一种用于水下滑翔的折展翼及具有其的机器人

1.本发明涉及仿生机器人技术领域，特别涉及一种用于水下滑翔的折展翼及具有其的机器人。


背景技术：

2.传统的多足机器人运动方式灵活多样，对不规则地形的适应能力较强，能够在复杂地形上稳定行进。但其主要用于滩涂和陆地作业，无法在近海中航行，作业范围局限性较大，无法适应海洋大范围作业的需求。且目前已研发的机器蟹均为腿式机器人，依靠各式各样的步行足驱动机器人进行运动，无滑翔结构，导致机器人能耗较高，且无法进行长距离移动，无法进行海洋剖面检测。


技术实现要素：

3.本技术的目的在于提供一种用于水下滑翔的折展翼及具有其的机器人，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：
5.本发明的一种用于水下滑翔的折展翼，包括：
6.两个折展翼机构，均包括若干级折展翼组件和对应的传动组件，所述传动组件用于带动相应的所述折展翼组件展开或折叠；所述折展翼组件完全折叠状态下，两个所述折展翼组件搭接呈倒v型；
7.驱动传动机构，与所述传动组件连接，用于带动所述传动组件动作。
8.进一步地，所述传动组件包括：
9.驱动轴，与所述驱动传动机构连接；
10.第一级折叠主杆，其一端与所述驱动轴固定连接；
11.第二级折叠主杆，设于所述第一级折叠主杆远离所述驱动轴的一侧，其与所述第一级折叠主杆之间通过一级齿轮传动副连接。
12.进一步地，所述传动组件还包括：
13.第三级折叠主杆，设于所述第二级折叠主杆远离所述驱动轴的一侧，其与所述第二级折叠主杆之间通过二级齿轮传动副连接。
14.进一步地，所述一级齿轮传动副包括：
15.第一齿轮，与所述第一级折叠主杆的另一端固定连接；
16.第二齿轮，与所述第二级折叠主杆靠近所述驱动轴的一端固定连接，所述折展翼组件完全展开和完全折叠状态变换时，所述第一齿轮与第二齿轮的转角比为2:1，且所述第一齿轮和第二齿轮的转动方向相反。
17.进一步地，所述二级齿轮传动副包括：
18.第三齿轮，与所述第二级折叠主杆的另一端固定连接；
19.第四齿轮，与所述第三级折叠主杆靠近所述驱动轴的一端固定连接，所述折展翼
组件完全展开和完全折叠状态变换时，所述第三齿轮与第四齿轮的转角比为1:2，且所述第三齿轮和第四齿轮的转动方向相反。
20.进一步地，所述折展翼组件包括：
21.若干个子翼面，所述子翼面与所述第一级折叠主杆、第二级折叠主杆或第三级折叠主杆连接。
22.进一步地，所述驱动传动机构包括：
23.驱动电机；
24.两个齿轮齿条副，其齿轮与对应的所述传动组件连接；
25.连杆组件，分别与所述驱动电机和齿轮齿条副连接，用于带动所述齿轮齿条副中的齿条移动。
26.进一步地，所述连杆组件包括：
27.曲柄，与所述驱动电机的电机轴连接；
28.第一连杆，一端与所述曲柄转动连接，另一端转动连接有竖直滑动的滑块；
29.两个第二连杆，其一端分别与所述滑块转动连接，另一端分别与所述齿条转动连接。
30.进一步地，所述折展翼组件完全展开状态下，两个所述第二连杆呈水平状态。
31.本发明的一种机器人，包括如前所述的折展翼。
32.综上，本发明的技术效果和优点：
33.1、本发明中，通过展开折展翼组件，能够使机器具备水下滑翔能力；在相同能耗的条件下，通过其具备的折展翼组件，使其能够进行远程滑翔运动因而让机器水下作业范围变得更广；通过折叠折展翼组件，能够在无需展翼的工况时，减小因折叠翼而对机器其他运动以及水流对其的影响，提高其水下作业的稳定性；在折展翼组件完全折叠状态下，两个折展翼组件搭接呈倒v型，无需自锁机构便能够保持折叠状态的稳定性折展翼组件折展翼组件折展翼组件折展翼组件；
