CN103879537A - 一种仿水黾水上跳跃机器人 - Google Patents

Abstract

一种仿水黾水上跳跃机器人，它涉及仿生机器人技术。本发明为了解决现有仿水黾水上机器人不能实现水上连续跳跃运动的问题。本发明一种仿水黾水上跳跃机器人，其包括机架1、四条支撑腿2、两条驱动腿3、两条弹簧5、减速齿轮组6、微型直流电机7和控制电路，所述机架1由底座11和固接于底座11上表面的减速齿轮组固定架12组成，所述四条支撑腿2位于同一水平面上且分别与底座11的下表面粘接，所述两条驱动腿3对称安装于减速齿轮组固定架12左右两侧。本发明用于机器人模仿水黾的水面跳跃运动。

Description

一种仿水黾水上跳跃机器人

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术，具体涉及一种能够实现在水面上连续跳跃运动的机器人。

背景技术

随着仿生学和机器人技术的发展，仿生机器人研究通过“学习自然界的现象作为技术创新的模式”，成为机器人研究领域的一个热点。有文献指出，水黾这种昆虫靠两条中腿迅速向后划水实现水上滑行与跳跃运动。国内外许多研究机构研制了仿生水上机器人来模仿水黾的水面滑行运动。例如专利水上漂浮仿生水黾机器人（公开号：CN1911730A）中，是采用疏水处理的钢丝作为支撑腿和驱动腿，通过直流电机驱动，实现了主要靠水表面张力漂浮的技术，能够在水面滑行。而专利一种仿生水黾机器人（公开号：CN102556318A）中，则采用微小电机驱动模拟水黾两条中腿的划水动作，以实现水上滑行运动。但目前的仿水黾水上机器人均是实现了对水黾水面滑行运动的模仿，其驱动方式和动作机构不足以实现水上连续跳跃运动。所以为满足现有技术的需要，急需设计出一种能实现水上连续跳跃运动的机器人。

发明内容

本发明的目的是为解决现有仿水黾水上机器人不能实现水上连续跳跃运动的问题，进而提供一种能够实现在水面上连续跳跃运动的机器人。

本发明的技术方案是：一种仿水黾水上跳跃机器人，其包括机架、四条支撑腿、两条驱动腿、两条弹簧、减速齿轮组、微型直流电机和控制电路，所述四条支撑腿分别与机架粘接且位于同一水平面上，所述两条驱动腿对称安装于机架左右两侧，每条驱动腿均包括不完全齿轮一、连接杆和划水板，不完全齿轮一和划水板分别粘接在连接杆两端，两条驱动腿分别通过两不完全齿轮一与减速齿轮组啮合，弹簧的一端与机架连接，另一端与驱动腿连接，减速齿轮组安装在机架的中间位置，微型直流电机固定在机架上且通过一蜗杆的开孔与减速齿轮组配合安装，控制电路与微型直流电机串联成回路。

本发明与现有技术相比具有以下效果：本发明的仿水黾水上跳跃机器人总重约11g，采用超疏水泡沫镍薄片作为支撑腿，微型直流电机作为驱动。单次跳跃跳跃高度约为14cm，跳跃距离可达35cm，约为机器人体长的2.3倍，实现了模仿水黾的水上跳跃运动，同时还可用于进一步认识水黾的运动机理和相关仿生水上机器人技术研究。

附图说明

图1为本发明仿水黾水上跳跃机器人的整体结构立体图；

图2为本发明仿水黾水上跳跃机器人的驱动腿正视图；

图3为本发明仿水黾水上跳跃机器人的驱动腿俯视图；

图4为本发明仿水黾水上跳跃机器人的整体结构左视图；

图5为本发明仿水黾水上跳跃机器人的整体结构俯视图；

图6为本发明仿水黾水上跳跃机器人的控制电路示意图。

部件名称及标号说明：

机架1、底座11、减速齿轮组固定架12、支撑腿2、驱动腿3、不完全齿轮一31、连接杆32、划水板33、弹簧5、减速齿轮组6、蜗杆61、齿轮一62、齿轮二63、齿轮三64、齿轮四65、齿轮五66、齿轮六69、不完全齿轮二67、不完全齿轮三68、轴一91、轴二92、轴三93、轴四94、轴五95、轴六96、轴七97、轴八98、轴九99、轴十910、轴十一911、轴十二912、轴挡101、微型直流电机7、导线81、开关82、电池83。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中的仿水黾水上跳跃机器人，其包括机架1、四条支撑腿2、两条驱动腿3、两条弹簧5、减速齿轮组6、微型直流电机7和控制电路，所述机架1由底座11和固接于底座11上表面的减速齿轮组固定架12组成，所述四条支撑腿2位于同一水平面上且分别与底座11的下表面粘接，所述两条驱动腿3对称安装于减速齿轮组固定架12左右两侧，每条驱动腿3均包括不完全齿轮一31、连接杆32和划水板33，不完全齿轮一31和划水板33分别粘接在连接杆32两端，两条驱动腿3分别通过两不完全齿轮一31与减速齿轮组6啮合，两弹簧5对称安装于机架1的左右两侧，减速齿轮组6安装在减速齿轮组固定架12中，微型直流电机7固定在底座11上且通过一蜗杆61的开孔与减速齿轮组6配合安装，控制电路与微型直流电机7串联成回路。

