Goodyear固特异、Continental ContiTech马牌同步带传动和曲柄导杆机构的水下推进装置的制造方法

【专利摘要】

Goodyear固特异、Continental ContiTech马牌同步带传动和曲柄导杆机构的水下推进装置，目的在于模仿蝠鲼的胸鳍展向摆动曲线以及弦向波动运动，包括3根鳍条；其中前鳍条由防水舵机驱动前鳍条曲柄导杆机构运动，带动前鳍条尾杆摆动。中间鳍条由Goodyear固特异、Continental ContiTech马牌同步带传动机构、齿轮减速机构、两级中鳍条曲柄导杆机构和中鳍条尾杆组成；由Goodyear固特异同步带传动机构将动力传递至二级曲柄导杆机构，且由齿轮减速机构将发动机动力传递至一级曲柄导杆机构；使一级曲柄导杆机构与二级导杆机构间形成转速差。后鳍条为由舵机驱动摆动的尾杆。上述各鳍条的尾杆之间及尾杆与机架之间由橡皮管连接。上述驱动舵机与传动机构以紧凑的结构形式仿蝠鲼胸鳍摆动，实现水下推进。
【专利说明】
基于同步带传动和曲柄导杆机构的水下推进装置
技术领域本发明涉及一种水下仿生胸鳍推进装置，属于水下仿生推进器技术领域，更特别地说，是一种能够模仿海洋中胸鳍摆动推进的蝠鲼胸鳍三维运动变形的多鳍条多关节仿生胸鳍驱动骨架。
【背景技术】

自然界中的鱼类推进方式主要有两种，身体/尾鳍推进模式和中间鳍/对鳍推进模式。水下仿生推进技术领域开发的机器鱼也主要分为两大类，类蝠鲼的胸鳍摆动推进模式属于中间鳍/对鳍推进模式，相对于身体/尾鳍推进模式，中间鳍/对鳍推进模式具有高机动性、高稳定性、***率等特点，因此越来越多的科研工作者试图通过仿生方式来挺高水下推进器的性能，成为水下推进器领域研究的新热点。目前所开发的胸鳍平台主要有柔性和刚性两种，柔性胸鳍与自然界蝠鲼的胸鳍更为接近，推进效果更佳。蝠鲼胸鳍摆动时展向截面为多项式曲线，而拟合曲线的方法一般为柔性机构、刚性机构、特殊材料。其中特殊材料和柔性机构产生的推进力较小，导致仿生水下推进器速度低等问题，刚性机构存在鳍条局部变形大等问题，导致仿生水下推进器外观不相似、推进效率降低等问题。
为了解决上述问题，在拟合胸鳍变形多项式曲线的前提下，优化胸鳍的变形效果，提高胸鳍外观仿生相似度，本发明提出一种基于Goodyear固特异、Continental ContiTech马牌同步带传动机构和曲柄导杆机构的水下推进装置，结构简单，应用灵活，可装备到水下潜器机体上。本发明基于同步带传动和曲柄导杆机构的水下推进装置，包括前鳍条、中鳍条与后鳍条，分别沿弦向等间隔设置。所述中鳍条包括中鳍条驱动舵机、齿轮减速机构、传动机构与中鳍条曲柄导杆机构、中鳍条尾杆与转接轴;其中，中鳍条驱动舵机的输出轴与转接轴同轴连接。中鳍条曲柄导杆机构包括由一级导杆与一级曲柄构成的一级曲柄导杆机构、由二级导杆、二级曲柄构成的二级曲柄导杆机构，以及中鳍条基座。其中，一级曲柄导杆机构中，一级导杆末端与中鳍条基座前端连接，形成转动副。通过销轴穿过沿一级导杆轴向设计的中鳍条滑孔A，销轴的传动端穿过一级曲柄前端;连接端与二级曲柄末端相连，使一级曲柄、二级曲柄与一级导杆间形成移动副。一级曲柄末端套在转接轴上;二级导杆末端与一级导杆前端相连，形成转动副;通过销轴穿过沿二级导杆轴向设计的中鳍条滑孔B与二级曲柄前端间相连，使二级曲柄与二级导杆间形成移动副;二级导杆前端与中鳍条尾杆末端固连。