CN104828168B - 一种两栖蛙板机器人的双摆臂运动机构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种两栖蛙板机器人的双摆臂运动机构,其包括：直流电机、锥齿轮、转动轴、曲柄圆盘、圆盘沟槽、舵机、舵机连杆、竖直连杆、长连杆、两个短连杆、滑块、滑轨及两个腿臂；这种机构可以实现双摆臂的运动动作，由于采用了曲柄连杆机构，腿臂摆动对称，具有功耗低，可靠性高的优点，还能实现摆动幅度和摆动速度的调节。

Description

一种两栖蛙板机器人的双摆臂运动机构

技术领域

本发明涉及一种两栖蛙板机器人的双摆臂运动机构，属于机器人技术领域。

背景技术

机器人技术伴随着机械电子、控制理论、材料仿生学、计算机等学科的发展而兴起，在日常生活、工业、农业以及军事领域的发展运用中起着非常重要的作用。两栖仿生机器人作为机器人学的一个分支，是目前研究的一个热点，两栖机器人的研究目标就是找到适当的机器人运动方式、最优化机械设计和改善机器人对环境的感知能力。

目前机器人在陆地上和水下的运动方式主要有轮式、履带式、腿式、蛇行式、波动式、拍动式、螺旋桨式以及射流式等。不同的运动方式在不同的领域具有各自不同的优缺点，例如轮式在陆地上具有行进速度快的优点，然而越障能力差，在水下更是很难行进；波动式推进在水下具有效率高、可利用周围能量的优点，然而在陆地上则很难行进，这给两栖机器人的设计带来了难点，因此，一般的两栖机器人均采用两种或两种以上的运动方式。要将多种运动方式结合起来，一般都需要通过多个电机带动机器人不同的部位以实现两栖环境下不同的功能，这样往往造成的后果是机器人机械结构复杂，控制难度大，研究一种运动方式和控制简单，可以利用更少的执行机构并实现两栖功能的机器人就成为了需求。

蛙式滑板车是目前一种很流行的健身运动车，运用左右滑动的原理，利用人的双腿向外的推力和向内的收力联合产生向前的推力，这种运动方式也属于一种特殊的轮式运动，之所以称为蛙式滑板车是因为这个动作很像青蛙在水中的一开一合的游泳动作。青蛙在水中游泳时，正是利用蛙式摆动，通过青蛙尾蹼产生向前的推力，因此，将蛙式滑板车与青蛙游泳这种双摆臂的运动方式结合起来可以成为研究新型两栖机器人的途径。

双摆臂的运动方式可以通过两个电机分别单独驱动，这是自然而然能想到的方式，然而由于腿臂的摆动是往复进行的，那么就需要电机不断的进行正反转，这样一来大大的增加了电机的功耗；此外，由于腿臂的摆动只能在某个摆动幅度内，因此需要通过传感器来实时检测两个腿臂的位置，一旦检测出错，很容易导致腿臂相撞或摆角太大，发生危险；两个电机驱动容易导致腿臂摆动不对称，而出现重心不稳的问题。根据蛙式滑板车以及蛙泳动作的经验，腿臂的摆幅的大小以及摆动的速度对行进的速度的影响很大。如图1所示为两栖蛙板机器人整体结构图，两栖蛙板机器人是在蛙式滑板车和蛙泳动作的激发下而诞生的，它是一种新型的仿生两栖机器人，在陆地上采用类似于蛙式滑板车的运动方式前进，通过腿臂14的摆动带动两个反偏向轮16摆动，通过反偏向轮16与地面的摩擦力来获得推力；在水下则模仿青蛙的游泳动作，通过双摆臂的运动带动腿臂14末端的柔性尾鳍15进行摆动获得推力，前轮17为被动轮，可在推力下进行滚动，腿臂的实时摆幅和摆动速度可以通过角度传感器13进行实时测量。图2所示为两栖蛙板机器人的双电机驱动结构图，在左右对称分布的两个电机1的带动下，可以实现腿臂14的蛙式摆动。这种双电机驱动的缺点是电机来回正反转，功耗较大；腿臂14的摆动只能在某个摆动幅度内，因此需要通过传感器来实时检测两个腿臂14的位置，一旦检测出错，很容易导致腿臂14相撞或摆角太大，发生危险；两个电机驱动容易导致腿臂摆动不对称，而出现重心不稳的问题。

综上所述，如何研究一种可以实现双摆臂的运动结构，并且具有功耗低、可靠性高，还能实现摆动速度与摆动幅度调整的机构成为了一个需要研究的难点问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种两栖蛙板机器人的双摆臂运动机构。这种机构可以实现双摆臂的运动动作，由于采用了曲柄连杆机构，腿臂摆动对称，具有功耗低，可靠性高的优点，还能实现摆动幅度和摆动速度的调节。

