一種仿水黽水面滑行機(jī)器人的制作方法
【專利摘要】一種仿水黽水面滑行機(jī)器人，涉及仿生機(jī)器人領(lǐng)域。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有水面機(jī)器人不能從根本上實(shí)現(xiàn)對(duì)水黽水面滑行運(yùn)動(dòng)機(jī)理的仿生的問題。本發(fā)明的仿水黽水面滑行機(jī)器人，其包括機(jī)架1、驅(qū)動(dòng)腿2和支撐腿3，機(jī)架1包括底座11、軸一12、軸二13、軸三14和軸四15，驅(qū)動(dòng)腿2包括驅(qū)動(dòng)腿架21、軸五22、軸六23、軸七24、軸八25、凸輪齒輪26、擺腿架27、軸九28、擺腿29、微型直流電機(jī)210、蝸桿211、蝸輪齒輪212、雙層齒輪213和連桿214；兩條驅(qū)動(dòng)腿2對(duì)稱安裝在機(jī)架1左右兩側(cè)，多條支撐腿3位于同一水平面上且分別對(duì)稱固定在機(jī)架1的前端和后端。本發(fā)明用于仿水黽水上運(yùn)動(dòng)機(jī)器人。
【專利說明】一種仿水黽水面滑行機(jī)器人

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及仿生機(jī)器人領(lǐng)域，具體為一種能夠在水面上滑行運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著微機(jī)電系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，微型機(jī)器人以體積小、重量輕、低成本、低能耗、低噪音等優(yōu)點(diǎn)，成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。微型水面機(jī)器人在水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水上偵查、水上搜索與救援等方面有廣闊的應(yīng)用前景，近年來吸引了眾多國(guó)內(nèi)外研究人員的目光。例如專利水上漂浮仿生水黽機(jī)器人中，是采用疏水處理的鋼絲作為支撐腿和驅(qū)動(dòng)腿，通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了主要靠水表面張力漂浮的技術(shù)，能夠在水面滑行。而專利一種仿生水黽機(jī)器人中，則采用微小電機(jī)驅(qū)動(dòng)模擬水黽兩條中腿的劃水動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)水上滑行運(yùn)動(dòng)。但目前的仿生水面行走機(jī)器人所采用的劃水方式，有的采用電機(jī)直接帶動(dòng)絲狀腿旋轉(zhuǎn)拍水滑行；有的雖然模仿了水黽中腿的劃水動(dòng)作，卻沒有從根本上實(shí)現(xiàn)對(duì)水黽水面滑行運(yùn)動(dòng)機(jī)理的仿生。生物水邑經(jīng)過長(zhǎng)期的進(jìn)化，其獨(dú)特的劃水運(yùn)動(dòng)方式具有合理性和最優(yōu)性，使其能夠充分利用水表面張力在水面上高效、靈活、快速地運(yùn)動(dòng)，所以為滿足現(xiàn)有技術(shù)的需要，急需設(shè)計(jì)出一種仿水黽水面滑行機(jī)器人，驅(qū)動(dòng)腿模擬生物水黽中腿類橢圓形劃水軌跡動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)水黽水面滑行運(yùn)動(dòng)機(jī)理的仿生。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有水面機(jī)器人不能從根本上實(shí)現(xiàn)對(duì)水黽水面滑行運(yùn)動(dòng)機(jī)理的仿生的問題，本發(fā)明提供了一種仿水黽水面滑行機(jī)器人。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種仿水黽水面滑行機(jī)器人，包括機(jī)架1、驅(qū)動(dòng)腿2和支撐腿3，機(jī)架I包括底座11、軸一 12、軸二 13、軸三14和軸四15，驅(qū)動(dòng)腿2包括驅(qū)動(dòng)腿架21、軸五22、軸六23、軸七24、軸八25、凸輪齒輪26、擺腿架27、軸九28、擺腿29、微型直流電機(jī)210、蝸桿211、蝸輪齒輪212、雙層齒輪213和連桿214 ；
