CN103318287A - 仿生蜥蜴水陆两栖机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种仿生蜥蜴水陆两栖机器人，属领仿生学领域，包括由外部框架，内部框架、驱动机构构成的身部以及由四套曲柄摇杆机构构成的腿部；其中内部框架内安装有驱动电机位于外部框架内，驱动机构中驱动电机通过两套减速装置将动力传递给位于内部框架前方与后方的传动轴，由此使传动轴带动传动轴两端安装的曲柄摇杆机构运动；所述曲柄摇杆机构下方安装有脚板，运动中可实现仿生蜥蜴水陆两栖机器人在水面行走过程中拍击、扑打、还原三个关键动作；本发明的优点为：实现对蛇怪蜥蜴的运动仿生，且可提高水陆两栖的适用性，同时运动阻力小效率高，承载能力强、适用范围广，可用于水陆救援和监测。
Description
技术领域
本发明涉及仿生学领域，具体来说，是一种基于仿生学体系的研究方法，对蛇怪蜥蜴进行智能、功能、行为分解分析，获悉其水上奔跑的运动原理，进而设计的仿生蜥蜴水陆两栖机器人。
背景技术
仿生机器人是模仿自然界中生物的精巧结构、运动原理和行为方式等方面的机器人系统，具有高度灵活性、柔性和易复制性。
目前众多水面行走仿生机器人都是基于水面张力原理进行设计，仿生对象通常为一些体态轻盈的昆虫，如水黾，水上蜘蛛等。该种仿生机器人的承载能力有限，限制了水面仿生机器人的应用。同时，基于水面张力原理设计的水面仿生机器人对于外界工作环境要求高，水面张力容易被破坏，适应性低。
随着仿生学的发展，蛇怪蜥蜴引起了科研人员的关注。蛇怪蜥蜴体重从2克——200克不等均可在水面上奔跑，但没有利用水面的表面张力来保持自身在水面漂浮。其关键在于它能够以合适的角度和足够的频率摆动双腿，令其身体上挺、向前冲。具体来说，蛇怪蜥蜴在水上奔跑的每一个动作可以分解为三部分：拍击、扑打、还原。拍击过程中，脚主要是垂直运动；扑打过程中，脚主要向后运动；还原过程中，脚抬起离开水面，回到下一步的开始动作。蛇怪蜥蜴的脚向下拍击水面，迫使水面下沉或者从脚下流走，同时在脚的周围形成一个气垫，这个动作产生了一个支撑力，足以在蜥蜴的脚掌向后扑打时将蜥蜴的身体支撑在水面上。脚向后扑打时产生前进的推力。蛇怪蜥蜴在水面奔跑的速度可达到每秒1.5米。研究发现，蛇怪蜥蜴在水面奔跑时能够产生很大的横向力来保持身体的稳定。因此，将蛇怪蜥蜴作为仿生对象可有效克服目前水面行走机器人的弊端。
但目前并没有相关文献记载有这种对蛇怪蜥蜴进行仿生的水上行走机器人。
发明内容
本发明为了解决上述问题，基于蛇怪蜥蜴水上奔跑运动原理，设计一种水陆两栖自由转换、阻力小效率高、承载能力强、适用范围广的仿生蜥蜴水陆两栖机 器人，包括由外部框架，内部框架、驱动机构构成的身部以及由四套曲柄摇杆机构构成的腿部。
其中，外部框架为由左挡板、右挡板、前挡板与后挡板构成的矩形框架；内部框架位于外部框架内，为由左右侧板与前后侧板构成框架结构。
所述驱动机构包括驱动电机与两套减速装置；驱动电机安装于内部框架内；驱动电机具有两个输出轴，分别朝向内部框架的前方与后方。
