CN108146599B - 一种仿生机械水母 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生机械水母，由水母头部、水母本体和水母尾部组成，其中，水母本体装有姿态传感器、温度传感器、电机传动机构、编码器、控制面板；水母头部安装有GPS定位器、电源指示灯和天线；水母尾部设置有电源与多功能拓展接口；刚性水母本体分别与水母头部和水母尾部通过螺纹密封卡扣进行刚性连接与密封，输出轴通过双防水轴承与橡胶密封圈进行密封，通过螺纹密封使水母整体密封效果好。仿生机械水母通过多连杆机械臂仿生真实水母运动，通过旋转急回机构实现水母急回排水运动，能较为逼真的模拟水母的游动模式，同时由于各部件之间通过螺旋卡扣密封连接，机械水母具有结构简单，拆装便捷的特点，且具有广泛的应用前景。

Description

一种仿生机械水母

技术领域

本发明涉及水下机器人领域，具体地说，涉及一种以水母为仿生对象的水下机器人。

背景技术

目前常见的无人水下航行器如自主式水下航行器(Autonomous UnderwaterVehicle,AUV)、遥控水下航行器(Remotely Operated Vehicle,ROV)多采用传统的螺旋桨推进器。螺旋桨推进技术在实际应用中有着不可替代的优势，理论研究和实际应用都已经比较成熟，但其自身亦存在不足,如噪声大、对环境扰动大、运动灵活性和隐蔽性较差等，应用场合受到限制。为了提高水下机器人的运动能力,人们不断研究新型的推进方式，力求从丰富多姿的鱼类身上获得灵感，将它们的运动机理和行为方式运用到对水下机器人运动机理和控制的研究中。在通过对水母的了解分析，人们发现其相比于波动推进式鱼类具有体积小、重量轻、柔性大、低代谢率，能有效地利用水流游动的特点。在此基础上，对水母的仿生是较为理想的。

发明专利CN201621284844.4公开了“一种水母机器人”。该水母机器人包括上腔室、外壳体、内壳体和封板，外壳体、内壳体和封板之间围合成第一封闭腔，内壳体的内部与封板之间围合成第二封闭腔，其中，外壳体上设有第一进水机构，内壳体上还设有第二进水机构；下腔室筒体的顶部与封板的下表面密封连接，筒体内两侧对称的设有左右增压腔，左右增压腔内设有增压器，且左右增压腔均与第二封闭腔相连通；驱动机构与第一进水机构相连接，并用于驱动第一进水机构往复动作；左右喷水机构，设置在下腔室的底部。该机器人虽然稳定性好，运行姿态控制简单方便。但由于结构复杂，密封效果与组装效率较低，不适用于规模生产应用，且维护性能较差。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种仿生机械水母；该水母通过旋转急回机构与多连杆仿生机械臂模拟水母的游动模式，同时各部件之间通过螺旋卡扣密封连接，机械水母具有结构简单，拆装便捷的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括水母头部、水母本体、水母尾部和连杆机械臂，所述水母头部内部设有天线、GPS定位器和电源指示灯,天线通过水母头部开孔外设，GPS定位器粘连在圆弧形水母头部内侧，且与主控板连接进行水母的地理定位，电源指示灯位于水母头部内侧，电源指示灯用于电路正常连通示意；

所述水母本体包括触控开关、主控板、姿态传感器、驱动电机、编码器、温度传感器、电机固定板、主控板固定件、旋转急回机构，其中电机固定板与水母本体下部的定位孔通过螺钉固连，驱动电机与电机固定板固连，四个驱动电机以水母本体竖直中心轴线对称安装，主控板固定件与电机固定板连接，且位于电机固定板的上方，主控板与主控板固定件连接；姿态传感器与主控板固定件粘连并与主控板连接，通过测得水母运动姿态实行对主控板的负反馈，维持水母的稳定性；编码器与水母本体粘连，且与输出轴距离2mm安装，实现编码器对光栅的正常测速，触控开关与水母本体过盈配合通过防水胶连接，触控开关置于水母本体的侧面，触控开关控制水母的电路开启，温度传感器与水母本体间隙配合连接，置于水母身体的侧面，用于周围环境的温度测量；