[0005]兩條驅(qū)動(dòng)腿2對(duì)稱安裝在機(jī)架I左右兩側(cè)，多條支撐腿3位于同一水平面上且分別與機(jī)架I相應(yīng)孔緊配合對(duì)稱固定在機(jī)架I的前端和后端，軸一 12、軸二 13、軸三14和軸四15分別緊固在底座11開設(shè)的相應(yīng)孔內(nèi)，軸五22、軸六23和軸七24分別緊固在驅(qū)動(dòng)腿架21開設(shè)的相應(yīng)孔內(nèi)，軸八25緊配合固定在凸輪齒輪26的相應(yīng)孔內(nèi)，軸九28和擺腿29分別緊配合固定在擺腿架27的相應(yīng)孔內(nèi)，微型直流電機(jī)210緊配合固定在驅(qū)動(dòng)腿架21的相應(yīng)孔內(nèi)，蝸桿211固定在微型直流電機(jī)210的軸上，蝸輪齒輪212與軸五22間隙配合，蝸輪齒輪212的蝸輪部分與蝸桿211嚙合，雙層齒輪213與軸六23間隙配合，雙層齒輪213的大齒輪部分與蝸輪齒輪212的直齒齒輪部分嚙合，凸輪齒輪26與軸七24間隙配合，凸輪齒輪26與雙層齒輪213的小齒輪部分嚙合，擺腿架27與軸六23間隙配合，連桿214兩端分別與軸八25、軸九28間隙配合，驅(qū)動(dòng)腿2與軸四15、軸一 12間隙配合對(duì)稱安裝在機(jī)架I上，微型直流電機(jī)210通過蝸桿211、蝸輪齒輪212、雙層齒輪213減速增矩后帶動(dòng)凸輪齒輪26旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)腿架21、軸七24、軸八25、凸輪齒輪26、連桿214、擺腿架27和軸九28組成四連桿機(jī)構(gòu)，在水平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)擺腿29前后擺動(dòng)，軸四15、驅(qū)動(dòng)腿架21、軸八25、凸輪齒輪26和軸三14組成凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪齒輪26的凸輪部分靠驅(qū)動(dòng)腿2的自身重力壓在軸14上形成凸輪畐0，凸輪齒輪26的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在豎直面內(nèi)實(shí)現(xiàn)擺腿29上下擺動(dòng)。
[0006]本發(fā)明有益效果如下:本發(fā)明的仿水黽水面滑行機(jī)器人，總重約3.88g，采用四連桿加凸輪機(jī)構(gòu)組成驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使驅(qū)動(dòng)腿模擬生物水黽中腿類橢圓形劃水軌跡動(dòng)作進(jìn)行劃水，且劃水過程中驅(qū)動(dòng)腿始終沒有刺破水面，從而像水黽一樣充分利用水表面張力作為驅(qū)動(dòng)力。機(jī)器人靠水表面張力在水面漂浮，能夠平穩(wěn)地在水面上進(jìn)行直線和轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，輸入電壓為3V時(shí)，機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)平均速度為16cm/s，轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)平均速度為23° /s，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水黽水面滑行運(yùn)動(dòng)機(jī)理的仿生，同時(shí)還可用于生物水黽水面運(yùn)動(dòng)機(jī)理及相關(guān)仿生水面行走機(jī)器人技術(shù)研究。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1為本發(fā)明仿水黽水面滑行機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)立體圖；
[0008]圖2為本發(fā)明仿水黽水面滑行機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；
[0009]圖3為本發(fā)明仿水黽水面滑行機(jī)器人的機(jī)架立體圖；
[0010]圖4為本發(fā)明仿水黽水面滑行機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)腿立體圖；
[0011]圖5為本發(fā)明仿水黽水面滑行機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)腿架立體圖；
[0012]圖6為本發(fā)明仿水黽水面滑行機(jī)器人的凸輪齒輪立體圖；
