CN108516067A - 一种基于凸轮齿轮复合传动的可变形机械水母 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于凸轮齿轮复合传动的可变形机械水母，水母的头部、水母本体和水母尾部连接通过防水胶密封。水母尾部与多连杆机械臂组成水母的主体，遥控开关位于水母本体内部；主控板发出指令，减速电机运转带动凸轮盘转动，凸轮盘转动带动凸轮齿条进给运动，凸轮齿条带动多连杆机械臂的急回缓舒运动，同时凸轮齿条进给运动带动多个齿轮转动，齿轮转动带动滑动齿条进给运动，滑动齿条带动连杆进给与旋转运动，进而带动定位结构件与滑动头部件作竖直运动。通过凸轮与齿轮结构复合的仿生传动机构，通过控制多个电机的运动，实现对水母急回缓张并带有头部收缩的仿生运动。为水下探测及科研工作提供便捷，具有广泛的应用前景。

Description

一种基于凸轮齿轮复合传动的可变形机械水母

技术领域

本发明涉及水下机器人领域，具体地说，涉及一种基于凸轮齿轮复合传动的可变形机械水母。

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)等，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，应用场合受到限制。为了提高水下机器人的运动能力,科技人员不断研究新型的推进方式，力求从丰富多彩的鱼类身上获得灵感，模仿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。特别是通过对水母的分析研究，科技人员发现其相比于波动推进式鱼类具有体积小、重量轻、柔性大，能够有效地利用水流游动的特点。以此为基础，对水母的仿生是非常有意义的。

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，内壳体上设有第二进水机构；下腔室的筒体顶部与封板的下表面密封连接，筒体内左右两侧对称设有左增压腔和右增压腔，左增压腔和右增压腔内设有增压器，且左增压腔和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；左喷水机构和右喷水机构，设置在下腔室的底部。该型机器人虽然稳定性好，运行姿态控制简单方便。但其没有真实地模拟出水母的急回排水运动过程，只是一个加装喷水机构的类水母外形机器人。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种基于凸轮齿轮复合传动的可变形机械水母；该机械水母通过凸轮齿轮复合机构组建的机械传动结构，通过控制多个电机的运动，实现对水母急回缓张并带有头部收缩的仿生运动，且具有控制简单，仿生性能高的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括主体组件、尾部组件、头部软膜、仿生臂软膜，所述主体组件包括水母头部、水母本体、多连杆机械臂、齿轮架、电机架、减速电机、凸轮盘、凸轮齿条、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、滑动齿条、滑动约束板、定位结构件、滑动头部件和连杆，电机架通过卡架固定在水母尾部的上部，减速电机与电机架固连，减速电机与凸轮盘通过顶丝固连，减速电机带动凸轮盘转动；凸轮盘与电机架限位配合，凸轮齿条一面有直齿，另一面为平面，凸轮齿条一端与凸轮盘内凹形卡槽约束配合，另一端与水母本体的限位孔行配合，且与多连杆机械臂活动铆接，通过凸轮齿条的伸缩运动转变为多连杆机械臂的摆动运动；齿轮架内置并固定在水母本体内部，第一齿轮与齿轮架对应的定位孔进行同轴定位，第一齿轮与凸轮齿条啮合，第二齿轮和第三齿轮同轴固连，且与齿轮架相应位置同轴定位，第二齿轮与第一齿轮啮合，滑动齿条限位在齿轮架内，滑动齿条与第三齿轮啮合，滑动齿条与连杆铆接，连杆与定位结构件铆接，凸轮齿条、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、滑动齿条、连杆与多连杆机械臂部件以水母本体竖直轴线为中心周向对称阵列安装，定位结构件在约束后上下移动，定位结构件与滑动头部件固连构成可上下移动的水母头部，滑动约束板一端与滑动头部件动铆接，滑动约束板以头部件轴线周向对称阵列安装，滑动约束板另一端约束在水母头部的滑道内，水母头部随着机械臂的摆动对应的变形；凸轮盘内部的凹槽使凸轮齿条连续运动，实现多连杆机械臂的急回缓舒的仿生运动；

所述尾部组件包括水母尾部、电池、主控板、第一丝杠滑台、第二丝杠滑台、遥控开关，电池和主控板固定在水母尾部下面，第一丝杠滑台与第二丝杠滑台分别固连在水母尾部平台上，第二丝杠滑台与第一丝杠滑台垂直安置，两个丝杠滑台形成矢量配重装置，控制机械水母的重心移动，改变水母运动姿态，遥控开关固定在水母尾部，控制机械水母的电路通断。