34.2、本发明中，通过设置第一级折叠主杆和第二级折叠主杆处齿轮齿数比为2:1，第二级折叠主杆和第三级折叠主杆处齿轮齿数比为1:2，实现折展滑翔翼收翼时的倒v型即三角形搭接，从而保证收翼形态稳定，使驱动电机的电机轴处于无受力状态；
35.3、本发明中，通过设置折展翼组件完全展开状态下，两个第二连杆呈水平状态，使得驱动传动机构处于死点位置，从而保持折展翼组件的展翼形态的稳定，折叠翼整体呈机械自锁状态无需额外做功保持其状态，进一步降低机器人的能耗；
36.4、本发明中，通过展开折展翼组件，使得机器水面浮游、水下潜游、水下滑翔的姿态稳定性更佳。
附图说明
37.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为本发明一实施例中完全折叠状态下具有折展翼的机器人的结构示意图一；
39.图2为本发明一实施例中完全折叠状态下具有折展翼的机器人的结构示意图二；
40.图3为本发明一实施例中完全展开状态下具有折展翼的机器人的结构示意图三；
41.图4为本发明一实施例中完全展开状态下具有折展翼的机器人的结构示意图四；
42.图5是本发明一实施例中驱动传动机构的结构示意图；
43.图6是本发明一实施例中第一连杆和滑块的安装示意图；
44.图7是本发明一实施例中折展翼机构的结构示意图；
45.图8是本发明一实施例中传动组件的结构示意图；
46.图9是本发明一实施例中第二齿轮、第二级折叠主杆和第二级折叠副杆的安装示意图；
47.图10是本发明一实施例中第五子翼面、第六子翼面和第三级折叠主杆的安装示意图；
48.图11是图10中a处的局部放大图；
49.图12是本发明一实施例中双轴铰链的安装示意图；
50.图13是本发明一实施例中第一子翼面与驱动轴的安装示意图；
51.图14是本发明一实施例的两栖机器蟹的升阻比随迎角变化插值曲线；
52.图15是本发明一实施例的完全折叠状态下两栖机器蟹的抗侧向水流冲击仿真图；
53.图16是本发明一实施例的完全展开状态下两栖机器蟹的抗侧向水流冲击仿真图；
54.图17是本发明一实施例的完全折叠状态下两栖机器蟹的抗斜向水流冲击仿真图；
55.图18是本发明一实施例的完全展开状态下两栖机器蟹的抗斜向水流冲击仿真图；
56.图19是本发明一实施例的完全折叠状态下两栖机器蟹的抗涡流冲击仿真图；
57.图20是本发明一实施例的完全展开状态下两栖机器蟹的抗涡流冲击仿真图。
58.图中：1、机架；2、驱动足；3、折展翼；11、安装板；12、支撑架；13、支撑座；14、第一导轨；15、支撑板；16、支撑块；17、第二导轨；31、传动组件；32、驱动传动机构；33、第一子翼面；34、第二子翼面；35、第三子翼面；36、第四子翼面；37、第五子翼面；38、第六子翼面；39、双轴铰链；311、驱动轴；312、第一级折叠主杆；313、第二级折叠主杆；314、第三级折叠主杆；315、第一级折叠副杆；316、第一关节支架；317、第二级折叠副杆；318、第二关节支架；3121、第一齿轮；3131、第二齿轮；3132、第三齿轮；3133、平头销钉；3134、螺钉；3135、紧定螺钉；3141、第四齿轮；321、驱动电机；322、齿轮；323、齿条；324、曲柄；325、第一连杆；326、第二连杆；327、滑块；328、塞打螺钉；3281、螺纹段；3282、光轴段；331、根部支架；3311、连接部；371、螺杆；372、圆螺母；391、铰接轴。
具体实施方式
59.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，都属于本发明保护的范围。
