專利名稱：一種仿蜥蜴水上機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人，特別是關(guān)于一種仿蜥蜴水上機(jī)器人。
背景技術(shù)：
近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，仿生學(xué)與機(jī)器人學(xué)的結(jié)合愈來愈緊密。水上機(jī)器人是一種通過對(duì)水上動(dòng)物運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的研究，充分利用水上動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)優(yōu)勢(shì)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)的機(jī)器人。仿生水上機(jī)器人與傳統(tǒng)的船舶和潛水器相比不僅具有很強(qiáng)的靈活性，而且可以在極淺海、碎浪帶和灘涂等特殊環(huán)境中作業(yè)。鑒于其眾多優(yōu)點(diǎn)，仿生水上機(jī)器人作為仿生機(jī)器人的一個(gè)分支備受關(guān)注。目前的在水中運(yùn)動(dòng)機(jī)器人很多，但它們中一部分本身質(zhì)量很輕，水流體的表面張力完全可以支撐其重力，機(jī)器人在浮力作用和表面張力作用下就可以實(shí)現(xiàn)水上浮游運(yùn)動(dòng)， 但質(zhì)量過輕使得機(jī)器人難以從事水上作業(yè)，很難加以利用；另一部分基本是腿式機(jī)器人，這些腿式機(jī)器人自身質(zhì)量都較大，因此，絕大部分都只能在水底爬行。由上述分析可知這些不足使得現(xiàn)有的水上運(yùn)動(dòng)機(jī)器人使用范圍受到很大的限制，實(shí)用性不強(qiáng)，可利用率不高。設(shè)計(jì)出一種自身重力較大且能夠?qū)崿F(xiàn)水上運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人來幫助進(jìn)行水上作業(yè)是當(dāng)前水上機(jī)器人設(shè)計(jì)中急需解決的問題。自然界的進(jìn)化和生存過程中，各種動(dòng)物演化形成了與其生存環(huán)境相適應(yīng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)、材料拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式。通過對(duì)蛇怪蜥蜴運(yùn)動(dòng)觀察發(fā)現(xiàn)成年蛇怪蜥蜴一般質(zhì)量都較重，它們?cè)谒懈緹o法站立，但它們通過在水中高速踩水奔跑來支撐其自身重力，很好的實(shí)現(xiàn)了水上運(yùn)動(dòng)。它的這種特殊的運(yùn)動(dòng)方式為我們?cè)O(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)水上奔跑的大質(zhì)量機(jī)器人提供了設(shè)計(jì)靈感和創(chuàng)新源泉。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種仿蜥蜴水上機(jī)器人能夠像蛇怪蜥蜴一樣實(shí)現(xiàn)水上高速奔跑的大質(zhì)量機(jī)器人。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明構(gòu)思是本發(fā)明仿蛇怪蜥蜴水上機(jī)器人，包括一個(gè)線框結(jié)構(gòu)的長主機(jī)身、四個(gè)相同的腿部機(jī)構(gòu)以及機(jī)器人尾部。所述主機(jī)身上裝有電機(jī)盒，電機(jī)盒與電機(jī)架固定，電機(jī)架內(nèi)安放空芯杯直流電機(jī)?？招颈绷麟姍C(jī)最大的特點(diǎn)是其中心為空心、體積小、質(zhì)量輕，且可以產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩和高轉(zhuǎn)速。所述機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)采用的是傳統(tǒng)的四連桿機(jī)構(gòu)，通過仿真可以看出四連桿機(jī)構(gòu)末端的運(yùn)動(dòng)軌跡為近橢圓形，與蛇怪蜥蜴腳掌運(yùn)動(dòng)軌跡相近似。