所述头部软膜包覆水母头部密封连接，仿生臂软膜与水母本体上部密封连接。

所述水母头部、水母本体和水母尾部通过螺钉固连，各部件采用防水胶密封。

有益效果

本发明提出的一种基于凸轮齿轮复合传动的可变形机械水母，水母的头部、水母本体和水母尾部连接通过防水胶密封。水母尾部与多连杆机械臂组成水母的主体，遥控开关位于水母本体内部；主控板发出指令，减速电机运转带动凸轮盘转动，凸轮盘转动带动凸轮齿条进给运动，凸轮齿条带动多连杆机械臂的急回缓舒运动，同时凸轮齿条进给运动带动多个齿轮转动，齿轮转动带动滑动齿条进给运动，滑动齿条带动连杆进给与旋转运动，进而带动定位结构件与滑动头部件作竖直运动。通过凸轮与齿轮结构复合的仿生传动机构，通过控制多个电机的运动,实现对水母急回缓张并带有头部收缩的仿生运动。为水下探测活动及科研工作提供便捷,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基于凸轮齿轮复合传动的可变形机械水母作进一步详细说明。

图1为本发明基于凸轮齿轮复合传动的可变形机械水母结构示意图。

图2为本发明可变形机械水母凸轮齿轮传动示意图。

图3为本发明可变形机械水母的机械臂与头部结构连接示意图。

图4为本发明可变形机械水母主体不覆膜示意图。

图5为本发明可变形机械水母主体覆膜示意图。

图中

1.水母头部 2.水母本体 3.水母尾部 4.多连杆机械臂 5.齿轮架 6.电机架7.电池 8.主控板 9.第一丝杆滑台 10.第二丝杆滑台 11.减速电机 12.凸轮盘13.凸轮齿条14.第一齿轮 15.第二齿轮 16.第三齿轮 17.滑动齿条 18.滑动约束板19.定位结构件20.滑动头部件 21.连杆 22.遥控开关 23.头部软膜 24.仿生臂软膜

具体实施方式

本实施例是一种基于凸轮齿轮复合传动的可变形机械水母。

参阅图1～图5,本实施例基于凸轮齿轮复合传动的可变形机械水母，由主体组件、尾部组件、头部软膜、仿生臂软膜组成；其中,主体组件包括水母头部1、水母本体2、多连杆机械臂4、齿轮架5、电机架6、减速电机11、凸轮盘12、凸轮齿条13、第一齿轮14、第二齿轮15、第三齿轮16、滑动齿条17、滑动约束板18、定位结构件19、滑动头部件20，连杆21.电机架6通过卡架固定在水母尾部3的上部，减速电机11通过螺钉固定在电机架6上，减速电机11与凸轮盘12通过顶丝进行固连，减速电机11带动凸轮盘12转动。凸轮盘12与电机架6进行了限位配合，增强了凸轮机构的稳定性。凸轮齿条13是一个形约束并带有齿条的滑块，凸轮齿条13一端与凸轮盘12内凹形卡槽进行形约束配合，另一端与水母本体2的限位孔进行配合，并与多连杆机械臂4进行活动铆接，通过凸轮齿条13的伸缩运动转变为多连杆机械臂4的摆动运动。齿轮架5内置并固定在水母本体2内部，第一齿轮14与齿轮架5对应的定位孔进行同轴定位，第一齿轮14与凸轮齿条13上的齿条进行啮合，第二齿轮15和第三齿轮16进行同轴固连，并与齿轮架5相应位置进行同轴定位，第二齿轮15与第一齿轮14啮合，滑动齿条17限位在齿轮架5内，滑动齿条17与第三齿轮16进行啮合，滑动齿条17与连杆21进行活动铆接，连杆21与定位结构件19进行活动铆接，凸轮齿条13、第一齿轮14、第二齿轮15、第三齿轮16、滑动齿条17、连杆21与多连杆机械臂4各部件以水母本体2竖直轴线为中心圆周对称阵列安装，定位结构件19在约束后只能上下移动，定位结构件19与滑动头部件20下部固连构成可上下移动的水母头部，滑动约束板18与滑动头部件20活动铆接，滑动约束板18以滑动头部件20轴线为中心圆周对称阵列安装，滑动约束板18另一端约束在水母头部1的滑道内，头部随着机械臂的摆动进行对应的变形。凸轮盘12内部的凹槽使凸轮齿条13连续运动，且在电机匀速转动的情况下其回缩速度在舒展速度的三倍，实现多连杆机械臂4的急回缓舒的仿生运动。

尾部组件包括水母尾部3、电池7、主控板8、第一丝杠滑台9、第二丝杠滑台10、遥控开关22。电池7和主控板8固定在水母尾部3底层，第一丝杠滑台9通过螺钉固连于水母尾部3平台上，第二丝杠滑台10通过螺钉固连于水母尾部3平台上，第二丝杠滑台10与第一丝杠滑台9呈垂直位置安放，两个丝杠滑台形成矢量配重装置，控制整个水母机器人的重心移动，进而改变水母运动姿态。遥控开关22固定在水母尾部3，控制机械水母的电路通断。

