CN114572371B - 一种仿蛙式水下探测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于仿生学的仿蛙式水下探测机器人，机器人主体包含游动、转向、浮沉机构，通过模仿蛙的外形构造，分别进行仿生机构设计，其中游动机构仿照蛙的四肢在水中游动，使机器人能够在水中以蛙的扑水、滑翔、恢复动作游动；转向机构则仿照蛙的三角形头部左右转动，配合机器人尾部的转向舵叶联动，实现机器人的水中转向；浮沉机构仿照蛙的肚皮膨胀收缩，改变浮力的原理实现机器人在水中的浮沉。此外，机器人还配有仿生蛙眼的电子蛙眼，使得机器人能够在水下进行目标跟踪及拍摄等水下作业；尾部置有螺旋桨，增强了水下机动能力。本发明通过对蛙的水中运动方式仿生，具有高度的相似性，对仿生机构研究及水下机器人研制均具有一定意义。

Description

一种仿蛙式水下探测机器人

技术领域

本发明涉及仿生机器人领域，具体为提出一种仿蛙运动的水下探测机器人机构设计。

背景技术

仿生机器人是机器人领域的一个研究热点。通过模仿动物的运动方式使机器人具备较高的运动效率。现有的蛙式仿生机器人多以软体气动驱动，或以多自由度的连杆机构，通过多台电机对腿部的多个关节分别进行驱动。软体腿部的结构使得驱动方式较为简单，通过充气使腿部伸直，记忆柔性机构使得腿部恢复收缩，但并未对蛙的腿部有较高的仿生程度；而刚性的连杆机构，虽然对蛙腿的腿骨进行了代替，但现有的连杆机构多以多自由度为主，这就需要多台电机驱动，使得复杂程度高，成本高。

除腿部的设计外，现有对蛙的仿生机器人仿生程度不高，多仅对腿部进行仿生，对外形及水中的浮沉仿生较少。蛙在水中扑水结束后会在水中滑翔一段时间，对此也少有设计。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种仿蛙式水下探测机器人。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种仿蛙式水下探测机器人，包括整体式PLC、壳体和游动机构，游动机构包括对称的左、右两部分；右部分包括手臂、前脚蹼、右支撑板、前连杆、腿部驱动齿轮、后连杆、小齿轮杆件、大齿轮杆件、齿轮连杆、大腿二号杆、小腿杆、跖骨杆、后脚蹼、不完全齿轮和腿部驱动电机；腿部驱动电机与步进电机驱动器I电性连接，步进电机驱动器I与整体式PLC电性连接；

小齿轮杆件由小齿轮和杆件I构成；大齿轮杆件由大齿轮和杆件II构成；

手臂的非两端部位与前脚蹼通过螺栓固定连接；手臂的一端与右支撑板连接，另一端与前连杆的一端铰接；前连杆的另一端同时与腿部驱动齿轮和后连杆的一端铰接，同时前连杆与腿部驱动齿轮的连接点偏离腿部驱动齿轮的中心且靠近腿部驱动齿轮的边缘；后连杆的另一端与杆件I的非两端部位连接，杆件I的一端为小齿轮，另一端与右支撑板连接；小齿轮与大齿轮啮合；

小齿轮与大齿轮的中心分别与齿轮连杆的两端铰接；大腿二号杆的一端同时与大齿轮的中心和小腿杆的一端铰接，另一端与右支撑板连接；杆件I、大腿二号杆、右支撑板和齿轮连杆构成平行四边形机构，在杆件I摆动的过程中，小齿轮和大齿轮的中心相对静止；

小腿杆的另一端与跖骨杆的一端铰接，跖骨杆的另一端与后脚蹼螺纹连接；杆件II的一端为大齿轮，另一端与跖骨杆铰接；小腿杆、杆件II、跖骨杆的部分长度段、大腿二号杆的部分长度段形成平行四边形机构，这样使得跖骨杆的运动平行于大腿，实现了跖骨杆的运动，从而带动后脚蹼拍水；

不完全齿轮与腿部驱动齿轮啮合，不完全齿轮为主动件，腿部驱动电机用于驱动不完全齿轮旋转，不完全齿轮、腿部驱动齿轮和腿部驱动电机都安装在右支撑板上；

左部分与右支撑板对应的为左支撑板，左支撑板和右支撑板固定在壳体上，将壳体上方的空间分隔成A部分和B部分，A部分位于B部分的上方，游动机构的大部分零件位于A部分，壳体的侧面开有供前连杆和杆件I穿过的槽口，用于给游动机构运动空间。

