专利名称：机器章鱼的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种玩具，是一种机器章鱼。
背景技术：
仿生鱼类机器人国内外发展现状
I.北京航空航天大学机器人研究所和中国科学院自动化所合作研究的仿生水下机器鱼2008年12月5日，由北京航空航天大学机器人研究所和中国科学院自动化所合作研究的仿生水下机器鱼项目通过验收和鉴定，宣告了我国第一条可用于实际应用的仿生机器鱼已经正式研制成功。这种具有我国自主知识产权的仿生水下机器鱼，稳定性强，行动灵活，自动导航控制，在水下考古、摄影、测绘、养殖、捕捞，以及水下小型运载等方面，具有广泛的应用前景。2.麻省理工学院机器金枪鱼。这个原型拥有柔软的身体，体内只装有I台发动机以及6个移动部件，使其能够在更大程度上模拟真实鱼的移动。由于身体完全由一整块柔软的聚合体材料制成，避免了水破坏脆弱内部零件的可能性。虽然仿真程度极高，但人们决不会将这款机器人误认为真正的金枪鱼。真正的金枪鱼每秒游动距离最远可达到体长的10倍，而机器金枪鱼的成绩却只有I个身长。水下玩具的市场技术状况
上述项目主要针对水下机器人的科学研究，存在成本高，设计复杂，不利于向家庭推广的问题。另一方面，用于娱乐的仿生机器鱼还非常少见，市场上可见的水中使用的玩具，比如假鱼，只能简单地漂浮在水面上，无法控制其水平方向运动及沉浮，娱乐效果不显著，功能单一，不能满足现代人对生活娱乐的需求。目前市场上的玩具多以电子型和娱乐型玩具为主，其中具有高科技外表的玩具如发声、发光的电子玩具、遥控玩具和能够说话或做一系列动作的互动玩具都很畅销，深受青少年儿童的青睐。而此类玩具涉及水下的很少，因此，设计一款水下玩具必能给广大青少年儿童带来新鲜感，是当前玩具的必要补充。另一方面设计水下仿生玩具，可以促进青少年儿童了解大海，认识海中生物，在娱乐的同时增长见识。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构合理，工作性能优异的机器章鱼。本发明的技术解决方案是
一种机器章鱼，其特征是包括作为机器章鱼身体的圆柱体塑料桶，塑料桶下方设置爪 部，塑料桶内设置带动爪部进行抓取动作的爪部动作驱动机构，塑料桶内设置使机器章鱼身体沉浮的沉浮机构，塑料桶外壁上固装四个沿圆周均匀分布的水泵，四个水泵的排水方向分别为前、后、左、右；一个控制系统控制爪部动作驱动机构、沉浮机构及水泵的工作。所述爪部动作驱动机构包括爪部驱动电机，爪部驱动电机的输出轴齿轮与第一齿条哨合，第一齿条的下端与通杆式气缸的一端杆件连接，通杆式气缸的另一端杆件与爪部连接，通杆式气缸的二端杆件作为中心轴。所述爪部包括套装在中心轴上的第一杆件连接体，第一杆件连接体与塑料桶固定连接，中心轴下端依次固装第二、第三杆件连接体，第二杆件连接体与第四杆可转动式连接，第三杆件连接体与第二杆可转动式连接，第二杆的末端与第三杆可转动式连接，第四杆后部与第三杆中部可转动式连接，第一杆件连接体与第一杆上端可转动式连接，第一杆下端与第四杆前部可转动式连接；第一杆件连接体上沿圆周均匀分布多根第一杆，第二杆件连接体上沿圆周均匀分布多根第四杆，第三杆件连接体上沿圆周均匀分布多根第二杆。所述沉浮机构包括头部伸出塑料桶底部进行吸排水的注射器，注射器筒体固定，注射器活塞杆与升降铝板连接，升降铝板与沉浮驱动电机固定连接，沉浮驱动电机的输出轴齿轮与第二齿条啮合，第二齿条呈固定不动形式。 在塑料桶内的底部设置配重板，配重板上设置将注射器水平方向定位的定位装置；注射器筒体上设有将注射器在垂直方向定位的压板。配重板上装升降铝板运动的导向柱，导向柱的滑块通过角铝连接件固定在升降铝板上。所述控制系统为遥控式控制系统，包括主控模块，主控模块与红外接收模块连接，主控模块与电机驱动模块连接。本发明结构新颖合理，性能独特，为广大青少年儿童提供更为广泛的娱乐项目，给家庭带来更丰富多彩的生活。本发明使用圆柱体塑料桶作为机器章鱼的身体，设计了可伸缩的机器章鱼爪部；设计了前后左右四个方向的运动机构及沉浮机构；将遥控器与单片机相结合，实现了对机器章鱼的控制。本发明主要创新点