本发明的两栖蛙板机器人的双摆臂运动机构，其包括：直流电机、锥齿轮、转动轴、曲柄圆盘、圆盘沟槽、舵机、舵机连杆、竖直连杆、长连杆、两个短连杆、滑块、滑轨及两个腿臂；

锥齿轮由第一锥齿轮和第二锥齿轮组成；曲柄圆盘上设有圆弧形的圆盘沟槽；

连接关系为：直流电机固定于安装基板的上方，滑轨通过基座安装于安装基板的下方；滑块与滑轨滑动配合；转动轴穿过安装基板后与曲柄圆盘固定连接；

直流电机的电机轴与第一锥齿轮连接，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，第二锥齿轮与转动轴固定连接；曲柄圆盘与转动轴固定连接；舵机固定于曲柄圆盘上；舵机连杆一端与舵机的输出轴连接，另一端与竖直连杆的一端连接；竖直连杆的另一端插入圆盘沟槽内与长连杆一端铰接，长连杆另一端分别与滑块铰接和两个短连杆一端铰接；两个短连杆另一端分别与两个腿臂连接。

进一步的，两栖蛙板机器人的双摆臂运动方式如下：

控制直流电机转动，带动第一锥齿轮转动，第一锥齿轮带动与其啮合的第二锥齿轮转动，第二锥齿轮带动转动轴和曲柄圆盘转动；

控制舵机的输出轴相对曲柄圆盘转动，则舵机的输出轴带动舵机连杆转动，舵机连杆带动竖直连杆在圆盘沟槽内移动；竖直连杆带动长连杆转动；长连杆带动滑块在滑轨内做直线往复运动，同时带动两个短连杆转动；短连杆带动腿臂进行摆动。

工作原理：

本发明的有益效果：

1、本发明能够减少两栖蛙板机器人的执行机构的数量，只通过一个电机就能实现两个腿臂的同时摆动；

2、本发明中电机的单方向的转动就能实现腿臂的里外摆动，克服了两个单独电机驱动时需要电机不断正反转的缺点；

3、本发明能够实现腿臂的对称摆动，克服了单独驱动时摆动不对称，容易使机器人重心不稳而倾倒的缺点。

附图说明

图1是两栖蛙板机器人整体结构图；

图2是两栖蛙板机器人双电机驱动结构图；

图3是双摆臂运动机构俯视图

图4是双摆臂运动机构仰视图；

图5是双摆臂运动机构侧视图；

图6是双摆臂运动机构后视图；

图7是双摆臂运动机构前视图；

图8是曲柄圆盘与舵机连杆结构图；

图9是曲柄滑块机构的结构简图及摆幅与曲柄位置的关系；

图10是不同曲柄长度下的摆幅情况。

其中，1-直流电机、2-锥齿轮、3-转动轴、4-曲柄圆盘、5-圆盘沟槽、6-舵机、7-舵机连杆、8-竖直连杆、9-长连杆、10-短连杆、11-滑块、12-滑轨、13-角度传感器、14-腿臂、15-尾鳍、16-反偏向轮、17-前轮。

具体实施方式

下面结合附图举例说明本发明的内容。

如附图3、4、5、6和7所示，本发明针对两栖蛙板机器人双电机驱动带来的问题，设计了一种双摆臂运动机构，包括直流电机1、锥齿轮2、转动轴3、曲柄圆盘4、圆盘沟槽5、舵机6、舵机连杆7、竖直连杆8、长连杆9、短连杆10、滑块11、滑轨12及腿臂14。

锥齿轮2由第一锥齿轮和第二锥齿轮组成；曲柄圆盘4上设有圆弧形的圆盘沟槽5。

连接关系为：直流电机1固定于安装基板的上方，滑轨12通过基座安装于安装基板的下方；滑块11与滑轨12滑动配合；转动轴3穿过安装基板后与曲柄圆盘4固定连接；

直流电机1的电机轴与第一锥齿轮连接，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，第二锥齿轮与转动轴3固定连接；曲柄圆盘4与转动轴3固定连接；舵机6固定于曲柄圆盘4上；舵机连杆7一端与舵机6的输出轴连接，另一端与竖直连杆8的一端连接；竖直连杆8的另一端插入圆盘沟槽5内与长连杆9一端铰接；长连杆9另一端分别与滑块11和两个短连杆10一端铰接；两个短连杆10另一端分别与两个腿臂14连接。

通过控制直流电机1的转动，可以带动锥齿轮2的转动，锥齿轮2的转动则会带动与其固定在一起的转动轴3转动，由于曲柄圆盘4也与转动轴3固连在一起，因此转动圆盘会随转动轴3的转动而转动。转动轴3的转动通过圆盘沟槽5与舵机连杆7的束缚带动竖直连杆8转动。竖直连杆8与长连杆9进行铰接，会随长连杆9进行摆动，由于长连杆9的末端与短连杆10和滑块11进行了铰接，因此滑块11会在滑轨12上做直线往复运动，短连杆10则在滑块11的带动下使腿臂完成里摆动，如附图9所示，为曲柄滑块机构的结构简图，可以看出摆动的幅度与曲柄位置的关系。

