CN104176219A - 一种并联机械手臂驱动的仿生水母机器人 - Google Patents

Abstract

一种并联机械手臂驱动的仿生水母机器人，它涉及一种仿生水母机器人。本发明为了解决现有仿生水母机器人存在运动幅度小、驱动力小、不适合用于复杂海洋环境的问题。本发明的流线型端盖、套筒、基座和底座依次连接，驱动单元的一端通过安装在基座上的电机连接板连接，凸轮传动盘套装在套筒内的驱动单元输出轴上，凸轮传动盘的上下两个端面上沿其外轮廓线分别开设一个轨迹凹槽，轨迹凹槽的轮廓形状为凹凸间隔设置的轮廓曲线，多个滑动连接座通过多个滚轮轴部件以环形阵列的方式与凸轮传动9的轨迹凹槽可滑动连接，每个机械手臂驱动杆的一端与一个滑动连接座连接，每个机械手臂驱动杆的另一端与一个柔性机械手臂活动连接。本发明用于无人水下运载。

Description

一种并联机械手臂驱动的仿生水母机器人

技术领域

本发明涉及一种仿生水母机器人，具体涉及一种并联机械手臂驱动的仿生水母机器人。

背景技术

无人水下运载系统(Unmanned Underwater Vehicle)在近几年伴随着人类探索海洋、开发海洋逐渐加快的步伐得到了迅速发展，其中以鱼类等水生生物为推进系统仿生原型的机器正受到越来越多的关注。相比于传统的波状游动鱼类，水母具备了较高的运动灵活性、环境适应性和目标隐蔽性，同时还具有高效的流场能量利用机制，特别适合作为海洋深潜、洋流观测、目标侦查以及武器运载等水下机器的仿生原型。

水母作为典型的喷射推进原型，是地球上存在的最古老的游动生物之一，广泛存在于海洋的各个区域。经过长期的进化，它们能够适应多数复杂的洋流环境，这得益于其独特的流体动力学推进机理。水母形式的推进具有能量利用效率高的特点，这也是其他躯体波状游动或者胸鳍拍动推进所不可比拟的。自然环境中的水母，主要是依靠径向分布的肌肉纤维收缩和伸长来带动柔性外壳的收缩和舒展，同时带动壳体内腔水流的运动，在水流的反作用力驱动下，就可以完成前行、转弯等推进行为。近几年，基于水母仿生原型的水下推进机器人受到越来越多的重视。

从仿生学的角度来看，机器水母应该满足两个条件才能实现较好的仿生效果，一是形态相似，二是运动学相似。具体而言，在进行机器水母的机构设计时，一方面要使得外壳形貌与真实水母相似，另一方面要保证外壳形貌能够做运动幅度和运动周期都可控的收缩和伸展运动，这两点很难同时保证。目前的水母机器人主要是通过应用电磁、形状记忆合金等智能机构和材料才制作的，不仅难以保证仿生机器的两个基本要求，其使用场合、推进性能也受到很大的制约。

公开日为2007年8月22日、公开号为CN101020498A、发明名称为“机器仿生水母”的专利申请，它首次提出了一种采用电磁铁作为驱动本体，通过带动复位弹簧拉动挡板来实现收缩和舒张的效果，所述的装置采用两个腔体，通过反相控制两个腔体的运动，来交替完成吸水和喷水的过程，进而提高推进效率，但其结构较为复杂，且与真实水母的动作原理有较大区别。

公开日为2010年9月15日、公开号为CN101391650B、发明名称为“形状记忆合金驱动的仿生机器水母”的专利申请，它提出了一种采用U型形状记忆合金条驱动弹性金属片的设计，通过形状记忆合金的收缩和放松来实现弧形金属弹簧片的弯曲和放松，进而带动柔性外壳实现喷水和吸水的动作，所述的装置结构简单，在形态上与真实水母较为相近，但运动幅度较小，所能产生的射流动力有限，与真实水母的推进行为相差较大。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有仿生水母机器人存在运动幅度小、驱动力小、不适合用于复杂海洋环境的问题。进而提供一种并联机械手臂驱动的仿生水母机器人。

