江苏科技大学

毕业设计（论文）任务书

学院名称：机械工程学院 专 业： 机械设计 学生姓名： 翟亚楠 学 号： 0940202304 指导教师： 王淑妍 职 称： 讲师

毕业设计（论文）题目： 往复直线型内摆线转化机构的理论研究 一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等） (1) 调研收集分析实现旋转到直线运动转换机构的有关资料，总结运动转换机构特点及应用场合，初步适合应用在水下仿生的传动黑匣； (2) 确定内摆线实现运动转换的工作原理、并进行机构运动及动力分析； (3) 完成往复直动内摆线转换机构的结构设计； (4) 绘制内摆线转化机构的装配图，并在三维软件进行三维造型； (5)撰写毕业设计论文。 二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等） 1. 毕业设计论文一份（不少于1.5万字）； 2. 外文译文一篇（不少于5000英文单词）； 3. 内摆线转化机构的装配图及主要零件图一套。 三、完成日期及进度 毕业设计自2013年3月10日起至2013年6月8日止。 进度安排： 1. 3月10日~3月12日：翻译外文文献，并上传系统； 2. 3月12日~3月28日：完成毕业设计课题文献检索，并精读相关文献（至少10篇），撰写文献综述，简述国内外现状，撰写开题报告； 3. 3月29日～4月28日：完成内摆线能量转换机构工作原理、运动及动力分析等基础理论研究及结构设计； 4. 4月28日～5月19日：完成内摆线能量转换机构的三维建模和运动仿真； 5. 5月20日～6月2日：整理毕业设计内容，撰写毕业设计论文； 6. 6月3日～6月5日： 完成答辩ppt，并准备答辩。 四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）: [1] 梁建宏，王田苗，魏洪兴.仿生机器鱼技术研究进展及关键问题探讨.机器人技术及应用.2003(3):14一17页. [2]杨连生. 双连杆无侧压力内燃机的研究[ J]. 湖南大学学报, 1989, 16( 3): 1-6. [3]梁传秋.S>Cl一H推进系统设计及仿鱼推进器研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2004，2. [3] 彭之春.仿鱼机器人的运动仿真.哈尔滨工程大学硕士学位论文. 2002，4. [4] 刘军考.仿鱼水下推进器理论与实验研究.哈尔滨工业大学工学博士学位论文.2002.. [5] 任少云, 杜群贵, 占文峰等. 内摆线柴油机行星齿轮传动机构的仿真[J]. 华南理工大学学报: 自然科学版, 2007, 35(11): 41-45. [6] 薛运锋，杜群贵，朱俊鹏．新型内摆线能量转换机构特性研究[J]．中国机械工程，2009，20(12)：1473-1476. [7] 黄星梅, 龚志辉, 谭理刚. 双连杆双曲轴内燃机运动仿真分析[ J]. 湖南大学学报, 2004, 31( 4): 24-27. 系(教研室)主任： （签章） 年 月 日 学院主管领导： （签章） 年 月 日

往复直线型内摆线转化机构的理论研究

The theoretical study of the thransformed mechanism in reciprocating linear hypocycloid

摘要

仿鱼推进技术的研究是当前一个新兴的热点,是未来人类先进水下机器人和水下潜器推进方式的重要发展趋势。相比较传统的螺旋桨推进器.模拟鱼类游动的水下仿生推进器, 有着低噪音、低扰动、高效率等突出的优点。仿生推进器内部运动和动力的传动方式， 就是决定仿生推进器各个性能的重要因素。

本文比较并分析了采用曲柄连杆机构、并联臂机构、偏心轮拉杆机构、圆盘带销槽副机构等典型的运动转换机构各自的特点，总结前人设计出的仿生机器鱼的各项性能参数，初步确定适合水下仿生的传动黑匣。充分应用内摆线机构的对称性能，结合连杆滑块等构件，设计出一套往复直线型内摆线的转化机构，实现将驱动元件输出的旋转运动转化成尾柄摆动和尾鳍摆动的运动耦合仿鱼驱动机构的的直线前进。

运动solidworks进行运动转化机构的三维建模，得出尾鳍摆动轨迹方程，进行该运动转换机构的动力分析。最后在solidworks软件下进行motion分析，得出尾部的各项运动仿真曲线，并对曲线进行分析。

