一种仿生水母足及应用该仿生水母足的机械水母

摘要

本发明属于仿生机械技术领域，具体涉及一种仿生水母足及应用该仿生水母足的机械水母。本发明的仿生水母足包括第一铰接点、第二铰接点、第三铰接点及第四铰接点；基准线处布置动力组件，所述动力组件驱动第二铰接点及第三铰接点产生沿基准线长度方向的同步往复直线动作，或所述动力组件驱动第一铰接点及第四铰接点产生沿基准线长度方向的同步往复直线动作，各铰接点再对应驱动相应连杆产生随动动作，从而实现对水母足部的高仿生动作功能。本发明还提供了基于上述仿生水母足的机械水母，尤其适用于科教宣传或无人水下航行场合所使用。

说明书

技术领域

本发明属于仿生机械技术领域，具体涉及一种仿生水母足及应用该仿生水母足的机械水母。

背景技术

仿生学是近年来发展起来的工程技术与生物科学相结合的交叉学科，目的就是分析生物过程和结构，并把得到的分析结果用于未来的设计。在仿生学里，通过对水母的了解分析，人们发现其相比于波动推进式鱼类具有移动隐蔽、体积小、重量轻、柔性大及低代谢率等优势，能有效地利用水流游动的特点，因此，人们一直致力实现于对水母的仿生。目前水母仿生一方面用于科教宣传中，如科技馆等场合，以通过模拟水母真实动作来实现科教功能，甚至伴随灯光等来实现更好的现场展示效果；另一方面，水母的仿生也适用于无人水下航行器等特殊场合，从而利用水母特殊的水下行进特点来实现诸如无声巡航等水下航行效果。在水母仿生研究中，如何模仿水母的飘逸行进动作是重点，现有技术大多如中国专利公告号为“CN108146599A”的发明名称为“一种仿生机械水母”所述：由水母头部、水母本体和水母尾部组成，其中，水母本体装有各类传感器、编码器、控制面板；水母头部安装有GPS定位器、电源指示灯和天线；水母尾部设置有电源与多功能拓展接口；也即现有技术大都重于信号控制而疏于动作管理，对水母最为重要的行进动作的仿生研究极少，导致这类设备在作为科教宣传用具使用时动作僵硬，完全无法实现水母的动作仿生目的，导致科教效果较差；而在作为水下航行设备使用时，上述僵化的足部动作显然也无法起到理想的水流推动效果，只能依赖额外加载的如螺旋桨等推动部件来实现行进功能，不能有效利用水母所固有的行进隐蔽性等特点，亟待解决。

发明内容

本发明的其中一个目的是克服上述现有技术的不足，提供一种结构紧凑合理且体积小巧的仿生水母足，可实现对水母足部的高仿生动作功能；本发明的另一个目的在于提供一种应用上述仿生水母足的机械水母，尤其适用于科教宣传或无人水下航行场合所使用。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种仿生水母足，其特征在于：包括沿基准线长度方向由上而下依序布置的第一铰接点、第二铰接点、第三铰接点及第四铰接点，第一铰接点、第二铰接点、第三铰接点及第四铰接点分别一一对应的铰接第一连杆、第二连杆、第三连杆及第四连杆的首端；

第一连杆的尾端铰接于第二连杆的中段杆身处从而在该处形成第五铰接点，第二连杆的尾端铰接于第六连杆的中段杆身处从而在该处形成第六铰接点；第六连杆的首端铰接第五连杆尾端，第五连杆首端铰接第一连杆的中段杆身，从而使得第一连杆、第五连杆、第六连杆及第二连杆彼此铰接形成第一平面四连杆机构；

第七连杆的首端铰接于第二连杆上的第五铰接点与第六铰接点之间的一段杆身处，第七连杆的尾端铰接于第九连杆的中段杆身处，第九连杆的首端铰接第六连杆的尾端，从而使得第七连杆、第二连杆、第六连杆及第九连杆彼此铰接形成第二平面四连杆机构；

第九连杆的尾端铰接于第十连杆的中段杆身处从而在该处形成第七铰接点，第八连杆的首端铰接于第六连杆上的第六连杆尾端与第六铰接点之间的一段杆身上，第八连杆的尾端铰接于第十连杆上的第十连杆首端与第七铰接点之间的一段杆身处，从而使得第六连杆、第八连杆、第九连杆及第十连杆彼此铰接形成第三平面四连杆机构；