所述機(jī)器人腿部末端通過一個(gè)半圓形的腕部結(jié)構(gòu)與機(jī)器人腳掌相連。機(jī)器人腳掌整體為一個(gè)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，由一個(gè)大掌面和3個(gè)相同結(jié)構(gòu)的趾狀機(jī)構(gòu)構(gòu)成；每個(gè)趾狀機(jī)構(gòu)包含3根相同形狀的桿件，各桿件長度自上而下依次遞減，相鄰桿件間通過鉸鏈機(jī)構(gòu)相連，將兩相鄰桿件間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)限制在(O 90) °所述的最長桿件上方鉸鏈結(jié)構(gòu)與腕部相固定，其余桿件上方鉸鏈均與前端桿件相固定，各鉸鏈與其對(duì)應(yīng)下方桿件上連有彈簧，所述的最短桿件下方不固定鉸鏈機(jī)構(gòu)。所述各趾狀機(jī)構(gòu)與腳掌掌面以膠層固定貼合，當(dāng)腳趾受到水流力作用轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，腳面隨趾狀機(jī)構(gòu)一起運(yùn)動(dòng)。所述機(jī)器人機(jī)身末端通過彈簧與機(jī)器人尾部相連，尾部為圓柱狀結(jié)構(gòu)。所述機(jī)器人腳掌掌面材質(zhì)為橡膠，尾部材質(zhì)為輕質(zhì)泡沫，其余部位由鋁合金或其他輕金屬材料制成。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種仿蜥蜴水上機(jī)器人包括一個(gè)主機(jī)身和四個(gè)相同的腿部機(jī)構(gòu)，其特征在于所述主機(jī)身的前部和后部各通過一個(gè)電機(jī)安裝盒安裝兩個(gè)電機(jī)，該四個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)所述四個(gè)腿部機(jī)構(gòu)；四個(gè)腿部機(jī)構(gòu)前端分別各通過一個(gè)腕部塊連接一個(gè)腳掌；主機(jī)身后部裝有一個(gè)尾巴。
所述主機(jī)身采用框架結(jié)構(gòu)，僅留下一些必要連接處機(jī)身與機(jī)器人各腿連接處，安裝電機(jī)的電機(jī)盒安裝位置。所述腿部機(jī)構(gòu)為四連桿機(jī)構(gòu)，其仿真運(yùn)動(dòng)軌跡與蛇怪蜥蜴運(yùn)動(dòng)軌跡相似。所述四連桿機(jī)構(gòu)是一根腿部加長連桿的中部和后端分別與一根短搖桿和一根長搖桿的一端鉸連，而短搖桿的另一端與所述電機(jī)的輸出軸相連，長搖桿的另一端與主機(jī)身鉸連，腿部加長連桿的前端與腕部塊相連。所述腳掌由3個(gè)相同的趾狀結(jié)構(gòu)和I個(gè)掌面構(gòu)成；每個(gè)趾狀結(jié)構(gòu)各由3根桿件構(gòu)成，相鄰桿件間由鉸鏈結(jié)構(gòu)相連，各桿件長度自上而下依次減小，更貼切手指形狀；所述掌面由橡膠等彈性材料制成，具有一定的柔性，鋪貼在3個(gè)趾狀結(jié)構(gòu)上。所述電機(jī)采用空芯杯直流電機(jī)，空芯杯直流電機(jī)質(zhì)量很輕，且可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩。所述尾巴為輕質(zhì)材料，和機(jī)身以彈簧相連接。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，其具有以下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)
