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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