功能创新针对市面上水下玩具少的现状，模拟了海洋章鱼，设计了一款机器章鱼，以丰富人们的家庭生活。该机器章鱼能够上下前后左右运动，能够实现抓取一定大小的物体，比如8cm左右的球。目前没有相关报道，是本发明的一项基本创新。结构创新
I)关于爪部运动，吸收伞部的工作原理，基于四杆机构进行组合，如图2，3，具体由定块机构与双摇杆机构组合而成一个复合式六杆机构。该复合式六杆机构由机器章鱼体内的电机经过齿轮齿条驱动，巧妙地形成了爪部的抓取动作，是本发明最突出的结构创新。2)关于沉浮，避开了其它机器鱼开发中需要采用类似鱼鳔补偿空气的办法，而采用若干注射器实现章鱼的入水与排水，设计了相关沉浮机构。在排水时，注射器活塞向下将排出，活塞杆一端并不需要专门的空气补偿而直接与整个章鱼体内腔相通，有足够的空气补偿水排出后形成的真空，形成的真空度很小，不会给排水造成太大的阻力。入水的道理是相反依次类推。该沉浮机构不要专门的空气补偿装置，结构更简单，且产生的浮力可有较大的变化范围，便于章鱼的沉浮。3)采用体外水泵排水作为前后左右的驱动力，一方面节省机器章鱼体内的空间，另一方面这种水泵水流喷射能力强，有较强的推动力，利于引导机器章鱼在水中的运动。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图I是本发明一个实施例的结构示意图。图2是爪部结构示意图。图3是爪部机构图。图4是通杆式气缸原理图。图5是配重板结构示意图。图6是压板结构示意图。 图7是升降铝板的结构示意图。图8是水泵分布示意图。图9是图8的俯视图。图10是控制系统结构示意图。图11是控制流程图。图12是本发明控制系统单片机最小系统图。图13是爪部杆件构成定位机构示意图。图14是爪部杆件构成双摇杆机构示意图。图15、图16分别是爪部收缩状态和张开状态示意图。
具体实施例方式一种机器章鱼，包括作为机器章鱼身体的圆柱体塑料桶1，塑料桶下方设置爪部8，塑料桶内设置带动爪部进行抓取动作的爪部动作驱动机构，塑料桶内设置使机器章鱼身体沉浮的沉浮机构，塑料桶外壁上固装四个沿圆周均匀分布的水泵5，四个水泵的排水方向分别为前、后、左、右；一个控制系统控制爪部动作驱动机构、沉浮机构及水泵的工作。所述爪部包括套装在中心轴上的第一杆件连接体13，第一杆件连接体与塑料桶固定连接，中心轴下端依次固装第二、第三杆件连接体14、15，第二杆件连接体与第四杆19可转动式连接，第三杆件连接体与第二杆可转动式连接，第二杆的末端与第三杆18可转动式连接，第四杆后部与第三杆中部可转动式连接，第一杆件连接体与第一杆16上端可转动式连接，第一杆下端与第四杆前部可转动式连接；第一杆件连接体上沿圆周均匀分布多根第一杆，第二杆件连接体上沿圆周均匀分布多根第四杆，第三杆件连接体上沿圆周均匀分布多根第二杆17。所述爪部动作驱动机构包括爪部驱动电机12，爪部驱动电机的输出轴齿轮与第一齿条2哨合,第一齿条的下端与通杆式气缸9的一端杆件连接,通杆式气缸的另一端杆件与爪部连接，通杆式气缸的二端杆件作为中心轴20。