水母头部1、水母本体2和水母尾部3通过螺栓进行固连，并通过防水胶进行密封。

头部软膜23包覆整个头部与水母头部1密封相连，仿生臂软膜24与水母身体2上部密封相连，满足外部光滑外形与可变形的外壳要求。

本实施例中，可变形机械水母竖直游动时，由主控板发出指令，减速电机进行运转，带动凸轮盘转动，凸轮盘转动带动凸轮齿条进给运动，凸轮齿条进给运动带动多连杆机械臂的急回缓舒的仿生运动，同时凸轮齿条进给运动带动第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮转动，第三齿轮转动带动滑动齿条进给运动，滑动齿条进给运动带动连杆进给与旋转运动，进而带动定位结构件与滑动头部件作竖直运动。滑动头部件同时带动凸轮齿条在水母头部约束下的进给与旋转运动，实现整个水母头部随着机械臂运动的伸缩扩张的仿生运动。为水母提供动力。主控板发出指令令,第一丝杆滑台与第二丝杆滑台的配重滑块置于水母轴线中心附近，实现水母在水中的竖直运动，机械臂运动产生的合力克服重力，实现水母的竖直向上的运动。当减小速度时，可实现悬浮或下沉动作。

本实施例中，可变形机械水母转向游动时，由主控板发出指令，减速电机进行运转，带动凸轮盘转动，凸轮盘转动带动凸轮齿条进给运动，凸轮齿条进给运动带动多连杆机械臂的急回缓舒的仿生运动，同时凸轮齿条进给运动带动第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮转动，第三齿轮转动带动滑动齿条进给运动，滑动齿条进给运动带动连杆进给与旋转运动，进而带动定位结构件与滑动头部件作竖直运动。滑动头部件同时带动凸轮齿条在水母头部约束下的进给与旋转运动，实现整个水母头部随着机械臂运动的伸缩扩张的仿生运动。为水母提供动力。同时，主控板发出指令令第一丝杆滑台与第二丝杆滑台的配重滑块向偏移方向靠拢，实现水母的中心轴的偏转，从而令水母实现水中的偏转运动或者在水面的水平面运动。

Claims (3)

1.一种基于凸轮齿轮复合传动的可变形机械水母，其特征在于:包括主体组件、尾部组件、头部软膜、仿生臂软膜，所述主体组件包括水母头部、水母本体、多连杆机械臂、齿轮架、电机架、减速电机、凸轮盘、凸轮齿条、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、滑动齿条、滑动约束板、定位结构件、滑动头部件和连杆，电机架通过卡架固定在水母尾部的上部，减速电机与电机架固连，减速电机与凸轮盘通过顶丝固连，减速电机带动凸轮盘转动；凸轮盘与电机架限位配合，凸轮齿条一面有直齿，另一面为平面，凸轮齿条一端与凸轮盘内凹形卡槽约束配合，另一端与水母本体的限位孔行配合，且与多连杆机械臂活动铆接，通过凸轮齿条的伸缩运动转变为多连杆机械臂的摆动运动；齿轮架内置并固定在水母本体内部，第一齿轮与齿轮架对应的定位孔进行同轴定位，第一齿轮与凸轮齿条啮合，第二齿轮和第三齿轮同轴固连，且与齿轮架相应位置同轴定位，第二齿轮与第一齿轮啮合，滑动齿条限位在齿轮架内，滑动齿条与第三齿轮啮合，滑动齿条与连杆铆接，连杆与定位结构件铆接，凸轮齿条、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、滑动齿条、连杆与多连杆机械臂部件以水母本体竖直轴线为中心周向对称阵列安装，定位结构件在约束后上下移动，定位结构件与滑动头部件固连构成可上下移动的水母头部，滑动约束板一端与滑动头部件动铆接，滑动约束板以头部件轴线周向对称阵列安装，滑动约束板另一端约束在水母头部的滑道内，水母头部随着机械臂的摆动对应的变形；凸轮盘内部的凹槽使凸轮齿条连续运动，实现多连杆机械臂的急回缓舒的仿生运动；

所述尾部组件包括水母尾部、电池、主控板、第一丝杠滑台、第二丝杠滑台、遥控开关，电池和主控板固定在水母尾部下面，第一丝杠滑台与第二丝杠滑台分别固连在水母尾部平台上，第二丝杠滑台与第一丝杠滑台垂直安置，两个丝杠滑台形成矢量配重装置，控制机械水母的重心移动，改变水母运动姿态，遥控开关固定在水母尾部，控制机械水母的电路通断。

2.根据权利要求1所述的基于凸轮齿轮复合传动的可变形机械水母，其特征在于:所述头部软膜包覆水母头部密封连接，仿生臂软膜与水母本体上部密封连接。

3.根据权利要求1所述的基于凸轮齿轮复合传动的可变形机械水母，其特征在于:所述水母头部、水母本体和水母尾部通过螺钉固连，各部件采用防水胶密封。