CN113734396B - 一种仿生黑斑蛙游泳机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿生黑斑蛙游泳机器人，包含腿部执行机构、驱动和控制机构。执行机构采用单自由度瓦特型六杆机构，此仿生机器人外形结构(腿的粗细，关节的位置)与黑斑蛙腿部结构高度相似，各关节(膝关节、踝关节、末端点)运动曲线与黑斑蛙游泳过程高度相似。通过驱动电机的回转运动转化为驱动齿条的移动副的往返移动，然后驱动腿部执行机构，可做连续运动，从而实现高速运动。通过转向电机带动转向浆实现转向，让游泳机器人更加灵活。此机器人驱动少，控制简单方便，可实现机器人微型化。其结构简单、制作方便、成本低、仿生效果好，可用于水文监测，海洋探索，水下侦察等多种任务。

Description

一种仿生黑斑蛙游泳机器人
技术领域
本发明属于游泳机器人领域，是一种仿生黑斑蛙游泳机器人，具体来说，一种模仿黑斑蛙在水中游泳的机器人，严格模仿黑斑蛙的外形，膝关节、踝关节、末端点的运动曲线，严格模仿黑斑蛙的运动过程，并采用电机的回转运动转化为齿条的移动从而驱动腿的运动，来实现腿的连续运动，从而让机器人实现快速移动。并采用转向机构让机器人更加灵活。
背景技术
游泳机器人可以代替人在水下完成各种复杂任务，他可以在水下进行水下侦察，水文观测，对水温、水深和水质进行测量，对探索海洋，河地观察具有重要意义。并且采用仿生结构尽可能减少机器人对环境的破坏。因此需要一种控制简单，成本低，重量轻，仿生效果好的游泳机器人。
对于现有的仿生游泳机器人的设计，公布号CN104192288B的发明专利《一种基千气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人》采用三个气动肌肉来进行驱动，实现了高灵活性控制，但是控制难度大，难以机器人微型化。
针对上述设计中存在的问题，我们设计出一种仿生黑斑蛙游泳机器人，在保证结构简单，控制方便，体积小的前提下，可实现高速移动，可完成各种水下任务的水下游泳机器人，并且此机器人高度模仿黑斑蛙游泳时的姿态和各关节运动曲线，实现高度仿生。
发明内容
本发明的目的是提供一种仿生黑斑蛙游泳机器人，包括腿部执行机构(1)和驱动和控制机构(2)。
腿部执行机构(1)，包含：齿轮驱动连杆(1-1)、腿部基座(1-2)、大腿连杆(1-3)、小腿连杆1(1-4)、小腿连杆2(1-5)、足部连杆(1-6)；各个构件和设备的连接关系为：两边的腿部基座(1-2)固定连接在下支撑板(2-2)；齿轮驱动连杆(1-1)靠近躯干部分的铰链点通过轴连接在腿部基座(1-2)与上支撑板(2-3)之间，形成旋转副，远离躯干的两个铰链点通过轴分别连接在小腿连杆1(1-4)、小腿连杆2(1-5)上，形成两个旋转副，延伸出来的齿轮与驱动齿条(2-1)配合，通过驱动齿条(2-1)获得驱动力；大腿连杆(1-3)靠近躯干的铰链点通过轴连接在腿部基座(1-2)上，远离躯干的铰链点通过轴连接在小腿连杆2(1-5)上；小腿连杆2(1-5)通过轴分别与足部连杆(1-6)、齿轮驱动连杆(1-1)和大腿连杆(1-3)连接；小腿连杆1(1-4)通过轴分别与齿轮驱动连杆(1-1)、足部连杆(1-6)连接；
驱动和控制机构(2)，包含：驱动齿条(2-1)、下支撑板(2-2)、上支撑板(2-3)、驱动电机(2-4)、驱动电机支架(2-5)、减速器(2-6)、驱动法兰盘(2-7)、支撑柱(2-8)、光学传感器支架(2-9)、光学传感器(2-10)、控制系统部分(2-11)、法兰盘上驱动杆(2-12)、外壳(2-13)、转向电机支架(2-14)、转向电机(2-15)、联轴器(2-16)、转向浆支架(2-17)、转向浆(2-18)；各个构件的连接关系为：下支撑板(2-2)与上支撑板(2-3)通过支撑柱(2-8)连接形成机器人躯干骨架；驱动齿条(2-1)在下支撑板(2-2)与上支撑板(2-3)之间，并通过导向轨和导向槽与下支撑板(2-2)与上支撑板(2-3)配合形成移动副；驱动电机支架(2-5)通过螺栓固定连接在上支撑板(2-3)上；减速器(2-6)通过螺栓固定连接在驱动电机支架(2-5)上，并且与驱动电机(2-4)通过轴进行配合，获取电机的扭矩；驱动电机(2-4)固定连接在减速器(2-6)上，为减速器提供扭矩；控制系统部分(2-11)连接在上支撑板(2-3)上，可处理外部信息