CN104176223B - 一种仿水黾水上运动机器人 - Google Patents

Abstract

一种仿水黾水上运动机器人，涉及仿生机器人领域。本发明为了解决现有水面机器人不能实现滑行与跳跃状态自由转换的问题。包括结构对称的机架、沿机架中心线对称设置的两组直流电机、蜗轮齿轮减速组、销轴、凸轮组、主动腿、弹簧和支撑腿；蜗轮齿轮减速组包括蜗杆、蜗轮、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮和第五齿轮，销轴包括第一转轴、第二转轴、第三转轴、第四转轴、第五转轴、第六转轴、支撑轴、转轴和连接轴，凸轮组包括第一凸轮底座、转动体和凸轮顶盖，主动腿包括凸轮连接杆、耳形连接件、主动腿杆和主动腿足部，支撑腿包括第一支撑腿杆、第一支撑腿足部、第二支撑腿杆和第二支撑腿足部。本发明用于仿水黾水上运动机器人。

Description

一种仿水黾水上运动机器人

技术领域

本发明涉及仿生机器人领域，具体为一种能够实现在水面滑行及连续跳跃的机器人。

背景技术

当前仿生机器人的发展已经涉及各个领域，在水面机器人的发展上已经出现了各类仿生机器人，水黾作为一种能够在水面灵活自由移动的水栖昆虫已经得到广泛的关注。国内外已经有许多相关的研究成果，例如：水上漂浮仿生水黾机器人(公开号：CN1911730A)及一种仿生水黾机器人(公开号：CN102556318A)，但是跳跃仍然是目前研究工作中较难实现的一点，同时也还未出现能够实现在滑行与跳跃状态自由转换的机器人，并且对水黾机器人腿部运动轨迹的限制也能促使机器人在运动动作上更加接近生物水黾，这些改进都将增大机器人的运动范围与实用性。

发明内容

为了解决现有水面机器人不能实现滑行与跳跃状态自由转换的问题，本发明提供了一种仿水黾水上运动机器人。

本发明的技术方案是：一种仿水黾水上运动机器人，包括结构对称的机架、沿机架中心线对称设置的两组直流电机、蜗轮齿轮减速组、销轴、凸轮组、主动腿、弹簧和支撑腿；

蜗轮齿轮减速组包括蜗杆、蜗轮、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮和第五齿轮，销轴包括第一转轴、第二转轴、第三转轴、第四转轴、第五转轴、第六转轴、支撑轴、转轴和连接轴，凸轮组包括第一凸轮底座、转动体和凸轮顶盖，主动腿包括凸轮连接杆、耳形连接件、主动腿杆和主动腿足部，支撑腿包括第一支撑腿杆、第一支撑腿足部、第二支撑腿杆和第二支撑腿足部；

直流电机设于机架的电机安装孔内，蜗杆与直流电机的输出轴连接，蜗轮、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮和第五齿轮之间相互啮合且分别穿过第一转轴、第二转轴、第三转轴、第四转轴、第五转轴和第六转轴，第一转轴、第二转轴、第三转轴、第四转轴、第五转轴和第六转轴的两端分别设于机架的轴套内，转轴依次穿过转动体与凸轮连接杆上开设的连接孔，转轴、凸轮连接杆与转动体构成竖直方向摆动的转动副，凸轮底座、转动体和凸轮顶盖从下到上依次装配在机架上部，第五齿轮与凸轮底座上对应分别开有4个光孔，连接轴穿过光孔将第五齿轮与凸轮底座连接，转动体与凸轮底座间隙配合，凸轮顶盖与凸轮底座键形配合，凸轮底座上开有槽体，凸轮连接杆上端伸入槽体内，下端通过耳形连接件与主动腿杆相连，主动腿杆与主动腿足部粘结，弹簧一端与耳形连接件连接，另一端与机架上弹簧连接孔连接，第一支撑腿杆上端插入并粘结在机架的第一支撑腿安装孔内，下端与第一支撑腿足部粘结，第二支撑腿杆上端插入并粘结在机架的第二支撑腿安装孔内，下端与第二支撑腿足部粘结。

