桿機構完全對稱，且其急回系數(shù)為零，保證翼的上扇和下扇時間相同。
本發(fā)明是一種基于柔性撲翼推進的仿生水下機器人，由殼體、左柔性翼、右柔性翼、動力單元和控制單元組成；所述動力單元包括有減速電機、齒輪組、曲柄搖桿機構；所述控制單元包括有兩個舵機、兩個連桿、兩個升降舵和一個方向舵；動力單元和控制單元固定在殼體內，左柔性翼的前緣梁通過左翼根安裝在左搖桿的左翼根軸上，左柔性翼的翼面根部與殼體固連；右柔性翼的前緣梁通過右翼根安裝在右搖桿上的右翼根軸上，右柔性翼的翼面根部與殼體固連。
本發(fā)明基于柔性撲翼推進的仿生水下機器人的優(yōu)點在于(1)動力單元采用曲柄搖桿機構將電機的旋轉運動轉化為翼的往復轉動，能夠傳遞較大的動力；(2)升降舵、方向舵由兩個舵機分別控制，無耦合關系，控制簡單；(3)游動效率高。有研究表明，蝠鲼等海底軟骨魚類可以利用流體動力地面效應(hydrodynamic groundeffect)增加游動的效率，因此其加速性能、機動性、推進效率等并不比其它魚類遜色。(4)機動性好。翼(左柔性翼、右柔性翼)的扇動能產(chǎn)生較大的瞬時加速度，同時大舵面(左升降舵、右升降舵)配合扁平機身(殼體)能夠產(chǎn)生較大的俯仰加速度，從而使整機具有較好的機動性。(5)噪聲小。傳統(tǒng)螺旋槳推進潛器為了提高速度，需要螺旋槳有極高的轉速，從而產(chǎn)生空泡和很大的噪聲。本發(fā)明模仿鰩、蝠鲼等水生動物，利用撲翼推進，其推進裝置是巨大的柔性翼，不會產(chǎn)生噪聲。這一點將使其在軍事、科研領域具有非常廣闊的應用前景。


圖1是本發(fā)明基于柔性撲翼推進的仿生水下機器人的外觀示意圖。
圖2是無殼體的內部結構圖。
圖3是動力單元結構圖。
圖4是曲柄搖桿機構結構圖。
圖5是控制單元結構圖。
圖中 1.殼體2.左柔性翼201.左翼根202.前緣梁203.翼面3.右柔性翼301.右翼根302.前緣梁303.翼面4.動力單元 401.減速電機 402.前機架403.后機架404.電機架
405.左機架座406.右機架座 407.左翼根軸 408.右翼根軸409.左傳動連桿410.右傳動連桿 411.左機架定位銷 412.右機架定位銷413.左齒輪 414.右齒輪415.主動齒輪 416.右搖桿 417.左搖桿418.右曲柄 419.左曲柄5.控制單元 501.方向舵軸 502.升降舵軸 503.升降舵搖臂 504.左升降舵505.右升降舵506.方向舵507.升降舵連桿508.方向舵連桿 509.右舵機510.左舵機 511.右舵機架 512.左舵機架 513.方向舵搖臂具體實施方式
下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
請參見圖1所示，本發(fā)明是一種基于柔性撲翼推進的仿生水下機器人，由殼體1、左柔性翼2、右柔性翼3、動力單元4和控制單元5組成；(參見圖3、圖4所示)所述動力單元4包括有減速電機401、齒輪組(主動齒輪415、左齒輪413、右齒輪414)、曲柄搖桿機構(左傳動連桿409、右傳動連桿410、左曲柄419、右曲柄418、前機架402、后機架403、左搖桿417、右搖桿416)；(參見圖5所示)所述控制單元5包括有兩個舵機、兩個連桿、兩個升降舵和一個方向舵。本發(fā)明機器人機構為左右對稱結構設計，左機架座405與右機架座406、左舵機架512與右舵機架511固連在殼體1內。
動力單元4和控制單元5放置在殼體1內，且通過左機架座405與右機架座406、左舵機架512與右舵機架511固連在殼體1內。
參見圖2所示，左柔性翼2的前緣梁202通過左翼根201安裝在左搖桿417的左翼根軸407上，左柔性翼2的翼面203根部與殼體1左側固連。
參見圖2所示，右柔性翼3的前緣梁302通過右翼根301安裝在右搖桿416上的右翼根軸408上，右柔性翼3的翼面303根部與殼體1右側固連。
請參見圖3、圖4所示，減速電機401安裝在電機架404的一端上、電機架404的另一端安裝在后機架403上，減速電機401的輸出軸上安裝有主動齒輪415；前機架402與后機架403平行放置，通過左機架定位銷411和右機架定位銷412固連，且左端部安裝有左搖桿417，右端部安裝有右搖桿416，前機架402與后機架403的中部安裝有左曲柄419、右曲柄418，左傳動連桿409的一端與左曲柄419的未端相連，左傳動連桿409的另一端與左搖桿417的未端相連，右傳動連桿410的一端與右曲柄418的末端相連，右傳動連桿410的另一端與右搖桿416的未端相連；左齒輪413安裝在左曲柄419的軸上，右齒輪414安裝在右曲柄418的軸上，所述右齒輪414為組合齒輪，其大齒輪與左齒輪413嚙合，其小齒輪與主動齒輪415嚙合；左機架座405固連在后機架403的左側，右機架座406固連在后機架403的右側，左機架座405的安裝面固連在以殼體1中心線對稱劃分的左半部分殼體上，右機架座406的安裝面固連在以殼體1中心線對稱劃分的右半部分殼體上。
