一种仿河狸后肢的脚蹼推进装置的制作方法

本发明属于机器人技术领域，具体是涉及一种仿河狸后肢的脚蹼推进装置。

背景技术：

在我们所熟知的传统意义下的水下机器人，采用的是螺旋桨的方式产生推进力；我们知道，通过螺旋桨旋转的推进方式会产生大的能源消耗，并且存在可靠性低、推进效率比较低、其能量效率不到40％，还会产生涡流等一系列问题，对我们机器人的工作产生较大的阻碍。

在如今的水下机器人领域中，各种水下机器人逐步被应用的实际当中，并且都取得了较好的成绩。在我们对水下机器人的研究中，推进机构的设计以及研究是水下机器人设计中不可缺少的重要一环。推进机构的性能的优劣直接关系到机器人的推进速度和推进效率等方面。两栖动物经过几百万年的发展，能够在复杂多变的环境中生存下来，说明每种两栖动物都拥有独特的特征与功能。因此，模仿两栖动物的推进模式，借此研制出具有高效率以及高机动性的水下机器人，逐渐成为各个领域的研究人员和学者追求的主要目标之一。作为两栖动物的代表河狸就拥有很强的游泳能力，河狸前肢非常短，并且足小，后肢粗壮有力，后足宽大，形状为蹼状。毫无疑问，脚蹼是河狸在水中强大的推进力的来源。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种仿河狸后肢的脚蹼装置，该装置应具有结构简单、推进效率高的特点。

本发明的技术方案是：

一种仿河狸后肢的脚蹼装置，其特征在于：该装置包括连杆机构以及铰接于连杆机构的脚蹼；所述脚蹼包括两个舵机、可供舵机固定的脚蹼支架、结构相同且均分别可摆动地铰接在脚蹼支架上的四个足指组件以及与四个足指组件连接以利于划水的薄膜。

每个足指组件包括通过竖直销轴铰接于脚蹼支架的足指第一节以及分别通过水平销轴依序前后铰接的足指第二节、足指第三节与足指第四节，还包括依序驱动各足指绕水平轴线摆动以及绕竖直轴线摆动的若干柔性绳和可转动地定位在脚蹼支架上且缠绕并绷紧所述柔性绳的上下卷绳轮；其中一个舵机通过驱动该上下卷绳轮实现每个足指组件中各足指的绕水平轴线摆动。

每节足指的上表面和下表面分别制作有定位圈，上柔性绳的一端从上下卷绳轮上引出，依次穿越各足指上表面的上定位圈后，再与足指第四节连接；下柔性绳的一端从该上下卷绳轮上反向引出，依次穿越各足指下表面的下定位圈后，再与足指第四节连接；所述柔性绳上还固定有若干挡块，每个挡块分别与一个足指上的定位圈对应配合；以在两根柔性绳受到上下卷绳轮驱动时，每根柔性绳上的若干挡块均同时各自施力于对应的定位圈，从而实现整个足指组件的伸张或弯曲。

每个足指组件中，足指第一节左右侧也分别制作有带导向槽的左定位圈与右定位圈，另在脚蹼支架上可转动地定位着由另一个舵机驱动的左右卷绳轮，左右两根柔性绳分别从缠绕并固定的左右卷绳轮上引出后，两端再分别固定在左定位圈与右定位圈上；从而实现每个足指组件的绕竖直轴线的左右摆动。

柔性绳的一端均通过卡珠结构与卷绳轮固定连接。

所述连杆机构为模仿河狸后肢且铰接连接的两个连杆；两个连杆的另外两端分别与主体机架以及脚蹼支架连接。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用带有挡块的柔性绳驱动，可以对每节足指进行伸展弯曲控制，只需要一个舵机作为动力装置，因而减轻了整体重量；并且柔性绳驱动能够随着每节足指的角度变化而进行变化，力的方向也能随之改变。

(2)脚蹼为仿河狸后肢的结构，将水、陆两种运动的推进器进行结合，最大程度上简化了推进器的结构，相比螺旋桨式推进具有机动性高的特点，能够在复杂地形活动。

(3)采用第二个舵机的正反转控制脚蹼的横向张合变化，可以增加与减小脚蹼划水的有效面积；在后肢前伸时脚蹼收缩，减小了后肢前伸时所克服的阻力，在后肢向后蹬水时脚蹼张开，增大了推进力，提高了整体的划水效率。

附图说明

图1本发明的三维结构示意图。

图2是图1中的局部放大结构示意图。

图3本发明的工作状态示意图(省略脚蹼上的薄膜)。

图4是本发明中单个足指组件的侧面结构示意图(弯曲状态)

图5是脚蹼上的柔性绳的安装位置示意图(脚蹼处于俯视状态)。

图6是脚蹼上的左右柔性绳的设置位置示意图(脚蹼处于俯视状态)。

图7是柔性绳与卷绳轮的连接结构放大示意图。

图8是足指组件中各关节的铰接结构示意图。

图中有：1.舵机，2-1.上下卷绳轮，2-2.左右卷绳轮，4.足指第一节，5.足指第二节，6.足指第三节，7.足指第四节，21.上定位圈，22.下定位圈，23.左定位圈，24.右定位圈，25.挡块，26.脚蹼上支架，27.脚蹼下支架，28.上柔性绳，29.下柔性绳，30左柔性绳，31.右柔性绳，32.滑轮卡珠，33，双连杆铰接结构，34.薄膜。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

