CN103192966A - 机器海龟 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器海龟，包括作为机器海龟身体的长方体塑料盒；长方体塑料盒内设置使机器海龟身体沉浮的沉浮机构；长方体塑料盒外壁上固结多个沿塑料盒三面分布的水泵，水泵的排水可推动海龟向前或左右运动；长方体塑料盒下方设计了垃圾过滤器，垃圾过滤器包括水流盒，水流盒前固结将水流吸入水流盒中的螺旋桨装置，水流盒后设置垃圾过滤网；垃圾过滤器上固结肢体动作驱动机构可带动海龟的四肢运动；设计的控制系统控制沉浮机构、水泵、肢体动作驱动机构及螺旋桨工作。本发明结构新颖合理，相比于其他仿生海龟成本低廉，兼娱乐与清洁功能于一体，在海洋馆、游泳池等场所具有潜在的市场价值。

Description

机器海龟

技术领域

本发明涉及一种基于清洁与娱乐相结合的水下机器，是一种机器海龟。

背景技术

目前，类似的形式有：水下仿生海龟潜水机器人、仿生机器海龟等等。

水下仿生海龟机器人发展现状

1.北京大学的一款仿生式机器海龟。该仿生机器海龟具有两级自由度鳍肢机构，可实现复杂的三维运动，这是一款基于仿生推进的机器海龟，其通过黄油层密封机构简单，在水中运动稳定可靠，运动灵活，机动性好。主要模拟了水生鱼类和鲸豚类的仿生摇摆推进方式，可应用于水下无人探测器。

2. 瑞士联邦理工学院的研究者以海龟为原型，制作了一台“海龟”潜水机器人。它前端的两个鳍拥有相当高的机械还原度，可在三维空间随意转动，让其游速达到了2米/秒。此外，机器人还配备了一些设备用于科研，帮助科学家在复杂的海洋环境下轻松完成任务。

3. 西北工业大学仿海龟扑翼水下机器人。该款机器人是一种仿海龟推进、采用扑翼推进并带滑翔功能，具有高机动性、高效、低阻低噪、低功耗、远航程的多用途水下机器人。其具有扑翼推进和滑翔两种工作模式。扑翼推进时，通过机器人两侧的主翼扑水产生推力，推动机器人前进，再通过两侧的后舵调整航行姿态，且通过将两扑翼的推进方向和舵的各种工作状态进行组合，可以实现机器人的各种简单或复杂的运动。滑翔时，扑翼停止工作，通过调节机器人的重力及重心位置，即可实现机器人在水下的滑翔运动。通过在此机器人上搭载各种专用设备，还可进行海洋资源勘测、海洋环境调查等方面的应用。

上述水下仿生海龟主要针对科学研究，存在成本高，设计复杂，不利于向大众推广的问题。另一方面，集实用与娱乐于一体的仿生机器鱼还非常少见，市场上海洋馆、游泳池等几乎没有相类似的娱乐且具有一定功能的仿海龟机器出现，其中清洁功能帮助延长换水周期，节约水资源。在带来娱乐效果的同时也重申环保、节约水资源的重要性，促进青少年儿童了解大海，认识海中生物，帮助增长见识。近来一些仿生机器鱼的出现成为了一个大的卖点，凭借其带来的真实感，吸引了很多观众的眼球，甚至很难分辨真假。这些仿生鱼的出现也表示着娱乐观赏机械广泛受到人们的欢迎，有很大的市场发展空间。机器海龟改变了观众对仿生机器鱼只具备娱乐功能以及水下清洁机械只能实现清洁作用的理解，又给现代人阐述了机电结合、实用与娱乐互补的理念，同时也为广大机器鱼的研制者们提供了更为广阔的思路，让他们能够以此为启发，设计出更多集实用与娱乐为一体的机器装置。因此该作品具有比较大的市场前景和推广价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理，工作性能新颖，可用于清理水中垃圾的机器海龟。

本发明的技术解决方案是：

一种机器海龟，其特征是：包括作为机器海龟身体的长方体塑料盒及长方体塑料盒下方的垃圾过滤器；长方体塑料盒内设置使机器海龟身体沉浮的沉浮机构，长方体塑料盒外壁上固结多个沿塑料盒三面分布的水泵，多个水泵的排水方向包括左、右、后；垃圾过滤器上固结带动四肢运动的肢体动作驱动机构；垃圾过滤器包括水流盒，水流盒前固结将水流吸入水流盒中的螺旋桨装置，水流盒后设置垃圾过滤网；一个控制系统控制沉浮机构、水泵、肢体动作驱动机构及螺旋桨的工作。

