一种仿鸭蹼爬游式推进机器人的制作方法

文档序号:19096490发布日期:2019-11-09 00:45阅读:972来源:国知局
一种仿鸭蹼爬游式推进机器人的制作方法

本实用新型涉及机器人技术领域,具体是一种仿鸭蹼爬游式推进机器人。



背景技术:

随着人类对海洋开发程度的不断加大,海洋环境保护、资源探测、开发等领域对水下机器人的需求也越来越大。水下机器人的开发应用将成为一大研究热点。目前存在的水下机器人的运动多采用螺旋桨推进方式,存在效率低、功耗大、噪音大、机动性差、悬停能力差等缺点。

自然界的生物经过长期的演变进化,使得自身对于环境产生了很强的适应性。水中生物具有出色的水下运动能力,效率高、噪声小、机动灵活,因此它们成为科学家们研制新型高速、低噪音、机动灵活的防水水下机器人模仿的对象,在水中利用基于脚蹼推进的游动机理,能够实现水中游动,具有极大的环境适应能力。水中生物具有多样化的游动方式,可以粗略的分为摆动法、划动法、水翼法和喷射法等。

Ayer等人研制了一款仿龙虾爬游式机器人,该机器人采用多足方式实现陆地运动,利用水翼实现水下游动推进。为了实现较为自然的运动效率,机器人驱动器为形状记忆合金,来模拟生物龙虾的肌肉,具有高效、低噪等特点,但存在功耗大、机动性差、悬停能力差等缺点。

FESTO公司同样研制了一种利用魟鱼类胸鳍波动推进的机器人,仿蝠鲼机器人Aqua_ray。胸鳍波状推进方式中,胸鳍的摆动范围较小,有利于使用蒙皮方式将各系统集成在内部,具有较高的仿生效果。该机器人的长宽尺寸为610×960mm,质量为10kg,通过一对气动肌肉驱动胸鳍骨骼的运动。骨骼外部安装有柔性蒙皮结构,基于生物解剖结果设计骨骼与柔性材料之间的相互作用效果,模拟胸鳍的摆动方式。该机器人采用水下仿生推进方式,具有较高的推进效率,能够在水下工作30分钟,适合应用于多种水下作业任务。

哈尔滨工业大学的王振龙等人模拟乌贼的水下运动,研制了仿生乌贼水下推进机器人。该机器人模拟了乌贼依靠鳍的动作完成推进和依靠喷射实现快速推进的运动策略。基于计算流体力学方法,研究了乌贼在两种运动策略下的流场尾迹信息,分析不同运动策略的推进机理。利用SMA丝作为驱动控制鳍面的运动和收缩外套膜来改变体腔容积,实现了仿生乌贼的水下连续运动和高速运动。

国内对水下仿生机器人的研究也取得了较多的成果,针对前述具有特色的仿生推进方式,国内也进行了响应的仿生机器人研究,例如王海龙等人研制的仿海蟹机器人,就是将陆地运动的机械足与水下游动的水翼分别设计,实现爬游式运动模式。机器人各关节采用舵机控制,各系统集成在躯干密封盒中,能够实现水下独立运动,并且通过对水翼推进机理的研究,对最优水翼拍打参数进行了规划,完成了水下游动实验。海蟹机器人的爬游式运动模式对水中与陆地推进器分别进行了设计,增加了运动的不确定性与机器人的重量。

鸭子在水中的游动方式为划动法,这种方式有利于身体保持运动姿势,同时具有高效、低噪、简单、灵活等特点,也使其具有一定的研究价值。



技术实现要素:

本实用新型的目的是克服上述背景技术中的不足,提供一种仿鸭蹼爬游式推进机器人,该机器人应具有机动性高以及可满足水路两种环境下进行推进的特点。

本实用新型的技术方案是:

一种仿鸭蹼爬游式推进机器人,其特征在于:该机器人包括机架、设置在机架中的控制模块、电源与两个电机、设置在机架四周的四个Klann连杆机构、传递电机动力驱动Klann连杆机构运动的齿轮机构以及设置在Klann连杆机构上的脚蹼;

所述两个电机分别设置机架的左右两侧,每个电机通过一个齿轮机构同时驱动前后两个Klann连杆机构运动;所述齿轮机构包括与电机输出轴固定的主动齿轮以及分别与主动齿轮啮合且带动前后两个Klann连杆机构的两个被动齿轮;

所述Klann连杆机构包括分别可转动地铰接在机架上的底部摇杆及顶部摇杆、中部与底部摇杆铰接而一端与被动齿轮铰接且由被动齿轮驱动的传动杆以及顶端与顶部摇杆铰接且中部又与传动杆的另一端铰接的腿部连杆;所述脚蹼设置在腿部连杆的底部;所述脚蹼包括可摆动地铰接在腿部连杆底部的脚蹼骨架、设置在脚蹼骨架中的翼片以及驱动脚蹼转动的舵机;所述控制模块通过导线连接电机与舵机。

