一种扑水式水下仿生机器人及其驱动方法技术

本发明专利技术公开了一种扑水式水下仿生机器人及其驱动方法。该水下仿生机器人包括外壳、空气压缩筒和动力模块。空气压缩筒包括驱动组件、筒身和活塞杆。筒身固定在外壳内。筒身内滑动连接有活塞杆。筒身的内腔与活塞杆合围形成气压腔。动力模块包括安装在外壳尾端不同位置的多个扑水单元。扑水单元包括仿生脚蹼、仿生踝关节、橡胶导管、延伸杆和传动组件。仿生脚蹼包括仿生中脚趾、仿生侧脚趾和蹼片。本发明专利技术通过活塞杆的往复运动带动各扑水单元转动扑水，同时，还利用活塞杆运动过程中产生的气压变化驱动仿生踝关节变形，使得仿生脚蹼进行两个不同心转动的复合运动，模拟青蛙扑水的动作，提高水下机器人行进过程中产生的推力。高水下机器人行进过程中产生的推力。高水下机器人行进过程中产生的推力。

【技术实现步骤摘要】
一种扑水式水下仿生机器人及其驱动方法


[0001]本专利技术属于仿生机器人
，具体涉及一种扑水式水下仿生机器人及其驱动方法。

技术介绍

[0002]仿生机器人是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。在西方国家，机械宠物十分流行，具有广阔的开发前景。与传统的机器人相比，仿生机器人具有行动灵活、控制简单、适应性强等特点，深受国内外研究人员的关注，是目前机器人
的热点问题之一。尽管国内外已经有了很多仿生机器人的设计，但是大多数还是限于陆地生物的仿生机器人，大部分存在着结构复杂、实用性低等缺陷，对于水下仿生机器人的研究目前还没有一套成熟的发展体系，其驱动方式也大多局限在涡轮驱动等传统方式。
[0003]综合国内外水下仿真机器人的研究来看，驱动方式分为身体尾鳍(body and/or caudalfin，BCF)推进模式和中间鳍对鳍(median and/or paired fin，MPF)推进模式两种。其中，采用BCF模式游动的鱼类，主要通过身体的波动和尾鳍的摆动产生推进力，其瞬时游动的加速性能好，周期游动的巡航能力强，但机动性略显不足；采用MPF模式的鱼类，主要依靠胸鳍或腹鳍的摆动产生推进力，其机动性能好，但其加速性能受到限制。因此，本文设计了一种模仿水母的机器人。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种扑水式水下仿生机器人及其驱动方法。
[0005]本专利技术一种扑水式水下仿生机器人，包括外壳、空气压缩筒和动力模块。空气压缩筒安装在外壳内。空气压缩筒包括驱动组件、筒身和活塞杆。筒身固定在外壳内。筒身内滑动连接有活塞杆。筒身的内腔与活塞杆合围形成气压腔。驱动组件用于驱动活塞杆进行往复运动。
[0006]所述的动力模块包括安装在外壳尾端不同位置的多个扑水单元。扑水单元包括仿生脚蹼、仿生踝关节、橡胶导管、延伸杆和传动组件。延伸杆的内端与外壳转动连接。延伸杆与活塞杆通过传动组件联动；在活塞杆压缩气压腔的过程中，延伸杆的外端向远离外壳的一侧翻转。仿生踝关节安装在延伸杆上。仿生脚蹼安装在仿生踝关节的外端。仿生踝关节充压时，外端向远离外壳的一侧弯曲。仿生踝关节均与气压腔连通。
[0007]所述的仿生脚蹼包括仿生中脚趾、仿生侧脚趾和蹼片。仿生中脚趾的内端与仿生踝关节的外端固定。两个仿生侧脚趾分别设置在仿生中脚趾的相反侧，且内端均与仿生中脚趾的内端转动连接。两个仿生侧脚趾之间设置蹼片。两个仿生侧脚趾能够在动力元件的驱动下反向转动。
[0008]作为优选，两个仿生侧脚趾由脚蹼变形组件驱动。所述的脚蹼变形组件包括第二电机、齿轮和弧形齿条。仿生中脚趾的外端转动连接有齿轮。两条弧形齿条的圆心位置重合，一端与两根仿生侧脚趾分别固定，另一端均延伸至穿过或越过仿生中脚趾的位置。两根
