CN114275132B - 一种兼具水下游动和跳跃功能的仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种兼具水下游动和跳跃功能的仿生机器人，包括仿生主体部、驱动机构和控制机构；仿生主体部包括形成前身的两个前身板、形成后身的两个后身板、两个胸鳍和一个尾鳍，两个前身板与两个后身板对称设置；两个前身板通过第一铰链相铰接，两个后身板通过第二铰链相铰接，相邻的前身板与后身板之间通过第三铰链相铰接，两个前身板、两个后身板围合形成四边形折展机构，在该四边形折展机构的外部开口处包裹有形成内部封闭空间用的防水膜，两个胸鳍对称设置于前身板上并位于第三铰链处；驱动机构包括第一SMA弹簧、第二SMA弹簧、第三SMA弹簧和两个SMA扭簧，控制机构包括电池和控制板；本发明能同时实现水下游动和跳出水域，并具备重量极轻的优点。

Description

一种兼具水下游动和跳跃功能的仿生机器人

技术领域

本发明属于仿生机器技术领域，具体涉及一种兼具水下游动和跳跃功能的仿生机器人。

背景技术

近年来仿生水下机器人的研究获得越来越多的关注，人们认识到通过模拟鱼类的游动，可以得到更高效、更高速和更高机动性的尾鳍推进器。利用鱼类的推进机理实现水下游动组件成为现实。

现有技术中实现水下游动的机器人主要结构采用采用3D打印材料或铝合金(笨重)，驱动器采用SMA弹簧对称地分布在鱼关节两侧，用12根SMA弹簧模拟鱼体摆动的肌肉并输出驱动力带动关节摆动，其缺点实无法实现水中跳跃，结构尺寸、重量过大等。

目前的水下游动机器人为了实现跳跃所采用的主要方案是利用喷气装置进行跳跃，其缺点是所需气罐需要存贮高压气体，重量大于500g，尺寸大于20cm，过于笨重，体积过大。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种兼具水下游动和跳跃功能的仿生机器人，能同时实现水下游动和跳出水域，并且具备重量极轻的优点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种兼具水下游动和跳跃功能的仿生机器人，包括仿生主体部、驱动机构和控制机构；

仿生主体部包括形成前身的两个前身板、形成后身的两个后身板、两个胸鳍和一个尾鳍，两个前身板与两个后身板对称设置；

其中两个前身板通过第一铰链相铰接，两个后身板通过第二铰链相铰接，相邻的前身板与后身板之间通过第三铰链相铰接，第一铰链、第二铰链和两个第三铰链均互相平行；

其中两个前身板、两个后身板围合形成一四边形折展机构，在该四边形折展机构的外部开口处包裹有形成内部封闭空间用的防水膜；

其中两个胸鳍对称设置于前身板上并位于第三铰链处；

驱动机构包括第一SMA弹簧、第二SMA弹簧、第三SMA弹簧和两个SMA扭簧；

其中第一SMA弹簧的两端分别连接两个前身板或者两个后身板上，并且第一SMA弹簧的两端位于第三铰链处；

其中第二SMA弹簧的两端连接位于左侧的前身板、后身板，第三SMA弹簧的两端连接位于右侧的前身板、后身板；

其中两个SMA扭簧对称设置于第二铰链的左右两侧，SMA扭簧的两个支脚分别作用在尾鳍、后身板上；

控制机构包括电池和控制板，电池与控制板之间电性连接，控制板与第一SMA弹簧、第二SMA弹簧、第三SMA弹簧、第一SMA扭簧和第二SMA扭簧之间控制连接；

其中电池、控制板设置于前身板和/或后身板上，并位于四边形折展机构内；

利用两个SMA扭簧进行尾鳍的左右摆动，以实现游动和转弯；利用第一SMA弹簧、第二SMA弹簧、第三SMA弹簧进行四边形折展机构的折叠和展开，以实现加速和跳跃。

作为本发明的另一种具体实施方式，SMA扭簧呈V形或者Z形。

作为本发明的另一种具体实施方式，进一步包括限位机构，限位机构用于限制两个前身板向后方内侧折叠的折叠角度，其包括至少一个限位板，限位板设置于其中一个前身板的外表面并位于第一铰链处，其中折叠时限位板能够与另外一个前身板相抵。

