仿生魚驅動結構

1.本發明涉及水下機器人技術領域，尤其涉及一種仿生魚驅動結構。


背景技術：

2.在大自然中，魚類或海豚等水生生物進化除了適應水下活動的結構和外形，它們普遍采用拍動尾部或者使身體產生波動的方式進行游動，采用這樣的推進模式可以使游動的效率非常高，并且這種推進模式與螺旋槳驅動相比，還具有靈活和隱蔽的特點，以它們作為仿生對象的仿生機器魚，在海洋觀察、軍事偵察和水下作業等領域都有著良好的應用前景，具有重大的戰略意義。
3.繩牽引驅動仿生機器魚由于可以很好的擬合仿生對象在游動時身體真實的擺動曲線，相較于傳統剛性結構，具有更高的游動效率，受到了人們的廣泛關注。在水下機器人領域，目前技術大多采用相對成熟的輸出回轉運動的電機作為驅動動力源，其他的技術中也有采用注入記憶合金、人工肌肉等智能材料的技術，但這些技術還受限于記憶合金、人工肌肉的技術的成熟度未達到實用水平的問題，因此應用率還較低。
4.以目前的繩牽引驅動仿生機器魚來說，會采用橡膠套將整條魚的身體進行密封包覆，魚的身體在膠套內進行擺動，這樣會致使仿生魚不能承載較深水下的高壓環境，不能保證在真實水下環境中較長時間持續作業的可靠性。


技術實現要素：

5.本發明提供一種仿生魚驅動結構，用以解決現有技術中繩牽引驅動的仿生機器魚會采用橡膠套將整條魚的身體進行密封包覆，致使仿生魚不能承載較深水下的高壓環境的技術問題，實現仿生魚在較深水下的高壓環境中長時間持續作業的可靠性。
6.本發明提供一種仿生魚驅動結構，包括：
7.擺動機構，包括至少兩個頭尾依次轉動相連的擺動件；
8.連接件，與位于尾部的所述擺動件轉動相連；
9.尾鰭，安裝于所述連接件遠離所述擺動機構的一端；
10.其中，所述擺動件和/或所述連接件設有用于連接牽引繩的鎖緊機構。
11.根據本發明提供一種的仿生魚驅動結構，所述擺動件包括主體部、第一擺臂和第二擺臂，所述第一擺臂和所述第二擺臂分別設置于所述主體部的頭尾兩側，所述第一擺臂設有第一鉸接孔，所述第二擺臂設有第二鉸接孔；
12.在相鄰兩個所述擺動件中，其中一個所述擺動件的所述第一擺臂與另一個所述擺動件的所述第二擺臂通過鉸接件相互鉸接，所述鉸接件適于穿設于所述第一鉸接孔和所述第二鉸接孔內。
13.根據本發明提供的一種仿生魚驅動結構，所述鉸接件包括鉸接軸、限位端頭、襯套和限位卡環，所述限位端頭設置于所述鉸接軸的第一端，所述限位卡環設置于所述鉸接軸的第二端，所述襯套設置于所述鉸接軸的第一端和第二端之間；
14.在相鄰兩個所述擺動件中，所述限位端頭與其中一個所述擺動件的所述第一擺臂相貼，所述鉸接軸適于穿設于所述第一鉸接孔和所述第二鉸接孔內，所述襯套適于安裝于其中一個所述擺動件的所述第一擺臂與另一個所述擺動件的所述第二擺臂之間，所述限位卡環與另一個所述擺動件的所述第二擺臂相貼。
15.根據本發明提供的一種仿生魚驅動結構，相鄰兩個所述擺動件之間設有彈性構件，所述彈性構件用于所述擺動件的擺動復位。
16.根據本發明提供的一種仿生魚驅動結構，所述彈性構件包括彈性片，所述主體部還設有連接部，所述連接部設有連接槽，所述彈性片的兩端分別設置于相鄰兩個所述擺動件的所述連接槽中，且通過緊固件與所述連接部相互固定。
17.根據本發明提供的一種仿生魚驅動結構，沿所述仿生魚驅動結構的頭部至尾部的方向，所述連接部的寬度逐漸減小，所述彈性片的寬度逐漸減小，且所述彈性片的厚度逐漸增大。
18.根據本發明提供的一種仿生魚驅動結構，所述彈性構件包括彈性塊，所述第一擺臂或所述第二擺臂在遠離所述主體部的一側設有凸出部，所述彈性塊的第一側與其中一個所述擺動件的所述主體部相貼，且通過緊固件相互固定，所述彈性塊的第二側與另一個所述擺動件的所述凸出部相貼。
19.根據本發明提供的一種仿生魚驅動結構，所述第一擺臂和所述第二擺臂均設置為兩個，所述兩個第一擺臂在所述主體部的頭側相對設置，所述兩個第二擺臂在所述主體部的尾側相對設置，所述兩個第一擺臂之間的間距大于所述兩個第二擺臂之間的間距；
