CN105313110A - 一种水下滑翔蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人机构，具体地说是一种水下滑翔蛇形机器人，包括多个模块，每个模块均包括自扩张部分及转动驱动部分；自扩张部分包括扩张外壳、弹性橡胶套、扩张舵机、舵机输出轴及连杆伸缩机构，扩张舵机安装在扩张外壳内，舵机输出轴与扩张舵机相连，在舵机输出轴的圆周方向均布有多个连杆伸缩机构，弹性橡胶套套在扩张外壳的外部、并与扩张外壳密封连接，扩张舵机通过连杆伸缩机构带动弹性橡胶套扩张或收缩，进而实现自扩张部分体积增大或减小。本发明实现了水下滑翔蛇形机器人的长航程与机动性的完美结合，自扩张部分实现水下滑翔蛇形机器人水下低动力滑翔，蛇形结构实现了机器人水下的灵活机动。

Description

一种水下滑翔蛇形机器人

技术领域

本发明涉及机器人机构，具体地说是一种水下滑翔蛇形机器人。

背景技术

蛇形机器人具有稳定性好、横截面小、柔性等特点，能在各种不同的水域潜游，并且可以根据自身的体积变化来改变水对水下滑翔蛇形机器人的浮力，使机器人在水中完成上浮、下潜、前进、后退的运动。机器人在水下的前进、后退等运动还可以通过模仿生物蛇的运动模式来主动实现。在目前已有的蛇形机器人中，绝大多数都是应用于陆地环境，无法在水下环境中进行长距离的潜游。

发明内容

为了解决现有蛇形机器人不适用于长距离的水下潜游问题，本发明的目的在于提供一种水下滑翔蛇形机器人。该水下滑翔蛇形机器人能够在水下长时间、远距离潜游。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括多个形状结构相同、且依次连接的模块，每个所述模块均包括相互密封连接的自扩张部分及转动驱动部分；所述自扩张部分包括扩张外壳、弹性橡胶套、扩张舵机、舵机输出轴及连杆伸缩机构，其中扩张舵机安装在所述扩张外壳内，所述舵机输出轴与该扩张舵机的输出端相连，在所述舵机输出轴的圆周方向均布有多个连杆伸缩机构，所述弹性橡胶套套在扩张外壳的外部、并与所述扩张外壳密封连接，所述扩张舵机通过连杆伸缩机构带动该弹性橡胶套扩张或收缩，进而实现所述自扩张部分体积增大或减小；所述转动驱动部分包括外壳及分别安装在外壳内的舵机、差动驱动机构及第一连接板，该第一连接板的一端通过所述差动驱动机构与舵机相连，另一端与相邻模块的自扩张部分连接，两相邻模块中的一个相对另一个具有水平偏转及仰俯摆两个自由度。

其中：所述连杆伸缩机构包括旋转法兰、直线轴承、扩张杆、摆杆及横杆，所述舵机输出轴上设有与其连动的旋转法兰，该旋转法兰的圆周方向均布有多个摆杆，所述摆杆的一端与旋转法兰铰接，另一端与所述扩张杆的一端铰接，所述扩张杆的另一端通过直线轴承与所述扩张外壳连接、并穿出扩张外壳与所述横杆相连，所述弹性橡胶套与多个横杆连动，通过所述扩张舵机的驱动扩张或收缩；所述旋转法兰为两个，分别安装在所述舵机输出轴上，并随舵机输出轴旋转；每个旋转法兰圆周方向均布的摆杆的数量相同，且两个旋转法兰的安装角度相同；两个旋转法兰中位置相同的摆杆所铰接的扩张杆分别连接于一根所述横杆的两端；