并对机器人进行控制；光学传感器支架(2-9)连接在上支撑板(2-3)上；光学传感器(2-10)固定连接在光学传感器支架(2-9)上，用于获取外部数据反馈给控制器；驱动法兰盘(2-7)连接在减速器(2-6)的输出轴上，来获取减速器(2-6)的扭矩；法兰盘上驱动杆(2-12)固定连接在驱动法兰盘(2-7)上，并与驱动齿条(2-1)配合带动驱动齿条(2-1)移动；转向电机支架(2-14)和转向浆支架(2-17)通过螺栓连接到下支撑板(2-2)；转向电机(2-15)通过螺栓固定连接在转向电机支架(2-14)；转向浆(2-18)通过联轴器(2-16)连接在转向电机(2-15)上，并通过转向浆支架(2-17)来支撑；
驱动齿条(2-1)包括齿条主体(2-1-1)、驱动凹槽(2-1-2)、导向凸台(2-1-3)；驱动凹槽(2-1-2)固定连接在齿条主体(2-1-1)上用于获取法兰盘上驱动杆(2-12)提供的动力；导向凸台(2-1-3)固定连接在齿条主体(2-1-1)上与下支撑板(2-2)和上支撑板(2-3)配合起导向作用；
本发明的一种仿生黑斑蛙游泳机器人，在运动过程中如图10，游泳机器人的膝关节运动曲线(3-1)、踝关节运动曲线(3-2)、末端点运动曲线(3-3)与黑斑蛙游泳时各关节的运动曲线高度相似；
本发明的优点在于：
1.本发明提出了一种仿生黑斑蛙游泳机器人，该机器人外形结构、运动曲线高度与黑斑蛙游泳过程高度相似。
2.本发明的仿生黑斑蛙游泳机器人，该机器人可实现高速运动、控制简单方便，驱动少。
3.本发明的仿生黑斑蛙游泳机器人，该机器人通过驱动电机的回转运动转化为驱动齿条的移动副，然后驱动腿部执行机构，可做高速连续运动。
4.本发明的仿生黑斑蛙游泳机器人，该机器人通过转向电机带动转向浆实现转向，让游泳机器人更加灵活。
本发明的仿生黑斑蛙游泳机器人，结构较为简单，制作简单，仿生效果好，无论外形还是作用都贴近黑斑蛙，成本较低。
附图说明
图1本发明中仿生黑斑蛙游泳机器人整体示意图；
图2本发明中仿生黑斑蛙游泳机器人整体抛视图；
图3本发明中仿生黑斑蛙游泳机器人核心骨架-腿部执行机构展开状态示意图；
图4本发明中仿生黑斑蛙游泳机器人核心骨架-腿部执行机构收缩状态示意图；
图5本发明中仿生黑斑蛙游泳机器人腿部执行机构示意图；
图6和图7本发明中仿生黑斑蛙游泳机器人驱动和控制机构示意图；
图8本发明中仿生黑斑蛙游泳机器人驱动齿条结构示意图；
图9本发明中仿生黑斑蛙游泳机器人电机与驱动齿条配合示意图；
图10本发明中仿生黑斑蛙游泳机器人各关节运动曲线示意图；
图中：
1-腿部执行机构；2-驱动和控制机构；
1-1-齿轮驱动连杆；1-2-腿部基座；1-3-大腿连杆；1-4-小腿连杆1；1-5-小腿连杆2；1-6-足部连杆；
2-1-驱动齿条；2-2-下支撑板；2-3-上支撑板；2-4-驱动电机；2-5-驱动电机支架；2-6-减速器；2-7-驱动法兰盘；2-8-支撑柱；2-9-光学传感器支架；2-10-光学传感器；2-11-控制系统部分；2-12-法兰盘上驱动杆；2-13-外壳；2-14-转向电机支架；2-15-转向电机；2-16-联轴器；2-17-转向浆支架；2-18-转向浆；
2-1-1-齿条主体；2-1-2-驱动凹槽；2-4-3-导向凸台；
3-1-膝关节运动曲线；3-2-踝关节运动曲线；3-3-末端点运动曲线；
具体实施方式
下面结合附图和实施例说明本发明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
参照图1、图2、图3、图4，本发明一种仿生黑斑蛙游泳机器人，包括腿部执行机构(1)、驱动和控制机构(2)；
参照图3、图4、图5，仿生黑斑蛙游泳机器人的腿部执行机构(1)，包含：齿轮驱动连杆(1-1)、腿部基座(1-2)、大腿连杆(1-3)、小腿连杆1(1-4)、小腿连杆2(1-5)、足部连杆(1-6)；其主要通过连杆机构为游泳机器人提供前进推力；
参照图3、图4、图6、图7，仿生黑斑蛙游泳机器人的驱动和控制机构(2)，包含：驱动齿条(2-1)、下支撑板(2-2)、上支撑板(2-3)、驱动电机(2-4)、驱动电机支架(2-5)、减速器(2-6)、驱动法兰盘(2-7)、支撑柱(2-8)、光学传感器支架(2-9)、光学传感器(2-10)、控制系统部分(2-11)、法兰盘上驱动杆(2-12)、外壳(2-13)、转向电机支架(2-14)、转向电机(2-15)、联轴器(2-16)、转向浆支架(2-17)、转向浆(2-18)；主要将驱动电机(2-4)转动转化为齿条的往复移动，从而驱动腿部执行机构(1)。光学传感器(2-10)、控制系统部分(2-11)主要采集外部环境信息，并进行处理并各电机。转向电机(2-15)带动转向浆(2-18)为机器人提供转向力。