弧形齿条的齿面相对设置，且均与齿轮啮合。齿轮由第二电机驱动旋转。
[0009]作为优选，两个仿生侧脚趾的内端与仿生中脚趾的内端之间均设置有扭簧。
[0010]作为优选，所述的外壳包括头部外壳和侧部外壳。侧部外壳内设置有通气流道。通气流道上设置有位于顶部的进气口和位于底部的四个出气口。头部外壳呈流线型结构。筒身的顶部开设有出气孔，其与通气流道的进气口连通。
[0011]作为优选，所述的驱动组件安装在筒身内，且位于远离气压腔的一侧；驱动组件包括第一电机、曲柄盘和第一连杆。第一电机固定在筒身内。曲柄盘转动连接在筒身内，并由第一电机驱动旋转。第一连杆的一端与曲柄盘上偏心位置转动连接，另一端与活塞杆转动连接。曲柄盘位于第一连杆、活塞杆的连接位置远离气压腔的一侧。曲柄盘的转动轴线与第一连杆、活塞杆的连接位置在垂直于活塞杆轴线的方向上错开。
[0012]作为优选，所述活塞杆的尾端伸出外壳的尾端外。所述延伸杆的内端固定有连接转盘。连接转盘转动连接在外壳的底部边缘处。所述的传动组件包括第二连杆和摇杆。摇杆的一端与连接转盘固定。摇杆的另一端与第二连杆的一端转动连接。第二连杆的另一端与活塞杆转动连接。
[0013]作为优选，所述的头部外壳内设置有气体产生装置。气体产生装置的出气口与筒身内的气压腔连接。所述的气体产生装置中设置有相互隔离的双氧水储存区和二氧化锰储存区。双氧水储存区与二氧化锰储存区之间设置有气体产生腔室；双氧水储存区、二氧化锰储存区与气体产生腔室之间隔板上均设置有带有电磁通断阀的连接孔。气体产生腔室与筒身内的气压腔通过电磁通断阀连接。
[0014]作为优选，所述的仿生踝关节在初始状态下呈弯曲状，且充压后能够伸直。初始状态下，仿生踝关节弯曲向靠近外壳头端的一侧。仿生踝关节在初始状态下的外凸侧设置有应变限制层。
[0015]作为优选，各仿生踝关节与气压腔之间均设置有电磁通断阀。
[0016]该水下仿生机器人的驱动方式具体如下：
[0017]活塞杆的动力元件的驱动下进行往复运动，气压腔的容积随之变化。当气压腔的容积达到最大时，各扑水单元中的两个仿生侧脚趾张开；之后，活塞杆压缩气压腔，气压腔内的气体通过筒身的出气孔挤压至橡胶导管内，使得各个仿生踝关节充压变形，带动仿生脚蹼向后翻转；同时，活塞杆带动各延伸杆向后翻转。仿生脚蹼在延伸杆和仿生踝关节的共同驱动下，进行两个圆心不同的转动的复合运动，仿生脚蹼受到推进力，带动水下仿生机器人前进。
[0018]当气压腔的容积达到最小时，各扑水单元中的两个仿生侧脚趾合拢，减小各仿生脚蹼复位过程中受到的反向推力；之后，活塞杆增大气压腔，各仿生踝关节和延伸杆复位。
[0019]在需要转向时，靠近目标方向的一个或多个扑水单元中的两个仿生侧脚趾部分或完全合拢，使得靠近目标方向的各扑水单元在扑水时产生的推进力减小；在各扑水单元的重复扑水动作中，水下仿生机器人完成转向。
[0020]本专利技术具有的有益效果如下：
[0021]1、本专利技术通过活塞杆的往复运动带动各扑水单元转动扑水，同时，还利用活塞杆运动过程中产生的气压变化驱动仿生踝关节变形，使得仿生脚蹼进行两个不同心转动的复合运动，模拟青蛙扑水的动作，提高水下机器人行进过程中产生的推力。
[0022]2、本专利技术中的仿生脚蹼可自由展开与收回，能够减小扑水单元复位时收到的反向推力，且利用部分仿生脚蹼的合拢能够实现水下机器人的转向。
[0023]3、本专利技术中的驱动组件利用曲柄滑块的极位夹角带来的急回特性，使得活塞杆带动扑水单元复位时的速度小于带动扑水单元扑水时的速度，从而进一步减小扑水单元复位时的产生的反向推力。