所述顶部摇杆的两端分别可转动地铰接在腿部连杆的顶部与机架上。

所述脚蹼骨架包括位于中间的第一骨架杆以及对称设置在第一骨架杆左右两侧且后端与第一骨架杆后端固定连接的第二骨架杆;所述两个翼片设置在第一骨架杆与第二骨架杆之间。

所述两个翼片可摆动地铰接在第一骨架杆上,翼片的宽度大于第一骨架杆与第二骨架杆的间距,并且翼片延伸至第二骨架杆的下方。

所述第二骨架杆与第一骨架杆倾斜一定角度,使得脚蹼的外轮廓形成锥形。

所述电机与舵机输出轴的转动轴线、齿轮机构的转动轴线、Klann连杆机构的转动轴线均互相平行。

本实用新型的有益效果是:

1、采用腿部推进方式的多杆足端复合式结构,可满足水路两种环境下的推进,很大程度上还原了生物腿在运动推进时的姿态变化,使运动更加直观可靠;

2、采用Klann连杆机构进行动力传递和释放,实现了在单驱动下的机械腿进结构,各杆件选取合适的长度可以获得较大的传动比,进而最大化地将电机动力转换为连杆的摆动;

3、脚蹼为仿鸭蹼结构,将水中与陆地上两种运动的推进器进行结合,简化了爬游式推进器的结构,相比尾翼具有机动性高的特点,可以在复杂地面进行运动;

3、脚蹼机架为设有尖爪的尖型前足,避免了以往因摩擦力不足产生的问题,可以保证在某些松软的地形上,如泥地,沙地等进行运动;

4、脚蹼机架与翼片通过铰接连接,通过开合增加了推进时的动力,减少了复位时克服的阻力,提高了机构整体的运动效率。

附图说明

图1是本实用新型的立体结构示意图。

图2是本实用新型中齿轮机构与Klann连杆机构的立体结构示意图。

图3是本实用新型中齿轮机构与Klann连杆机构的主视结构示意图。

图4是本实用新型中脚蹼的俯视结构示意图。

图5是本实用新型中脚蹼骨架的俯视结构示意图。

图6是本实用新型中脚蹼横截面的结构示意图。

图7是本实用新型中Klann连杆机构的运动轨迹示意图。

图8是实用新型移动时四个Klann连杆机构的工作次序示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图,对本实用新型作进一步说明,但本实用新型并不局限于以下实施例。

如图1所示,一种仿鸭蹼爬游式推进机器人,该机器人包括机架16,机架内部设有控制模块13、两个电机14以及用于供电的电源15,机架的外部设有两个齿轮机构与四个Klann连杆机构,每个Klann连杆机构上还配有脚蹼。所述控制模块可以接收外部控制信号(有线或无线信号),控制模块收到控制信号后会启动电机与舵机,实现机器人速度调控与转向。所述控制模块可采用的型号是STM32F103配合ESP8266无线模块。

所述两个齿轮机构分别设置在机架的两侧位置,Klann连杆机构分别设置在机架的四角位置,每个电机通过一个齿轮机构驱动两个Klann连杆机构运动,再通过脚蹼的配合实现机器人的推进。设置在机架前部的两个Klann连杆机构向机架前方伸出(脚蹼的指向为机架的前方),设置在机架后部的两个Klann连杆机构向机架后方伸出。

所述齿轮机构包括可转动地定位在机架侧面的主动齿轮5与两个被动齿轮4,主动齿轮与电机输出轴固定,两个被动齿轮同时与主动齿轮啮合,以分别带动前后布置的两个Klann连杆机构。其中,两个向机架前方伸出的Klann连杆机构作为前腿,两个向机架后方伸出的Klann连杆机构作为后腿;因此,每个电机同时驱动机架同一侧(机架的左侧或右侧)一个前腿和一个后腿。

所述Klann连杆机构包括铰接为一体的机架、底部摇杆9、传动杆6、腿部连杆8与顶部摇杆12,其中:顶部摇杆与底部摇杆上下布置,底部摇杆的两端分别可转动地铰接在传动杆的中部与机架上,传动杆的两端分别可转动地铰接在腿部连杆的中部与被动齿轮上,顶部摇杆的两端分别可转动地铰接在腿部连杆的顶部与机架上。

如图7所示,电机启动时,该机构中的前腿(图中左侧)与后腿(图中右侧)分别具有左右两个极端位置(腿部连杆的左右两个极端位置,分别用实线和虚线表示);其中,前腿腿部连杆底端M1产生的运动轨迹S1,以及后腿腿部连杆底端M2产生运动轨迹S2,在水中获得的反作用力,能够分解为机器人前进(图中左侧方向)的动力和在水中不致下沉的升力。

所述脚蹼为仿鸭蹼结构并且设置在腿部连杆的底部(即前腿腿部连杆的底端M1,以及后腿腿部连杆的底端M1),包括脚蹼骨架1、翼片2与舵机7。所述脚蹼骨架可摆动地铰接(铰接轴为舵机输出轴)在腿部连杆底部,并且只能摆动一定的角度(随着推进过程中脚蹼与水面的角度不断增大,最大摆动角度可至30°)。

