一种仿生象鼻机构及应用其的游乐设备的制作方法

本发明涉及一种游乐设施的组件，尤其是一种用于与象相关的游乐设施的象鼻部分组件，以及应用其的游乐设备。

背景技术：

随着科技的发展，科学研究和工业生产中的相关技术的应用领域在不断地扩展和深化，如今走进了人们的文化娱乐生活中，各种能够实现仿人、仿生动作的人形或动物形游乐设施，和各种赋予静物动作的演出行动设备出现在各式各样的文化娱乐场所，如游乐园、主题公园、各种活动现场等。以电动、气动、或液压作动力，通过为人物、动物或非现实角色设计所需实现的动作原理，制作出机械部分，外部再包覆以拟真的外观包装层，即能做出专门给特定场景使用的可动仿真模型，其应用能够吸引人们的关注，给予人们新鲜感，再通过自动控制、多媒体技术的配合，实现与人们在场景内的互动，更能成为一种当今时代重要的一种文化娱乐方式。

在众多机电仿真模型中，仿生动物是重要的组成部分，而仿生象又是其中常见的一种，在以夏日、热带、丛林等为主题的公园或活动中深受人们喜爱。在仿生象游乐设施中，最重要的运动莫过于象鼻的运动，其配合头部摆动、耳朵扇动，是仿生象能否做得栩栩如生的关键。寻找出一种适合公共娱乐场所环境用于仿生象设施的象鼻实现方法具有很大的意义。

而目前在机器人相关领域的研究中，出现了很多有关软体运动的研究成果，但其均适用于实验室研究，不适用于公共娱乐场所，运动控制复杂，对设计调试和维护人员要求较高，结构刚度不高，承载有限，尤其是需满足内部需穿过管路进行喷水动作的情况下，喷水时管路内的压力变化反馈到象鼻自身上时，对自身的受力和驱动端所需的加载力产生影响，使象鼻末端位置的控制变得更加困难。而且，在公共娱乐场所的应用中，其不以研究中能够实现任意角度轨迹的运动为目标，而是以长期使用的稳定性和易用性为目标。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适合用于公共游乐设施的仿生象鼻机构，其控制、调试与维护成本低，适合长期稳定地工作，结构与运动刚性大，不受内部水管水压变化对自身的影响，末端位置控制简单，容易实现与游客进行喷水互动的动作。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种仿生象鼻机构，包括一个后段机构和一个或多个前段机构，所述后段机构包括后段支架、后段多节结构、后段连杆气缸，所述后段多节结构包括n个后段关节件，其中n为正整数且n≥1，每个后段关节件包含4个铰接处，各铰接处的转轴相互平行，包括后段关节件前上铰接处、后段关节件前下铰接处、后段关节件后上铰接处、后段关节件后下铰接处，每个所述后段关节件的后段关节件前下铰接处与相邻所述后段关节件的后段关节件后上铰接处相铰接，所述后段支架与最后一个后段关节件的后段关节件后上铰接处铰接，所述后段连杆气缸的一端铰接于所述后段支架，所述后段连杆气缸的另一端与所述最后一个后段关节件的后段关节件后下铰接处铰接，以用于驱动所述后段多节结构运动；所述每个前段机构包括前段支架、前段支架气缸、前段多节结构、前段连杆气缸，其中所述前段支架气缸用于驱动所述前段支架，所述前段连杆气缸用于驱动所述前段多节结构。

进一步的，所述后段多节结构还包括n+l后段骨架件、后段骨架连接件、2n个后段连杆件、1个后段末端件，其中，所述n个后段关节件前后首尾相铰接，最前端的后段关节件的后段关节件前下铰接处与所述1个后段末端件铰接，最后端的后段关节件与所述后段支架铰接，所述n个后段骨架件与所述n个后段关节件一一固定连接，l个后段骨架件与所述1个后段末端件固定连接，其中l为正整数且l≥1，所述n个后段关节件15串联铰接，2n个后段连杆件在所述后段关节件两侧对称布置，每个所述后段关节件的后段关节件前上铰接处在左右两侧与2个所述后段连杆件铰接，该2个后段连杆件与相隔一个的后段关节件的后段关节件后下铰接处铰接。

进一步的，所述后段连杆气缸为单行程气缸或双行程气缸，一端铰接于所述后段支架，另一端铰接于位于最后端的后段关节件的后段关节件后下铰接处，两端铰接处的转轴均与所述后段关节件铰接处的转轴平行。

