一种稳定性高的仿生水黾机器人及其划水方法与流程

本发明涉及仿生机器人技术领域，特别涉及一种稳定性高的仿生水黾机器人及其划水方法。

背景技术：

仿生机器人是仿生学与机器人学交叉结合的产物，是利用生物系统结构、性状、原理、行为以及相互作用来启发与指导机器人的研制。是一个包含机械、电气、光等各种元器件的综合机器人系统，不仅在运动机理和感知模式等方面体现了生物的形态特征，而且能够在未知环境下准确而高效的完成特定的复杂任务。因此开展仿生机器人领域的研究，将使人类利用科技改造自然的能力得到极大的提高，给人类社会的发展带来巨大的经济效益。随着机器人技术及生物学的发展，仿生机器人技术也得到了长足的发展。

水黾是一种在湖水、池塘中常见的小型水生昆虫。它质量轻，拥有特殊的身体结构，身体能够分成三部分：躯干、支撑腿和划水腿。水黾能够在水面上站立，快速滑行并且跳跃。在水面上运动时，水黾的划水腿能产生类空间椭圆形的轨迹。水黾机动性强、稳定性高、对水面干扰小，这些优点引起了国内外许多研究者的注意。仿生水黾机器人是基于水黾昆虫能够在水面上漂浮和滑行的基本原理，模仿水黾腿部的疏水特性及运动，能够在远程水域、狭窄水域等特殊环境下进行独立自主作业。随着微型电子元件及微细加工的发展，能够搭载摄像头实现侦察、探测的工作，从而使水黾机器人成为一种低成本、高效率、高隐蔽性的探测机器人，具有很高的潜在应用价值。目前国内外研究中主要有两种仿生水黾机器人：一种是基于水面张力研制的水黾机器人，该机器人的腿部经过疏水材料或者超疏水材料的处理，利用水面张力来支撑机器人。另一种是基于水体浮力支持的水黾机器人，该机器人的支撑腿一般由浮球体组成，利用浮球排开水体体积产生的浮力来支撑机器人。

基于水面张力支持的水黾机器人，一般体型小，质量轻，仿生效果好，但负载载能力差，难以用在实际应用中。基于浮力支撑的水黾机器人一般体型较大，负载能力强，实用性强。目前基于浮力支撑的水黾机器人的划水腿大部分使用四连杆机构，小型舵机提供动力。但四连杆机构不易传递高速运动，影响机器人的划水速度，对划水腿速度的调整不够灵活。小型舵机在规划划水腿运动时，存在运动速度调整不佳的问题，并且在划水过程中，水与划水桨之间的相互作用对舵机的运动速度会有一定的影响。这些仿生水黾机器人在设计时，大多数未考虑在划水过程中，尽量减少划水桨在垂直方向产生的作用力，因为划水桨产生垂直方向上的分力如果过大会影响机器人在水面上的稳定性。

技术实现要素：

本发明提供了一种稳定性高的仿生水黾机器人，划水桨与水面始终垂直，划水桨与水相互作用面在垂直方向上极小，从而产生在垂直方向的作用力小，有利于水黾机器人在水面上的稳定性。

一种稳定性高的仿生水黾机器人，包括主躯干、多个划水腿单元、多个支撑腿以及控制模块，所述划水单元包括：

垂直升降机构，固定在所述主躯干上；

水平摆动机构，固定在所述垂直升降机构的移动输出端上；

划水桨，相对水面垂直布置且与所述水平摆动机构的摆动输出端连接。

本发明的仿生水黾机器人，将划水桨的划水运动分解为两个单独的移动机构，采用垂直升降机构控制划水桨的提升动作以及水平摆动机构来控制划水桨的水平运动，从而使划水过程可以实现完全水平，基本不产生垂直方向的力，由于划水桨与水面始终垂直，划水桨与水相互作用面在垂直方向上极小，从而产生在垂直方向的作用力小，有利于水黾机器人在水面上的稳定性。

为了实现稳定快速地控制划水桨的提升动作，所述垂直升降机构为直线导轨机构，优选的，所述垂直升降机构采用丝杆机构。

为了便于制造和安装，优选的，所述丝杆机构包括：

底板，通过连接件与所述主躯干连接；

丝杆，安装在所述底板上；

丝杆电机，与所述丝杆连接；

滑块，与所述低杆传动配合，所述滑块作为移动输出端与水平摆动机构连接；

滑杆，安装在所述底板上且与所述滑块滑动配合。

为了方便调节划水桨的吃水深度，优选的，所述底板在垂直方向上设置多排用于连接所述主躯干的螺栓孔。除了底板以外，滑块上也可以加工多排螺栓孔，主要目的是为了在组装机器人时，通过调整螺栓连接的位置，可以调整划水桨的吃水深度。