所述沉浮机构包括头部伸出塑料桶底部进行吸排水的注射器10，注射器筒体固定，注射器活塞杆与升降铝板3连接，升降铝板与沉浮驱动电机6固定连接，沉浮驱动电机的输出轴齿轮与第二齿条哨合，第二齿条呈固定不动形式。在塑料桶内的底部设置配重板7，配重板上设置将注射器水平方向定位的定位装置；注射器筒体上设有将注射器在垂直方向上定位的压板11。配重板上装升降铝板运动的导向柱，导向柱的滑块通过角铝4连接件固定在升降铝板上。所述控制系统为遥控式控制系统，包括主控模块，主控模块与红外接收模块连接，主控模块与电机驱动模块连接。爪部机构工作原理
参照雨伞收放的结构，基于四杆机构，使本机器章鱼模拟真实章鱼的爪部收放动作，并能简单抓取一定大小的物体。具体结 构如图2，爪部是由定块机构与双摇杆机构组合而成的复合式六杆机构，如图3。中心轴是第一级定块机构中的驱动元件，带动杆件(第四杆19)运动，杆件(第四杆19)作为第二级双摇杆机构的驱动元件，加上第二级双摇杆机构的中心轴的运动，联合带动爪部末端件(第三杆18)的运动，第三杆18与第四杆19的运动组合形成爪部的收放。爪部的动作机构从章鱼的体内到体外，需用解决隔水密封问题，本发明利用气缸在活动部位的密封性能好来应对。具体结构是气缸9固定在作为鱼身的塑料桶底面中心上，如图I。气缸采用一种通杆形式，如图4，即两端都有杆伸出，一端杆件伸出于机器章鱼身体的下方，与爪部运动的其它部件相连；另一端杆件与第一齿条2相固连。两端杆件构成中心轴20。第一齿条2由带有齿轮的爪部驱动电机12驱动，带动中心轴来回往复运动，从而使爪部通过定块机构与双摇杆机构组合而成的复合式六杆机构实现其张开与收缩，如图3、图4所示，进而实现抓取功能。图I中的压板11中心设计了限位小孔可对中心轴的上下运动进行导向，防止其发生水平偏移，保证电机上的齿轮与齿条可靠啮合。沉浮机构与工作原理
参照潜水艇的主压载水舱，如图1，在机器章鱼身体内部设计4个注射器10 (模拟潜水艇压载水舱的功能)固定在底部，配重板7固定在底部，与注射器的位置关系，如图5，其可以起到限制注射器筒体在底部水平方向上滑动。固定压板11通过小铜柱固定在机器章鱼身体内，其压住注射器筒体，将注射器在垂直方向上定位，起到固定注射器的作用；在固定压板上还安装爪部驱动电机12以及单片机控制板等，如图6。如图7，注射器的活塞杆通过角铝连接件对称固定在升降铝板3上，升降铝板3上安装了沉浮驱动电机，与电机齿轮配合的第二齿条固定在气缸缸体壁上。为防止升降铝板3在运动中歪斜，设计了导向装置，该装置的导向柱固定在配重板7上，导向柱的滑块通过角铝连接件固定在升降铝板3上，见图7。沉浮动作通过遥控器控制沉浮驱动电机6，驱动第二齿条。因第二齿条是固定在气缸缸体壁上，使得齿条不动，而是齿轮上下运动，使升降铝板3整体往复运动，进而带动注射器活塞杆的往复运动，使注射器吸排水。在吸水时，注射器里的水增多，增加了机器章鱼的整体重量。当整体重量大于水的浮力时，即下沉。在排水时，注射器里的水减少，减轻了机器章鱼的整体重量。当整体重量小于水的浮力时，即上浮。方向控制机构工作原理
如图8、图9，在章鱼体外粘贴固接4个体外水泵，水泵均布，分别实现前后左右四个方向的运动。考虑到章鱼身体内部体积有限以及水泵是潜水泵(密封性好，可浸在水里)，故将水泵均布在体外，同样用遥控器控制。当控制其中一个水泵排水时，其产生的反向作用力可推动整个机器章鱼反向运动。共4个水泵分别完成前后左右四个方向的运动。机器章鱼的控制系统