机架1材料为塑料，采用3D打印技术加工。如图1、4和5所示，四条支撑腿2分别用胶水固定到机架1上。不完全齿轮一31采用3D打印技术加工，不完全齿轮一31和划水板33可分别用胶水固定到连接杆32的两端。两驱动腿3制作方法相同。微型直流电机7用502胶水固定到机架1上。

具体实施方式二：结合图3、图4说明本实施方式，减速齿轮组6包括多组配合安装的齿轮与轴，具体为：齿轮一62与轴一91，齿轮二63与轴二92，齿轮三64与轴三93，齿轮四65与轴四94，齿轮五66与轴五95，不完全齿轮二67、不完全齿轮三68、齿轮六69与轴六96；齿轮一62、齿轮二63、齿轮三64、齿轮四65、齿轮五66以及齿轮六69均为双层齿轮，具体包括一对同轴连接的大齿轮和小齿轮，蜗杆61与齿轮一62的大齿构成蜗轮蜗杆，传动比为16:1；齿轮一62的小齿与齿轮二63的大齿啮合，传动比为3:1；齿轮二63的小齿与齿轮三64的大齿啮合，传动比为9:4；齿轮三64的小齿与齿轮四65的大齿啮合，传动比为3:1；齿轮四65的小齿与齿轮五66的大齿啮合，传动比为16:5；齿轮五66的小齿与齿轮六69啮合，传动比为18:5；齿轮六69、不完全齿轮二67及不完全齿轮三68均与轴六96紧配合且同步旋转，不完全齿轮二67与不完全齿轮三68对称安装；轴一91、轴二92、轴三93、轴四94、轴五95和轴六96分别与减速齿轮组固定架12上的对应开孔间隙配合安装。减速齿轮组6采用六级齿轮减速，将微型直流电机的高转速低转矩输出转换为低转速高转矩输出，齿轮采用塑料齿轮。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的所述底座11上固定有轴七97、轴八98、轴九99、轴十910、轴十一911和轴十二912，不完全齿轮二67、不完全齿轮三68分别与两不完全齿轮一31啮合，两不完全齿轮一31的开孔分别与轴七97、轴八98间隙配合且在开口处设有起限位固定作用的轴挡101；轴七97和轴八98分别与机架1上的对应开孔紧配合固定，轴九99和轴十910分别与两驱动腿3上的对应开孔紧配合固定，轴十一911和轴十二912分别与机架1上的对应开孔紧配合固定。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的两弹簧5的一端分别固定到轴十一911和轴十二912上，另一端分别固定到轴九99和轴十910上。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的所述支撑腿2和驱动腿3的划水板33的材质为超疏水性泡沫镍薄片，驱动腿3的连接杆32的材质为碳纤维棒。轴均采用碳纤维棒，轴挡选用塑料轴挡。支撑腿2采用超疏水性泡沫镍薄片材料，采用电化学沉积和纳米自组装技术制作，具有重量轻、负载能力大等优点，能够保证机器人起跳和回落时能稳稳地浮在水上。另外，其超疏水性可以降低机器人起跳过程中的水阻力，有利于机器人完成跳跃。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图6说明本实施方式，本实施方式的所述控制电路由导线81、开关82和电池83组成，开关82采用点触式开关，电池采用4.5V锂电池，微型直流电机7、开关82与电池83通过导线81串联成回路。可通过开关82控制微型直流电机7的工作，使机器人进行跳跃运动。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

本发明的仿水黾水上跳跃机器人实现跳跃的基本原理是：微型直流电机7通过蜗杆61与减速齿轮组6连接，实现减速增矩，将高转速低转矩输出转换为低转速高转矩输出，总减速比为3732.48。再分别经不完全齿轮二67和不完全齿轮三68带动驱动腿3转动，同时拉伸两弹簧5，可将电能逐渐转换成弹性势能。当不完全齿轮二67和不完全齿轮三68转过一定角度后，其与不完全齿轮一31的啮合失效，弹簧5瞬间释放，拉动驱动腿3迅速向后划水，弹性势能转换为机械能，驱动腿3划水受的水反作用力驱动机器人实现跳跃。

