CN104229087A - 一种仿水黾水面滑行机器人 - Google Patents

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一种仿水黾水面滑行机器人，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从根本上实现对水黾水面滑行运动机理的仿生的问题。本发明的仿水黾水面滑行机器人，其包括机架1、驱动腿2和支撑腿3，机架1包括底座11、轴一12、轴二13、轴三14和轴四15，驱动腿2包括驱动腿架21、轴五22、轴六23、轴七24、轴八25、凸轮齿轮26、摆腿架27、轴九28、摆腿29、微型直流电机210、蜗杆211、蜗轮齿轮212、双层齿轮213和连杆214；两条驱动腿2对称安装在机架1左右两侧，多条支撑腿3位于同一水平面上且分别对称固定在机架1的前端和后端。本发明用于仿水黾水上运动机器人。

Description

一种仿水黾水面滑行机器人
技术领域
本发明涉及仿生机器人领域，具体为一种能够在水面上滑行运动的机器人。
背景技术
随着微机电系统和机器人技术的发展，微型机器人以体积小、重量轻、低成本、低能耗、低噪音等优点，成为机器人研究领域的一个热点。微型水面机器人在水质监测、水上侦查、水上搜索与救援等方面有广阔的应用前景，近年来吸引了众多国内外研究人员的目光。例如专利水上漂浮仿生水黾机器人中，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。但目前的仿生水面行走机器人所采用的划水方式，有的采用电机直接带动丝状腿旋转拍水滑行；有的虽然模仿了水黾中腿的划水动作，却没有从根本上实现对水黾水面滑行运动机理的仿生。生物水黾经过长期的进化，其独特的划水运动方式具有合理性和最优性，使其能够充分利用水表面张力在水面上高效、灵活、快速地运动，所以为满足现有技术的需要，急需设计出一种仿水黾水面滑行机器人，驱动腿模拟生物水黾中腿类椭圆形划水轨迹动作，实现对水黾水面滑行运动机理的仿生。
发明内容
为了解决现有水面机器人不能从根本上实现对水黾水面滑行运动机理的仿生的问题，本发明提供了一种仿水黾水面滑行机器人。
本发明的技术方案是：一种仿水黾水面滑行机器人，包括机架1、驱动腿2和支撑腿3，机架1包括底座11、轴一12、轴二13、轴三14和轴四15，驱动腿2包括驱动腿架21、轴五22、轴六23、轴七24、轴八25、凸轮齿轮26、摆腿架27、轴九28、摆腿29、微型直流电机210、蜗杆211、蜗轮齿轮212、双层齿轮213和连杆214；
两条驱动腿2对称安装在机架1左右两侧，多条支撑腿3位于同一水平面上且分别与机架1相应孔紧配合对称固定在机架1的前端和后端，轴一12、轴二13、轴三14和轴四15分别紧固在底座11开设的相应孔内，轴五22、轴六23和轴七24分别紧固在驱动腿架21开设的相应孔内，轴八25紧配合固定在凸轮齿轮26的相应孔内，轴九28和摆腿29分别紧配合固定在摆腿架27的相应孔内，微型直流电机210紧配合固定在驱动腿架21的相应孔内，蜗杆211固定在微型直流电机210的轴上，蜗轮齿轮212与轴五22间隙配合，蜗轮齿轮212的蜗轮部分与蜗杆211啮合，双层齿轮213与轴六23间隙配合，双层齿轮213的大齿轮部分与蜗轮齿轮212的直齿齿轮部分啮合，凸轮齿轮26与轴七24间隙配合，凸轮齿轮26与双层齿轮213的小齿轮部分啮合，摆腿架27与轴六23间隙配合，连杆214两端分别与轴八25、轴九28间隙配合，驱动腿2与轴四15、轴一12间隙配合对称安装在机架1上，微型直流电机210通过蜗杆211、蜗轮齿轮212、双层齿轮213减速增矩后带动凸轮齿轮26旋转，驱动腿架21、轴七24、轴八25、凸轮齿轮26、连杆214、摆腿架27和轴九28组成四连杆机构，在水平面内实现摆腿29前后摆动，轴四15、驱动腿架21、轴八25、凸轮齿轮26和轴三14组成凸轮机构，凸轮齿轮26的凸轮部分靠驱动腿2的自身重力压在轴14上形成凸轮副，凸轮齿轮26的旋转运动在竖直面内实现摆腿29上下摆动。
本发明有益效果如下：本发明的仿水黾水面滑行机器人，总重约3.88g，采用四连杆加凸轮机构组成驱动机构，使驱动腿模拟生物水黾中腿类椭圆形划水轨迹动作进行划水，且划水过程中驱动腿始终没有刺破水面，从而像水黾一样充分利用水表面张力作为驱动力。机器人靠水表面张力在水面漂浮，能够平稳地在水面上进行直线和转弯运动，输入电压为3V时，机器人直线运动平均速度为16cm/s，转弯运动平均速度为23°/s，实现了对水黾水面滑行运动机理的仿生，同时还可用于生物水黾水面运动机理及相关仿生水面行走机器人技术研究。
