CN208975108U - 一种仿生机器脚蹼机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种仿生机器脚蹼机构，包括腿部支架、舵机、传动法兰及张合脚蹼；所述舵机固定安装在腿部支架上，所述舵机通过驱动传动法兰在水平面内转动，由传动法兰带动张合脚蹼在水平面内张开和合拢。本实用新型能够实现脚蹼的张合，从而模拟脚蹼推进类动物在水中的运动，灵活性高。

Description

一种仿生机器脚蹼机构

技术领域

本实用新型涉及仿生机器人的技术领域，具体涉及一种仿生机器脚蹼机构。

背景技术

随着人类社会的发展及科技的不断进步，地球各种资源石油、煤炭、天然气等资源随着人类的活动不断的消耗。同时人类的活动范围不断扩大，从而对沿海生物的栖息环境造成了占用和破坏，对沿海的环境造成了污染。近年来，伴随着对海洋资源大规模的开发与临海环境的日益重视，各种无人海洋机器人在海洋科学考察、海洋工程、海资源保护、海水养殖等领域得到了广泛的应用。多数水下机器人采用螺旋桨的推进方式，存在着能源利用率低、机动性差、悬停能力差、振动和噪声大等不足。螺旋桨式机器人依靠自身携带的电池来支持它的观测和推进运动，但是由于有限的电池容量和能源利用率低而大大限制了它的行动范围。而采用类似水生生物的推进方法，可以提高效率近30％，极高的提升了能源的效率，可以扩大机器人的行动范围。水生生物具有在水中高效快速游动的能力。其中，脚蹼推进类动物在游动过程中主要依靠脚蹼的划水产生推进力。两栖动物中的蝾螈、蛙等依靠趾间带蹼的四肢进行划动法推进；鸟类中有游禽，包括鸭、鸳鸯等靠腿的划动游泳；哺乳动物鸭嘴兽在水中也采用这种方式进行游动。采用划动法推进的动物趾间普遍有蹼，划动法推进过程为：当脚蹼向后划动时蹼趾展开为面，尽可能多地增加划水面积；而当肢体收缩回复时蹼趾褶缩成团，降低回程流体阻力，蹼趾如此往复运动，推进身体间歇前进。

近些年，基于仿生学的水下和水陆两栖机器人研究很多，在推进机理和实现上的研究很热门。

现有关于仿生机器人脚蹼的设计不多，如美国麦吉尔大学Georgiades C等人研制了一种仿蟑螂的两栖六足机器人AQUA，AQUA在陆地上运动时采用弧形腿推进，利用弧形腿机动性能高和通用性好的特点，可以实现多种陆地环境的高速推进；在水下，利用六个矩形桨的拍动推进，AQUA能够实现巡航、升降、纵荡、转向、翻滚等运动。MIT的Licht等开发了名为RoboTurtle的四鳍驱动仿生AUV，采用四个对称的鳍提高了平台的稳定性和可控性,鳍被设计成独立模块，各模块由两个直流无刷电机分别驱动鳍的滚转、俯仰运动，通过改变其相位和幅值来控制AUV航行姿态。北京大学Zhao W等人设计了依靠四鳍拍动来实现机动的机器海龟，通过四条鳍的协调拍动，可以实现向任意方向的机动以及复杂的三维运动，如上浮、下潜、悬停以及滚转等，这些脚蹼设计在形状上局限于矩形和三角形的简单模型。

还有斯威本科技大学的Saad Kashem等人设计了一个四足仿生机器人，脚部采取游禽的脚蹼设计，脚掌有一个从动的结构，不用舵机控制，虽然在结构上节省空间，但脚部缺少自由度的控制，不能模仿生物的脚蹼在不同阶段的运动与变化。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种仿生机器脚蹼机构，能够实现脚蹼的张合，从而模拟脚蹼推进类动物在水中的运动，灵活性高。

一种仿生机器脚蹼机构，包括腿部支架、舵机、传动法兰及张合脚蹼；

所述舵机固定安装在腿部支架上，所述舵机通过驱动传动法兰在水平面内转动，由传动法兰带动张合脚蹼在水平面内张开和合拢。

进一步地，所述张合脚蹼包括主动杆、固定杆、被动杆、柔性膜蹼及滑动件；

所述主动杆与传动法兰固定连接，所述固定杆固定在腿部支架上，所述被动杆与腿部支架转动配合，所述滑动件与固定杆滑动连接，同时，所述滑动件两端通过连杆分别与主动杆、被动杆铰接；所述柔性膜蹼与主动杆、被动杆、固定杆固定连接构成脚蹼；

所述主动杆在水平面内摆动一定角度，通过连杆带动滑动件在固定杆滑动，使被动杆在水平面内摆动相同角度实现脚蹼的张合。

进一步地，所述主动杆和被动杆上设有与连杆连接的固定件；

所述连杆为螺杆，螺杆两端与带内螺纹杆的关节轴承固定连接，所述关节轴承分别与滑动件两端、主动杆和被动杆的固定件连接。

有益效果：

1、本实用新型采用舵机提供自由度的控制，使张合脚蹼模拟脚蹼推进类动物在水中在不同阶段的运动与变化，灵活性高，环境适应力强，更具有生物亲和性。

2、本实用新型的张合脚蹼采用一个自由度的控制，利用一个主动杆、一个被动杆、一个固定杆，实现脚掌带动蹼的张合，从而模拟脚蹼推进类动物在水中的运动，结构简单、便于实现。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的爆炸图；