进一步的，所述后段末端件包括4个铰接处，其中2个铰接处与位于最前端的后段连杆件、位于最前端的后段关节件相铰接，与所述后段关节件铰接处的转轴平行，另2个铰接处与所述后段关节件铰接处的转轴相垂直，其中一个与所述前段支架铰接，另一个与所述前段支架气缸的一端铰接。

进一步的，所述后段机构还包括拉簧、钢丝绳，其中钢丝绳的一端连接于后段骨架件中的一个上，另一端连接于拉簧上，拉簧的另一端连接于后段支架上。

进一步的，所述前段支架包括5个铰接处，其中2个转轴相互平行，其中一个与所述后段末端件铰接，一个与所述前段支架气缸的一端铰接，其余3个铰接处的转轴与所述2个转轴相垂直，其中2个与所述前段多节结构相铰接，另一个与所述前段连杆气缸的一端铰接。

进一步的，所述前段多节结构包括m个前段关节件、2m个前段连杆件、m+k个前段骨架件、一个前段末端件，所述m个前段关节件前后首尾相铰接，最前端与所述前段末端件铰接，最后端与所述前段支架铰接，所述前段连杆件在所述前段关节件两侧左右对称布置，与每隔一个的两个前段关节件相铰接，所述m个前段骨架件与所述m个前段关节件一一固定连接，k个前段骨架件与所述前段末端件固定连接，其中m、k为正整数，m≥1，k≥1；所述每个前段关节件包含4个铰接处，各前段关节件铰接处的转轴相互平行，各铰接处按位置分为前段关节件前上铰接处、前段关节件前下铰接处、前段关节件后上铰接处、前段关节件后下铰接处，每个所述前段关节件的前段关节件前下铰接处与相邻所述前段关节件的前段关节件后上铰接处相铰接，位于最后端的前段关节件的后上铰接处与所述前段支架铰接，位于最前端的前段关节件的前段关节件前下铰接处与所述前段末端件铰接；每个所述前段关节件的前段关节件前上铰接处在左右两侧与2个所述前段连杆件铰接，该2个前段连杆件与相隔一个的前段关节件的前段关节件后下铰接处铰接，位于最后端的前段关节件的前段关节件后下铰接处与所述的前段连杆气缸的一端铰接。

进一步的，所述前段支架气缸为双行程气缸，一端铰接于所述后段末端件，一端铰接于所述前段支架；所述前段连杆气缸为单行程气缸或双行程气缸，一端铰接于所述前段支架，一端铰接于所述位于最后端的前段关节件的前段关节件后下铰接处，两端铰接处的转轴均与各前段关节件关节铰接处的转轴平行。

进一步的，所述前段末端件至少包括2个铰接处，与所述的位于最前端的前段连杆件以及位于最前端的前段关节件相铰接。

另一方面，本发明还提供一种游乐设备，包括上述的仿生象鼻机构。

本发明提供的应用所述仿生象鼻机构的游乐设备，在保证效果姿态的同时，能够降低控制、调试与维护成本，且长期稳定地工作；结构刚性大，不受内部水管水压变化对自身的影响，容易地实现与游客的喷水互动动作。适合用于公园、游乐园、主题公园、舞台表演等公共娱乐场所。

附图说明

图1为本发明仿生象鼻机构的总体结构示意图；

图2为本发明仿生象鼻机构的骨架件结构示意图；

图3为本发明仿生象鼻机构的后段除骨架件外的结构示意图；

图4为本发明仿生象鼻机构的可选增加辅助拉簧方案的示意图；

图5为本发明仿生象鼻机构的前段除骨架件外的结构示意图；

图6为本发明仿生象鼻机构使用可选前段末端件的结构示意图；

图7为本发明仿生象鼻机构的几种位置下的姿态示意图；

图8为本发明应用该仿生象鼻机构的游乐设备示意图。

附图标记：

1-后段，2-前段，3-象鼻末端结构，4-头部内部支架，11-后段骨架件，111-管路通过孔，12-后段骨架件连接件，21-前段骨架件，22-前段骨架件连接件，13-后段支架，14-后段连杆气缸，15-后段关节件，151-后段关节件前上铰接处，152-后段关节件前下铰接处，153-后段关节件后上铰接处，154-后段关节件后下铰接处，16-后段连杆件，17-后段末端件，18-托轮，191-拉簧，192-钢丝绳，23-前段支架气缸，24-前段支架，25-前段连杆气缸，26-前段关节件，261-前段关节件前上铰接处，262-前段关节件前下铰接处，263-前段关节件后上铰接处，264-前段关节件后下铰接处，27-前段连杆件，28-前段末端件

