CN110001900B - 一种仿河狸的腿部划水装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机器人技术领域。目的是提供一种仿河狸的腿部划水装置，该装置应具有结构简单、推力大、阻力小的特点。技术方案是：一种仿河狸的腿部划水装置，其特征在于：该装置包括机架、设置在机架上的两个电机、设置在机架两侧并由电机驱动的两个分支以及设置在每个分支末端的脚部；所述分支包括依次连接在机架与脚部之间的第一四杆机构与第二四杆机构以及连接在电机与第一四杆机构之间的曲柄摇杆构；所述第一四杆机构包括依次前后铰接为一体的第一连杆、第二连杆、第三连杆与第四连杆；所述第二四杆机构包括依次前后铰接为一体的第一连杆、第五连杆、第六连杆与第七连杆；所述曲柄摇杆机构包括驱动轮与第四连杆。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种仿河狸的腿部划水装置。
背景技术
传统意义中的水下机器人，主要采用螺旋桨推进作为其推进方式，该推进方式在技术方面存在各种各样的问题，这些问题因为资料的不足还需要做出很大的改进。而且其结构尺寸和重量因为技术不足的原因往往都比较大。因此该类采用螺旋桨推进方式作为推进器的水下机器人存在能源消耗大、可靠性低、推进效率比较低、机动性差等各种缺陷，并且会产生噪音污染以及涡流，对机器人的工作产生较大的阻碍。
而今，模仿两栖动物的推进模式，借此研制出具有高效率以及高机动性的水下机器人，逐渐成为各个领域的研究人员和学者追求的主要目标之一。作为两栖动物代表的河狸，拥有强健的后肢和脚蹼，拥有更好的机动性，游泳更省力、游泳时身体摆动更平稳等各种优点。模仿生物河狸研究出的机器人，相比于其他的水下机器人，其在水中的推进速度会得到很大的提升，且机动性会相对更好，使得机器人的工作效率更高。同时避免了鱼类游动导致身体不平衡的缺点。
在如今的水下机器人领域中，各种各样的水下机器人逐渐被应用的实际中，且都取得了较好的成绩。而仿生河狸机器人主要依靠腿部的推力前进，因此在机器人的研究中，推进机构的设计与研究是不可缺少的重要一环。推进机构的性能好坏直接关系到机器人的推进速度、推进效率等方面。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种仿河狸的腿部划水装置，该装置应具有结构简单、推力大、阻力小的特点。
本发明的技术方案是：
一种仿河狸的腿部划水装置，其特征在于：该装置包括机架、设置在机架上的两个电机、设置在机架两侧并由电机驱动的两个分支以及设置在每个分支末端的脚部；
所述分支包括依次连接在机架与脚部之间的第一四杆机构与第二四杆机构以及连接在电机与第一四杆机构之间的曲柄摇杆构；所述第一四杆机构包括依次前后铰接为一体的第一连杆、第二连杆、第三连杆与第四连杆；所述第二四杆机构包括依次前后铰接为一体的第一连杆、第五连杆、第六连杆与第七连杆；所述曲柄摇杆机构包括驱动轮与第四连杆；
所述第一连杆的顶端可转动地铰接在机架上，第四连杆的两端分别可转动地铰接在第一连杆的中部与驱动轮上，第三连杆的顶端可转动地铰接在第四连杆的中部，第二连杆的两端分别分别可转动地铰接在第三连杆的底端与第一连杆的底端，驱动轮与电机转轴固定；
所述第五连杆的顶端可转动地铰接在第一连杆的底端并且第五连杆与第二连杆固定，第一连杆和第二连杆之间的铰接轴与第一连杆和第五连杆之间的铰接轴同轴，第七连杆的顶端可转动地铰接在第一连杆的中部，第五连杆的底端与第七连杆的底端分别可转动地铰接在第六连杆上；所述脚部包括与第六连杆固定的骨架以及设置在骨架中的脚蹼。
所述第一四杆机构、第二四杆机构、曲柄摇杆机构的各铰接轴轴线互相平行。
所述第一连杆机构中还设有第一弹簧，第一弹簧的两端分别固定在第一连杆与第二连杆之间的铰接轴以及第三连杆与第四连杆之间的铰接轴上。
所述第一连杆与第四连杆之间的铰接轴高于第一连杆与第七连杆之间的铰接轴，第四连杆的右端可转动地铰接在第一连杆的中上部，第七连杆的顶端可转动地铰接在第一连杆的中下部。
