一种两栖蛙板机器人的多关节运动机构制造技术

本发明专利技术公开一种两栖蛙板机器人的多关节运动机构，包括电机、固定基板、曲柄滑块机构、两个腿臂、腿臂舵机、尾鳍连杆、尾鳍及尾轮；曲柄滑块机构安装在固定基板上，两个腿臂水平铰接在固定基板两侧，同时两个腿臂分别通过连杆与曲柄滑块机构的滑块铰接；电机驱动曲柄滑块机构运动使滑块沿水平方向移动，带动两个腿臂绕铰接点水平摆动，即实现腿臂第一关节的运动；腿臂舵机带动腿臂绕自身轴线方向转动，即实现腿臂第二关节的运动；尾鳍连杆同轴嵌套在腿臂内部，尾鳍舵机驱动尾鳍连杆绕自身轴线方向转动，带动尾鳍及尾轮在水平面内摆动，即实现腿臂第三关节的运动。本发明专利技术简化了运动机构，同时通过多关节间的配合产生更大的有效推力，推进效率高。

A multi joint motion mechanism for amphibious frog board robot

The invention discloses a multi-joint motion mechanism of an amphibious frog board robot, which comprises a motor, a fixed substrate, a crank slider mechanism, two leg arms, a leg arm rudder, a tail fin connecting rod, a tail fin and a tail wheel; a crank slider mechanism is mounted on a fixed substrate, two leg arms are horizontally hinged on both sides of the fixed substrate, and two leg arms are separated at the same time. Do not articulate the slider of the connecting rod and the crank-slider mechanism; the slider is moved along the horizontal direction by the motor-driven crank-slider mechanism, which drives the two leg arms to swing horizontally around the articulation point, that is, to realize the movement of the first joint of the leg arm; the leg arm steering gear drives the leg arm to rotate around its axis, that is, to realize the movement of the second joint of the leg arm. The tail fin connecting rod is coaxially embedded in the leg arm, and the tail fin rudder drives the tail fin connecting rod to rotate around its axis, which drives the tail fin and the tail wheel to swing in the horizontal plane, thus realizing the movement of the third joint of the leg arm. The invention simplifies the motion mechanism, generates more effective thrust through the cooperation of multiple joints, and has high propulsion efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种两栖蛙板机器人的多关节运动机构
本专利技术涉及机器人
，具体涉及一种两栖蛙板机器人的多关节运动机构。
技术介绍