附图说明
[0024]图1是本专利技术的整体结构示意图。
[0025]图2是本专利技术的外壳剖视图。
[0026]图3是本专利技术中驱动组件驱动活塞杆的示意图。
[0027]图4是图1中A部分的局部放大图。
[0028]图5是本专利技术中延伸杆与仿生踝关节的连接示意图。
[0029]图6是本专利技术中仿生脚蹼的结构示意图。
具体实施方式
[0030]以下结合附图对本专利技术作进一步说明。
[0031]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种扑水式水下仿生机器人，其特征在于：包括外壳(1)、空气压缩筒和动力模块；空气压缩筒安装在外壳(1)内；空气压缩筒包括驱动组件(2)、筒身(3)和活塞杆(4)；筒身(3)固定在外壳(1)内；筒身(3)内滑动连接有活塞杆(4)；筒身(3)的内腔与活塞杆(4)合围形成气压腔；驱动组件(2)用于驱动活塞杆(4)进行往复运动；所述的动力模块包括安装在外壳(1)尾端不同位置的多个扑水单元；扑水单元包括仿生脚蹼(5)、仿生踝关节(6)、橡胶导管(7)、延伸杆(8)和传动组件(9)；延伸杆(8)的内端与外壳(1)转动连接；延伸杆(8)与活塞杆(4)通过传动组件(9)联动；在活塞杆(4)压缩气压腔的过程中，延伸杆(8)的外端向远离外壳(1)的一侧翻转；仿生踝关节(6)安装在延伸杆(8)上；仿生脚蹼(5)安装在仿生踝关节(6)的外端；仿生踝关节(6)充压时，外端向远离外壳(1)的一侧弯曲；仿生踝关节(6)均与气压腔连通；所述的仿生脚蹼(5)包括仿生中脚趾(5
‑
1)、仿生侧脚趾(5
‑
2)和蹼片(5
‑
3)；仿生中脚趾(5
‑
1)的内端与仿生踝关节(6)的外端固定；两个仿生侧脚趾(5
‑
2)分别设置在仿生中脚趾(5
‑
1)的相反侧，且内端均与仿生中脚趾(5
‑
1)的内端转动连接；两个仿生侧脚趾(5
‑
2)之间设置蹼片(5
‑
3)；两个仿生侧脚趾(5
‑
2)能够在动力元件的驱动下反向转动。2.根据权利要求1所述的一种扑水式水下仿生机器人，其特征在于：两个仿生侧脚趾(5
‑
2)由脚蹼变形组件驱动；所述的脚蹼变形组件包括第二电机(5
‑
4)、齿轮和弧形齿条(5
‑
5)；仿生中脚趾(5
‑
1)的外端转动连接有齿轮；两条弧形齿条(5
‑
5)的圆心位置重合，一端与两根仿生侧脚趾(5
‑
2)分别固定，另一端均延伸至穿过或越过仿生中脚趾(5
‑
1)的位置；两根弧形齿条(5
‑
5)的齿面相对设置，且均与齿轮啮合；齿轮由第二电机(5
‑
4)驱动旋转。3.根据权利要求1所述的一种扑水式水下仿生机器人，其特征在于：两个仿生侧脚趾(5
‑
2)的内端与仿生中脚趾(5
‑
1)的内端之间均设置有扭簧。4.根据权利要求1所述的一种扑水式水下仿生机器人，其特征在于：所述的外壳(1)包括头部外壳(1
‑
1)和侧部外壳(1
‑
2)；侧部外壳(1
‑
2)内设置有通气流道；通气流道上设置有位于顶部的进气口和位于底部的四个出气口；头部外壳(1
‑
1)呈流线型结构；筒身(3)的顶部开设有出气孔，其与通气流道的进气口连通。5.根据权利要求1所述的一种扑水式水下仿生机器人，其特征在于：所述的驱动组件(2)安装在筒身(3)内，且位于远离气压腔的一侧；驱动组件(2)包括第一电机、曲柄盘(2
‑
1)和第一连杆(2
...

【专利技术属性】
技术研发人员：许明，苏礼荣，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：