所述沉浮机构包括头部伸出塑料盒进行吸排水的注射器，注射器筒体固定在固定铝板上，固定铝板上固装沉浮驱动电机，注射器的活塞杆与移动铝板固定连接，移动铝板与齿条固定连接，沉浮驱动电机的输出轴齿轮与齿条啮合。

固定铝板上装导向柱，导向柱的滑块通过角铝固定连接在移动铝板上。

塑料盒内底板上卡住一塑料网格，注射器筒体固定在固定铝板上，固定铝板通过螺栓螺母固定在塑料网格上，注射器卡在网格中，实现水平定位。

所述肢体动作驱动机构包括固定在垃圾过滤器上的导轨，四肢驱动舵机固定连接在导轨上，四肢驱动舵机的输出轴与舵盘连接，舵盘的二端所连接的结构以四肢驱动舵机的输出轴为中心呈对称结构，该对称结构包括一端与舵盘可转动式连接的第一杆件，第一杆件的另一端与滑块可转动式连接，滑块与第二杆件的一端可转动式连接，第二杆件的另一端与第三杆件可转动式连接，第三杆件在靠近第二杆件连接处与第四杆件可转动式连接，第四杆件垂直于导轨方向固定于导轨上。所述滑块可在导轨上滑动或滚动。

垃圾过滤网是由软玻璃折成的底板带孔的盒及装在孔上的过滤布组成，该过滤网通过搭扣安装在水流盒的水流出口处；水流盒中设置有水流导向板。 

所述控制系统为遥控式控制系统，包括主控模块，主控模块与无线接收模块连接，主控模块与电机驱动模块连接。

本发明结构新颖合理，相比于其他仿生海龟成本低廉，兼娱乐与清洁功能于一体，在海洋馆、游泳池等场所具有潜在的市场价值。可促进青少年儿童了解大海，认识海中生物，帮助增长见识，在带来娱乐效果的同时，其清洁水中垃圾的功能可减少水循环，从而节约水资源。本发明使用长方体塑料盒与垃圾过滤器作为海龟的身体，设计了可以运动的机器海龟的四肢；设计了左、右、前三个方向的运动机构及沉浮机构；设计了对水进行处理、垃圾清洁的过滤器装置；将遥控器与单片机相结合，实现了对机器海龟的控制。

本发明主要创新点

功能创新：

面对目前水下机械功能专一，面向科研，制作成本高，同时市场上水下娱乐玩具少的现状，我们模拟了海洋中海龟的特征，避免了追求过度仿生所带来的高成本，设计了一款成本低廉、集聚了垃圾清理及娱乐为一体的机器海龟，在具有丰富娱乐性的同时拥有一定的实用性。该机器海龟能够向前及左右运动，能够实现对水源的过滤。目前没有相关报道，是本发明的一项基本创新。

结构创新：

1.关于四肢的运动，基于曲柄滑块机构的特点，进行了曲柄滑块机构的正反组合，同时设计了对称式的结构，通过舵机的正反具有一定角度的运动控制，巧妙地使海龟四肢的运动达到一致性。

2.采用体外水泵排水作为海龟运动的驱动力，一方面节省海龟体内的空间，另一方面这种水泵可避免仿鱼鳍类装置推进的高成本，而且水流喷射能力强，保证了足够的推动力，有利于克服水的阻力，引导海龟在水中的运动。

3.采用螺旋桨式可拆卸过滤网的垃圾收集装置，通过螺旋桨的带动，提高了清洁的效率，利用水流导向板的引导及水流的特点进行水的过滤，方便收集垃圾，将进入过滤装置的水引流至过滤网，滤出其中的杂质，同时防止水的回流与冲击带走垃圾。

4. 海龟沉浮的设计避开了其它机器海龟开发中采用的通过四肢多自由度的运动实现，而采用若干注射器入水与排水，实现海龟的沉浮。具体通过注射器筒与固定铝板固定连接，移动铝板与注射器活塞杆固定连接，由沉浮驱动电机带动移动铝板实现注射器活塞杆的来回运动，进行排水与入水，达到沉浮的目的。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一个实施例的主体结构示意图