第十连杆的尾端与第十二连杆首端铰接，第十二杆的尾端与第十三连杆的首端铰接，第十三连杆的尾端与第十四连杆的首端铰接从而在该处形成第八铰接点，第十四连杆的尾端、第十五连杆首端与第三连杆的尾端彼此铰接；第十连杆的首端铰接第十一连杆的首端，第十一连杆的尾端、第四连杆的尾端及第十六连杆的首端彼此铰接；

第十六连杆的尾端铰接第十五连杆的中段杆身，第十五连杆的尾端铰接第十八连杆的中段杆身，第十八连杆的首端铰接第十七连杆的尾端，第十七连杆的首端铰接第十六连杆的中段杆身，从而使得第十五连杆、第十六连杆、第十七连杆及第十八连杆彼此铰接形成第四平面四连杆机构；

上述各连杆的铰接处轴线彼此平行且均垂直基准线；

基准线处布置动力组件，所述动力组件驱动第二铰接点及第三铰接点产生沿基准线长度方向的同步往复直线动作，或所述动力组件驱动第一铰接点及第四铰接点产生沿基准线长度方向的同步往复直线动作。

优选的，本仿生水母足还包括用于形成水母头的连接肋板，所述连接肋板位于第六连杆的杆身外侧，并与第六连杆间形成刚性固定；连接肋板的尾端铰接在第八铰接点处，连接肋板的首端铰接第二十连杆的尾端，第二十连杆的首端铰接第十九连杆的尾端，第十九连杆的首端铰接在第一铰接点上；第十九连杆及第二十连杆杆端的铰接处轴线均平行第八铰接点轴线。

优选的，所述连接肋板外侧布置灯箱。

优选的，一种应用所述仿生水母足的机械水母，其特征在于：所述仿生水母足为两组以上且环绕固定轴周向均布，固定轴的轴线构成所述基准线；固定轴内套设有可沿固定轴轴线作往复直线动作的传动轴，传动轴的顶端与直线动力源的动力输出端形成动力配合；固定轴的中段轴身处径向贯穿有避让孔，传动轴处径向向避让孔处延伸出连接板；固定轴外套设有可沿固定轴轴向作直线往复动作的活动套，活动套与连接板固定；活动套上布置第二铰接点及第三铰接点，第一铰接点及第四铰接点布置在固定轴上。

优选的，沿固定轴轴向由上而下依序布置第一固定环、第二固定环、第三固定环及第四固定环，各固定环的外缘处均布置对应仿生水母足数量的铰接座，其中第一固定环与第四固定环固定在固定轴上，第一固定环上的铰接座形成所述第一铰接点，第四固定环上的铰接座形成所述第四铰接点；第二固定环与第三固定环固定在活动套上，第二固定环上的铰接座形成所述第二铰接点，第三固定环上的铰接座形成所述第三铰接点。

优选的，所述直线动力源包括伺服电机及丝杆滑块机构，伺服电机及丝杆滑块机构均通过模组固定板固定于固定座上，固定座固定于固定轴顶端处；丝杆滑块机构内的滑动块与连接挂钩固接，连接挂钩再法兰配合于所述传动轴的顶端，从而驱动传动轴产生轴向往复动作。

优选的，活动套内壁处同轴的装配有衬套，衬套内壁与固定轴外壁间形成间隙配合。

优选的，在活动套的动作上限点及动作下限点处均布置有起缓冲功能的缓冲圈。

本发明的有益效果在于：

1)、通过上述方案，本发明具体化了以往语焉不详的仿生水母足的机械机构，通过采用多组四连杆机构彼此配合，从而实现了由足部尾端也即第十八连杆处至第一铰接点、第二铰接点、第三铰接点及第四铰接点处的连续连杆动作目的，且该连续连杆动作与自然界水母的足部动作方式极其吻合，也即实现了对水母足部动作姿态的高仿生目的。

在上述结构中可看出，第一铰接点与第四铰接点可看作一个施力组，而第二铰接点与第三铰接点可看作另一个施力组。当两个施力组其中一个作指定直线动作而另一个不动时，即可实现水母足部的飘逸的高仿真动作目的；但是，也不排除两个施力组均作为动件，而产生彼此反向的指定直线动作，此时水母的动作仿真仍可实现，区别在于动作速度变得更快，显然这仍处于本发明的保护范围内。