所述扩张外壳的一端与外壳密封连接，另一端密封连接有外壳端盖，该扩张外壳的外圆直径与所述外壳的外圆直径相同；所述弹性橡胶套的两端分别与扩张外壳密封连接；

所述舵机包括第一偏转舵机及第二偏转舵机，所述差动驱动机构包括第一～六直齿轮及第一～三伞齿轮，第一直齿轮连接于所述第一偏转舵机的输出轴、通过第二直齿轮与第三直齿轮啮合传动，所述第三直齿轮与第一伞齿轮同轴连动，该第一伞齿轮通过第二伞齿轮与第三伞齿轮啮合传动；所述第六直齿轮连接于第二偏转舵机的输出轴、通过第五直齿轮与第四直齿轮啮合传动，所述第四直齿轮与第三伞齿轮同轴连动；所述第一连接板固接于第二伞齿轮的齿轮轴、与其连动；所述第一、二偏转舵机分别通过第二连接板安装在外壳内，且第一、二偏转舵机的输出端朝向相反，所述第一～三直齿轮及第四～六直齿轮分别位于所述外壳内的两侧；所述第一伞齿轮与第三伞齿轮的轴线共线，第二伞齿轮位于第一、三伞齿轮的下方，所述第二伞齿轮的轴线垂直于第一、三伞齿轮的轴线；所述第一连接板为“L”形，其一边与第二伞齿轮的齿轮轴固接，另一边开有与相邻模块的自扩张部分相连接的圆孔；

所述外壳的外圆周表面均布有多个与表面垂直的翼；相邻的所述模块之间设有可伸缩的防水护套，所述水下滑翔蛇形机器人两端的模块上分别安装有外罩。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明实现了水下滑翔蛇形机器人的长航程与机动性的完美结合，自扩张部分实现水下滑翔蛇形机器人水下低动力滑翔，蛇形结构实现了机器人水下的灵活机动。

2.本发明通过自扩张部分的体积增大或减小，进而改变浮力，实现水下滑翔蛇形机器人在低动力下的长航程，降低了水下滑翔蛇形机器人的功耗。

3.本发明的模块具有两个偏转自由度和一个扩张自由度，运动灵活。

4.本发明相邻模块之间设置了防水护套，密封性好，防止了模块内部进水。

5.本发明的水下滑翔蛇形机器人结构简单，安装方便。

附图说明

图1为本发明外形的立体结构示意图；

图2为本发明模块的立体结构示意图；

图3为本发明模块的自扩张部分收缩状态的结构等轴视图；

图4为本发明模块的自扩张部分扩张状态的结构主视图；

图5为本发明模块的自扩张部分拿掉弹性橡胶套后的立体结构示意图；

图6为本发明模块的自扩张部分拿掉扩张外壳后的立体结构示意图；

图7为本发明模块的结构主视图；

图8为本发明模块的转动驱动部分的内部结构示意图；

图9为本发明模块的转动驱动部分的结构等轴视图；

其中：1为模块，2为防水护套，3为扩张外壳，4为弹性橡胶套，5为外罩，6为扩张舵机，7为扩张支座，8为舵机输出轴，9为旋转法兰，10为直线轴承，11为扩张杆，12为摆杆，13为横杆，14为外壳端盖，15为圆柱，16为外壳，17为第一连接板，18为第二连接板，19为第一偏转舵机，20为第二偏转舵机，21为第一直齿轮，22为第二直齿轮，23为第三直齿轮，24为第一伞齿轮，25为第二伞齿轮，26为第三伞齿轮，27为第六直齿轮，28为第五直齿轮，29为第四直齿轮，30为翼，31为圆孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1、图2所示，本发明的水下滑翔蛇形机器人包括多个形状结构相同、且依次连接的模块1，相邻模块1之间设有可伸缩的防水护套2，水下滑翔蛇形机器人两端的模块1上分别安装有外罩5，外罩5为透明的半球型塑料罩。每个模块1均包括相互密封连接的自扩张部分及转动驱动部分。