为了便于制造和安装，优选的，所述滑块上设有U型安装槽，所述丝杆的杆体安装在该U型安装槽内，所述U型安装槽的开口位置固定有卡入所述丝杆的螺旋槽的传动螺钉。

为了便于制造和安装，所述水平摆动机构采用转动减速机构，优选的，所述水平摆动机构包括：

支托，与所述垂直升降机构的移动输出端连接；

电机，安装在所述支托上；

减速器，与所述电机连接，摆动输出端与所述划水桨连接。

除了底板以外，支托上也可以加工多排螺栓孔，通过调整螺栓连接的位置，可以调整划水桨的吃水深度。

为了使划水桨摆动更平稳，优选的，所述支托包括用于连接的支托侧板以及安装所述减速器的支托底板，所述支托底板上设有通孔，所述减速器安装在所述支托底板，所述摆动输出端穿过所述通孔与布置在所述支托底板背面的环形连接件传动连接，所述环形连接件的表面与所述支托底板背面靠近且固定有所述的划水桨。

为了使划水腿速度调节灵活，改善对于划水腿的运动速度控制，优选的，所述减速器为二级行星轮减速器。

为了提高支撑效果，优选的，所述支撑腿包括:

支架，一端与所述主躯干连接；

浮球，与所述支架的另一端连接。

所述浮球采用椭球体，由两个半椭球体通过胶水(如AB胶)胶接而成，其中一个半椭球体还拥有特殊结构的凸台，凸台和半椭球体可通过3D打印一同制造出来。浮球通过两个螺栓与支架连接，支架中部为一个肋板结构，可以增强支架的刚性和强度。整个支撑腿通过螺栓连接到主躯干的基板上。

所述主躯干包括用于连接支撑腿和划水腿的基板以外，还有电源，控制电路板以及盖子。基板上有电源和外壳的卡槽，对电源和外壳起着限位固定的作用。电源放置在的内圈卡槽中，控制电路板安装在内圈卡槽顶部上，并通过四个螺栓连接到基板进行固定。控制模块的控制电路板可分为两个部分：扩展电路和单片机。控制电路板上面一块是电机的驱动、无线遥控等集成扩展电路，下面一块是单片机，可为Arduino等单片机。盖子通过安装在基板外圈卡槽中进行固定，可以有效防止由于机器人运动中产生的水花打湿控制电路板。该主躯干拥有独立的电源及能用于远程无线控制的控制电路板，有利于机器人独立自主远程作用能力的实现。

本发明还一种稳定性高的仿生水黾机器人的划水方法，使用上述的稳定性高的仿生水黾机器人，包括以下步骤：

(1)垂直升降机构带动水平摆动机构下降，使划水桨下放到水中后垂直升降机构停止工作；

(2)水平摆动机构带动划水桨从前往后划动，推动机器人前进后水平摆动机构停止工作；

(3)垂直升降机构反向带动水平摆动机构上升，使划水桨下脱离水面；

(4)水平摆动机构带动划水桨在空中从后往前划动，恢复到初始位置。

本发明的有益效果：

本发明的稳定性高的仿生水黾机器人及其划水方法，划水桨与水面始终垂直，划水桨与水相互作用面在垂直方向上极小，从而产生在垂直方向的作用力小，有利于水黾机器人在水面上的稳定性。

附图说明

图1为本发明的稳定性高的仿生水黾机器人的结构示意图。

图2为本发明的支撑腿的结构示意图。

图3为本发明的主躯干的结构示意图。

图4为本发明的基板的结构示意图。

图5为本发明的划水腿的结构示意图。

图6为本发明的连接件的结构示意图。

图7为本发明的滑块的结构示意图。

图8为本发明的转动减速机构的结构示意图。

图9为本发明的减速器的结构示意图。

具体实施方式

如图1～9所示，本实施例的稳定性高的仿生水黾机器人包括：主躯干1，划水腿2以及支撑腿3。本实施例中，除电机，控制电路板，电池、弹簧等常见部件以外，其余部分一般可通过3D打印进行制造，材料可为打印耗材PLA(聚乳酸)。两个划水腿2和四个支撑腿3对称地分布在主躯干1的两侧。

支撑腿3由一个空心椭球体浮球32和支架31组成，如图2所示。椭球体浮球32是由两个半椭球体321可通过胶水(如AB胶)胶接而成，其中一个半椭球体321还拥有特殊结构的凸台322，凸台322和半椭球体321可通过3D打印一同制造出来。椭球体浮球32通过两个螺栓与支架31连接，支架31中部为一个肋板结构，可以增强支架的刚性和强度。整个支撑腿3通过螺栓连接到主躯干1的基板14上。

如图3所示，除基板14以外，主躯干1上还有电源13，控制电路板12以及盖子11。基板14上有电源13和外壳11的卡槽，对电源13和外壳11起着限位固定的作用。如图4所示，电源13放置在的内圈卡槽141中，控制电路板12安装在内圈卡槽141顶部上，并通过四个螺栓连接到基板14进行固定。控制电路板12可分为两个部分：扩展电路121和单片机122。控制电路板12上面一块是丝杆步进电机222和步进电机241的驱动、无线遥控等集成扩展电路121，下面一块是单片机122，可为Arduino等单片机。盖子11通过安装在基板外圈卡槽141中进行固定，可以有效防止由于机器人运动中产生的水花打湿控制电路板12。该主躯干1拥有独立的电源13及能用于远程无线控制的控制电路板12，有利于机器人独立自主远程作用能力的实现。

