CN103043201A

CN103043201A - 仿生双足水上行走机器人

Info

Publication number: CN103043201A
Application number: CN2011103089672A
Authority: CN
Inventors: 徐林森; 徐峰; 李冰; 施云高; 胡晓娟; 吴益靓
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2011-10-13
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2013-04-17

Abstract

本发明公开了一种仿生双足水上行走机器人。其行走机构为设在支撑体两侧的曲柄连杆机构，由驱动电机驱动，曲柄连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆和第五连杆，第一连杆与支撑体后部转动连接，第二连与第一连杆一端转动连接，第三连杆与第二连杆一端转动连接，第四连杆的两端分别与第三连杆一端和第一连杆转动连接，第五连杆一端与驱动电机的输出端耦接，另一端与第二连杆转动连接；其平衡装置为陀螺仪，位于支撑体后部。本发明主要模拟蛇怪蜥蜴水上行走各关节轨迹，实现双足机器人在水上稳定行走，具有体积小，重量轻，控制灵活等特点，在环境检测、军事侦查、水中污染物和有毒元素检测、湿地探测等领域具有广泛用途。

Description

仿生双足水上行走机器人

技术领域

本发明涉及一种行走机器人，特别的属于仿生双足水上机器人领域。

背景技术

目前在地面上运动和在水面下游动的机器人非常多，但真正能在水面上行走的机器人并不多见，水上行走机器人因其特殊的运动方式，对地形适应力好，机动性强，因此用于洪水和沼泽地环境下的探测，搜寻和营救工作，水质勘测等领域。

关于水上机器人的研究，中国专利“水上漂浮仿生水黾机器人”(公开号：CN100404371C，公开日：2008年7月23日)中提出了一种体积小，重量轻的仿生水黾机器人，该机器人主要通过水面的张力提供浮力，通过桨状腿划动来运动，该机器人有效载荷低，不能在起伏较大的水面上行走，不能抵御波浪的能力。

中国专利“遥控电动水上行走机器人”(公开号：CN101817395A，公开日：2010年9月1日)中提出了一种能够通过表面张力实现水面站立的，驱动腿在水表面划动产生动力，外形仿生水黾的可自由转向的水上行走机器人。该机器人的浮力主要通过水面张力提供，载荷小，若要增大载重余量，则需要多条支撑腿。

发明内容

本发明的目的在于提出一种体积小，重量轻能够在水面上快速行走的双足机器人，采用单电机驱动，控制简单，更主要的是机器人不是通过水面的张力来提供浮力，而是模仿蛇怪蜥蜴水上行走的三维动力学机理，克服自身重力，提供向上的浮力和向前的驱动力，实现机器人高速，高载荷，高机动性地水上行走。

通过研究蛇怪蜥蜴水上行走的运动特点，分析其水上行走步伐周期中膝盖，脚踝，脚掌的运动轨迹，保持蜥蜴能够在水上行走的四个主要因素：身体重量；腿部连杆机构的长度；奔跑速度；脚掌的形状和面积。本发明运用曲柄连杆机构，来实现机器人腿部运动结构，根据这个四个因素，通过调节曲柄连杆机构各个连杆长度来优化拟合蛇怪蜥蜴水上行走腿部运动轨迹。该机构结构简单，直接由电机驱动。

我们通过以下步骤的制备实现上述目的：

一种仿生双足水上行走机器人包括支撑体、行走机构、平衡装置和用来驱动行走机构的固定在支撑体上的驱动电机，其特征在于：上述行走机构为设在支撑体两侧的曲柄连杆机构，曲柄连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、和第五连杆，第一连杆与支撑体后部转动连接，第二连与第一连杆一端转动连接，第三连杆与第二连杆一端转动连接，第四连杆的两端分别与第三连杆一端和第一连杆转动连接，第五连杆一端与驱动电机的输出端耦接，另一端与第二连杆转动连接；上述平衡装置为陀螺仪，位于支撑体后部，包括陀螺仪支架和陀螺仪转子，转子下端设有齿轮，与陀螺仪支架传动连接。

所述支撑体末端设有尾部连杆，尾部连杆与水平面夹角为15～25度，且尾部连杆末端设有尾部垫圈。

所述行走机构的第三连杆底面设有脚掌，且脚掌由橡胶软垫制成，为圆形或椭圆形。

所述驱动电机通过支座与支撑体固定连接。

本发明提出的仿生双足水上行走机器人，通过曲柄连杆机构的各连杆作用，可模拟蛇怪蜥蜴水上行走机理；该机器人设有驱动结构和尾部支撑连杆，结构简单，体积小，能够实现水上快速行走；此外，该机器人的脚掌由橡胶软垫制成，减轻重量的同时也能减少脚掌拍击水面时的噪音，亦能增大载重余量。本发明可用于相关机器人水上行走技术的理论研究和试验平台。