整个游动机构的组成关系为：手臂、前连杆、右支撑板、腿部驱动齿轮这四者构成曲柄摇杆机构，其中右支撑板为机架，即为固定杆，腿部驱动齿轮为曲柄。当曲柄圆周转动时，摇杆手臂则会在前连杆的带动下前后摆动，从而实现了前脚蹼的前后摆动。同理，杆件I、后连杆、右支撑板、腿部驱动齿轮这四者也构成曲柄摇杆机构，产生类似上述的运动，使得杆件I前后摆动，从而实现了大腿运动。

随着曲柄腿部驱动齿轮的周期性转动，游动机构分成了拍水、滑翔、恢复三个阶段。当不完全齿轮的缺齿部分运动至本应与腿部驱动齿轮相啮合位置时，实现间歇，为滑翔阶段，在不完全齿轮上的轮齿与腿部驱动齿轮再次啮合之前，机器人将一直处于水中滑翔的姿态。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种仿蛙式水下探测机器人，左、右两部分都还包括大腿一号杆；右部分中，大腿一号杆的一端与小齿轮的中心铰接，另一端与右支撑板连接；大腿一号杆、大腿二号杆、右支撑板和齿轮连杆构成平行四边形机构；壳体的侧面还开有供大腿一号杆穿过的槽口；从机构运动上来讲不必加入大腿一号杆，小齿轮杆件的杆件可以代替它构成平行四边形机构，但考虑到大腿若只有一根杆件较为单薄，故加入大腿一号杆固化结构；大腿一号杆和大腿二号杆的形状并非直杆，这是为了避免运动中产生干涉；组成的此平行四边形机构实现了齿轮连杆的不摆动，即相对右支撑板做平动，从而保证了小齿轮杆件的小齿轮与大齿轮杆件的大齿轮在啮合时中心相对静止。

如上所述的一种仿蛙式水下探测机器人，大齿轮进行了部分切除，以防止在游动机构游动时与杆件 I的杆部发生运动干涉；大齿轮与小齿轮的齿数比为4:1，这样就实现了大腿摆过的角度是小腿摆过角度的4倍，可对大齿轮与小齿轮的齿数比做一定微调从而对摆动角度微调。

如上所述的一种仿蛙式水下探测机器人，小齿轮杆件和大齿轮杆件都为一体成型件。

如上所述的一种仿蛙式水下探测机器人，仿蛙式水下探测机器人还包括转向机构，转向机构包括左齿条杆件、右齿条杆件、前转向齿轮、转向驱动电机、后转向齿轮、蛙头和两个复位弹簧；转向机构的大部分零件位于B部分；

左齿条杆件和右齿条杆件都为Z形，左齿条杆件由左前水平段、斜段I、右后水平段构成，右齿条杆件由右前水平段、斜段II、左后水平段构成，斜段I和斜段II交叉呈X形；

左前水平段和右前水平段都为齿条，前转向齿轮位于二者之间，且同时与二者啮合；前转向齿轮与转向驱动电机的电机轴联接；转向驱动电机与步进电机驱动器II电性连接，步进电机驱动器II与整体式 PLC电性连接；

右后水平段和左后水平段都为齿条，后转向齿轮位于二者之间，且同时与二者啮合；

蛙头内部设有两个圆柱状凸起；左前水平段和右前水平段的前端各与一个带有U型槽的挡板连接，各U型槽各与一个所述圆柱状凸起连接；

左前水平段、右前水平段、右后水平段和左后水平段各与一个固定在壳体上的滑槽滑动连接；与左前水平段连接的滑槽和与右前水平段连接的滑槽的前端呈L形；

一个复位弹簧夹持在与左前水平段连接的挡板和与左前水平段连接的滑槽的前端之间，另一个复位弹簧夹持在与右前水平段连接的挡板和与右前水平段连接的滑槽的前端之间；

壳体的前端设有连接突出部分，蛙头上设有位于所述两个圆柱状凸起之间的一个圆柱状凸起，该圆柱状凸起与壳体的连接突出部分铰接。

当机器人需要在水中左转时，由上位机向整体式PLC下达指令，整体式PLC通过步进电机驱动器 II控制转向驱动电机带动前转向齿轮逆时针转动，左齿条杆件沿滑槽向后移动，右齿条杆件沿滑槽向前移动，左侧复位弹簧压缩，而右侧的复位弹簧伸张，左齿条杆件和右齿条杆件前端的U型槽对蛙头内部的圆柱状凸起施力，使得蛙头左转。复位弹簧的作用是在停止转向时能够使得蛙头恢复正向。

