一种鱼体外形数据的测量装置及方法
阅读说明：本技术 一种鱼体外形数据的测量装置及方法 (Device and method for measuring fish body shape data ) 是由 蔡宗琰 朱桂灵 文常青 刘楠 肖飞 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种鱼体外形数据的测量装置及方法,包括主轴、减速传动机构、增速传动机构、水平运动机构、旋转运动机构和栅环；栅环包括若干栅条；主轴一端连接动力源,另一端与减速传动机构和增速传动机构均连接；减速传动机构另一端连接水平运动机构,水平运动机构与栅条第一端连接,用于通过减速传动机构传递的动力驱动栅环水平运动；增速传动机构另一端连接旋转运动机构,旋转运动机构与栅条第二端连接,用于通过增速传动机构传递的动力驱动栅环旋转运动；栅条上设置若干测距模块。通过红外测距模块在平面内的旋转与往复直线运动在鱼体表面画出不均匀的螺旋线,进而测出鱼体的表面数据,极大的减少外部环境干扰,减少测量误差。(The invention discloses a device and a method for measuring appearance data of a fish body, wherein the device comprises a main shaft, a speed reduction transmission mechanism, a speed increase transmission mechanism, a horizontal movement mechanism, a rotary movement mechanism and a grid ring; the grid ring comprises a plurality of grid bars; one end of the main shaft is connected with a power source, and the other end of the main shaft is connected with the speed reduction transmission mechanism and the speed increase transmission mechanism; the other end of the speed reducing transmission mechanism is connected with a horizontal movement mechanism, and the horizontal movement mechanism is connected with the first end of the grid bar and is used for driving the grid ring to move horizontally through power transmitted by the speed reducing transmission mechanism; the other end of the speed-increasing transmission mechanism is connected with a rotary motion mechanism, and the rotary motion mechanism is connected with the second ends of the grid bars and is used for driving the grid rings to rotate through power transmitted by the speed-increasing transmission mechanism; and a plurality of distance measuring modules are arranged on the grid bars. The rotation and the reciprocating linear motion of the infrared distance measuring module in the plane draw uneven spiral lines on the surface of the fish body, so that the surface data of the fish body can be measured, the external environment interference can be greatly reduced, and the measuring error can be reduced.)