图3为图1的正视图；

图4为图1的左视图；

图5为图1的俯视图。

其中，1-脚部支架、2-舵机、3-舵盘、4-传动法兰、5-螺杆Ⅰ、6-主动杆状脚骨、7-内螺纹杆端关节轴承Ⅰ、8-螺杆Ⅱ、9-被动杆状脚骨、10-螺杆Ⅴ、11-固定杆状脚骨、12-固定件Ⅰ、13-内螺纹杆端关节轴承Ⅱ、14-螺杆Ⅲ、15-内螺纹杆端关节轴承Ⅲ、16-固定件Ⅱ、17-内螺纹杆端关节轴承Ⅳ、18-螺杆Ⅳ、19-内螺纹杆端关节轴承Ⅴ、20-直线轴承、21-滑动件、22-柔性膜蹼。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。

本实施例提供了一种仿生机器脚蹼机构，如图1～5所示，包括腿部支架1、舵机2、舵盘3、传动法兰4及张合脚蹼。

脚部支架1与舵机2固定连接，舵盘3与舵机2的输出轴固定。传动法兰4与舵盘3固定。

张合脚蹼包括主动杆状脚骨6、被动杆状脚骨9、固定杆状脚骨11、柔性膜蹼22、固定件Ⅰ12、固定件Ⅱ16及滑动件21。

主动杆状脚骨6通过螺杆Ⅰ5与下端带内螺纹杆的传动法兰4连接，被动杆状脚骨9端部设有螺纹孔，被动杆状脚骨9端部通过螺杆Ⅱ8与内螺纹杆端关节轴承Ⅰ7螺纹连接，内螺纹杆端关节轴承Ⅰ7与脚部支架1转动连接。固定杆状脚骨11端部设有螺纹孔，固定杆状脚骨11端部通过螺杆Ⅴ10与脚部支架1螺纹连接。滑动件21通过直线轴承20与固定杆状脚骨11滑动连接，滑动件21与直线轴承20固定在一起，滑动件21一端通过螺杆Ⅲ14与主动杆状脚骨6上固定的固定件Ⅰ12转动配合，滑动件21另一端通过螺杆Ⅳ18与被动杆状脚骨9上固定的固定件Ⅱ16转动配合。滑动件21一端通过内螺纹杆端关节轴承Ⅲ15与螺杆Ⅲ14转动配合，滑动件21另一端通过内螺纹杆端关节轴承Ⅴ19与螺杆Ⅳ18转动配合，固定件Ⅰ12通过内螺纹杆端关节轴承Ⅱ13与螺杆Ⅲ14转动配合，固定件Ⅱ16通过内螺纹杆端关节轴承Ⅳ17与螺杆Ⅳ18转动配合。柔性膜蹼22与主动杆状脚骨6、被动杆状脚骨9、固定杆状脚骨11、固定件Ⅰ12、固定件Ⅱ16固定连接构成张合脚蹼。

运动时，舵机2的输出轴发生角度变换，通过舵盘3带动传动法兰4转动，传动法兰4通过螺杆Ⅰ5带动主动杆状脚骨6在平面内转动。由于固定件Ⅰ12固定在主动杆状脚骨6上，从而带动内螺纹杆端关节轴承13发生转动，与之通过螺杆Ⅲ14连接的内螺纹杆端关节轴承Ⅲ15也发生转动，从而带动直线轴承20与滑动件21在固定杆状脚骨11上沿杆的方向发生位移。因固定件Ⅱ16与被动杆状脚骨9固定，滑动件21的位移导致内螺纹杆端关节轴承Ⅳ17以及与内螺纹杆端关节轴承Ⅳ17通过螺杆Ⅳ18连接的内螺纹杆端关节轴承Ⅴ19发生同样角度的摆动。因此，脚蹼机构实现张合，也即，使固定在主动杆状脚骨6、被动杆状脚骨9、固定杆状脚骨11、固定件Ⅰ12、固定件Ⅱ16上的柔性膜蹼22发生张合，从而模拟脚蹼推进类动物在水中在不同阶段的运动与变化：当脚蹼向后划动时蹼趾展开为面，尽可能多地增加划水面积；而当肢体收缩回复时蹼趾褶缩成团，降低回程流体阻力，蹼趾如此往复运动，推进身体间歇前进。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种仿生机器脚蹼机构，其特征在于，包括腿部支架、舵机、传动法兰及张合脚蹼；

所述舵机固定安装在腿部支架上，所述舵机通过驱动传动法兰在水平面内转动，由传动法兰带动张合脚蹼在水平面内张开和合拢。

2.如权利要求1所述的仿生机器脚蹼机构，其特征在于，所述张合脚蹼包括主动杆、固定杆、被动杆、柔性膜蹼及滑动件；

所述主动杆与传动法兰固定连接，所述固定杆固定在腿部支架上，所述被动杆与腿部支架转动配合，所述滑动件与固定杆滑动连接，同时，所述滑动件两端通过连杆分别与主动杆、被动杆铰接；所述柔性膜蹼与主动杆、被动杆、固定杆固定连接构成脚蹼；

所述主动杆在水平面内摆动一定角度，通过连杆带动滑动件在固定杆滑动，使被动杆在水平面内摆动相同角度实现脚蹼的张合。

3.如权利要求2所述的仿生机器脚蹼机构，其特征在于，所述主动杆和被动杆上设有与连杆连接的固定件；

所述连杆为螺杆，螺杆两端与带内螺纹杆的关节轴承固定连接，所述关节轴承分别与滑动件两端、主动杆和被动杆的固定件连接。