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的仿生象鼻机构，包括一个后段机构和一个或多个前段机构，所述后段机构包括后段支架、后段多节结构、后段连杆气缸，所述后段多节结构包括n个后段关节件，其中n为正整数且n≥1，每个后段关节件包含4个铰接处，各铰接处的转轴相互平行，包括后段关节件前上铰接处、后段关节件前下铰接处、后段关节件后上铰接处、后段关节件后下铰接处，每个所述后段关节件的后段关节件前下铰接处与相邻所述后段关节件的后段关节件后上铰接处相铰接，所述后段支架与最后一个后段关节件的后段关节件后上铰接处铰接，所述后段连杆气缸的一端铰接于所述后段支架，所述后段连杆气缸的另一端与所述最后一个后段关节件的后段关节件后下铰接处铰接，以用于驱动所述后段多节结构运动；所述每个前段机构包括前段支架、前段支架气缸、前段多节结构、前段连杆气缸，其中所述前段支架气缸用于驱动所述前段支架，所述前段连杆气缸用于驱动所述前段多节结构。

根据本发明的一实施例，后段多节结构还包括n+l后段骨架件、后段骨架连接件、2n个后段连杆件、1个后段末端件，其中，所述n个后段关节件前后首尾相铰接，最前端的后段关节件的后段关节件前下铰接处与所述1个后段末端件铰接，最后端的后段关节件与所述后段支架铰接，所述n个后段骨架件与所述n个后段关节件一一固定连接，l个后段骨架件与所述1个后段末端件固定连接，其中l为正整数且l≥1，所述n个后段关节件15串联铰接，2n个后段连杆件在所述后段关节件两侧对称布置，每个所述后段关节件的后段关节件前上铰接处在左右两侧与2个所述后段连杆件铰接，该2个后段连杆件与相隔一个的后段关节件的后段关节件后下铰接处铰接。

根据本发明的一实施例，后段连杆气缸为单行程气缸或双行程气缸，一端铰接于所述后段支架，另一端铰接于位于最后端的后段关节件的后段关节件后下铰接处，两端铰接处的转轴均与所述后段关节件铰接处的转轴平行。

根据本发明的一实施例，后段末端件包括4个铰接处，其中2个铰接处与位于最前端的后段连杆件、位于最前端的后段关节件相铰接，与所述后段关节件铰接处的转轴平行，另2个铰接处与所述后段关节件铰接处的转轴相垂直，其中一个与所述前段支架铰接，另一个与所述前段支架气缸的一端铰接。

根据本发明的一实施例，后段机构还包括拉簧、钢丝绳，其中钢丝绳的一端连接于后段骨架件中的一个上，另一端连接于拉簧上，拉簧的另一端连接于后段支架上。

如图1为本发明实施例提供的一种仿生象鼻机构的总体结构示意图，由后段1和前段2组成，即包括的前段部分数量为1，该实施例能够满足大多数情况下仿真象游乐设备的应用需求。

具体地，如图2和图3所示，后段1包括后段骨架件11、后段骨架连接件12、后段支架13、后段连杆气缸14、后段关节件15、后段连杆件16、后段末端件17，可选地，还包括托轮18、拉簧191、钢丝绳192。n个后段骨架件11通过后段骨架连接件12固定连接于n个后段关节件15上，l个后段骨架件11通过后段骨架连接件12固定连接于后段末端件17上，n个后段关节件15串联铰接，2n个后段连杆件16在其两侧对称布置，连接每相隔一个的后段关节件15。在本实施例中，后段关节件15的数量为8，后段骨架件11的数量为10，后段连杆件16的数量为16，即n＝8，l＝2。

每个后段关节件15包括4个铰接处，为后段关节件前上铰接处151、后段关节件前下铰接处152、后段关节件后上铰接处153、后段关节件后下铰接处154，如图3所示，每个后段关节件15的前下铰接处152与相邻后段关节件15的后上铰接处153相铰接，内部以销轴穿过，销轴两端又固定于后段骨架件11上，位于最后端的后段关节件15的后上铰接处153与后段支架13铰接，内部以销轴穿过，销轴两端又固定于后段骨架件11上，位于最前端的后段关节件15的前下铰接处152与后段末端件17铰接；每个后段关节件15的前上铰接处151在左右两侧与2个后段连杆件16铰接，该2个后段连杆件16与相隔一个的后段关节件15的后下铰接处154铰接，位于最后端的后段关节件15的后下铰接处154不与后段连杆件16铰接，而与后段连杆气缸14的一端铰接，位于最后端的后段连杆件16与后段支架13铰接于前述最后端的后段关节件15的后上铰接处153上方一定距离的位置，位于最前端的后段关节件15的前上铰接处151空出，位于最前端的后段连杆件16与后段末端件17铰接于前述最前端的后段关节件15的前下铰接处152下方一定距离的位置。