[0013]圖7為本發(fā)明仿水黽水面滑行機(jī)器人的擺腿立體圖。
[0014]部件名稱及標(biāo)號(hào)說明:
[0015]機(jī)架1、驅(qū)動(dòng)腿2、支撐腿3、底座11、軸一 12、軸二 13、軸三14、軸四15、驅(qū)動(dòng)腿架21、軸五22、軸六23、軸七24、軸八25、凸輪齒輪26、擺腿架27、軸九28、擺腿29、微型直流電機(jī)210、蝸桿211、蝸輪齒輪212、雙層齒輪213、連桿214。

【具體實(shí)施方式】
[0016]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1至圖7說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的仿水黽水面滑行機(jī)器人，包括機(jī)架1、驅(qū)動(dòng)腿2和支撐腿3，機(jī)架I包括底座11、軸一 12、軸二 13、軸三14和軸四15，驅(qū)動(dòng)腿2包括驅(qū)動(dòng)腿架21、軸五22、軸六23、軸七24、軸八25、凸輪齒輪26、擺腿架27、軸九28、擺腿29、微型直流電機(jī)210、蝸桿211、蝸輪齒輪212、雙層齒輪213和連桿214 ;
[0017]兩條驅(qū)動(dòng)腿2對(duì)稱安裝在機(jī)架I左右兩側(cè)，多條支撐腿3位于同一水平面上且分別與機(jī)架I相應(yīng)孔緊配合對(duì)稱固定在機(jī)架I的前端和后端，軸一 12、軸二 13、軸三14和軸四15分別緊固在底座11開設(shè)的相應(yīng)孔內(nèi)，軸五22、軸六23和軸七24分別緊固在驅(qū)動(dòng)腿架21開設(shè)的相應(yīng)孔內(nèi)，軸八25緊配合固定在凸輪齒輪26的相應(yīng)孔內(nèi)，軸九28和擺腿29分別緊配合固定在擺腿架27的相應(yīng)孔內(nèi)，微型直流電機(jī)210緊配合固定在驅(qū)動(dòng)腿架21的相應(yīng)孔內(nèi)，蝸桿211固定在微型直流電機(jī)210的軸上，蝸輪齒輪212與軸五22間隙配合，蝸輪齒輪212的蝸輪部分與蝸桿211嚙合，雙層齒輪213與軸六23間隙配合，雙層齒輪213的大齒輪部分與蝸輪齒輪212的直齒齒輪部分嚙合，凸輪齒輪26與軸七24間隙配合，凸輪齒輪26與雙層齒輪213的小齒輪部分嚙合，擺腿架27與軸六23間隙配合，連桿214兩端分別與軸八25、軸九28間隙配合，驅(qū)動(dòng)腿2與軸四15、軸一 12間隙配合對(duì)稱安裝在機(jī)架I上，微型直流電機(jī)210通過蝸桿211、蝸輪齒輪212、雙層齒輪213減速增矩后帶動(dòng)凸輪齒輪26旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)腿架21、軸七24、軸八25、凸輪齒輪26、連桿214、擺腿架27和軸九28組成四連桿機(jī)構(gòu)，在水平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)擺腿29前后擺動(dòng)，軸四15、驅(qū)動(dòng)腿架21、軸八25、凸輪齒輪26和軸三14組成凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪齒輪26的凸輪部分靠驅(qū)動(dòng)腿2的自身重力壓在軸14上形成凸輪畐0，凸輪齒輪26的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在豎直面內(nèi)實(shí)現(xiàn)擺腿29上下擺動(dòng)。
[0018]【具體實(shí)施方式】二:結(jié)合圖1至圖7說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的凸輪齒輪26與雙層齒輪213的小齒輪部分嚙合后的減速比為6:1，蝸輪齒輪212的蝸輪部分與蝸桿211嚙合后的減速比為18:1，雙層齒輪213的大齒輪部分與蝸輪齒輪212的直齒齒輪部分嚙合后的減速比為4:1。其它組成和連接關(guān)系與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0019]【具體實(shí)施方式】三:結(jié)合圖1至圖7說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的支撐腿3的數(shù)量為十條。其它組成和連接關(guān)系與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0020]【具體實(shí)施方式】四:結(jié)合圖1至圖7說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的底座11的材質(zhì)為塑料，采用3D打印加工，軸一 12、軸二 13、軸三14和軸四15的材質(zhì)為碳纖維棒。