如图3～6所示，自扩张部分包括扩张外壳3、弹性橡胶套4、扩张舵机6、扩张支座7、舵机输出轴8、连杆伸缩机构及外壳端盖14，该连杆伸缩机构包括旋转法兰9、直线轴承10、扩张杆11、摆杆12及横杆13，弹性橡胶套4套在扩张外壳3的外部，弹性橡胶套4的两端分别与扩张外壳3密封连接；扩张支座7固定在扩张外壳3内，外壳端盖14固定在扩张外壳3上，扩张舵机6固定在扩张支座7上，舵机输出轴8的一端与扩张舵机6的输出端相连，另一端转动安装在外壳端盖14上；该外壳端盖14的外表面设有圆柱15。舵机输出轴8上固连有与其连动的旋转法兰9，旋转法兰9为圆盘状结构；本实施例的旋转法兰9为两个，每个旋转法兰9的圆周方向分别均布有多个摆杆12，每个旋转法兰9圆周方向均布的摆杆12的数量相同，且两个旋转法兰9的安装角度相同，本实施例的每个旋转法兰9上各均布了四个摆杆12(共计八个摆杆)。每个摆杆12的一端与旋转法兰9铰接，另一端与扩张杆11(本实施例共计八个)的一端铰接，扩张杆11的另一端通过直线轴承10(本实施例共计八个)与扩张外壳3连接、并穿出扩张外壳3；两个旋转法兰9中位置相同的摆杆12所铰接的扩张杆11的另一端分别连接于一根横杆13的两端，与横杆13实现同步运动。弹性橡胶套4与各横杆13连动，当扩张舵机6动作，依次通过旋转法兰9、摆杆12、扩张杆11，最终输出到与横杆13相连的弹性橡胶套4上。当每个旋转法兰9上的四根扩张杆11向外伸出带动弹性橡胶套4整体向外扩张，则模块1的自扩张部分直径增大、体积增大，同时浮力增大；当每个旋转法兰9上的四根扩张杆11向内收缩带动弹性橡胶套4整体向内收缩，则模块1的自扩张部分直径减小、体积减小，同时浮力减小。

如图7～9所示，模块1的转动驱动部分包括外壳16及分别安装在外壳16内的舵机、差动驱动机构及第一、二连接板17、18，其中舵机包括第一偏转舵机19及第二偏转舵机20，第一、二偏转舵机19、20分别通过第二连接板18安装在外壳16内，第一偏转舵机19位于第二偏转舵机20的上方，第一、二偏转舵机19、20的输出端朝向相反。差动驱动机构包括第一～六直齿轮及第一～三伞齿轮，第一～三直齿轮位于第一偏转舵机19的输出端方向，第四～六直齿轮位于第二偏转舵机20的输出端方向；第一直齿轮21固接于第一偏转舵机19的输出轴，随着第一偏转舵机19的输出轴转动，第一直齿轮21通过第二直齿轮22与第三直齿轮23啮合传动，第三直齿轮23与第一伞齿轮24同轴连动，第一伞齿轮24通过第二伞齿轮25与第三伞齿轮26啮合传动；第六直齿轮27固接于第二偏转舵机20的输出轴，随着第二偏转舵机20的输出轴转动，第六直齿轮27通过第五直齿轮28与第四直齿轮29啮合传动，第四直齿轮29与第三伞齿轮26同轴连动；第一伞齿轮24与第三伞齿轮26的轴线共线，第二伞齿轮25位于第一、三伞齿轮24、26的下方，第二伞齿轮25的轴线垂直于第一、三伞齿轮24、26的轴线；第一连接板17固接于第二伞齿轮25的齿轮轴、并与其连动。

第一连接板17为“L”形，其一边与第二伞齿轮25的齿轮轴固接，另一边加工有圆孔31，与外壳端盖14中心处的圆柱15相连，并通过螺钉连接，这样即通过第一连接板17将相邻的两个模块1连接起来。

外壳16为圆筒形，上面均匀有多个与外壳表面垂直的翼30，翼30至少有两个，本实施例设置了四个翼。扩张外壳3的一端与外壳16的一端密封连接，外壳端盖14密封连接于扩张外壳3的另一端，扩张外壳3的外圆直径与外壳16的外圆直径相同。防水护套2密封连接于一个模块1中外壳16的另一端与相邻的另一个模块1中扩张外壳3之间。