請參見圖5所示，方向舵506固連在方向舵軸501上，方向舵軸501垂直安裝在殼體1的后部，方向舵搖臂513固連在方向舵506的側面上；左升降舵504、右升降舵505分別固連在升降舵軸502的兩端，升降舵軸502與殼體1的后部保持水平；方向舵連桿508的一端連接在方向舵搖臂513上，另一端安裝在左舵機510的搖臂末端，左舵機510固連在左舵機架512上，左舵機架512固連在殼體1內；升降舵連桿507的一端與升降舵搖臂503上，另一端安裝在右舵機509的搖臂末端，右舵機509固連在右舵機架511上，右舵機架511固連在殼體1內。
在本發(fā)明中，殼體1的縱截面為雙NACA翼型，采用硬質材料，如玻璃鋼、聚乙烯塑料、碳纖維材料做成，用于保持本發(fā)明機器人的外形和安裝動力單元4、控制單元。左柔性翼2的翼面203和右柔性翼3的翼面303采用柔性材料，如硅橡膠薄板、聚酯薄膜等材料制作，能夠在水動力作用下產(chǎn)生一定的形變，從而產(chǎn)生推力。
請參見圖3、圖4所示，動力單元4中的減速電機401產(chǎn)生旋轉運動，經(jīng)過互相齒輪組的嚙合將運動傳遞給左曲柄419、右曲柄418。左曲柄419、右曲柄418、左傳動連桿409、右傳動連桿410、左搖桿417和右搖桿416構成一個曲柄搖桿機構，將左曲柄419的連續(xù)旋轉運動轉化為左搖桿417的往復擺動；將右曲柄418的連續(xù)旋轉運動轉化為右搖桿416的往復擺動。
請參見圖5所示，控制單元5的左舵機510產(chǎn)生運動體現(xiàn)為左舵機510搖臂的轉動，此轉動經(jīng)由方向舵連桿508傳遞至方向舵搖臂513帶動方向舵506轉動；控制單元5的右舵機509產(chǎn)生運動體現(xiàn)為右舵機509搖臂的轉動，此轉動經(jīng)由升降舵連桿507傳遞至升降舵搖臂503帶動升降舵軸502轉動，進而帶動左升降舵504和右升降舵505轉動。
本發(fā)明基于柔性撲翼推進的仿生水下機器人在前進方向上運動時，減速電機401依次驅動主動齒輪415、右齒輪414、左齒輪413、右曲柄418、左曲柄419旋轉，然后右曲柄418依次帶動右傳動連桿410、右搖桿416產(chǎn)生往復轉動，右搖桿416通過右翼根軸408和右翼根301帶動右柔性翼3產(chǎn)生往復扇動；左曲柄419依次帶動左傳動連桿409、左搖桿417產(chǎn)生往復轉動，左搖桿417通過左翼根軸407和左翼根201帶動左柔性翼2產(chǎn)生往復扇動。左柔性翼2和右柔性翼3的往復扇動能夠驅動水向后流動，從而產(chǎn)生向前的反作用力，推動機器人前進。
本發(fā)明機器人結構游動效率高有研究表明，蝠鲼等海底軟骨魚類可以利用流體動力地面效應(hydrodynamic ground effect)增加游動的效率，因此其加速性能、機動性、推進效率等并不比其它魚類遜色。機動性好翼(左柔性翼、右柔性翼)的扇動能產(chǎn)生較大的瞬時加速度，同時大舵面(左升降舵、右升降舵)配合扁平機身(殼體)能夠產(chǎn)生較大的俯仰加速度，從而使整機具有較好的機動性。噪聲小傳統(tǒng)螺旋槳推進潛器為了提高速度，需要螺旋槳有極高的轉速，從而產(chǎn)生空泡和很大的噪聲。本發(fā)明機器人結構模仿鰩、蝠鲼等水生動物，利用撲翼推進，其推進裝置是巨大的柔性翼，不會產(chǎn)生噪聲。這一點將使其在軍事、科研領域具有非常廣闊的應用前景。
權利要求
1.一種基于柔性撲翼推進的仿生水下機器人，其特征在于由殼體(1)、左柔性翼(2)、右柔性翼(3)、動力單元(4)和控制單元(5)組成；所述動力單元(4)包括有減速電機(401)、以及主動齒輪(415)、左齒輪(413)和右齒輪(414)構成的齒輪組、以及左傳動連桿(409)、右傳動連桿(410)、左曲柄(419)、右曲柄(418)、前機架(402)、后機架(403)、左搖桿(417)和右搖桿(416)構成的曲柄搖桿機構；所述控制單元(5)包括有兩個舵機、兩個連桿、兩個升降舵和一個方向舵；動力單元(4)和控制單元(5)固定在殼體(1)內；左柔性翼(2)的前緣梁(202)通過左翼根(201)安裝在左搖桿(417)的左翼根軸(407)上，左柔性翼(2)的翼面(203)根部與殼體(1)左側固連；右柔性翼(3)的前緣梁(302)通過右翼