20.在相鄰兩個所述擺動件鉸接時，其中一個所述擺動件的所述兩個第二擺臂設置于另一個所述擺動件的所述兩個第一擺臂之間。
21.根據本發明提供的一種仿生魚驅動結構，所述主體部設有至少一個第一通孔，所述至少一個第一通孔內安裝有第一導向塊或所述鎖緊機構，所述第一導向塊設有第一導向通道，用于容置和保護所述牽引繩。
22.根據本發明提供的一種仿生魚驅動結構，所述連接件遠離所述擺動件的一側設有相對設置的第一連接耳和第二連接耳，所述尾鰭通過緊固件安裝于所述第一連接耳和所述第二連接耳之間。
23.根據本發明提供的一種仿生魚驅動結構，所述第一連接耳和所述第二連接耳之間還設有鉸接耳，所述鉸接耳與所述連接件的側表面齊平，以形成連接面，所述連接面設有第三鉸接孔，位于尾部的所述擺動件通過所述鉸接件轉動安裝于所述第三鉸接孔。
24.根據本發明提供的一種仿生魚驅動結構，所述連接件設有至少一個第二通孔，所述至少一個第二通孔內安裝有第二導向塊或所述鎖緊機構，所述第二導向塊設有第二導向通道，用于容置和保護所述牽引繩。
25.根據本發明提供的一種仿生魚驅動結構，所述擺動機構的外側安裝有輕體材料構件，所述輕體材料構件通過緊固件與所述擺動件相固定。
26.本發明實施例提供的仿生魚驅動結構，通過各個擺動件之間的轉動連接實現擺動機構的擺動，擺動機構的擺動便可作為仿生魚的前進動力驅動仿生魚游動，尾鰭可利用連接件在尾部的擺動件的后方形成擺動，便可通過尾鰭驅動仿生魚游動，而在擺動件和/或連接件設置連接牽引繩的鎖緊機構，從而利用牽引繩提供動力來驅動擺動機構和/或尾鰭進
可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。
40.在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明實施例的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結合和組合。
41.下面結合圖1-圖6描述本發明的仿生魚驅動結構，該仿生魚驅動結構包括擺動機構、連接件2和尾鰭3，其中擺動機構包括至少兩個頭尾依次轉動相連的擺動件1，且至少兩個擺動件1呈非閉環的方式進行連接，連接件2與位于尾部的擺動件1轉動相連，尾鰭3安裝于連接件2遠離擺動機構的一端，同時，在擺動件1和/或連接件2設有用于連接牽引繩的鎖緊機構4。
42.通過各個擺動件1之間的轉動連接實現擺動機構的擺動，擺動機構的擺動便可作為仿生魚的前進動力驅動仿生魚游動，尾鰭3可利用連接件2在尾部的擺動件1的后方形成擺動，便可通過尾鰭3驅動仿生魚游動，而在擺動件1和/或連接件2設置連接牽引繩的鎖緊機構4，從而利用牽引繩提供動力來驅動擺動機構和/或尾鰭3進行擺動，以實現仿生魚的游動，利用本仿生魚驅動結構可以不需在擺動機構的外部包覆橡膠套以使魚身全部在橡膠套內進行擺動，能克服仿生魚在深水的高壓環境中無法進行較長時間持續工作的技術問題。
43.根據需要，可以將鎖緊機構4固定于擺動件1和/或連接件2上，也就是可以僅在擺動件1上設置鎖緊機構4，也可以僅在連接件2上設置鎖緊機構4，或是在擺動件1和連接件2上同時設置鎖緊機構4。例如：僅在尾部的擺動件1安裝鎖緊機構4，此時牽引繩拉動后會使擺動件1形成擺動，從而驅動仿生魚游動；或是僅在連接件2上安裝鎖緊機構4，此時牽引繩拉動后會使尾鰭3形成擺動，從而驅動仿生魚游動；或是在擺動件1和連接件2上都安裝鎖緊機構4，此時采用兩套牽引繩分別對擺動件1和連接件2進行控制，在兩套牽引繩的控制下，擺動機構和尾鰭3可以同向擺動或反向擺動，當二者進行反向擺動時，便可很好的模擬真實魚類呈“s”形游動的動作；或是可以在轉動件和多個擺動件1上均安裝鎖緊機構4，此時牽引繩所使用的套數與鎖緊機構4的個數相對應，也就是說，可以使尾鰭3以及擺動機構的各個部位形成不同方向擺動，這樣的設置便可很好的模擬帶魚等魚類的游動動作。