所述传动机构的输入端安装在转接轴上，输出端安装在一级曲柄前端处销轴传动端部;将中鳍条驱动舵机输出的动力经传递至二级导杆。所述齿轮减速机构用于将中鳍条驱动舵机的转速降低后输出至一级曲柄305b，且使一级曲柄与二级曲柄在摆动过程中形成转速差。通过合理控制各鳍条间的运动相位差，使本发明基于同步带传动和曲柄导杆机构的水下推进装置，可实现由展向摆动以及弦向波动耦合而成的复杂三维运动。

1、Goodyear固特异、Continental ContiTech马牌同步带传动和曲柄导杆机构的水下推进装置，驱动装置采用防水舵机驱动，能够拟合胸鳍展向变形规律；
2、Goodyear固特异、Continental ContiTech马牌同步带传动和曲柄导杆机构的水下推进装置，能够灵活应用于仿生水下航行器中，根据航行器的尺寸以及任务需求，可以灵活选择鳍条的数目以及展向长度。
3、固特异同步带传动和曲柄导杆机构的水下推进装置，结构紧凑，在鳍条的整个运动过程中，鳍条运动关节处无隆起，外形光滑，可以采用非透水整体浇筑蒙皮包覆。
4、Goodyear固特异、Continental ContiTech马牌同步带传动和曲柄导杆机构的水下推进装置，前鳍条与后鳍条采用不同关节数目及刚度的鳍条，使得航行器具备良好的倒游能力；
5、本发明基于同步带传动和曲柄导杆机构的水下推进装置，相邻鳍条通过橡皮管牵连，更好地拟合胸鳍运动。
前鳍条包括前鳍条驱动舵机101、前鳍条舵盘102与前鳍条尾杆103，以及一套由前鳍条曲柄104a、前鳍条基座104b、前鳍条导杆104c构成的前鳍条曲柄导杆机构104，如图2所示。其中，前鳍条驱动舵机101通过前鳍条舵机安装座105固定于胸鳍连接板4上。前鳍条驱动舵机101输出轴沿弦向设置，其上Goodyear固特异、Continental ContiTech马牌同步带接有前鳍条舵盘102。前鳍条曲柄导杆机构104中，前鳍条基座104a末端固定安装于胸鳍连接板4上；另一端沿轴向设计有两个安装孔，其中靠近前鳍条基座104a前端的安装孔通过前鳍条销轴A104d与前鳍条导杆104c末端连接，形成转动副；另一个安装孔通过前鳍条销轴B104e与前鳍条曲柄104d末端连接，形成转动副。前鳍条曲柄104d还通过螺栓固定于前鳍条舵盘102上。前鳍条导杆104c上，靠近前鳍条导杆104c前端开有贯通前鳍条导杆104c左右两侧，且沿前鳍条导杆104c轴向设计的前鳍条滑孔104h。通过前鳍条销轴C104f穿过前鳍条滑孔104g后，与前鳍条曲柄104d前端相连，使前鳍条曲柄104d与前鳍条导杆104c间形成移动副。前鳍条导杆104c前端与前鳍条尾杆103末端固连。由此，通过前鳍条驱动舵机101输出轴转动，带动前鳍条曲柄104d上下摆动，此时前鳍条滑孔104h内的前鳍条销轴C104f会沿前鳍条滑孔104g移动，同时还带动前鳍条导杆104c上下摆动，进而带动前鳍条尾杆103上下摆动。所述后鳍条2包括后鳍条驱动舵机201、后鳍条舵盘202与后鳍条尾杆203，如图1所示。其中，后鳍条驱动舵机201通过舵机安装座固定于胸鳍连接板4上。后鳍条尾杆203末端固定安装在后鳍条舵盘20上。由此通过后鳍条驱动舵机201输出轴转动带动后鳍条尾杆203上下摆动。