技术领域
本发明属于鱼体外形测量领域，涉及一种鱼体外形数据的测量装置及方法。
背景技术
海洋是全球生命支持系统的一个重要组成部分，海洋环境属于地球上的几种极端环境之一，但现在绝大多数的潜水探测装备都是螺旋桨推进式，有着诸如高能耗，低效率，转向难，爆发性差，易受损等等缺点，效果不如人意。鱼类在水中进化了十分悠久的时间，身体的各个部分都已经进化成为了最适合在水中行动的状态，研究清楚鱼在水中的运动状态，无论是对于海洋资源的开发还是对于生活中诸如下水管道的清理等问题，都有十分重要的意义。广大学者对鱼的非定常流体力学产生了很大的兴趣，有很多相关的学者在鱼对流场能量的利用方面都有一定的研究，但鱼体的具体外形数据的测量工作不尽人意，不能准确清楚的测量鱼体的外形数据。如果能清楚准确的测量鱼在水下游动时的肌肉鼓动，鱼鳍摆动等的数据，我们就能在计算机上准确的模拟出鱼游动时的姿势，动作，能再现鱼在水下的游动，对于我们研究鱼游动时的流场，制造仿生鱼都有很大的帮助。
目前，通常采用拍照法获取鱼体的表面数据，通过高清摄像机连续拍摄鱼体在直行或静止时的照片，在后续的图片处理时对关键的几个点进行定位，然后运用算法等对鱼体表面进行线性拟合，通过计算机的计算在三维的软件中实现对鱼体外形的重现。但是由于拍摄出来的图片属于平面二维数据，对数据的测量并不十分精确，并且对于鱼体在游动中的一些细微的肌肉鼓动的测量不准确或者根本测量不到，后期的很多数据处理都是靠数学建模的方法计算拟合而来的。但是这个方案对相应的数学要求较高，对相关的数学算法以及软件分析与运用要求较高，且易受外界环境例如水质与烟雾等的影响，不太利于初学者进行相应实验，对相应人员的要求整体较高。
另一类方法则是采用石膏法，即取一组几条同一种类，大小相似的鱼类，活体封入石膏中，待石膏冷却凝固，鱼也死亡静止之后，剖开石膏块，取下凝固的石膏块测量鱼体表面的数据。此方法操作简单方便，但是缺陷在于它只能测量鱼体在死亡时的状态，是固定的单一时刻的数据，不能测量鱼体表面连续的数据变化，不能测量连续的数据也就不能测量鱼体前行和转弯时的鱼鳍运动以及鱼体本身的姿态变化，而且费时费力费钱，残害大量生命。
综上所述，现有的测量方法存在诸如测量数据不准确又费时费力等问题，即使使用计算机进行线性模拟，也存在数据误差，不能达到理想的测量效果。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中鱼体外形测量过程中存在的测量数据不准确，只能测量静态鱼体数据，测量费时费力且测量装置复杂的缺点，提供一种鱼体外形数据的测量装置及方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种鱼体外形数据的测量装置，包括主轴、减速传动机构、增速传动机构、水平运动机构、旋转运动机构和栅环；栅环包括若干栅条；主轴一端连接动力源，另一端与减速传动机构和增速传动机构均连接；减速传动机构另一端连接水平运动机构，水平运动机构与栅条第一端连接，用于通过减速传动机构传递的动力驱动栅环水平运动；增速传动机构另一端连接旋转运动机构，旋转运动机构与栅条第二端连接，用于通过增速传动机构传递的动力驱动栅环旋转运动；栅条上设置若干测距模块。
本发明进一步的改进在于：
所述减速传动机构包括第一减速齿轮、减速轴、直凸轴、凸轮、撑杆、轴承座、弹簧架、固定支架和工作杆；第一减速齿轮套设在主轴上，减速轴一端上套设第二减速齿轮，另一端上套设第三减速齿轮，第二减速齿轮与第一减速齿轮啮合；直凸轴上套设第四减速齿轮，第四减速齿轮与第三减速齿轮啮合；直凸轴一端与凸轮连接；撑杆上套设轴承座，轴承座通过固定支架连接弹簧架，弹簧架通过工作杆将撑杆与凸轮顶紧，撑杆远离凸轮的一端与水平运动机构连接。
所述弹簧架包括弹簧架外壳和若干弹簧；弹簧架外壳内部设置若干弹簧腔，弹簧位于弹簧腔内部；工作杆一端穿过弹簧架外壳上开设的通孔与弹簧连接，弹簧架外壳通过固定支架与轴承座连接。
所述直凸轴远离凸轮的一端上套设平衡凸轮。
所述增速传动机构包括第一锥齿轮和直锥轴；第一锥齿轮套设在主轴上，直锥轴一端上套设第二锥齿轮，另一端上套设第五减速齿轮，第二锥齿轮与第一锥齿轮啮合，第五减速齿轮与旋转运动机构连接。
