CN203902829U - 一种低能耗仿生机器鱼的磁动力推进机构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种低能耗仿生机器鱼的磁动力推进机构，包括本体即磁动力尾鳍，所述磁动力尾鳍包括U型连接架，磁感应线圈，强磁摆子和新月形柔性尾鳍，所述磁感应线圈由丝包线缠绕在PVC筒管上形成的，所述强磁摆子采用两个圆形的强磁永磁体吸合安装在旋转轴的中心位置上，所述旋转轴的两端安装在两个小轴承上，且所述旋转轴的末端通过卡销把所述小轴承内圈锁住，所述U型连接架将鱼身与所述新月形柔性尾鳍连接，所述新月形柔性尾鳍由尾柄和鳍面组成。本实用新型结构简单，体积轻小，加工方便；有很好的绝缘防水功能；不需任何防水保护，大大降低了机构的复杂度；采用电磁感应原理，实现零噪声驱动；推进效率高，磁动力推进机构的工作电压范围较广。
Description
技术领域
本实用新型涉及到一种磁动力推进机构，具体涉及一种低能耗仿生机器鱼的磁动力推进机构。
背景技术
随着人类对海洋资源的不断开发，自主水下机器人已经慢慢成为人类进行海洋探索和研究的重要平台。而传统的自主水下机器人大多采用螺旋桨和叶轮式等原理的常规推进器，这些推进器的推进效率一般徘徊在40%-60%，除此之外，结构庞大、噪音大、对环境扰动大、灵活性差和隐蔽性差等缺点，制约了常规水下推进器的应用。目前越来越多的自主水下机器人放弃了传统的螺旋桨推进方式，而采用模仿鱼类高性能的波动推进的游动方式来产生推进力。鱼类在大自然中历经了至少5亿年的进化，形成独特的水下游动模式，具有运动效率高、机动性能高和噪声小的特点。所以，模仿鱼类的游动方式不但能提高水下机器人的航行效率和机动性能，更为水下机器人的发展和应用提高了新的思路和方向。
目前仿生机器鱼研究是国内外水下机器人研究的热点，大部分都采用电机驱动的模式，也有一些研究机构采用形状记忆合金、压电陶瓷等智能材料作为驱动元件。如：美国MIT研制的RoboTuna和后续的仿鱼推进器，日本运输省船舶技术研究所研制的PF系列机器鱼，英国Essex大学研制的仿生机器鲤鱼，以及美国西北大学研制的波动鳍推进器等。国内的仿生机器鱼主要有北京大学的机器鱼和仿生海豚、中科院自动化所的仿生机器鱼、北京航空航天大学的SPC系列潜水器、哈尔滨工程大学的仿生蓝鳍金枪鱼和哈尔滨工业大学的形状记忆合金仿生乌贼以及中国科学技术大学的仿生机器鱼和形状记忆合金仿生鱼鳍。
以上提及的电机驱动或智能材料驱动的仿生机器鱼，主要存在着体积冗余、难于防水、控制复杂的问题，特别是电机旋转驱动机构的防水问题，给仿生机器鱼的应用带来很大的制约。针对以上问题，本实用新型提出一种新型的采用磁动力作为动力的仿生机器鱼推进机构，能耗低，不需要考虑驱动机构的防水问题，而且控制方便简单。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种低能耗仿生机器鱼的磁动力推进机构。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现：
一种低能耗仿生机器鱼的磁动力推进机构，包括本体即磁动力尾鳍，所述磁动力尾鳍包括U型连接架，磁感应线圈，强磁摆子和新月形柔性尾鳍，所述磁感应线圈由丝包线缠绕在PVC筒管上形成的，所述强磁摆子采用两个圆形的强磁永磁体吸合安装在旋转轴的中心位置上，所述旋转轴的两端安装在两个小轴承上，且所述旋转轴的末端通过卡销把所述小轴承内圈锁住，所述U型连接架将鱼身与所述新月形柔性尾鳍连接，其所述新月形柔性尾鳍由尾柄和鳍面组成。
进一步的，所述U型连接架采用硬铝薄板加工而成，所述丝包线的丝径为0.2mm。
优选的，所述机构采用电磁动力摆动方式驱动，并且采用线圈电磁感应和永磁强磁体相结合的方式，具有很好的导电性和表面绝缘性，在水中不需要做任何防水处理。
进一步的，所述强磁摆子和所述新月形柔性尾鳍采用磁场吸合与硅胶粘合的固定方式，所述新月形柔性尾鳍是新月形的柔性乳胶板，在摆动过程中通过变形具有合适的击水角，能获取较大的推动力。
本实用新型的有益效果:
采用本实用新型技术方案， 结构简单，体积轻小，加工方便；磁感应线圈是采用常见的漆包线绕制而成，具有很好的绝缘防水功能，使得加工简单便捷；本实用新型不需要任何防水保护，直接置于水中便能工作，大大降低了机构的复杂度；本实用新型没有用到电机，采用电磁感应原理，实现零噪声驱动；推进效率高；与常用的舵机作为驱动源相比，本实用新型的能耗功率仅为舵机的1/4，换言之，推进效率是舵机的4倍，同时，磁动力推进机构的工作电压范围较广，从6V-12V都能适应。
附图说明
图1是本实用新型一种低能耗仿生机器鱼的磁动力推进机构的结构图；
图2是本实用新型一种低能耗仿生机器鱼的磁动力推进机构的结构剖视图；
图3是本实用新型提供前进推进力的运动控制示意图；
图4是本实用新型提供右转弯动力的运动控制示意图；
图5是本实用新型提供左转弯动力的运动控制示意图。