本发明有益效果如下：本发明的仿水黾水上运动机器人，能够实现模仿水黾的水上运动功能，包含水面滑行及水面跳跃功能，并且可以根据需求对机器人划水动作进行修改，通过改变电机运行状态进行直线滑行、左转滑行、右转滑行及跳跃功能，能够在水上实现连续运动。同时也有助于对水黾运动跳跃过程的分析研究。

附图说明

图1为本发明仿水黾水上运动机器人的整体结构立体图；

图2为本发明仿水黾水上运动机器人的整体结构俯视图；

图3为本发明仿水黾水上运动机器人的整体结构侧视图；

图4为本发明仿水黾水上运动机器人的凸轮组装配示意图；

图5为本发明仿水黾水上运动机器人的凸轮组结构图；

图6为本发明仿水黾水上运动机器人的凸轮组结构图；

图7为本发明仿水黾水上运动机器人的凸轮组结构图；

图8为本发明仿水黾水上运动机器人的主动腿连接示意图；

图9为本发明仿水黾水上运动机器人的机架结构图；

图10为本发明仿水黾水上运动机器人的机架结构图。

部件与标号：

标号：机架1、电机安装孔11、轴套12、立柱13、斜面14、弹簧连接孔15、第一支撑腿安装孔16、机架顶部17、凸轮组安装部18、支柱19、蜗轮齿轮减速组安装部110、第二支撑腿安装孔111、直流电机2、蜗轮齿轮减速组3、蜗杆31、蜗轮32、第一齿轮33、第二齿轮34、第三齿轮35、第四齿轮36、第五齿轮37、销轴4、第一转轴41、第二转轴42、第三转轴43、第四转轴44、第五转轴45、第六转轴46、支撑轴47、转轴48、连接轴49、凸轮组5、凸轮底座51、第一凹槽511、第一凸起512、第二凹槽513、第二凸起514、曲面515、转动体52、槽体521、凸轮顶盖53、主动腿6、凸轮连接杆61、耳形连接件62、主动腿杆63、主动腿足部64、弹簧7、支撑腿8、第一支撑腿杆81、第一支撑腿足部82、第二支撑腿杆83、第二支撑腿足部84。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式的包括结构对称的机架1、沿机架1中心线对称设置的两组直流电机2、蜗轮齿轮减速组3、销轴4、凸轮组5、主动腿6、弹簧7和支撑腿8；

蜗轮齿轮减速组3包括蜗杆31、蜗轮32、第一齿轮33、第二齿轮34、第三齿轮35、第四齿轮36和第五齿轮37，销轴4包括第一转轴41、第二转轴42、第三转轴43、第四转轴44、第五转轴45、第六转轴46、支撑轴47、转轴48和连接轴49，凸轮组5包括第一凸轮底座51、转动体52和凸轮顶盖53，主动腿6包括凸轮连接杆61、耳形连接件62、主动腿杆63和主动腿足部64，支撑腿8包括第一支撑腿杆81、第一支撑腿足部82、第二支撑腿杆83和第二支撑腿足部84；

直流电机2设于机架1的电机安装孔11内，蜗杆31与直流电机2的输出轴连接，蜗轮32、第一齿轮33、第二齿轮34、第三齿轮35、第四齿轮36和第五齿轮37之间相互啮合且分别穿过第一转轴41、第二转轴42、第三转轴43、第四转轴44、第五转轴45和第六转轴46，第一转轴41、第二转轴42、第三转轴43、第四转轴44、第五转轴45和第六转轴46的两端分别设于机架1的轴套12内，转轴48依次穿过转动体52与凸轮连接杆61上开设的连接孔，转轴48、凸轮连接杆61与转动体52构成竖直方向摆动的转动副，凸轮底座51、转动体52和凸轮顶盖53从下到上装配并装配于机架1上部，第五齿轮37与凸轮底座51上对应分别开有4个光孔，连接轴49穿过光孔将第五齿轮37与凸轮底座51连接，转动体52与凸轮底座51为间隙配合，凸轮顶盖53与凸轮底座51为键形配合，凸轮底座51上开有槽体521，凸轮连接杆61上端伸入槽体521内，下端与耳形连接件62相连接，通过耳形连接件62与主动腿杆63相连，主动腿杆63与主动腿足部64粘结，弹簧7一端与耳形连接件62连接，另一端与机架1上弹簧连接孔15连接，第一支撑腿杆81上端插入并粘结在机架1的第一支撑腿安装孔16内，下端与第一支撑腿足部82粘结，第二支撑腿杆83上端插入并粘结在机架1的第二支撑腿安装孔111内，下端与第二支撑腿足部84粘结。