所述骨架包括与第六连杆固定的主骨架杆、对称设置在主骨架杆两侧用于控制脚蹼开合的曲柄滑块机构以及与曲柄滑块机构配合的推拉机构。
所述曲柄滑块机构包括可沿着主骨架杆滑动的滑块、可转动地铰接在主骨架杆上的第一副骨架杆14、两端分别可转动地铰接在第一副骨架杆与滑块之间的第二副骨架杆。
所述推拉机构包括设置在第六连杆顶端的导轮、一端与第一连杆固定并且另一端绕过导轮后与滑块固定的拉绳、装在主骨架杆上用于顶推滑块的第二弹簧。
所述第七连杆的底端可转动地铰接在第六连杆的中部，第五连杆的底端可转动地铰接在第六连杆的底端；所述拉绳的两端固定在第一连杆与第七连杆的铰接轴上。
本发明的有益效果是：
1)采用两个四杆机构控制脚部的运动轨迹，收回脚部时受到的阻力小，伸出脚部时能够加速运动，大大提高了划水效率；
2)第一四杆机构中设有弹簧，收回脚部时弹簧逐渐拉伸，伸出脚掌时弹簧势能够提高脚部的运动速度，大大提高了划水效率；
3)采用曲柄滑块机构与推拉机构控制脚部脚蹼的开合，伸出脚掌时脚蹼张开产生推力，收回脚掌时脚蹼收拢降低阻力，提高了划水效率。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图之一。
图2是本发明的立体结构示意图之二。
图3是本发明的主视结构示意图。
图4是本发明中脚部的结构示意图。
图5是本发明中脚蹼的闭合状态结构示意图。
图6是本发明中脚蹼的张开状态结构示意图。
图7是脚部中的主骨架杆末端的运动轨迹示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，一种仿河狸的腿部划水装置，包括机架1、设置在机架上的两个电机2、设置在机架两侧并由电机驱动的两个分支以及设置在每个分支末端的脚部。
所述分支包括第一四杆机构、第二四杆机构与曲柄摇杆构。所述第一四杆机构与第二四杆机构依次连接在机架与脚部之间，曲柄摇杆构连接在电机与第一四杆机构之间。
所述第一连杆机构包括第一连杆3、第二连杆4、第三连杆5与第四连杆6，这四条连杆前后铰接为一体组成平面四杆机构。所述第一连杆机构中还设有第一弹簧11，第一弹簧的两端固定在平面四杆机构的对角线顶点上。所述第二连杆机构包括第一连杆、第五连杆7、第六连杆8与第七连杆9，这四条连杆前后铰接为一体组成平面四杆机构。所述曲柄摇杆机构包括驱动轮10与第四连杆，驱动轮与电机转轴固定。
所述第一连杆的顶端可转动地铰接在机架上，第四连杆的左端可转动地铰接在驱动轮上，第四连杆的右端可转动地铰接在第一连杆的中上部，第三连杆的顶端可转动地铰接在第四连杆的中部，第二连杆的两端分别可转动地铰接在第三连杆的底端与第一连杆的底端。所述第一弹簧的两端分别固定在第一连杆与第二连杆之间的铰接轴以及第三连杆与第四连杆之间的铰接轴上。
所述第五连杆与第二连杆固定为一体并形成“7”字形结构(第五连杆的顶端与第二连杆的右端固定)，第五连杆的顶端可转动地铰接在第一连杆的底端，第一连杆和第二连杆之间的铰接轴与第一连杆和第五连杆之间的铰接轴同轴，第七连杆的顶端可转动地铰接在第一连杆的中下部(第一连杆与第四连杆之间的铰接轴高于第一连杆与第七连杆之间的铰接轴)，第七连杆的底端可转动地铰接在第六连杆的中部，第五连杆的底端可转动地铰接在第六连杆的底端。
以上所述的铰接，均分别采用销轴为铰接轴；以上各销轴的轴线相互平行。
所述脚部包括骨架以及设置在骨架中的脚蹼19。所述骨架包括与第六连杆固定的主骨架杆12、对称设置在主骨架杆两侧用于控制脚蹼开合的曲柄滑块机构以及与曲柄滑块机构配合的推拉机构。所述主骨架杆与第六连杆同轴布置，主骨架杆的顶端与第六连杆的底端固定。所述曲柄滑块机构包括可沿着主骨架杆滑动的滑块13、可转动地铰接在主骨架杆底端的第一副骨架杆14、两端分别可转动地铰接在第一副骨架杆与滑块之间的第二副骨架杆15。所述脚蹼推荐为橡胶片，通过防水胶或铆钉(图中省略防水胶或铆钉)固定在第一副骨架杆上；图5、图6分别显示了脚蹼的闭合和张开状态；由图还可知：脚蹼为扇形，两个直边分别一一固定在两个第一副骨架杆的正面(划水时，第一副骨架杆的受力面)，圆弧边(图中右侧的边沿)为自由端。
