仿生机器鱼驱动装置及仿生机器鱼鱼身

摘要

本发明涉及水下机器人技术领域，提供了一种仿生机器鱼驱动装置及仿生机器鱼鱼身，包括：密封主舱内设有驱动电机；密封子舱设置于密封主舱的外部且与密封主舱相连通；传动机构从密封主舱延伸至密封子舱，包括：转臂、摇杆和摆轴，驱动电机的转轴与转臂相连，转臂与摇杆相连，摇杆与摆轴沿长度方向的中心铰接，且摇杆的中轴线与转轴的中轴线具有夹角，使摆轴的中心位于摇杆的中轴线与转轴的中轴线的交点上；摆轴可转动地设置于密封子舱内且与转轴垂直布置，摆轴的两端穿设于密封子舱的侧壁。本发明可以将驱动电机的回转运动转变为往复摆动，并将往复摆动从密封空间传递到开放空间，具有结构简洁、密封可靠等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种仿生机器鱼驱动装置及仿生机器鱼鱼身。

背景技术

大自然中鱼类、海豚等海洋生物进化出了适应水下活动的身体结构，它们普遍采用摆动尾部或使身体波动的形式游动，这种游动推进模式与螺旋桨驱动相比，不但效率高，同时具有灵活、隐蔽的特点。以它们为仿生对象的仿生机器鱼，在海洋观测、军事侦察、水下作业等领域有着重大的应用前景。在水下机器人领域，目前技术相对成熟的驱动动力源为输出回转运动的电机，其他诸如形状记忆合金、人工肌肉等智能材料，但其技术成熟度还远未达到实用的水平。

目前实现鱼身或鱼尾摆动的驱动方式，主要包括以下几种：(1)申请号为CN201510134896.7的专利文献，公开了一种空间机动尾摆推进装置，采用多个舵机，让舵机的输出轴在一定的夹角范围内连续的正反转实现摆动，这种让舵机连续高频执行正反转输出的方式，效率低，可靠性差，并且伸缩连杆靠近尾鳍部分与活动支架之间设有橡胶进行密封，这种密封方式不适合深水高压环境，另外橡胶容易疲劳破损；(2)申请号为CN202010240722.X的专利文献，公开了一种仿生机器鱼驱动装置，通过曲柄、滑块等结构实现摆动，但是存在急回的问题，且尾鳍与鱼尾壳体连接处的密封性差，结构复杂，占用空间大。

发明内容

本发明提供一种仿生机器鱼驱动装置及仿生机器鱼鱼身，可以将驱动电机的回转运动转变为往复摆动，并将往复摆动从密封空间传递到开放空间，不但适用于小型玩具类仿生机器鱼的驱动，同时也适用于大型深水高压环境下的仿生机器鱼的驱动，具有结构简洁、密封可靠等特点。

本发明提供一种仿生机器鱼驱动装置，包括：密封主舱，所述密封主舱内设有驱动电机；密封子舱，设置于所述密封主舱的侧壁外部且经通道与所述密封主舱相连通；传动机构，经所述通道从所述密封主舱延伸至所述密封子舱，所述传动机构包括：转臂、摇杆和摆轴，所述驱动电机的转轴与所述转臂的第一端相连，以驱动所述转臂旋转，所述转臂的第二端经连接件与所述摇杆的第一端相连，以带动所述摇杆绕所述转轴作圆周运动，所述摇杆的第二端与所述摆轴沿长度方向的中心铰接，且所述摇杆的中轴线与所述转轴的中轴线具有夹角，使所述摆轴的中心位于所述摇杆的中轴线与所述转轴的中轴线的交点上，以带动所述摆轴往复摆动；所述摆轴可转动地设置于所述密封子舱内且与所述转轴垂直布置，所述摆轴的两端穿设于所述密封子舱的侧壁。

根据本发明提供的一种仿生机器鱼驱动装置，所述转臂包括轴臂和连接臂，所述轴臂与所述转轴同轴连接，所述连接臂包括相连的第一连接部和第二连接部，所述第一连接部与所述轴臂垂直连接，所述第二连接部朝向所述摆轴弯曲且经所述连接件与所述摇杆的第一端相连。