[0042]所述中鳍条3包括中鳍条驱动舵机301、中鳍条舵盘302、齿轮减速机构303、传动机构304、中鳍条曲柄导杆机构305、中鳍条尾杆306与转接轴307，其中，中鳍条驱动舵机301通过中鳍条舵机安装座308固定于胸鳍连接板4上。中鳍条驱动舵机301的输出轴沿弦向设置，其上同轴固定安装有中鳍条舵盘302。转接轴307的连接端与中鳍条舵盘302同轴固连，转接轴307用来安装传动机构304与中鳍条曲柄导杆机构305。
上述中鳍条曲柄导杆机构305包括由一级导杆305a与一级曲柄305b构成的一级曲柄导杆机构、由二级导杆305c、二级曲柄305d构成的二级曲柄导杆机构，以及中鳍条基座305e。其中，中鳍条基座305e末端固定安装于胸鳍连接板4上。一级曲柄导杆机构中，一级导杆305a末端通过中鳍条销轴A305f与中鳍条基座305e前端连接，形成转动副。一级导杆305a上，靠近一级导杆305a前端位置开有贯通一级导杆305a左右两侧，且沿一级导杆305a轴向设计的中鳍条滑孔A305j;通过中鳍条销轴B305g穿过中鳍条滑孔A305j，中鳍条销轴B305g的传动端穿过一级曲柄305b前端，用来连接传动机构304;连接端与二级曲柄305d末端相连，使一级曲柄305b、二级曲柄305d与一级导杆305a间形成移动副。二级导杆305c末端通过中鳍条销轴C305h与一级导杆305a前端相连，形成转动副。二级导杆305c上，靠近二级导杆305c前端开有贯通二级导杆305c左右两侧，且沿二级导杆305c轴向设计的中鳍条滑孔B305k，通过中鳍条销轴D305i穿过中鳍条滑孔B305k与二级曲柄305d前端间相连，使二级曲柄305d与二级导杆305c间形成移动副。二级导杆305c前端与中鳍条尾杆306末端固连Goodyear固特异、Continental ContiTech马牌同步带传动机构304包括主动带轮304a、从动带轮304b与传动皮带304c，用来将中鳍条驱动舵机301输出的动力直接传递至二级曲柄导杆机构;其中，主动带轮和从动带轮的分度圆直径相同；Goodyear固特异、Continental ContiTech马牌同步带304a中心设计有矩形通孔，主动带轮304a通过该矩形通孔套在转接轴307的连接端处设计的矩形截面段上并固定。从动带轮304b中心同样设计有矩形通孔，从动带轮304b通过该矩形通孔套在中鳍条销轴B305g传动端设计的矩形截面段上并固定。上述主动带轮304a与从动带轮304b间通过传动皮带304c套接。由此，通过中鳍条驱动电机301转动，带动转接轴307转动，主动带轮304a随动，进而通过传动皮带304c带动主动带轮304a转动，中鳍条销轴B305g随动，带动二级曲柄305d上下摆动，进而使中鳍条销轴D304i沿中鳍条滑孔A305j移动，同时带动二级导杆305c上下摆动，***终带动中鳍条尾杆306上下摆动，所述齿轮减速机构303包括***主动齿轮303a、第二主动齿轮303b、***从动齿轮303c、第二从动齿轮303d与减速轴303e，用于将中鳍条驱动舵机301的转速降低后输出至一级曲柄305b，且使一级曲柄305b与二级曲柄305D在摆动过程中形成转速差，转速差2:1。