一般地，各后段关节件15均相同，以便于设计、加工和安装，优选地，在本实施例中，位于最后端的后段关节件15的后上铰接处153和后下铰接处154之间距离大于其他后段关节件15，零件尺寸亦较大，铰接处所用销轴直径亦较大，以获得较高的强度。进一步地，每个相同的后段关节件15中的各铰接处的间距和位置，及每个后段连杆件16的铰接处间距可根据实际需要调整，每个后段关节件15与前后两相邻的后段关节件15、后段连杆件16，构成一平面四杆机构，其中包括两短杆与两长杆，两长杆在两短杆之间为交叉状态，在本实施例中，各杆长比约为：2:2:8:9，其中，位于最后端位置的后段关节件15不与其他后段关节件15构成四杆机构，而是与后段连杆气缸14、后段支架13构成滑块摇杆机构。

进一步地，后段连杆气缸14为双作用气缸，既可为单行程气缸，也可为双行程气缸，根据不同的使用需求进行选择，以获得不同的工作位置。其一端铰接于后段支架13，一端铰接于位于最后端的后段关节件15的后下铰接处154。

可选地，如图4所示，后段1可增加拉簧191、钢丝绳192进行牵引，以降低气缸与各杆、轴结构在机构抬升时的受力，钢丝绳192一端连接于某一节后段骨架件11上，一端连接于拉簧191上，其中经过一个或多个托轮18，拉簧191一端与之连接，另一端连接于后段支架13上。

另一方面，仿生象鼻机构中，前段支架包括5个铰接处，其中2个转轴相互平行，其中一个与所述后段末端件铰接，一个与所述前段支架气缸的一端铰接，其余3个铰接处的转轴与所述2个转轴相垂直，其中2个与所述前段多节结构相铰接，另一个与所述前段连杆气缸的一端铰接。

根据本发明的一实施例，前段多节结构包括m个前段关节件、2m个前段连杆件、m+k个前段骨架件、一个前段末端件，所述m个前段关节件前后首尾相铰接，最前端与所述前段末端件铰接，最后端与所述前段支架铰接，所述前段连杆件在所述前段关节件两侧左右对称布置，与每隔一个的两个前段关节件相铰接，所述m个前段骨架件与所述m个前段关节件一一固定连接，k个前段骨架件与所述前段末端件固定连接，其中m、k为正整数，m≥1，k≥1；所述每个前段关节件包含4个铰接处，各前段关节件铰接处的转轴相互平行，各铰接处按位置分为前段关节件前上铰接处、前段关节件前下铰接处、前段关节件后上铰接处、前段关节件后下铰接处，每个所述前段关节件的前段关节件前下铰接处与相邻所述前段关节件的前段关节件后上铰接处相铰接，位于最后端的前段关节件的后上铰接处与所述前段支架铰接，位于最前端的前段关节件的前段关节件前下铰接处与所述前段末端件铰接；每个所述前段关节件的前段关节件前上铰接处在左右两侧与2个所述前段连杆件铰接，该2个前段连杆件与相隔一个的前段关节件的前段关节件后下铰接处铰接，位于最后端的前段关节件的前段关节件后下铰接处与所述的前段连杆气缸的一端铰接。

根据本发明的一实施例，前段支架气缸为双行程气缸，一端铰接于所述后段末端件，一端铰接于所述前段支架；所述前段连杆气缸为单行程气缸或双行程气缸，一端铰接于所述前段支架，一端铰接于所述位于最后端的前段关节件的前段关节件后下铰接处，两端铰接处的转轴均与各前段关节件关节铰接处的转轴平行。

根据本发明的一实施例，前段末端件至少包括2个铰接处，与所述的位于最前端的前段连杆件以及位于最前端的前段关节件相铰接。

在本实施例中，如图2和图5所示，前段2包括前段骨架件21、前段骨架连接件22、前段支架气缸23、前段支架24、前段连杆气缸25、前段关节件26、前段连杆件27、前段末端件28。m个前段骨架件21通过前段骨架连接件22固定连接于m个前段关节件26上，k个前段骨架件21通过前段骨架连接件22固定连接于前段末端件28上，m个前段关节件26串联铰接，2m个前段连杆件27在其两侧对称布置，连接每相隔一个的前段关节件26。在本实施例中，前段关节件26的数量为8，前段骨架件21的数量为5，前段连杆件27的数量为10，即m＝5，k＝3。