根据本发明提供的一种仿生机器鱼驱动装置，所述密封子舱远离所述密封主舱的侧壁设有开口，所述轴臂与所述通道相适配，所述轴臂经所述通道从所述密封主舱延伸至所述密封子舱，且所述轴臂与所述通道之间设有第一密封件，所述连接臂位于所述密封子舱内。

根据本发明提供的一种仿生机器鱼驱动装置，所述密封主舱的侧壁内部设有轴承座，所述轴承座靠近所述通道布置，所述轴承座内设有第一轴承，所述通道内设有第二轴承，所述轴臂设置于所述第一轴承和所述第二轴承内。

根据本发明提供的一种仿生机器鱼驱动装置，所述密封主舱的侧壁与所述轴承座之间设有第二密封件，所述轴承座与所述轴臂之间设有第三密封件，且所述第一密封件、第二密封件和第三密封件均位于所述第一轴承与所述第二轴承之间。

根据本发明提供的一种仿生机器鱼驱动装置，所述摆轴的两端与所述密封子舱的侧壁之间设有第四密封件。

根据本发明提供的一种仿生机器鱼驱动装置，所述连接件为球铰副，所述密封主舱内设有电机位置调整装置，用于使所述驱动电机沿所述转轴的轴向靠近或远离所述摆轴。

根据本发明提供的一种仿生机器鱼驱动装置，所述连接件为第三轴承。

本发明还提供一种仿生机器鱼鱼身，包括所述的仿生机器鱼驱动装置，所述密封主舱的外壁设有连接耳板，所述连接耳板与所述密封子舱相对设置，所述仿生机器鱼驱动装置的摆轴与相邻所述仿生机器鱼驱动装置的连接耳板相连，以将多个所述仿生机器鱼驱动装置串联。

根据本发明提供的一种仿生机器鱼鱼身，最后一个所述仿生机器鱼驱动装置的摆轴连接有尾鳍。

本发明提供的仿生机器鱼驱动装置及仿生机器鱼鱼身，通过密封主舱和密封子舱对驱动电机、传动机构等结构进行密封，防止进水；通过驱动电机的转轴与转臂的第一端相连，以驱动转臂绕驱动电机的转轴旋转，通过转臂的第二端经连接件与摇杆的第一端相连，以带动摇杆绕驱动电机的转轴作圆周运动，通过摇杆的第二端与摆轴沿长度方向的中心铰接，且摇杆的中轴线与转轴的中轴线具有夹角，使摆轴的中心位于摇杆的中轴线与转轴的中轴线的交点上，以带动摆轴往复摆动，摆轴可转动地设置于密封子舱内且与转轴垂直布置，摆轴的两端穿设于密封子舱的侧壁，在使用时，摆轴可以直接连接尾鳍，带动尾鳍往复摆动，或者多个仿生机器鱼驱动装置也可以通过摆轴串联，构成仿生机器鱼摆动的鱼身。因此，本发明通过传动机构可以将驱动电机的回转运动转变为往复摆动，并将往复摆动从密封空间(即密封主舱和密封子舱)传递到开放空间(即水域)，同时通过上述结构设置，传动机构输出的运动为理想的正弦往复摆动，没有急回特性；本发明不但适用于小型玩具类仿生机器鱼的驱动，同时也适用于大型深水高压环境下的仿生机器鱼的驱动，具有结构简洁、密封可靠等特点。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的仿生机器鱼驱动装置的外观结构示意图；

图2是图1的第一视角剖面图；

图3是图1的第二视角剖面图；

图4是本发明提供的驱动电机与传动机构的装配示意图；

图5是本发明提供的尾鳍装配示意图；

图6是图5的剖面图；

图7是图6的A处局部放大图；

附图标记：

1：密封主舱；2：驱动电机；201：转轴；3：密封子舱；

301：底板；4：通道；5：传动机构；501：转臂；5011：轴臂；

5012：连接臂；5013：第一连接部；5014：第二连接部；

502：摇杆；5021：连杆；5022：U形支架；503：摆轴；

504：销轴；505：第四轴承；6：开口；7：第一密封件；

8：轴承座；9：第一轴承；10：第二轴承；11：第二密封件；

12：第三密封件；13：第四密封件；14：第五轴承；

15：第三轴承；16：连接耳板；161：连接孔；17：尾鳍；

18：尾柄；19：紧固件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1-图7描述本发明的仿生机器鱼驱动装置及仿生机器鱼鱼身。

