一种适用于机器鱼的单自由度拍动机构 【技术领域】
本发明涉及一种拍动机构，更特别地说，是指一种适用于机器鱼的单自由度拍动机构。
背景技术
随着仿生热的兴起，目前国内外有许多知名的企业和研究机构致力于仿生机器鱼的研究。研究的焦点主要集中在机器鱼的控制、推进以及效率上。一般认为鱼体都是柔性的，因而为了尽可能真实地模仿鱼类运动，需要尽可能多的关节，这就需要尽可能多的自由度，但是实际研究发现，自由度过多会导致控制极为复杂，而且导致机器鱼运动时出现晃动，反而增加了阻力，降低了推进效率。
目前在机器鱼拍动机构设计上的研究方向是在功能上模拟鱼类的功能，而在拍动机构上尽可能简化。典型的一种方案就是采用单自由度拍动机构。
【发明内容】
本发明的目的是提出一种具有一个自由度，且控制简单的单自由度的机器鱼拍动机构。该拍动机构采用平行四边形连杆机构使安装在尾鳍架上的机构鱼的尾鳍作周期性的平移运动。
本发明的一种适用于机器鱼的单自由度拍动机构，其由连杆组件和往复运动组件构成，连杆组件的一端与往复运动组件连接，连杆组件的另一端与机构鱼的尾鳍连接。
往复运动组件包括有A伸缩组件、B伸缩组件、法兰盘、轴承座、A滚珠轴承、B滚珠轴承、法兰端盖、减速器和伺服直流电机。
所述的A伸缩组件由A光杠、A直线轴承、B直线轴承、A限位法兰、A顶杆组件、A顶环、A密封圈、A橡胶套、B密封圈和F连接件构成。A直线轴承与B直线轴承设置在A限位法兰的两端，A顶环连接在A光杠的螺纹端上，A光杠的另一端顺次穿过A密封圈、A橡胶套、B密封圈、A直线轴承、A限位法兰、B直线轴承，A顶杆组件置于A限位法兰的导向槽内，且与轴承座配合。
所述的B伸缩组件由B光杠、C直线轴承、D直线轴承、B限位法兰、B顶杆组件、B顶环、C密封圈、B橡胶套、D密封圈和G连接件构成。C直线轴承与D直线轴承设置在B限位法兰的两端，B顶环连接在B光杠的螺纹端上，B光杠的另一端顺次穿过C密封圈、B橡胶套、D密封圈、C直线轴承、B限位法兰、D直线轴承，B顶杆组件置于B限位法兰的导向槽内，且与轴承座配合。
所述的连杆组件包括有A连杆、B连杆、C连杆、D连杆、尾鳍架、连接架、A连接件、B连接件、C连接件、D连接件和E连接件。
本发明一种适用于机器鱼的单自由度拍动机构的优点在于：
(1)往复运动组件采用两套直线运动部件(A伸缩组件和B伸缩组件)在一个伺服直流电机的驱动下，带动连杆组件运动，保证了尾鳍拍动的精度。
(2)在直流伺服电机的驱动下，A限位法兰、B限位法兰分别与轴承座的顶杆限位槽配合，保证了A伸缩组件和B伸缩组件的协调运动。
(3)连杆组件中的各连杆之间的安装采用滑动轴承实现，在往复运动中减少了运动中的机械损失，提高了机械效率。
【附图说明】
图1是本发明机器鱼单自由度拍动机构的整体结构图。
图1A是本发明机器鱼单自由度拍动机构的分解图。
图2是本发明往复运动组件的分解图。
图2A是本发明往复运动组件中轴承座的剖视图。
图2B是本发明往复运动组件中A伸缩组件的分解图。
图2C是本发明往复运动组件的A伸缩组件中A限位法兰的结构图。
图2D是本发明往复运动组件的A伸缩组件中A顶环的结构图。
图2E是本发明往复运动组件中法兰端盖的前视图。
图2F是本发明往复运动组件中法兰端盖的后视图。
图2G是本发明往复运动组件中B伸缩组件的分解图。
图2H是本发明往复运动组件的B伸缩组件中B限位法兰的结构图。
图2I是本发明往复运动组件的B伸缩组件中B顶环的结构图。
图3是本发明连杆组件的分解图。
图3A是本发明连杆组件中D连杆的结构图。
图3B是本发明连杆组件中尾鳍架的结构图。
图3C是本发明连杆组件中连接架的结构图。
图4是本发明A连接件的结构图。
图5是本发明B连接件地结构图。
图6是本发明C连接件的结构图。
图7是本发明D连接件的结构图。