I.本發(fā)明整體機(jī)身結(jié)構(gòu)為框架接結(jié)構(gòu)，節(jié)省制作成本、減小機(jī)器人總質(zhì)量。2.本發(fā)明中采用四個(gè)相同結(jié)構(gòu)的腿部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)稱分布，提高機(jī)器人整體的穩(wěn)定性。3.本發(fā)明中四個(gè)相同結(jié)構(gòu)的腿部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以很好地模擬出蛇怪蜥蜴運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)較大質(zhì)量機(jī)器人的水上奔跑運(yùn)動(dòng)。4.本發(fā)明中四個(gè)相同結(jié)構(gòu)的腿部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能使機(jī)器人在水中實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)步態(tài)，提高了機(jī)器人對(duì)水上復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力。5.本發(fā)明中采用四個(gè)相同結(jié)構(gòu)的腿部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)降低了機(jī)器人結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。6.本發(fā)明中采用自適應(yīng)腳掌，腳掌機(jī)器人運(yùn)動(dòng)位置的變化實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)張合。機(jī)器人入水時(shí)腳掌張開，腳掌迎水面增大，平衡性提高；機(jī)器人出水時(shí)，腳掌收縮，腳掌迎水面減小，掌面受到的流體繞流阻力減小，腳掌能迅速抽離水面。7.本發(fā)明中采用空芯杯直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件，可以有效的機(jī)器人整體質(zhì)量、體積，并可獲取較大的力矩、實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的高速旋轉(zhuǎn)。8.本發(fā)明中采用特殊尾部機(jī)構(gòu)，平衡機(jī)器人腳部在水中劃水時(shí)多余的后翻力矩，使機(jī)器人具備整體運(yùn)動(dòng)的抗傾覆能力。
本發(fā)明具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、運(yùn)動(dòng)靈活性好、穩(wěn)定可靠，未來可用來進(jìn)行水上探測(cè)、救援工作。
圖I是本發(fā)明機(jī)器人整體立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明腳掌在水中處于某一位置時(shí)的示意圖。圖3是本發(fā)明中腿部機(jī)構(gòu)位置運(yùn)動(dòng)軌跡圖。圖4是本發(fā)明中腿部機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動(dòng)軌跡與蛇怪蜥蜴運(yùn)動(dòng)軌跡比較曲線圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。實(shí)施例一
參照?qǐng)DI和圖2，仿蜥蜴水上機(jī)器人包括一個(gè)主機(jī)身I和四個(gè)相同的腿部機(jī)構(gòu)3，其特征在于所述主機(jī)身I的前部和后部各通過一個(gè)電機(jī)安裝盒3安裝兩個(gè)電機(jī)15，該四個(gè)電機(jī)15分別驅(qū)動(dòng)所述四個(gè)腿部機(jī)構(gòu)3 ;四個(gè)腿部機(jī)構(gòu)3前端分別各通過一個(gè)腕部塊5連接一個(gè)腳掌；主機(jī)身I后部裝有一個(gè)尾巴17。實(shí)施例二
本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處如下
