CN102873676B - 新型变胞机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型变胞机构。它包括上下底盘、可控电机、丝杆支座、滚珠丝杆、连杆构件、滑块构件、铰链座、弹簧、转动构件。所述滚珠丝杆由可控电机驱动，作为主动件，工作时，丝杆螺母通过铰链带动第一连杆连杆运动，从而驱动滑块构件的右侧滑块运动，当该右侧滑块到达极限位置时，滑块构件的左侧滑块克服弹簧弹力向下运动，机构由两个自由度到一个自由度，由六个活动杆件到五个活动杆件的瞬间转变，实现变胞过程。该机构具有可控、可调、输出柔性性能，又有不同功能阶段变化、多拓扑结构变化和多自由度变化的特征，能够适应不同任务、场合和工作对象。

Description

新型变胞机构

技术领域

本发明涉及一种应用于超小型水下机器人的新型变胞机构。

背景技术

由于机器人在水下运动时，处于三维空间，在其姿态调整，或遇到不稳定环境，如湍急水流时，很容易失去平衡而影响机器人的水下操作，以往的研究是通过推进器和舵翼来实现机器人的姿态调整和平衡，但其控制系统显得十分复杂，而且需要人工干预，无法做到实时可调。

传统的机构学理论是基于固定数目的构件和运动副，机构只有固定的自由度。变胞机构是基于机构的自我组合和自我重构，与只有固定数目构件和固定自由度的传统机构相比，变胞机构具有可变自由度和可变构件数目。变胞机构是近年来学者提出的重要概念，其定义为，在机构连续运行中，由有效杆件数目或运动副类型和几何关系变化引起机构的拓扑变化，并导致机构活动度变化；在机构连续运行中，至少有一次活动度变化，并在活动度变化后，机构仍保持运行。

变胞机构是一种在不同阶段呈现不同自由度和构件数目的新型机构，柔性的变胞机构更具有灵活，可变形的良好性能，因而将变胞机构应用于水下机器人，实现机器人的主动平衡，将具有很好的研究价值和现实意义。

发明内容

本发明的目的是提出一种新型的变胞机构，它能根据功能需求或环境等的变化，在运动中改变构态，利用其进行自我重组和重构，应用到水下机器人上能实现机器人的主动平衡。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种新型变胞机构，包括上下底盘、丝杆螺母机构、连杆机构、转动机构、滑块机构和弹簧，所述上下底盘固定成一体呈盘状；所述丝杆螺母机构中的一根滚珠丝杆转动支承在下底盘上，上端与安装在机器人上的电机相连，电机驱动滚珠丝杆转动，带动丝杆螺母上下移动；所述连杆机构由一根第一连杆和一根支杆铰连构成，第一连杆的上端与丝杆螺母铰连，支杆的下端与转动机构中的一根摆动导轴下部固定连接，摆动导轴下端与下底盘铰连；丝杆螺母的上下移动带动摆动轴摆动；所述滑块机构是一根第二连杆上端与摆动轴滑动铰连，第二连杆的下端与一个右侧滑块铰连，右侧滑块与一根固定在下底盘上的滑块导轴滑配；摆动导轴的摆动带动滑块在滑块导轴上滑动；所述摆动导轴上套装一个弹簧对第二连杆上端滑移限位，上底盘与滑块导轴插接构成对滑块在滑块导轴上移动限位，实现机构运行中的拓扑变化，改变机构活动自由度。

所述滚珠丝杆下端通过丝杆支座转动支承在下底盘上，丝杆螺母上固定连接一个丝杆铰链座，通过该丝杆铰链座与第一连杆铰连。所述支杆下端通过一块接板与摆动导轴下部固定连接，摆动导轴的下端通过一个铰链座与下底盘铰连，摆动导轴滑套一个左侧滑块，左侧滑块与第二连杆铰连，所述限位弹簧套装在摆动导轴上，而上下端分别与支承在左侧滑块和接板上。所述滑块导轴的左端通过一个限位块固定在下底盘上，右端插入上底盘的盲孔内，滑块导轴的轴线处在摆动导轴的摆动平面上。所述的左侧滑块和右侧滑块外形和尺寸相同。所述的摆动导轴和滑块导轴直径和长度相同。

工作时，可控电机驱动滚珠丝杆，丝杆螺母带动连杆构件向下运动，使转动构件顺时针转动，当滑块构件的右侧滑块运动到极限位置时，由于丝杆螺母继续向下运动，滑块构件的左侧滑块克服弹簧弹力开始向下运动，此时，机构由两个自由度到一个自由度，由六个活动杆件到五个活动杆件的瞬间转变，实现变胞过程，该机构具有可控、可调、输出柔性性能，又有不同功能阶段变化、多拓扑结构变化和多自由度变化的特征，能够适应不同任务、场合和工作对象。