基于机器章鱼的相关要求，设计了具有遥控功能的控制器。控制部分采用遥控兼单片机程序控制相结合的方式，可实现章鱼眼部及身体其它部位闪烁；通过遥控器控制爪部驱动电机的正反转，以实现爪部的收缩与张开；通过遥控器控制注射器活塞杆往复动作，进行吸水与排水，实现章鱼的沉浮控制部分主要包括遥控器红外接收模块、供电模块、主控模块、电机驱动模块等。其结构框图如图10所示，有关控制流程如图11。机器章鱼主控模块采用MCS-51系列STC89C52单片机。该单片机是一种低功耗、高性能的8位CMOS型单片机。单片机最小系统图如图12。等效多杆机构说明如图3，其中杆件20 (即中心轴20)、第一杆件连接体13、第一杆16、第四杆20构成如下图13所示的定块机构。中心轴20、第四杆20、第二杆17、第三杆18构成如图14所示的双摇杆机构。两者共同形成了复合式的六杆机构。
权利要求
1.一种机器章鱼，其特征是包括作为机器章鱼身体的圆柱体塑料桶，塑料桶下方设置爪部，塑料桶内设置带动爪部进行抓取动作的爪部动作驱动机构，塑料桶内设置使机器章鱼身体沉浮的沉浮机构，塑料桶外壁上固装四个沿圆周均匀分布的水泵，四个水泵的排水方向分别为前、后、左、右；一个控制系统控制爪部动作驱动机构、沉浮机构及水泵的工作。
2.根据权利要求I所述的机器章鱼，其特征是所述爪部动作驱动机构包括爪部驱动电机，爪部驱动电机的输出轴齿轮与第一齿条哨合，第一齿条的下端与通杆式气缸的一端杆件连接，通杆式气缸的另一端杆件与爪部连接，通杆式气缸的二端杆件作为中心轴。
3.根据权利要求2所述的机器章鱼，其特征是所述爪部包括套装在中心轴上的第一杆件连接体，第一杆件连接体与塑料桶固定连接，中心轴下端依次固装第二、第三杆件连接体，第二杆件连接体与第四杆可转动式连接，第三杆件连接体与第二杆可转动式连接，第二 杆的末端与第三杆可转动式连接，第四杆后部与第三杆中部可转动式连接，第一杆件连接体与第一杆上端可转动式连接，第一杆下端与第四杆前部可转动式连接；第一杆件连接体上沿圆周均匀分布多根第一杆，第二杆件连接体上沿圆周均匀分布多根第四杆，第三杆件连接体上沿圆周均匀分布多根第二杆。
4.根据权利要求1、2或3所述的机器章鱼，其特征是所述沉浮机构包括头部伸出塑料桶底部进行吸排水的注射器，注射器筒体固定，注射器活塞杆与升降铝板连接，升降铝板与沉浮驱动电机固定连接，沉浮驱动电机的输出轴齿轮与第二齿条啮合，第二齿条呈固定不动形式。
5.根据权利要求4所述的机器章鱼，其特征是在塑料桶内的底部设置配重板，配重板上设置将注射器水平方向定位的定位装置；注射器筒体上设有将注射器在垂直方向定位的压板。
6.根据权利要求5所述的机器章鱼，其特征是配重板上装升降铝板运动的导向柱，导向柱的滑块通过角铝连接件固定在升降铝板上。
7.根据权利要求6所述的机器章鱼，其特征是所述控制系统为遥控式控制系统，包括主控模块，主控模块与红外接收模块连接，主控模块与电机驱动模块连接。
全文摘要
本发明公开了一种机器章鱼，包括作为机器章鱼身体的圆柱体塑料桶，塑料桶下方设置爪部，塑料桶内设置带动爪部进行抓取动作的爪部动作驱动机构，塑料桶内设置使机器章鱼身体沉浮的沉浮机构，塑料桶外壁上固装四个沿圆周均匀分布的水泵，四个水泵的排水方向分别为前、后、左、右，起到驱动机器章鱼运动方向控制的作用；一个控制系统控制爪部动作驱动机构、沉浮机构及水泵的工作。本发明结构合理，工作性能优异，为广大青少年儿童提供更为广泛的娱乐项目，给家庭带来更多丰富多彩的生活。
文档编号A63H29/22GK102631786SQ201210116780
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月20日 优先权日2012年4月20日
发明者丁美荣, 张磊, 徐德成, 朱永康, 朱龙彪, 谷威, 金志鹏 申请人:南通大学