当将本发明作为科教用具使用时，可直接将多组仿生水母足绕基准线周向均布形成仿生机械水母，即可以高仿真的水母足部动作状态来实现科教目的；而当将本发明用于无人水下航行器时，比如可在第十八连杆的末端或其他连杆位置处布置水鳍甚至是模拟水母裙边的水裙，从而实现实用化的仿生航行甚至是无声航行效果。

2)、为进一步的保证水母足部动作姿态的仿真性，本发明一方面在第六连杆外侧增设了连接肋板，从而通过多组水母足的配合，来拟真水母的头部构造；另一方面，连接肋板首端处增设第十九连杆及第二十连杆，连接肋板尾端处铰接第八铰接点，从而使得与连接肋板一体化的第六连杆的动作更为仿真，动作姿态效果更好。

3)、灯箱的布置，则更多考虑到科教用具场合；该类场合强调的是寓教于乐，机械运动配合音响、灯光，会给人一种视觉冲击，凸显深海水母的光彩夺目，因此搭配声光更能实现其科教效果。实际操作时，瓣状的灯箱彼此组合可以形成伞状的水母头部，而灯箱内灯光的发光变色更可模拟真实水母的发光动作。展览时，随着音乐的响起，在海洋的声音包围中，机械水母开始运动，伞状的水母头部随着运动的节奏开始发光变色，张开闭合，现场展示效果显然更佳。甚至必要时，可以设置自动模式，一旦有人走近展项，触发感应开关，本发明即可动作，人们即可观察水母曼妙的身姿；或可和操控手柄结合，控制本发明组合形成的机械水母的上、下游动动作，以实现教育效果。

4)、在上述仿生水母足的结构基础上，本发明还提供了一种机械水母的具体实现构造。具体而言，本机械水母通过布置于传动轴顶端的动力组件来实现固定轴内的传动轴的直线动作，传动轴的直线动作会通过连接板传递给位于固定轴外的活动套，从而实现第二铰接点与第三铰接点的直线动作目的。由于第二铰接点与第三铰接点产生了同步的直线往复动作，而第一铰接点与第四铰接点仍旧固定式的铰接在固定轴外壁处，因此，整个机械水母的仿生水母足即可产生指定的飘逸的高仿生动作。

5)、各固定环的设置，目的在于具体化第一铰接点、第二铰接点、第三铰接点及第四铰接点。实际布局时，作为动件的两组铰接点由于布置在同样作为动件的活动套上，而活动套又必须相对固定轴产生轴向动作，因此，一方面需布置衬套，如易格斯衬套等，以降低活动套与固定轴的动作磨损，提升其实际使用寿命。另一方面，还需在活动套的设定的动作上限点及动作下限点处布置缓冲圈，从而避免活动套动作超限并产生相对第一固定环或第四固定环的撞击状况。

6)、对于直线动力源而言，实际装配时可由多种结构来实现；如采用直线电机及可产生直线往复动作的活塞缸等，甚至还可采用曲柄滑块机构来实现活动套的往复动作目的。本发明优选采用伺服电机搭配丝杆滑块机构，从而在保证活动套的动作精准性的同时，确保对活动套的可靠力施加效果，一举多得。