由图可知:舵机通过紧定螺钉固定在脚蹼骨架上,舵机输出轴与腿部连杆底端固定(过盈配合),舵机的正负极通过导线(未画出)与控制模块相连接。当控制模块输入正电流信号时,舵机正向转动,带动脚蹼向后划动,在水中为前行姿态,在前行姿态过程中,脚蹼与水平线的角度随着腿部连杆的位置不断增大,以获取合适的动力与升力,角度最大可至30°。当控制模块输入负电流信号时,舵机反向转动,带动脚蹼向前划动,此时水中为复位姿态。在复位姿态过程中,脚蹼与水平线的角度不断减小,当达到复位状态时脚蹼呈水平状态。显然,在运动过程中,所述脚蹼骨架1的摆动范围均位于水平面以下(如图7所示),以获得向前和向上的动力。

脚蹼骨架为山字形结构,包括位于中间的第一骨架杆1.1以及对称布置在第一骨架杆左右两侧(即图5的上下两侧)的第二骨架杆1.2,第二骨架杆后端(即图5的右端)与第一骨架杆后端固定为一体,第二骨架杆的前端设有尖爪1.3。两个翼片分别布置在第一骨架杆与第二骨架杆之间并且两个翼片的一侧分别制作有用于铰接的销孔,使得两个翼片均可摆动(复位过程中最大可开至60°)地铰接在中间的第一骨架杆上,翼片的宽度大于第一骨架杆与第二骨架杆的间距,并且翼片延伸至第二骨架杆的下方,第二骨架杆可以阻止翼片向上翻起,保证翼片始终在第二骨架杆下方摆动。翼片闭合时的状态如图6中实线所示,翼片打开时的状态如图6中虚线所示,翼片与脚蹼骨架间最大开合可至60°。所述舵机固定在脚蹼骨架上用于驱动脚蹼相对于腿部连杆的转动。

所述控制模块通过导线连接电机与舵机。所述电机与舵机输出轴的转动轴线、齿轮机构中主动齿轮与被动齿轮的转动轴线、Klann连杆机构中底部摇杆、传动杆、腿部连杆与顶部摇杆的转动轴线均互相平行。

本实用新型中:电机启动后主动齿轮带动被动齿轮转动,被动齿轮带动传动杆摆动,底部摇杆和顶部摇杆在传动杆的带动下进行周期性摆动,从而驱动四个Klann连杆机构运动,Klann连杆机构运动时可以驱动脚蹼向后摆动,模拟步行动作或划水动作,实现机器人的运动。

运动过程中,位于机架同一侧的两个Klann连杆机构交替向后摆动(动作频率相同),可以通过调整被动齿轮的角度改变先后动作的时间间隔(根据实际情况而定),位于机架左右两侧的Klann连杆机构的动作频率以及进行摆动的时间间隔由两个电机进行控制。具体产生的效果(参见图8)是:开始起步时如果是右前足a(即Klann连杆机构,以下同)先向前开步(图8中的A图),对角线的左足c就会缓慢跟着向前移动(图8中的B图),接着是左前足b向前移动(图8中的C图),再就是右后足d跟着向前移动(图8中的D图),这样就完成一个循环。接着又是另一次右前足向前,左后足跟着向前,左前足向前,右后足跟着,继续循环下去,就形成一个连续的运动。

本实用新型的各部件均可外购获得。

本实用新型的具体工作原理是:

1、本实用新型在水中运动时,舵机实时控制腿部连杆和脚蹼骨架的夹角;机器人在前进过程中,当Klann连杆机构带动脚蹼向后摆动进行划水时,舵机控制脚蹼骨架同时向后摆动,此时在水的阻力作用下扣在第二骨架杆上,与脚蹼骨架闭合,脚蹼与水的接触面积变大,从而产生了最大的推力,当Klann连杆机构带动脚蹼向前摆动时,舵机控制脚蹼骨架同时向前摆动,此时翼片受到水的阻力而打开,最大可开至60°,脚蹼与水的接触面积变小,从而降低了机器人的前进阻力(翼片打开时仍然保留一定的夹角,保证复位时两翼片能正常闭合);四个Klann连杆机构依次带动脚蹼进行椭圆形运动,从而源源不断地产生推力驱动机器人前进;

2、本实用新型在陆地上运动时,舵机保持不动,使得腿部连杆和脚蹼骨架的夹角位置固定;两侧电机先后启动,使得两侧的Klann连杆机构交替迈步,脚蹼依次接触地面模拟步行的运动姿态,脚蹼机架前端的尖爪能够获得较大的摩擦力,克服了在某些特殊地形如沙地、泥淖等摩擦力不足的问题,也可以跨越某些较小障碍物;当机器人遇到较大障碍需要转向时,通过降低转向方向一侧的电机转速,使左右两侧Klann连杆机构存在速度差实现转向,当完成转向过程后,两侧电机转速保持一致,机器人继续前进。

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