目 录

第一章 绪论 1.1 研究背景

1.2 仿鱼推进国内外研究与发展状况 1.2.1 国外研究现状 1.2.2 国内研究现状 1.3 论文内容简介

1.3.1 研究的目的和意义

1.3.2 研究的主要内容及方法

第二章 典型仿鱼推进驱动机构分析 3.1 概述

3.2 典型驱动机构设计 3.2.1 并联臂机构 3.3.2 曲柄连杆机构

3.3.3 圆盘带销槽副机构 3.3.4 齿轮齿条机构 3.3 典型驱动机构分析

3.4 适合应用在水下仿生的传动黑匣

第三章 内摆线的仿鱼推进机构设计 3.1 概述

3.2 鱼体尾部的游动特征 3.2 内摆线的相关介绍 3.3 驱动机构原理图

3.4 内摆线推进机构结构设计 3.4.1 总体机构设计 3.4.2 行星轮结构设计 3.4.3 滑块结构设计

第三章 仿鱼推进运动学及动力学分析 4.1 概述

4.2 尾部运动动力学模型的建立 4.2.1尾部运动轨迹 4.2 尾部运动仿真分析

参考文献

第一章 绪论

1.1 研究背景

二十世纪九十年代以来,水下无人航行体技术与仿生学的结合和发展已经成为水下仿鱼推进器的重要研究方向,考虑到仿生学原理,并且联系对鱼类游动的机理的研究,利用电子设备、机械结构和功能材料来开发模仿鱼类的操纵和推进方式,并将它应用于水下无人航行体。这种新型水下无人航行体在战争时期,可用于水雷战和反水雷战、军事侦察和潜艇的配套武器；在和平时期,可用于复杂海洋环境下的海底测量、海洋观察、水下救生等,应用前景广阔。

当前水下航行体多数采用传统的螺旋桨作为推进器，其机构尺寸大、重量大噪音大、密封性能差、可靠性不足、能耗高、效率低(一般小于45%【1】)、动态响应差。推进器螺旋桨本身低效率是水下航行体能源瓶颈的重要原因之一,为了提高推进效率,各国都在研究有别于常规螺旋桨的各种新型推进装置。

另一方面,水生动物经过长期的演变和进化,早已在优胜劣汰中将其在水中的运动能力发挥到了极至。其中鱼类和鲸类哺乳动物等(我们统称为鱼类)的游动具有高速、高效、灵活、低噪等特点[2]其游动和控制姿态的能力是目前任何装备传统操纵和推进系统的航行体所无法比拟的,将其应用于水下无人航行体,将为水下无人航行体的研究和发展提供新的起点和更为广阔的空间。

水下仿生推进装置中必不可少的运动转换机构——旋转到直线的运动转换机构的结构及运动动力性能，对仿生推进装置的尺寸、推进性能及推进效率的影响较大，本文基于水下仿生领域对运动转化机构的要求，对往复直线型内摆线转化机构进行系统的理论研究。

1.2 仿鱼推进国内外研究与发展状况

人类有关鱼类游动机理的现代研究最早是从1930年开始的。但从公开的文献表明,有关这方面的研究取得迅速进展是在过去的十五年,有关仿鱼推进机理的大量研究则开始于九十年代中、后期。

1.2.1 国外研究与发展概况

1.美国

1994年,美国的麻省理工学院成功研制出世界上第一条仿生机器RoboTuna[2],该机器鱼模仿蓝鳍金枪鱼的体貌特征,长约1.25m,高0,3m,宽0.2lm,速度可以达到2m/s，如图1.1(a)所示。

1995年该实验室又研制出机器梭子鱼RoboPike[3],体长约o.slm,用于验证仿生推进器具有良好的静止状态下的转向和加速能力,如图1.1(b)所示。

(a)RoboTuna

[2]

(b)RoboPike

[3]

图1.1MIT研制的两代仿生鱼

1998年,美国麻省理工学院模仿黄鳍金枪鱼,研制出利用涡流控制推进的仿生鱼机器人VCUUV(Vorticity Control Unmanned Undersea Vehicle),体长2.4m,体重1360kg,如图1.2所示。在1Hz的频率下,速度达到1L/s-2L/s(L为金枪鱼体长)。VCUUV的特性集中表现在它的回转能力上,它的回转半径仅是传统意义上UUV的七分之一[4]。

图1.2MIT和DRAPER实验室合作研制的仿生鱼VCUUV[4]