附图说明

图1为吊装式的机械水母的正视图；

图2为图1的立体结构示意图；

图3为动力组件的结构爆炸图；

图4为仿生水母足处于合拢状态时的剖视图；

图5为传动轴、固定轴及活动套的配合状态剖视图；

图6为仿生水母足处于中位状态时的动作状态图；

图7为仿生水母足处于打开状态时的动作状态图。

本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：

A-第一铰接点 B-第二铰接点 C-第三铰接点 D-第四铰接点

E-第五铰接点 F-第六铰接点 G-第七铰接点 H-第八铰接点

1-第一连杆 2-第二连杆 3-第三连杆 4-第四连杆

5-第五连杆 6-第六连杆 7-第七连杆 8-第八连杆

9-第九连杆 10-第十连杆 11-第十一连杆

12-第十二连杆 13-第十三连杆 14-第十四连杆

15-第十五连杆 16-第十六连杆 17-第十七连杆

18-第十八连杆 19-第十九连杆 20-第二十连杆

30-连接肋板 31-灯箱

41-固定轴 41a-避让孔 42-传动轴 42a-连接板

43-活动套 44-伺服电机 45-丝杆滑块机构 46-连接挂钩

47-衬套 48-缓冲圈

51-第一固定环 52-第二固定环

53-第三固定环 54-第四固定环

60-固定座 61-模组固定板

具体实施方式

为便于理解，此处结合图1-7，以作为科教用具的本发明的其中一种具体实施例为例，对本发明所述的机械水母的具体结构及工作方式作以下进一步描述：

当本发明应用于科教领域时，图1-2提供了一种吊装式的机械水母，以便于通过固定座60吊装在展室顶面处，实现现场展览目的。此时，该吊装式的机械水母的主要结构包括动力组件、传动组件及仿生水母足。其中：

一、动力组件

动力组件的外形参照图3-7所示，包括布置在固定座60的模组固定板61上的伺服电机44及丝杆滑块机构44，当伺服电机44转动时，可通过丝杆滑块机构45处丝杆驱动滑动块产生轴向的往复直线动作。

二、传动组件

传动组件包括彼此同轴套设的由内而外依序布置的传动轴42、固定轴41及活动套43；三者中，传动轴42及活动套43之间通过连接板彼此固接，从而实现相对固定轴41的往复轴向动作效果。在图3中可看出，具体装配时，上述丝杆滑块机构45的滑动块会通过连接挂钩46直接与传动轴42的顶端间固接，从而一旦滑动块产生往复直线动作，即可带动传动轴42产生随动的往复直线动作。

对于传动轴42与活动套43的配合方式，在图4-5中已有明确表述：固定轴41的轴身处布置孔型长度方向平行固定轴41轴线的腰形的避让孔41a，L型的连接板42a一方面通过铅垂段螺纹配合在传动轴42的外壁处，另一方面再通过水平段穿过避让孔41a并延伸至固定轴41之外，最终与活动套43间构成螺纹配合。这样，一旦传动轴42作轴向往复动作，即可通过连通避让孔41a内外的连接板42a驱动活动套43产生随动动作。

装配时，由于活动套43必须相对固定轴41产生轴向动作，因此需如图5所示的，一方面布置衬套47，如易格斯衬套等，以降低作为动件的活动套43与作为静件的固定轴41的动作磨损，提升其实际使用寿命。另一方面，还需在活动套43的设定的动作上限点及动作下限点处布置缓冲圈48，从而避免活动套43动作超限并产生相对第一固定环51或第四固定环54的撞击状况。

三、仿生水母足

仿生水母足为本发明的一个重点部分，目的在于实现对水母行进动作的高仿真效果，因此大部分需依赖于仿生水母足的机械联动来实现。

本发明的仿生水母足包括了二十组可彼此联动的连杆，从而利用各连杆的彼此配合动作，来实现对自然界水母行进动作的高仿真效果。

为便于描述清楚，首先界定作为固定点的第一铰接点A及第四铰接点D，以及作为动作施力点的第二铰接点B及第三铰接点C。在如图4-5所示结构中，可看出四组铰接点是沿基准线长度方向，也即固定轴41轴向由上而下依序布置。具体装配时，固定轴41上同轴固接第一固定环51，并在第一固定环51上布置铰接座从而形成第一铰接点A；固定轴41上同轴固接第四固定环54，并在第四固定环54上布置铰接座从而形成第四铰接点D。活动套43的顶端同轴固接第二固定环52，并在第二固定环52上布置铰接座从而形成第二铰接点B；活动套43的底端同轴固接第三固定环53，并在第三固定环53上布置铰接座从而形成第三铰接点C。第一铰接点A、第二铰接点B、第三铰接点C及第四铰接点D分别一一对应的铰接第一连杆1、第二连杆2、第三连杆3及第四连杆4的首端。工作时，通过第二铰接点B与第三铰接点C的直线往复动作，即可带动第二连杆2与第三连杆3产生随动动作，随之可引发整套连杆机构的随动响应，即实现水母仿真动作。

