CN110562423B - 一种仿河狸尾巴的摆动机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水下机器人。目的是提供一种仿河狸尾巴运动的摆动机构，该机构应具有推进力大、推进效率高以及重量轻的特点，以作为机器人的推进机构。技术方案是：一种仿河狸尾巴的摆动机构，其特征在于：该机构包括设有电机的机架、可转动地铰接在机架上从而形成可摆动尾巴的摆片机构以及传递电机动力驱动摆片机构的传动机构；所述传动机构包括由电机驱动的曲柄滑块机构、由曲柄滑块机构带动的齿条齿轮机构以及由齿条齿轮机构带动以往复卷取柔性绳的卷绳轮；所述摆片机构由若干摆片依次首尾前后铰接而成且铰接轴线均水平布置。

Description

一种仿河狸尾巴的摆动机构
技术领域
本发明涉及一种水下机器人，具体是仿河狸尾巴的摆动机构。
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；螺旋桨推进方式存在能源消耗大、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。
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。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。因此，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，尾巴部分拥有强健的肌腱，能够通过尾巴上下摆动在水中前进，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。但是，机器人推进器如何模仿狸尾巴的运动，是发明人研究的课题。
发明内容
本发明的目的是克服现有螺旋桨推进方式的不足，提供一种仿河狸尾巴运动的摆动机构，该机构应具有推进力大、推进效率高以及重量轻的特点，以作为机器人的推进机构。
本发明提供的技术方案是：一种仿河狸尾巴的摆动机构，其特征在于：该机构包括设有电机的机架、可转动地铰接在机架上从而形成可摆动尾巴的摆片机构以及传递电机动力驱动摆片机构的传动机构；所述传动机构包括由电机驱动的曲柄滑块机构、由曲柄滑块机构带动的齿条齿轮机构以及由齿条齿轮机构带动以往复卷取柔性绳的卷绳轮；所述摆片机构由若干摆片依次首尾前后铰接而成且铰接轴线均水平布置；每个摆片的上表面和下表面分别制作有用于柔性绳穿越的定位圈，两根柔性绳分别在上表面以及下表面依次穿越各个摆片上的定位圈后，右端缠绕在所述卷绳轮上；所述柔性绳上还固定有若干挡块，每个挡块分别与一个摆片上的定位圈对应配合，以在柔性绳受到传动机构拉动时，该柔性绳上的若干挡块均同时各自施力于对应的定位圈，从而实现摆片机构的摆动。
所述曲柄滑块机构包括由电机驱动且偏心铰接有连杆的圆盘以及由连杆驱动的滑块，所述滑块可滑动地定位在滑轨中其滑动方向垂直于曲柄的转动轴线。
所述齿条齿轮机构包括与滑块固定的齿条以及由齿条驱动的齿轮；所述卷绳轮与齿轮端面相贴且固定连接。
所述电机通过锥齿轮组驱动所述曲柄滑块机构。
所述每个摆片的上表面与下表面分别制作有两个定位圈，两个定位圈分别位于摆片的左右两侧且定位圈中的穿绳孔轴线同轴布置。
所述两根柔性绳的右端均通过卡珠结构固定在卷绳轮上；所述卡珠结构包括固定在柔性绳末端且直径大于柔性绳的卡珠以及制作在卷绳轮上且与所述卡珠相配合的阶梯孔；所述阶梯孔中的较大孔直径大于卡珠的直径以容置卡珠；阶梯孔中的较小孔直径大于柔性绳的直径但小于卡珠的直径，从而将柔性绳与卷绳轮连接以承受单向拉力。