所述水平运动机构包括转动外环、转动外环套、转动环和楔形键；转动外环边缘设置轴向凸起，轴向凸起与转动外环套固定连接；转动环位于转动外环与转动外环套之间形成的凹型空间内，栅条第一端穿过转动环上开设的转动环通孔与楔形键连接，楔形键用于栅条在转动环通孔内的轴向限位，转动外环与减速传动机构连接。
所述旋转运动机构包括旋转齿轮、塞环扣和塞环内环；旋转齿轮上开设若干旋转齿轮通孔，栅条第二端通过旋转齿轮通孔与旋转齿轮连接，且栅条能在旋转齿轮通孔内轴向运动；塞环内环上开设塞环凹槽，旋转齿轮套设在塞环凹槽上，塞环扣与塞环内环连接，用于旋转齿轮的轴向限位。
还包括缓冲吸震机构，缓冲吸震机构包括飞轮和同步带轮；同步带轮和飞轮均套设在主轴上，同步带轮与动力源连接。
所述测距模块为红外测距模块，所述栅环内同心设置透明的通管。
本发明另一方面，一种鱼体外形数据的测量方法，包括以下步骤：
通过动力源带动主轴旋转，通过减速传动机构将动力传递至水平运动机构驱动栅环水平运动，通过增速传动机构将动力传递至旋转运动机构驱动栅环旋转运动，通过栅条上设置的测距模块实时测量栅环内鱼体的表面距离测距模块的距离，整合分析所有测距模块的测量数据得到鱼体外形数据。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
通过主轴输入动力给减速传动机构和增速传动机构，通过减速传动机构将动力传递给水平运动机构，进而通过水平运动机构驱动栅环作水平运动；通过增速传动机构将动力传递给旋转运动机构，进而通过旋转运动机构驱动栅环作旋转运动；在栅环在空间内既水平方向运动也旋转运动时，通过栅条上设置的若干测距模块测量穿过栅环的鱼体表面距离测距模块的距离，利用在两个自由度上分别测量出的数据的组合，形成对鱼体的三维表面的曲线测量，从而实现对鱼体表面数据的测量。本装置运行简单，相对于传统方法更加节约时间和精力，且装置对鱼体没有一点损伤，确保了实验期间不会实验材料不同而产生误差，保证了实验体的生命安全，减小实验人员的心理负担。相对于传统的测量顶点数据然后用计算机线性拟合的测量方法，本装置能详细的测量鱼体表面的弧线数据，极大的减少外部环境干扰，减少测量误差。相对于传统测量方法只能测量静态鱼体数据的缺陷，本装置能实时测量数据并直接将数据以电压信号的形式返回，测量精度高。
进一步的，直凸轴远离凸轮的一端上套设平衡凸轮，平衡凸轮位于凸轮对立面，且处于直凸轴上，平衡凸轮自身转动产生一个平衡力矩，与凸轮撑杆组工作时冲击载荷相位相反，平衡凸轮撑杆组工作时产生的力矩，使得装置运行更加平稳，延长装置的使用寿命。
进一步的，设置缓冲吸震机构，缓冲吸震机构包括飞轮和同步带轮，电机通过皮带传递动力到同步带轮，因皮带传动具有缓冲吸震与传动平稳特点，可提高装置的运动平稳性；飞轮通过自身重量产生惯性力平衡凸轮撑杆组工作时的冲击载荷，飞轮作为主要的动力输出点和载荷缓和点，提升整个装置的运行稳定性。
进一步的，栅环内同心设置通管，鱼位于透明的通管中不会受到外界因素干扰。
本发明鱼体外形数据的测量方法，利用螺旋线轨迹测距，对比单一路径的直线测距，不难得出，单个螺距长度很小时，可以近似地将此时的鱼体外表面等效展开为矩形。设螺旋式测量的螺旋运动的螺距为S1；直线式测量中红外测距模块沿Z轴扫略的路径长度也为S1；红外测距模块实际扫略路径长度为S2；螺旋测量时的螺旋角为β；此时鱼体截面的理想化直径不妨设为πd。根据公式
附图说明
图1是本发明的整体结构轴测图；
图2是本发明的整体结构主视图；
图3是本发明的整体结构俯视图；
图4是本发明的整体装置剖视图；
图5是本发明的凸轮撑杆结构示意图；
图6是本发明的弹簧架剖视图；
图7是本发明的弹簧架和轴承座结构示意图；
图8是本发明的旋转运动装置主视图；
图9是本发明图8的A-A向剖视图；
图10是本发明的水平运动装置主视图；
图11是本发明图10的B-B向剖视图；
图12是本发明的鱼体外表面等效展开图；
图13是本发明的螺旋角对测量覆盖率的影响。