图8是本发明E连接件的结构图。
图9是本发明F连接件的结构图。
图10是本发明G连接件的结构图。
图中： 1.连杆组件 11.A连杆 11A.A光孔 11B.B光孔
11C.C光孔 11D.D光孔 11E.勾柄端 12.B连杆 12A.E光孔
12B.F光孔 13.C连杆 13A.G光孔 13B.H光孔 14.D连杆
14A.上板 14F.I光孔 14G.J光孔 14B.下板 14H.K光孔
14I.L光孔 14C.立板 14D.A卡槽 14E.B卡槽 15.尾鳍架
15A.M光孔 15B.N光孔 15C.O光孔 15D.P光孔 15E.C卡槽
15F.D卡槽 15G.A连接板 15H.B连接板 15I.A夹板 15J.B夹板
16.连接架 16A.A支臂 16B.B支臂 16C.Q光孔 16D.R光孔
16E.E卡槽 16F.螺纹孔 16G.连接盘 1A.A连接件 1A-1.A铰制螺钉
1A-2.A螺母 1A-3.A滑动轴承 1A-4.B滑动轴承 1A-5.C滑动轴承 1B.B连接件
1B-1.B铰制螺钉 1B-2.B螺母 1B-3.D滑动轴承 1B-4.E滑动轴承 1B-5.F滑动轴承
1C.C连接件 1C-1.C铰制螺钉 1C-2.C螺母 1C-3.G滑动轴承 1D.D连接件
1D-1.D铰制螺钉 1D-2.D螺母 1D-3.H滑动轴承 1D-4.驱动头 1D-5.E螺母
1D-6.H铰制螺钉 1D-7.A球铰 1D-8.A支臂 1D-9.B支臂 1D-10.F卡槽
1D-11.k光孔 1D-12.m光孔 1E.E连接件 1E-1.E铰制螺钉 1E-2.F螺母
1E-3.I滑动轴承 1E-4.J滑动轴承 1E-5.K滑动轴承 2.往复运动组件 21.A伸缩组件
21A.A光杠 21A-1.a光孔 21A-2.螺纹端 21B.A直线轴承 21C.B直线轴承
21D.A限位法兰 21D-1.b光孔 21D-2.弧面 21D-3.导向槽 21D-4.c光孔
21E.A顶杠组件 21E-1.A深沟球轴承 21E-2.B深沟球轴承
21E-3.A顶杠 21F.A顶环 21F-1.螺纹孔 21F-2.G卡槽 21F-3.A支臂
21F-4.B支臂 21F-5.d光孔 21F-6.e光孔 21G.A密封圈 21H.A橡胶套
21J.B密封圈 21K.F连接件 21K-1.F铰制螺钉 21K-2.G螺母 21K-3.L滑动轴承
22.B伸缩组件 22A.B光杠 22A-1.f光孔 22A-2.螺纹端 22B.C直线轴承
22C.D直线轴承 22D.B限位法兰 22D-1.g光孔 22D-2.弧面 22D-3.导向槽
22D-4.h光孔 22E.B顶杠组件 22E-1.C深沟球轴承 22E-2.D深沟球轴承
22E-3.B顶杠 22F.B顶环 22F-1.螺纹孔 22F-2.H卡槽 22F-3.A支臂
22F-4.B支臂 22F-5.i光孔 22F-6.j光孔 22G.C密封圈 22H.B橡胶套
22J.D密封圈 22K.G连接件 22K-1.G铰制螺钉 22K-2.H螺母 22K-3.B球铰
23.法兰盘 24.轴承座 24A.A轴承安装槽 24B.B轴承安装槽 24C.通孔
24D.键槽 24E.顶杠限位槽 25.A滚珠轴承 26.B滚珠轴承 27.法兰端盖
27A.中心通孔 27B.A限位沉头孔 27C.B限位沉头孔 271.A板面 272.B板面
28.减速器 29.伺服直流电机 3.尾鳍
【具体实施方式】
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1、图1A所示，本发明是一种适用于机器鱼的单自由度拍动机构，该单自由度拍动机构由连杆组件1和往复运动组件2构成，连杆组件1的一端与往复运动组件2连接，连杆组件1的另一端与机构鱼的尾鳍3连接。
