CN112338957A - 基于串联弹性驱动器的腿部关节、腿结构及水下机器人 - Google Patents

基于串联弹性驱动器的腿部关节、腿结构及水下机器人 Download PDF

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许延杰
李贻斌
秦川界
罗皓麒
王鸿辉
陈子霄
李文轩
王建军
类延强
张涛
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Abstract

本发明提供一种基于串联弹性驱动器的腿部关节、腿结构及水下机器人，其包括密封内圈、密封外圈、弹簧槽、伺服电机部分和串联弹性驱动器部分。基于串联弹性驱动器的仿生水下机器人腿部关节具有良好的储能作用、缓冲效果和稳定性。本发明体现了生物感应运动原理、能够配备了本发明的机器人腿部结构在真实的海洋条件下具有良好的工作空间、移动性和静态稳定性。

Description

基于串联弹性驱动器的腿部关节、腿结构及水下机器人
技术领域
本发明涉及仿生水下机器人领域，并且特别地涉及一种水下机器人用的机械腿部关节及包括该关节的仿生水下机器人。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
近年来，机器人被应用于数个领域，机器人也可以用来研究自然，也是收集那些难以获得的科学数据的珍贵工具。其中水下机器人在海洋探索领域变得越来越受欢迎，其设计要求为有能力承受恶劣的环境、到达偏远的地方、并且可以由人自主的操作。
目前现存的大多数仿生机器人的腿部关节是由舵机直接控制，此结构虽结构简单使机器人易于控制，但在水流流速和流向及其不稳定的海底，易出现腿部关节受复杂水流影响而导致机器人关节难以旋转和移动的情况。这已经在相关研究中得到证实。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供一种基于串联弹性驱动器的仿生水下机器人腿部关节，本发明的目的是一种基于串联弹性驱动器的仿生水下机器人腿部关节，该腿部关节能使仿生水下机器人的腿部结构在海底具有良好的储能作用、缓冲效果和稳定性，使其在海底环境进行自由的行进与跳跃。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提出了一种基于串联弹性驱动器的腿部关节，其包括伺服电机和串联弹性驱动器；
所述的串联弹性驱动器包括外壳、第一挡块、第二挡块、弹簧、圆环导轨、轴承；外壳为一个空心圆盘，在圆盘的中心设有一个轴；第一挡块位于外壳内，且第一挡块的中心通过轴承套装在所述轴上，在第一挡块的外圈设有多个扫臂；多个第二挡块沿外壳的环形方向固定外壳内壁上，且多个第二挡块间隔分布在相邻的扫臂之间；圆环导轨位于外壳内且穿过所有的扫臂和第二挡块，在相邻的扫臂和第二挡块之间的圆环导轨段上套装有弹簧；伺服电机与外壳的轴相连。
作为进一步的技术方案，还包括密封内圈，所述的密封内圈与第一挡块相连，用于密封外壳与第一挡块形成的环形空隙。
作为进一步的技术方案，还包括密封外圈，所述的密封外圈与所述的外壳相连。
作为进一步的技术方案，所述的伺服电机封装在防水铝罐内。
作为进一步的技术方案，所述的第一挡块包括一个圆盘，在圆盘的中心设有一个通孔，在圆盘的外圈设有多个扫臂。
作为进一步的技术方案，多个扫臂在圆盘的外圈均匀设置。
作为进一步的技术方案，所述的多个第二挡块沿外壳的环形方向均匀设置。
第二方面，本发明还公开了一种水下机器人腿结构，包括所述的基于串联弹性驱动器的腿部关节。
第三方面，本发明还公开了一种水下机器人，包括所述的腿结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、目前现有的串联弹性驱动器结构多为直弹簧，或整个环形弹簧，本发明采用分段式环形弹簧，并设计挡块阻止弹簧的轴向运动。
2、目前现有的串联弹性驱动器结构无弹簧导轨限制弹簧运动，本发明考虑到环形弹簧相对于直弹簧在法向方向上更易出现滑动，加设弹簧导轨限制弹簧在法向上的运动。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1示出了腿部关节的爆炸透视图；
图2示出了图1中串联弹性驱动器结构3的透视图；
图3示出了图2中环形导轨34的透视图；
图4示出了图1中伺服电机部分4的爆炸透视图；
其中，1-密封内圈，2-密封外圈，3-串联弹性驱动器，31-外壳，32-挡块，33-挡块，34-环形导轨，35-环形弹簧，36A-挡块，36B-挡块，37-滚针轴承，4-伺服电机部分，41-防水铝罐弹簧槽，42-伺服电机，43-防水铝罐端盖。
具体实施方式：
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
当介绍本发明内容或其优选实施方式的要素时，词语“一”、“一个”和“该”不旨在表示数量限制，而是除非另有说明或与上下文明显矛盾否则表示存在至少一个项。此外，术语“包括”、“包含”，“包括有”和“具有”旨在是包括性的，并且意味着除列出的要素外可能还有其他要素。