所述水母尾部内有锂电池和电池安装座，锂电池与电池安装座间隙配合安装，电池安装座与水母尾部间隙配合，实现对锂电池的保护与水母整体配重；

所述旋转急回机构包括输出轴、光栅、固定架、限位挡块、第一锥齿轮、第二锥齿轮、传动轴、第一轴承、第二轴承、第三轴承、第四轴承，输出轴与驱动电机通过顶丝固连，实现同轴传动，第三轴承、第四轴承配合位于防水槽中，固定架、限位挡块通过螺钉固连，固定架与水母本体固连，第二轴承与限位挡块过盈配合进行轴定位，输出轴穿过第三轴承、第四轴承和第二轴承，第一锥齿轮与输出顶丝固连，第二锥齿轮与第一锥齿轮配合，第二锥齿轮与传动轴顶丝固连，传动轴穿过固定架，传动轴与第一轴承过盈配合，第一轴承与第三连杆间隙配合，形成移动旋转运动副组成旋转急回机构，水母本体通过旋转急回机构实现动力传输与驱动；

所述连杆机械臂包括游动蹼、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆、固连件、限位块，多根连杆由活动铆接组成多约束的连杆臂，连杆机械臂设置在水母本体外侧，固连件与水母本体外侧竖直孔连接，限位块通过对水母本体的限位进行单自由度的进给运动。

所述水母本体与水母头部和水母尾部采用螺旋卡扣密封连接，并起到防水和刚性连接的作用。

有益效果

本发明提出的仿生机械水母由水母头部、水母身体、水母尾部和连杆机械臂组成；其中，水母本体装有姿态传感器、温度传感器、电机传动机构、编码器、控制面板；水母头部安装有GPS定位器、电源指示灯与天线；水母尾部装有电源与多功能拓展接口。其中刚性水母本体分别与水母头部和水母尾部通过螺纹密封卡扣进行刚性连接与密封，输出轴通过双防水轴承与橡胶密封圈进行密封，通过螺纹密封使水母整体密封效果好。

仿生机械水母通过多连杆机械臂仿生真实水母运动，通过旋转急回机构实现水母急回排水运动，能较为逼真的模拟水母的游动模式，同时由于各部件之间通过螺旋卡扣密封连接，机械水母具有结构简单，拆装便捷的特点；并为后期模块化拓展和执行多种任务留下空间，具有广泛的应用前景。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种仿生机械水母作进一步的详细说明。

图1为本发明仿生机械水母结构示意图。

图2为本发明仿生机械水母本体内部结构示意图。

图3为本发明仿生机械水母的旋转急回机构示意图。

图4为本发明仿生机械水母的多连杆机械臂示意图。

图5为本发明仿生机械水母轴测图。

图中:

1.水母头部 2.水母本体 3.水母尾部 4.触控开关 5.锂电池 6.主控板 7.GPS定位器 8.电源指示灯 9.姿态传感器 10.驱动电机 11.编码器 12.天线 13.温度传感器14.主控板固定件 15.电机固定板 16.电池安装座 17.游动蹼 18.第一连杆 19.第二连杆20.第三连杆 21.第四连杆 22.第五连杆 23.第六连杆 24.第七连杆 25.固连件 26.限位块 28.输出轴 29.光栅 30.固定架 31.限位挡块 32.第一锥齿轮 33.第二锥齿轮 34.传动轴 35.第一轴承 36.第二轴承 37.第三轴承 38.第四轴承