44.如圖1所示，尾鰭3可以設置為與魚類尾部相適配的形狀。
45.根據本發明提供的仿生魚驅動結構，如圖4所示，擺動件1包括主體部101、第一擺臂102和第二擺臂103，第一擺臂102和第二擺臂103分別設置于主體部101的頭尾兩側，第一擺臂102設有第一鉸接孔104，第二擺臂103設有第二鉸接孔105。
46.如圖2所示，在相鄰兩個擺動件1中，其中一個擺動件1的第一擺臂102與另一個擺動件1的第二擺臂103通過鉸接件相互鉸接，鉸接件適于穿設于第一鉸接孔104和第二鉸接孔105內。
47.相鄰兩個擺動件1利用第一擺臂102和第二擺臂103的鉸接實現相鄰兩個擺動件1的轉動連接，多個擺動件1以這樣的方式連接后，多個擺動件1之間便能形成擺動，以模擬出
真實魚類的游動動作，驅動仿生魚進行游動。
48.其中，主體部101與第一擺臂102和第二擺臂103之間均采用一體成型的方式進行設置，以使擺動件1為一體式的結構，保證擺動件1的結構強度。其中，為適應水下作業，擺動件1采用不銹鋼等防腐蝕材料制成，或是可以在擺動件1的表面設置防腐蝕層。
49.主體部101遠離尾鰭3的一側為主體部101的頭側，主體部101靠近尾鰭3的一側為主體部101的尾側。
50.如圖2所示，前述的鉸接件包括有鉸接軸106、限位端頭107、襯套108和限位卡環109，其中鉸接軸106適于裝配于第一鉸接孔104和第二鉸接孔105內，以實現鉸接，限位端頭107設置于鉸接軸106的第一端，限位卡環109設置于鉸接軸106的第二端，襯套108設置于鉸接軸106的第一端和第二端之間。在相鄰兩個擺動件1進行裝配時，限位端頭107與其中一個擺動件1的第一擺臂102相貼，鉸接軸106穿設于第一鉸接孔104和第二鉸接孔105內，襯套108安裝于其中一個擺動件1的第一擺臂102與另一個擺動件1的第二擺臂103之間，限位卡環109與另一個擺動件1的第二擺臂103相貼。利用這樣的設計一方面能保證連接的穩定性可靠性，另一方面還能利用襯套108來避免相鄰兩個擺動件1的第一擺臂102和第二擺臂103之間出現摩擦而出現磨損，用于提升耐磨性，且能提升擺動件1的使用壽命。
51.其中，限位端頭107的外徑大于第一鉸接孔104的孔徑；鉸接軸106與第一鉸接孔104和第二鉸接孔105的孔徑相適配，具體的，鉸接軸106的直徑略小于第一鉸接孔104和第二鉸接孔105的孔徑；襯套108為圓環形結構，襯套108的內徑與鉸接軸106、第一鉸接孔104和第二鉸接孔105的直徑相適配，也就襯套108的內徑略大于鉸接軸106的直徑，襯套108的內徑可以與第一鉸接孔104和第二鉸接孔105的孔徑相同，襯套108的外徑大于第一鉸接孔104和第二鉸接孔105的孔徑；限位卡環109也為環形機構，限位卡環109的內側與鉸接軸106相固定，限位卡環109的外徑大于第一鉸接孔104和第二鉸接孔105的孔徑。以這樣的方式來設置各個機構，進一步確保連接的穩定性可靠性。
52.如圖1、圖2、圖3和圖6所示，在相鄰兩個擺動件1之間設置有彈性構件，彈性構件用于擺動件1擺動后進行自動復位，以對整個仿生魚驅動結構提供回正剛度，實現整體結構彎曲后的回正。彈性構件采用可拆卸的方式安裝于相鄰兩個擺動件1之間，從而十分便于彈性構件的更換，以便于對剛度進行調整。
53.具體的，如圖1-3所示，彈性構件為彈性片5，此時，在主體部101還設有連接部110，連接部110設有連接槽111，彈性片5的兩端分別設置于相鄰兩個擺動件1的連接槽111中，且通過緊固件與連接部110相互固定。連接部110為在主體部101側邊延伸而出的一體的構件，其中連接槽111位于連接部110的中部位置，此時連接部110沿連接槽111的軸線為對稱結構。沿仿生魚游動的方向，連接槽111為通透的槽，也就是說，連接槽111在連接部110的三個方位形成槽口，一方面便于彈性片5的安裝，另一方面使一個連接槽111能固定兩個彈性片5的端部。