本发明的工作原理是：电机的旋转运动通过锥齿轮组传递至与输出锥齿轮同轴固定的圆盘(即曲柄；圆盘上偏心铰接一连杆)；圆盘的转动带动与之铰接的连杆，连杆的另一端推动滑块直线滑动，使得与滑块固定的齿条作有规律的往复直线运动，进而带动与齿条相啮合的齿轮做正弦规律的摆动，卷绳轮也相应地摆动；卷绳轮的摆动带动了两根柔性绳，从而通过柔性绳上的挡块带动了摆片机构中的四个摆片，使得摆片机构上下摆动进行推进运动。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用曲柄滑块机构和齿轮齿条机构，能够将电机连续转动变为角度在一定范围内的来回转动，运动为正弦运动，使得尾部装置下摆时为加速运动，鞭状拍水，而上摆时为减速运动，这能够有效地提高摆动效率。
(2)本发明的尾部装置采用多节尾巴同时摆动来模拟河狸尾巴在水中的运动，能够增大受到水的反作用力，从而增大推进力。
(3)本发明采用带有挡块的绳驱动可以对每节尾巴进行控制，只需要一个动力装置，因而减轻了整体重量，；同时绳驱动能够随着每节尾巴的角度变化而进行变化，力的方向也能随之改变，不会造成动力的损失，游动效率得以提高。
(4)本发明采用挡块将柔性绳和卷绳轮进行固定，这样能够防止柔性绳打滑，增加传动效率，同时也无需张紧机构。
附图说明
图1本发明的三维结构示意图。
图2本发明的主视结构示意图之一(状态1)
图3本发明的主视结构示意图之二(状态2)
图4是图2的俯视状态示意图。
图5是柔性绳与卷绳轮的连接结构放大示意图。
图中：1.步进电机，2.圆盘，3.锥齿轮组，4.连杆，5.滑块，6.齿轮，7.滑轨，8.卷绳轮，9.第一摆片，10.第二摆片，11.第三摆片，12.第四摆片，13.第五摆片，14.上柔性绳，15.下柔性绳，16.上定位圈，17.下定位圈，18.右定位圈，19.挡块，20.下定位圈，21.锥齿轮支架，22.机架，23.阶梯孔。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
附图所示的仿河狸尾巴的摆动机构中，电机1设置在机架22上，摆片机构可转动地铰接在机架上以形成模仿河狸驱动的尾巴，传动机构传递电机动力从而驱动摆片机构；所述传动机构中，曲柄滑块机构由电机驱动，齿条齿轮机构由曲柄滑块机构带动，卷取柔性绳的卷绳轮8由齿条齿轮机构带动。所述齿条齿轮机构包括与滑块5固定的齿条以及由齿条驱动的齿轮6；所述卷绳轮与齿轮端面相接且固定连接(优选铆接)。
所述电机通过锥齿轮组驱动所述曲柄滑块机构；图中可见：电机轴轴线水平布置在机架上，主动锥齿轮固定在电机轴上，被动锥齿轮由锥齿轮支架21定位并且轴线垂直于机架。锥齿轮组的传动比推荐为2，既可降低转速，同时因锥齿轮的重量较轻且运行稳定，还可降低整个机构的重量和震动。曲柄滑块机构中与被动锥齿轮同轴定位在锥齿轮支架上的圆盘2即为曲柄，连杆4的一端偏心铰接在圆盘上，连杆的另一端与滑块铰接，可推动滑块在滑轨7(优选燕尾形滑轨)中往复滑动；齿条5与滑块固定连接(滑块与齿条可制作为一体，或者分开制作再固定为一体)，因而可带动与齿条啮合的齿轮6在一定角度内来回转动。这样就能够将电机的连续转动转化为齿轮6在一定角度内的正弦往复转动，从而实现摆片机构的运动。
