本實用新型屬于水下仿生機器魚的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于曲柄滑塊結(jié)構(gòu)的雙尾鰭仿生機器魚。

背景技術(shù)：

近年來，水下機器人的研究越來越受到各國的重視。如何提升水下機器人的效率、機動性、同時降低噪聲始終是水下機器人技術(shù)研究的重要問題。在早期，以螺旋槳或者噴水裝置作為推進器的水下機器人往往會產(chǎn)生側(cè)向渦流，降低效率。魚類作為最古老的脊椎動物，具備無比卓越的水下運動能力，其游動效率普遍超過了80％，與之形成鮮明對比的是傳統(tǒng)的螺旋槳推進效率僅為它的一半。此外在機動性方面，梭子魚在快速啟動捕捉獵物時能夠達到200m/s²的加速度，這些都是傳統(tǒng)水下機器人無法具備的優(yōu)良性能。根據(jù)魚類非凡的水下運動性能，生物學(xué)家以及機器人工作者開發(fā)出了新型水下推進裝置，即仿生機器魚。與傳統(tǒng)的螺旋槳推進器相比，仿生機器魚具有推進效率高、機動性能好、噪音低、對環(huán)境擾動小等優(yōu)點，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

鑒于仿生機器魚的諸多優(yōu)點，使得新型仿生機器魚的研究與開發(fā)越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視，同時也取得了許多階段性成果。但是，在理論分析以及實驗方面仍有許多問題亟待解決，所設(shè)計的仿生機器魚的各項性能指標(biāo)也遠遠未達到自然界真實魚類的水平。本實用新型根據(jù)仿生機器魚的性能特點，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一款雙尾鰭仿生機器魚，并創(chuàng)新性的采用了曲柄滑塊傳動結(jié)構(gòu)實現(xiàn)單電機控制雙尾鰭的來回往復(fù)擺動。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的技術(shù)問題為：針對目前仿生機器魚在水中游行的不穩(wěn)定性以及推進力不足的情況，采用獨特的曲柄滑塊機構(gòu)巧妙的實現(xiàn)了單電機控制雙尾鰭的呈180度相位差的來回往復(fù)擺動，可顯著提高仿生機器魚在水中的巡游速度和穩(wěn)定性。

本實用新型采用的技術(shù)方案為：一種基于曲柄滑塊機構(gòu)的雙尾鰭仿生機器魚，由尾鰭、魚尾、魚體以及魚頭四個部分組成，尾鰭、魚尾、魚體以及魚頭依次連接，魚尾部分巧妙的 利用了曲柄滑塊裝置將電機輸出的回轉(zhuǎn)運動形式轉(zhuǎn)化為雙尾鰭正弦來回往復(fù)擺動運動形式。

進一步的，所述仿生機器魚整體呈魚體形狀。

進一步的，所述仿生機器魚尾部有兩個對稱擺動的尾鰭，尾鰭形狀為長方形，橢圓形或扇形。

進一步的，所述電機軸與第一曲柄，第一短軸與第二曲柄，第二曲柄與第二短軸的連接方式是鍵槽連接、鉸接或螺栓連接。

進一步的，所述的曲柄滑塊裝置中的第一關(guān)鍵零件和第二關(guān)鍵零件與短軸的連接方式為U型槽連接。

進一步的，所述曲柄滑塊裝置中為了保證第一關(guān)鍵零件和第二關(guān)鍵零件只能在水平方向上來回往復(fù)運動，可采用水平滑軌或U型槽裝置限制其自由度。

