CN108608408B - 一种多自由度仿生水母机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多自由度仿生水母机器人，包括基体、四条机械臂、生物膜；四条机械臂对称的安装在基体的圆周方向上，生物膜将基体和机械臂包裹，内部充有空气以调节机械水母在水中受到的浮力；机械臂包括大臂和小臂两段，大臂的上端与基体相连，下端连接在小臂的上端，自由度设置仿照人的手臂关节，分别为：大臂左右旋转，大臂上下摆动，小臂上下摆动，小臂旋转多个自由度；本发明的机器人具有拟生物形态，自由度多，操作灵活，适应性强。
Description
技术领域
本发明属于仿生机器人领域，特别是一种多自由度仿生水母机器人。
背景技术
仿生机器人是机器人学的一个分支，一般是指具有生物的外形或者结构，代替人或普通机器人完成勘察、侦测等任务的一种机器人。随着科学和技术的不断发展，机器人作为人类最伟大的发明之一，正在以惊人的速度向军事、娱乐、服务等人类活动的多个领域渗透，而仿生机器人，由于具有生物的外形及结构，能够像生物一样到人类或普通机器人所达不到的操作，而生物千千万万种，因此其研究空间也十分广阔。
由于大多数水下机器人或潜水器采用浆式推进，行进速度快，但多数自由度低，只有1或2个自由度，牺牲掉了机体的灵活性，且因为在水中行进时对周围环境惊扰较大，对水中的生物更是难以靠近，也因此难以胜任一些监测水下生物的任务。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种多自由度仿生水母机器人，以解决现有的浆式推进机器人由于自由度低，操作不够灵活，而且易于惊扰到水下生物，对其任务的执行带来诸多困扰的问题，以满足在水下方便作业的任务需求。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种多自由度仿生水母机器人，其特征在于，包括基体、均匀布置在基体圆周方向上的多条机械臂、外层膜；所述机械臂包括大臂、与大臂相连的小臂；所述外层膜将基体、机械臂包覆在内；
所述大臂包括大臂壳体、固定在大臂壳体内的第二驱动机构；所述基体内设有多个第一驱动机构，所述第一驱动机构通过十字轴与大臂相连；所述十字轴包括纵轴、横轴；所述第一驱动机构通过销轴与第一连杆一端相连，第一连杆另一端通过销轴与纵轴相连；所述第二驱动机构通过销轴与第二连杆一端相连，第二连杆另一端通过销轴与横轴相连；所述横轴两端通过基体内固定座或轴承座进行支撑，可相对定座或轴承座转动；所述纵轴的两端通过大臂壳体进行支撑，可相对大臂壳体相对转动；所述第一驱动机构通过第一连杆推动纵轴绕横轴转动，可带动大臂上下摆动；所述第二驱动机构通过第二连杆带动大臂绕纵轴转动，从而实现大臂水平摆动。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)自由度高，操作灵活：本发明的多自由度仿生水母机器人每条机械臂采用多自由度的设置，与现有浆式推进的机器人相比具有更好的灵活性，在水下运动时能够根据实际情况做出更有效的动作。
(2)设计紧凑，结构更精简：本发明具有更紧凑的结构设计特点，由于基体和大臂的连接利用了虎克铰的原理，通过十字轴将大臂的水平摆动和上下摆动两个自由度整合在一起，相比于其他单自由度关节机器人在结构上更加精简，体积上也更加紧凑。
(3)具有生物的形态及结构：本发明的多自由度仿生水母机器人模仿了水母的外形和运动原理，在水下运动时能够对周围生物造成较小的惊扰，方便于勘探、检测、侦察等任务的进行。
(4)对运动方向的有效调整：本发明的多自由度仿生水母机器人除了利用第一自由度-大臂左右旋转来调整运动方向外，还有利用浆翼的旋转自由度来进行微调，使其得到更佳的运动灵活性。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明总体结构示意图。
图2为基体结构示意图。
图3为第一驱动机构连接示意图。
图4为大臂结构示意图。
图5为大臂局部剖面图。
图6为小臂结构示意图。
图7为小臂局部剖面图。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1-图3，本发明的一种多自由度仿生水母机器人，包括基体100、均匀布置在基体100圆周方向上的多条机械臂、外层膜4；所述机械臂包括大臂200、与大臂200相连的小臂300；所述外层膜4将基体100、机械臂包覆在内；