机架1为光敏树脂材料，由高精度3D打印制成，结构上主要根据电机2固定结构及蜗轮齿轮组3安装孔位构成，实现电机1及蜗轮齿轮组3固定作用。机架1包括电机安装孔11、轴套12、立柱13、斜面14、弹簧连接孔15、第一支撑腿安装孔16、机架顶部17、凸轮组安装部18、支柱19、蜗轮齿轮减速组安装部110和第二支撑腿安装孔111。机架顶部17通过立柱13和斜面14与凸轮组安装部18连接，支柱19用于增强连接凸轮组安装部18与蜗轮齿轮减速组安装部110的结构的强度，电机安装孔11紧邻蜗轮齿轮减速组安装部110设置，弹簧连接孔15和第一支撑腿安装孔16设于蜗轮齿轮减速组安装部110的一端，第二支撑腿安装孔111设于蜗轮齿轮减速组安装部110的另一端，蜗轮齿轮减速组安装部110的边缘和底部设有多个轴套12，凸轮组安装部18的边缘也设有多个相对应轴套12。

支撑轴47起保持机架1刚度作用，在装配时，取下支撑轴47，利用留出的空隙装配好凸轮组5，再安装支撑轴47，其保证机架1结构刚度得到保持，用以承受跳跃蓄能过程中因弹簧拉力引起的扭矩。转动体53与凸轮底座51为间隙配合，保证相对转动顺畅，凸轮顶盖55与凸轮底座51键形配合，起到传递扭矩及周向定位作用。

连接轴49穿过光孔将第五齿轮37与凸轮底座51连接，并且起到将第五齿轮37输出扭矩传递至凸轮底座51上的功能。凸轮底座51的第一凹槽511与第一凸起512、第二凹槽513与第二凸起514、曲面515，分别对应水黾机器人运动过程中的三种功能状态。第一凹槽511与第一凸起512对应水黾主动腿6回程，用于保持水黾主动腿6离开水面，第二凹槽513与第二凸起514对应水黾滑行状态，其保持水黾机器人主动腿6入水深度较小(1-2mm)，设计中第一凹槽511高度略高于第二凹槽513以实现上述功能，曲面515对应跳跃状态中主动腿摆动轨迹。第一凸起512和第二凸起514用于保持凸轮连接杆61在受弹簧7拉力作用下保持在第一凹槽511和第二凹槽513内。主动腿6默认状态为高于水面的回程状态，当凸轮连接杆61滑上斜面且高度高于第一凸起512，状态切换为滑行状态。跳跃状态时，凸轮继续运行推动凸轮连接杆61高于第二凸起514，弹簧7得到释放拉动凸轮连接杆61沿凸轮底座51上曲面515快速摆动，实现跳跃功能。

凸轮组5通过蜗轮齿轮减速组3与转轴4配合进行动力传递，凸轮组5与机架1相应结构共同实现驱动及释放功能，弹簧7两端分别与主动腿及机架相连随主动腿6摆动进行蓄力。控制电路由单片机进行PWM控制。该机器人能够通过改变电机运行状态进行直线滑行、左转滑行、右转滑行及跳跃功能，能够在水上实现连续运动。采用双电机2配置左右对称结构实现跳跃功能，凸轮组5实现机器人跳跃过程并实现滑行与跳跃过程切换和腿部运动轨迹的限制。主动腿6通过转轴48与凸轮组5中转动体连接，通过改变凸轮基座51曲面515形状可以实现对机器人跳跃过程划水动作轨迹的改变，驱动腿与一端连接于机架的弹簧相连实现蓄力功能。