其中：1-栅条；2-转动外环；3-转动外环套；4-通管；5-轴承座；6-弹簧架；7-撑杆；8-固定支架；9-凸轮；10-第四减速齿轮；11-直凸轴；12-平衡凸轮；13-第三减速齿轮；14-减速轴；15-第二减速齿轮；16-同步带轮；17-飞轮；18-第一减速齿轮；19-主轴；20-第一锥齿轮；21-第二锥齿轮；22-直锥轴；23-第五减速齿轮；24-旋转齿轮；25-塞环扣；26-塞环内环；27-弹簧；28-工作杆；29-弹簧架外壳；30-转动环。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1至图4，本发明鱼体外形数据的测量装置，包括传动机构、运动机构、缓冲吸震机构、主轴19和若干的栅条1组成的栅环，栅条1上设置若干测距模块；其中传动机构由减速传动机构与增速传动机构构成，运动机构则包括水平运动机构和旋转运动机构；鱼在自然状态游动下，通过位于栅条1上的红外测距模块在XOY平面内的旋转与沿Z轴的往复直线运动在鱼体表面画出不均匀的螺旋线，进而测出鱼体的表面数据。
减速传动机构包括第二减速齿轮15、减速轴14、第三减速齿轮13、第四减速齿轮10、直凸轴11、凸轮9、平衡凸轮12、撑杆7、弹簧架6、轴承座5、工作杆28和固定支架8。固定在减速轴14上的第二减速齿轮14与第一减速齿轮18相啮合，且减速轴14另一端装有第三减速齿轮13；固定在直凸轴11上的第四减速齿轮10与第三减速齿轮13相啮合，直凸轴11两端分别布置凸轮9与平衡凸轮12。参见图5，撑杆7与凸轮9构成往复直线运动的凸轮撑杆组，实现齿轮大转速到缓慢水平往复直线运动的转变，凸轮9与第四减速直齿轮10位于直凸轴11上，工作时将第四减速直齿轮10的旋转运动变为水平方向规律的运动，而撑杆7与凸轮9配合，将凸轮9上因相位差产生的距离差水平移动，产生规律的水平的动力与位移。平衡凸轮12位于凸轮9对立面，且处于直凸轴11上，平衡凸轮12自身转动产生一个平衡力矩，与凸轮撑杆组工作时冲击载荷相位相反，平衡凸轮撑杆组工作时产生的力矩。
参见图6和7，撑杆7顶部由弹簧架组装置固定，弹簧架组装置用于固定弹簧架6与轴承座5的相对位置，弹簧架组装置包括弹簧架6、工作杆28、固定支架8和轴承座5，弹簧架6包括弹簧架外壳29和若干弹簧27。弹簧架6由五部分组成，弹簧架外壳29内部有3个方形中空，用于安装弹簧27的同时定位配合工作杆28的运动，在工作杆28的往复运动中起到导轨的作用；弹簧27安装在外壳内部的中空位置上，用于为工作杆28提供一个稳定的弹簧力，保证工作杆28与撑杆7的紧密接触，最终保证撑杆7的另一端与凸轮9表面的接触，且弹簧架外壳29与轴承座5通过固定支架8的焊接，实现两者相对位置固定。
增速传动机构包括第一锥齿轮20、第二锥齿轮21、直锥轴22和第五减速齿轮23。直锥轴22上的第二锥齿轮21与主轴19上大第一锥齿轮20相啮合，直锥轴22另一端装有第五减速齿轮23，并与旋转运动机构的旋转齿轮24相啮合，实现驱动栅环旋转的过程。
参见图8和9，旋转运动机构包括旋转齿轮24、塞环扣25和塞环内环26。旋转齿轮24辐板均匀开通槽，并安装栅条1；塞环内环26与通管4紧密配合，保持相对固定的空间位置，塞环内环26内槽直径略小于旋转齿轮24的内部直径，其两者的内外表面之间形成间隙配合，使得旋转齿轮24能够在塞环内环26的环槽内相对转动；截面为L型的塞环内环26限制旋转齿轮24轴向运动，塞环扣25位于另侧亦限制旋转齿轮24轴向运动，使得旋转齿轮24在转动同时，带动栅条1在XOY平面内绕Z轴旋转。
参见图10和11，水平运动机构包括转动外环2、转动外环套3、楔形键、转动环30和栅环。栅环包括若干环形布置的栅条1，栅环内同心设置通管4，透明的通管4位于栅条1所构成的栅环内部，鱼位于透明的通管4中不会受到外界因素干扰。栅条1一头厚度减半，利于装入楔形键，进而固定栅条1与转动环30相对位置；转动外环套3与转动外环2固接在一起，转动环30放置在转动外环套3与转动外环2形成的凹型空间内，从而限制了转动环30沿Z轴相对运动，转动外环2与撑杆7连接在一起，由于凸轮9的旋转运动，进而带动撑杆7沿Z轴方向的往复直线运动。
缓冲吸震机构包括飞轮17和同步带轮16，同步带轮16固定在主轴19上并传递动力，且沿着主轴19依次安装飞轮17、第一减速齿轮18和第一锥齿轮20。电机通过皮带传递动力到同步带轮16，因皮带传动具有缓冲吸震与传动平稳特点，可提高装置的运动平稳性；飞轮17通过自身重量产生惯性力平衡凸轮撑杆组工作时的冲击载荷，飞轮17作为主要的动力输出点和载荷缓和点。
栅条1由铝合金制成，栅条1一端厚度减半，在距离厚度减半10mm的位置开通槽，并安装楔形键，限制栅条1与转动环30的相对位置，防止栅条1脱落；栅条1另一端厚度不变，与开有通槽的旋转齿轮24相互配合；可使其水平相对距离能够改变，当旋转齿轮24旋转时，依靠栅条1本身强度，亦可带动转动环30旋转。栅条1上等距安装红外测距模块，红外测距模块跟随栅条1一起实现螺旋线式运动，即绕通管4做XOY平面的圆周运动的同时，也沿着Z轴做往复直线运动。