其它組成和連接關(guān)系與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0021]【具體實(shí)施方式】五:結(jié)合圖1至圖7說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的支撐腿3的材質(zhì)為細(xì)銅絲，銅絲表面利用電化學(xué)沉積和納米自組裝技術(shù)進(jìn)行超疏水處理。其它組成和連接關(guān)系與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0022]工作原理:
[0023]本發(fā)明的仿水黽水面滑行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的基本原理是:支撐腿3表面具有超疏水性，能夠提供充足的負(fù)載能力使機(jī)器人穩(wěn)定地漂浮在水面上，且負(fù)載能力主要來自水表面張力，實(shí)現(xiàn)對(duì)水黽水面漂浮機(jī)理的仿生；微型直流電機(jī)210通過蝸桿211、蝸輪齒輪212、雙層齒輪213減速增矩后帶動(dòng)凸輪齒輪26旋轉(zhuǎn)；
[0024]驅(qū)動(dòng)腿架21、軸七24、軸八25、凸輪齒輪26、連桿214、擺腿架27、軸九28組成四連桿機(jī)構(gòu)，在水平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)擺腿29前后擺動(dòng)，軸四15、驅(qū)動(dòng)腿架21、軸八25、凸輪齒輪26、軸三14組成凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪齒輪26凸輪部分靠驅(qū)動(dòng)腿2自身重力壓在軸三14上形成凸輪副，凸輪齒輪26的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在豎直面內(nèi)實(shí)現(xiàn)擺腿29上下擺動(dòng)，通過這種四連桿加凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)腿2的類橢圓形劃水軌跡動(dòng)作；
[0025]水表面張力在水黽水面運(yùn)動(dòng)中起主導(dǎo)作用，要求驅(qū)動(dòng)腿始終保持在水-空氣界面上，四連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)擺腿29在水平面內(nèi)前后擺動(dòng)擺幅為75°，凸輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)擺腿29在豎直面內(nèi)上下擺動(dòng)擺幅為8.83°，復(fù)合成的類橢圓形劃水軌跡能夠保證擺腿29劃水過程中不刺破水面，彎曲變形的水面使擺腿29沿水平方向獲得大的向前水表面張力分力作用，因而能夠像水黽一樣充分利用水表面張力作為驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)水黽水面滑行運(yùn)動(dòng)機(jī)理的仿生；驅(qū)動(dòng)腿2上的微型直流電機(jī)通過導(dǎo)線與外部單片機(jī)控制系統(tǒng)相連，所用單片機(jī)控制系統(tǒng)為現(xiàn)有技術(shù)，當(dāng)兩條驅(qū)動(dòng)腿2 —致動(dòng)作劃水時(shí)，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)兩者不同步劃水時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。