60.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、
以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
61.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
62.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
63.为了解决现有技术中的问题。本发明一实施例提供一种具有折展翼的机器人，该机器人可以是多足机器人，在多足机器人上增加折展翼，能够使其既具备陆地作业功能又具备水下作业功能。此外该机器人还可以是自主式水下航行器，水下作业时，展开折展翼，使得其水面浮游、水下潜游、水下滑翔的姿态稳定性更佳；不作业时，折叠折展翼，能够减小放置空间。本实施例对模块化的折展翼设置到机器蟹上形成两栖机器蟹做详细描述。如图1-13所示，本实施例的两栖机器蟹包括机架1、驱动足2和折展翼3。多个驱动足2连接于机架1的左右两侧，驱动足2用于带动整个机器行走。其中驱动足2与机架1为现有结构，在此不再赘述。折展翼3安装在机架1上部。通过展开折展翼3，使得两栖机器蟹具备水下滑翔能力；在相同能耗的条件下，进行滑翔运动的两栖机器蟹水下作业范围更大。在两栖机器蟹无须展翼的工况，通过折叠折展翼3，能够减少对两栖机器蟹的运动影响。
64.具体地，如图1-13所示，用于水下滑翔的折展翼3包括两个折展翼机构和驱动传动机构32。其中两个折展翼机构均能够展开和折叠，展开状态下呈翼形，利于滑翔；折叠状态下，折展翼机构占用空间减小。每个折展翼机构均包括若干级折展翼组件和对应的传动组件31，传动组件31用于带动相应的折展翼组件展开或折叠；折展翼组件完全折叠状态下，两个折展翼组件搭接呈倒v型；驱动传动机构32与传动组件31连接，用于带动传动组件31动作。机架1上设有用于安装或支撑折展翼机构和驱动传动机构32的部件的安装板11、支撑架12和支撑座13等结构。
65.本实施例在折展翼组件完全折叠状态下，两个折展翼组件搭接呈倒v型，使折展翼3整体无需自锁机构便能够保持折叠状态的稳定性。
66.进一步地，驱动传动机构32包括驱动电机321、两个齿轮齿条副和连杆组件。其中驱动电机321通过安装板11安装在机架1的前侧或后侧。连杆组件分别与驱动电机321和齿轮齿条副连接，连杆组件将电机的转动转化为齿轮齿条副中齿条323的移动。齿轮齿条副的齿轮322与对应的传动组件31连接；齿条323移动带动齿轮322转动，将齿轮322的转动传递给传动组件31。
67.可选地，连杆组件包括曲柄324、第一连杆325和两个第二连杆326。曲柄324与驱动电机321的电机轴连接；第一连杆325的一端与曲柄324转动连接，另一端转动连接有竖直滑动的滑块327；两个第二连杆326的一端分别与滑块327转动连接，另一端分别与齿条323转动连接。具体地，安装驱动电机321的安装板11上设有向上的支撑架12，支撑架12上设有竖直的第一导轨14，滑块327能够在该第一导轨14上竖向滑动。为了提高连接强度，滑块327整体呈等腰三角形；滑块327与第二连杆326连接的部分左右对称。两个第二连杆326的结构和
尺寸相同。支撑架12上设有水平的支撑板15，支撑板15的左右两侧对称的设有支撑块16。支撑块16用于安装齿轮322和齿条323。驱动轴311的一端伸出支撑块16，伸出支撑块16的驱动轴311上安装有齿轮322。齿轮322转动能够带动该驱动轴311转动。支撑块16上设有水平的第二导轨17，齿条323能够沿第二导轨17水平滑动。驱动电机321带动曲柄324转动，曲柄324转动带动第一连杆325转动，第一连杆325转动带动滑块327上下移动，滑块327上下移动带动两个第二连杆326反向转动，两个第二连杆326分别带动对应的齿条323水平移动，两个齿条323水平移动方向相反，与其连接的齿轮322的转动方向也相反，与对应齿轮322连接的两个驱动轴311的转动方向相反。