随着机器人技术的发展及其带来的便利，诸多领域涌现出功能强大的机器人，由于存在适应两栖复杂环境的实际需求，水陆两栖机器人的研究逐渐成为热点问题。但是，由于两栖运动环境的差异性与复杂性，许多关键技术亟待突破。首先需要解决驱动方式与机构的问题，如果采用两种甚至两种以上的驱动机构分别完成两栖环境中的运动，则在水陆环境切换时需要实现驱动机构的切换，这不利于机器人机械结构的融合度与稳定性，给设计带来诸多问题并且控制难度大，可行性较低；如果统一驱动机构，则由于两栖环境的具有不同的特点，很难同时保证机器人在两栖环境中的运动能力。其次，效率一直是衡量机器人技术的重要指标，由于防水机构、特殊的驱动机构以及水陆环境阻力等因素的影响，两栖机器人的效率很难满足实际的需求。现有的两栖蛙板机器人对舵机的输出力矩要求很高，输出力矩在安全范围内时产生的推力较小，并且可靠性不高，推进速度有限。基于此，如何针对两栖蛙板机器人设计一种推进机制以提高水下运动时的推力，并且提高运动机构的可靠性与控制精度成为一个亟待解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种两栖蛙板机器人的多关节运动机构，简化了中间传动机构，同时推力大、推进效率高。本专利技术的具体实施方案如下：一种两栖蛙板机器人的多关节运动机构，所述运动机构包括电机、固定基板、曲柄滑块机构、两个腿臂、腿臂舵机、尾鳍连杆、尾鳍及尾轮；所述曲柄滑块机构安装在固定基板上，两个腿臂水平铰接在固定基板两侧，同时两个腿臂分别通过连杆与曲柄滑块机构的滑块铰接；电机驱动曲柄滑块机构运动使所述滑块沿水平方向移动，带动两个腿臂绕铰接点水平摆动，即实现腿臂第一关节的运动；腿臂舵机带动腿臂绕自身轴线方向转动，即实现腿臂第二关节的运动；尾鳍连杆同轴嵌套在腿臂内部，尾鳍舵机驱动尾鳍连杆绕自身轴线方向转动，带动尾鳍及尾轮在水平面内摆动，即实现腿臂第三关节的运动。进一步地，所述腿臂舵机的输出轴与齿轮固连，所述齿轮与腿臂上固连的齿轮啮合，由控制单元控制腿臂舵机的输出角度，实现腿臂的转动。进一步地，所述尾鳍连杆通过锥齿轮与尾鳍连接。进一步地，所述曲柄滑块机构包括曲柄圆盘、滑块、推杆及滑轨；所述曲柄圆盘四周为齿状，用于与电机锥齿轮啮合，曲柄圆盘上加工有若干距圆心长度不等的安装孔，用于安装推杆；所述推杆与滑块铰接，滑块沿滑轨移动。进一步地，所述推杆采用电动推杆。进一步地，所述尾轮采用滚轮。有益效果：1、本专利技术增加了两个运动的自由度，陆地和水下均增加了尾轮的水平摆动及腿臂的旋转，通过多关节间的相互配合产生更大的有效推力，可以提高水下运动的推进效率，同时设计了两级曲柄滑块驱动机构，简化了运动机构，整体结构紧凑，提高其控制精度与可靠性，有利于机构的防水设计。2、本专利技术的两级曲柄滑块机构作为驱动装置，通过控制电机的转速控制腿臂的摆动速度，采用这种结构及运动方式可以实现腿臂摆速与电机转速之间的线性关系，便于建立并研究精确的运动模型。其次，由于曲柄圆盘与滑块通过推杆直接铰接，减少了中间传动机构，提高了摆动幅度的控制精度；再者，通过曲柄圆盘上设置的多个安装孔调节摆动幅度，通过合理计算可以实现更高的推进效率。3、本专利技术的推杆采用电动推杆，通过改变电动推杆的长度改变摆动幅度的机制，避免了之前由舵机控制而导致的结构稳定性差的问题，将电动推杆的长度作为一个控制变量，使电机转速与腿臂摆动幅度、速度之间的线性关系变为非线性关系，通过合理的控制算法可以实现更高的推进效率。4、本专利技术采用滚轮作为尾轮，通过第二、三关节对其的控制可以实现腿臂外摆与内摆时对尾轮角度的控制，设计合适的控制角度可以提高陆地运动时的推进效率。附图说明图1为机器人整体示意图；图2为机器人内部结构示意图；图3为固定基板的结构示意图；图4为曲柄圆盘的结构示意图；图5为滑块连杆的结构示意图；图6为曲柄滑块的整体结构示意图；图7为腿臂整体结构示意图；图8为腿臂第一关节的结构示意图；图9为腿臂第二关节的结构示意图；图10为腿臂第三关节的结构示意图；图11为胸鳍结构示意图；图12为尾鳍及尾轮结构示意图；图13为前鳍及前轮结构示意图；图14为外部防水装置结构示意图；图15为控制单元防水装置结构示意图；图16为腿臂驱动单元防水装置结构示意图；图17为关节驱动单元防水装置结构示意图。