[0026]上述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用于限制本發(fā)明的實(shí)施方案，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的主要構(gòu)思和精神，可以十分方便地進(jìn)行相應(yīng)的變通或修改，故本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種仿水黽水面滑行機(jī)器人，其特征在于，包括機(jī)架(1)、驅(qū)動(dòng)腿(2)和支撐腿(3)，機(jī)架⑴包括底座(11)、軸一(12)、軸二(13)、軸三(14)和軸四(15)，驅(qū)動(dòng)腿⑵包括驅(qū)動(dòng)腿架(21)、軸五(22)、軸六(23)、軸七(24)、軸八(25)、凸輪齒輪(26)、擺腿架(27)、軸九(28)、擺腿(29)、微型直流電機(jī)(210)、蝸桿(211)、蝸輪齒輪(212)、雙層齒輪(213)和連桿(214)； 兩條驅(qū)動(dòng)腿(2)對(duì)稱安裝在機(jī)架(1)左右兩側(cè)，多條支撐腿(3)位于同一水平面上且分別與機(jī)架(1)相應(yīng)孔緊配合對(duì)稱固定在機(jī)架(1)的前端和后端，軸一(12)、軸二(13)、軸三(14)和軸四(15)分別緊固在底座(11)開設(shè)的相應(yīng)孔內(nèi)，軸五(22)、軸六(23)和軸七(24)分別緊固在驅(qū)動(dòng)腿架(21)開設(shè)的相應(yīng)孔內(nèi)，軸八(25)緊配合固定在凸輪齒輪(26)的相應(yīng)孔內(nèi)，軸九(28)和擺腿(29)分別緊配合固定在擺腿架(27)的相應(yīng)孔內(nèi)，微型直流電機(jī)(210)緊配合固定在驅(qū)動(dòng)腿架(21)的相應(yīng)孔內(nèi)，蝸桿(211)固定在微型直流電機(jī)(210)的軸上，蝸輪齒輪(212)與軸五(22)間隙配合，蝸輪齒輪(212)的蝸輪部分與蝸桿(211)嚙合，雙層齒輪(213)與軸六(23)間隙配合，雙層齒輪(213)的大齒輪部分與蝸輪齒輪(212)的直齒齒輪部分嚙合，凸輪齒輪(26)與軸七(24)間隙配合，凸輪齒輪(26)與雙層齒輪(213)的小齒輪部分嚙合，擺腿架(27)與軸六(23)間隙配合，連桿(214)兩端分別與軸八(25)、軸九(28)間隙配合，驅(qū)動(dòng)腿(2)與軸四(15)、軸一(12)間隙配合對(duì)稱安裝在機(jī)架(1)上，微型直流電機(jī)(210)通過蝸桿(211)、蝸輪齒輪(212)、雙層齒輪(213)減速增矩后帶動(dòng)凸輪齒輪(26)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)腿架(21)、軸七(24)、軸八(25)、凸輪齒輪(26)、連桿(214)、擺腿架(27)和軸九(28)組成四連桿機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)擺腿(29)在水平面內(nèi)前后擺動(dòng)，軸四(15)、驅(qū)動(dòng)腿架(21)、軸八(25)、凸輪齒輪(26)和軸三(14)組成凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪齒輪(26)的凸輪部分依靠驅(qū)動(dòng)腿(2)的自身重力壓在軸(14)上形成凸輪副，凸輪齒輪(26)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以在豎直面內(nèi)實(shí)現(xiàn)擺腿(29)的上下擺動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿水黽水面滑行機(jī)器人，其特征在于，凸輪齒輪(26)與雙層齒輪(213)的小齒輪部分嚙合后的減速比為6:1，蝸輪齒輪(212)的蝸輪部分與蝸桿(211)嚙合后的減速比為18:1，雙層齒輪(213)的大齒輪部分與蝸輪齒輪(212)的直齒齒輪部分嚙合后的減速比為4:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的仿水黽水面滑行機(jī)器人，其特征在于，支撐腿(3)的數(shù)量為十條。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿水黽水面滑行機(jī)器人，其特征在于，底座(11)的材質(zhì)為塑料，采用3D打印加工，軸一(12)、軸二(13)、軸三(14)和軸四(15)的材質(zhì)為碳纖維棒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿水黽水面滑行機(jī)器人，其特征在于，支撐腿(3)的材質(zhì)為細(xì)銅絲，銅絲表面利用電化學(xué)沉積和納米自組裝技術(shù)進(jìn)行超疏水處理。
【文檔編號(hào)】B63H1/30GK104229087SQ201410525338
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月8日
【發(fā)明者】閆繼宏, 張新彬, 趙杰, 王濤 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)