根据本发明的实施例，如图1-图4所示，本发明提供的仿生机器鱼驱动装置，主要包括：密封主舱1、驱动电机2、密封子舱3和传动机构5。其中，密封主舱1作为安装各种部件的主要载体；驱动电机2沿水平方向设置于密封主舱1内；密封子舱3设置于密封主舱1的右侧壁外部且经通道4与密封主舱1相连通。

传动机构5经通道4从密封主舱1延伸至密封子舱3内，通过密封主舱1和密封子舱3可以对驱动电机2、传动机构5等结构进行密封，防止进水；传动机构5包括：转臂501、摇杆502和摆轴503，驱动电机2的转轴201与转臂501的第一端相连，转臂501在驱动电机2的作用下，可以绕驱动电机2的转轴201做连续回转运动，转臂501的第二端经连接件与摇杆502的第一端相连，转臂501旋转时带动摇杆502绕驱动电机2的转轴201作圆周运动，摇杆502的第二端与摆轴503沿长度方向的中心铰接，且摇杆502的中轴线与驱动电机2转轴201的中轴线具有夹角a，使摆轴503的中心位于摇杆502的中轴线与驱动电机2转轴201的中轴线的交点上，以带动摆轴503绕其自身中轴线可转动地往复摆动；摆轴503的主体部分可转动地设置于密封子舱3内且与驱动电机2的转轴201垂直布置，摆轴503的两端穿设于密封子舱3的侧壁。

应当理解的是，本发明通道4应不妨碍传动机构5的运动。

并且，摇杆502的中轴线与驱动电机2转轴201的中轴线的夹角a可以根据实际情况进行设定，该夹角a的大小决定了摆轴503的摆动角度范围，进而决定了摆动幅度，具体的：夹角a越大，摆动角度越大，摆动幅度越大；反之，夹角a越小，摆动角度越小，摆动幅度越小。

此外，摆轴503的中轴线、摇杆502的中轴线、驱动电机2转轴201的中轴线交汇于一点，即摆轴503的中心，并且在运动过程中时刻交汇于该点。

为了更好地理解本发明传动机构5具体的动态传动过程，下面结合图4对传动过程做进一步描述，包括：驱动电机2旋转时，带动转臂501整体绕驱动电机2的转轴201在竖向平面内旋转，作圆周运动，转臂501旋转时带动摇杆502整体绕驱动电机2的转轴201旋转，作圆周运动，且通过上述设置，摇杆502为圆锥式旋转，摇杆502旋转时，带动摆轴503绕其自身中轴线可转动地往复摆动，往复摆动过程主要包括两个阶段：

以驱动电机2顺时针旋转为例，在第一阶段过程中，转臂501的第二端从圆周最高点(上方)逐渐旋转至最低点(下方)，带动摇杆502的第二端绕摆轴503的中心逐渐向下转动，进而带动摆轴503绕其自身中轴线向左转动；在第二阶段过程中，转臂501的第二端从圆周最低点再逐渐旋转至最高点，带动摇杆502的第二端绕摆轴503的中心逐渐向上转动，进而带动摆轴503绕其自身中轴线向右转动，在连续旋转过程中，实现摆轴503转动式的往复摆动。

因此，本发明通过传动机构5可以将驱动电机2的回转运动转变为往复摆动，并将往复摆动从密封空间(即密封主舱和密封子舱)传递到外部的开放空间(即水域)，同时通过上述结构设置，传动机构5输出的运动为理想的正弦往复摆动，没有急回特性；本发明不但适用于小型玩具类仿生机器鱼的驱动，同时也适用于大型深水高压环境下的仿生机器鱼的驱动，具有结构简洁、密封可靠等特点。

在一个实施例中，本发明仿生机器鱼驱动装置在使用时，摆轴503的端部可以通过连接支架连接尾鳍17，带动尾鳍17往复摆动，实现驱动电机2在与外界空间隔离的情况下对尾鳍17驱动。

在一个实施例中，本发明仿生机器鱼驱动装置在使用时，多个仿生机器鱼驱动装置的密封主舱1可以通过摆轴503串联，通过摆轴503把往复摆动传递给下一个密封主舱1，使两个串联的密封主舱1之间产生一定角度的摆动，构成仿生机器鱼摆动的鱼身，实现驱动电机2在与外界空间隔离的情况下对鱼身驱动。