附图说明
图1为本发明仿水黾水面滑行机器人的整体结构立体图；
图2为本发明仿水黾水面滑行机器人的整体结构侧视图；
图3为本发明仿水黾水面滑行机器人的机架立体图；
图4为本发明仿水黾水面滑行机器人的驱动腿立体图；
图5为本发明仿水黾水面滑行机器人的驱动腿架立体图；
图6为本发明仿水黾水面滑行机器人的凸轮齿轮立体图；
图7为本发明仿水黾水面滑行机器人的摆腿立体图。
部件名称及标号说明：
机架1、驱动腿2、支撑腿3、底座11、轴一12、轴二13、轴三14、轴四15、驱动腿架21、轴五22、轴六23、轴七24、轴八25、凸轮齿轮26、摆腿架27、轴九28、摆腿29、微型直流电机210、蜗杆211、蜗轮齿轮212、双层齿轮213、连杆214。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的仿水黾水面滑行机器人，包括机架1、驱动腿2和支撑腿3，机架1包括底座11、轴一12、轴二13、轴三14和轴四15，驱动腿2包括驱动腿架21、轴五22、轴六23、轴七24、轴八25、凸轮齿轮26、摆腿架27、轴九28、摆腿29、微型直流电机210、蜗杆211、蜗轮齿轮212、双层齿轮213和连杆214；
两条驱动腿2对称安装在机架1左右两侧，多条支撑腿3位于同一水平面上且分别与机架1相应孔紧配合对称固定在机架1的前端和后端，轴一12、轴二13、轴三14和轴四15分别紧固在底座11开设的相应孔内，轴五22、轴六23和轴七24分别紧固在驱动腿架21开设的相应孔内，轴八25紧配合固定在凸轮齿轮26的相应孔内，轴九28和摆腿29分别紧配合固定在摆腿架27的相应孔内，微型直流电机210紧配合固定在驱动腿架21的相应孔内，蜗杆211固定在微型直流电机210的轴上，蜗轮齿轮212与轴五22间隙配合，蜗轮齿轮212的蜗轮部分与蜗杆211啮合，双层齿轮213与轴六23间隙配合，双层齿轮213的大齿轮部分与蜗轮齿轮212的直齿齿轮部分啮合，凸轮齿轮26与轴七24间隙配合，凸轮齿轮26与双层齿轮213的小齿轮部分啮合，摆腿架27与轴六23间隙配合，连杆214两端分别与轴八25、轴九28间隙配合，驱动腿2与轴四15、轴一12间隙配合对称安装在机架1上，微型直流电机210通过蜗杆211、蜗轮齿轮212、双层齿轮213减速增矩后带动凸轮齿轮26旋转，驱动腿架21、轴七24、轴八25、凸轮齿轮26、连杆214、摆腿架27和轴九28组成四连杆机构，在水平面内实现摆腿29前后摆动，轴四15、驱动腿架21、轴八25、凸轮齿轮26和轴三14组成凸轮机构，凸轮齿轮26的凸轮部分靠驱动腿2的自身重力压在轴14上形成凸轮副，凸轮齿轮26的旋转运动在竖直面内实现摆腿29上下摆动。
具体实施方式二：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的凸轮齿轮26与双层齿轮213的小齿轮部分啮合后的减速比为6:1，蜗轮齿轮212的蜗轮部分与蜗杆211啮合后的减速比为18:1，双层齿轮213的大齿轮部分与蜗轮齿轮212的直齿齿轮部分啮合后的减速比为4:1。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7说明本实施方式，本实施方式的支撑腿3的数量为十条。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7说明本实施方式，本实施方式的底座11的材质为塑料，采用3D打印加工，轴一12、轴二13、轴三14和轴四15的材质为碳纤维棒。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7说明本实施方式，本实施方式的支撑腿3的材质为细铜丝，铜丝表面利用电化学沉积和纳米自组装技术进行超疏水处理。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
工作原理：
本发明的仿水黾水面滑行机器人运动的基本原理是：支撑腿3表面具有超疏水性，能够提供充足的负载能力使机器人稳定地漂浮在水面上，且负载能力主要来自水表面张力，实现对水黾水面漂浮机理的仿生；微型直流电机210通过蜗杆211、蜗轮齿轮212、双层齿轮213减速增矩后带动凸轮齿轮26旋转；