本发明与现在技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

1、将变胞机构运用到水下机器人，利用变胞机构的自我组合和自我重构特征，实现水下机器人应对不同外界干扰下的自主平衡。

2、和传统的水下机器人平衡技术相比，该结构采用可构态的机械变胞机构，控制方法简单，稳定性更高。

3、该新型变胞机构在工作过程中，可实现机构两自由度与单自由度的转变，具有多功能阶段变化、多拓扑结构变化、多自由度变化的特征，可以适应不同的任务，灵活运用于不同场合和不同的工作对象。

附图说明

图1为新型变胞机构的整体结构示意图。

图2为新型变胞机构的局部示意图。

图3为转动构件结构示意图。

图4为连杆构件示意图。

图5为滑块构件示意图。

图6为新型变胞机构的初始状态。

图7为新型变胞机构的过渡状态。

图8为新型变胞机构的最终状态。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

参见图1-5，本新型变胞机构，包括：一种新型变胞机构，包括上下底盘（2、1）、丝杆螺母机构（01）、连杆机构（02）、转动机构（03）、滑块机构（04）和弹簧（13），所述上下底盘（2、1）固定成一体呈盘状；所述丝杆螺母机构（01）中的一根滚珠丝杆（4）转动支承在下底盘（1）上，上端与安装在机器人上的电机相连，电机驱动滚珠丝杆（4）转动，带动丝杆螺母上下移动；所述连杆机构（02）由一根第一连杆（6）和一根支杆（8）铰连构成，第一连杆（6）上端与丝杆螺母铰连，支杆（8）的下端与转动机构（03）中的一根摆动导轴（11）下部固定连接，摆动导轴（11）下端与下底盘（1）铰连；丝杆螺母的上下移动带动摆动轴摆动；所述滑块机构（04）是一根第二连杆（15）上端与摆动轴（11）滑动铰连，第二连杆（15）的下端与一个右侧滑块（16）铰连，右侧滑块（16）与一根固定在下底盘（1）上的滑块导轴（18）滑配；摆动导轴（11）的摆动带动滑块（16）在滑块导轴（18）上滑动；所述摆动导轴（11）上套装一个弹簧（13）对第二连杆（15）上端滑移限位，上底盘（1）与滑块导轴（18）插接构成对滑块（16）在滑块导轴（18）上移动限位，实现机构运行中的拓扑变化，改变机构活动自由度。

实施例二：

本实例与实施例一基本相同，特别之处是所述滚珠丝杆（4）下端通过丝杆支座（3）转动支承在下底盘（1）上，丝杆螺母上固定连接一个丝杆铰链座（5），通过该丝杆铰链座（5）与第一连杆（6）铰连。所述支杆（8）下端通过一块接板（9）与摆动导轴（11）下部固定连接，摆动导轴（11）的下端通过一个铰链座（7）与下底盘（1）铰连，摆动导轴（11）滑套一个左侧滑块（14），左侧滑块（14）与第二连杆（15）铰连，所述限位弹簧（13）套装在摆动导轴（11）上，而上下端分别与支承在左侧滑块（14）和接板（9）上。所述滑块导轴（18）的左端通过一个限位块（17）固定在下底盘（1）上，右端插入上底盘（2）的盲孔内，滑块导轴（18）的轴线处在摆动导轴（11）的摆动平面上。所述的左侧滑块（14）和右侧滑块（16）外形和尺寸相同。所述的摆动导轴（11）和滑块导轴（18）直径和长度相同。

实施例三：

如图1，一种应用于超小型水下机器人新型变胞机构，包括上下底盘（2、1）、可控电机、丝杆支座（3）、滚珠丝杆（4）、连杆构件（02）、滑块构件（04）、铰链座（7）、弹簧（13）、转动构件（03）。

如图1-图5，上底盘（2）固定在下底盘（1）上，丝杆支座（3）固定在下底盘（1）上，滚珠丝杆（4）的螺杆安装在丝杆支座（3）上，连杆构件（02）的丝杆铰链座（5）固定于滚珠丝杆（4）的螺母上，连杆构件（02）的第一连杆（6）的另一端与转动构件（03）的支杆（8）铰链连接，铰链座（7）固定在下底盘（1）上，并与转动构件（03）的转轴（10）通过销连接，弹簧（13）套于转动构件（03）的摆动导轴（11）上，一端和转动构件（03）的接板（9）接触，另一端与滑块构件（04）的左侧滑块（14）接触，滑块构件的左侧滑块（14）安装在转动构件的摆动导轴（11）上，右侧滑块（16）安装在滑块导轴（18）上，限位块（17）固定在下底盘（1）上，滑块导轴（18）一端插入上底盘（2）的盲孔内，另一端固定于限位块（17）上。

如图3，转动构件，该构件包括摆动导轴（11）、接板（9）、转轴（10）、支杆（8）、限位块（12）。转轴（10）和摆动导轴（11）螺纹连接，接板（9）通过转轴（10）和摆动导轴（11）螺纹连接夹紧，支杆（8）和接板（9）通过螺母拧紧，限位块（12）和导向轴（11）通过螺钉固定。