本发明的水下滑翔蛇形机器人，端部的模块1内部可只设有扩张舵机6及外壳端盖14，其它模块的结构相同，均具有扩张、水平偏转及仰俯摆动的三个自由度。

本发明的工作原理为：

第一偏转舵机19工作，带动第一直齿轮21转动，通过第二直齿轮22驱动第三直齿轮23转动；由于第一伞齿轮24与第三直齿轮23同轴连动，因此第一伞齿轮24与第三直齿轮23共同转动。同时，第二偏转舵机20工作，带动第六直齿轮27转动，通过第五直齿轮28驱动第四直齿轮29转动；由于第三伞齿轮26与第四直齿轮29同轴连动，因此第三伞齿轮26与第四直齿轮29共同转动。当第一伞齿轮24与第三伞齿轮26以相同方向，相同速度转动时，通过第二伞齿轮25分别与第一、三伞齿轮24、26的啮合，使得第二伞齿轮25带动第一连接板17产生仰俯摆动；当第一伞齿轮24与第三伞齿轮26以相反方向，相同速度转动时，即使得第二伞齿轮25带动第一连接板17产生水平偏转。一个模块的第一连接板17是与下一个模块外壳端盖14相连，因此下一个模块即可实现水平偏转及仰俯摆动。

水下滑翔蛇形机器人包括多个模块1和两端各一个简化的内部只设有扩张舵机6及外壳端盖14的模块1。扩张舵机6通过舵机输出轴8带动两个旋转法兰9同时旋转，旋转法兰9通过与其相连的四个摆杆12带动四个扩张杆11运动，四个扩张杆11均匀分布在扩张外壳3圆周上。本发明中扩张外壳3的圆周上可设计多个扩张杆11，本实施例中每个模块1安装四个。水下滑翔蛇形机器人潜入水中并水平悬浮时，当扩张舵机6带动扩张杆11、横杆13向扩张外壳3外部伸出时，横杆13连同弹性橡胶套4向外扩张，使水下滑翔蛇形机器人的自扩张部分的直径加大，水下滑翔蛇形机器人在水中体积增加，相应的浮力也随之增加。反之，当扩张舵机6反方向转动带动横杆13、弹性橡胶套4向内收缩，使水下滑翔蛇形机器人的自扩张部分体积减小，相应部位的浮力也同时减小。当水下滑翔蛇形机器人前端多个模块1的自扩张部分体积增大，其余模块1的自扩张部分体积减小，则水下滑翔蛇形机器人整体向斜上方滑翔。当水下滑翔蛇形机器人前端多个模块1的自扩张部分体积减小，其余模块1的自扩张部分体积增大，则水下滑翔蛇形机器人整体向斜下方滑翔。通过上述原理可以实现水下滑翔蛇形机器人在低动力驱动下实现在水面下沿正弦波轨迹向前运动。

本发明在水中时，翼30处于任意方向都可以运动；模块1可互换，可用模块1组成不同长度的水下滑翔蛇形机器人。本发明的扩张舵机6、第一偏转舵机19及第二偏转舵机20以电机为主结构，为市购产品，可购置于台湾Futaba公司，型号为S3305。

Claims (10)

1.一种水下滑翔蛇形机器人，其特征在于：包括多个形状结构相同、且依次连接的模块(1)，每个所述模块(1)均包括相互密封连接的自扩张部分及转动驱动部分；所述自扩张部分包括扩张外壳(3)、弹性橡胶套(4)、扩张舵机(6)、舵机输出轴(8)及连杆伸缩机构，其中扩张舵机(6)安装在所述扩张外壳(3)内，所述舵机输出轴(8)与该扩张舵机(6)的输出端相连，在所述舵机输出轴(8)的圆周方向均布有多个连杆伸缩机构，所述弹性橡胶套(4)套在扩张外壳(3)的外部、并与所述扩张外壳(3)密封连接，所述扩张舵机(6)通过连杆伸缩机构带动该弹性橡胶套(4)扩张或收缩，进而实现所述自扩张部分体积增大或减小；所述转动驱动部分包括外壳(16)及分别安装在外壳(16)内的舵机、差动驱动机构及第一连接板(17)，该第一连接板(17)的一端通过所述差动驱动机构与舵机相连，另一端与相邻模块(1)的自扩张部分连接，两相邻模块(1)中的一个相对另一个具有水平偏转及仰俯摆两个自由度。