参见图2所示，往复运动组件2包括有A伸缩组件21、B伸缩组件22、法兰盘23、轴承座24、A滚珠轴承25、B滚珠轴承26、法兰端盖27、减速器28和伺服直流电机29。在本发明中，伺服直流电机29为可以正反转的电机，其额定功率为200W～1000W，最高转速为10000r/min。该电机输出的转速经减速器28后转换为最高2000r/min的转速。
参见图2B所示，所述的A伸缩组件21由A光杠21A、A直线轴承21B、B直线轴承21C、A限位法兰21D、A顶杆组件21E、A顶环21F、A密封圈21G、A橡胶套21H、B密封圈21J和F连接件21K构成。
参见图2G所示，所述的B伸缩组件22由B光杠22A、C直线轴承22B、D直线轴承22C、B限位法兰22D、B顶杆组件22E、B顶环22F、C密封圈22G、B橡胶套22H、D密封圈22J和G连接件22K构成。
参见图3所示，连杆组件1包括有A连杆11、B连杆12、C连杆13、D连杆14、尾鳍架15、连接架16、A连接件1A、B连接件1B、C连接件1C、D连接件1D和E连接件1E。
参见图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，连杆组件1与往复运动组件2采用了铰制螺钉、滑动轴承、螺母和/或者球铰方式进行连接，能够减少尾鳍在往复运动过程中的机械损失，提高了连杆的机械效率，有效地保证了连接在尾鳍架15上的机构鱼尾鳍3作周期性的平移运动。
(1)A连接件1A
参见图4所示，A连接件1A包括有A铰制螺钉1A-1、A螺母1A-2、A滑动轴承1A-3、B滑动轴承1A-4和C滑动轴承1A-5；
A滑动轴承1A-3安装在A光孔11A中；A光孔11A设计在A连杆11的杆体末端上；
B滑动轴承1A-4安装在M光孔15A中；M光孔15A设计在尾鳍架15的B连接板15H上；
C滑动轴承1A-5安装在O光孔15C中；O光孔15C设计在尾鳍架15的A连接板15G上；
通过A铰制螺钉1A-1的螺纹端顺次穿过C滑动轴承1A-5、A滑动轴承1A-3和B滑动轴承1A-4后，并在螺纹端上连接A螺母1A-2，从而实现A连杆11的杆体末端与尾鳍架15的安装。
(2)B连接件1B
参见图5所示，B连接件1B包括有B铰制螺钉1B-1、B螺母1B-2、D滑动轴承1B-3、E滑动轴承1B-4和F滑动轴承1B-5；
D滑动轴承1B-3安装在E光孔12A中；E光孔12A设计在B连杆12的一端上；
E滑动轴承1B-4安装在N光孔15B中；N光孔15B设计在尾鳍架15的B连接板15H上；
F滑动轴承1B-5安装在P光孔15D中；P光孔15D设计在尾鳍架15的A连接板15G上；
通过B铰制螺钉1B-1的螺纹端顺次穿过F滑动轴承1B-5、D滑动轴承1B-3和E滑动轴承1B-4后，并在螺纹端上连接B螺母1B-2，从而实现B连杆12的一端与尾鳍架15的安装。
(3)C连接件1C
参见图6所示，C连接件1C包括有C铰制螺钉1C-1、C螺母1C-2和G滑动轴承1C-3；
G滑动轴承1C-3安装在B光孔11B中；B光孔11B设计在A连杆11的杆体上，且靠近勾柄端11E；
通过C铰制螺钉1C-1的螺纹端顺次穿过K光孔14H(K光孔14H设计在D连杆14的下板14B的一端上)、G滑动轴承1C-3和I光孔14F(I光孔14F设计在D连杆14的上板14A的一端上)后，并在螺纹端上连接C螺母1C-2，从而实现A连杆11的杆体与D连杆14的一端安装。
(4)D连接件1D
参见图7所示，D连接件1D包括有D螺母1D-2、H滑动轴承1D-3、驱动头1D-4、E螺母1D-5、H铰制螺钉1D-6和A球铰1D-7；所述的驱动头1D-4上设有D铰制螺钉1D-1、A支臂1D-8和B支臂1D-9，A支臂1D-8与B支臂1D-9之间有卡槽1D-10，A支臂1D-8上设有k光孔1D-11，B支臂1D-9上设有m光孔1D-12；