如上所述的一种仿蛙式水下探测机器人，转向机构还包括滑块、转向舵叶和定向舵叶；左后水平段的后端与滑块的一端铰接，滑块的另一端与转向舵叶连接，滑块与转向舵叶构成滑动副；定向舵叶位于壳体的后端下方，它配合转向舵叶实现尾部的变向。

由于滑块可相对左齿条杆件后端相对转动，且转向舵叶上端又可在滑块中滑动，因此，在左齿条杆件向前移动的同时，转向舵叶可以向左摆动。由此，实现蛙头和转向舵叶的联动，在向左游动时，头部向左摆动，尾部亦向左摆动，在停止控制摆动时复位弹簧会帮助头尾复位。后转向齿轮的作用是保持两齿条杆件后部的传动关系，有利于转向机构的传动。机器人向右游动时的原理类似，不再赘述。

如上所述的一种仿蛙式水下探测机器人，转向机构还包括两只螺旋桨和两个螺旋桨电机；两只螺旋桨左右对称安装在壳体的后端，分别由两个左右对称安装在壳体上的螺旋桨电机驱动，两个螺旋桨电机与步进电机驱动器III电性连接，步进电机驱动器III与整体式PLC电性连接，可正转也可反转，当机器人在水中遭遇较大阻力时，可使游动机构保持滑翔姿态，并启动两只螺旋桨正转，为机器人提供较大的游动动力；螺旋桨的反转则用于在水中的后退，因为游动机构只可向前游动，当机器人需要在水中后退时，整体式PLC通过步进电机驱动器III控制螺旋桨电机反转，这一反转功能可以配合转向机构让机器人在水中的转向更加灵活，如可以边后退边向左转，类似于汽车的倒车。

如上所述的一种仿蛙式水下探测机器人，蛙头上镶嵌两个电子蛙眼，蛙头内设有与两个电子蛙眼连接的蛙眼相关装置，电子蛙眼及蛙眼相关装置让机器人具备较强的水下侦测能力。

如上所述的一种仿蛙式水下探测机器人，仿蛙式水下探测机器人还包括浮沉机构，浮沉机构包括安装在壳体的下方的气囊、两个左右对称安装在壳体的上方的气舱、位于气舱内与气囊连接的抽打气泵和空气容器；本发明可通过模仿蛙的肚皮膨胀与收缩改变排水量，从而改变了机器人在水中所受浮力的大小，当机器人需要下沉时，通过气舱内的抽打气泵将气囊内的气体抽入气舱内的空气容器，这样气囊的体积就会减小，排水量减小，浮力减小，机器人则会下沉；上浮的过程与此相反，通过将气舱内空气容器的空气充入气囊使之体积变大实现上浮。

如上任一项所述的一种仿蛙式水下探测机器人，仿蛙式水下探测机器人还包括顶盖，其模仿蛙的背部形状，呈流线型，有助于减少机器人在水中的阻力，顶盖覆盖壳体及其上方各构件。

本发明的仿蛙式水下探测机器人主要由游动机构、转向机构、浮沉机构构成，并辅以电子蛙眼、尾部舵叶、后部可正反转的螺旋桨，其中：

游动机构是模仿蛙的四肢设计的，前后肢体联动通过一台电机即可带动一侧前后肢体的运动，机构的自由度为一，驱动简单，其整体大致位于壳体的中部，左、右支撑板是游动机构的载体；

转向机构根据蛙的外形及头部摆动设计，两侧机构对称布置于壳体的底部，两齿条杆件交错布置在前转向齿轮和后转向齿轮的两侧并啮合，复位弹簧在滑槽和齿条杆件之间，用于蛙头的复位；蛙头内部有三个圆柱状凸起，与两齿条杆件的前部的U型槽和壳体的连接突出部分铰接；

浮沉机构根据蛙的肚皮鼓胀收缩原理设计，壳体内部两端安装有气舱，其内置有抽打气泵和空气容器，抽打气泵通过壳体下端的小孔与气囊相通，可以往气囊内抽气打气；

电子蛙眼镶嵌于蛙头上部的两个凹槽内，蛙头内部置有蛙眼相关装置，如内存卡等，并通过线缆相连接，可将水下的拍摄内容传到岸上的上位机；

尾部舵叶分为转向机构中的变向舵叶和壳体的底部的特征之一定向舵叶，螺旋桨及螺旋桨电机对称安装于壳体的尾部，螺旋桨电机固定安装于壳体的尾部；尾部的变向舵叶和定向舵叶配合，可以实现机器人的尾部变向；尾部的螺旋桨正反转，正转增强了机器人在水下的前进动力，反转则使得机器人能够在水中倒退，配合机器人的转向机构，使得机器人在水下的变向运动更加灵活。