如附图8所示，为曲柄圆盘和舵机连杆机构图，转动轴3带动曲柄圆盘4转动，竖直连杆8与舵机连杆7连接在一起，控制舵机6的转动可以通过舵机连杆7带动竖直连杆8在圆盘沟槽5转动；竖直连杆8与转轴3的直线距离就是曲柄滑块机构曲柄的有效长度，竖直连杆8离圆盘沟槽5边缘越近，曲柄有效长度越大，滑块11做直线往复运动的振幅越大，腿臂14的摆动的幅度也会越大，如附图10所示，是曲柄有效长度在不同长度下，腿臂的实时摆角与时间的关系，可以看出，曲柄有效长度越大，腿臂14摆动幅度越大，腿臂14摆角的变化与时间近似成正弦变化关系；在腿臂14摆动的过程中，舵机6可以随时转动，因此腿臂14的摆幅可以实时进行调节，使机器人更加灵活。

曲柄滑块机构可以将实现非整周或整周的回转运动与直线往复运动的相互转换，本发明首先利用曲柄滑块机构将直流电机的整周回转运动转换为滑块在滑轨上的直线往复运动，又通过滑块的直线往复运动分别实现左右腿臂的非整周的回转运动，使腿臂的在某个摆幅内往复摆动，改变直流电机的转动速度，便可以改变摆动的速度，实现了两栖蛙板机器人的双摆臂运动的形式和摆动速度的调整。

在同一曲柄滑块机构中，曲柄的长度不同，滑块的直线往复运动的振幅不同，在本发明中，滑块直线往复运动的振幅直接影响腿臂的摆动幅度，当滑块在滑轨的最上端时，腿臂摆动在最外边；当滑块达到滑轨的最下端时，腿臂摆动在最里边。通过舵机的转动可以改变曲柄的有效长度，因此可以实现腿臂摆动幅度的调整。

因此本发明使机器人腿臂的摆动在一定的幅度内，不会出现单独驱动时位置检测出错导致的腿臂相撞或摆角太大的问题；通过舵机实时改变曲柄的有效长度，可以改变腿臂的摆动幅度；通过改变直流电机的转动速度，可以实时调节腿臂的摆动速度。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种两栖蛙板机器人的双摆臂运动机构，其特征在于，包括：直流电机(1)、锥齿轮(2)、转动轴(3)、曲柄圆盘(4)、圆盘沟槽(5)、舵机(6)、舵机连杆(7)、竖直连杆(8)、长连杆(9)、两个短连杆(10)、滑块(11)、滑轨(12)及两个腿臂(14)；

锥齿轮(2)由第一锥齿轮和第二锥齿轮组成；曲柄圆盘(4)上设有圆弧形的圆盘沟槽(5)；

连接关系为：直流电机(1)固定于安装基板的上方，滑轨(12)通过基座安装于安装基板的下方；滑块(11)与滑轨(12)滑动配合；转动轴(3)穿过安装基板后与曲柄圆盘(4)固定连接；

直流电机(1)的电机轴与第一锥齿轮连接，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，第二锥齿轮与转动轴(3)固定连接；曲柄圆盘(4)与转动轴(3)固定连接；舵机(6)固定于曲柄圆盘(4)上；舵机连杆(7)一端与舵机(6)的输出轴连接，另一端与竖直连杆(8)的一端连接；竖直连杆(8)的另一端插入圆盘沟槽(5)内与长连杆(9)一端铰接，长连杆(9)另一端分别与滑块(11)铰接和两个短连杆(10)一端铰接；两个短连杆(10)另一端分别与两个腿臂(14)连接。

2.如权利要求1所述的两栖蛙板机器人的双摆臂运动机构，其特征在于，两栖蛙板机器人的双摆臂运动方式如下：

控制直流电机(1)转动，带动第一锥齿轮转动，第一锥齿轮带动与其啮合的第二锥齿轮转动，第二锥齿轮带动转动轴(3)和曲柄圆盘(4)转动；

控制舵机(6)的输出轴相对曲柄圆盘(4)转动，则舵机(6)的输出轴带动舵机连杆(7)转动，舵机连杆(7)带动竖直连杆(8)在圆盘沟槽(5)内移动；竖直连杆(8)带动长连杆(9)转动；长连杆(9)带动滑块(11)在滑轨(12)内做直线往复运动，同时带动两个短连杆(10)转动；短连杆(10)带动腿臂(14)进行摆动。