H滑动轴承1D-3安装在F光孔12B中；F光孔12B设计在B连杆12的另一端上；
A球铰1D-7安装在G光孔13A中；G光孔13A设计在C连杆13的一端上；
通过驱动头1D-4上的D铰制螺钉1D-1的螺纹端顺次穿过L光孔14I(L光孔14I设计在D连杆14的下板14B的另一端上)、H滑动轴承1D-3和J光孔14G(J光孔14G设计在D连杆14的上板14A的另一端上)后连接上D螺母1D-2，从而实现D连杆14的一端与B连杆12的另一端的安装；通过H铰制螺钉1D-6的螺纹端顺次穿过m光孔1D-12、A球铰1D-7和k光孔1D-11后，并在螺纹端上连接E螺母1D-5，从而实现B连杆12的另一端与C连杆13的一端连接。
(5)E连接件1E
参见图8所示，E连接件1E包括有E铰制螺钉1E-1、F螺母1E-2、I滑动轴承1E-3、J滑动轴承1E-4和K滑动轴承1E-5；
I滑动轴承1E-3安装在Q光孔16C中；Q光孔16C设计在连接架16的A支臂16A上；
J滑动轴承1E-4安装在C光孔11C中；C光孔11C设计在A连杆1的勾柄端11E上；
K滑动轴承1E-5安装在R光孔16D中；R光孔16D设计在连接架16的B支臂16B上；
通过E铰制螺钉1E-1的螺纹端顺次穿过K滑动轴承1E-5、J滑动轴承1E-4和I滑动轴承1E-3后，并在螺纹端上连接F螺母1E-2，从而实现A连杆11的勾柄端11E与连接架16的安装。
(6)F连接件21K
参见图9所示，F连接件21K包括有F铰制螺钉21K-1、G螺母21K-2和L滑动轴承21K-3；
L滑动轴承21K-3安装在D光孔11D中；D光孔11D设计在A连杆11的勾柄端11E的末端上；
通过F铰制螺钉21K-1的螺纹端顺次穿过e光孔21F-6(e光孔21F-6设计在A顶环21F的B支臂21F-4上)、L滑动轴承21K-3和d光孔21F-5(d光孔21F-5设计在A顶环21F的A支臂21F-3上)后，并在螺纹端上连接G螺母21K-2，从而实现A连杆11的勾柄端11E与A伸缩组件21中的A顶环21F的安装。
(7)G连接件22K
参见图10所示，G连接件22K包括有G铰制螺钉22K-1、H螺母22K-2和B球铰22K-3；
B球铰22K-3安装在H光孔13B中；H光孔13B设计在C连杆13的另一端上；
通过G铰制螺钉22K-1的螺纹端顺次穿过j光孔22F-6(j光孔22F-6设计在B顶环22F的B支臂22F-4上)、B球铰22K-3和i光孔22F-5(i光孔212-5设计在B顶环22F的A支臂22F-3上)后，并在螺纹端上连接H螺母22K-2，从而实现C连杆13的另一端与B伸缩组件22中的B顶环22F的安装。
(8)A连杆11
参见图3所示，A连杆11的勾柄端11E上设有相互平行的C光孔11C、D光孔11D，A连杆11的杆体上设有相互平行的A光孔11A、B光孔11B，A光孔11A位于A连杆11的杆体末端，B光孔11B位于A连杆11的杆体上，且靠近勾柄端11E。
A连杆11的勾柄端11E置于连接架16的E卡槽16E内。
A连杆11的勾柄端11E置于A顶环21F的G卡槽21F-2内。
(9)B连杆12
参见图3所示，B连杆12的一端设有E光孔12A，B连杆12的另一端设有F光孔12B。
B连杆12的一端连接在驱动头1D-4的D铰制螺钉1D-1上。
B连杆12的另一端置于A卡槽14D中。
(10)C连杆13
参见图3所示，C连杆13的一端设有G光孔13A，C连杆13的另一端设有H光孔13B。
C连杆13的一端置于F卡槽1D-10中。
C连杆13的另一端H卡槽22F-2中。