本发明的技术方案是：一种并联机械手臂驱动的仿生水母机器人包括驱动单元、底座、基座、套筒、流线型端盖、电机连接板、凸轮传动盘、多个滑动连接座、多个机械手臂驱动杆、多个驱动杆导向法兰、多个滚轮轴部件和多个柔性机械手臂，流线型端盖、套筒、基座和底座由上至下依次连接，驱动单元的一端通过安装在基座上的电机连接板连接，凸轮传动盘套装在套筒内的驱动单元输出轴上，凸轮传动盘的上下两个端面上沿其外轮廓线分别开设一个轨迹凹槽，所述轨迹凹槽的轮廓形状为凹凸间隔设置的轮廓曲线，多个滑动连接座通过多个滚轮轴部件以环形阵列的方式与凸轮传动盘的轨迹凹槽可滑动连接，每个机械手臂驱动杆的一端穿过设置在套筒上的驱动杆导向法兰与一个滑动连接座连接，每个机械手臂驱动杆的另一端与一个柔性机械手臂活动连接。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1.本发明采用多个完全一致的柔性机械手臂部件执行对机器水母柔性硅胶壳体的驱动，由于采用相同的机构和安装定位方式，因此只需要保证凸轮传动盘凸轮轨迹的中心对称性就能够使得机械手臂驱动杆相对于机器水母中心轴线的运动形态一致，进而使得柔性机械手臂的运动形态保持一致，有效的提高了机器水母的可操作性和灵活性。

2.本发明的并联机械手臂驱动的仿生水母机器人主要通过柔性机械手臂的收缩和伸展来实现在水中的推进。多个柔性机械手臂均布安装在套筒的外侧，通过带滚轮轴部件与凸轮传动盘构成凸轮传动机构，当凸轮传动盘在电机的带动下转动时，会带动机械手臂驱动杆沿驱动杆导向法兰的方向按照凸轮轨迹做相对于机器水母中轴线的往复直线运动。当机械手臂驱动杆相对中轴线做接近运动时，它会带动柔性机械手臂做下俯的动作，在机器水母的本体上体现出来的就是柔性壳体内腔的收缩，此时会将水流喷射出去，进而产生反向的推进力，这也是水母前向推进时的主要力源；当机械手臂驱动杆相对中轴线做远离运动时，它会带动柔性机械手臂做外展的动作，这个过程对应的是柔性外壳的舒张过程，从整个推进周期来看，这是机器水母有效推进的准备阶段。通过有效控制驱动电机的运动位置、运动周期，能够实现对机器水母运动幅度的控制以及对有效推进时间和准备时间的控制，在电机不间断运转的同时，即可实现机器水母的持续运动。

3.本发明的并联机械手臂驱动的仿生水母机器人其驱动单元采用伺服电机驱动，能够实现对水母运动形态、运动速度的闭环控制，且实现起来较为简单；将带动多个机械手臂同时运动的传动机构简化为一个凸轮传动盘传动，有效降低了加工装配的难度，也减轻了整机重量，且易于保证机器水母柔性壳体运动形态的同步性，实现较优越的运动控制性能。

4.本发明的并联机械手臂驱动的仿生水母机器人通过刚性零部件与柔性壳体的结合应用，既保证了机械系统的结构稳定性，又保证了机器人的水母仿生特性。能够作为大型复杂洋流环境下的运载平台，也可以作为微小型机器人。