第一连杆1的尾端铰接于第二连杆2的中段杆身处从而在该处形成第五铰接点E，第二连杆2的尾端铰接于第六连杆6的中段杆身处从而在该处形成第六铰接点F；第六连杆6的首端铰接第五连杆5尾端，第五连杆5首端铰接第一连杆1的中段杆身，从而使得第一连杆1、第五连杆5、第六连杆6及第二连杆2彼此铰接形成第一平面四连杆机构。

第七连杆7的首端铰接于第二连杆2上的第五铰接点E与第六铰接点F之间的一段杆身处，第七连杆7的尾端铰接于第九连杆9的中段杆身处，第九连杆9的首端铰接第六连杆6的尾端，从而使得第七连杆7、第二连杆2、第六连杆6及第九连杆9彼此铰接形成第二平面四连杆机构。

第九连杆9的尾端铰接于第十连杆10的中段杆身处从而在该处形成第七铰接点G，第八连杆8的首端铰接于第六连杆6上的第六连杆6尾端与第六铰接点F之间的一段杆身上，第八连杆8的尾端铰接于第十连杆10上的第十连杆10首端与第七铰接点G之间的一段杆身处，从而使得第六连杆6、第八连杆8、第九连杆9及第十连杆10彼此铰接形成第三平面四连杆机构。

第十连杆10的尾端与第十二连杆12首端铰接，第十二杆的尾端与第十三连杆13的首端铰接，第十三连杆13的尾端与第十四连杆14的首端铰接从而在该处形成第八铰接点H，第十四连杆14的尾端、第十五连杆15首端与第三连杆3的尾端彼此铰接；第十连杆10的首端铰接第十一连杆11的首端，第十一连杆11的尾端、第四连杆4的尾端及第十六连杆16的首端彼此铰接。

第十六连杆16的尾端铰接第十五连杆15的中段杆身，第十五连杆15的尾端铰接第十八连杆18的中段杆身，第十八连杆18的首端铰接第十七连杆17的尾端，第十七连杆17的首端铰接第十六连杆16的中段杆身，从而使得第十五连杆15、第十六连杆16、第十七连杆17及第十八连杆18彼此铰接形成第四平面四连杆机构。

上述各连杆的铰接处轴线彼此平行且均垂直基准线。优选条件下，建议各连杆均处于同一平面上。当然，如各连杆均处于同一平面时，图6-7中显然能看出某些连杆存在动作干涉状况，此时只需在相应连杆的干涉杆身处加工出弯曲避让段，从而与待干涉的连杆间彼此动作避让开即可。

当然，尤其作为科教用具而言，本发明还可在第六连杆6的外侧布置带有灯箱31的连接肋板30。具体装配时，连接肋板30的尾端铰接在第八铰接点H处，连接肋板30的首端铰接第二十连杆20的尾端，第二十连杆20的首端铰接第十九连杆19的尾端，第十九连杆19的首端铰接在第一铰接点A上；第十九连杆19及第二十连杆20杆端的铰接处轴线均平行第八铰接点H轴线。连接肋板30在工作时，可如图2所示的彼此配合形成对水母头的仿真效果。甚至可对灯箱31进行艺术加工或者对灯箱31内灯源进行单独设计，从而使得整个机械水母具备更高的仿真性或更佳的视觉效果。展览时，随着音乐的响起，在海洋的声音包围中，机械水母开始运动，伞状的水母头部随着运动的节奏开始发光变色，张开闭合，现场展示效果显然更佳。甚至必要时，可以设置自动模式，一旦有人走近展项，触发感应开关，本发明即可动作，人们即可观察水母曼妙的身姿；或可和操控手柄结合，控制本发明组合形成的机械水母的上、下游动动作，以实现教育效果。

值得注意的是：在使用时，本发明可以与现有技术中的软件配合来实现灯箱31的色彩变化目的，但是必须指出的是：与本发明相配合的软件不是本发明的创新部分，也不是本发明的组成部分。

以上为本发明的其中一种具体的实施例。实际操作时，如将灯箱31内灯源进行适应性的更换，或者将直线动力源更换为曲柄滑块机构甚至是活塞缸等，或者将相应连杆上布置水鳍结构等从而应用于水下无人航行器等等，这类在知晓本发明的技术结构的基础上所作出的常规性改变，均应当作为等同或相似设计而落入本发明的保护范围内。