所述大臂200包括大臂壳体210、固定在大臂壳体210内的第二驱动机构；所述基体100内设有多个第一驱动机构，所述第一驱动机构通过十字轴114与大臂200相连；所述十字轴114包括纵轴114-1、横轴114-2；所述第一驱动机构通过销轴116与第一连杆110一端相连，第一连杆110另一端通过销轴116与纵轴114-1相连；所述第二驱动机构通过销轴116与第二连杆203一端相连，第二连杆203另一端通过销轴116与横轴114-2相连；所述横轴114-2两端通过基体100内固定座102或轴承座进行支撑，可相对定座102或轴承座转动；所述纵轴114-1的两端通过大臂壳体210进行支撑，可相对大臂壳体210相对转动；所述第一驱动机构通过第一连杆110推动纵轴114-1绕横轴114-2转动，可带动大臂200上下摆动；所述第二驱动机构通过第二连杆203带动大臂200绕纵轴114-1转动，从而实现大臂200水平摆动。通过十字轴114可实现大臂200与基体100两个自由度的整合，相比于其他单自由度关节机器人在结构上更加精简，体积上也更加紧凑。
作为一种实施方式，结合图4-图5，所述大臂壳体210内还设第三驱动机构，所述第三驱动机构通过销轴116与第三连杆218相连，所述第三连杆218另一端通过销轴116与小臂300上端相连；大臂壳体210前端和小臂300后端均设有安装座，安装座之间通过转轴301连接；所述第三驱动机构通过第三连杆218可带动小臂300上下摆动。
进一步的，结合图6，所述小臂300的壳体302内还设有旋转步进电机304，所述小臂300后端连接有减速器305；所述旋转步进电机304与减速器305相连，所述减速器305与浆翼306相连，所述减速器305将旋转步进电机304的转速减速后输出以旋转浆翼306位姿，可对水母机器人的行进方向进行微调。
优选的，结合图7，所述减速器305为谐波减速器，其能够在较小体积的情况下获得更高的减速比，且能同时承受径向力和轴向力。所述谐波减速器包括波发生器305-1、刚轮305-2、柔轮305-3；所述谐波减速器305的波发生器305-1与旋转步进电机304的旋转轴固连，所述柔轮305-3与小臂300的壳体固连，所述刚轮305-2与浆翼306相连。所述旋转步进电机304的轴端旋转运动经谐波减速器305的波发生器305-1后，与柔轮305-3相互作用并减速，输出至刚轮305-2，浆翼306将和刚轮305-2同步旋转。
作为一种实施方式，所述第一驱动机构包括第一直线丝杆步进电机105、第一丝杆螺母106、第一螺母套107、第一直线导轨109；所述第一直线丝杆步进电机105固定基体100内；所述第一丝杆螺母106与第一直线丝杆步进电机105的丝杆轴相连，二者构成螺旋副；所述第一螺母套107固定在第一丝杆螺母106外；所述第一螺母套107上设有两个导向孔，两个导向孔内分别设有一个第一直线导轨109；两个第一直线导轨109两端分别与固定座102固连；第一直线导轨109的轴向与第一直线丝杆步进电机的丝杆轴轴向平行；所述第一连杆110一端通过销轴116与第一螺母套107相连。所述第一直线丝杆步进电机105带动第一螺母套107直线运动，第一螺母套107带动第一连杆110运动，第一连杆110驱动纵轴114-1绕横轴114-2转动。
进一步的，所述第一螺母套107的导向孔内还设有第一直线轴承108，所述第一直线导轨109设在第一直线轴承108内，使得导向更加顺畅。
进一步的，所述第一直线导轨109的两端还连接有第一挡圈111，所述第一挡圈111对第一直线导轨109的轴向进行限制。
进一步的，所述横轴114-2的两端通过第一角接触球轴承113与固定座102进行支撑，两端通过第一轴承端盖112进行封盖。
进一步的，所述固定座102上还固定有第一空心轴编码器115，所述第一空心轴编码器115用以检测横轴114-2的旋转角度，提供位置参数，以控制大臂200的上下摆动角度。
作为另外一种实施方式，所述第一驱动机构采用电动缸。
进一步的，所述第二驱动机构与第一驱动机构相同；