具体实施方式

本实施例是一种仿生机械水母。

参阅图1～图5，本实施例仿生机械水母由水母头部、水母本体、水母尾部和连杆机械臂组成；其中，水母头部1内部设有天线12、GPS定位器7和电源指示灯8；天线12通过水母头部1开孔外设，并与主控板6连接进行机械水母的外部通讯。GPS定位器7粘连在水母头部1内侧，并与主控板6连接进行机械水母的地理定位。电源指示灯8粘连在圆弧形水母头部1内侧，并与锂电池5和触控开关4进行连接，当触控开关4启动电路连通，电源指示灯8常亮进行电路正常连通示意。水母本体2内部设有触控开关4、主控板6、姿态传感器9、驱动电机10、编码器11、温度传感器13、电机固定板15、主控板固定件14，其中，电机固定板15与水母本体2下部的定位孔进行固连，驱动电机10与电机固定板15通过螺钉进行固定连接，四个驱动电机10以水母本体竖直中心轴线对称安装，主控板固定件14通过螺钉与电机固定板15进行固连并置于其上方，主控板6与主控板固定件14进行粘连，进行对水母的控制与信息处理。姿态传感器9与主控板固定件14粘连并与主控板6进行连接，通过测得水母运动姿态实行对主控板6的负反馈，维持水母的稳定性。编码器11与水母本体2进行连接，且与输出轴28距离2mm安装，实现编码器11对光栅29的正常测速功能，触控开关4与水母本体2过盈配合连接，并置于水母本体2的侧面20mm孔处，控制整个机器人的电路开启，温度传感器13与水母本体2间隙配合连接，并置于水母本体2的侧面8mm孔处，用于周围环境的温度测量。在水母本体2外侧设置有连杆机械臂，连杆机械臂由游动蹼17、第一连杆18、第二连杆19、第三连杆20、第四连杆21、第五连杆22、第六连杆23、第七连杆24、固连件25、限位块26组成；其中游动蹼17与第一连杆18、第二连杆19进行活动铆接，第一连杆18、第二连杆19、第三连杆20进行活动铆接，第二连杆19与第四连杆21进行活动铆接，第四连杆21与第五连杆22进行活动铆接，第四连杆21与第七连杆24进行活动铆接，第五连杆22与第六连杆23进行活动铆接，第三连杆20、第六连杆23与限位块26进行活动铆接，第五连杆22与固连件25进行活动铆接，第七连杆24与固连件25进行活动铆接，固连件25与水母本体2外侧竖直孔通过螺栓连接，限位块26通过水母本体2的限位进行单自由度的进给运动。

本实施例中,水母本体2通过旋转急回机构实现动力传输与驱动。旋转急回机构包括输出轴28、光栅29、固定架30、限位挡块31、第一锥齿轮32、第二锥齿轮33、传动轴34、第一轴承35、第二轴承36、第三轴承37、第四轴承38；输出轴28与驱动电机10通过顶丝固连，实现同轴传动。第三轴承37、第四轴承38过盈配合位于输出轴28上并进行防水密封，固定架30、限位挡块31通过螺钉固连，固定架30与水母本体2通过长螺钉固连，第二轴承36与限位挡块31过盈配合，输出轴28穿过第三轴承37、第四轴承38和第二轴承36，第一锥齿轮32与输出轴28顶丝固连。第二锥齿轮33与第一锥齿轮32配合，第二锥齿轮33与传动轴34顶丝固连，传动轴34穿过固定架30，传动轴34与第一轴承35过盈配合，第一轴承35与第三连杆20间隙配合，形成移动旋转运动副组成旋转急回传动机构。水母尾部3内部有锂电池5和电池安装座16，锂电池5和电池安装座16间隙配合，电池安装座16与水母尾部3间隙配合安装，实现对锂电池的保护与水母整体配重。水母本体2与水母头部1和水母尾部3采用螺旋卡扣密封连接，起到防水和刚性连接的作用，便于拆装。

本实施例中,仿生机械水母进行竖直游动时，由控制主板发出指令，调整到同相位开始，四个驱动电机同向运动，带动输出轴转动，输出轴带动第一锥齿轮转动；第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合传动，输出转向扭矩，第二锥齿轮带动传动轴转动，传动轴带动第一轴承转动，第一轴承带动第三连杆进行平移和旋转运动，输出动力。由于限位块只能横向运动，固连件不运动，所以约束第五连杆和第七连杆做旋转运动，第六连杆做小幅平移和旋转运动，带动第一连杆和第二连杆做大幅平移和旋转运动，游动蹼随动，进行大幅平移和旋转运动。完成整体连杆机械臂的运动，光栅与输出轴固连经过编码器测量并进行校准反馈给主控板，主控板操控驱动电机改变速度，实现同速，同相位转动，完成竖直上游的动作。当减小速度时，实现仿生机械水母悬浮或下沉动作。