两套减速装置均包括传动轴A、传动轴B以及由齿轮A、齿轮B、齿轮C与侧面周向具有轮齿的齿轮D构成的齿轮组，分别安装于内部框架前方与后方，安装方式相同；其中，传动轴A轴接在内部框架的左侧板与右侧板之间；传动轴B轴接在外部框架的左挡板与右挡板之间；齿轮A与驱动电机的输出轴固定套接；齿轮B固定套接在传动轴B上；齿轮C与齿轮D同轴固定套接在传动轴A上；齿轮A与齿轮D啮合，齿轮C与齿轮B啮合；
所述四套曲柄摇杆机构结构相同，包括摇杆、连杆、曲柄与脚板构成；其中，摇杆的铰接端与连杆的铰接端间铰接；连杆的安装端固定安装有脚板；曲柄的铰接端与连杆中部铰接；上述结构的四套曲柄连杆机构通过摇杆的安装端与曲柄的安装端分别安装外部框架的左前方、右前方、左后方与右后方；具体为：
位于左前方与右前方曲柄摇杆机构中摇杆的安装端分别与固定在外部框架左侧面和右侧面通过铰接件A、铰接件B铰接；曲柄的安装端分别与位于内部框架前方的减速装置中传动轴B的左右两端固连。
位于左后方与右后方曲柄摇杆机构中摇杆的安装端分别与外部框架左侧面和右侧面通过铰接件C与铰接件D铰接；曲柄的安装端分别与位于内部框架后方的减速装置中传动轴B的左右两端固连。
由此构成蜥蜴水陆两栖机器人整体结构，通过控制驱动电机开始工作，经两套齿轮减速机构后，驱动四套曲柄摇杆机构，实现仿生机器人的腿部周期运动，运动频率为5HZ。在每个周期过程中，蜥蜴水陆两栖机器人的四套曲柄摇杆机构完成拍击、扑打、恢复三个关键动作，产生支撑力和向前的推力。
本发明的优点在于：
1、本发明仿生蜥蜴水陆两栖机器人的四条腿部采用曲柄摇杆机构，可实现行走过程中拍击、扑打、还原三个关键动作；
2、本发明仿生蜥蜴水陆两栖机器人的动力通过驱动电机与齿轮减速器传输到四条腿部，在保证运动频率为5HZ的同时能够产生足够的扭矩克服运动中的阻力；
3、本发明仿生蜥蜴水陆两栖机器人采用四足结构，提高水陆两栖的适用性，且运动阻力小效率高，承载能力强、适用范围广的水陆两栖仿生机器人，可用于水陆救援和监测。
附图说明
图1为本发明仿生蜥蜴水陆两栖机器人整体结构侧视示意图；
图2为本发明仿生蜥蜴水陆两栖机器人整体结构俯视示意图；
图3为本发明仿生蜥蜴水陆两栖机器人周期运动状态内左前方曲柄摇杆机构中曲柄与水平面夹角为-45°时示意图；
图4为本发明仿生蜥蜴水陆两栖机器人周期运动状态内左前方曲柄摇杆机构中曲柄与水平面夹角为-90°时示意图；
图5为本发明仿生蜥蜴水陆两栖机器人周期运动状态内左前方曲柄摇杆机构中曲柄与水平面夹角为-180°时示意图；
图6为本发明仿生蜥蜴水陆两栖机器人周期运动状态内左前方曲柄摇杆机构中曲柄与水平面夹角为-225°时示意图；
图7为本发明仿生蜥蜴水陆两栖机器人周期运动状态内左前方曲柄摇杆机构中曲柄与水平面夹角为-270°时示意图；
图8为本发明仿生蜥蜴水陆两栖机器人周期运动状态内左前方曲柄摇杆机构中曲柄与水平面夹角为-315°时示意图；
图9为本发明仿生蜥蜴水陆两栖机器人曲柄摇杆机构参数设计示意图；
图10为本发明蜥蜴水陆两栖机器人处于最佳运动状态时，四套曲柄摇杆机构的摇杆与连杆间夹角α范围示意图。
图中：
1-外部框架 2-内部框架 3-驱动机构 4-曲柄摇杆机构
301-驱动电机 302-减速装置 302a-传动轴A 302b-传动轴B
302c-齿轮A 302d-齿轮B 302e-齿轮C 302f-齿轮D
401-摇杆 402-连杆 403-曲柄 404-脚板
具体实施方式