参照图8、图9，法兰盘上驱动杆(2-12)与驱动齿条(2-1)上的驱动凹槽(2-1-2)配合形成仿生黑斑蛙游泳机器人的主要传动机构，将电机的回转运动转化为驱动齿条的平移运动，来实现对腿部执行机构(1)的驱动。

Claims (3)

1.一种仿生黑斑蛙游泳机器人，包括腿部执行机构（1）和驱动和控制机构（2）；
腿部执行机构（1），包含：齿轮驱动连杆（1-1）、腿部基座（1-2）、大腿连杆（1-3）、小腿连杆I（1-4）、小腿连杆II（1-5）、足部连杆（1-6）；各个构件和设备的连接关系为：两边的腿部基座（1-2）固定连接在下支撑板（2-2）；齿轮驱动连杆（1-1）靠近躯干部分的铰链点通过轴连接在腿部基座（1-2）与上支撑板（2-3）之间，形成旋转副，远离躯干的两个铰链点通过轴分别连接在小腿连杆I（1-4）、小腿连杆II（1-5）上，形成两个旋转副，延伸出来的齿轮与驱动齿条（2-1）配合，通过驱动齿条（2-1）获得驱动力；大腿连杆（1-3）靠近躯干的铰链点通过轴连接在腿部基座（1-2）上，远离躯干的铰链点通过轴连接在小腿连杆II（1-5）上；小腿连杆II（1-5）通过轴分别与足部连杆（1-6）、齿轮驱动连杆（1-1）和大腿连杆（1-3）连接；小腿连杆I（1-4）通过轴分别与齿轮驱动连杆（1-1）、足部连杆（1-6）连接；
驱动和控制机构（2），包含：驱动齿条（2-1）、下支撑板（2-2）、上支撑板（2-3）、驱动电机（2-4）、驱动电机支架（2-5）、减速器（2-6）、驱动法兰盘（2-7）、支撑柱（2-8）、光学传感器支架（2-9）、光学传感器（2-10）、控制系统部分（2-11）、法兰盘上驱动杆（2-12）、外壳（2-13）、转向电机支架（2-14）、转向电机（2-15）、联轴器（2-16）、转向浆支架（2-17）、转向浆（2-18）；各个构件的连接关系为：下支撑板（2-2）与上支撑板（2-3）通过支撑柱（2-8）连接形成机器人躯干骨架；驱动齿条（2-1）在下支撑板（2-2）与上支撑板（2-3）之间，并通过导向轨和导向槽与下支撑板（2-2）与上支撑板（2-3）配合形成移动副；驱动电机支架（2-5）通过螺栓固定连接在上支撑板（2-3）上；减速器（2-6）通过螺栓固定连接在驱动电机支架（2-5）上，并且与驱动电机（2-4）通过轴进行配合，获取电机的扭矩；驱动电机（2-4）固定连接在减速器（2-6）上，为减速器提供扭矩；控制系统部分（2-11）连接在上支撑板（2-3）上，处理外部信息并对机器人进行控制；光学传感器支架（2-9）连接在上支撑板（2-3）上；光学传感器（2-10）固定连接在光学传感器支架（2-9）上，用于获取外部数据反馈给控制器；驱动法兰盘（2-7）连接在减速器（2-6）的输出轴上，来获取减速器（2-6）的扭矩；法兰盘上驱动杆（2-12）固定连接在驱动法兰盘（2-7）上，并与驱动齿条（2-1）配合带动驱动齿条（2-1）移动；转向电机支架（2-14）和转向浆支架（2-17）通过螺栓连接到下支撑板（2-2）；转向电机（2-15）通过螺栓固定连接在转向电机支架（2-14）；转向浆（2-18）通过联轴器（2-16）连接在转向电机（2-15）上，并通过转向浆支架（2-17）来支撑；
驱动齿条（2-1）包括齿条主体（2-1-1）、驱动凹槽（2-1-2）、导向凸台（2-1-3）；驱动凹槽（2-1-2）固定连接在齿条主体（2-1-1）上用于获取法兰盘上驱动杆（2-12）提供的动力；导向凸台（2-1-3）固定连接在齿条主体（2-1-1）上与下支撑板（2-2）和上支撑板（2-3）配合起导向作用。
2.根据权利要求1所述的一种仿生黑斑蛙游泳机器人，其特征在于，该机器人通过驱动电机的回转运动转化为驱动齿条的移动副，然后驱动腿部执行机构，做高速连续运动。
3.根据权利要求1所述的一种仿生黑斑蛙游泳机器人，其特征在于，该机器人通过转向电机带动转向浆实现转向。
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