2.日本

日本是开展与鱼类推进相关研究系统性较好的国家之一。其国家海洋研究中心(NMRI)研制了多种类型的机器鱼,用以研究鱼类游动的不同特性。建立了较为典型的实验平台。

1994年,日本东京工业大学的Nakashima、Toku

[5,6]

等人研制成功一艘长

1.75m、两节点仿海豚型的自航潜器试验模型,最高航速为1.15m/s,推进效率可达70%。

2000年前后日本国家海洋研究所(NMRI)研究开发了系列仿鱼类水下机器人PF-200[7]、PF-300[7]、PF-600[7]、PF-550[8]、PF-700[8]、UPF-2001[8]等,如图1.3(a)(b)(c)(d)(e)(f)所示。

1.3(a)PF-200 1.3(b)PF-300

(1)PF-200

PF-200是为了研究沉浮运动方式而设计的,如图1.3(a)所示。该样机长.02m,采用改变重心的方式实现下潜运动。重心的改变通过电机驱动配重球杆来实现,从而改变重心与浮心的距离,PF一200本体在稳心作用下与水平面发生倾斜,随着尾鳍的摆动,PF-200完成沉浮运动[7]。 (2)PF-300

PF-300是为了研究转弯性能而设计的,如图1.3(b)所示。该样机长.03m,整体有头部、尾柄和尾鳍三个相对运动部分组成。头部装有电机控制尾柄运动,尾柄部分装有电机控制尾鳍运动,通过控制两个电机来协调三部分相对位置,来模

拟鱼类游动的“C”型拐弯.实验证明该机构拐弯性能较好[7]。

(c)PF-550 (d)PF-600

(3)PF-550

PF-550是为了研究快速下潜运动而设计的,如图1.3(c)。该样机长0.57m，外型为粗短的流线形,采用矢量推进的方式实现下潜运动。它具有较好的转弯性能,但最大游动速度不快。PF-550采用了一种特殊的行星轮机构,可将尾鳍及其驱动装置旋转90°以上。改变尾鳍的方向后,原来的转弯运动就变为下潜运动[7]。 (4)PF-600

PF-600体长600mm,是为研究直线推进运动而设计的,如图1.3(d)所示。该样机采用平行四连杆机构实现电机转动到尾鳍摆动的运动变换,当改换尾鳍形状时,模拟不同的鱼类推进运动。PF一600的控制系统采用遥控方式,以两个R/C伺服电机作为动力源。PF-600实验频率最大为3Hz,速度为0.4m/s左右。实验结果表明:梭子鱼式的尾鳍在较低频率时比金枪鱼式尾鳍能获得更快的速度[8]。

1.3(e)PF-700 1.3(f)UPF-2001

(5)PF-700

PF-700是为高速游动研究而设计的,如图1.3(e)所示.模仿秋刀鱼的外形,体长

700rnnn,直径80mm。该样机采用了直流电机作为动力源,带动曲柄机构产生拍动,

可以产生10赫兹的拍动频率,最大速度可达0.7m/s。但是它在结构上将尾柄和尾鳍连成了一体,推进部分实际上只有一个关节。这种结构使得尾鳍在最重要的振幅中间位置没有达到合理的攻角,效率会比较低[8]。 (6)PF-2001

UPF-2001是一个高性能实验平台,如图1.3(f)所示。UPF-2001长0.97m,最大速度为0.97m/s(9.5Hz时),模仿金枪鱼外形,有两个关节,使用升降舵实现上浮和下潜运动。动力单元采用直流电机驱动,经齿轮组改变输出方向并减速后,由曲柄装置将回转运动变为摆动。R/C单元接收信号经放大驱动电动机,控制鱼体的转弯和升沉运动[8]。

总结国外仿鱼推进器和仿生机器鱼的研究成果，得出下表1-1：

表1-1国外典型的仿鱼推进器和仿生机器鱼的研究成果

国别 美 国 中佛罗里达大学 东北大学海洋科学中心 加州大学伯克利分校 加州理工大学 日 本 Takara公司 三菱重工 东海大学 名古屋大学 机器鱼推进的传感和控制 人工胸鳍黑鲈（blackbass) 压电陶瓷驱动的微型水下仿胸鳍模式浮游机器人 形状记忆合金驱动的微型身体波动式水下推进器 机器鱼，机器水母（宠物鱼） 机器鱼“Misubishi Animatronics”(宠物鱼） 机器鱼（Calibot) MIT 研究单位 研究内容 第一条机器鱼RoboTuna(1994) RoboTuna改进版RoboPike 微电子机器鱼 仿生水下机器人项目（鳗鲡式推进） 运输省，船舶技术研PF-300，PF-600，S-FPSE200,PF-700，究所