有益效果：

本发明提出了一种单自由度的蛙腿为主体的游动机构，通过连杆与齿轮组合，实现前后蛙腿的联动，驱动简单，仿生程度高。通过不完全齿轮传动模仿蛙在水中滑翔的阶段。另外，设计了转向机构，以蛙的呈扁平三角形头部摆动搭配舵叶使得机器人在水中实现变向。设计机器人的浮沉机构，通过模仿蛙的肚皮鼓胀与收缩改变在水中浮力的原理设计了气囊，通过气囊的膨胀收缩来让机器人能够在水中上浮与下沉。除了以上的三点，本发明还搭配有仿照蛙眼的电子蛙眼，提升了机器人在水中的侦测能力。

所述游动机构的蛙腿通过连杆，以及连杆与齿轮焊接为一体的零件进行组装。前肢与腿部驱动齿轮，手臂和前连杆构成曲柄摇杆机构；后肢的结构以曲柄摇杆机构驱动小齿轮杆件，小齿轮杆件又同时与大齿轮杆件其上的大齿轮相啮合。通过平行四边形机构使得两齿轮杆件上的齿轮保持应有的啮合状态，从而控制了大腿与小腿的转动角度关系之比。跖骨杆与大腿通过平行四边形机构与大腿相平行，从而带动脚蹼拍动水，模仿蛙的游动。除机构设计外，还利用不完全齿轮的传动实现了蛙在水中滑翔运动的模仿。

所述蛙的转向机构由蛙头和尾部的舵叶联动转向，实现左右变向。当蛙头向左转动时，舵叶应同时向左转动，向右时同理。依据于这一点，设计了两交错齿条杆件，通过转向齿轮的旋转带动两齿条反向移动，实现了转向。同时，杆件与滑槽之间还设计有复位弹簧，保证当停止转向时，蛙头即舵叶保持正向。蛙头的形状模仿青蛙，呈扁平，三角状，机器人的顶盖呈流线型以减少在水中的阻力。

所述蛙的浮沉机构包含气舱，气囊及气舱内的抽打气泵，通过控制抽打气泵的抽气至气舱及从气舱通过壳体下部的小孔放气至气囊，来间接地控制了气囊的膨胀与收缩，从而使机器人能够在水中上浮下沉。

除上述三点，壳体的底部设计有定向舵叶，用以搭配转向舵叶，机器人后部设计有两只螺旋桨，正转可以增大动力，以供机器人在水下遇到较大阻力时使用，反转即可实现倒退，让机器人能够在水中倒退。头部两个凹槽镶嵌有电子蛙眼，其与头部内部的内存卡等蛙眼相关装置通过线缆相连，为机器人提供了在水下侦测的能力。

附图说明

图1为本发明整体示意图；

图2为除去顶盖的游动机构的俯视示意图；

图3为游动机构仰视示意图；

图4为机器人即将拍水的运动示意图；

图5为机器人拍水结束滑翔运动示意图；

图6为机器人四肢恢复阶段的运动示意图；

图7为转向机构示意图；

图8为左转示意图；

图9为气囊未充气示意图；

图10为气囊充气示意图；

图11为电机分布及齿条交错示意图；

图12为头部与壳体连接处示意图；

图13为壳体特征示意图；

其中，1-手臂，2-前脚蹼，3-前连杆，4-后连杆，5-小齿轮杆件，6-大齿轮杆件，7-大腿一号杆，8- 大腿二号杆，9-齿轮连杆，10-跖骨杆，11-小腿杆，12-后脚蹼，13-不完全齿轮，14-腿部驱动齿轮，15- 腿部驱动电机，16-整体式PLC，17-蛙头，18-电子蛙眼，19-蛙眼相关装置，201-左齿条杆件，202-右齿条杆件，21-前转向齿轮，22-后转向齿轮，23-复位弹簧，24-转向驱动电机，25-滑块，26-转向舵叶，27- 螺旋桨，28-螺旋桨电机，29-顶盖，30-气舱，31-气囊，32-壳体，321-滑槽，322-槽口，323-连接突出部分，324-定向舵叶，331-右支撑板，332-左支撑板。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