具体实施方式二：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式的凸轮底座51上部设有依次连接的第一凹槽511、第一凸起512、第二凹槽513和第二凸起514，第一凹槽511到凸轮底座51底端的距离大于第二凹槽513到凸轮底座51底端的距离，第一凸起512到凸轮底座51底端的距离小于第二凸起514到凸轮底座51底端的距离。第一凸起512和第二凸起514用于对弹簧7拉力作用下的凸轮连接杆61进行限位。第一凸起512和第二凸起514用于对弹簧7拉力作用下的凸轮连接杆61进行限位，曲面515根据设定的腿部运动轨迹设计，曲面515用于机器人跳跃阶段，通过改变曲面形状可控制水黾腿部入水轨迹。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至图10说明本实施方式，本实施方式的蜗轮齿轮减速组3为6级减速，减速比为5140：1，蜗轮齿轮模数为0.2mm～0.3mm，蜗轮32、第一齿轮33、第二齿轮34、第三齿轮35和第四齿轮36均为塔轮。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式的凸轮连接杆61为一端带孔结构，凸轮连接杆61与凸轮底座51及转轴48构成转动副；耳形连接件62为通孔结构，其连接凸轮连接杆61及主动腿杆63，耳形连接件62的侧面为用于与弹簧7连接的耳形开孔结构。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式的销轴4为碳纤维杆材质，直径为0.5～1.5mm，根据各部分齿轮中心孔变化，主动腿足部64、第一支撑腿足部82和第二支撑腿足部84的材料为经月桂酸化学修饰后的超疏水性泡沫镍，接触角为161°。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

工作原理：

由于所述机器人为左右对称结构，此处以单侧进行举例。

滑行动作的实现：高速微型直流电机2通过蜗轮齿轮减速组3进行减速，齿轮37输出大扭矩，通过连接轴49作用，将扭矩传递至凸轮底座51，带动凸轮底座51旋转，由凸轮底座51上的第一凸起512带动主动腿的凸轮连接杆61发生旋转运动，当旋转到一定角度，凸轮连接杆61滑上机架斜面14并得到抬升，当高度高于第一凸起512顶部时，受弹簧7的作用，凸轮连接杆61滑至第二凹槽513处，此时主动腿6主动腿足部64低于水面1-2mm，高速微型直流电机2反转，带动凸轮连接杆61发生划水作用，当凸轮连接杆61滑到机架立柱13处时，受阻挡停止，此时凸轮底座51继续运动，凸轮连接杆61沿凸轮底座51上斜面滑回第一凹槽511处，反复运动实现滑行动作。通过改变两侧电机转速可以分别实现机器人的直行或转弯并可任意切换功能。

跳跃动作的实现：跳跃动作的前期运转情况与滑行动作一致，在控制上，将高速微型直流电机2的往复运动修改为整周运转。当凸轮连接杆61运动至机架斜面14上且高于第一凸起512时，滑动至第二凹槽513，由第二凸起514推动仍继续沿机架斜面14被抬升，其将越过第二凸起514顶部，此时，受弹簧7的作用，主动腿凸轮连接杆61将沿凸轮底座51的曲面515快速摆动至机架立柱1处，由于受弹簧7作用有较大的竖直向下方向的分力，凸轮连接杆61紧贴凸轮底座51曲面515运动，此时实现了主动腿6按照给定轨迹实现跳跃功能，能够较好实现对其入水过程的轨迹控制。当凸轮底座51继续运转，由于斜面14及弹簧7作用，凸轮连接杆61紧贴机架立柱13，且凸轮连接杆61被缓慢抬升，重新进入第一凹槽511处，随着凸轮底座51继续转动，由第一凸台512推动凸轮连接杆61继续重复上述运动，依此连续整周运转即可实现机器人跳跃功能。

以上动作功能的切换只需要在程序编程后，通过单片机发送切换指令，以相应的PWM信号进行控制，由于滑行动作与跳跃动作过程其驱动差别仅在于凸轮组5的往复运动与整周运动，故其状态切换过程并不影响其运动动作，如当机器人处于滑行到一半行程时立即切换至跳跃动作，此时凸轮直接单向运行即可，不会产生与其他机构干涉问题，若在跳跃指令执行一半行程还未起跳时直接切换滑行动作则机器人不会起跳直接进入滑行状态，该性能即是通过机械结构上的设计实现，保证了机器人运动状态的随时切换，有利于实现机器人各种条件下的自由运动。

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 (5)

1.一种仿水黾水上运动机器人，其特征在于，包括结构对称的机架(1)、沿机架(1)中心线对称设置的两组直流电机(2)、蜗轮齿轮减速组(3)、销轴(4)、凸轮组(5)、主动腿(6)、弹簧(7)和支撑腿(8)；