5.本发明的并联机械手臂驱动的仿生水母机器人具有设计灵活，变形幅度可控，仿生效果明显的优点。

附图说明

图1是本发明的并联机械手臂驱动的仿生水母机器人驱动和传动部件的剖面图，图2是由机械臂驱动杆和三关节串联机构组成的柔性机械臂的结构示意图，图3是图2中柔性机械臂在伸缩时刻的形态示意图，图4是凸轮传动盘的立体结构示意图，图5是凸轮传动盘与驱动杆和管轮轴的装配示意图，图6是用于定位柔性机械手臂的羊角基座立体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图6说明本实施方式，本实施方式的一种并联机械手臂驱动的仿生水母机器人包括驱动单元1、底座2、基座3、套筒4、流线型端盖5、电机连接板8、凸轮传动盘9、多个滑动连接座10、多个机械手臂驱动杆11、多个驱动杆导向法兰7、多个滚轮轴部件12和多个柔性机械手臂，流线型端盖5、套筒4、基座3和底座2由上至下依次连接，驱动单元1的一端通过安装在基座3上的电机连接板8连接，凸轮传动盘9套装在套筒4内的驱动单元1输出轴上，凸轮传动盘9的上下两个端面上沿其外轮廓线分别开设一个轨迹凹槽，所述轨迹凹槽的轮廓形状为凹凸间隔设置的轮廓曲线，多个滑动连接座10通过多个滚轮轴部件12以环形阵列的方式与凸轮传动盘9的轨迹凹槽可滑动连接，每个机械手臂驱动杆11的一端穿过设置在套筒4上的驱动杆导向法兰7与一个滑动连接座10连接，每个机械手臂驱动杆11的另一端与一个柔性机械手臂活动连接。

本实施方式的并联机械手臂驱动的仿生水母机器人在制造的时候，流线型端盖与套筒的结合面、基座与套筒的结合面、底座与套筒的结合面、驱动杆导向法兰与套筒的结合面都要加密封圈，选用橡胶密封圈，防止外部的液体渗入，起到静密封的作用。

本实施方式的并联机械手臂驱动的仿生水母机器人在制造的时候，机械手臂驱动杆6与驱动杆导向法兰为间隙配合，驱动杆导向法兰内侧开有两道凹槽用来安装密封圈，密封圈选用O型橡胶圈，以防止外部的液体在所述机械手臂驱动杆运动的时候渗入，起到动密封的作用。

具体实施方式二：结合图6说明本实施方式，本实施方式的仿生水母机器人还包括多个羊角基座6，每个柔性机械手臂与每个机械手臂驱动杆11之间通过一个羊角基座6连接。如此设置，运动更加灵活。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2-图3说明本实施方式，本实施方式的多个柔性机械手臂均为单自由度的三关节串联机构。如此设置，运动灵活。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图2-图3说明本实施方式，本实施方式的每个柔性机械手臂均包括第一铰链件13、第二铰链件14、第一连杆15、第二连杆16、第三连杆17、第四连杆18、第五连杆19和第六连杆20，第一连杆15和第二连杆16的一端均与一个羊角基座6下端的铰链孔连接，第三连杆17的一端与所述羊角基座6中部的铰链孔连接，第四连杆18的一端与所述羊角基座6上部的铰链孔连接，第一连杆15的另一端与第三连杆17的中部连接，第二连杆16的另一端与第二铰链件14上位于中间位置的铰链孔连接，第三连杆17的另一端与第一铰链件13一端的铰链孔连接，第四连杆18的另一端与第一铰链件13一端的铰链孔连接，第一铰链件13的另一端与第二铰链件14可转动连接，第五连杆19的一端和第六连杆20的一端分别与第二铰链件14可转动连接，第五连杆19的另一端和第六连杆20的另一端铰接。如此设置，本实施方式的并联机械手臂驱动的仿生水母机器人在制造的时候，柔性机械手臂中的连杆与连杆的铰链孔内均套有聚四氟乙烯管，所述铰链孔与聚四氟乙烯管采用过盈装配。其它组成和连接关系与具体实施方式一或三相同。

所述的并联机械手臂驱动的仿生水母机器人的第五连杆19和第六连杆20选用弹簧替换原先的铝合金材料。通过选用弹簧材料，可以使水母壳体在向外舒展的时候，对水流产生较为柔性的推动，而不是刚性地直接将水流甩开，这样可以有效减小机器水母运动时由于壳体舒展而产生的与推进力相反的流体阻力，进而增大推进效率，实现更好的仿生效果。