作为本发明的另一种具体实施方式，限位机构进一步包括止挡板，止挡板用于与限位板抵接配合以限制两个前身板的折叠角度。

作为本发明的另一种具体实施方式，包括两个限位板和两个止挡板，两个限位板的上均设有护板，两个护板位于两个止挡板之间或位于两个止挡板的上下两侧。

作为本发明的另一种具体实施方式，限位机构还包括闸板；

止挡板上设有开口槽，闸板通过第四铰链设置于开口槽的槽口处，限位板上设有平行于第一铰链的限位杆；

第四铰链与限位杆相平行，第四铰链为弹性铰链以保持闸板封堵在开口槽的槽口处；

第五闸板设置于限位杆的旋转路径上，两个前身板折叠时，限位杆在转动过程中能打开闸板并从开口槽的槽口进入，待限位杆进入开口槽后，在第四铰链的作用下，闸板自动闭合。

作为本发明的另一种具体实施方式，限位机构还包括触发组件，触发组件包括支架和第四SMA弹簧；

支架设置于止挡板上；

第四SMA弹簧的一端连接在支架上，第四SMA弹簧的另一端与闸板相连接；

其中在两个前身板需要展开时，利用第四SMA弹簧驱动闸板打开以解除对限位杆的锁定约束。

作为本发明的另一种具体实施方式，第二SMA弹簧的中心线与第三SMA弹簧的中心线互相平行，且第一SMA弹簧的中心线、第二SMA弹簧的中心线和第三铰链均互相垂直。

本发明具备以下有益效果：

本发明将仿生主体部的两个前身板、两个后身板采用对称四杆跳跃机构，使跳跃阶段水的反作用力始终经过其自身质心，能实现从水下跳跃出水面，同时采用仿生鱼尾设计，实现整体的水下游动和转弯，并可以控制跳跃的方向，整体结构紧凑，无需额外的喷射跳跃机构，使得整体重量非常轻。

本发明的仿生主体部结构有利于水下游动，能量利用效率高。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图一；

图2是本发明实施例1的结构示意图二；

图3是本发明实施例1的结构简图；

图4是本发明实施例1中显示限位机构的结构示意图；

图5是本发明实施例1向前游动的示意图；

图6是本发明实施例1向左转弯的示意图；

图7是本发明实施例1加速游动的示意图；

图8是本发明实施例1跳跃过程的示意图；

图9是本发明实施例1复位过程的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

本发明提供了一种兼具水下游动和跳跃功能的仿生机器人，如图1-4所示，包括仿生主体部100、驱动机构200和控制机构300。

仿生主体部100包括形成前身的两个前身板110、形成后身的两个后身板120、两个胸鳍130和一个尾鳍140；

两个前身板110与两个后身板120对称设置，两个前身板110通过第一铰链R1相铰接，两个后身板120通过第二铰链R2相铰接，相邻的前身板110与后身板120之间通过第三铰链R3相铰接，第一铰链R1、第二铰链R2和两个第三铰链R3均互相平行；

具体的，两个前身板110、两个后身板120围合形成一四边形折展机构，如图3所示，两个前身板110、两个后身板120的投影形成为对称的四杆机构；

其中，在该四边形折展机构的外部开口处包裹有形成内部封闭空间用的防水膜，以在两个前身板110、两个后身板120内形成安装空间；

两个胸鳍130对称设置于前身板110上并位于第三铰链R3处，优选的，两个胸鳍130固定设置于两个前身板110上；

驱动机构200包括第一SMA弹簧210、第二SMA弹簧220、第三SMA弹簧230和两个SMA扭簧240；

第一SMA弹簧210的两端分别连接两个前身板110或者两个后身板120上，并且第一SMA弹簧210的两端位于第三铰链R3处，其中第一SMA弹簧210作为游动和跳跃的驱动器进行使用；

第二SMA弹簧220的两端连接位于左侧的前身板110、后身板120，第三SMA弹簧230的两端连接位于右侧的前身板110、后身板120，其中第二SMA弹簧220、第三SMA弹簧230作为复位驱动器进行使用；

两个SMA扭簧240对称设置于第二铰链R2的左右两侧，SMA扭簧240的两个支脚分别作用在尾鳍140、后身板120上，其中两个SMA扭簧240分别控制尾鳍140的左右摆动，具体的，SMA扭簧240呈V形、Z形或者其他形状；

进一步的，第二SMA弹簧220的中心线与第三SMA弹簧230的中心线互相平行，且第一SMA弹簧210的中心线、第二SMA弹簧220的中心线和第三铰链R3均互相垂直，如图1所示。