所述主機(jī)身I采用框架結(jié)構(gòu)，僅留下一些必要連接處機(jī)身與機(jī)器人各腿連接處，安裝電機(jī)15的電機(jī)盒13安裝位置。所述腿部機(jī)構(gòu)3為四連桿機(jī)構(gòu)，其仿真運(yùn)動(dòng)軌跡與蛇怪蜥蜴運(yùn)動(dòng)軌跡相似。所述四連桿機(jī)構(gòu)是一根腿部加長連桿18的中部和后端分別與一根短搖桿19和一根長搖桿20的一端鉸連,而短搖桿19的另一端與所述電機(jī)15的輸出軸相連,長搖桿20的另一端與主機(jī)身I鉸連，腿部加長連桿18的前端與腕部塊5相連。所述腳掌由3個(gè)相同的趾狀結(jié)構(gòu)6、7、8和I個(gè)掌面12構(gòu)成；每個(gè)趾狀結(jié)構(gòu)6、7、8各由3根桿件11、10、9構(gòu)成，相鄰桿件間由鉸鏈結(jié)構(gòu)相連，各桿件長度自上而下依次減小，更貼切手指形狀；所述掌面12由橡膠等彈性材料制成，具有一定的柔性，鋪貼在3個(gè)趾狀結(jié)構(gòu)6、7、8上。所述電機(jī)15采用空芯杯直流電機(jī)，空芯杯直流電機(jī)質(zhì)量很輕，且可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩。所述尾巴17為輕質(zhì)材料，和機(jī)身以彈簧相連接。實(shí)施例三
如圖I所示，本實(shí)施例主要包括主機(jī)身I和四個(gè)腿部機(jī)構(gòu)3。機(jī)器人中所有的旋轉(zhuǎn)副都是通過銷軸實(shí)現(xiàn)連接的。為了減小本發(fā)明的總重量，節(jié)省用料，減小所需驅(qū)動(dòng)功率，主機(jī)身I整體為邊框結(jié)構(gòu)。腿部機(jī)構(gòu)3為普通四連桿機(jī)構(gòu)。如圖3所示，本發(fā)明中所用的四連桿機(jī)構(gòu)可以產(chǎn)生近似于蛇怪蜥蜴的運(yùn)動(dòng)軌跡的橢圓軌跡。腿部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3上的曲柄一端孔中的銷軸與空芯杯電機(jī)11的電機(jī)主軸通過聯(lián)軸器連接在一起，搖桿與機(jī)器人身一腿連接桿2通過螺釘固定，連桿末端通過腿一腕連接件4與機(jī)器人腕部塊5以螺釘固定。機(jī)身電機(jī)盒13通過螺釘固定在機(jī)器人主機(jī)身I上，空芯杯直流電機(jī)15上的螺紋孔與電機(jī)固定架14通過螺釘固定，從而，完成整個(gè)驅(qū)動(dòng)器件與機(jī)器人的固定安裝。主機(jī)身I末端與機(jī)器人尾巴17通過彈簧連接件16連在一起，當(dāng)機(jī)器人在水中有后翻傾向時(shí)，水流對(duì)機(jī)器人尾部的升力和繞流阻力均產(chǎn)生前轉(zhuǎn)力矩，平衡機(jī)器人后翻力矩。如圖1，2，4，5所示，本發(fā)明的腳掌由三個(gè)相同的腳趾機(jī)構(gòu)6、7、8、掌面12、腕部塊5構(gòu)成。腕部塊5與單腳趾結(jié)構(gòu)中的腳趾鉸鏈機(jī)構(gòu)I 6的頂部孔通過螺釘相固定。腳趾鉸鏈機(jī)構(gòu)I 6的下部孔通過銷軸與腳趾桿件結(jié)構(gòu)I 11相連接，且腳趾鉸鏈機(jī)構(gòu)I 6和腳趾桿件結(jié)構(gòu)I 11上方連有一段彈簧，用于入水限位；腳趾桿件結(jié)構(gòu)I 11的下端孔與腳趾鉸鏈結(jié)構(gòu)II 10通過螺釘相固定，腳趾桿件結(jié)構(gòu)II 10與腳趾桿件結(jié)構(gòu)II 7通過銷軸相連接，且腳趾鉸鏈機(jī)構(gòu)II 7和腳趾桿件結(jié)構(gòu)II 10上 方連有一段彈簧，用于入水限位；腳趾桿件結(jié)構(gòu)II 7下端孔與腳趾鉸鏈結(jié)構(gòu)III 9通過螺釘相固定，腳趾鉸鏈結(jié)構(gòu)III 9與腳趾桿件結(jié)構(gòu)III 8通過銷軸相連接，且腳趾鉸鏈機(jī)構(gòu)III 8和腳趾桿件結(jié)構(gòu)III 9上方連有一段彈簧，用于入水限位。腳掌腳趾機(jī)構(gòu)與掌面12間通過260膠層貼合在一起，機(jī)器人腳掌在水中不同位置時(shí)，受到水流體力的大小和方向也不同，單腳趾中腳趾桿件結(jié)構(gòu)各桿件會(huì)繞其上下相鄰桿件發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)整個(gè)掌面一起運(yùn)動(dòng)。如圖1，2，4，5所示，本發(fā)明機(jī)器人整體為鋁合金或其他輕金屬材料，掌面為薄層橡膠材料，尾部為泡沫等輕質(zhì)材料。