下面结合附图来对本发明做进一步说明。
本发明仿生蜥蜴水陆两栖机器人，包括由外部框架1，内部框架2、驱动机构3构成的身部以及由四套曲柄摇杆机构4构成的腿部，如图1、图2所示。
其中，外部框架1为由左挡板、右挡板、前挡板与后挡板构成的矩形框架；内部框架2位于外部框架1内，为由左右侧板与前后侧板构成的井字形框架结构；内部框架2用来安装驱动机构3。外部框架1左右挡板与前后挡板，以及内部框架2的左右侧板与前后侧板的厚度均为2mm。
所述驱动机构3包括驱动电机301、两套减速装置302；
驱动电机301设置于电机密封舱内部，电机密封舱固定安装于内部框架2中部(即内部框架2中前后侧板与左右侧板之间位置)；驱动电机301具有两个输出轴，驱动电机301的输出轴分别朝向内部框架2的前方与后方，并分别穿 过前侧板与后侧板。驱动电机301额定电压为3V，额定转速为17200-21200rpm，采用锂电池作为电源。
令两套减速装置302分别为前减速装置与后减速装置，均由传动轴A302a、传动轴B302b以及由齿轮A302c、齿轮B302d、齿轮C302e与侧面周向具有轮齿的齿轮D302f构成的齿轮组；两套减速装置302以相同的方式分别安装于外部框架1前后部。
其中，前减速装置302中：传动轴A302a轴承连接在内部框架2的左侧板与右侧板之间，位于前侧板前方；传动轴B302b轴承连接在外部框架1的左挡板与右挡板之间，位于外部框架1前部；传动轴B302b与传动轴A302a平行，且传动轴B302b与传动轴A302a的轴线位于同一水平面上。齿轮组采用直齿轮-双层齿轮-直齿轮传动形式，齿轮A302c为一级直齿轮，与驱动电机301朝向内部框架2前方的输出轴同轴固定套接；齿轮B302d为三级直齿轮，同轴固定套接在传动轴B302b上；齿轮C302e与齿轮D302f同轴固定套接在传动轴A302a上，形成二级双层齿轮；其中，齿轮A302c与齿轮D302f啮合，齿轮C302e与齿轮B302d啮合，使齿轮A302c、齿轮B302d、齿轮C302e与齿轮D302f间形成联动，最终通过驱动电机301可驱动传动轴B302b转动。
后减速装置302中：传动轴A302a轴承连接在内部框架2的左侧板与右侧板之间，位于后侧板后方；传动轴B302b轴接在外部框架1的左挡板与右挡板之间，位于外部框架1后部；上述前减速装置中传动轴A302a、传动轴B302b以及后减速装置中传动轴A302a、传动轴B302b的轴线相互平行，均处于同一水平面上，且前减速装置中传动轴A302a、传动轴B302b的轴线间距等于后减速装置中传动轴A302a与传动轴B302b的轴线间距。齿轮A302c与驱动电机301朝向内部框架2后方的输出轴同轴固定套接；齿轮B302d同轴固定套接在传动轴B302b上；齿轮C302e与齿轮D302f同轴固定套接在传动轴A302a上；其中，齿轮A302c与齿轮D302f啮合，齿轮C302e与齿轮B302d啮合，使齿轮A302c、齿轮B302d、齿轮C302e与齿轮D302f间形成联动，最终通过驱动电机301可驱动传动轴B302b转动。
上述传动轴A302a与传动轴B302b的直径均为2mm，传动轴A302a长度为24mm，传动轴B302b长度为65mm，材料均采用45号钢。