2.按权利要求1所述的水下滑翔蛇形机器人，其特征在于：所述连杆伸缩机构包括旋转法兰(9)、直线轴承(10)、扩张杆(11)、摆杆(12)及横杆(13)，所述舵机输出轴(8)上设有与其连动的旋转法兰(9)，该旋转法兰(9)的圆周方向均布有多个摆杆(12)，所述摆杆(12)的一端与旋转法兰(9)铰接，另一端与所述扩张杆(11)的一端铰接，所述扩张杆(11)的另一端通过直线轴承(10)与所述扩张外壳(3)连接、并穿出扩张外壳(3)与所述横杆(13)相连，所述弹性橡胶套(4)与多个横杆(13)连动，通过所述扩张舵机(6)的驱动扩张或收缩。

3.按权利要求2所述的水下滑翔蛇形机器人，其特征在于：所述旋转法兰(9)为两个，分别安装在所述舵机输出轴(8)上，并随舵机输出轴(8)旋转；每个旋转法兰(9)圆周方向均布的摆杆(12)的数量相同，且两个旋转法兰(9)的安装角度相同；两个旋转法兰(9)中位置相同的摆杆(12)所铰接的扩张杆(11)分别连接于一根所述横杆(13)的两端。

4.按权利要求1或2所述的水下滑翔蛇形机器人，其特征在于：所述扩张外壳(3)的一端与外壳(16)密封连接，另一端密封连接有外壳端盖(14)，该扩张外壳(3)的外圆直径与所述外壳(16)的外圆直径相同；所述弹性橡胶套(4)的两端分别与扩张外壳(3)密封连接。

5.按权利要求1或2所述的水下滑翔蛇形机器人，其特征在于：所述舵机包括第一偏转舵机(19)及第二偏转舵机(20)，所述差动驱动机构包括第一～六直齿轮及第一～三伞齿轮，第一直齿轮(21)连接于所述第一偏转舵机(19)的输出轴、通过第二直齿轮(22)与第三直齿轮(23)啮合传动，所述第三直齿轮(23)与第一伞齿轮(24)同轴连动，该第一伞齿轮(24)通过第二伞齿轮(25)与第三伞齿轮(26)啮合传动；所述第六直齿轮(27)连接于第二偏转舵机(20)的输出轴、通过第五直齿轮(28)与第四直齿轮(29)啮合传动，所述第四直齿轮(29)与第三伞齿轮(26)同轴连动；所述第一连接板(17)固接于第二伞齿轮(25)的齿轮轴、与其连动。

6.按权利要求5所述的水下滑翔蛇形机器人，其特征在于：所述第一、二偏转舵机(19、20)分别通过第二连接板(18)安装在外壳(16)内，且第一、二偏转舵机(19、20)的输出端朝向相反，所述第一～三直齿轮及第四～六直齿轮分别位于所述外壳(16)内的两侧。

7.按权利要求5所述的水下滑翔蛇形机器人，其特征在于：所述第一伞齿轮(24)与第三伞齿轮(26)的轴线共线，第二伞齿轮(25)位于第一、三伞齿轮(24、26)的下方，所述第二伞齿轮(25)的轴线垂直于第一、三伞齿轮(24、26)的轴线。

8.按权利要求5所述的水下滑翔蛇形机器人，其特征在于：所述第一连接板(17)为“L”形，其一边与第二伞齿轮(25)的齿轮轴固接，另一边开有与相邻模块(1)的自扩张部分相连接的圆孔(31)。

9.按权利要求1或2所述的水下滑翔蛇形机器人，其特征在于：所述外壳(16)的外圆周表面均布有多个与表面垂直的翼(30)。

10.按权利要求1或2所述的水下滑翔蛇形机器人，其特征在于：相邻的所述模块(1)之间设有可伸缩的防水护套(2)，所述水下滑翔蛇形机器人两端的模块(1)上分别安装有外罩(5)。