驱动腿架21、轴七24、轴八25、凸轮齿轮26、连杆214、摆腿架27、轴九28组成四连杆机构，在水平面内实现摆腿29前后摆动，轴四15、驱动腿架21、轴八25、凸轮齿轮26、轴三14组成凸轮机构，凸轮齿轮26凸轮部分靠驱动腿2自身重力压在轴三14上形成凸轮副，凸轮齿轮26的旋转运动在竖直面内实现摆腿29上下摆动，通过这种四连杆加凸轮机构实现驱动腿2的类椭圆形划水轨迹动作；
水表面张力在水黾水面运动中起主导作用，要求驱动腿始终保持在水-空气界面上，四连杆机构带动摆腿29在水平面内前后摆动摆幅为75°，凸轮机构带动摆腿29在竖直面内上下摆动摆幅为8.83°，复合成的类椭圆形划水轨迹能够保证摆腿29划水过程中不刺破水面，弯曲变形的水面使摆腿29沿水平方向获得大的向前水表面张力分力作用，因而能够像水黾一样充分利用水表面张力作为驱动力推动机器人运动，从而实现了对水黾水面滑行运动机理的仿生；驱动腿2上的微型直流电机通过导线与外部单片机控制系统相连，所用单片机控制系统为现有技术，当两条驱动腿2一致动作划水时，机器人实现直线运动，当两者不同步划水时实现转弯运动。
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)

1.一种仿水黾水面滑行机器人，其特征在于，包括机架(1)、驱动腿(2)和支撑腿(3)，机架(1)包括底座(11)、轴一(12)、轴二(13)、轴三(14)和轴四(15)，驱动腿(2)包括驱动腿架(21)、轴五(22)、轴六(23)、轴七(24)、轴八(25)、凸轮齿轮(26)、摆腿架(27)、轴九(28)、摆腿(29)、微型直流电机(210)、蜗杆(211)、蜗轮齿轮(212)、双层齿轮(213)和连杆(214)；
两条驱动腿(2)对称安装在机架(1)左右两侧，多条支撑腿(3)位于同一水平面上且分别与机架(1)相应孔紧配合对称固定在机架(1)的前端和后端，轴一(12)、轴二(13)、轴三(14)和轴四(15)分别紧固在底座(11)开设的相应孔内，轴五(22)、轴六(23)和轴七(24)分别紧固在驱动腿架(21)开设的相应孔内，轴八(25)紧配合固定在凸轮齿轮(26)的相应孔内，轴九(28)和摆腿(29)分别紧配合固定在摆腿架(27)的相应孔内，微型直流电机(210)紧配合固定在驱动腿架(21)的相应孔内，蜗杆(211)固定在微型直流电机(210)的轴上，蜗轮齿轮(212)与轴五(22)间隙配合，蜗轮齿轮(212)的蜗轮部分与蜗杆(211)啮合，双层齿轮(213)与轴六(23)间隙配合，双层齿轮(213)的大齿轮部分与蜗轮齿轮(212)的直齿齿轮部分啮合，凸轮齿轮(26)与轴七(24)间隙配合，凸轮齿轮(26)与双层齿轮(213)的小齿轮部分啮合，摆腿架(27)与轴六(23)间隙配合，连杆(214)两端分别与轴八(25)、轴九(28)间隙配合，驱动腿(2)与轴四(15)、轴一(12)间隙配合对称安装在机架(1)上，微型直流电机(210)通过蜗杆(211)、蜗轮齿轮(212)、双层齿轮(213)减速增矩后带动凸轮齿轮(26)旋转，驱动腿架(21)、轴七(24)、轴八(25)、凸轮齿轮(26)、连杆(214)、摆腿架(27)和轴九(28)组成四连杆机构以实现摆腿(29)在水平面内前后摆动，轴四(15)、驱动腿架(21)、轴八(25)、凸轮齿轮(26)和轴三(14)组成凸轮机构，凸轮齿轮(26)的凸轮部分依靠驱动腿(2)的自身重力压在轴(14)上形成凸轮副，凸轮齿轮(26)进行旋转运动以在竖直面内实现摆腿(29)的上下摆动。
2.根据权利要求1所述的仿水黾水面滑行机器人，其特征在于，凸轮齿轮(26)与双层齿轮(213)的小齿轮部分啮合后的减速比为6:1，蜗轮齿轮(212)的蜗轮部分与蜗杆(211)啮合后的减速比为18:1，双层齿轮(213)的大齿轮部分与蜗轮齿轮(212)的直齿齿轮部分啮合后的减速比为4:1。
3.根据权利要求2所述的仿水黾水面滑行机器人，其特征在于，支撑腿(3)的数量为十条。
4.根据权利要求1所述的仿水黾水面滑行机器人，其特征在于，底座(11)的材质为塑料，采用3D打印加工，轴一(12)、轴二(13)、轴三(14)和轴四(15)的材质为碳纤维棒。
5.根据权利要求1所述的仿水黾水面滑行机器人，其特征在于，支撑腿(3)的材质为细铜丝，铜丝表面利用电化学沉积和纳米自组装技术进行超疏水处理。
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