上述實(shí)施所述適用于具體說明本專利，文中通過特定術(shù)語進(jìn)行說明，但不能以此限定本專利的保護(hù)范圍，熟悉此領(lǐng)域的人士可在了解本專利精神與原則后對(duì)其進(jìn)行變更或修改而達(dá)到等效目的，而此等效變更和修改，皆應(yīng)覆蓋于權(quán)利要求范圍所界定范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種仿蜥蜴水上機(jī)器人包括一個(gè)主機(jī)身(I)和四個(gè)相同的腿部機(jī)構(gòu)(3)，其特征在于所述主機(jī)身(I)的前部和后部各通過一個(gè)電機(jī)安裝盒(3)安裝兩個(gè)電機(jī)(15)，該四個(gè)電機(jī)(15)分別驅(qū)動(dòng)所述四個(gè)腿部機(jī)構(gòu)(3);四個(gè)腿部機(jī)構(gòu)(3)前端分別各通過一個(gè)腕部塊(5)連接一個(gè)腳掌；主機(jī)身(I)后部裝有一個(gè)尾巴(17)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的仿蜥蜴水上機(jī)器人，其特征在于所述主機(jī)身(I)采用框架結(jié)構(gòu)，僅留下一些必要連接處機(jī)身與機(jī)器人各腿連接處，安裝電機(jī)(15)的電機(jī)盒(13)安裝位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的仿蜥蜴水上機(jī)器人，其特征在于所述腿部機(jī)構(gòu)(3)為四連桿機(jī)構(gòu)，其仿真運(yùn)動(dòng)軌跡與蛇怪蜥蜴運(yùn)動(dòng)軌跡相似。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的仿蜥蜴水上機(jī)器人，其特征在于所述四連桿機(jī)構(gòu)是一根腿部加長連桿(18)的中部和后端分別與一根短搖桿(19)和一根長搖桿(20)的一端鉸連,而短搖桿(19)的另一端與所述電機(jī)(15)的輸出軸相連,長搖桿(20)的另一端與主機(jī)身(I)鉸連，腿部加長連桿(18)的前端與腕部塊(5)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1，4所述的仿蜥蜴水上機(jī)器人，其特征在于所述腳掌由3個(gè)相同的趾狀結(jié)構(gòu)(6、7、8)和I個(gè)掌面(12)構(gòu)成；每個(gè)趾狀結(jié)構(gòu)(6、7、8)各由3根桿件(11、10、9)構(gòu)成，相鄰桿件間由鉸鏈結(jié)構(gòu)相連，各桿件長度自上而下依次減小，更貼切手指形狀；所述掌面(12)由橡膠等彈性材料制成，具有一定的柔性，鋪貼在3個(gè)趾狀結(jié)構(gòu)(6、7、8)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的仿蜥蜴水上機(jī)器人，其特征在于所述電機(jī)(15)采用空芯杯直流電機(jī)，空芯杯直流電機(jī)質(zhì)量很輕，且可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的仿蜥蜴水上機(jī)器人，其特征在于所述尾巴(17)為輕質(zhì)材料，和機(jī)身以彈簧相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種仿蜥蜴水上機(jī)器人。它包括一個(gè)主機(jī)身和四個(gè)相同的腿部機(jī)構(gòu)，其特征在于所述主機(jī)身的前部和后部各通過一個(gè)電機(jī)安裝盒安裝兩個(gè)電機(jī)，該四個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)所述四個(gè)腿部機(jī)構(gòu)；四個(gè)腿部機(jī)構(gòu)前端分別各通過一個(gè)腕部塊連接一個(gè)腳掌；主機(jī)身后部裝有一個(gè)尾巴。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力，穩(wěn)定可靠，運(yùn)動(dòng)靈活，未來可以用來進(jìn)行各種水上探測(cè)、救援工作。
文檔編號(hào)B63H19/00GK102874397SQ201210325628
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月6日
發(fā)明者饒進(jìn)軍, 蔡舒文, 肖輔龍, 馮俊興 申請(qǐng)人:上海大學(xué)