附图所示的仿河狸后肢的脚蹼，脚蹼支架的前侧为上下间隔距离布置的脚蹼上架板26与脚蹼下架板27；两个舵机1安装在脚蹼上架板上，四个足指组件结构相同且均通过塞打螺栓铰接在脚蹼上架板与脚蹼下架板的前侧的铰接耳上，来模仿河狸脚蹼的足指；四个足指组件还连接有薄膜34(优选硅胶薄膜)以利于划水。所述脚蹼上下架板之间设有可与卷绳轮2配合的并且轴线竖直布置的传动轴，该传动轴与其中一个舵机的输出轴连接，从而形成动力链。

每个足指组件由若干节足指(图中显示四个足指；即足指第一节4、足指第二节5、足指第三节6与足指第四节7)组成；足指第一节通过竖直销轴铰接于脚蹼支架上，足指第二节、足指第三节与足指第四节则分别通过水平销轴依序前后铰接在足指第一节，并且所有的铰接轴线均水平布置。每节足指的上表面和下表面分别制作有定位圈，定位圈中制作有用于柔性绳穿越的导向槽。上柔性绳28在足指上表面依次可滑动地穿过各个足指的上定位圈21(穿越上定位圈中的穿绳孔)后，一端缠绕并固定在上下卷绳轮2-1上，另一端绷紧并且固定在足指第四节上表面的上定位圈上；同理，下柔性绳29在下表面依次可滑动地穿过各个足指上的下定位圈22(穿越下定位圈中的穿绳孔)后，一端也缠绕并固定在上下卷绳轮2-1上，另一端绷紧并且固定在足指第四节下表面的下定位圈上。柔性绳上还固定着若干挡块25，每个挡块分别与一个足指上对应的定位圈对应配合；以在柔性绳(或下柔性绳)受到舵机拉动时，该根绳上的若干挡块均同时施力于对应的定位圈，从而实现整个足指组件的上下摆动。工作时，由一个舵机驱动的上下卷绳轮同时拉动四个足指组件下表面的下柔性绳(同时释放四个足指组件上表面的上柔性绳)时，该四根下柔性绳上的各个挡块分别同时顶压对应足指下表面的下定位圈，使得各足指同时绕铰接轴线(各足指与前一足指的铰接轴轴线)摆动，从而形成整个足指机构往下的摆动，实现了足指的纵向收缩(参见图3、图4)；同理，上下卷绳轮拉动上表面的上柔性绳时(同时释放下表面的柔性绳)，该柔性绳上的各个挡块分别同时顶压对应足指上表面的定位圈，使得各足指同时绕铰接轴线(各足指与前一足指左端铰接的轴线)摆动，从而形成整个足指机构往上的摆动而纵向伸展，由于第二/第三/第四节指始端有轴肩，因此可以向上摆动的角度最大为180°。

而另一个舵机通过驱动左右卷绳轮，可实现每个足指组件绕竖直轴线的摆动。具体的，左右卷绳轮2-2摆动，可通过两根柔性绳(左柔性绳30、右柔性绳31)拉动足指第一节，从而驱使整个足指组件左右摆动。对于整个脚蹼，左右卷绳轮上缠绕固着定四个足指组件的四根左柔性绳和右柔性绳；四个足指组件可分为左侧组(包括左边相邻的两个足指组件；参见图6)与右侧组(包括右边相邻的两个足指组件；参见图6)；左右卷绳轮摆动时，使得左侧组的两个足指组件的摆动方向，与右侧组的两个足指组件的摆动方向相反，即可达到脚蹼张开增大划水面积以及脚蹼收缩减小划水面积的效果。

上下卷绳轮往复拉动上柔性绳和下柔性绳，左右卷绳轮往复拉动外柔性绳和内柔性绳，两个卷绳轮相互配合，脚蹼机构即可实现收缩和伸展。上下卷绳轮与上柔性绳和下柔性绳的连接结构如图7所示(左右卷绳轮与左柔性绳和右柔性绳的连接结构也相同)：所述两根柔性绳的右端均通过卡珠结构固定在上下卷绳轮上，两根柔性绳分别需要在卷绳轮上绕1圈以上，防止柔性绳被拉伸时传动比发生变化；所述卡珠结构包括固定在柔性绳末端且直径大于柔性绳的卡珠，以及制作在卷绳轮上且与所述卡珠相配合的阶梯；所述阶梯孔中的较大孔直径大于卡珠的直径，卡珠可沉入其中；阶梯孔中的较小孔直径大于柔性绳的直径但小于卡珠的直径，柔性绳末端的卡珠被拉入孔中后即受到较小孔的限位，使得柔性绳可传递卷绳轮施加的拉力。相应地，左右卷绳轮与左柔性绳和右柔性绳的连接结构也相同，故视图及说明一并省略。

所述连杆机构为模仿河狸后肢的双连杆，包括铰接连接的两个连杆(双连杆铰接结构；参见图1)；两个连杆的另外两端分别与主体机架以及脚蹼支架连接。