1.2.2国内发展现状

UPF-2001，PF-200，PF-550 国内关于仿生鱼的研究是在二十世纪末开始的,在鱼类游动机理方面探讨较少,主要在研究国外较成型的理论基础上尝试一些实验平台的构建。 1、哈尔滨工程大学

哈尔滨工程关学水下机器人技术实验室在这个方面的研究工作走在国内前列,尤其对于相关水动力问题有着较为系统的研究。以蓝鳍金枪鱼为蓝本,研制了仿生水下机器人原理样机一“仿生一I”,如图1.4所示。长2.4m,最大直径0.62m,排水量320kg,负载能力7k0g,最大潜深l0m,配有月牙形尾鳍和一对联动胸鳍。体内两台伺服电机,分别摆动尾鳍和改变胸鳍攻角,可完成直航、回转和升沉等动作。在循环水槽中进行了系泊、顶流和阻力试验,在船模实验水池中进行了直航、原地回转、回航试验,直航时在尾鳍摆动频率1.3Hz时航速已达1m/s,原地回转直径4m,周期50s,20s内完成转舶180°[9] 。

图1.4仿生一号机器鱼

2.北京航空航天大学

北航机器人研究所从1999年研制了第一条仿鱼机器人(图1.5(a))仿鳗鱼机器鱼,长.08m,重.0skg,鱼体是一个平面6关节机构,分别用直流伺服电机驱动,运动频率2Hz时达到最高航速0.6m/s[10]。

图1.5(b)为SPC-II机器鱼,SPC-II系统是一个自主游动的仿鱼水下机器人平台,用于验证采用S.P.C设计思想的仿生机器鱼的运动平稳性以及游动的高效率性。SPC-II还是一种用于研究游动灵活性及操纵性能的实验平台[11]。

(a) (b)

图1.5北京航空航天大学研制的机器鱼

3.中国科学院

中国科学院在机器人学开放研究实验室基金资助项目“多仿生机器鱼群体游动协调控制及其实验研究”与智能科学实验室在国家863高技术发展计划机器人主题“多微小型仿生机器鱼群体协作与控制的研究”课题经费的共同支持下,开展了仿生机器鱼单体控制与群体协作的研究。经过两年多的时间,制了基于鳍科模型的“游龙”系列机器鱼,如图1.5所示[12]。

图1.5“游龙”系列机器鱼

1.3 论文内容简介

1.3.1 研究的目的和意义

二十世纪九十年代以来,仿生学与水下无人航行体技术的结合发展已经成为水下无人航行体的重要研究方向之一,基于仿生学原理,通过对鱼类游动机理的研究,利用机械结构、电子设备和功能材料来开发模仿鱼类的操纵和推进方式,并将其应用于水下无人航行体。这种新型水下无人航行体在战争时期,可用于水雷战和反水雷战、军事侦察和潜艇的配套武器；在和平时期,可用于复杂海洋环境下

的海底测量、海洋观察、水下救生等,应用前景广阔。

水下仿生推进装置中必不可少的运动转换机构——旋转到直线的运动转换机构的结构及运动动力性能，对仿生推进装置的尺寸、推进性能及推进效率的影响较大，本文基于水下仿生领域对运动转化机构的要求，对往复直线型内摆线转化机构进行系统的理论研究。

1.3.2 研究的内容及主要工作

本论文将研究内容的重点，集中在了内摆线转化机构的理论研究上。并考虑现有的研究条件，本文着重进行以下工作：

(1)分析实现旋转到直线运动转换机构的有关方案，总结各个运动转换机构特点及应用场合，初步确定适合应用在水下仿生的传动黑匣。

(2)设计利用往复直线型内摆线转化机构进行仿生鱼游动的机构，并进行机构运动及动力分析。

(3)完成往复直线型内摆线转换机构的结构设计，确定内摆线转化机构的组成，得出合理的物理模型，注意结构紧凑。

第二章 仿鱼推进驱动机构设计 2.1 引言

地球上的鱼类种群繁多, 按照游动的驱动部位的不同, 主要分为胸鳍推进方式和尾鳍推进方式。由于以尾鳍为主的推进方式可以产生较高的推进速度和起动加速度[13] , 因此, 目前对仿鱼推进机构的研究主要集中在尾鳍推进方式的鱼类[14] 。