其中，2-电机锥齿轮、3-曲柄圆盘、4-滑块、5-电动推杆、6-滑轨、7-腿臂、8-腿臂连杆、9-腿臂轴承、10-腿臂舵机、11-腿臂舵机输出齿轮、12-腿臂直齿轮、13-尾鳍舵机、14-尾鳍连杆、15-尾鳍连杆锥齿轮、16-尾鳍锥齿轮、17-尾鳍及尾轮、18-固定基板、19-曲柄滑块机构、20-腿臂第一关节、21-腿臂第二关节、22-腿臂第三关节、23-胸鳍、24-前鳍及前轮。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术提供了一种两栖蛙板机器人的多关节运动机构，如图1、图2所示，该多关节运动机构由固定基板18、曲柄滑块机构19、腿臂第一关节20、腿臂第二关节21、腿臂第三关节22组成，外围装置包括胸鳍23、前鳍及前轮24、防水机构。如图3所示，固定基板18为机器人的骨架，第一关节20、第二关节21、第三关节22运动机构及外围装置均固定于固定基板18上。如图2所示，直流电机固定于固定基板18下部，曲柄圆盘3通过轴承固定于固定基板18上。两个腿臂通过腿臂轴承9铰接于固定基板18两侧，同时分别通过腿臂连杆8与曲柄滑块机构19铰接。如图4所示，曲柄滑块机构19包括曲柄圆盘3、滑块4、电动推杆5及滑轨6，曲柄圆盘3四周为齿状，用于与电机锥齿轮2啮合，曲柄圆盘3上加工有若干距圆心长度不等的安装孔，用于与电动推杆5铰接。电动推杆5一端铰接于曲柄圆盘3的安装孔，另一端与滑块4相铰接，滑块4沿滑轨6移动。滑轨6采用铰接方式固定于固定基板18上。两侧腿臂连杆的一端分别水平铰接于滑块4的左右两侧，另一端铰接在两个腿臂上，组成滑块连杆结构，如图5所示。如图7所示，曲柄滑块结构19分为两级，第一级由曲柄圆盘3、滑块连杆结构、电动推杆5组成，实现将曲柄圆盘3的角运动转化为滑块4的直线运动。两个腿臂连杆与滑块4、腿臂7共同组成第二级曲柄滑块机构，实现将滑块4的直线运动转化为腿臂7的摆动，即带动两个腿臂绕铰接点水平摆动。由于曲柄圆盘3与滑块4之间的传动机构仅有电动推杆5，减少了中间传动机构，采用这种结构可以提高机械结构的可靠性，解决了之前由舵机控制而导致的结构稳定性差的问题。由于两级曲柄滑块机构之间的运动转换为线性关系，采用这种运动方式可以控制腿臂进行线性运动，可以解决两栖机器人建模精度不高的问题。将曲柄滑块机构19置于机器人中下部：两级曲柄滑块机构为机器人的重力的主要组成部分，通过合理的重力计算，将水陆两栖蛙板机器人的曲柄滑块机构19置于两腿臂之间，使其不再偏向于前部，便于进行运动控制，并且在结构方面更加稳定。同时，结构紧凑，更有利于蛙板机器人的防水设计，便于控制上升下潜运动。如图7所示，腿臂7由腿臂第一关节20、腿臂第二关节21、腿臂第三关节22组成。如图8所示，腿臂第一关节20由第二级曲柄滑块结构、腿臂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种两栖蛙板机器人的多关节运动机构，其特征在于，所述运动机构包括电机、固定基板、曲柄滑块机构、两个腿臂、腿臂舵机、尾鳍连杆、尾鳍及尾轮；所述曲柄滑块机构安装在固定基板上，两个腿臂水平铰接在固定基板两侧，同时两个腿臂分别通过连杆与曲柄滑块机构的滑块铰接；电机驱动曲柄滑块机构运动使所述滑块沿水平方向移动，带动两个腿臂绕铰接点水平摆动，即实现腿臂第一关节的运动；腿臂舵机带动腿臂绕自身轴线方向转动，即实现腿臂第二关节的运动；尾鳍连杆同轴嵌套在腿臂内部，尾鳍舵机驱动尾鳍连杆绕自身轴线方向转动，带动尾鳍及尾轮在水平面内摆动，即实现腿臂第三关节的运动。

【技术特征摘要】
1.一种两栖蛙板机器人的多关节运动机构，其特征在于，所述运动机构包括电机、固定基板、曲柄滑块机构、两个腿臂、腿臂舵机、尾鳍连杆、尾鳍及尾轮；所述曲柄滑块机构安装在固定基板上，两个腿臂水平铰接在固定基板两侧，同时两个腿臂分别通过连杆与曲柄滑块机构的滑块铰接；电机驱动曲柄滑块机构运动使所述滑块沿水平方向移动，带动两个腿臂绕铰接点水平摆动，即实现腿臂第一关节的运动；腿臂舵机带动腿臂绕自身轴线方向转动，即实现腿臂第二关节的运动；尾鳍连杆同轴嵌套在腿臂内部，尾鳍舵机驱动尾鳍连杆绕自身轴线方向转动，带动尾鳍及尾轮在水平面内摆动，即实现腿臂第三关节的运动。2.如权利要求1所述的两栖蛙板机器人的多关节运动机构，其特征在于，所述腿臂舵机...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨毅，朱中静，樊振辉，王卫峰，王冬升，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11