54.其中在連接部110的上表面和/或下表面設置有與連接槽111相連通的緊固通道，在彈性片5的靠近兩端的位置均設置有緊固孔，在彈性片5安裝到連接槽111內時，彈性片5卡設在連接槽111中，且緊固孔與緊固通道相對齊，緊固件采用緊固螺釘、緊固螺栓等機構，以使緊固件穿設進緊固孔和緊固通道內，實現彈性片5與連接部110之間位置的相互固定。
55.如圖3所示，沿仿生魚驅動結構的頭部至尾部的方向，連接部110的寬度逐漸減小，
彈性片5的寬度逐漸減小，且彈性片5的厚度逐漸增大。這樣的方式可以更加符合仿生對象的身體外形，使其越靠近尾部的位置外輪廓越細，以響應魚類的仿生結構，且在彈性片5的寬度減小后使其厚度增大，從而保證剛性足夠。
56.其中，彈性片5可以設置為梯形結構，呈梯形機構的彈性片5朝向擺動件1的一側可以為直邊，對應的遠離彈性片5的一側為斜邊，沿仿生魚驅動結構的頭部至尾部的方向，斜邊逐漸向直邊靠近，逐漸收窄，以實現彈性片5寬度的逐漸減小。
57.如圖6所示，在本發明的另一種實施方式中，彈性構件采用彈性塊6，也即具有彈性的材料制成的塊狀物件，其中可以采用橡膠塊或其他具有彈性高分子材料、無機材料制成。
58.可以在第一擺臂102遠離主體部101的一側設置凸出部112，將彈性塊6的第一側與其中一個擺動件1的主體部101相貼，將彈性塊6的第二側與另一個擺動件1的凸出部112相貼，從而使彈性塊6能與相鄰兩個擺動件1進行直接或間接的接觸。當然，也可以在第二擺臂103遠離主體部101的一側設置凸出部112，將彈性塊6的第一側與其中一個擺動件1的主體部101相貼，將彈性塊6的第二側與另一個擺動件1的凸出部112相貼，從而使彈性塊6能與相鄰兩個擺動件1進行直接或間接的接觸。
59.凸出部112可以用于頂推彈性塊6，從而獲得彈性塊6的反作用力，實現整體結構的彎曲回正。
60.其中，彈性塊6與主體部101通過緊固件相固定，可以在彈性塊6上設置緊固孔，并且在主體部101上設置緊固通道，緊固件使用螺釘或螺栓類的緊固機構，將緊固件依次擰入到緊固孔和緊固通道內，以實現彈性塊6位置的固定。
61.第一擺臂102和第二擺臂103均設置為兩個，兩個第一擺臂102在主體部101的頭側相對設置，兩個第二擺臂103在主體部101的尾側相對設置，兩個第一擺臂102之間的間距大于兩個第二擺臂103之間的間距，在相鄰兩個擺動件1鉸接時，其中一個擺動件1的兩個第二擺臂103設置于另一個擺動件1的兩個第一擺臂102之間。也就是利用兩個第一擺臂102將另一個擺動件1的兩個第二擺臂103抱和在內，然后在分別用兩個鉸接件來鉸接兩個第一擺臂102和兩個第二擺臂103，其中，兩個鉸接件之間具有間隙，以使牽引繩能通過。
62.在擺動件1中，兩個第一擺臂102的結構相同，且兩個第一擺臂102上的第一鉸接孔104的位置處于同軸線，兩個第二擺臂103的結構相同，且兩個第二擺臂103上的第二鉸接孔105的位置處于同軸線，以便于相鄰兩個擺動件1之間的裝配。
63.如圖2和圖4所示，在主體部101上設有至少一個第一通孔113，至少一個第一通孔113內均安裝有第一導向塊114，第一導向塊114內設有第一導向通道，用于容置和保護牽引繩。由于需要使用牽引繩進行牽引驅動，在擺動件1上需要設置通孔結構用于過線，在主體部101上設置至少一個第一通孔113，從而用于過線，其中第一通孔113內設置第一導向塊114，一方面起到過線導向的作用，另一方面還能對牽引繩起到保護的作用，第一導向塊114為采用耐磨、潤滑材料制成的導向塊。