仿生推进器自身的推进原理、传动方式、配置结构等都对水下机器人的性能起着至关重要的作用[15]，驱动机构的不足直接决定推进的效率。因此, 有必要对仿生推进器自身的结构和传动方式进行研究, 分析不同传动方式的优点和不足, 找到适合内摆线的转化机构的实现机构。

2.2 典型的机构驱动机构设计方案

仿鱼推进的目的就是仿鱼尾鳍摆动，通过电机输出的旋转力矩作为驱动，再利用一系列的机构转化成尾鳍的摆动，最终实现鱼体的推进。

2.2.1 曲柄连杆机构

曲柄连杆机构的设计是以电机的旋转作为输出，以曲柄带动连杆，使连杆做往复运动。机构原理图如图2.1。

2.1曲柄连杆机构原理图

曲柄的转动由电机带动，电机带动两组带轮将运动传递到主轴上，主轴上装有飞轮（用于存储能量，帮助机构克服死点）和曲柄轮，曲柄轮与连杆、摇杆与鱼尾相连，曲柄的旋转运动被转化为鱼尾的左右摆动，实现对鱼体的推进。此方案中，鱼尾的摆动为左右摆动摆动。

日本国家海洋研究中心有两种曲柄连杆驱动机构设计,分别是PF一600、UPF一2001。

PF一600的驱动机构如图2.2所示,包括两个部分组成:尾柄和尾鳍,分别由尾柄驱动电机和尾鳍驱动电机驱动,两电机输出实现曲柄1、曲柄10的往复摆动。尾柄又分成两个部分(图中6、8两部分),曲柄1带动与之相连的连杆2、连杆3在移动副中往复直线运动。尾柄两个部分分别由连杆4、连杆5在连杆3带动下分别实现摆动,两个摆动的相位差由并行四杆机构7来协调。曲柄10带动与之相连的连杆11、连杆12在移动副中往复直线运动,尾鳍9由连杆13在连杆12带动下实现摆动,

尾鳍和尾柄之间的相位差有串联的两组并行四杆机构14、15来协调[16]。 PF-60实验频率最大为3Hz，速度为0.4m/s。

图2.2 PF-600 驱动机构图

UPF一2001的尾部摆动机构如图2.4所示,尾部有尾柄和尾鳍两个部分组成,两个部分用一个电机驱动,电机旋转运动输出通过类似PF一600的曲柄连杆机构实现尾柄和尾鳍的摆动,尾柄和尾鳍摆动的相位差逆平行四连杆结构协调,关节1处的挡块角度调节尾鳍和尾柄之间的相位角。UPF一2001采用了大面积的刚性尾柄,这种设计在尾柄摆动到大振幅位置时,会产生较大的阻力。根据波动推进原理,当波速大于来流速度时,细长柔体能够产生推力,例如蝌蚪的尾。但是UPF一2001这么大面积的刚性尾柄,估计除了产生阻力外,还会产生较大的侧向力,使鱼体晃动[17] 。 78

图2.3 UPF-2001尾部摆动机构

曲柄连杆机构有一些传动特点：

1）连杆机构中运动副一般为低副。其运动副元素为面接触，压力较小，承载能力较大，润滑好，磨损小，加工制造容易。

2）在连杆机构中，在原动件的运动规律不变的条件下，可用改变各构件的相对长度得到不同的运动规律。

3）连杆上各点的轨迹是各种不同形状的的曲线，其形状随着各构件相对长度的改变而改变，故连杆曲线的形式多样，可用来满足一些特定工作的需要。 曲柄连杆机构也存在如下一些缺点：

1）由于曲柄连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而传动路线较长，易产生较大的误差累积，同时也使机械效率降低。

2）在连杆机构运动中，连杆及滑块所产生的惯性力难以用一般平衡方法加以消除，因而连杆机构不宜用于高速运动。

2.2.2 并联臂机构

北京航空航天大学机器人研究所最新仿鱼推进实验样机SPC-II,该样机为综合实验平台,推进系统有别于曲柄连杆机构式的尾柄与尾鳍一起摆动的驱动方式,全部依靠尾鳍的摆动,其驱动机构如图2.4所示。