前减速装置与后减速装置中的一级直齿轮(齿轮A302c)的模数为0.5，齿数为8；二级双层齿轮(齿轮C302e与齿轮D302f)模数为0.5，齿轮C302e齿数为22，齿轮D302f齿数为30，三级直齿轮(齿轮B302d)模数为0.5，齿数为24。
所述四套曲柄摇杆机构4结构相同，包括摇杆401、连杆402、曲柄403与脚板404构成，上述摇杆401、连杆402与曲柄403均采用碳纤维管，内径为2mm，外径为3mm。其中，摇杆401的铰接端与连杆402的铰接端间铰接；连杆402的安装端固定安装有脚板404；曲柄403的铰接端与连杆402中部铰接；上述结构的四套曲柄连杆机构通过摇杆401的安装端与曲柄403的 安装端分别安装于身部的左前方、右前方、左后方与右后方；具体为：
位于左前方的曲柄摇杆机构4中，摇杆401的安装端与外部框架1左侧面前部安装的铰接件A铰接；曲柄403的安装端与前减速装置的传动轴B302b左端固连。
位于右前方的曲柄摇杆机构4中，摇杆401的安装端与外部框架1右侧面前部安装铰接件B铰接；曲柄403的安装端与前减速装置的传动轴B302b右端固连；且铰接件A与铰接件B的轴线均与外部框架1侧面垂直且同轴。
位于左后方的曲柄摇杆机构4中，摇杆401的安装端与外部框架1左侧面后部安装的铰接件C铰接；曲柄403的安装端与后减速装置的传动轴B302b左端固连。
位于右后方的曲柄摇杆机构4中，摇杆401的安装端与外部框架1右侧面后部安装的铰接件D铰接；曲柄403的安装端与后减速装置的传动轴B302b右端固连。且铰接件C与铰接件D的轴线均与外部框架1侧面垂直且同轴。
上述前减速装置中传动轴B302b与铰接件A的铰接轴轴线间距与后减速装置中传动轴B302b与铰接件C的铰接轴轴线间距相等。
由此构成蜥蜴水陆两栖机器人整体结构，其中，在初始状态时，如图1所示，位于左前方与右后方的曲柄摇杆机构4所处状态相同，处于恢复-拍击的状态，以位于左前方的曲柄摇杆机构对其状态进行说明：此时脚板404与水平面平行，且摇杆401与铰接件A的铰接处、连杆402与曲柄403的铰接处，以及曲柄403与前减速装置302中传动轴B302b的连接处位于同一水平面上。而位于右前方的曲柄摇杆机构4与位于左后方的曲柄摇杆机构4所处状态相同，均与位于左前方、右后方的曲柄摇杆机构4间具有180°的相位差，此时处于拍击-扑打的状态。此后控制驱动电机301开始工作，经两套减速装置302后，驱动四套曲柄摇杆机构4，实现蜥蜴水陆两栖机器人的腿部周期运动，运动频率为5HZ，如图3～9所示，为一个周期中蜥蜴水陆两栖机器人的运动状态。在每个周期过程中，蜥蜴水陆两栖机器人的腿部完成拍击、扑打、恢复三个关键动作，产生支撑力和向前的推力；且在一个运动周期内，四套曲柄摇杆机构的摇杆与连杆间夹角α满足：41.5°≤α≤93°，可使本发明蜥蜴水陆两栖机器人处于最佳运动状态，如图10所示。
本发明各部分均采用低密度聚乙烯防水膜和丙烯酸树脂涂料实现仿生蜥蜴的防水；且本发明中内部框架2中前后侧板与外部框架1中左右挡板间连接，加固整体身部结构，同时内部框架2与外部框架1底面间通过加固板连接，进一步加固整体身部结构。
Claims (8)
1.仿生蜥蜴水陆两栖机器人，其特征在于：包括由外部框架，内部框架、驱动机构构成的身部以及由四套曲柄摇杆机构构成的腿部；
