仿生机器鱼尾的驱动装置及仿生机器鱼尾

本发明涉及水下机器人，尤其涉及一种仿生机器鱼尾的驱动装置及仿生机器鱼尾。

背景技术：

1、仿生机器鱼机动灵活，具有良好的生物种群融入性，其尾巴拍动不仅噪声低，还避免了常规螺旋桨的声呐特征，具有较好的隐蔽性，在海洋开发和探索中具有重要的作用。鱼尾的仿生拍动支撑了上述特性，但为了兼顾效率和灵活性，鱼尾的摆动幅度、摆动频率以及各关节之间的相位差均需要按不同工况调整。

2、目前仿生机器鱼尾的结构主要分为以下两类：一类是串联型，使用多个关节电机串联而成，每个关节都反复切换正反转形成拍动。此外，考虑到游动效率，关节拍动需要遵循正弦运动规律，特别是多个电机需要精确地协同控制以形成多关节的相位差。由于多个电机分布在尾巴上，其摆动惯量和冲击通常较大。另一类是动力前置型，即把多个动力源放置在鱼尾的前端，通过巧妙的皮带、齿轮、拉线、弹簧、曲轴等机械结构，将动力传递到各个关节，该方式虽然减少了摆动惯量，但后一级关节的动力需要经过前一级关节传递，传动的复杂度较高。动力前置型中也有多连杆类型，通过巧妙的连杆设计，将多个或单个电机的转动转化为多个关节的摆动，避免了大惯量和复杂传动，但由于机械尺寸固定，通常只能调节摆动频率，而摆动幅度和相位差的在线调整非常困难。

3、针对上述几种常见的类型来说，串联型鱼尾虽然结构简单，但摆动惯量较大，对机械和电子系统有冲击，不仅严重影响整体的使用寿命，也降低了鱼尾拍动的效率。动力前置型鱼尾虽然减小了摆动惯量，但依然无法避免反复正反转摆动的弊端，并且当关节增多时，传动机械的设计复杂度将指数上升，不仅导致整体能效不高，还如同串联型一样对多关节协同控制有着极高的要求，很难适用于高负载、高频率、长续航的工况，系统稳定性难以保障。

4、多连杆型鱼尾巧妙地将多关节摆动融入到多个连杆中，并且单个电机单方向转动就能驱动多个关节的摆动，不仅避免了大惯量、反复正反转的问题，传动设计相对不复杂，并且具有较高的效率和稳定性。然而，多连杆型在设计之初就需要确定多关节的摆动幅度、相位差等参数，成品后一般只能通过电机转速调整摆动频率，其余参数的调整将非常不便，无法适应不同工况下的拍动要求，基于此，该发明旨在提供一种新的仿生机器鱼尾，以在降低摆动惯量的同时让摆动频率、摆动幅度和相位差的在线调整更加方便。

技术实现思路

1、本发明提供一种仿生机器鱼尾的驱动装置及仿生机器鱼尾，用以至少解决现有技术中仿生机器鱼尾或摆动惯量大、或传动复杂、或关节协同控制要求高、或摆动频率、摆动幅度和相位无法在线调节的部分缺陷。

2、本发明提供一种仿生机器鱼尾的驱动装置，包括：第一驱动器、凸轮和至少一个调节机构，所述凸轮与所述第一驱动器连接，所述凸轮设有环形凹槽，所述环形凹槽呈正弦波形，所述调节机构包括：第一油缸，用于设置于仿生机器鱼尾的摆动关节处，所述第一油缸伸缩时能够驱动所述仿生机器鱼尾摆动；多个第二油缸，多个所述第二油缸汇聚后与所述第一油缸连接，并且多个所述第二油缸搭接在所述环形凹槽的不同相位处，所述凸轮转动时可带动每个所述第二油缸的液压杆伸缩，进而驱动所述第一油缸的液压杆伸缩，而凸轮的转动频率对应了仿生机器鱼尾的摆动频率；调节组件，用于调节所述第二油缸在所述环形凹槽上的相位；第二驱动器，与所述调节组件连接，所述第二驱动器用于驱动所述调节组件摆动，进而驱动所述第二油缸沿所述环形凹槽滑动，以对所述第二油缸的相位进行调节，从而对所述仿生机器鱼尾的摆动幅度和多关节摆动相位差进行调节。