(11)D连杆14
参见图3A所示，D连杆14由上板14A、下板14B和立板14C构成，立板14C置于上板14A与下板14B之间，使得上板14A与下板14B之间形成有B卡槽14E和A卡槽14D(A卡槽14D用于放置B连杆12的另一端)。上板14A的两端分别设有I光孔14F、J光孔14G，下板14B的两端分别设有K光孔14H、L光孔14I。
(12)尾鳍架15
参见图3B所示，尾鳍架15上设有A连接板15G、B连接板15H、A夹板15I和B夹板15J，A连接板15G与B连接板15H之间开有C卡槽15E(C卡槽15E用于放置A连杆11的连杆末端和B连杆12的一端)，A夹板15I与B夹板15J之间开有D卡槽15F(D卡槽15F用于放置尾鳍3)，A连接板15G上设有O光孔15C和P光孔15D，B连接板15H上设有M光孔15A和N光孔15B。
(13)连接架16
参见图3C所示，连接架16上设有A支臂16A、B支臂16B和连接盘16G，A支臂16A与B支臂16B之间是E卡槽16E(E卡槽16E用于放置A连杆11的勾柄端11E)，A支臂16A上设有Q光孔16C，B支臂16B上设有R光孔16D，连接盘16G上设有螺纹孔16F。连接架16的连接盘16G安装在法兰盘23上。
(14)A光杠21A
参见图2、图2B所示，A光杠21A的一端是螺纹端21A-2，A光杠21A上设有a光孔21A-1，该a光孔21A-1用于A顶杆组件21E中的A顶杆21E-3通过；A光杠21A上顺次安装有B直线轴承21C、A限位法兰21D、A直线轴承21B、A橡胶套21H、A顶环21F和A顶杆组件21E；A橡胶套21H的两端分别套接有B密封圈21J、A密封圈21G。
(15)A限位法兰21D
参见图2、图2B、图2C所示，A限位法兰21D的两个连接板之间设有A导向槽21D-3，一个连接板上设有b光孔21D-1，另一个连接板上设有c光孔21D-4，A光杠21A的螺纹端21A-2穿过b光孔21D-1、A导向槽21D-3和c光孔21D-4，A限位法兰21D的弧面21D-2与轴承座24的接触。
(16)A顶杆组件21E
参见图2、图2A、图2B所示，A顶杆组件21E由A深沟球轴承21E-1、B深沟球轴承21E-2和A顶杆21E-3构成，A深沟球轴承21E-1与B深沟球轴承21E-2套接在A顶杆21E-3上。A顶杆21E-3的一端顺次穿过A顶杆21E-3、a光孔21A-1后，再套接上B深沟球轴承21E-2，且B深沟球轴承21E-2在A导向槽21D-3内滑动，A顶杆21E-3的另一端置于顶杆限位槽24E中。
(17)A顶环21F
参见图2、图2A、图2D所示，A顶环21F的螺纹端上设有螺纹孔21F-1，该螺纹孔21F-1与A光杠21A的螺纹端21A-2连接；A顶环21F的A支臂21F-3上设有d光孔21F-5，A顶环21F的B支臂21F-4上设有e光孔21F-6，A支臂21F-3与B支臂21F-4之间是G卡槽21F-2，该G卡槽21F-2用于放置A连杆11的勾柄端11E。
(18)B光杠22A
参见图2、图2G所示，B光杠22A的一端是螺纹端22A-2，B光杠22A上设有f光孔22A-1，该f光孔22A-1用于B顶杆组件22E中的B顶杆22E-3通过；B光杠22A上顺次安装有D直线轴承22C、B限位法兰22D、C直线轴承22B、B橡胶套22H、B顶环22F和B顶杆组件22E；B橡胶套22H的两端分别套接有D密封圈22J、C密封圈22G。
(19)B限位法兰22D、
参见图2、图2G、图2H所示，B限位法兰22D的两个连接板之间设有B导向槽22D-3，一个连接板上设有g光孔22D-1，另一个连接板上设有h光孔22D-4，B光杠22A的螺纹端22A-2穿过g光孔22D-1、B导向槽22D-3和h光孔22D-4，B限位法兰22D的弧面22D-2与轴承座24的接触。