如图4，连杆构件，该构件包括丝杆铰链座（5）和第一连杆（6），丝杆铰链座（5）和第一连杆（6）通过销连接，构成铰链。

如图5，滑块构件，该构件包括两个滑块（14，16）和第二连杆（15），两个滑块（14，16）和第二连杆（15）两端分别通过销连接，构成铰链。

本发明一种应用于水下机器人自主平衡的新型变胞机构工作原理如下：

如图6，为初始状态，此时机构有六个活动杆件，两个自由度，当丝杆（4）螺母向下运动时，带动连杆构件向下运动，同时，通过力的传递，第一连杆（6）驱动转动构件顺时针转动，使滑块构件的右侧滑块（16）向右运动，直到接触上底盘(2)，运动到极限位置，如图7，此时是机构的变胞瞬间，为过渡状态。当丝杆螺母(4)继续向下运动时，连杆构件的左侧滑块(14)克服弹簧(13)弹力开始向下运动，直到弹簧(13)被压缩到极限位置，如图8，此时为最终状态，机构有五个活动杆件，1个自由度。在过渡状态，机构实现由两个自由度到一个自由度，由六个活动杆件到五个活动杆件的瞬间转变。

如图8，在最终状态，当丝杆螺母(4)向上运动时，连杆构件的左侧滑块(14)在弹簧(13)弹力作用下向上运动，同时转动构件逆时针转动，直到左侧滑块(14)接触到限位块(12)，到达过渡状态，如图7，之后，丝杆螺母(4)继续向上运动，滑块构件的右侧滑块(16)开始向左运动，转动构件继续逆时针转动，直到右侧滑块(16)接触到限位块(17)，回到初始状态。在过渡状态，机构实现由一个自由度到两个自由度，由五个活动杆件到六个活动杆件的瞬间转变。

Claims (6)

1.一种新型变胞机构，包括上下底盘（2、1）、丝杆螺母机构（01）、连杆机构（02）、转动机构（03）、滑块机构（04）和限位弹簧（13），其特征在于：

1）、所述上下底盘（2、1）固定成一体呈盘状；

2）、所述丝杆螺母机构（01）中的一根滚珠丝杆（4）转动支承在下底盘（1）上，上端与安装在机器人上的电机相连，电机驱动滚珠丝杆（4）转动，带动丝杆螺母上下移动；

3）、所述连杆机构（02）由一根第一连杆（6）和一根支杆（8）铰连构成，第一连杆（6）的上端与丝杆螺母铰连，支杆（8）的下端与转动机构（03）中的一根摆动导轴（11）下部固定连接，摆动导轴（11）下端与下底盘（1）铰连；丝杆螺母的上下移动带动摆动轴摆动；

4）、所述滑块机构（04）是一根第二连杆（15）上端与摆动导轴（11）滑动铰连，第二连杆（15）的下端与一个右侧滑块（16）铰连，右侧滑块（16）与一根固定在下底盘（1）上的滑块导轴（18）滑配；摆动导轴（11）的摆动带动滑块（16）在滑块导轴（18）上滑动；

5）、所述摆动导轴（11）上套装一个弹簧（13）对第二连杆（15）上端滑移限位，上底盘（1）与滑块导轴（18）插接构成对滑块（16）在滑块导轴（18）上移动限位，实现机构运行中的拓扑变化，改变机构活动自由度。

2.根据权利要求1所述的新型变胞机构，其特征在于：所述滚珠丝杆（4）下端通过丝杆支座（3）转动支承在下底盘（1）上，丝杆螺母上固定连接一个丝杆铰链座（5），通过该丝杆铰链座（5）与第一连杆（6）铰连。

3.根据权利要求1所述的新型变胞机构，其特征在于：所述支杆（8）下端通过一块接板（9）与摆动导轴（11）下部固定连接，摆动导轴（11）的下端通过一个铰链座（7）与下底盘（1）铰连，摆动导轴（11）滑套一个左侧滑块（14），左侧滑块（14）与第二连杆（15）铰连，所述限位弹簧（13）套装在摆动导轴（11）上，而上下端分别与支承在左侧滑块（14）和接板（9）上。

4.根据权利要求1所述的新型变胞机构，其特征在于所述滑块导轴（18）的左端通过一个限位块（17）固定在下底盘（1）上，右端插入上底盘（2）的盲孔内，滑块导轴（18）的轴线处在摆动导轴（11）的摆动平面上。

5.根据权利要求3所述的新型变胞机构，其特征在于：所述的左侧滑块（14）和右侧滑块（16）外形和尺寸相同。

6.根据权利要求1所述的新型变胞机构，其特征在于：所述的摆动导轴（11）和滑块导轴（18）直径和长度相同。