以下各段的方位词“前”、“后”、“左”、“右”中，“前”为蛙头侧，“后”为蛙尾侧，“左”为蛙左手臂侧，“右”为蛙右手臂侧。

一种仿蛙式水下探测机器人，包括整体式PLC、壳体、顶盖、游动机构、转向机构和浮沉机构。

如图1所示，游动机构包括对称的左、右两部分；如图2、图3和图11所示，右部分包括手臂1、前脚蹼2、右支撑板331、前连杆3、腿部驱动齿轮14、后连杆4、小齿轮杆件5、大齿轮杆件6、大腿一号杆7、大腿二号杆8、齿轮连杆9、小腿杆11、跖骨杆10、后脚蹼12、不完全齿轮13和腿部驱动电机15；腿部驱动电机15与步进电机驱动器I电性连接，步进电机驱动器I与整体式PLC 16电性连接；

小齿轮杆件5为一体成型件，由小齿轮和杆件I构成；大齿轮杆件6为一体成型件，由大齿轮和杆件II构成；

手臂1的非两端部位与前脚蹼2通过螺栓固定连接；手臂1的一端与右支撑板331连接，另一端与前连杆3的一端铰接；前连杆3的另一端同时与腿部驱动齿轮14和后连杆4的一端铰接，同时前连杆3 与腿部驱动齿轮14的连接点偏离腿部驱动齿轮14的中心且靠近腿部驱动齿轮14的边缘；后连杆4的另一端与杆件I的非两端部位连接，杆件I的一端为小齿轮，另一端与右支撑板331连接；小齿轮与大齿轮啮合；大齿轮进行了部分切除，以防止在游动机构游动时与杆件I的杆部发生运动干涉；大齿轮与小齿轮的齿数比为4:1，因此图2中所标注的α:β＝4:1，这样就实现了大腿摆过的角度是小腿摆过角度的 4倍，可对大齿轮与小齿轮的齿数比做一定微调从而对摆动角度微调；

小齿轮与大齿轮的中心分别与齿轮连杆9的两端铰接；大腿二号杆8的一端同时与大齿轮的中心和小腿杆11的一端铰接，另一端与右支撑板331连接；杆件I、大腿二号杆8、右支撑板331和齿轮连杆 9构成平行四边形机构，在杆件I摆动的过程中，小齿轮和大齿轮的中心相对静止；

小腿杆11的另一端与跖骨杆10的一端铰接，跖骨杆10的另一端与后脚蹼12螺纹连接；杆件II的一端为大齿轮，另一端与跖骨杆10铰接；小腿杆11、杆件II、跖骨杆10的部分长度段、大腿二号杆8 的部分长度段形成平行四边形机构，这样使得跖骨杆的运动平行于大腿，实现了跖骨杆的运动，从而带动后脚蹼拍水；

大腿一号杆7的一端与小齿轮的中心铰接，另一端与右支撑板331连接；大腿一号杆7、大腿二号杆8、右支撑板331和齿轮连杆9构成平行四边形机构；从机构运动上来讲不必加入大腿一号杆7，杆件I可以代替它构成平行四边形机构，但考虑到大腿若只有一根杆件较为单薄，故加入大腿一号杆7固化结构；大腿一号杆7和大腿二号杆8的形状并非直杆，这是为了避免运动中产生干涉；组成的此平行四边形机构实现了齿轮连杆9的不摆动，即相对机架右支撑板331做平动，从而保证了杆件I和杆件II其上的大小齿轮在啮合时大齿轮和小齿轮不发生相对转动；

不完全齿轮13与腿部驱动齿轮14啮合，不完全齿轮13为主动件，腿部驱动电机15用于驱动不完全齿轮13旋转，不完全齿轮13、腿部驱动齿轮14和腿部驱动电机15都安装在右支撑板331上；

如图2、图8、图11和图13所示，左部分与右支撑板331对应的为左支撑板332，左支撑板332和右支撑板331固定在壳体32上，壳体32的侧面开有供前连杆3、杆件I和大腿一号杆7穿过的槽口322，用于给游动机构运动空间。

整个游动机构的组成关系为：手臂1、前连杆3、右支撑板331、腿部驱动齿轮14这四者构成曲柄摇杆机构，其中右支撑板331为机架，即为固定杆，腿部驱动齿轮14为曲柄。当曲柄圆周转动时，摇杆手臂1则会在前连杆3的带动下前后摆动，从而实现了前脚蹼2的前后摆动。同理，杆件I、后连杆4、右支撑板331、腿部驱动齿轮14这四者也构成曲柄摇杆机构，产生类似上述的运动，使得杆件I前后摆动，从而实现了大腿运动。