仿生机械水母进行转向游动时，由控制主板发出指令，四个驱动电机同向运动，带动输出轴转动，输出轴带动第一锥齿轮转动，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合传动，输出转向扭矩，第二锥齿轮带动传动轴转动，传动轴带动第一轴承转动，第一轴承带动第三连杆进行平移和旋转运动，输出动力。由于限位块只能横向运动，固连件不运动，所以约束第五连杆和第七连杆做旋转运动，第六连杆做小幅平移和旋转运动，带动第一连杆和第二连杆做大幅平移和旋转运动，游动蹼随动，进行大幅平移和旋转运动。完成整体连杆机械臂的运动，光栅与输出轴固连经过编码器测量并进行校准反馈给主控板，主控板操控驱动电机改变速度，实现连杆机械臂差速运动，向前进方向相反方向的驱动电机进行加速，向前进方向相同方向的驱动电机进行减速，前进方向垂直方向的驱动电机保持同步，实现仿生机械水母在水中的上升与与偏转运动，或者在水面的水平面运动。

当仿生机械水母进行自旋运动时，由控制主板发出指令，驱动四个连杆机械臂同相位同速开始运动，并保持高度稳定；，一个连杆机械臂加速，一段间隔后，按旋转方向的逆方向进行下一个连杆机械臂加速，上一个连杆机械臂运动回复初始速度并与其它两个连杆机械臂相位相同，按此往复运动现实仿生机械水母自旋运动。

Claims (2)

1.一种仿生机械水母，其特征在于:包括水母头部、水母本体、水母尾部和连杆机械臂，所述水母头部内部设有天线、GPS定位器和电源指示灯,天线通过水母头部开孔外设，GPS定位器粘连在圆弧形水母头部内侧，且与主控板连接进行水母的地理定位，电源指示灯位于水母头部内侧，电源指示灯用于电路正常连通示意；

所述水母本体包括触控开关、主控板、姿态传感器、驱动电机、编码器、温度传感器、电机固定板、主控板固定件、旋转急回机构，其中电机固定板与水母本体下部的定位孔通过螺钉固连，驱动电机与电机固定板固连，四个驱动电机以水母本体竖直中心轴线对称安装，主控板固定件与电机固定板连接，且位于电机固定板的上方，主控板与主控板固定件连接；姿态传感器与主控板固定件粘连并与主控板连接，通过测得水母运动姿态实行对主控板的负反馈，维持水母的稳定性；编码器与水母本体粘连，且与输出轴距离2mm安装，实现编码器对光栅的正常测速，触控开关与水母本体过盈配合通过防水胶连接，触控开关置于水母本体的侧面，触控开关控制水母的电路开启，温度传感器与水母本体间隙配合连接，置于水母身体的侧面，用于周围环境的温度测量；

所述水母尾部内有锂电池和电池安装座，锂电池与电池安装座间隙配合安装，电池安装座与水母尾部间隙配合，实现对锂电池的保护与水母整体配重；

所述旋转急回机构包括输出轴、光栅、固定架、限位挡块、第一锥齿轮、第二锥齿轮、传动轴、第一轴承、第二轴承、第三轴承、第四轴承，输出轴与驱动电机通过顶丝固连，实现同轴传动，第三轴承、第四轴承配合位于防水槽中，固定架、限位挡块通过螺钉固连，固定架与水母本体固连，第二轴承与限位挡块过盈配合进行轴定位，输出轴穿过第三轴承、第四轴承和第二轴承，第一锥齿轮与输出顶丝固连，第二锥齿轮与第一锥齿轮配合，第二锥齿轮与传动轴顶丝固连，传动轴穿过固定架，传动轴与第一轴承过盈配合，第一轴承与第三连杆间隙配合，形成移动旋转运动副组成旋转急回机构，水母本体通过旋转急回机构实现动力传输与驱动；

所述连杆机械臂包括游动蹼、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆、固连件、限位块，其中游动蹼与第一连杆、第二连杆活动铆接，第一连杆、第二连杆、第三连杆活动铆接，第二连杆与第四连杆活动铆接，第四连杆与第五连杆活动铆接，第四连杆与第七连杆活动铆接，第五连杆与第六连杆活动铆接，第三连杆、第六连杆与限位块进行活动铆接，第五连杆与固连件进行活动铆接，第七连杆与固连件进行活动铆接组成连杆臂，连杆机械臂设置在水母本体外侧，固连件与水母本体外侧竖直孔连接，限位块通过对水母本体的限位进行单自由度的进给运动。

2.根据权利要求1所述的仿生机械水母，其特征在于:所述水母本体与水母头部和水母尾部采用螺旋卡扣密封连接，并起到防水和刚性连接的作用。

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