所述摆片机构由若干摆片(图中显示五个摆片)依次首尾前后铰接而成，并且所有的铰接轴线均水平布置；每个摆片的上表面和下表面分别制作有用于柔性绳穿越的定位圈(其中第一摆片9直接与滑轨支架固定，第一摆片的上表面和下表面分别设置有上定位圈16和下定位圈17，用于柔性绳的径向定位；其余摆片的左右两侧分别设置有定位圈)，两根柔性绳分别在上表面以及下表面依次可滑动地穿越各个摆片上的定位圈(穿越定位圈中的穿绳孔)后，右端缠绕在所述卷绳轮上；所述柔性绳上还固定有若干挡块19(图中显示4块)，每个挡块分别与一个摆片上的定位圈对应配合，以在每根柔性绳受到传动机构拉动时，该根绳上的若干挡块均同时施力于对应的定位圈，从而实现摆片机构的摆动。由图2可知：卷绳轮拉动下表面的下柔性绳15(同时释放上表面的上柔性绳14)时，该柔性绳上的各个挡块19分别同时顶压对应摆片上表面右侧的右定位圈18(左定位圈20用于柔性绳的径向定位)，使得各摆片同时绕铰接轴线(各摆片与前一摆片的铰接轴轴线)摆动，从而形成整个摆片机构往下的摆动；同理，卷绳轮拉动上表面的上柔性绳14时(同时释放下表面的柔性绳15)，该柔性绳上的各个挡块分别同时顶压对应摆片上表面右侧的定位圈，使得各摆片同时绕铰接轴线(各摆片的右端与前一摆片左端铰接的轴线)摆动，从而形成整个摆片机构往上的摆动(参见图3)。卷绳轮往复拉动上柔性绳和下柔性绳，摆片机
构即可上下拍动，即可获得在水中的反作用力，从而获得效率颇高的推进动力。
如图5所示：所述两根柔性绳的右端均通过卡珠结构固定在卷绳轮上，柔性绳需要在卷绳轮上绕1圈以上，防止柔性绳被拉伸时传动比发生变化；所述卡珠结构包括固定在柔性绳末端且直径大于柔性绳的卡珠24，以及制作在卷绳轮上且与所述卡珠相配合的阶梯孔23；所述阶梯孔中的较大孔直径大于卡珠的直径，卡珠可沉入其中；阶梯孔中的较小孔直径大于柔性绳的直径但小于卡珠的直径，柔性绳末端的卡珠被拉入阶梯孔中后即受到较小孔的限位，使得柔性绳可传递卷绳轮施加的拉力。

Claims (6)

1.一种仿河狸尾巴的摆动机构，其特征在于：该机构包括设有电机(1)的机架(22)、可转动地铰接在机架上从而形成可摆动尾巴的摆片机构以及传递电机动力驱动摆片机构的传动机构；所述传动机构包括由电机驱动的曲柄滑块机构、由曲柄滑块机构带动的齿条齿轮机构以及由齿条齿轮机构带动以往复卷取柔性绳的卷绳轮(8)；所述摆片机构由若干摆片依次首尾前后铰接而成且铰接轴线均水平布置；每个摆片的上表面和下表面分别制作有用于柔性绳穿越的定位圈，两根柔性绳分别在上表面以及下表面依次穿越各个摆片上的定位圈后，右端缠绕在所述卷绳轮上；所述柔性绳上还固定有若干挡块(19)，每个挡块分别与一个摆片上的定位圈对应配合，以在柔性绳受到传动机构拉动时，该根绳上的若干挡块均同时各自施力于对应的定位圈，从而实现摆片机构的摆动。
2.根据权利要求1所述的仿河狸尾巴的摆动机构，其特征在于：所述曲柄滑块机构包括由电机驱动且偏心铰接有连杆(4)的圆盘(2)以及由连杆驱动的滑块(5)，所述滑块可滑动地定位在滑轨(7)中其滑动方向垂直于曲柄的转动轴线。
3.根据权利要求2所述的仿河狸尾巴的摆动机构，其特征在于：所述齿条齿轮机构包括与滑块固定的齿条以及由齿条驱动的齿轮(6)；所述卷绳轮与齿轮端面相贴且固定连接。
4.根据权利要求3所述的仿河狸尾巴的摆动机构，其特征在于：所述电机通过锥齿轮组驱动所述曲柄滑块机构。
5.根据权利要求4所述的仿河狸尾巴的摆动机构，其特征在于：所述每个摆片的上表面与下表面分别制作有两个定位圈，两个定位圈分别位于摆片的左右两侧且定位圈中的穿绳孔轴线同轴布置。
6.根据权利要求5所述的仿河狸尾巴的摆动机构，其特征在于：所述两根柔性绳的右端均通过卡珠结构固定在卷绳轮上；所述卡珠结构包括固定在柔性绳末端且直径大于柔性绳的卡珠(24)以及制作在卷绳轮上且与所述卡珠相配合的阶梯孔(23)；所述阶梯孔中的较大孔直径大于卡珠的直径以容置卡珠；阶梯孔中的较小孔直径大于柔性绳的直径但小于卡珠的直径，从而将柔性绳与卷绳轮连接以承受单向拉力。
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