1.鱼体壳体 2.推进装置 3.大臂 4.尾柄 6.鱼体前缘

7.尾鳍 8.角度传感器 9.力矩传感器 10.水封 11.尾柄连杆 12.尾柄垫块 3.尾柄转轮 14.大臂下板 15.大臂连接盘 16.尾柄连接盘 17.尾柄伺服电机 18.大臂伺服电机 19.同步带轮 20.尾柄轴 21.连杆销钉

图2.4SPC推进装置机电结构设计总图

机器鱼的驱动电机由大臂伺服电机18和尾柄伺服电机17组成。大臂伺服电机18和尾柄伺服电机17平行并排安装于支架前端,并且大臂伺服电机18和尾柄伺服电机17上下倒置,这样是为了方便分别驱动大臂3和尾柄4,伺服电机均装有传动同步带轮19。本机器鱼的传感器部分由力矩传感器9和角位移传感器8组成。角位移传感器8与伺服电机的带轮安装在一起,伺服电机的带轮通过同步齿形带与力矩传感器9相连接。作为大臂3和尾柄4的力矩传感器9分别安装于支架的上下两个框架内,两个传感器的轴线相重合,并与伺服电机的轴线平行。传动带轮和力矩传感器9固化在一起,同时用作电机传动的输出轴。以上驱动电机和传感器部分都安装于本机器鱼的鱼体壳体1内,为与外部水环境隔离,在框架内力矩传感器9与连接盘之间分别安装有水封10,水封10固定于框架内。至此,传感器框架和电机支架相对固定于鱼体壳体1内。本机器鱼的传动由大臂连接盘15和大臂3组成。大臂连接盘巧与安装于下半部的力矩传感器9输出轴相连接,大臂3同大臂连接盘15固定安装在一起。本机器鱼的尾柄4传动机构由尾柄连接盘16、尾柄转轮13、尾柄连杆11和尾柄4组成。尾柄连接盘16与大臂连接盘巧同轴安装于框架上半部内的力矩传感器9的输出轴上,与大臂连接盘巧同轴相对转动。尾柄4安装于大臂3的末端,通过尾柄轴20与大臂3相对转动。尾柄连杆n连接尾柄连接盘16和尾柄转轮13,组成连杆机构[19]。

并联臂机构的优缺点：

优点：结构简单紧凑,传动效率高,具有很高的可靠性和较大的负载能力。 缺点：对机械装配的要求提出了较高要求,不利于机械性能的提高。

2.2.3 圆盘带销槽副机构

1.尾柄配套槽 2.尾柄转盘 3.尾柄转盘销 4.尾柄连杆 5.尾柄连杆销 6.尾柄摆杆 7.尾鳍摆杆 8.尾鳍平行杆 9.尾鳍连杆销 10.尾鳍过渡杆 11.尾鳍连杆 12.尾鳍转盘销13.尾鳍转盘 14.尾柄配套槽

图2.5 圆盘带销槽副机构原理图

该驱动机构含有两个驱动关节：尾柄和尾鳍，两者各自独立驱动，但耦合运动。尾部驱动机构如图2.5所示,驱动元的旋转运动经减速后输出,形成关联圆盘的旋转,圆盘上所附销通过销槽副实现中间杆在移动副中的往复对称移动,移动副有两部分组成,配套槽和中间移动副,中间杆与尾部相应摆杆也通过销槽副实现尾部摆杆的对称摆动,尾柄与尾鳍的摆动有两个驱动元独立实现。尾柄摆杆6尾鳍过渡杆10分别于机架铰链连接,尾柄摆杆6与尾鳍摆杆7铰链连接,使得尾鳍随尾柄运动,尾鳍平行杆8分别与尾鳍过渡杆10和尾鳍摆杆7铰链连接,协同尾柄摆杆6的鱼体轴方向部分形成平行四杆机构,该机构完成尾鳍与尾柄摆动的运动耦合[20]。