随着曲柄腿部驱动齿轮14的周期性转动，游动机构分成了拍水、滑翔、恢复三个阶段。当不完全齿轮13的缺齿部分运动至本应与腿部驱动齿轮14相啮合位置时，实现间歇，为滑翔阶段，在不完全齿轮13上的轮齿与腿部驱动齿轮14再次啮合之前，机器人将一直处于水中滑翔的姿态。机器人即将拍水的运动示意如图4所示，机器人拍水结束滑翔运动示意如图5所示，机器人四肢恢复阶段的运动示意如图6所示。

如图7所示为本发明的转向机构俯视图，除去了其上的游动机构，图8为转向机构向左转时的俯视图，图11为电机分布及齿条交错示意图，转向机构包括左齿条杆件201、右齿条杆件202、前转向齿轮 21、转向驱动电机24、后转向齿轮22、蛙头17、两个复位弹簧、滑块25、转向舵叶26、定向舵叶324、两只螺旋桨27和两个螺旋桨电机28；

左齿条杆件201和右齿条杆件202都为Z形，左齿条杆件201由左前水平段、斜段I、右后水平段构成，右齿条杆件202由右前水平段、斜段II、左后水平段构成，斜段I和斜段II交叉呈X形，交叉处构造详见图11；

左前水平段和右前水平段都为齿条，前转向齿轮21位于二者之间，且同时与二者啮合；前转向齿轮21与转向驱动电机24的电机轴联接；转向驱动电机24与步进电机驱动器II电性连接，步进电机驱动器II与整体式PLC 16电性连接；

右后水平段和左后水平段都为齿条，后转向齿轮22位于二者之间，且同时与二者啮合；

如图1和图12所示，蛙头17内部设有两个圆柱状凸起；左前水平段和右前水平段的前端各与一个带有U型槽的挡板连接，各U型槽各与一个所述圆柱状凸起连接；

如图8、图12和图13所示，左前水平段、右前水平段、右后水平段和左后水平段各与一个固定在壳体32上的滑槽321滑动连接；与左前水平段连接的滑槽和与右前水平段连接的滑槽的前端呈L形；一个复位弹簧夹持在与左前水平段连接的挡板和与左前水平段连接的滑槽的前端之间，另一个复位弹簧夹持在与右前水平段连接的挡板和与右前水平段连接的滑槽的前端之间；

如图8和图13所示，壳体32的前端设有连接突出部分323，蛙头17上设有位于两个圆柱状凸起之间的一个圆柱状凸起，该圆柱状凸起与壳体32的连接突出部分323铰接；如图1、8、12所示，蛙头17 上镶嵌两个电子蛙眼18，蛙头17内设有与两个电子蛙眼18通过线缆连接的蛙眼相关装置19，如内存卡等，蛙眼相关装置19能够将电子蛙眼18在水下所拍摄到的内容传回岸上的上位机，为机器人提供了水下侦测的能力；

如图8和图11所示，左后水平段的后端与滑块25的一端铰接，滑块25的另一端与转向舵叶26连接，滑块25与转向舵叶26构成滑动副；如图13所示，定向舵叶324位于壳体32的后端下方，它配合转向舵叶实现尾部的变向；

如图8所示，两只螺旋桨27左右对称安装在壳体32的后端，分别由两个左右对称安装在壳体32 上的螺旋桨电机28驱动，两个螺旋桨电机28与步进电机驱动器III电性连接，步进电机驱动器III与整体式PLC 16电性连接，可正转也可反转，当机器人在水中遭遇较大阻力时，可使游动机构保持滑翔姿态，并启动两只螺旋桨27正转，为机器人提供较大的游动动力；螺旋桨27的反转则用于在水中的后退，因为游动机构只可向前游动，当机器人需要在水中后退时，整体式PLC 16控制螺旋桨27电机反转，这一反转功能可以配合转向机构让机器人在水中的转向更加灵活，如可以边后退边向左转，类似于汽车的倒车。

如图1、图8和图11所示，当机器人需要在水中左转时，由上位机向整体式PLC 16下达指令，整体式PLC 16通过步进电机驱动器II控制转向驱动电机24带动前转向齿轮21逆时针转动，左齿条杆件 201沿滑槽321向后移动，右齿条杆件202沿滑槽321向前移动，左侧复位弹簧23压缩，而右侧的复位弹簧23伸张，左齿条杆件201和右齿条杆件202前端的U型槽对蛙头17内部的圆柱状凸起施力，使得蛙头17左转。复位弹簧23的作用是在停止转向时能够使得蛙头17恢复正向。