進一步的，所述的雙尾鰭與尾部夾持裝置的連接方式為螺栓連接、膠粘、焊接或鉚接。

具體的，一種基于曲柄滑塊機構(gòu)的雙尾鰭仿生機器魚，由尾鰭、魚尾、魚體以及魚頭四個部分組成，尾鰭、魚尾、魚體以及魚頭依次連接，所述的魚尾部又兩個對稱的尾鰭，尾鰭形狀呈長方形，魚尾包括電機的輸出軸、第一曲柄、第一短軸、第二曲柄、第二短軸、第一關(guān)鍵零件、第二關(guān)鍵零件、第一水平滑軌和第二水平滑軌，所述的電機的輸出軸通過鍵槽之間的配合與第一曲柄一端相連，所述的第一曲柄的另一端通過鍵槽之間的配合與第一短軸一端相連，所述的第一短軸另一端通過鍵槽之間的配合與第二曲柄一端相連，所述的第二曲柄另一端通過鍵槽之間的配合與第二短軸一端相連，第二短軸另一端通過鍵槽之間的配合與軸承相連，這樣就將電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為了兩個相位差為180°的第一短軸、第二短軸的旋轉(zhuǎn)運動；第一關(guān)鍵零件、第二關(guān)鍵零件上的U形槽分別與第一短軸、第二短軸相配合，第一關(guān)鍵零件、第二關(guān)鍵零件與第一水平滑軌、第二水平滑軌配合，用于實現(xiàn)第一關(guān)鍵零件、第二關(guān)鍵零件只有水平方向上運動的自由度，第一關(guān)鍵零件、第二關(guān)鍵零件就把第一短軸、第二短軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成了水平方向的橫向移動。

其中，電機的輸出軸通過鍵槽與第一曲柄和第二曲柄相連，兩個曲柄通過鍵槽的配合與第一短軸和第二短軸相連，第一短軸和第二短軸通過U形槽的配合帶動第一關(guān)鍵零件和第二關(guān)鍵零件運動，第一關(guān)鍵零件和第二關(guān)鍵零件又與第一水平滑軌、第二水平滑軌配合，用來保證零件只能在水平方向上運動，尾部夾持裝置的曲柄通過第三短軸和第四短軸與第一關(guān)鍵零件和第二關(guān)鍵零件相連，所述的雙尾鰭通過螺栓連接的方式與尾部的夾持裝置相連，這樣就把第一關(guān)鍵零件和第二關(guān)鍵零件的水平往復(fù)運動傳遞給尾部對稱的雙尾鰭。

本實用新型的原理在于：

本實用新型仿生機器魚尾部采用了獨特的曲柄滑塊機構(gòu)的傳動裝置，巧妙的實現(xiàn)了單個 電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)控制雙尾鰭來回往復(fù)擺動，并且從機構(gòu)上保證雙尾鰭運動的相位差始終為180°，理論和實驗證明當(dāng)雙尾鰭擺動的相位差在180°時，該結(jié)構(gòu)能夠有效的消除尾鰭在擺動過程中產(chǎn)生的側(cè)向力，從而提高了仿生機器魚游行時的穩(wěn)定性，而單個電機驅(qū)動尾鰭來回擺動，使得尾鰭擺動能夠達到很高的頻率，進而提高了仿生機器魚的巡游效率和速度。

實現(xiàn)過程：仿生機器魚尾部采用對稱的曲柄滑塊機構(gòu)，使電機的輸出軸帶動雙尾鰭實現(xiàn)相位差為180°的來回往復(fù)擺動，具體結(jié)構(gòu)見附圖及說明。

本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

(1)、本發(fā)明利用單個電機控制，在尾部獨特的采用了對稱的曲柄滑塊傳動裝置，能夠有效的保證尾部雙尾鰭來回擺動的相位差始終為180°，從而消除了側(cè)向力，保證了巡游的穩(wěn)定性。

(2)、利用單電機勻速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生尾鰭的正弦擺動形式，從而使尾鰭能夠達到更高的頻率。

(3)、能夠利用結(jié)構(gòu)的特殊性比較簡單的改變尾鰭擺動的幅值。

附圖說明

圖1為本實用新型仿生機器魚總裝圖；

圖2為仿生機器魚尾部部分傳動結(jié)構(gòu)圖；

圖3為雙尾鰭內(nèi)部部分結(jié)構(gòu)圖；

圖4為仿生機器魚的魚尾整體結(jié)構(gòu)圖；

圖5為仿生機器魚的關(guān)鍵零件圖；

圖6為仿生機器魚魚身及魚頭部分。

圖中附圖標(biāo)記含義為：1為尾鰭，2為魚尾，3為魚體，4為魚頭，5為電機輸出軸，6為第一曲柄，7為第一短軸，8為第二曲柄，9為第二短軸，10為第一關(guān)鍵零件，11為第一水平滑軌，12為第二關(guān)鍵零件，13為第二水平滑軌，14為尾部第一曲柄，15為第三短軸，16為尾部第二曲柄，17為第四短軸。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實施方式進一步說明本實用新型。