作为一种实施方式，所述第二驱动机构包括第二直线丝杆步进电机209、第二丝杆螺母206、第二螺母套207、第二直线导轨205；所述第二直线丝杆步进电机209固定大臂壳体210内；所述第二丝杆螺母206与第二直线丝杆步进电机209的丝杆轴相连，二者构成螺旋副；所述第二螺母套207固定在第二丝杆螺母206外；所述第二螺母套207上设有两个导向孔，两个导向孔内分别设有一个第二直线导轨205；两个第二直线导轨205两端分别与大臂壳体210固连；第二直线导轨205的轴向与第一直线丝杆步进电机的丝杆轴轴向平行；所述第二连杆203一端通过销轴116与第二螺母套207相连。所述第二直线丝杆步进电机209带动第二螺母套207直线运动，第二螺母套207带动第二连杆203运动，第二连杆203驱动横轴114-2绕纵轴114-1转动。
进一步的，所述第二螺母套207的导向孔内还设有第二直线轴承208，所述第二直线导轨205设在第二直线轴承208内，使得导向更加顺畅。
进一步的，所述第二直线导轨205的两端还连接有第二挡圈204，所述第二挡圈204对第二直线导轨205的轴向进行限制。
进一步的，所述纵轴114-1的两端通过第二角接触球轴承219与大臂壳体210进行支撑，两端通过第二轴承端盖201进行封盖。
进一步的，所述大臂壳体210上还固定有第二空心轴编码器211，所述第二空心轴编码器211用以检测纵轴114-1的旋转角度，以控制大臂200的水平摆动角度。
作为另外一种实施方式，所述第一驱动机构采用电动缸。
进一步的，所述第三驱动机构与第一驱动机构相同；
作为一种实施方式，所述第三驱动机构包括第三直线丝杆步进电机212、第三丝杆螺母215、第三螺母套216、第三直线导轨214；所述第三直线丝杆步进电机212固定大臂壳体210内；所述第三丝杆螺母215与第三直线丝杆步进电机212的丝杆轴相连，二者构成螺旋副；所述第三螺母套216固定在第三丝杆螺母215外；所述第三螺母套216上设有两个导向孔，两个导向孔内分别设有一个第三直线导轨214；两个第三直线导轨214两端分别与大臂壳体210固连；第三直线导轨214的轴向与第一直线丝杆步进电机的丝杆轴轴向平行；所述第三连杆218一端通过销轴116与第三螺母套216相连。所述第三直线丝杆步进电机212带动第三螺母套216直线运动，第三螺母套216带动第三连杆218运动，第三连杆218驱动小臂300绕转轴301转动。
进一步的，所述第三螺母套216的导向孔内还设有第三直线轴承，所述第三直线导轨214设在第三直线轴承内，使得导向更加顺畅。
进一步的，所述第三直线导轨214的两端还连接有第三挡圈213，所述第三挡圈213对第三直线导轨214的轴向进行限制。
进一步的，所述转轴301的两端通过第三角接触球轴承219与大臂壳体210前端的安装座进行支撑，两端通过第三轴承端盖进行封盖。
进一步的，所述大臂壳体210前端的安装座上还固定有第三空心轴编码器220，所述第三空心轴编码器220以检测转轴301的转动角度，以控制小臂300的上下旋转角度。
作为另外一种实施方式，所述第三驱动机构采用电动缸。
进一步的，所述外层膜4采用硅胶、橡胶等具有弹性的柔性材料，内部填充有空气，外层膜4将结构体与水体隔离开，用以调节水母体在水中所受到的浮力，最主要的，形成水母体的“身体”，为水母体的运动提供支持。
进一步的，所述多自由度仿生水母机器人，设有四个机械臂，四个机械臂均匀布置在基体100圆周方向上。
整个多自由度仿生水母机器人运动时，由大臂200和小臂300首先向外慢速舒展，扩张，到达预定角度后向内部快速收缩，依靠水的反作用力向上运动，四条机械臂也可以同时朝一个方向摆动实现前后左右的运动，大臂200的左右旋转为水母体调整转向和身体的位姿，浆翼306的轴向旋转可对水母的运动方向进行微调，使水母机器人得到更佳、更有效的运动。
Claims (6)
1.一种多自由度仿生水母机器人，其特征在于，包括基体(100)、均匀布置在基体(100)圆周方向上的多条机械臂、外层膜(4)；所述机械臂包括大臂(200)、与大臂(200)相连的小臂(300)；所述外层膜(4)将基体(100)、机械臂包覆在内；