控制机构300包括电池和控制板，电池与控制板之间电性连接，控制板与第一SMA弹簧210、第二SMA弹簧220、第三SMA弹簧230、第一SMA扭簧240和第二SMA扭簧240之间控制连接。

其中电池、控制板设置于前身板110和/或后身板120上，并位于四边形折展机构内，在防水膜的保护作用下，电池、控制板可以正常进行使用，优选的在两个前身板110、两个后身板120的折展过程中，防水膜能产生适应性的形变。

本实施例中利用两个SMA扭簧240进行尾鳍140的左右摆动，以实现游动和转弯，利用第一SMA弹簧210、第二SMA弹簧220、第三SMA弹簧230进行四边形折展机构的折叠和展开，以实现加速和跳跃，具体如图5-9所示：

向前游动：

如图5所示，通过位于左侧的SMA扭簧240和位于右侧的SMA扭簧240进行间歇等幅度转动，则实现整体向前游动。

转弯动作：

通过位于左侧的SMA扭簧240和位于右侧的SMA扭簧240进行间歇不等幅度转动，则实现转弯，图6示出了的向左转弯的情况。

加速向前游动：

如图7所示，两个前身板110、两个后身板120所形成的四边形折展机构处于初始展开姿态下，通过第一SMA弹簧210的收缩进行四边形折展机构左右方向的折叠，同时利用两个胸鳍130实现加速向前游动。

跳跃动作：

如图8所示，两个前身板110、两个后身板120所形成的四边形折展机构处于前后折叠姿态下，通过第一SMA弹簧210的收缩进行四边形折展机构左右方向的折叠，同时利用两个胸鳍130实现跳跃。

复位过程：

如图9所示，两个前身板110、两个后身板120所形成的四边形折展机构处于左右折叠姿态下，通过第二SMA弹簧220、第三SMA弹簧230进行四边形折展机构的展开，将该四边形折展机构展开至初始展开姿态，以进行下一周期的动作过程。

为了保持跳跃动作之前第一SMA弹簧210可以积累足够的弹性势能，本实施例中还设置了限位机构400，限位机构400用于限制两个前身板110向后方内侧折叠的折叠角度，同时保持仿生主体部100处于前后折叠姿态的最大折叠位置，即如图8中左图的位置姿态。

限位机构400包括两个限位板410、两个止挡板420、两个护板430、闸板440和触发组件450，如图4所示。

限位板410设置于其中一个前身板110的外表面并位于第一铰链R1处，止挡板420设置于另外一个前身板110的外表面并位于第一铰链R1处，其中限位板410与止挡板420能够相互抵接配合以限制两个前身板110的折叠角度；

相应的，护板430设置于限位板410上，两个护板430位于两个止挡板420之间或位于两个止挡板420的上下两侧，进而防止在限位板410、止挡板420进行抵接配合时产生相对滑动现象。

具体的，止挡板420上设有开口槽421，闸板440通过第四铰链R4设置于开口槽421的槽口处，其中限位板410上设有平行于第一铰链R1的限位杆460；

第四铰链R4与限位杆460相平行，第四铰链R4优选为弹性铰链以保持闸板440封堵在开口槽421的槽口处；

第五闸板440设置于限位杆460的旋转路径上，两个前身板110前后方向折叠时，限位杆460在转动过程中能打开闸板440并从开口槽421的槽口进入，如图4所示，待限位杆460进入开口槽421后，在第四铰链R4的作用下，闸板440自动闭合。

触发组件450包括支架451和第四SMA弹簧452，支架451设置于止挡板420上，第四SMA弹簧452的一端连接在支架451上，第四SMA弹簧452的另一端与闸板440相连接，例如在第四SMA弹簧452的另一端设有拉绳，通过拉绳与闸板440连接；

其中在两个前身板110需要展开时，利用第四SMA弹簧452驱动闸板440打开以解除对限位杆460的锁定约束。

本实施例中通过限位机构400一方面可以对前后方向折叠位置进行限定，另一方面可以长时间(例如10秒以上)保持仿生主体部100处于前后折叠姿态的最大折叠位置，有利于第一SMA弹簧210积蓄足够的弹性势能，以完成跳跃动作。

本实施例能同时实现水下游动和跳跃出水域，并且还能控制跳跃的方向，同时相较于现有技术中的水下游动机器人，本实施例所提供的兼具水下游动和跳跃功能的仿生机器人的重量仅为2.5g，极大减轻了机器人的重量。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (5)