68.进一步地，折展翼组件完全展开状态下，两个第二连杆326呈水平状态。本实施例可以通过协调设置曲柄324、第一连杆325和滑块327的几何尺寸，使得完全展开状态下的第二连杆326与折展翼机构保持水平，实现连杆机构和齿轮齿条副自锁，驱动电机321为零扭力状态；可在驱动电机321断电的情况下保持折展翼3展翼形态的稳定。
69.可选地，连杆组件的旋转关节结构和/或第二连杆326与齿条323可以采用塞打螺钉328实现转动连接。以第一连杆325与滑块327为例，塞打螺钉328的螺纹段3281与滑块327螺纹连接，并注入可拆卸螺纹紧固胶，塞打螺钉328的光轴段3282与第一连杆325形成间隙配合，实现第一连杆325可相对于滑块327自由转动。
70.可选地，齿轮齿条副和连杆组件可以替换成双联螺杆和锥齿轮的传动结构；以简化驱动传动机构结构，提高传动精度。
71.进一步地，传动组件31包括驱动轴311、第一级折叠主杆312和第二级折叠主杆313。其中驱动轴311与驱动传动机构32连接；本实施例中驱动轴311与齿轮齿条副的齿轮322连接。驱动电机321依次通过连杆组件和齿轮齿条副将运动传递给驱动轴311，带动驱动轴311转动。第一级折叠主杆312的一端与驱动轴311固定连接，即驱动轴311转动带动第一级折叠主杆312转动，实现第一级折叠主杆312的折叠或展开；第二级折叠主杆313设于第一级折叠主杆312远离驱动轴311的一侧，其与第一级折叠主杆312之间通过一级齿轮322传动副连接。第一级折叠主杆312通过一级齿轮322传动副带动第二级折叠主杆313转动，实现第二级折叠主杆313的折叠或展开。
72.具体地，一级齿轮322传动副包括第一齿轮3121和第二齿轮3131。第一齿轮3121与第一级折叠主杆312的另一端固定连接；第一齿轮3121与第一级折叠主杆312同步转动。第二齿轮3131与第二级折叠主杆313靠近驱动轴311的一端固定连接；第二级折叠主杆313与第二齿轮3131同步转动。折展翼3组件完全展开和完全折叠状态相互变换时，第一齿轮3121与第二齿轮3131的转角比为2:1，且第一齿轮3121和第二齿轮3131的转动方向相反；能够使两个第一级折叠主杆312搭接时，第二级折叠主杆313反向转动折叠至与第一级折叠主杆312平行；在第一级折叠主杆312展开呈水平状时，第二级折叠主杆313也转动至水平状。可选地，本实施例中，第一齿轮3121为完整的圆柱形，轮齿周向均匀分布在第一齿轮3121的外周壁上；第二齿轮3131外形不是完整的圆柱形；第二齿轮3131呈扇形，轮齿周向均匀分布在第二齿轮3131的外周壁上；第一齿轮3121与第二齿轮3131的齿数比为2:1，以上设置能够使第一齿轮3121与第二齿轮3131的转角比为2:1，且第一齿轮3121和第二齿轮3131的转动方向相反。此外第二齿轮3131也可以为完整的圆柱形，轮齿周向均匀分布在第二齿轮3131的外周壁上，则第一齿轮3121与第二齿轮3131的齿数比为1:2，也可以满足第一齿轮3121与第
二齿轮3131的转角比为2:1，且第一齿轮3121和第二齿轮3131的转动方向相反。本实施例通过选取合适的第一级折叠主杆312的长度，选取第一齿轮3121和第二齿轮3131合适的齿数，能够使完全折叠状态下，两个第一级折叠主杆312和第二级折叠主杆313搭接呈倒v型；其与水平的支撑板15构成等腰三角形结构，能够保证折叠状态稳定，使驱动电机321的电机轴处于无受力状态。