该机构可以实现尾柄尾鳍的单独输出，使系统的各部分运动具有独立性和关联性。

2.2.4 齿轮齿条机构

图2.6圆柱齿轮齿条变向机构图

当主动不完全齿轮I作顺时针方向旋转时，假设其有齿段刚刚跟从动齿条IV 啮合，则主动不完全齿轮 I 与从动齿条 V 是不啮合的，这时运动的传递是这样的：从动齿条IV向右移动，从而使从动齿轮III也沿顺时针方向旋转，从动齿轮II则逆时针旋转，从动齿条V则也向右移动。之后主动齿轮I与从动齿条IV的啮合脱离，转而主动齿轮I立即与从动齿条V进入啮合阶段，这时运动的传递变为：从动齿条V变成向左移动，从动齿轮II的旋转变为顺时针，从动齿轮III的旋转变为逆时针，从而带动从动齿条IV向左运动。之后主动齿轮I又与从动齿条IV啮合，重复上述过程。由此从动齿条IV和从动齿条V均产生了连续的往复直线运动。主动齿轮I的旋转方向是不受限制的，两个从动齿条均会产生连续的匀速往复运动

21]

。

齿轮齿条机构优缺点：

优点：该机构不仅克服了死点问题，而且能够满足匀速运动的实际需要。

缺点：在变向的一瞬间存在冲击，产生噪音，所以在具体应用时，在工作行程的

极限位置应该设有缓冲器，并兼限位功能为佳，从动齿轮与从动齿条的选材不仅要轻，齿轮的强度还要满足要求。

2.3 适合应用在水下仿生的传动黑匣

总结上述典型的仿鱼推进机构，绘制出了下面的表格，表格列出了典型机器鱼的输入输出。 名称 HPF-II 输入 直流力矩电机驱动 圆锥齿轮减速 SPC-II 伺服电机，额定功率150W 尼罗河魔鬼 13套单节摆动装置 圆盘凸轮实现鳍条的正弦摆动 2.3.1 驱动机构选择

驱动机构可以选择液压系统和电动系统。

1）若以液压马达作为尾柄尾鳍的旋转输入元，具有随意安装，密封性能良好，安全性大等特点。

2）电动系统分为直流与交流电源，考虑到电机必须密封在鱼体里，所以我们选择直流电机。

比较液压系统和电动系统，虽然液压系统可靠性较强，但是液压系统对液压元件尺寸要求较高，所以我们选择直流电源作为驱动源。

尾柄横移-尾鳍摆动相位差主要通过影响尾鳍的击水角度，进而影响尾鳍在一个推进运动周期内的做功的性质，决定尾鳍的运动对推进运动而言是做正功还是负功。

实验分析表明：当尾鳍摆动－平动运动相位差ψ＝0时，尾鳍的运动在第一个1/4周期和第三个1/4周期内产生推进力，而在第二个和第四个1/4周期内产生负的推进力（推进力的方向与鱼游动方向相反）。当相位差逐渐增大时，尾鳍的

输出 尾柄摆幅 24° 尾鳍摆角 40° 尾部摆动频率0-2Hz 拍动频率2Hz 摆幅0.15m 拍动频率 2-4.5Hz 尾鳍摆角30° 运动产生推进力的运动周期逐渐增加，在相位差ψ＝90°时最大。如果继续增加ψ值，对推进力的产生并没有益处。因为在这种情况下会出现尾鳍几乎水平地横向摆动，以及不产生击水动作等情况[22]。

通过以上分析，我们可以得到尾鳍摆动运动与尾柄横移运动的相位差为90°。

我们初步确定了适合水下仿生的传动黑匣。 输入 额定功率150W的直流伺服电机 行星齿轮减速 尾柄往复横移，尾鳍摆动

第三章 内摆线转化机构的设计

3.1 概述

从现有的典型驱动机构方案来看，其实质是实现将驱动元件输出的旋转运动转化成尾柄摆动和尾鳍摆动的运动耦合。尾柄的往复摆动具备对称性，摆幅具备可调节性。基于这些考虑，我们尝试了仿鱼推进内摆线的方案设计，本设计侧重于结构设计。

3.2 内摆线的相关介绍 3.2.1 内摆线原理

如果一个动圆内切于一个定圆，动圆沿定圆无滑动地滚动，那么动圆上任意一点的轨迹曲线为内摆线（如图2.1所示）。

输出 尾鳍摆角 90° 尾柄横移距离80mm 摆动频率2Hz

图3.1 内摆线形成示意图

如图1 所示, 滚圆圆心为O1 , 滚圆半径为r,导圆圆心为O, 导圆半径为R, 滚圆内切于导圆。当滚圆O1 沿导圆O 做连续纯滚动时, 滚圆上定点M0 走过的轨迹为内摆线。设α为滚圆O1 绕导圆O1的公转转角, 推导得出, 其内摆线方程为:

x?(R?r)sin??rsin[(R?r)?/r] (1)

y?(R?r)cos??rcos[(R?r)?/r]