图2是沉浮机构示意图

图3是肢体动作驱动机构示意图

图4是图3的侧面视图。

图5是图3的机械结构简图。

图6是垃圾过滤器结构示意图

图7是水泵分布示意图

图8是本发明控制系统控制流程图。

图9是控制系统结构框图。

图10是单片机电路图。

具体实施方式

一种机器海龟，包括作为机器海龟身体的长方体塑料盒1及长方体塑料盒下端的垃圾过滤器；长方体塑料盒内设置使机器海龟身体沉浮的沉浮机构，长方体塑料盒外壁上固结多个沿塑料盒三面分布的水泵8，多个水泵的排水方向包括左、右、后；垃圾过滤器上固结带动四肢运动的肢体动作驱动机构；垃圾过滤器包括水流盒，水流盒前固结将水流吸入水流盒中的螺旋桨装置12，水流盒后设置垃圾过滤网10；一个控制系统控制沉浮机构、水泵、肢体动作驱动机构及螺旋桨的工作。

所述沉浮机构包括头部伸出塑料盒1进行吸排水的注射器2，注射器筒体固定在固定铝板4上，固定铝板4上固装沉浮驱动电机3，注射器的活塞杆与移动铝板7固定连接，移动铝板与齿条5固定连接，沉浮驱动电机3的输出轴齿轮与齿条5啮合。

固定铝板4上装导向柱8，导向柱的滑块6通过角铝固定连接在移动铝板7上。

塑料盒内底板上卡住一塑料网格21，注射器筒体固定在固定铝板4上，固定铝板4通过螺栓螺母固定在塑料网格21上，注射器卡在塑料网格21中，实现水平定位。

所述肢体动作驱动机构包括固定在垃圾过滤器上的导轨，四肢驱动舵机固定连接在导轨上，四肢驱动舵机的输出轴与舵盘连接，舵盘的二端所连接的结构以四肢驱动舵机的输出轴为中心呈对称结构，该对称结构包括一端与舵盘16可转动式连接的第一杆件17，第一杆件17的另一端与滑块13可转动式连接，滑块13与第二杆件18的一端可转动式连接，第二杆件18的另一端与第三杆件20可转动式连接，第三杆件在靠近第二杆件连接处与第四杆件19可转动式连接，第四杆件19垂直于导轨方向固定于导轨14。所述对称结构如图3，指：舵盘16、左右两个第一杆件17及左右两个滑块13呈中心对称；左右两个第二杆件18、左右两个第三杆件20、左右两个第四杆件19呈轴对称。

所述滑块13如图3所示，外形为圆形，可在导轨14上滑动或滚动。

垃圾过滤网是由软玻璃折成的底板带孔的盒及装在孔上的过滤布组成，该过滤网通过搭扣安装在水流盒的水流出口处；水流盒中设置有水流导向板。

所述控制系统为遥控式控制系统，包括主控模块，主控模块与无线接收模块连接，主控模块与电机驱动模块连接。

沉浮机构工作原理

沉浮运动通过遥控器控制沉浮驱动电机3，电机输出轴齿轮转动，使固定在移动铝板上的齿条5往复运动，进而带动移动铝板及注射器活塞杆整体的往复运动，为了防止移动铝板在运动中产生歪斜，设计了移动路线导向柱8，使注射器顺利完成吸排水动作。注射器吸水时，机器海龟整体重量增加，整体重量大于水的浮力，海龟下沉；注射器排水时，注射器里的水减少，机器海龟的整体重量减轻，小于水的浮力，海龟上浮。

肢体运动机构工作原理

四肢的运动基于曲柄滑块机构的特点，进行了曲柄滑块机构的正反组合，同时设计了对称式的结构。舵机具有一定角度的正反转动带动两个滑块13对称式左右移动，从而使作为四肢的第三杆件20对称式摆动，巧妙地使海龟四肢的运动达到一致性与仿生效果，具体机构如图3。

四肢的运动完全处于水中运行，需要解决舵机的水中工作问题，本发明采用结构较小且紧凑的舵机，在水中水的表面张力比较大，在舵机内部注入了黄油层，使舵机内部的空隙部分尽量充满黄油，在水中避免水的进入保持舵机的稳定工作，解决了隔水密封的问题。

垃圾过滤器工作原理

垃圾过滤装置充分利用了水流的特点，在海龟运动时有一部分的水流向过滤装置，同时用固定在水流盒上的清洁螺旋桨12将水吹向过滤结构中，增加了过滤装置中水流的流速。水流盒中设置有水流导向板11，水从水流盒中流过，有水流导向板引导水的流向，水流盒后设置垃圾过滤网10，水经水流导向板的引导直接流向垃圾过滤网，杂质可由水流带向盒中，防止外溢。垃圾过滤网可通过搭扣安装在水流盒上，可以人工拆卸。