图中标号说明：1、鱼身，2、磁动力尾鳍，3、U型连接架，4、漆包线，5、PVC筒管，6、小轴承，7、卡销，8、旋转轴，9、强磁永磁体，10、新月形尾鳍。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。
参照图1和图2所示，一种低能耗仿生机器鱼的磁动力推进机构，包括本体即磁动力尾鳍2，所述磁动力尾鳍2包括U型连接架3，磁感应线圈，强磁摆子和新月形柔性尾鳍10，所述磁感应线圈由丝包线4缠绕在PVC筒管5上形成的，所述强磁摆子采用两个圆形的强磁永磁体9吸合安装在旋转轴8的中心位置上，所述旋转轴8的两端安装在两个小轴承6上，且所述旋转轴8的末端通过卡销7把所述小轴承6内圈锁住，所述U型连接架3将鱼身与所述新月形柔性尾鳍10连接，其所述新月形柔性尾鳍10由尾柄和鳍面组成。
进一步的，所述U型连接架3采用硬铝薄板加工而成，所述丝包线4的丝径为0.2mm。
优选的，所述机构采用电磁动力摆动方式驱动，并且采用线圈电磁感应和永磁强磁体相结合的方式，具有很好的导电性和表面绝缘性，在水中不需要做任何防水处理。
进一步的，所述强磁摆子和所述新月形柔性尾鳍10采用磁场吸合与硅胶粘合的固定方式，所述新月形柔性尾鳍10是新月形的柔性乳胶板，在摆动过程中通过变形具有合适的击水角，能获取较大的推动力。
本实用新型的原理：
本实用新型是基于电磁感应原理而研制出来的，主要包括磁感应线圈、强磁摆子和新月形尾鳍10。所述的磁感应线圈是采用丝径0.2mm的漆包线4在PVC筒管5上紧密缠绕而成；所述的强磁摆子是采用圆形汝铁硼强磁铁，安装于磁感应线圈某一极磁场最强处的转动轴上，通过交替地改变线圈的电流方向来改变磁场极性，从而实现左右自由摆动；所述的新月形尾鳍10，尾柄部分采用较硬的PVC薄板制成，鳍面采用乳胶材料制成，连接在所述的强磁摆子上，当线圈中通过方向交替变化的电流时，强磁摆子就会带着柔性尾鳍左右摆动击水，产生向前游动的推进力。
如图3所示，本实用新型提供前进推进力的运动控制主要分成四个节拍，3.A为右静止状态（图中向上为右，向下为左），3.B为左摆驱动，3.C为左静止状态，3.D为右摆驱动。线圈的电流方向i如3.E控制信号图所示，当处于3.A状态时，此时线圈中不接入电流，当向左摆动时，此时线圈接入+I电流，则尾鳍运动到达最左边，推进机构处于3.C的左静止状态，当向右摆动时，此时线圈接入-I的电流，则尾鳍运动到达最右边。如此反复，磁动力推进机构就能实现左右来回摆动，提供向前推进的动力，同时通过改变线圈电流i的大小和频率，就能改变摆动的快速和幅度，从而改变推进力的大小。
如图4所示, 本实用新型提供右转动力的运动控制主要分成四个节拍，4.A为右静止状态，4.B为左摆驱动，4.C为中间静止状态，4.D为右摆驱动。线圈的电流方向i如4.E控制信号图所示，当处于4.A状态时，此时线圈中不接入电流，当向左摆动时，此时线圈接入+I电流，则尾鳍运动向左摆动到达中间位置，推进机构处于4.C的中间静止状态，当向右摆动时，此时线圈接入-I的电流，则尾鳍运动到达最右边。如此反复，磁动力推进机构就能实现在右翼区域来回摆动，提供向右转弯的动力，同时通过改变线圈电流i的大小和频率，就能改变摆动的快速和幅度，从而改变转弯角度的大小。此种情况与上述前进情况的控制信号的不同就在于前进推进时向左向右摆动的时间是一样的，而右转弯时向左摆动的时间只是向右摆动的一半，所以柔性尾鳍就只在右翼区域来回摆动，从而实现了右转弯。
如图5所示, 本实用新型提供左转动力的运动控制主要分成四个节拍，5.A为右静止状态，5.B为左摆驱动，5.C为中间静止状态，5.D为右摆驱动。此种情况与上述右转弯的情况原理一样，只是控制信号的方向恰好相反。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种低能耗仿生机器鱼的磁动力推进机构，包括本体即磁动力尾鳍（2），其特征在于，所述磁动力尾鳍（2）包括U型连接架（3），磁感应线圈，强磁摆子和新月形柔性尾鳍（10），所述磁感应线圈由丝包线（4）缠绕在PVC筒管（5）上形成的，所述强磁摆子采用两个圆形的强磁永磁体（9）吸合安装在旋转轴（8）的中心位置上，所述旋转轴（8）的两端安装在两个小轴承（6）上，且所述旋转轴（8）的末端通过卡销（7）把所述小轴承（6）内圈锁住，所述U型连接架（3）将鱼身与所述新月形柔性尾鳍（10）连接，其所述新月形柔性尾鳍（10）由尾柄和鳍面组成。
2.根据权利要求1所述的低能耗仿生机器鱼的磁动力推进机构，其特征在于，所述U型连接架（3）采用硬铝薄板加工而成，所述丝包线（4）的丝径为0.2mm。
3.根据权利要求1所述的低能耗仿生机器鱼的磁动力推进机构，其特征在于，所述机构采用电磁动力摆动方式驱动，并且采用线圈电磁感应和永磁强磁体相结合的方式。
4.根据权利要求1所述的低能耗仿生机器鱼的磁动力推进机构，其特征在于，所述强磁摆子和所述新月形柔性尾鳍（10）采用磁场吸合与硅胶粘合的固定方式，所述新月形柔性尾鳍（10）是新月形的柔性乳胶板。
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