根(301)安裝在右搖桿(416)上的右翼根軸(408)上，右柔性翼(3)的翼面(303)根部與殼體(1)右側固連；減速電機(401)安裝在電機架(404)的一端上、電機架(404)的另一端安裝在后機架(403)上，減速電機(401)的輸出軸上安裝有主動齒輪(415)；前機架(402)與后機架(403)平行放置，通過左機架定位銷(411)和右機架定位銷(412)固連，且左端部安裝有左搖桿(417)，右端部安裝有右搖桿(416)，前機架(402)與后機架(403)的中部安裝有左曲柄(419)、右曲柄(418)，左傳動連桿(409)的一端與左曲柄(419)的末端相連，左傳動連桿(409)的另一端與左搖桿(417)的末端相連，右傳動連桿(410)的一端與右曲柄(418)的末端相連，右傳動連桿(410)的另一端與右搖桿(416)的未端相連；左齒輪(413)安裝在左曲柄(419)的軸上，右齒輪(414)安裝在右曲柄(418)的軸上，所述右齒輪(414)為組合齒輪，其大齒輪與左齒輪(413)嚙合，其小齒輪與主動齒輪(415)嚙合；左機架座(405)固連在后機架(403)的左側，右機架座(406)固連在后機架(403)的右側，左機架座(405)的安裝面固連在以殼體(1)中心線對稱劃分的左半部分殼體上，右機架座(406)的安裝面固連在以殼體(1)中心線對稱劃分的右半部分殼體上；方向舵(506)固連在方向舵軸(501)上，方向舵軸(501)垂直安裝在殼體(1)的后部；方向舵搖臂(513)固連在方向舵(506)的側面上；左升降舵(504)、右升降舵(505)分別固連在升降舵軸(502)的兩端，升降舵軸(502)與殼體(1)的后部保持水平；方向舵連桿(508)的一端連接在方向舵搖臂(513)上，另一端安裝在左舵機(510)的搖臂末端，左舵機(510)固連在左舵機架(512)上，左舵機架(512)固連在殼體(1)內；升降舵連桿(507)的一端與升降舵搖臂(503)上，另一端安裝在右舵機(509)的搖臂末端，右舵機(509)固連在右舵機架(511)上，右舵機架(511)固連在殼體(1)內。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于柔性撲翼推進的仿生水下機器人，其特征在于所述殼體(1)的縱截面為雙NACA翼型，采用硬質材料制作。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于柔性撲翼推進的仿生水下機器人，其特征在于所述左柔性翼(2)的翼面(203)和右柔性翼(3)的翼面(303)采用柔性材料制作。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于柔性撲翼推進的仿生水下機器人，其特征在于所述左曲柄(419)、右曲柄(418)、左傳動連桿(409)、右傳動連桿(410)、左搖桿(417)和右搖桿(416)構成一個曲柄搖桿機構。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于柔性撲翼推進的仿生水下機器人，其特征在于所述控制單元(5)的左舵機(510)產(chǎn)生運動體現(xiàn)為左舵機(510)搖臂的轉動，此轉動經(jīng)由方向舵連桿(508)傳遞至方向舵搖臂(513)帶動方向舵(506)轉動；控制單元(5)的右舵機(509)產(chǎn)生運動體現(xiàn)為右舵機(509)搖臂的轉動，此轉動經(jīng)由升降舵連桿(507)傳遞至升降舵搖臂(503)帶動升降舵軸(502)轉動，進而帶動左升降舵(504)和右升降舵(505)轉動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于柔性撲翼推進的仿生水下機器人，由殼體、左柔性翼、右柔性翼、動力單元和控制單元組成；所述動力單元包括有減速電機、齒輪組、曲柄搖桿機構；所述控制單元包括有兩個舵機、兩個連桿、兩個升降舵和方向舵；動力單元和控制單元固定在殼體內，左柔性翼的前緣梁通過左翼根安裝在左搖桿的左翼根軸上，左柔性翼的翼面根部與殼體固連；右柔性翼的前緣梁通過右翼根安裝在右搖桿上的右翼根軸上，右柔性翼的翼面根部與殼體固連；動力單元采用曲柄搖桿機構將電機的旋轉運動轉化為翼的往復轉動，能夠傳遞較大的動力；升降舵、方向舵由兩個舵機分別控制，無耦合關系，控制簡單。
文檔編號B63H1/36GK1974320SQ20061016537
公開日2007年6月6日 申請日期2006年12月19日 優(yōu)先權日2006年12月19日
發(fā)明者宗光華, 畢樹生, 徐一村, 劉聰 申請人:北京航空航天大學