由方程可知，当R/r发生变化时，内摆线的形状、大小也发生变化。 当R=2r时，式(1)变为:

x?0 (2)

y?Rcos?从上式可以看出, 当R = 2r 时, 滚圆上任意一点的轨迹通过大圆直径, 也就是说, 此时，它的内摆线就是一条直线，其运动为简谐运动。利用这种特性, 我们设计出一种新型内摆线转换机构。 3.3 驱动机构原理图

根据我们总结出的尾部驱动机构的黑箱，利用内摆线机构和正切机构，画出驱动机构原理图，如图3.2所示。

图中为仿鱼推进机构的初始位置。因为尾柄与尾鳍的相位差为90°，则尾鳍与鱼体轴之间的夹角为45°。

3.4 驱动机构结构设计 3.4.1 总体结构设计

我们的驱动机构含有两个关结：尾柄和尾鳍。尾柄往复横移产生主要的击水动作，尾鳍摆动，摆动运动为击水动作提供合适的击水角度。

尾部驱动机构如图3.2(a)(b)所示，驱动元的旋转运动经减速后输出，带动行星架1转动，行星架使行星轮3得到公转，行星轮分度圆上的任一点在大齿轮圈上的直径上做往复横移。尾柄4与行星轮3上凸台焊接连接。此时，尾柄4做往复横移，通过滑块6与尾鳍5连接,滑块6上突出的圆柱销在尾鳍5的销槽内滚动，与销槽壁相切，使尾鳍实现摆动。下面一系列的结构就实现了由旋转变成往复直线型运动。

1.行星架 2.内齿轮圈 3.行星齿 4.尾柄 5.尾鳍 6.滑块 7.固定滑槽 8.固定台 9.尾鳍连接销

图3.2(a） 尾部驱动机构

3.2(b) 尾部驱动机构图

3.4.2 行星轮结构设计

行星轮分度圆上任一点拉伸一段距离即为仿鱼驱动机构的尾柄，尾柄在与行星轮啮合的内齿轮圈的直径上做往复横移运动。如图3.3所示。

图3.3 行星轮结构

3.4.3 滑块结构设计

因为拉伸出来的尾柄为圆柱形，它在绕着内齿轮圈做公转的同时也在做自转运动，即行星运动，所以滑块中间切除了一块面积，可以使尾柄在滑块里自转。同时，滑块拉伸出来的圆柱销还在尾鳍的槽里移动。如图3.4所示。

图3.4 滑块机构

第四章 仿鱼推进运动学及运动仿真分析 4.1 概述

仿鱼推进是模仿鱼的运动。对仿鱼推进机理研究,使我们对鱼体的运动特点以及相关理论有了一定了解。就仿鱼推进总体设计而言,我们需要对鲹科行式推进进行分析,建立相关数学模型,为实际推进研究奠定基础。本章从运动学角度分析仿鱼推进运动,为实际机构设计提供依据,从动力学角度分析仿鱼推进运动,为实现仿鱼高效推进提供控制依据,同时结合相关简单水动力学分析,为优化外形设计提供参考。

4.2 尾部运动动力学模型的建立 尾部运动轨迹

我们假设仿鱼机构直线向前运动，建立如图4.1坐标系。

图4.1尾部运动示意图

tan??YH

尾部运动轨迹方程如下：

X1(t)?vtY2(t)?Htan?(t) (4-1)

X2(t)?X1(t)?(b?Y2(t)?bsin?(t)Y)cos?(t)sin?(t) (4-2)

公式(4-1)表示尾柄末端运动轨迹，公式(4-2）表示尾鳍末端运动轨迹 V——仿鱼机构匀速直线运动速度 a——尾柄长度 b——尾鳍长度

?——尾鳍相对鱼体轴摆动角度

4.2 尾部运动仿真分析

我们运用solidworks进行运动仿真分析

图4.2 尾柄横移速度分布图

图4.3 尾柄横移加速度分布图

图4.4 尾鳍角速度分布图

图5.4 尾鳍角加速度分布图

从上面的图中可以看出，尾柄与尾鳍的运动均存在对称性，并且尾鳍随着尾柄的横移实现摆动，所以尾柄的速度与尾鳍的角速度有一定的关联性，符合我们的要求。