所述推拉机构包括拉绳16、设置在第六连杆顶端的导轮17以及装在主骨架杆上用于顶推滑块的第二弹簧18，拉绳的一端与第一连杆固定(第一连杆与第七连杆之间的铰接轴上)，拉绳的另一端绕过导轮后与滑块固定。
本发明的工作原理是：
电机通过两条分支带动脚部划水，脚部沿着近似椭圆形轨迹(参见图7，主骨架杆末端12-2的运动轨迹)的运动来模拟河狸腿部的蹬踏动作，从而源源不断地产生推力；当收回分支时(图2表示分支收缩至最短位置)，第一连杆与第七连杆之间铰接轴与导轮的间距增大不断拉紧拉绳，滑块向上移动并压缩第二弹簧，使得曲柄滑块机构折叠并将脚蹼收拢，脚蹼与水的接触面积减少，降低了脚蹼运动时的阻力，同时第一弹簧逐渐拉伸；当伸出分支时(图1表示分支伸展至最长位置)，拉绳不断松开使得第二弹簧推动滑块向下移动，曲柄滑块机构打开并将脚蹼张开，脚蹼与水的接触面积减增大，同时第一弹簧将势能转化为动能提高了脚部的运动速度，最终获得了最大的划水效率。
Claims (5)
1.一种仿河狸的腿部划水装置，其特征在于：该装置包括机架（1）、设置在机架上的两个电机（2）、设置在机架两侧并由电机驱动的两个分支以及设置在每个分支末端的脚部；
所述分支包括依次连接在机架与脚部之间的第一四杆机构与第二四杆机构以及连接在电机与第一四杆机构之间的曲柄摇杆机构；所述第一四杆机构包括依次前后铰接为一体的第一连杆（3）、第二连杆（4）、第三连杆（5）与第四连杆（6）；所述第二四杆机构包括依次前后铰接为一体的第一连杆、第五连杆（7）、第六连杆（8）与第七连杆（9）；所述曲柄摇杆机构包括驱动轮（10）与第四连杆；
所述第一连杆的顶端转动地铰接在机架上，第四连杆的两端分别转动地铰接在第一连杆的中部与驱动轮上，第三连杆的顶端转动地铰接在第四连杆的中部，第二连杆的两端分别转动地铰接在第三连杆的底端与第一连杆的底端，驱动轮与电机转轴固定；
所述第五连杆的顶端转动地铰接在第一连杆的底端并且第五连杆与第二连杆固定，第一连杆和第二连杆之间的铰接轴与第一连杆和第五连杆之间的铰接轴同轴，第七连杆的顶端转动地铰接在第一连杆的中部，第五连杆的底端与第七连杆的底端分别转动地铰接在第六连杆上；所述脚部包括与第六连杆固定的骨架以及设置在骨架中的脚蹼；
所述骨架包括与第六连杆固定的主骨架杆（12）、对称设置在主骨架杆两侧用于控制脚蹼开合的曲柄滑块机构以及与曲柄滑块机构配合的推拉机构；
所述曲柄滑块机构包括沿着主骨架杆滑动的滑块（13）、转动地铰接在主骨架杆上的第一副骨架杆（14）、两端分别转动地铰接在第一副骨架杆与滑块之间的第二副骨架杆（15）；
所述推拉机构包括设置在第六连杆顶端的导轮（17）、一端与第一连杆固定并且另一端绕过导轮后与滑块固定的拉绳（16）、装在主骨架杆上用于顶推滑块的第二弹簧（18）。
2.根据权利要求1所述的一种仿河狸的腿部划水装置，其特征在于：所述第一四杆机构、第二四杆机构、曲柄摇杆机构的各铰接轴轴线互相平行。
3.根据权利要求2所述的一种仿河狸的腿部划水装置，其特征在于：所述第一四杆机构中还设有第一弹簧（11），第一弹簧的两端分别固定在第一连杆与第二连杆之间的铰接轴以及第三连杆与第四连杆之间的铰接轴上。
4.根据权利要求3所述的一种仿河狸的腿部划水装置，其特征在于：所述第一连杆与第四连杆之间的铰接轴高于第一连杆与第七连杆之间的铰接轴，第四连杆的右端转动地铰接在第一连杆的中上部，第七连杆的顶端转动地铰接在第一连杆的中下部。
5.根据权利要求4所述的一种仿河狸的腿部划水装置，其特征在于：所述第七连杆的底端转动地铰接在第六连杆的中部，第五连杆的底端转动地铰接在第六连杆的底端；所述拉绳的两端固定在第一连杆与第七连杆的铰接轴上。
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