73.进一步地，传动组件31还包括第三级折叠主杆314。第三级折叠主杆314设于第二级折叠主杆313远离驱动轴311的一侧，其与第二级折叠主杆313之间通过二级齿轮322传动副连接。第二级折叠主杆313通过二级齿轮322传动副带动第三级折叠主杆314转动，实现第三级折叠主杆314的折叠或展开。
74.具体地，二级齿轮322传动副包括第三齿轮3132和第四齿轮3141。第三齿轮3132与第二级折叠主杆313的另一端固定连接；第四齿轮3141与第三级折叠主杆314靠近驱动轴311的一端固定连接，折展翼3组件完全展开和完全折叠状态变换时，第三齿轮3132与第四齿轮3141的转角比为1:2，且第三齿轮3132和第四齿轮3141的转动方向相反。能够使两个第一级折叠主杆312搭接时，第三级折叠主杆314转动折叠至与第二级折叠主杆313平行；在第一级折叠主杆312展开呈水平状时，第三级折叠主杆314也转动至水平状。可选地，本实施例中，第四齿轮3141为完整的圆柱形，轮齿周向均匀分布在第四齿轮3141的外周壁上；第三齿轮3132外形不是完整的圆柱形；第三齿轮3132呈扇形，轮齿周向均匀分布在第三齿轮3132的外周壁上；第四齿轮3141与第三齿轮3132的齿数比为2:1，以上设置能够使第四齿轮3141与第三齿轮3132的转角比为2:1，且第四齿轮3141和第三齿轮3132的转动方向相反。此外第三齿轮3132也可以为完整的圆柱形，轮齿周向均匀分布在第三齿轮3132的外周壁上，则第四齿轮3141与第三齿轮3132的齿数比为1:2，也可以满足第一齿轮3121与第二齿轮3131的转角比为2:1，且第四齿轮3141和第三齿轮3132的转动方向相反。
75.进一步地，为了限制第二级折叠主杆313和第三级折叠主杆314的折叠展开转动角度，且保证一级齿轮322传动副和二级齿轮322传动副的齿轮啮合，传动组件31还包括第一级折叠副杆315、第一关节支架316、第二级折叠副杆317和第二关节支架318。机架1上位于驱动轴311远离第一级折叠主杆312的一侧设有支撑座13。第一级折叠副杆315的一端与该支撑座13转动连接，另一端与第一关节支架316转动连接，第二级折叠主杆313设有第二齿轮3131的一端与第一关节支架316转动连接。通过设置第一级折叠副杆315，能够起到约束第一关节支架316转动的作用，从而限制与第一关节支架316连接的第二级折叠主杆313折叠展开转动角度；同时能够使第一齿轮3121和第二齿轮3131处于啮合状态。第二级折叠副杆317的一端与第一关节支架316转动连接，另一端与第二关节支架318转动连接，第二级折叠主杆313设有第三齿轮3132的一端与第二关节支架318转动连接，第三级折叠主杆314设有第四齿轮3141的一端与第二关节支架318转动连接。通过设置第二级折叠副杆317，能够起到约束第二关节支架318转动的作用，从而限制与第二关节支架318连接的第三级折叠主杆314折叠展开转动角度；同时能够使第三齿轮3132和第四齿轮3141处于啮合状态。
76.传动关系如下：第一级折叠主杆312随驱动轴311同角度转动，同时因为第一级折叠副杆315和第二级折叠副杆317的机构运动约束作用，致使第一齿轮3121和不完整的第二齿轮3131产生啮合传动，结果为第一级折叠主杆312与第二级折叠主杆313的转角比值为2:1，转动方向相反。同理第二级折叠主杆313随不完整的第二齿轮3131同角度转动，同时因为