圖1為該仿生機器魚的總裝配3D圖。從總裝配圖中可以看出，仿生機器魚由尾鰭1、魚尾2、魚體3以及魚頭4四個部分組成。本實用新型的創(chuàng)新點在于尾部獨特的曲柄滑塊傳動機構(gòu)，因此重點講一下魚尾2部分。

圖2為魚尾內(nèi)部部分傳動結(jié)構(gòu)圖。在圖2中可以看到，電機的輸出軸5通過鍵槽之間的配合與第一曲柄6相連，而第一曲柄6的另一端鍵槽又與第一短軸7配合，接著再用同樣的連接方式將第一短軸7與第二短軸9通過第二曲柄8相連，這樣就能巧妙的把電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為了兩個相位差為180°的第一短軸7、第二短軸9的旋轉(zhuǎn)運動。

在圖2的基礎(chǔ)上，加入第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12以及第一水平滑軌11、第二水平滑軌13就形成了圖3。在圖3中，第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12上的U形槽與圖2中的第一短軸7、第二短軸9相配合，而第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12與第一水平滑軌11、第二水平滑軌13配合，保證了第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12只有水平方向上運動的自由度，這樣，第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12的特殊結(jié)構(gòu)就把圖2中第一短軸7、第二短軸9的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成了水平方向的橫向移動。

在圖3的基礎(chǔ)上，把尾鰭的連接裝置加入進去，形成圖4。圖4中，第三短軸15、第四短軸17通過鍵槽與圖3中的第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12配合，尾鰭連接裝置的尾部第一曲柄14、第二曲柄16又與第三短軸15、第四短軸17相連，這樣就能把第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12的水平運動傳遞給尾鰭，實現(xiàn)尾鰭的來回往復(fù)擺動。從上述的說明中我們明顯可以知道，該傳動裝置其實就是兩個對稱的曲柄滑塊裝置，圖2中的第一短軸7、第二短軸9(相當(dāng)于曲柄)帶動圖3中的第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12(相當(dāng)于滑塊)來回往復(fù)運動。

為了能夠更加清楚的介紹傳動原理，將第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12的結(jié)構(gòu)圖展示出來，即為圖5。第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12形狀相同，從圖5中可以看到，該第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12的a處是一個U型槽，它分別與圖2中的第一短軸7、第二短軸9配合，把第一短軸7、第二短軸9的相位差為180度的兩個旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為同樣相位差為180度的兩個水平來回往復(fù)運動。該第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12的b處是兩個圓筒形狀的通孔，兩根圓柱形的水平滑軌剛好能夠插入通孔內(nèi)，實現(xiàn)與關(guān)鍵零件的配合，保證該第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12只有水平沿滑軌方向的單個自由度。該第一關(guān)鍵零件10、第二關(guān)鍵零件12的c處有一個鍵槽，用來與第三短軸15和第四短軸17上的鍵配合，通過鍵槽連接的方式將水平往復(fù)運動的形式傳遞給尾鰭，實現(xiàn)尾鰭的來回往復(fù)擺動?？偟膩碚f，該結(jié)構(gòu)巧妙的實現(xiàn)了單電機控制雙尾鰭呈180度相位差的來回往復(fù)擺動。根據(jù)曲柄滑塊的理論知識，要想增大滑塊的行程，就得增大曲柄的旋轉(zhuǎn)半徑。同樣的道理，如果想要增大尾鰭的擺幅，可以增大圖2中第一短軸7、第二短軸9的旋轉(zhuǎn)半徑，具體實現(xiàn)方式可以是增加圖2中第一曲柄2、第二曲柄4的長度。

圖6為仿生機器魚的魚體及魚頭部分，魚體上下各有4個緊固螺栓，實現(xiàn)與魚尾及魚頭 部分的連接和固定，魚體內(nèi)部裝有控制電機、給電機供電的電池以及各種電路板及驅(qū)動裝置，魚頭內(nèi)部裝有開關(guān)裝置。