具体实施方式五：结合图5说明本实施方式，本实施方式的多个柔性机械手臂的数量为4个-8个。如此设置，便于满足复杂海洋的水况要求。其它组成和连接关系与具体实施方式一或四相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的仿生水母机器人还包括柔性壳体21，柔性壳体21安装在流线型端盖5上端面上。如此设置，便于完成水母机器人的吸水和喷水过程。其它组成和连接关系与具体实施方式一或五相同。

具体实施方式七：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的驱动单元1为伺服电机。如此设置，一方面可以满足机器水母在低频0.5HZ～3HZ范围内的仿生运动，另一方面可以增大输出力矩以同时带动柔性机械手臂的运动。其它组成和连接关系与具体实施方式一或六相同。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种并联机械手臂驱动的仿生水母机器人，其特征在于：它包括驱动单元(1)、底座(2)、基座(3)、套筒(4)、流线型端盖(5)、电机连接板(8)、凸轮传动盘(9)、多个滑动连接座(10)、多个机械手臂驱动杆(11)、多个驱动杆导向法兰(7)、多个滚轮轴部件(12)和多个柔性机械手臂，流线型端盖(5)、套筒(4)、基座(3)和底座(2)由上至下依次连接，驱动单元(1)的一端通过安装在基座(3)上的电机连接板(8)连接，凸轮传动盘(9)套装在套筒(4)内的驱动单元(1)输出轴上，凸轮传动盘(9)的上下两个端面上沿其外轮廓线分别开设一个轨迹凹槽，所述轨迹凹槽的轮廓形状为凹凸间隔设置的轮廓曲线，多个滑动连接座(10)通过多个滚轮轴部件(12)以环形阵列的方式与凸轮传动盘(9)的轨迹凹槽可滑动连接，每个机械手臂驱动杆(11)的一端穿过设置在套筒(4)上的驱动杆导向法兰(7)与一个滑动连接座(10)连接，每个机械手臂驱动杆(11)的另一端与一个柔性机械手臂活动连接。

2.根据权利要求1所述一种并联机械手臂驱动的仿生水母机器人，其特征在于：仿生水母机器人还包括多个羊角基座(6)，每个柔性机械手臂与每个机械手臂驱动杆(11)之间通过一个羊角基座(6)连接。

3.根据权利要求2所述一种并联机械手臂驱动的仿生水母机器人，其特征在于：多个柔性机械手臂均为单自由度的三关节串联机构。

4.根据权利要求1、2或3所述一种并联机械手臂驱动的仿生水母机器人，其特征在于：每个柔性机械手臂均包括第一铰链件(13)、第二铰链件(14)、第一连杆(15)、第二连杆(16)、第三连杆(17)、第四连杆(18)、第五连杆(19)和第六连杆(20)，第一连杆(15)和第二连杆(16)的一端均与一个羊角基座(6)下端的铰链孔连接，第三连杆(17)的一端与所述羊角基座(6)中部的铰链孔连接，第四连杆(18)的一端与所述羊角基座(6)上部的铰链孔连接，第一连杆(15)的另一端与第三连杆(17)的中部连接，第二连杆(16)的另一端与第二铰链件(14)上位于中间位置的铰链孔连接，第三连杆(17)的另一端与第一铰链件(13)一端的铰链孔连接，第四连杆(18)的另一端与第一铰链件(13)一端的铰链孔连接，第一铰链件(13)的另一端与第二铰链件(14)可转动连接，第五连杆(19)的一端和第六连杆(20)的一端分别与第二铰链件(14)可转动连接，第五连杆(19)的另一端和第六连杆(20)的另一端铰接。

5.根据权利要求4所述一种并联机械手臂驱动的仿生水母机器人，其特征在于：多个柔性机械手臂的数量为4个-8个。

6.根据权利要求5所述一种并联机械手臂驱动的仿生水母机器人，其特征在于：仿生水母机器人还包括柔性壳体(21)，柔性壳体(21)安装在流线型端盖(5)上端面上。

7.根据权利要求1所述一种并联机械手臂驱动的仿生水母机器人，其特征在于：驱动单元(1)为伺服电机。