方向控制机构工作原理

在海龟体外粘贴固接多个体外水泵，水泵沿塑料盒四周的三面分布，分别实现左、右、前三个方向的运动。考虑到海龟身体内部体积有限以及水泵是电磁式水泵，水泵的电路部分完全密封，转子采用磁力转子，输出变化的磁场使转子转动，可浸在水中工作，故将水泵固结在体外，同样用遥控器控制。当控制其中一个水泵排水时，其产生的反向作用力可推动整个机器海龟反向运动，海龟后固结两个水泵，可以提供足够的前进动力。多个水泵分别完成左、右、前三个方向的运动。

机器海龟的控制系统

基于机器海龟的相关控制要求，设计了具有遥控功能无线控制器。以单片机程序控制为主，单片机接受遥控器发出的指令，完成相应的动作要求，实现遥控与单片机相结合的控制方式。通过遥控器控制沉浮驱动电机的正反转，以实现机器海龟的沉浮；通过遥控器控制四肢驱动舵机的转动，实现海龟四肢的一致摆动。通过遥控器控制清洁螺旋桨的转动，进行水源的过滤清洁动作。

机器人控制的硬件系统主要由遥控器无线接收模块、供电模块、主控模块、电机驱动模块，继电器模块，动力模块等，其中动力模块包括直流电机，舵机等。其结构框图及有关控制流程如图7。

机器海龟主控模块采用MCS-51系列STC89C52单片机。该单片机是一种低功耗、高性能的8位CMOS型单片机。单片机最小系统图如图8。

Claims (7)

1.一种机器海龟，其特征是：包括作为机器海龟身体的长方体塑料盒及长方体塑料盒下方的垃圾过滤器；长方体塑料盒内设置使机器海龟身体沉浮的沉浮机构，长方体塑料盒外壁上固结多个沿塑料盒三面分布的水泵，多个水泵的排水方向包括左、右、后；垃圾过滤器上固结带动四肢运动的肢体动作驱动机构；垃圾过滤器包括水流盒，水流盒前固结将水流吸入水流盒中的螺旋桨装置，水流盒后设置垃圾过滤网；一个控制系统控制沉浮机构、水泵、肢体动作驱动机构及螺旋桨的工作。

2.根据权利要求1所述的机器海龟，其特征是：所述沉浮机构包括头部伸出塑料盒进行吸排水的注射器，注射器筒体固定在固定铝板上，固定铝板上固装沉浮驱动电机，注射器的活塞杆与移动铝板固定连接，移动铝板与齿条固定连接，沉浮驱动电机的输出轴齿轮与齿条啮合。

3. 根据权利要求2所述的机器海龟，其特征是：固定铝板上装导向柱，导向柱的滑块通过角铝固定连接在移动铝板上。

4. 根据权利要求3所述的机器海龟，其特征是：塑料盒内底板上卡住一塑料网格，注射器筒体固定在固定铝板上，固定铝板通过螺栓螺母固定在塑料网格上，注射器卡在网格中，实现水平定位。

5. 根据权利要求1、2、3或4所述的机器海龟，其特征是：所述肢体动作驱动机构包括固定在垃圾过滤器上的导轨，四肢驱动舵机固定连接在导轨上，四肢驱动舵机的输出轴与舵盘连接，舵盘的二端所连接的结构以四肢驱动舵机的输出轴为中心呈对称结构，该对称结构包括一端与舵盘可转动式连接的第一杆件，第一杆件的另一端与滑块可转动式连接，滑块与第二杆件的一端可转动式连接，第二杆件的另一端与第三杆件可转动式连接，第三杆件在靠近第二杆件连接处与第四杆件可转动式连接，第四杆件垂直于导轨方向固定于导轨上。所述滑块可在导轨上滑动或滚动。

6. 根据权利要求1、2、3或4所述的机器海龟，其特征是：垃圾过滤网是由软玻璃折成的底板带孔的盒及装在孔上的过滤布组成，该过滤网通过搭扣安装在水流盒的水流出口处；水流盒中设置有水流导向板。 

7. 根据权利要求1、2、3或4所述的机器海龟，其特征是：所述控制系统为遥控式控制系统，包括主控模块，主控模块与无线接收模块连接，主控模块与电机驱动模块连接。

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