上述内容仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种仿水黾水上跳跃机器人，其特征在于，其包括机架(1)、四条支撑腿(2)、两条驱动腿(3)、两条弹簧(5)、减速齿轮组(6)、微型直流电机(7)和控制电路，所述机架(1)由底座(11)和固接于底座(11)上表面的减速齿轮组固定架(12)组成，所述四条支撑腿(2)位于同一水平面上且分别与底座(11)的下表面粘接，所述两条驱动腿(3)对称安装于减速齿轮组固定架(12)左右两侧，每条驱动腿(3)均包括不完全齿轮一(31)、连接杆(32)和划水板(33)，不完全齿轮一(31)和划水板(33)分别粘接在连接杆(32)两端，两条驱动腿(3)分别通过两不完全齿轮一(31)与减速齿轮组(6)啮合，两弹簧(5)对称安装于机架(1)的左右两侧，减速齿轮组(6)安装在减速齿轮组固定架(12)中，微型直流电机(7)固定在底座(11)上且通过一蜗杆(61)的开孔与减速齿轮组(6)配合安装，控制电路与微型直流电机(7)串联成回路。

2.根据权利要求1所述的仿水黾水上跳跃机器人，其特征在于，减速齿轮组(6)包括多组配合安装的齿轮与轴，具体为：齿轮一(62)与轴一(91)，齿轮二(63)与轴二(92)，齿轮三(64)与轴三(93)，齿轮四(65)与轴四(94)，齿轮五(66)与轴五(95)，不完全齿轮二(67)、不完全齿轮三(68)、齿轮六(69)与轴六(96)；齿轮一(62)、齿轮二(63)、齿轮三(64)、齿轮四(65)、齿轮五(66)以及齿轮六(69)均为双层齿轮，包括一对同轴连接的大齿轮和小齿轮，蜗杆(61)与齿轮一(62)的大齿构成蜗轮蜗杆，传动比为16:1；齿轮一(62)的小齿与齿轮二(63)的大齿啮合，传动比为3:1；齿轮二(63)的小齿与齿轮三(64)的大齿啮合，传动比为9:4；齿轮三(64)的小齿与齿轮四(65)的大齿啮合，传动比为3:1；齿轮四(65)的小齿与齿轮五(66)的大齿啮合，传动比为16:5；齿轮五(66)的小齿与齿轮六(69)啮合，传动比为18:5；齿轮六(69)、不完全齿轮二(67)及不完全齿轮三(68)均与轴六(96)紧配合且同步旋转，不完全齿轮二(67)与不完全齿轮三(68)对称安装；轴一(91)、轴二(92)、轴三(93)、轴四(94)、轴五(95)和轴六(96)分别与减速齿轮组固定架(12)上的对应开孔间隙配合安装。

3.根据权利要求1或2所述的仿水黾水上跳跃机器人，其特征在于，所述底座(11)上固定有轴七(97)、轴八(98)、轴九(99)、轴十(910)、轴十一(911)和轴十二(912)，不完全齿轮二(67)、不完全齿轮三(68)分别与两不完全齿轮一(31)啮合，两不完全齿轮一(31)的开孔分别与轴七(97)、轴八(98)间隙配合且在开口处设有起限位固定作用的轴挡(101)；轴七(97)和轴八(98)分别与机架(1)上的对应开孔紧配合固定，轴九(99)和轴十(910)分别与两驱动腿(3)上的对应开孔紧配合固定，轴十一(911)和轴十二(912)分别与机架(1)上的对应开孔紧配合固定。

4.根据权利要求3所述的仿水黾水上跳跃机器人，其特征在于，两弹簧(5)的一端分别固定到轴十一(911)和轴十二(912)上，另一端分别固定到轴九(99)和轴十(910)上。

5.根据权利要求1所述的仿水黾水上跳跃机器人，其特征在于，所述支撑腿(2)和驱动腿(3)的划水板(33)的材质为超疏水性泡沫镍薄片，驱动腿(3)的连接杆(32)的材质为碳纤维棒。

6.根据权利要求1所述的仿水黾水上跳跃机器人，其特征在于，所述控制电路由导线(81)、开关(82)和电池(83)组成，开关(82)采用点触式开关，电池采用4.5V锂电池，微型直流电机(7)、开关(82)与电池(83)通过导线(81)串联成回路。

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