由于滑块25可相对左齿条杆件201后端相对转动，且转向舵叶26上端又可在滑块25中滑动，因此，在左齿条杆件201向前移动的同时，转向舵叶26可以向左摆动。由此，实现蛙头17和转向舵叶26 的联动，在向左游动时，头部向左摆动，尾部亦向左摆动，在停止控制摆动时复位弹簧23会帮助头尾复位。后转向齿轮22的作用是保持两齿条杆件后部的传动关系，有利于转向机构的传动。机器人向右游动时的原理类似，不再赘述。

如图8、图9和图10所示，浮沉机构包括安装在壳体32的下方的气囊31、两个左右对称安装在壳体32的上方的气舱30、位于气舱30内与气囊31连接的抽打气泵和空气容器；本发明可通过模仿蛙的肚皮膨胀与收缩改变排水量，从而改变了机器人在水中所受浮力的大小，当机器人需要下沉时，通过气舱30内的抽打气泵将气囊31内的气体抽入气舱30内的空气容器，这样气囊31的体积就会减小，排水量减小，浮力减小，机器人则会下沉；上浮的过程与此相反，通过将气舱30内空气容器的空气充入气囊31使之体积变大实现上浮。

如图8和图11所示，转向驱动电机24、两对称布置的腿部驱动电机15、整体式PLC16均通过螺栓连接固定于右支撑板331和左支撑板332中间；左支撑板332、右支撑板331、壳体32之间焊接连接。

如图8、图9和图10所示，顶盖29模仿蛙的背部形状，呈流线型，有助于减少机器人在水中的阻力，顶盖29覆盖壳体32及其上方各构件。

以上各部件的尺寸关系可仿照青蛙的运动进行设计，本发明参考某只青蛙的运动设计的尺寸关系如下(以下长度比为零件铰接长度之比，并非零件本身的长度)：

手臂1：前连杆3：后连杆4：后连杆4与小齿轮杆件5铰接处距离小齿轮杆件5与右支撑板331铰接处：小齿轮杆件5、大腿一号杆7、大腿二号杆8(这三者铰接长度相同)：齿轮连杆9：大齿轮杆件 6＝155:400:230:100:500:127:500。

Claims (7)

1.一种仿蛙式水下探测机器人，其特征在于，包括整体式PLC（16）、壳体（32）和游动机构，游动机构包括对称的左、右两部分；右部分包括手臂（1）、前脚蹼（2）、右支撑板（331）、前连杆（3）、腿部驱动齿轮（14）、后连杆（4）、小齿轮杆件（5）、大齿轮杆件（6）、齿轮连杆（9）、大腿二号杆（8）、小腿杆（11）、跖骨杆（10）、后脚蹼（12）、不完全齿轮（13）和腿部驱动电机（15）；腿部驱动电机（15）与步进电机驱动器I电性连接，步进电机驱动器I与整体式PLC（16）电性连接；

小齿轮杆件（5）由小齿轮和杆件I构成；大齿轮杆件（6）由大齿轮和杆件II构成；

手臂（1）的非两端部位与前脚蹼（2）固定连接；手臂（1）的一端与右支撑板（331）连接，另一端与前连杆（3）的一端铰接；前连杆（3）的另一端同时与腿部驱动齿轮（14）和后连杆（4）的一端铰接，同时前连杆（3）与腿部驱动齿轮（14）的连接点偏离腿部驱动齿轮（14）的中心且靠近腿部驱动齿轮（14）的边缘；后连杆（4）的另一端与杆件I的非两端部位连接，杆件I的一端为小齿轮，另一端与右支撑板（331）连接；小齿轮与大齿轮啮合；

小齿轮与大齿轮的中心分别与齿轮连杆（9）的两端铰接；大腿二号杆（8）的一端同时与大齿轮的中心和小腿杆（11）的一端铰接，另一端与右支撑板（331）连接；杆件I、大腿二号杆（8）、右支撑板（331）和齿轮连杆（9）构成平行四边形机构；

小腿杆（11）的另一端与跖骨杆（10）的一端铰接，跖骨杆（10）的另一端与后脚蹼（12）连接；杆件II的一端为大齿轮，另一端与跖骨杆（10）铰接；小腿杆（11）、杆件II、跖骨杆（10）的部分长度段、大腿二号杆（8）的部分长度段形成平行四边形机构；

不完全齿轮（13）与腿部驱动齿轮（14）啮合，腿部驱动电机（15）用于驱动不完全齿轮（13）旋转，不完全齿轮（13）、腿部驱动齿轮（14）和腿部驱动电机（15）都安装在右支撑板（331）上；