1.一种兼具水下游动和跳跃功能的仿生机器人，其特征在于，包括仿生主体部、驱动机构、控制机构和限位机构；

所述仿生主体部包括形成前身的两个前身板、形成后身的两个后身板、两个胸鳍和一个尾鳍，两个所述前身板与两个所述后身板对称设置；

其中两个所述前身板通过第一铰链相铰接，两个所述后身板通过第二铰链相铰接，相邻的所述前身板与所述后身板之间通过第三铰链相铰接，所述第一铰链、所述第二铰链和两个所述第三铰链均互相平行；

其中两个所述前身板、两个所述后身板围合形成一四边形折展机构，在该四边形折展机构的外部开口处包裹有形成内部封闭空间用的防水膜；

其中两个所述胸鳍对称设置于所述前身板上并分别位于两个所述第三铰链处；

其中所述尾鳍设置于所述后身板上并位于所述第二铰链处；

所述驱动机构包括第一SMA弹簧、第二SMA弹簧、第三SMA弹簧和两个SMA扭簧；

其中所述第一SMA弹簧的两端分别连接两个所述前身板或者两个所述后身板上，并且所述第一SMA弹簧的两端分别位于两个所述第三铰链处；

其中所述第二SMA弹簧的两端连接位于左侧的所述前身板、所述后身板，所述第三SMA弹簧的两端连接位于右侧的所述前身板、所述后身板；

其中两个所述SMA扭簧对称设置于所述第二铰链的左右两侧，所述SMA扭簧的两个支脚分别作用在所述尾鳍、所述后身板上；

所述控制机构包括电池和控制板，所述电池与所述控制板之间电性连接，所述控制板与所述第一SMA弹簧、所述第二SMA弹簧、所述第三SMA弹簧和两个所述SMA扭簧之间控制连接；

其中所述电池、所述控制板设置于所述前身板和/或所述后身板上，并位于四边形折展机构内；

所述限位机构用于限制两个所述前身板向后方内侧折叠的折叠角度，其包括两个限位板和两个止挡板；所述限位板设置于其中一个所述前身板的外表面并位于所述第一铰链处，其中折叠时所述限位板能够与另外一个所述前身板相抵；所述止挡板用于与所述限位板抵接配合以限制两个所述前身板的折叠角度；两个所述限位板上均设有护板，两个所述护板位于两个所述止挡板之间或位于两个所述止挡板的上下两侧；

利用两个所述SMA扭簧进行所述尾鳍的左右摆动，以实现游动和转弯；利用所述第一SMA弹簧、所述第二SMA弹簧、所述第三SMA弹簧进行四边形折展机构的折叠和展开，以实现加速和跳跃。

2.如权利要求1所述的兼具水下游动和跳跃功能的仿生机器人，其特征在于，所述SMA扭簧呈V形或者Z形。

3.如权利要求1所述的兼具水下游动和跳跃功能的仿生机器人，其特征在于，所述限位机构还包括闸板；

所述止挡板上设有开口槽，所述闸板通过第四铰链设置于所述开口槽的槽口处，所述限位板上设有平行于所述第一铰链的限位杆；

所述第四铰链与所述限位杆相平行，所述第四铰链为弹性铰链以保持所述闸板封堵在所述开口槽的槽口处；

所述闸板设置于所述限位杆的旋转路径上，两个所述前身板折叠时，所述限位杆在转动过程中能打开所述闸板并从所述开口槽的槽口进入，待所述限位杆进入所述开口槽后，在所述第四铰链的作用下，所述闸板自动闭合。

4.如权利要求3所述的兼具水下游动和跳跃功能的仿生机器人，其特征在于，所述限位机构还包括触发组件，所述触发组件包括支架和第四SMA弹簧；

所述支架设置于所述止挡板上；

所述第四SMA弹簧的一端连接在所述支架上，所述第四SMA弹簧的另一端与所述闸板相连接；

其中在两个所述前身板需要展开时，利用所述第四SMA弹簧驱动所述闸板打开以解除对所述限位杆的锁定约束。

5.如权利要求1所述的兼具水下游动和跳跃功能的仿生机器人，其特征在于，所述第二SMA弹簧的中心线与所述第三SMA弹簧的中心线互相平行，且所述第一SMA弹簧的中心线、所述第二SMA弹簧的中心线和所述第三铰链均互相垂直。

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