3、根据本发明提供的一种仿生机器鱼尾的驱动装置，所述调节组件包括：多个调节臂，每个所述第二油缸的缸体与一个所述调节臂连接；差分轴，多个所述调节臂与所述差分轴连接，所述第二驱动器与所述差分轴或一个所述调节臂连接；所述第二驱动器转动时能够带动所述差分轴运动，所述差分轴运动时，能够带动部分调节臂绕所述差分轴的轴线摆动，进而带动与所述调节臂连接的所述第二油缸沿所述环形凹槽滑动。

4、根据本发明提供的一种仿生机器鱼尾的驱动装置，所述差分轴包括：第一轴体，与所述第二驱动器连接；第一齿轮和第二齿轮，与所述第一轴体套接，所述第一齿轮和所述第二齿轮的齿形方向相反；多个所述调节臂中的一者与所述第一轴体套接，多个所述调节臂中的其余调节臂与所述第一齿轮和所述第二齿轮连接；所述第二驱动器转动时能够带动所述差分轴直线运动，所述差分轴直线运动时，与所述第一齿轮和所述第二齿轮连接的所述调节臂能够同时沿相反的方向等幅度摆动，进而带动与所述调节臂连接的所述第二油缸沿所述环形凹槽滑动。

5、根据本发明提供的一种仿生机器鱼尾的驱动装置，所述差分轴包括：第二轴体；第三齿轮和第四齿轮，与所述第二轴体套接，所述第三齿轮和所述第四齿轮的齿形方向相反；多个所述调节臂中的一者与所述第二轴体连接，多个所述调节臂中的其余调节臂与所述第三齿轮和所述第四齿轮连接，所述第二驱动器通过连杆与连接于所述第二轴体上的调节臂连接；所述第二驱动器转动时能够带动与其连接的所述调节臂绕所述差分轴的轴线摆动，进而带动所述差分轴转动，所述差分轴转动时可带动与所述第三齿轮和所述第四齿轮连接的调节臂绕所述差分轴的轴线整体摆动，进而使与所述调节臂连接的多个所述第二油缸整体沿所述环形凹槽滑动。

6、根据本发明提供的一种仿生机器鱼尾的驱动装置，所述调节机构还包括：多个固定杆，每个所述固定杆的第一端与一个所述第二油缸的缸体连接，每个所述固定杆贯穿一个所述调节臂；连接件，所述连接件设有环形滑槽，每个所述固定杆的第二端与所述环形滑槽卡接，所述调节臂摆动时，能够带动所述固定杆沿所述环形滑槽滑动。

7、根据本发明提供的一种仿生机器鱼尾的驱动装置，所述调节组件还包括多个调节环，多个所述调节环套接于所述差分轴的外部，所述调节环与所述调节臂间隔设置并依次抵接，多个所述调节环中的一个与所述连接件抵接。

8、根据本发明提供的一种仿生机器鱼尾的驱动装置，所述调节机构还包括：第一集液器，与多个所述第二油缸的有杆腔以及所述第一油缸的有杆腔连通；第二集液器，与多个所述第二油缸的无杆腔以及所述第一油缸的无杆腔连通。

9、根据本发明提供的一种仿生机器鱼尾的驱动装置，所述调节机构的数量为多个，多个所述调节机构的差分轴通过连接轴连接；多个所述调节机构包括第一调节组和至少一个第二调节组，所述第一调节组的第二驱动器与差分轴连接，所述第二调节组的第二驱动器与一个调节臂连接。

10、根据本发明提供的一种仿生机器鱼尾的驱动装置，所述第二调节组的差分轴设有键槽，所述第二调节组的一个调节臂与所述键槽插接，并可沿所述差分轴的轴线方向直线滑动。

11、本发明还提供一种仿生机器鱼尾，包括摆动装置的摆动臂、仿生鱼尾和如上所述的仿生机器鱼尾的驱动装置，所述摆动装置的第一油缸设置于所述摆动臂、所述仿生鱼尾的摆动关节处，所述驱动装置用于驱动所述摆动臂和所述仿生鱼尾摆动。

12、本发明提供的仿生机器鱼尾的驱动装置，通过设置第一驱动器、凸轮和调节机构，可同时对多个摆动关节的摆动频率、摆动幅度和相位进行调节，各个参数独立调节，保证了调节的同步性、以及多关节的协同控制，在高负载、高频率、长续航的工况中，兼顾了较高的稳定性、灵活性和驱动效率。