正如背景技术部分所描述的，现有技术中存在各种缺陷，为了解决现有技术中存在的问题，本实施例提供了一种基于串联弹性驱动器的腿部关节及仿生水下机器人。
图1示出了基于串联弹性驱动器的腿部关节的四个主要部分，其包括密封内圈1、密封外圈2，串联弹性驱动器3、伺服电机部分4；伺服电机部分4与串联弹性驱动器3相连，密封内圈1、密封外圈2与串联弹性驱动器3配合。具体的，串联弹性驱动器3的挡块32与密封内圈1连接，密封外圈2与串联弹性驱动器3的外壳31连接，且与密封内圈配合。
如图2所示为串联弹性驱动器结构3的示意图，包括外壳31、挡块32、挡块33、环形导轨34、环形弹簧35、挡块36A、挡块36B和滚针轴承37；
外壳31为一个中空的盒体，在盒体的中心设有一个轴，挡块32的中心设有一个孔，该孔与盒体的轴通过滚针轴承37配合。
上述的挡块32包括一个圆盘，在圆盘的外圈设有三个与其一体成型的扫臂，三个扫臂之间呈120°，圆盘的中心为通孔结构，滚针轴承227安装在该通孔内；三个扫臂上也设有通孔，供环形导轨穿过。
上述的挡块36A、挡块36B、挡块33形状基本相同，在每个挡块上设有通孔，三个挡块(挡块36A、挡块36B、挡块33)分别位于挡块32的三个扫臂之间，与扫臂形成间隔分布；且三个挡块(挡块36A、挡块36B、挡块33)通过螺钉与外壳31内圈固定连接，圆环导轨34设置在挡块32的圆盘与外壳31形成的环状空间内，且圆环导轨34依次穿过挡块36A、挡块36B、挡块33的通孔；且圆环导轨34还穿过三个扫臂。
上述的环形弹簧35包括6段独立的弧形弹簧，每段弧形弹簧的两端分别与挡块36A或挡块36B或挡块33与挡块32的扫臂固连，从而当电机带动外壳转动时，挡块36A、挡块36B和挡块33也跟着一起转动，因此挡块36A、挡块36B、挡块33的一侧压缩对应的弹簧，另一侧拉伸弹簧，使弹簧储能。伺服电机部分4与外壳31连接，电机封装在铝罐中，从而电机转动时带动外壳31相对挡块32转动。
进一步的，上述的挡块33上还设有螺纹孔，螺纹孔的轴线垂直与其通孔轴线，圆环导轨34在非组装状态为一个断开式结构，在其两端也设有螺纹孔，在其端部组合在一起后，两个螺纹孔轴线在一条直线上(参见图3所示)，同时与挡块33上的螺纹孔轴线同轴，然后通过螺栓或者螺钉将圆环导轨34固定在挡块33上。
具体的，如图4所示，伺服电机部分4包括防水铝罐41、伺服电机42、防水铝罐端盖43，防水铝罐41与防水铝罐端盖43相连，形成伺服电机42的密封空间，具体的，防水铝罐端盖43与防水铝罐弹簧槽41通过螺纹密封连接。伺服电机42安装在该密封空间内。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于串联弹性驱动器的腿部关节，其特征在于，包括伺服电机和串联弹性驱动器；
所述的串联弹性驱动器包括外壳、第一挡块、第二挡块、弹簧、圆环导轨、轴承；外壳为一个空心圆盘，在圆盘的中心设有一个轴；第一挡块位于外壳内，且第一挡块的中心通过轴承套装在所述轴上，在第一挡块的外圈设有多个扫臂；多个第二挡块沿外壳的环形方向固定外壳内壁上，且多个第二挡块间隔分布在相邻的扫臂之间；圆环导轨位于外壳内且穿过所有的扫臂和第二挡块，在相邻的扫臂和第二挡块之间的圆环导轨段上套装有弹簧；伺服电机与外壳的轴相连。
2.如权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的腿部关节，其特征在于，还包括密封内圈，所述的密封内圈与第一挡块相连，用于密封外壳与第一挡块形成的环形空隙。
3.如权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的腿部关节，其特征在于，还包括密封外圈，所述的密封外圈与所述的外壳相连。
4.如权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的腿部关节，其特征在于，所述的伺服电机封装在防水铝罐内。
5.如权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的腿部关节，其特征在于，所述的第一挡块包括一个圆盘，在圆盘的中心设有一个通孔，在圆盘的外圈设有多个扫臂。
6.如权利要求5所述的基于串联弹性驱动器的腿部关节，其特征在于，多个扫臂在圆盘的外圈均匀设置。
7.如权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的腿部关节，其特征在于，所述的多个第二挡块沿外壳的环形方向均匀设置。
8.一种水下机器人腿结构，其特征在于，包括权利要求1-7任一所述的基于串联弹性驱动器的腿部关节。
9.一种水下机器人，其特征在于，包括权利要求8所述的腿结构。
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