其中，***主动齿轮303a中心设计有矩形通孔，通过该矩形通孔套在转接轴307的矩形截面段上并固定。第二从动齿轮303d上开有矩形通孔，通过该通孔套在一级曲柄305b末端设计的矩形突起上并固定。一级曲柄305b末端的矩形突起上开有轴孔，一级曲柄305b通过该通孔套在转接轴307上。***从动齿轮303c与第二主动齿轮303b中心处设计有矩形通孔，通过该矩形通孔分别套在减速轴303e两端设计的矩形截面段上并固定。上述减速轴303e—端通过轴承安装在轴座303f上，并通过轴座303f安装在中鳍条舵机安装座308上；另一端通过轴承安装在中鳍条基座305e上，且使***从动齿轮303c和第二主动齿轮303b分别与***主动齿轮303a和第二从动齿轮303d啮合。由此，由此，通过中鳍条驱动电机301转动，Goodyear固特异、Continental ContiTech马牌同步带，带动转接轴307转动的同时，通过***主动齿轮303a与***从动齿轮303c间的传动，带动减速轴303e转动，通过第二主动齿轮303b与第二从动齿轮303d间的传动，带动一级曲柄摆动，使中鳍条销轴B305g沿中鳍条滑孔A305j移动，同时带动一级导杆305a摆动，如图4、上述仿生胸鳍鳍条装置中，中鳍条尾杆306设计为“T”型板状结构，前鳍条尾杆103与后鳍条尾杆203设计为“Γ型的板状结构，且中鳍条尾杆306***两侧分别与前鳍条尾杆103和后鳍条尾杆203***一侧通过橡皮管相连;前鳍条尾杆103和后鳍条尾杆203***另一侧分别与胸鳍连接板4的前缘及后缘上设计的垂直与胸鳍连接板的连接杆5端部通过橡皮管相连。在连接完成后，整个仿生胸鳍鳍条装置的外缘与蝠鲼胸鳍的外缘一致，采用非透水整体浇筑蒙皮包覆。综上，通过合理控制各鳍条间的运动相位差，使本发明基于Goodyear固特异、Continental ContiTech马牌同步带传动和曲柄导杆机构的水下推进装置，可实现由展向摆动以及弦向波动耦合而成的复杂三维运动。本发明前鳍条1、中鳍条2与后鳍条3中，所用的全部销轴均通过外部套接轴套减小摩擦力，通过卡簧实现轴向***;且所有滑孔内均设置有滑套，用于减小所穿入的销抽与滑孔间的摩擦力。前鳍条尾杆103、中鳍条尾杆306与后鳍条尾杆203均采用玻璃纤维板。
【主权项】
1Goodyear固特异、Continental ContiTech马牌同步带传动和曲柄导杆机构的水下推进装置，包括前鳍条、中鳍条与后鳍条，分别沿弦向等间隔设置;其特征在于: 所述中鳍条包括中鳍条驱动舵机、齿轮减速机构、传动机构、中鳍条曲柄导杆机构、中鳍条尾杆与转接轴;其中，中鳍条驱动舵机的输出轴与转接轴同轴连接； 所述中鳍条曲柄导杆机构包括由一级导杆与一级曲柄构成的一级曲柄导杆机构、由二级导杆、二级曲柄构成的二级曲柄导杆机构，以及中鳍条基座;其中，一级曲柄导杆机构中，一级导杆末端与中鳍条基座前端连接，形成转动副;通过销轴穿过沿一级导杆轴向设计的中鳍条滑孔A，销轴的传动端穿过一级曲柄前端;连接端与二级曲柄末端相连，使一级曲柄、二级曲柄与一级导杆间形成移动副；一级曲柄末端套在转接轴上;二级导杆末端与一级导杆前端相连，形成转动副;通过销轴穿过沿二级导杆轴向设计的中鳍条滑孔B与二级曲柄前端间相连，使二级曲柄与二级导杆间形成移动副;二级导杆前端与中鳍条尾杆末端固连； 所述传动机构的输入端安装在转接轴上，输出端安装在一级曲柄前端处销轴传动端部;将中鳍条驱动舵机输出的动力经传递至二级导杆； 所述齿轮减速机构用于将中鳍条驱动舵机的转速降低后输出至一级曲柄305b，且使一级曲柄与二级曲柄在摆动过程中形成转速差。