本发明还公开了鱼体外形数据的测量方法，包括以下步骤：
通过动力源带动主轴19旋转，通过减速传动机构将动力传递至水平运动机构驱动栅环水平运动，通过增速传动机构将动力传递至旋转运动机构驱动栅环旋转运动，通过栅条1上设置的测距模块实时测量栅环内鱼体的表面距离测距模块的距离，整合分析所有测距模块的测量数据得到鱼体外形数据。
本发明的工作过程如下所示：
电动机通过皮带将动力传到主轴19上的同步带轮16上，带动飞轮17稳定规律的转动，飞轮17将连续稳定的动力沿第一锥齿轮20与第一减速齿轮18分别传递。其中，第二锥齿轮21通过与第一锥齿轮20的啮合，使得转速增大；并通过直锥轴22传递动力到第五减速齿轮23上，第五减速齿轮23又与旋转齿轮24相啮合，将旋转齿轮24转速减少，带动栅条1在绕通管4的圆柱表面转动的同时不干涉栅条1在水平方向上的运动；并可通过取适当的增速、减速传动比，避免旋转齿轮24直径过大，使得装置便于制造安装。
第二减速齿轮15将分配到的来自飞轮17的稳定规律的动力通过减速轴14传给第三减速齿轮13，通过齿轮之间的相互啮合，再将动力进一步传给第四减速齿轮10，第四减速齿轮10所在的直凸轴11上分别安装有凸轮9与平衡凸轮12，凸轮9与撑杆7构成凸轮撑杆组合，平衡凸轮12则将凸轮9产生的不对等的力矩相互抵消，延长装置寿命。撑杆7的另一端连着工作杆28，工作杆28由弹簧架6内的三个弹簧27提供动力，给撑杆7一个时刻向右的力，迫使撑杆7另一头始终贴近凸轮9；而弹簧架6和轴承座5则通过固定支架8的连接现在两者相对位置保持不变；而凸轮撑杆组合将绕轴旋转的动力变为沿水平方向上往复的直线运动，并通过撑杆7与转动外环2的固接，进而实现动外环2带动转动环30沿Z轴的水平运动。
为实现沿着Z轴方向的数据采集，将栅条1一头厚度减半，并装入楔形键，进而固定栅条1与转动环30相对位置；转动外环套3与转动外环2固接在一起，转动环30则放置在两者形成的凹型空间内，使得转动环30与转动外环2运动同步。转动外环2与撑杆7连接在一起，由于凸轮9的旋转运动，进而带动撑杆7沿Z轴方向的往复直线运动，进而带动转动环30与转动外环2沿Z轴方向的往复直线运动，实现沿着Z轴方向的数据采集。
为实现XOY平面的数据采集，将旋转齿轮24的辐板均匀开通槽，并安装栅条1，塞环内环26处于旋转齿轮24与通管4之间，截面为L型的塞环内环26限制齿轮运动，塞环扣25位于另侧亦限制沿Z轴运动。且旋转齿轮24与塞环扣26是间隙配合，旋转齿轮24转动的同时亦带动栅条1在XOY平面内绕Z轴旋转运动，实现XOY平面的数据采集。
在旋转齿轮24与转动环30上每隔45°开设通槽，并安装8根栅条，在栅条1上等间距安装红外测距模块，假设有N个红外测距模块，即在同一时间，N个红外测距模块组合测量了N个鱼体表面上被红外测距模块正对着的点距离N个红外测距模块的红外信号接收处的点的距离，在栅条1运动一段时间内，N个点距会随着红外测距模块扫过鱼体表面不同位置以及鱼体本身的运动而发生变化，由于栅条1在两个自由度上都有运动，红外测距模块运动时在三维空间的运动轨迹是半径不变的螺旋线，而红外测距模块发射的红外线会绕着Z轴在鱼体表面画出不均匀的螺旋线，此时红外测距模块返回的数据即模块在螺旋线上距离鱼体表面的实际距离，利用在两个自由度上分别测量出的数据的组合，形成对鱼体的三维表面的曲线测量，从而实现对鱼体表面数据的测量。
本装置运行简单，相对于传统方法更加节约时间和精力，且装置对鱼体没有一点损伤，确保了实验期间不会实验材料不同而产生误差，保证了实验体的生命安全，减小实验人员的心理负担。相对于传统测量方法(测量顶点数据然后用计算机线性拟合)，能详细的测量鱼体表面的弧线数据，极大的减少外部环境干扰，减少测量误差。相对于传统测量方法只能测量静态鱼体数据的缺陷，本装置能实时测量数据并直接将数据以电压信号的形式返回，测量精度高。
参见图12和13，本发明鱼体外形数据的测量方法，利用螺旋线轨迹测距，对比单一路径的直线测距，不难得出，单个螺距长度很小时，可以近似地将此时的鱼体外表面等效展开为矩形。设螺旋式测量的螺旋运动的螺距为S1；直线式测量中红外测距模块沿Z轴扫略的路径长度也为S1；红外测距模块实际扫略路径长度为S2；螺旋测量时的螺旋角为β；此时鱼体截面的理想化直径不妨设为πd。根据公式
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：基于基准标定板校正位姿的自由曲面测量方法与装置