本发明密封主舱1与密封子舱3可以为一体成型结构，也可以为分体结构，通过螺栓进行连接；并且密封主舱1与密封子舱3的具体形状可以为方形、椭圆形、纺锤形、筒形或其他形状。

在一个实施例中，如图1所示，密封主舱1为纺锤形，即密封主舱1由中部分别向上下两侧逐渐收缩，形成类似鱼身的形状，以提高游动效果，密封子舱3为半个椭圆形。

根据本发明的实施例，如图2和图3所示，转臂501包括轴臂5011和连接臂5012，轴臂5011与驱动电机2的转轴201同轴连接，连接臂5012包括第一连接部5013和第二连接部5014，第一连接部5013与轴臂5011的末端垂直连接，第二连接部5014与第一连接部5013相连，且第二连接部5014向右朝向摆轴503弯曲布置，第二连接部5014经连接件与摇杆502的第一端相连。其中，第二连接部5014的具体形状不做特别限制，在本示例中，第二连接部5014为圆盘形，第二连接部5014开设中心孔，中心孔内安装连接件，便于通过连接件与摇杆502的第一端连接。

在一个实施例中，轴臂5011与连接臂5012为一体成型，制成转臂501，以提高整体传动效果。

根据本发明的实施例，如图4所示，摇杆502包括相互连接的连杆5021和U形支架5022，连杆5021的第一端(左端)经连接件与连接臂5012的第二连接部5014的中心孔相连，U形支架5022的背侧(左侧)与连杆5021的第二端(右端)相连，U形支架5022设有两个分支架，以形成开口容纳腔，摆轴503的中部位于开口容纳腔内，两个分支架的末端为盘状结构，两个分支架盘状结构的中心同轴设有通孔，销轴504贯穿通孔与摆轴503沿长度方向的中心相连，且销轴504的两端分别设有第四轴承505，第四轴承505位于两个分支架盘状结构的通孔内，摇杆502通过销轴504与摆轴503构成铰接运动副。

根据本发明的实施例，如图2所示，摆轴503的主体部分设置在密封子舱3的内部，摆轴503的两端穿设密封子舱3的侧壁，在穿设处设有第四密封件13和第五轴承14，且第四密封件13位于第五轴承14的外侧，其中，第五轴承14给摆轴503提供支撑，使摆轴503可转动地设置于密封子舱3上；第四密封件13保证摆轴503与密封子舱3之间相对转动的同时，防止进水。

在一个实施例中，连接件为球铰副(图中未示出)，球铰副具有多个转动自由度，球铰副设置于转臂501的第二连接部5014的中心孔内，摇杆502的连杆5021经球铰副与转臂的第二连接部5014相连，摇杆502与转臂501之间的配合为球铰运动副，与此同时，密封主舱1内设有电机位置调整装置(图中未示出)，用于使驱动电机2沿转轴201的轴向靠近或远离摆轴503，本发明通过配置球铰副和电机位置调整装置，可实现摆轴503的摆动角度范围的在线调节，进而实现仿生机器鱼鱼身和尾鳍摆动幅值的在线调节。具体的，如图2所示，驱动电机2沿其轴向往左远离摆轴503移动时，夹角a变小，摆动幅度变小，往右靠近摆轴503移动时，夹角a变大，摆动幅度变大。

本发明电机位置调整装置的具体类型不作特别限制，只要可以实现上述效果即可，例如可以为气缸、电动推杆等直线驱动装置，直线驱动装置设置在密封主舱1远离密封子舱3的左侧内壁上，直线驱动装置的驱动端与驱动电机2的左侧壳体相连，通过直线驱动装置驱动端的伸缩运动，带动驱动电机2沿其轴向左右移动。

在一个实施例中，连接件为第三轴承15，第三轴承15设置于转臂501的第二连接部5014的中心孔内，摇杆502的连杆5021经第三轴承15与转臂501的第二连接部5014相连，摇杆502与转臂501之间的配合为回转运动副，此时夹角a不可在线调节，为设定值。