所述大臂(200)包括大臂壳体(210)、固定在大臂壳体(210)内的第二驱动机构；所述基体(100)内设有多个第一驱动机构，所述第一驱动机构通过十字轴(114)与大臂(200)相连；所述十字轴(114)包括纵轴(114-1)、横轴(114-2)；所述第一驱动机构通过销轴(116)与第一连杆(110)一端相连，第一连杆(110)另一端通过销轴(116)与纵轴(114-1)相连；所述第二驱动机构通过销轴(116)与第二连杆(203)一端相连，第二连杆(203)另一端通过销轴(116)与横轴(114-2)相连；所述横轴(114-2)两端通过基体(100)内固定座(102)或轴承座进行支撑，可相对固 定座(102)或轴承座转动；所述纵轴(114-1)的两端通过大臂壳体(210)进行支撑，可相对大臂壳体(210)相对转动；所述第一驱动机构通过第一连杆(110)推动纵轴(114-1)绕横轴(114-2)转动，可带动大臂(200)上下摆动；所述第二驱动机构通过第二连杆(203)带动大臂(200)绕纵轴(114-1)转动，从而实现大臂(200)水平摆动；
所述大臂壳体(210)内还设第三驱动机构，所述第三驱动机构通过销轴(116)与第三连杆(218)相连，所述第三连杆(218)另一端通过销轴(116)与小臂(300)上端相连；大臂壳体(210)前端和小臂(300)后端均设有安装座，安装座之间通过转轴(301)连接；所述第三驱动机构通过第三连杆(218)可带动小臂(300)上下摆动；
所述小臂(300)的壳体(302)内还设有旋转步进电机(304)，所述小臂(300)后端连接有减速器(305)；所述旋转步进电机(304)与减速器(305)相连，所述减速器(305)与浆翼(306)相连，所述减速器(305)将旋转步进电机(304)的转速减速后输出以旋转浆翼(306)；
所述外层膜(4)采用具有弹性的柔性材料，内部填充有空气。
2.根据权利要求1所述的一种多自由度仿生水母机器人，其特征在于，所述减速器(305)为谐波减速器，所述谐波减速器包括波发生器(305-1)、刚轮(305-2)、柔轮(305-3)；所述谐波减速器(305)的波发生器(305-1)与旋转步进电机(304)的旋转轴固连，所述柔轮(305-3)与小臂(300)的壳体固连，所述刚轮(305-2)与浆翼(306)相连；所述旋转步进电机(304)的轴端旋转运动经谐波减速器(305)的波发生器(305-1)后，与柔轮(305-3)相互作用并减速，输出至刚轮(305-2)，浆翼(306)将和刚轮(305-2) 同步旋转。
3.根据权利要求1所述的一种多自由度仿生水母机器人，其特征在于，所述第一驱动机构包括第一直线丝杆步进电机(105)、第一丝杆螺母(106)、第一螺母套(107)、第一直线导轨(109)；所述第一直线丝杆步进电机(105)固定基体(100)内；所述第一丝杆螺母(106)与第一直线丝杆步进电机(105)的丝杆轴相连，二者构成螺旋副；所述第一螺母套(107)固定在第一丝杆螺母(106)外；所述第一螺母套(107)上设有导向孔，导向孔内设有第一直线导轨(109)；第一直线导轨(109)两端分别与固定座(102)固连；第一直线导轨(109)的轴向与第一直线丝杆步进电机(105)的丝杆轴轴向平行；所述第一连杆(110)一端通过销轴(116)与第一螺母套(107)相连。
4.根据权利要求3所述的一种多自由度仿生水母机器人，其特征在于，所述固定座(102)上还固定有第一空心轴编码器(115)，所述第一空心轴编码器(115)用以检测横轴(114-2)的旋转角度。
5.根据权利要求1所述的一种多自由度仿生水母机器人，其特征在于，所述第一驱动机构采用电动缸。
6.根据权利要求3或5所述的一种多自由度仿生水母机器人，其特征在于，所述第二驱动机构与第一驱动机构相同；所述第三驱动机构与第一驱动机构相同；所述大臂壳体(210)上还固定有第二空心轴编码器(211)，所述第二空心轴编码器(211)用以检测纵轴(114-1)的旋转角度；所述大臂壳体(210)前端的安装座上还固定有第三空心轴编码器(220)，所述第三空心轴编码器(220)以检测转轴(301)的转动角度。
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|---|---|
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