蜗轮齿轮减速组(3)包括蜗杆(31)、蜗轮(32)、第一齿轮(33)、第二齿轮(34)、第三齿轮(35)、第四齿轮(36)和第五齿轮(37)，销轴(4)包括第一转轴(41)、第二转轴(42)、第三转轴(43)、第四转轴(44)、第五转轴(45)、第六转轴(46)、支撑轴(47)、转轴(48)和连接轴(49)，凸轮组(5)包括第一凸轮底座(51)、转动体(52)和凸轮顶盖(53)，主动腿(6)包括凸轮连接杆(61)、耳形连接件(62)、主动腿杆(63)和主动腿足部(64)，支撑腿(8)包括第一支撑腿杆(81)、第一支撑腿足部(82)、第二支撑腿杆(83)和第二支撑腿足部(84)；

直流电机(2)设于机架(1)的电机安装孔(11)内，蜗杆(31)与直流电机(2)的输出轴连接，蜗轮(32)、第一齿轮(33)、第二齿轮(34)、第三齿轮(35)、第四齿轮(36)和第五齿轮(37)之间相互啮合且分别穿过第一转轴(41)、第二转轴(42)、第三转轴(43)、第四转轴(44)、第五转轴(45)和第六转轴(46)，第一转轴(41)、第二转轴(42)、第三转轴(43)、第四转轴(44)、第五转轴(45)和第六转轴(46)的两端分别设于机架(1)的轴套(12)内，转轴(48)依次穿过转动体(52)与凸轮连接杆(61)上开设的连接孔，转轴(48)、凸轮连接杆(61)与转动体(52)构成竖直方向摆动的转动副，凸轮底座(51)、转动体(52)和凸轮顶盖(53)从下到上依次装配在机架(1)上部，第五齿轮(37)与凸轮底座(51)上对应分别开有4个光孔，连接轴(49)穿过光孔将第五齿轮(37)与凸轮底座(51)连接，转动体(52)与凸轮底座(51)间隙配合，凸轮顶盖(53)与凸轮底座(51)键形配合，凸轮底座(51)上开有槽体(521)，凸轮连接杆(61)上端伸入槽体(521)内，下端通过耳形连接件(62)与主动腿杆(63)相连，主动腿杆(63)与主动腿足部(64)粘结，弹簧(7)一端与耳形连接件(62)连接，另一端与机架(1)上弹簧连接孔(15)连接，第一支撑腿杆(81)上端插入并粘结在机架(1)的第一支撑腿安装孔(16)内，下端与第一支撑腿足部(82)粘结，第二支撑腿杆(83)上端插入并粘结在机架(1)的第二支撑腿安装孔(111)内，下端与第二支撑腿足部(84)粘结。

2.根据权利要求1所述的仿水黾水上运动机器人，其特征在于，凸轮底座(51)上部设有依次连接的第一凹槽(511)、第一凸起(512)、第二凹槽(513)、第二凸起(514)和曲面(515)，第一凹槽(511)到凸轮底座(51)底端的距离大于第二凹槽(513)到凸轮底座(51)底端的距离，第一凸起(512)到凸轮底座(51)底端的距离小于第二凸起(514)到凸轮底座(51)底端的距离。

3.根据权利要求1所述的仿水黾水上运动机器人，其特征在于，蜗轮齿轮减速组(3)为6级减速，减速比为5140：1，蜗轮齿轮模数为0.2mm～0.3mm，蜗轮(32)、第一齿轮(33)、第二齿轮(34)、第三齿轮(35)和第四齿轮(36)均为塔轮。

4.根据权利要求1所述的仿水黾水上运动机器人，其特征在于，凸轮连接杆(61)为一端带孔结构，凸轮连接杆(61)与凸轮底座(51)及转轴(48)构成转动副；耳形连接件(62)为通孔结构，其连接凸轮连接杆(61)及主动腿杆(63)，耳形连接件(62)的侧面为用于与弹簧(7)连接的耳形开孔结构。

5.根据权利要求1所述的仿水黾水上运动机器人，其特征在于，销轴(4)为碳纤维杆材质，直径为0.5～1.5mm，主动腿足部(64)、第一支撑腿足部(82)和第二支撑腿足部(84)的材料为经月桂酸化学修饰后的超疏水性泡沫镍，接触角为161°。