64.請繼續參見附圖3，在主體部101的中心位置處可以設置有一方形的第一通孔113，其中設置的第一導向塊114可以開設有兩個第一導向通道，用于容納來回的一組牽引繩，該組牽引繩為驅動尾鰭3擺動的牽引繩。在主體部101靠近上部和下部的位置均可以設置有圓形的第一通孔113，這些圓形的第一通孔113可以用于容納驅動尾側擺動件1的牽引繩，圓形的第一通孔113內安裝的第一導向塊114可以是內置通道的青銅螺栓。
65.其中，第一導向塊114和第一通孔113之間設有緊固機構，從而起到防止第一導向塊114松脫的效果。
66.在位于尾部的擺動件1的主體部101上，其第一通孔113便可用于安裝鎖緊機構4，從而使牽引繩能驅動位于尾部的擺動件1進行擺動。當然，也可以在其余位置的主體部101的第一通孔113內進行鎖緊機構4的安裝，從而實現不同效果的安裝驅動。
67.如圖5所示，連接件2大致可以設置為“π”字形，也就是在連接件2的其中一個設置有兩個向外延伸的部分，即：連接件2遠離擺動件1的一側設有相對設置的第一連接耳201和第二連接耳202，尾鰭3通過緊固件安裝于第一連接耳201和第二連接耳202之間，從而實現尾鰭3位置的固定，將尾鰭3與連接件2形成固定安裝，由于連接件2與位于尾部的擺動件1是轉動安裝的，便可實現尾鰭3的擺動。
68.其中，第一連接耳201和第二連接耳202之間還設有鉸接耳，鉸接耳與連接件2的側表面齊平，以形成連接面203，連接面203設有第三鉸接孔205，位于尾部的擺動件1通過鉸接件轉動安裝于第三鉸接孔205。該鉸接件與前述的鉸接件的結構相同，以此方式便可實現連接件2與位于尾部的擺動件1之間的轉動連接，以實現尾鰭3的擺動。
69.其中，第一連接耳201、第二連接耳202和鉸接耳一體成型于連接件2上。
70.連接件2設有至少一個第二通孔204，至少一個第二通孔204內安裝有第二導向塊，第二導向塊設有第二導向通道，用于容置和保護所述牽引繩。第二導向塊一方面起到過線導向的作用，另一方面還能對牽引繩起到保護的作用，第二導向塊為采用耐磨、潤滑材料制成的導向塊。
71.第一連接耳201和第二連接耳202均在連接件2的一側對稱設置，且未處于邊緣，在連接件2的邊緣至第一連接耳201以及在連接件2的邊緣至第二連接耳202的位置，均設置有第二通孔204，該第二通孔204即用于安裝鎖緊機構4，從而使牽引繩能驅動位于尾鰭3進行擺動。
72.其中，鎖緊機構4可以采用張緊螺釘，在張緊螺釘的中部設有用于容納牽引繩的螺紋孔，通過擰動張緊螺釘，通過張緊螺釘在螺紋孔內的螺紋運動實現張緊螺釘的水平前后移動，起到張緊牽引繩的效果。
73.擺動機構的外側安裝有輕體材料構件7，輕體材料構件7通過緊固件與擺動件1相固定。輕體材料構件7可以使本仿生魚驅動結構更好的響應仿生結構，擬合仿生對象的身體外形，每一個擺動件1對用設置有兩個輕體材料構件7，當擺動機構整體為上下擺動時，兩個輕體材料構件7位于擺動件1的上下兩側，當擺動機構整體為左右擺動時，兩個輕體材料構件7位于擺動件1的左右兩側。
74.沿頭部至尾部的方向，輕體材料構件7的外廓減小。輕體材料構件7可以補償整體的密度，并且在擺動機構擺動的過程中隨之一起擺動。
75.其中，輕體材料構件7通過緊固件安裝于擺動件1上，包括但不限于螺釘類緊固機構，此時相對應的在輕體材料構件7和擺動件1上進行開孔處理。
76.本仿生魚驅動結構具有結構緊湊，連接可靠，可承受較大相互作用力，且易于維護等優點。
77.另一方面，本發明還提供一種仿生魚，包括前述實施例中的仿生魚驅動結構。
78.本仿生魚驅動結構形成的仿生魚中具有多擺動件1串聯形成的擺動機構，其身體
前三分之二的區域擺動幅度會較小，后三分之一以及尾鰭3的部分擺動較大，在游動時擺動幅度變化不大，當需要改變游動速度時，可以改變擺動的頻率。
79.本仿生魚不僅適用于小型實驗模型，更適用于大中型深水高壓環境下的繩牽引仿生魚；為繩牽驅動仿生機器魚的應用提供可靠的平臺。
80.最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。