根据本发明的实施例，如图5和图6所示，与前述实施例不同的是，在该实施例中，密封主舱1和密封子舱3为筒形，并且密封子舱3远离密封主舱1的侧壁设有开口6，具体的，对密封子舱3的右侧壁裁切，形成开口6，裁切后形成的具体形状不作特别限制，只要开口6不影响摆轴503的摆动即可，此时，密封子舱3的内部空间与外界水域相连通，由于密封主舱1的内部空间是隔水封闭的空间，以对驱动电机2进行密封防水。因此，为了防止水进入密封主舱1且不妨碍传动机构5的运动，本发明采取的方式为：轴臂5011与通道4相适配，两者具体为间隙配合，轴臂5011经通道4从密封主舱1延伸至密封子舱3内，且轴臂5011与通道4之间设有第一密封件7，连接臂5012位于密封子舱3内。具体的，驱动电机2驱动轴臂5011在通道内密封旋转，轴臂5011带动连接臂5012在密封子舱3内作圆周运动，进而带动摆轴503往复摆动。

如图6所示，密封子舱3与密封主舱1为分体结构，即独立的两个零件，为了提高密封子舱3与密封主舱1的连接可靠性，密封子舱3的左侧设有底板301，底板301上设有与轴臂5011相适配的通孔，便于轴臂5011穿过，密封主舱1的右侧壁外部设有螺纹盲孔，紧固螺栓贯穿底板301与螺纹盲孔相连，进而将密封子舱3安装于密封主舱1上。

如图7所示，密封主舱1的右侧壁内部设有环状的轴承座8，具体的，密封主舱1的右侧壁内部设有螺纹盲孔，紧固螺栓贯穿轴承座8与螺纹盲孔相连，进而将轴承座8固定在密封主舱1的右侧壁上；并且轴承座8靠近通道4布置，轴承座8内设有第一台阶孔，第一台阶孔内设有第一轴承9，通道4内设有第二台阶孔，第二台阶孔内设有第二轴承10，轴臂5011设置于第一轴承9和第二轴承10内。本发明通过上述设置，可以增强对转臂501的支撑刚度。可以理解的是，本发明第二轴承10也可以设置在底板301上，设置位置视具体情况而定；并且通过设置螺纹盲孔，可以保证隔水性能。

密封主舱1的右侧壁与轴承座8之间设有第二密封件11，轴承座8与轴臂5011之间设有第三密封件12，且第一密封件7、第二密封件11和第三密封件12均位于第一轴承9与第二轴承10之间，有效提高密封性能，保证密封的可靠性。

本发明第一密封件7、第二密封件11、第三密封件12和第四密封件13的具体类型不作特别限制，可采用成熟的密封元件，如泛塞、O形圈等，密封可靠，寿命长，使仿生机器鱼可以较长时间的承担深水下作业。

由于密封子舱3设有开口6，因此，可以在摆轴503的中心处连接向后延伸的杆状的尾柄18，尾柄18与尾鳍17连接。当然，尾鳍17也可以通过连接支架与摆轴503的两端相连。

本发明还提供一种仿生机器鱼鱼身，包括上述实施例所述的仿生机器鱼驱动装置，如图1和图2所示，密封主舱1的外壁设有连接耳板16，连接耳板16与密封子舱3相对设置于密封主舱1的左右两侧，连接耳板16设有连接孔161，相邻两个仿生机器鱼驱动装置中，其中一个仿生机器鱼驱动装置的摆轴503的两端与另一个仿生机器鱼驱动装置的连接耳板16的连接孔161相连，以将多个仿生机器鱼驱动装置串联。

在一个实施例中，上一个仿生机器鱼驱动装置的摆轴503的两端通过紧固件19与下一个仿生机器鱼驱动装置的连接耳板16的连接孔161相连，紧固件19是具有传递转矩的任何形状的零件，比如矩形平键、六棱形螺栓等。多个仿生机器鱼驱动装置通过上述连接方式互相串行连接，通过摆轴503把往复摆动传递给下一个仿生机器鱼驱动装置，使两个串联的仿生机器鱼驱动装置之间产生一定角度的摆动，构成仿生机器鱼摆动的鱼身。

本发明连接耳板16与密封主舱1可以为一体成型结构，也可以为分体结构，通过螺栓进行连接。

根据本发明的实施例，在多个仿生机器鱼驱动装置中，第一个仿生机器鱼驱动装置的连接耳板16可以连接鱼头，最后一个仿生机器鱼驱动装置的摆轴503连接尾鳍17，形成完整的仿生机器鱼。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。