每个前段关节件26包括4个铰接处，为前段关节件前上铰接处261、前段关节件前下铰接处262、前段关节件后上铰接处263、前段关节件后下铰接处264，如图3所示，每个前段关节件26的前下铰接处262与相邻前段关节件26的后上铰接处263相铰接，内部以销轴穿过，销轴两端又固定于前段骨架件21上，位于最后端的前段关节件26的后上铰接处263与前段支架24铰接，内部以销轴穿过，销轴两端又固定于前段骨架件21上，位于最前端的前段关节件26的前下铰接处262与前段末端件28铰接；每个前段关节件26的前上铰接处261在左右两侧与2个前段连杆件27铰接，该2个前段连杆件27与相隔一个的前段关节件26的后下铰接处264铰接，位于最后端的前段关节件26的后下铰接处264不与前段连杆件27铰接，而与前段连杆气缸25的一端铰接，位于最后端的前段连杆件27与前段支架24铰接于前述最后端的前段关节件26的后上铰接处263上方一定距离的位置，位于最前端的前段关节件26的前上铰接处261空出，位于最前端的前段连杆件27与前段末端件28铰接于前述最前端的前段关节件26的前下铰接处262下方一定距离的位置。

一般地，各前段关节件26均相同，以便于设计、加工和安装。进一步地，每个相同的前段关节件26中的各铰接处的间距和位置，及每个前段连杆件27的铰接处间距可根据实际需要调整，每个前段关节件26与前后两相邻的前段关节件26、前段连杆件27，构成一平面四杆机构，其中包括两短杆与两长杆，两长杆在两短杆之间为交叉状态，在本实施例中，各杆长比约为：5:5:21:22，其中，位于最后端位置的前段关节件26不与其他前段关节件26构成四杆机构，而是与前段连杆气缸25、前段支架24构成滑块摇杆机构。

进一步地，前段连杆气缸25为双作用气缸，既可为单行程气缸，也可为双行程气缸，根据不同的使用需求进行选择，以获得不同的工作位置。其一端铰接于前段支架24，一端铰接于位于最后端的前段关节件26的后下铰接处264。

前段支架24铰接于后段末端件17上，其转轴方向与各后段关节件15、前段关节件26的各铰接处的转轴相垂直，通过前段支架气缸23驱动其转动，以获得前段2相对于后段1左右方向的摆动运动。其中前段支架气缸23为双作用气缸，且为双行程气缸，以获得三个工作位置。后段连杆气缸14、前段支架气缸23、前段连杆气缸25，各自能提供的工作位置有稳定、刚性的工作位置，在一般游乐设备的使用中已能够满足需求，假如需要每两个工作位置之间的其他工作位置，可通过气动系统内部的相关控制实现。

进一步地，在本实施例中，包括前段2的数量为1，前段末端件28与前段关节件26结构相同，可选地，在需要继续串联新的前段2的实施例中，前段末端件28可为图6所示的形式，可继续连接前段支架24、前段支架气缸23，从而实现与新的前段2的串联。

进一步地，如图2所示，后段骨架件11和前段骨架件21形状结构相同，尺寸由后到前逐渐减小，缓慢过渡，以配合象鼻的软体材料外包装。每个后段骨架件11和前段骨架件21结构中都有两个管路通过孔111，用以通过压缩空气管、水管。优选地，后段骨架件11和前段骨架件21为八边形，容易加工、装配，同时也能满足与象鼻外包装的配合。

如图7为本发明实施例提供的一种仿生象鼻机构的几种位置下的姿态示意图，其中象鼻末端结构3内部设有喷嘴和导流结构，与前段末端件28固定连接。

本发明实施例提供的应用该仿生象鼻机构的游乐设备如图8所示，该仿生象鼻机构的后段支架13与设备的头部内部支架4固定连接，压缩空气管、水管也由大象游乐设备内部发出，气动系统、水路系统也设置于其内部，或经由其内部而设置于外部机房中。

本发明的仿生象鼻机构以及应用该仿生象鼻机构的游乐设备，其姿态拟真，控制容易，结构与运动刚性大，不会受内部水管水压变化的影响，针对不同娱乐场景内不同要求，可适当增减关节以实现所需的运动，是适合大象类游乐设备的象鼻运动机构，而应用其的游乐设备则具备以上优点。

上述实施方式是对本发明的说明，不是对本发明的限定，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。