(20)B顶杆组件22E
参见图2、图2G所示，B顶杆组件22E由C深沟球轴承22E-1、D深沟球轴承22E-2和B顶杆22E-3构成，C深沟球轴承22E-1与D深沟球轴承22E-2套接在B顶杆22E-3上。B顶杆22E-3的一端顺次穿过B顶杆22E-3、f光孔22A-1后，再套接上D深沟球轴承22E-2，且D深沟球轴承22E-2在B导向槽22D-3内滑动，B顶杆22E-3的另一端置于顶杆限位槽24E中。
(21)B顶环22F
参见图2、图2G、图2I所示，B顶环22F的螺纹端上设有螺纹孔22F-1，该螺纹孔22F-1与B光杠22A的螺纹端22A-2连接；B顶环22F的A支臂22F-3上设有i光孔22F-5，B顶环22F的B支臂22F-4上设有j光孔22F-6，A支臂22F-3与B支臂22F-4之间是H卡槽22F-2，该H卡槽22F-2用于放置C连杆13的一端。
(22)法兰盘23
参见图1、图1A、图2所示，法兰盘23上设有一空腔，该空腔内放置有轴承座24、A压力轴承25和B压力轴承26，A压力轴承25和B压力轴承26放置在轴承座24的通孔24C内；法兰盘23的开口上安装有法兰端盖27，法兰盘23的连接面板上安装有连接架16。
(23)轴承座24
参见图1、图1A、图2、图2A所示，轴承座24的中心设有通孔24C，该通孔24C上设有键槽24D；轴承座24的轴向上设有A轴承安装槽24A、B轴承安装槽24B，A轴承安装槽24A内放置B压力轴承26，B轴承安装槽24B内放置A压力轴承25；轴承座24的外环上设有顶杆限位槽24E，顶杆限位槽24E内放置有A顶杆21E-3和B顶杆22E-3。轴承座24的外环与A限位法兰21D的弧面21D-2和B限位法兰22D的弧面22D-2接触。
(24)法兰端盖27
参见图1、图2、图2E、图2F所示，法兰端盖27的中心设有中心通孔27A，该中心通孔27A用于减速器28的输出轴通过；法兰端盖27的盖体上A限位沉头孔27B和B限位沉头孔27C。
A限位沉头孔27B在法兰端盖27的A板面271上为圆形27D，A限位沉头孔27B在法兰端盖27的B板面272上为两端椭圆的四边形27F。
B限位沉头孔27C在法兰端盖27的A板面271上为圆形27E，在法兰端盖27的B板面272上为两端椭圆的四边形27G。
A限位沉头孔27B的四边形27F孔面上安装有B直线轴承21C的安装端，B直线轴承21C的滑动端穿过A限位沉头孔27B。
B限位沉头孔27C的四边形27G孔面上安装有D直线轴承22C的安装端，D直线轴承22C的滑动端穿过B限位沉头孔27C。
法兰端盖27的A板面271与减速器28连接，法兰端盖27的B板面271与法兰盘23连接。
本发明的一种适用于机器鱼的单自由度拍动机构，在直流伺服电机29的旋转驱动下使得轴承座24作轴向转动；轴承座24的轴向转动带动A顶杆组件21E和B顶杆组件22E作直线运动，在A顶杆组件21E的作用下A光杠21A带动A连杆11作往复运动，在B顶杆组件22E的作用下B光杠22A带动C连杆13、B连杆12作往复运动，从而使得安装在尾鳍架15上的尾鳍3拍动。在本发明中，A顶杆组件21E的行程范围纵向由轴承座24中的顶杠限位槽24E限制，横向由A限位法兰21D中的A导向槽21D-2限制，B顶杆组件22E的行程范围纵向由轴承座24中的顶杠限位槽24E限制，横向B限位法兰22D中的B导向槽22D-2限制。
本发明的一种适用于机器鱼的单自由度拍动机构，A顶杆组件21E和B顶杆组件22E的往复运动，通过A连杆11，B连杆12，C连杆13，D连杆14以及尾鳍架15构成的一套平行四边形连杆机构使得尾鳍架15进行周期性的旋转和平移运动。