附图说明

图1机器人总体主视图；

图2机器人总体俯视图；

图3平衡装置陀螺仪侧视图；

图4机器人尾巴结构主视图。

图1-图4中：1-曲柄连杆机构，11-第一连杆，12-第二连杆，13-第三连杆，14-第四连杆，15-第五连杆，16-脚掌，2-驱动电机，21-支座，3-支撑体，31-固定销，4-陀螺仪，41-陀螺仪外支架，42-陀螺仪转子，43-齿轮，5-尾部连杆，51-尾部垫圈。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

本发明仿生双足水上行走机器人总体结构如图1，图2所示，包括支撑体3、作为行走机构的曲柄连杆机构1、作为平衡装置的陀螺仪4和驱动电机2，上述曲柄连杆机构设在支撑体两侧。

上述曲柄连杆机构1包括第一连杆11、第二连杆12、第三连杆13、第四连杆14、和第五连杆15，第一连杆与支撑体后部通过固定销31转动连接，第二连与第一连杆一端转动连接，第三连杆与第二连杆一端转动连接，第四连杆的两端分别与第三连杆一端和第一连杆转动连接，第五连杆一端与驱动电机2的输出端耦接，另一端与第二连杆转动连接。当驱动电机转动，驱动第五连杆15转动时，通过各个连杆之间的联动，将驱使第三连杆13周期性运动，模仿出动物行走状。

见图3，上述支撑体后部设有槽，槽里安装陀螺仪4，陀螺仪由小型直流电机带动，包括陀螺仪支架41、陀螺仪转子42和齿轮43，齿轮设在陀螺仪转子下端，陀螺仪转子能够沿着陀螺仪支架旋转。在本发明机器人行走过程中，调整自身重心位置，保持平衡。陀螺仪4可以采用普通的塑料材料，减轻整个机器人的重量。

上述曲柄连杆机构1的第三连杆13底面设有脚掌16，且脚掌由橡胶软垫制成，呈圆形或者椭圆形。上述驱动电机2通过支座21与支撑体连接，机器人脚掌16在驱动电机2驱动下拍击水面，向水面下运动，形成一个气穴，这样水面对脚掌16产生向上的支撑力和向前的推力，在气穴消失前，脚掌16要离开水面，然后再拍击，这样循环运动，从而实现在水面上行走。

见图4，上述支撑体末端设有尾部连杆5，尾部连杆末端设有尾部垫圈51。尾部连杆5与水平面成20°夹角，尾部垫圈51用橡胶软垫制成。

本发明机器人所有杆件和支撑体由聚碳酸酯材料制成，来减轻身体的重量。使用时，将机器人驱动电机2启动，轻轻放在水面上，驱动电机将驱动曲柄连杆机构1运转，第三连杆13连同脚掌16拍打水面，机器人便可以在水上行走，同时陀螺仪4和尾部连杆5都可以起到平衡作用，使得机器人的行走更加平稳。

显然，本发明的上述具体实施方式仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以容易的做出其它形式上的变化或者替代，而这些改变或者替代也将包含在本发明确定的保护范围之内。

Claims

1.一种仿生双足水上行走机器人包括支撑体(3)、行走机构、平衡装置(4)和用来驱动行走机构的固定在支撑体上的驱动电机(2)，其特征在于：上述行走机构为设在支撑体两侧的曲柄连杆机构(1)，曲柄连杆机构(1)包括第一连杆(11)、第二连杆(12)、第三连杆(13)、第四连杆(14)、和第五连杆(15)，第一连杆与支撑体后部转动连接，第二连与第一连杆一端转动连接，第三连杆与第二连杆一端转动连接，第四连杆的两端分别与第三连杆一端和第一连杆转动连接，第五连杆一端与驱动电机的输出端耦接，另一端与第二连杆转动连接；上述平衡装置为陀螺仪(4)，位于支撑体后部，包括陀螺仪支架(41)和陀螺仪转子(42)，转子下端设有齿轮(43)，与陀螺仪支架传动连接。

2.根据权利要求1所述的仿生双足水上行走机器人，其特征在于：上述支撑体末端设有尾部连杆(5)，尾部连杆(5)与水平面夹角为15～25度，且尾部连杆末端设有尾部垫圈(51)。

3.根据权利要求1所述的仿生双足水上行走机器人，其特征在于：上述行走机构的第三连杆(13)底面设有脚掌(16)，且脚掌(16)由橡胶软垫制成，为圆形或椭圆形。

4.根据权利要求1所述的仿生双足水上行走机器人，其特征在于：上述驱动电机(2)通过支座(21)与支撑体固定连接。