其中，外部框架为由左挡板、右挡板、前挡板与后挡板构成的矩形框架；内部框架位于外部框架内，为由左右侧板与前后侧板构成框架结构；
所述驱动机构包括驱动电机与两套减速装置；驱动电机安装于内部框架内；驱动电机具有两个输出轴，分别朝向内部框架的前方与后方；
两套减速装置均包括传动轴A、传动轴B以及由齿轮A、齿轮B、齿轮C与侧面周向具有轮齿的齿轮D构成的齿轮组，分别安装于内部框架前方与后方，安装方式相同；其中，传动轴A轴接在内部框架的左侧板与右侧板之间；传动轴B轴接在外部框架的左挡板与右挡板之间；
齿轮A与驱动电机的输出轴固定套接；齿轮B固定套接在传动轴B上；齿轮C与齿轮D同轴固定套接在传动轴A上；齿轮A与齿轮D啮合，齿轮C与齿轮B啮合；
所述四套曲柄摇杆机构结构相同，包括摇杆、连杆、曲柄与脚板构成；其中，摇杆的铰接端与连杆的铰接端间铰接；连杆的安装端固定安装有脚板；曲柄的铰接端与连杆中部铰接；上述结构的四套曲柄连杆机构通过摇杆的安装端与曲柄的安装端分别安装外部框架的左前方、右前方、左后方与右后方；具体为：
位于左前方与右前方曲柄摇杆机构中摇杆的安装端分别与固定在外部框架左侧面和右侧面通过铰接件A、铰接件B铰接；曲柄的安装端分别与位于内部框架前方的减速装置中传动轴B的左右两端固连；
位于左后方与右后方曲柄摇杆机构中摇杆的安装端分别与外部框架左侧面和右侧面通过铰接件C与铰接件D铰接；曲柄的安装端分别与位于内部框架后方的减速装置中传动轴B的左右两端固连。
2.如权利要求1所述仿生蜥蜴水陆两栖机器人，其特征在于：所述驱动电机设置于电机密封舱内部。
3.如权利要求1所述仿生蜥蜴水陆两栖机器人，其特征在于：所述两套减速装置中的传动轴A与传动轴B均相互平行，位于同一水平面上；且位于内部框架前方的减速装置中传动轴A、传动轴B的轴线间距，与位于内部框架后方的减速装置中传动轴A与传动轴B的轴线间距相等。
4.如权利要求1所述仿生蜥蜴水陆两栖机器人，其特征在于：所述铰接件A与铰接件B的铰接轴轴线与外部框架侧壁垂直且同轴；铰接轴C与铰接轴D的铰接轴轴线与外部框架侧壁垂直且同轴。
5.如权利要求1所述仿生蜥蜴水陆两栖机器人，其特征在于：所述位于内部框架前方的减速装置中传动轴B与铰接件A的铰接轴轴线间距，等于位于内部框架后方的减速装置中传动轴B与铰接件C的铰接轴轴线间距。
6.如权利要求1所述仿生蜥蜴水陆两栖机器人，其特征在于：所述内部框架中前后侧板与外部框架中左右挡板间连接，同时内部框架与外部框架底面间通过加固板连接。
7.如权利要求1所述仿生蜥蜴水陆两栖机器人，其特征在于：所述位于左前方与右后方的曲柄摇杆机构所处状态相同，此时，左前方的曲柄摇杆机构中脚板与水平面平行，且摇杆与铰接件A的铰接处、连杆与曲柄的铰接处，以及曲柄与传动轴B的连接处位于同一水平面上；而位于右前方与左后方的曲柄摇杆机构所处状态相同，均与位于左前方、右后方的曲柄摇杆机构间具有180°的相位差。
8.如权利要求1所述仿生蜥蜴水陆两栖机器人，其特征在于：所述四个曲柄连杆机构在一个运动周期内，摇杆与连杆间夹角α满足：41.5°≤α≤93°。
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