左部分与右支撑板（331）对应的为左支撑板（332），左支撑板（332）和右支撑板（331）固定在壳体（32）上，壳体（32）的侧面开有供前连杆（3）和杆件I穿过的槽口（322）；

左、右两部分都还包括大腿一号杆（7）；右部分中，大腿一号杆（7）的一端与小齿轮的中心铰接，另一端与右支撑板（331）连接；大腿一号杆（7）、大腿二号杆（8）、右支撑板（331）和齿轮连杆（9）构成平行四边形机构；壳体（32）的侧面还开有供大腿一号杆（7）穿过的槽口（322）；

仿蛙式水下探测机器人还包括转向机构，转向机构包括左齿条杆件（201）、右齿条杆件（202）、前转向齿轮（21）、转向驱动电机（24）、后转向齿轮（22）、蛙头（17）和两个复位弹簧；

左齿条杆件（201）和右齿条杆件（202）都为Z形，左齿条杆件（201）由左前水平段、斜段I、右后水平段构成，右齿条杆件（202）由右前水平段、斜段II、左后水平段构成，斜段I和斜段II交叉呈X形；

左前水平段和右前水平段都为齿条，前转向齿轮（21）位于二者之间，且同时与二者啮合；前转向齿轮（21）与转向驱动电机（24）的电机轴联接；转向驱动电机（24）与步进电机驱动器II电性连接，步进电机驱动器II与整体式PLC（16）电性连接；

右后水平段和左后水平段都为齿条，后转向齿轮（22）位于二者之间，且同时与二者啮合；

蛙头（17）内部设有两个圆柱状凸起；左前水平段和右前水平段的前端各与一个带有U型槽的挡板连接，各U型槽各与一个所述圆柱状凸起连接；

左前水平段、右前水平段、右后水平段和左后水平段各与一个固定在壳体（32）上的滑槽（321）滑动连接；与左前水平段连接的滑槽和与右前水平段连接的滑槽的前端呈L形；

一个复位弹簧夹持在与左前水平段连接的挡板和与左前水平段连接的滑槽的前端之间，另一个复位弹簧夹持在与右前水平段连接的挡板和与右前水平段连接的滑槽的前端之间；

壳体（32）的前端设有连接突出部分（323），蛙头（17）上设有位于所述两个圆柱状凸起之间的一个圆柱状凸起，该圆柱状凸起与壳体（32）的连接突出部分（323）铰接；

转向机构还包括滑块（25）、转向舵叶（26）和定向舵叶（324）；左后水平段的后端与滑块（25）的一端铰接，滑块（25）的另一端与转向舵叶（26）连接，滑块（25）与转向舵叶（26）构成滑动副；定向舵叶（324）位于壳体（32）的后端下方。

2.根据权利要求1所述的一种仿蛙式水下探测机器人，其特征在于，大齿轮进行了部分切除；大齿轮与小齿轮的齿数比为4:1。

3.根据权利要求1所述的一种仿蛙式水下探测机器人，其特征在于，小齿轮杆件（5）和大齿轮杆件（6）都为一体成型件。

4.根据权利要求1所述的一种仿蛙式水下探测机器人，其特征在于，转向机构还包括两只螺旋桨（27）和两个螺旋桨电机（28）；两只螺旋桨（27）左右对称安装在壳体（32）的后端，分别由两个左右对称安装在壳体（32）上的螺旋桨电机（28）驱动，两个螺旋桨电机（28）与步进电机驱动器III电性连接，步进电机驱动器III与整体式PLC（16）电性连接。

5.根据权利要求1所述的一种仿蛙式水下探测机器人，其特征在于，蛙头（17）上镶嵌两个电子蛙眼（18），蛙头（17）内设有与两个电子蛙眼（18）连接的蛙眼相关装置（19）。

6.根据权利要求1所述的一种仿蛙式水下探测机器人，其特征在于，仿蛙式水下探测机器人还包括浮沉机构，浮沉机构包括安装在壳体（32）的下方的气囊（31）、两个左右对称安装在壳体（32）的上方的气舱（30）、位于气舱（30）内与气囊（31）连接的抽打气泵和空气容器。

7.根据权利要求1~6任一项所述的一种仿蛙式水下探测机器人，其特征在于，仿蛙式水下探测机器人还包括顶盖（29），其模仿蛙的背部形状，呈流线型，顶盖（29）覆盖壳体（32）及其上方各构件。

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