CN102874397A - 一种仿蜥蜴水上机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿蜥蜴水上机器人。它包括一个主机身和四个相同的腿部机构，其特征在于：所述主机身的前部和后部各通过一个电机安装盒安装两个电机，该四个电机分别驱动所述四个腿部机构；四个腿部机构前端分别各通过一个腕部块连接一个脚掌；主机身后部装有一个尾巴。本发明结构简单，成本低廉，具有良好的环境适应能力，稳定可靠，运动灵活，未来可以用来进行各种水上探测、救援工作。

Description

一种仿蜥蜴水上机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是关于一种仿蜥蜴水上机器人。

背景技术

近年来，随着科学技术的不断进步和发展，仿生学与机器人学的结合愈来愈紧密。水上机器人是一种通过对水上动物运动特点的研究，充分利用水上动物的运动优势对机器人进行仿生设计的机器人。仿生水上机器人与传统的船舶和潜水器相比不仅具有很强的灵活性，而且可以在极浅海、碎浪带和滩涂等特殊环境中作业。鉴于其众多优点，仿生水上机器人作为仿生机器人的一个分支备受关注。

目前的在水中运动机器人很多，但它们中一部分本身质量很轻，水流体的表面张力完全可以支撑其重力，机器人在浮力作用和表面张力作用下就可以实现水上浮游运动，但质量过轻使得机器人难以从事水上作业，很难加以利用；另一部分基本是腿式机器人，这些腿式机器人自身质量都较大，因此，绝大部分都只能在水底爬行。由上述分析可知这些不足使得现有的水上运动机器人使用范围受到很大的限制，实用性不强，可利用率不高。设计出一种自身重力较大且能够实现水上运动的机器人来帮助进行水上作业是当前水上机器人设计中急需解决的问题。

自然界的进化和生存过程中，各种动物演化形成了与其生存环境相适应的形态结构、材料拓扑结构和运动方式。通过对蛇怪蜥蜴运动观察发现：成年蛇怪蜥蜴一般质量都较重，它们在水中根本无法站立，但它们通过在水中高速踩水奔跑来支撑其自身重力，很好的实现了水上运动。它的这种特殊的运动方式为我们设计出能够实现水上奔跑的大质量机器人提供了设计灵感和创新源泉。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种仿蜥蜴水上机器人能够像蛇怪蜥蜴一样实现水上高速奔跑的大质量机器人。

为了实现上述目的，本发明构思是：本发明仿蛇怪蜥蜴水上机器人，包括一个线框结构的长主机身、四个相同的腿部机构以及机器人尾部。

所述主机身上装有电机盒，电机盒与电机架固定，电机架内安放空芯杯直流电机。空芯杯直流电机最大的特点是其中心为空心、体积小、质量轻，且可以产生大转矩和高转速。

所述机器人腿部机构采用的是传统的四连杆机构，通过仿真可以看出四连杆机构末端的运动轨迹为近椭圆形，与蛇怪蜥蜴脚掌运动轨迹相近似。

所述机器人腿部末端通过一个半圆形的腕部结构与机器人脚掌相连。机器人脚掌整体为一个自适应机构，由一个大掌面和3个相同结构的趾状机构构成；每个趾状机构包含3根相同形状的杆件，各杆件长度自上而下依次递减，相邻杆件间通过铰链机构相连，将两相邻杆件间的相对转动限制在（0～90）°所述的最长杆件上方铰链结构与腕部相固定，其余杆件上方铰链均与前端杆件相固定，各铰链与其对应下方杆件上连有弹簧，所述的最短杆件下方不固定铰链机构。所述各趾状机构与脚掌掌面以胶层固定贴合，当脚趾受到水流力作用转动时，脚面随趾状机构一起运动。

所述机器人机身末端通过弹簧与机器人尾部相连，尾部为圆柱状结构。

所述机器人脚掌掌面材质为橡胶，尾部材质为轻质泡沫，其余部位由铝合金或其他轻金属材料制成。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种仿蜥蜴水上机器人包括一个主机身和四个相同的腿部机构，其特征在于：所述主机身的前部和后部各通过一个电机安装盒安装两个电机，该四个电机分别驱动所述四个腿部机构；四个腿部机构前端分别各通过一个腕部块连接一个脚掌；主机身后部装有一个尾巴。

所述主机身采用框架结构，仅留下一些必要连接处：:机身与机器人各腿连接处，安装电机的电机盒安装位置。

所述腿部机构为四连杆机构，其仿真运动轨迹与蛇怪蜥蜴运动轨迹相似。

所述四连杆机构是：一根腿部加长连杆的中部和后端分别与一根短摇杆和一根长摇杆的一端铰连，而短摇杆的另一端与所述电机的输出轴相连，长摇杆的另一端与主机身铰连，腿部加长连杆的前端与腕部块相连。