图5为机器人的划水腿2的结构示意图，划水腿2通过连接件21(如图6)固定在主躯干1的基板14上，划水腿2主要分为直线导轨机构22及转动减速机构24两个机构。直线导轨机构22包括丝杆步进电机222、底板221、滑杆223、弹簧225以及滑块224。丝杆步进电机222通过螺钉连接固定在底板221上，两个滑杆223为两个铁棒，安装在底板221上面的孔洞中，可通过胶水进行固定。滑块224是具有五个凸出部位的特殊结构(如图7)并通过外缘凸出部位的上面四个的滑道安装在滑杆223上，滑块224中间的凸出部位的具有开口形成U型槽，开口中可通过丝杆步进电机222的丝杆，开口一侧安装有一个传动螺钉226，该传动螺钉226的末端抵在丝杆的螺旋槽中。丝杆旋转带动传动螺钉226移动，通过带动传动螺钉226移动进而带动整个滑块224移动。在滑块和底板之间还有两个弹簧225安置在两个滑杆223上，该弹簧225可以改善在滑块224及安装在上面的转动减速机构24过重时，导致丝杆步进电机222在提升滑块224时，产生提升力不足的情况。转动减速机构24主要由步进电机241，减速器242，环形连接件243及划水桨246组成，整个转动减速机构24通过上面的减速器242利用螺栓连接安装在支托23上，支托23通过螺栓和滑块224进行连接。

步进电机241安装在减速器242上端，减速器结构示意图如图8和9所示，该减速器242是一个二级行星轮减速机。转盘一2423和转盘二2425作为行星轮减速机的行星架，三个齿轮一2424和四个齿轮一2424分别安装在转盘一2423和转盘二2425上面的圆柱上。转盘一2423底部有一个齿轮二2430，通过该齿轮二2430，上面部分的一级减速机构与下面部分的二级减速机进行连接。转盘二2425底部的为一方轴2429，是该减速器242的输出轴。两个行星架行星架上的七个齿轮一2424通过与减速器机身2427上的内齿轮2428进行齿轮啮合配合，组成了整个加速器242系统。转盘二通过垫圈2426放置在减速机机身2427上。步进电机241通过转轴上的齿轮三2421与减速机进行运动和力的传递。减速器242上还有一个密封盖2422，对整个减速系统起着密封作用。所有齿轮的模数可都设定0.35，齿轮一、齿轮二、齿轮三、内齿轮的齿数可分别设定为13、10、10、38，这时该减速器242的减速比可达23。减速器242的主要目的是为了细化步进电机241步距角，优化步进电机241的速度控制能力。减速器242通过螺栓连接安装在支托23上，转盘二2425底部的输出方轴2429穿过减速器机身2427底部及支托23与圆形连接件243中部的方孔进行配合连接。方轴2429内部加工有螺纹孔，螺钉245可通过垫片244在圆形连接件243的另一侧将圆形连接件243和方轴2429进行螺纹连接，增加圆形连接件243和方轴2429连接的可靠性。划水桨246划水部分为一矩形形状，通过胶接的方法固定在圆形连接件243的卡槽中。划水桨246与圆形连接件243连接的上面一部分比划水桨246下面划水部分要厚，以及在划水桨上加工有肋板都是为了增加划水桨246的刚度。

直线导轨机构22上的底板221、滑块224及支托23上面加工了一排排的螺栓孔，主要目的是为了在组装机器人时，通过调整螺栓连接的位置，可以调整划水桨246的吃水深度。通过对单片机122加装不同的程序，灵活控制丝杆步进电机222及步进电机241的速度，进而可以灵活控制划水桨246的划水速度和划水轨迹。

本实施例的机器人在前进运动时，划水腿2的一个划水周期设置为：两边划水腿2上丝杆步进电机222工作转动，将划水桨246下放到水中，此时的步进电机241不工作；丝杆步进电机222停止工作，步进电机241开始工作，划水桨246从前往后划动，划水桨拍打水面推动机器人前进；丝杆步进电机222开始工作并且反向转动，此时步进电机241停止工作，划水桨246提升出水面；丝杆步进电机222停止工作，步进电机开始工作246并且反向转动，划水桨246在空中从后往前划动，恢复到初始位置。机器人转弯时，只需控制一侧的划水腿2动作就可以完成转弯的动作。

综上所述，本实施例的稳定性高的仿生水黾机器人，划水腿2采用直线导轨机构22控制划水腿2的提升动作以及转动减速机构24来控制划水腿2上的划水桨246的转动运动，并且分别采用步进电机提供动力，整体调节灵活，能改善对于划水腿2的运动速度控制。同时对支撑腿3等部件也进行了一定的优化设计以及对机器人整体布局方面放置方面也进行了一定的考虑。本实施例在划水时，由于划水桨246与水面始终垂直，划水桨246与水相互作用面在垂直方向上极小，从而产生在垂直方向的作用力小，有利于在水面上的稳定性。