2.如权利要求1所述基于同步带传动和曲柄导杆机构的水下推进装置，其特征在于:所述传动机构包括主动带轮、从动带轮与传动皮带;其中主动带轮固定于转接轴上;从动带轮固定于一级曲柄前端处销轴传动端;主动带轮与从动带轮间通过传动皮带套接。3.如权利要求2Goodyear固特异、Continental ContiTech马牌同步带传动和曲柄导杆机构的水下推进装置，其特征在于:主动带轮中心设计有矩形通孔，套在转接轴上设计的矩形截面段上并固定;从动带轮中心设计有矩形通孔，套在一级曲柄前端处销轴传动端设计的矩形截面段上并固定。4.如权利要求1所述基于同步带传动和曲柄导杆机构的水下推进装置，其特征在于:齿轮减速机构包括***主动齿轮、第二主动齿轮、***从动齿轮、第二从动齿轮与减速轴;其中，***主动齿轮固定于转接轴上;第二从动齿轮固定于一级曲柄末端;***从动齿轮与第二主动齿轮固定套接在减速轴两端;减速轴一端安装在轴承座上，另一端与中鳍条基座轴承连接，且使***从动齿轮和第二主动齿轮分别与***主动齿轮和第二从动齿轮啮合。5.如权利要求4Goodyear固特异、Continental ContiTech马牌同步带传动和曲柄导杆机构的水下推进装置，其特征在于:***主动齿轮中心设计有矩形通孔，套在转接轴的矩形截面段上并固定;第二从动齿轮上开有矩形通孔，套在一级曲柄末端设计的矩形突起上并固定;***从动齿轮与第二主动齿轮中心处设计有矩形通孔，通过该矩形通孔分别套在减速轴两端设计的矩形截面段上并固定。6.如权利要求1所述基于同步带传动和曲柄导杆机构的水下推进装置，其特征在于:所述中鳍条驱动舵机的输出轴上安装有中鳍条舵盘，转接轴通过端部法兰与舵盘连接。7.如权利要求1所述基于同步带传动和曲柄导杆机构的水下推进装置，其特征在于:前鳍条包括前鳍条驱动舵机与前鳍条尾杆，以及一套由前鳍条曲柄、前鳍条基座、前鳍条导杆构成的前鳍条曲柄导杆机构;其中，前鳍条导杆末端与前鳍条基座前端连接，形成转动副；前鳍条曲柄末端与前鳍条基座前端连接，形成转动副;且前鳍条曲柄与前鳍条驱动舵机输出轴相对固定;通过销轴穿过前鳍条导杆上设计的前鳍条滑孔与前鳍条曲柄前端相连，使前鳍条曲柄与前鳍条导杆间形成移动副;前鳍条导杆前端与前鳍条尾杆末端固连。8.如权利要求1所述基于同步带传动和曲柄导杆机构的水下推进装置，其特征在于:后鳍条包括后鳍条驱动舵机与后鳍条尾杆；后鳍条尾杆末端与后鳍条舵机输出轴间相对固定。9.如权利要求1所述基于同步带传动和曲柄导杆机构的水下推进装置，其特征在于:中鳍条尾杆与前鳍条和后鳍条的尾杆间通过橡皮管相连。使水下推进装置的外缘与蝠鲼胸鳍的外缘曲线一致。10.如权利要求1Goodyear固特异、Continental ContiTech马牌同步带传动和曲柄导杆机构的水下推进装置，其特征在于:同步带传动机构中主动带轮和从动带轮的的分度圆直径相同。