第一级折叠副杆315和第二级折叠副杆317的机构运动约束作用，致使不完整的第三齿轮3132和第四齿轮3141产生啮合传动，结果为第二级折叠主杆313与第三级折叠主杆314的转角比值为1:2，转动方向相反。本实施例设置第一级折叠主杆、第二级折叠主杆和第三级折叠主杆，折叠率(展开长度/折叠长度)可以达到4。可选地，本实施例的传动组件31的折叠运动联动还可以通过设置同步带轮实现，或通过锥齿轮322传动的方式实现关节联动。
77.可选地，第二齿轮3131的固联结构为：第二齿轮3131通过平头销钉3133和螺钉3134固定在第二折叠主杆上，实现第二齿轮3131和第二折叠主杆的固联。螺钉3134可以是十字圆头螺钉；第二折叠主杆通过平头销钉3133连接在第一关节支架316上，可实现相对旋转运动。紧定螺钉3135辅助固定平头销钉3133与第二折叠主杆上。由于定位结构尺寸的限制，第二齿轮3131与第二折叠主杆的周向定位和固定不能通过设计相对于轴心偏置的铰制孔螺栓连接实现，因此选择结构更加紧凑简单的螺钉3134连接方式。因为螺钉3134与其穿过的第二齿轮3131上的通孔之间存在一定空隙，因此第二齿轮3131在周向定位上会存在随机误差，需要在装配时进行调整。第二齿轮3131与第二折叠主杆的周向定位是通过摩擦力来传递扭矩，传递的扭矩大小会受一定限制。
78.第三齿轮3132的固联结构与第二齿轮3131的固联结构类似。第一齿轮3121固联采用相对于轴心偏置的铰制孔螺栓连接实现与第一级折叠主杆312连接。第四齿轮3141固联采用相对于轴心偏置的铰制孔螺栓连接实现与第三级折叠主杆314连接。
79.进一步地，折展翼组件包括若干个子翼面。子翼面与第一级折叠主杆312、第二级折叠主杆313或第三级折叠主杆314连接。第一级折叠主杆312的两侧分别对应连接有第一子翼面33和第二子翼面34；第二级折叠主杆313的两侧分别对应连接有第三子翼面35和第四子翼面36；第三级折叠主杆314的两侧分别对应连接有第五子翼面37和第六子翼面38。可选地，各个子翼面均通过螺杆371和两侧圆螺母372拉紧固定在第一级折叠主杆312、第二级折叠主杆313或第三级折叠主杆314上。相邻子翼面之间通过双轴铰链39连接。例如子翼面与子翼面通过双轴铰链39连接，双轴铰链39的铰接轴391与对应的第一齿轮3121、第二齿轮3131、第三齿轮3132或第四齿轮3141同轴，可加强折展关节刚度而不会干涉折展运动；例如，第三子翼面35和第五子翼面37分别与双轴铰链39的两个铰接轴391铰接，两个铰接轴391分别与第三齿轮3132和第四齿轮3141的圆心同轴。第一子翼面33和/或第二子翼面34通过根部支架331与驱动轴311固定连接。根部支架331的一端设有圆环状连接部3311，该连接部3311套设在驱动轴311上，连接部3311上设有紧固螺钉能够使根部支架331与驱动轴311紧固；根部支架331的另一端与第一子翼面33或第二子翼面34过盈连接或通过螺钉连接。
80.本实施例通过设置合适的第一级折叠主杆312的几何尺寸，使得两栖机器蟹的折叠翼在完全展开状态下第二连杆326与折展翼机构保持水平，实现驱动传动机构32自锁，驱动电机321无受扭状态。如图14所示，两栖机器蟹配置折展翼，可使具备滑翔功能，最大滑翔比达3:1。如图15-20所示，为本实施例的两栖机器蟹不同状态不同方向的抗水流冲击仿真，通过仿真分析发现本实施例的两栖机器蟹配置折展翼，浮游及潜游运动、水下行走的稳定性更好。
81.最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在
本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。