所述脚掌由3个相同的趾状结构和1个掌面构成；每个趾状结构各由3根杆件构成，相邻杆件间由铰链结构相连，各杆件长度自上而下依次减小，更贴切手指形状；所述掌面由橡胶等弹性材料制成，具有一定的柔性，铺贴在3个趾状结构上。

所述电机采用空芯杯直流电机，空芯杯直流电机质量很轻，且可以高速运转产生大转矩。

所述尾巴为轻质材料，和机身以弹簧相连接。

本发明与现有技术相比较，其具有以下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明整体机身结构为框架接结构，节省制作成本、减小机器人总质量。

2.本发明中采用四个相同结构的腿部驱动机构，对称分布，提高机器人整体的稳定性。

3.本发明中四个相同结构的腿部驱动机构可以很好地模拟出蛇怪蜥蜴运动轨迹，实现较大质量机器人的水上奔跑运动。

4.本发明中四个相同结构的腿部驱动机构能使机器人在水中实现多种运动步态，提高了机器人对水上复杂环境的适应能力。

5.本发明中采用四个相同结构的腿部驱动机构降低了机器人结构的复杂程度。

6.本发明中采用自适应脚掌，脚掌机器人运动位置的变化实现自适应张合。机器人入水时脚掌张开，脚掌迎水面增大，平衡性提高；机器人出水时，脚掌收缩，脚掌迎水面减小，掌面受到的流体绕流阻力减小，脚掌能迅速抽离水面。

7.本发明中采用空芯杯直流电机作为驱动器件，可以有效的机器人整体质量、体积，并可获取较大的力矩、实现驱动机构的高速旋转。

8.本发明中采用特殊尾部机构，平衡机器人脚部在水中划水时多余的后翻力矩，使机器人具备整体运动的抗倾覆能力。

本发明具有良好的环境适应能力，结构简单、成本低廉、运动灵活性好、稳定可靠，未来可用来进行水上探测、救援工作。

附图说明

图1是本发明机器人整体立体结构示意图。

图2是本发明脚掌在水中处于某一位置时的示意图。

图3是本发明中腿部机构位置运动轨迹图。

图4是本发明中腿部机构仿真运动轨迹与蛇怪蜥蜴运动轨迹比较曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明进行详细的描述。

实施例一：

参照图1和图2，仿蜥蜴水上机器人包括一个主机身1和四个相同的腿部机构3，其特征在于：所述主机身1的前部和后部各通过一个电机安装盒3安装两个电机15，该四个电机15分别驱动所述四个腿部机构3；四个腿部机构3前端分别各通过一个腕部块5连接一个脚掌；主机身1后部装有一个尾巴17。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述主机身1采用框架结构，仅留下一些必要连接处：:机身与机器人各腿连接处，安装电机15的电机盒13安装位置。

所述腿部机构3为四连杆机构，其仿真运动轨迹与蛇怪蜥蜴运动轨迹相似。

所述四连杆机构是：一根腿部加长连杆18的中部和后端分别与一根短摇杆19和一根长摇杆20的一端铰连，而短摇杆19的另一端与所述电机15的输出轴相连，长摇杆20的另一端与主机身1铰连，腿部加长连杆18的前端与腕部块5相连。

所述脚掌由3个相同的趾状结构6、7、8和1个掌面12构成；每个趾状结构6、7、8各由3根杆件11、10、9构成，相邻杆件间由铰链结构相连，各杆件长度自上而下依次减小，更贴切手指形状；所述掌面12由橡胶等弹性材料制成，具有一定的柔性，铺贴在3个趾状结构6、7、8上。

所述电机15采用空芯杯直流电机，空芯杯直流电机质量很轻，且可以高速运转产生大转矩。

所述尾巴17为轻质材料，和机身以弹簧相连接。

实施例三：

如图1所示，本实施例主要包括主机身1和四个腿部机构3。机器人中所有的旋转副都是通过销轴实现连接的。为了减小本发明的总重量，节省用料，减小所需驱动功率，主机身1整体为边框结构。腿部机构3为普通四连杆机构。如图3所示，本发明中所用的四连杆机构可以产生近似于蛇怪蜥蜴的运动轨迹的椭圆轨迹。腿部驱动机构3上的曲柄一端孔中的销轴与空芯杯电机11的电机主轴通过联轴器连接在一起，摇杆与机器人身—腿连接杆2通过螺钉固定，连杆末端通过腿—腕连接件4与机器人腕部块5以螺钉固定。机身电机盒13通过螺钉固定在机器人主机身1上，空芯杯直流电机15上的螺纹孔与电机固定架14通过螺钉固定，从而，完成整个驱动器件与机器人的固定安装。主机身1末端与机器人尾巴17通过弹簧连接件16连在一起，当机器人在水中有后翻倾向时，水流对机器人尾部的升力和绕流阻力均产生前转力矩，平衡机器人后翻力矩。

