CN108438186A - 一种两栖蛙板机器人的多关节运动机构 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种两栖蛙板机器人的多关节运动机构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种两栖蛙板机器人的多关节运动机构。

背景技术

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。

发明内容

有鉴于此，本发明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。

本发明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、本发明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、本发明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、本发明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、本发明采用滚轮作为尾轮，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，对本发明进行详细描述。

本发明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，***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***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7、腿臂连杆8及腿臂轴承9组成，通过第二级曲柄滑块结构实现腿臂9在平面内的往复摆动。通过改变电动推杆5的长度可以改变滑块4的运动幅度，进而可以改变腿臂7的摆动幅度。将电动推杆5的长度作为一个控制变量，使电机转速与腿臂摆动幅度、速度之间单一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。

如图9所示，腿臂第二关节21由腿臂舵机10、腿臂舵机输出齿轮11及腿臂直齿轮12组成，腿臂直齿轮12与腿臂7的后半部相固连，并与腿臂舵机输出齿轮11相啮合，可以通过控制腿臂舵机10的转动控制腿臂后半部绕自身轴线方向的转动。如图10所示，腿臂第三关节22由尾鳍舵机13、尾鳍连杆14、腿臂连杆锥齿轮15、尾鳍锥齿轮16、尾鳍及尾轮17组成，尾鳍连杆14同轴嵌套在腿臂7内部，尾鳍舵机13的输出轴与尾鳍连杆14的一端相固连，尾鳍连杆14的另一端与尾鳍连杆锥齿轮15相固连，尾鳍连杆锥齿轮15与尾鳍锥齿轮16相啮合，尾鳍锥齿轮16与尾鳍及尾轮17相固连。通过控制尾鳍舵机13的转动可以控制尾鳍及尾轮17绕尾鳍连杆14轴线方向转动，进而可以控制尾轮相对于腿臂的角度。通过增加腿臂第二关节21与腿臂第三关节22结构，给机器人执行机构增加了两个自由度的运动，陆地运动、水下运动均增加了尾轮的转角控制及尾鳍的水平摆动及旋转运动，通过多关节间的相互配合可以有效提高水下运动及陆地运动的推进效率。

水陆两栖机器人采用的尾鳍及尾轮17结构如图12所示，针对水陆两栖蛙板机器人尾轮及尾轮不受控、推进效率较低的问题，将偏向轮改为滚轮并进行控制，使得尾鳍及尾轮相对于腿臂的角度或速度可控。

水陆两栖机器人的***装置如图11、图13所示，前轮与前鳍24相固连，将水陆运动时的执行机构相统一。胸鳍23在机器人前部的左右两侧，实现机器人上升下潜的角度控制。

针对水陆两栖蛙板机器人的防水问题，设计了内外两级防水装置如图14、图15、图16、图17所示。外部防水装置采用ABS材料通过上下卡合的方式将机器人外部执行机构与内部控制机构隔开。图15-图17为内部机构的防水装置，分别在控制单元、腿臂驱动单元及腿臂关节驱动单元独立设置防水装置，结合外部防水装置，通过两级防水装置可以有效提高防水性能。

本实例中，由控制单元控制直流电机1的转动，通过两级曲柄滑块机构转化为腿臂7的摆动，实现腿臂第一关节20的运动。由控制单元控制腿臂舵机10的输出角度，通过腿臂直齿轮12转化为腿臂7的旋转运动，实现腿臂第二关节21的运动。由控制单元控制尾鳍舵机13的输出角度，通过尾鳍连杆14转化为尾鳍及尾轮17在水平面内的摆动，实现腿臂第三关节22的运动。

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

Claims (6)

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。

3.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，所述尾鳍连杆通过锥齿轮与尾鳍连接。

4.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。

5.如权利要求4所述的两栖蛙板机器人的多关节运动机构，其特征在于，所述推杆采用电动推杆。

6.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，所述尾轮采用滚轮。