如图1,2,4,5所示，本发明的脚掌由三个相同的脚趾机构6、7、8、掌面12、腕部块5构成。腕部块5与单脚趾结构中的脚趾铰链机构Ⅰ6的顶部孔通过螺钉相固定。脚趾铰链机构Ⅰ6的下部孔通过销轴与脚趾杆件结构Ⅰ11相连接，且脚趾铰链机构Ⅰ6和脚趾杆件结构Ⅰ11上方连有一段弹簧，用于入水限位；脚趾杆件结构Ⅰ11的下端孔与脚趾铰链结构Ⅱ10通过螺钉相固定，脚趾杆件结构Ⅱ10与脚趾杆件结构Ⅱ7通过销轴相连接，且脚趾铰链机构Ⅱ7和脚趾杆件结构Ⅱ10上方连有一段弹簧，用于入水限位；脚趾杆件结构Ⅱ7下端孔与脚趾铰链结构Ⅲ9通过螺钉相固定，脚趾铰链结构Ⅲ9与脚趾杆件结构Ⅲ8通过销轴相连接，且脚趾铰链机构Ⅲ8和脚趾杆件结构Ⅲ9上方连有一段弹簧，用于入水限位。脚掌脚趾机构与掌面12间通过260胶层贴合在一起，机器人脚掌在水中不同位置时，受到水流体力的大小和方向也不同，单脚趾中脚趾杆件结构各杆件会绕其上下相邻杆件发生转动，带动整个掌面一起运动。

如图1,2,4,5所示，本发明机器人整体为铝合金或其他轻金属材料，掌面为薄层橡胶材料，尾部为泡沫等轻质材料。

上述实施所述适用于具体说明本专利，文中通过特定术语进行说明，但不能以此限定本专利的保护范围，熟悉此领域的人士可在了解本专利精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应覆盖于权利要求范围所界定范畴内。

Claims (7)

1.一种仿蜥蜴水上机器人包括一个主机身（1）和四个相同的腿部机构（3），其特征在于：所述主机身（1）的前部和后部各通过一个电机安装盒（3）安装两个电机（15），该四个电机（15）分别驱动所述四个腿部机构（3）；四个腿部机构（3）前端分别各通过一个腕部块（5）连接一个脚掌；主机身（1）后部装有一个尾巴（17）。

2.根据权利要求1所述的仿蜥蜴水上机器人，其特征在于：所述主机身（1）采用框架结构，仅留下一些必要连接处：:机身与机器人各腿连接处，安装电机（15）的电机盒（13）安装位置。

3.根据权利要求1所述的仿蜥蜴水上机器人，其特征在于：所述腿部机构（3）为四连杆机构，其仿真运动轨迹与蛇怪蜥蜴运动轨迹相似。

4.根据权利要求3所述的仿蜥蜴水上机器人，其特征在于：所述四连杆机构是：一根腿部加长连杆（18）的中部和后端分别与一根短摇杆（19）和一根长摇杆（20）的一端铰连，而短摇杆（19）的另一端与所述电机（15）的输出轴相连，长摇杆（20）的另一端与主机身（1）铰连，腿部加长连杆（18）的前端与腕部块（5）相连。

5.根据权利要求1,4所述的仿蜥蜴水上机器人，其特征在于：所述脚掌由3个相同的趾状结构（6、7、8）和1个掌面（12）构成；每个趾状结构（6、7、8）各由3根杆件（11、10、9）构成，相邻杆件间由铰链结构相连，各杆件长度自上而下依次减小，更贴切手指形状；所述掌面（12）由橡胶等弹性材料制成，具有一定的柔性，铺贴在3个趾状结构（6、7、8）上。

6.根据权利要求1所述的仿蜥蜴水上机器人，其特征在于：所述电机（15）采用空芯杯直流电机，空芯杯直流电机质量很轻，且可以高速运转产生大转矩。

7.根据权利要求1所述的仿蜥蜴水上机器人，其特征在于：所述尾巴（17）为轻质材料，和机身以弹簧相连接。

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