一种仿生水下足式机器人腿部结构及仿生水下足式机器人

摘要

本发明公开了一种仿生水下足式机器人腿部结构及仿生水下足式机器人，包括胫骨、股骨、关节和足部结构，胫骨、股骨通过关节相连，其特征在于，所述的足部结构与胫骨端部相连，足部结构包括连接块、胫骨连接件、薄膜压电式传感器、直杆、曲柄连杆机构、压簧及圆盘；胫骨连接件与胫骨末端固定，连接块与胫骨连接件固定连接，薄膜压电式传感器被密封在胫骨连接件与胫骨连接件之间，连接块与圆盘通过曲柄连杆机构连接，压簧置于圆盘与连接块之间，直杆穿过圆盘、压簧，直杆的顶部位于连接块端面卡槽内，在压簧的压力下，直杆的顶部可与薄膜压电式传感器接触。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及仿生水下机器人领域，并且特别地涉及一种水下机器人用的腿部结构及仿生水下足式机器人。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

近年来，机器人被应用于数个领域，机器人也可以用来研究自然，也是收集那些难以获得的科学数据的珍贵工具。其中水下机器人在海洋探索领域变得越来越受欢迎，其设计要求为有能力承受恶劣的环境、到达偏远的地方、并且可以由人自主的操作。

目前现存的大多数水下机器人的腿部结构存在以下问题：

1.大多数水下机器人的腿部结构是一体化结构，且多为平底结构，此结构虽能减小压强使机器人不易陷入泥沙中，但在淤泥环境的河底，易出现淤泥吸附于足部而导致机器人不易离开河底的情况；

2.腿部关节是由舵机直接控制，此结构虽结构简单使机器人易于控制，但在水流流速和流向及其不稳定的海底，易出现腿部关节受复杂水流影响而导致机器人关节难以旋转和移动的情况。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种水下仿生机器人使用的腿部结构，本发明的目的是提供一种仿生水下机器人使用的腿部结构，该腿部结构能使仿生水下机器人在海底保持良好的工作空间、移动性和动态稳定性，使其在海底环境进行自由的行进与跳跃。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种水下仿生机器人使用的腿部结构，包括胫骨、股骨、关节和足部结构，胫骨、股骨通过关节相连，所述的足部结构与胫骨端部相连，足部结构包括连接块、胫骨连接件、薄膜压电式传感器、直杆、曲柄连杆机构、压簧及圆盘；胫骨连接件与胫骨末端固定，连接块与胫骨连接件固定连接，薄压式电式传感器被密封在胫骨连接件与胫骨连接件之间，连接块与圆盘通过曲柄连杆机构连接，压簧置于圆盘与连接块之间，直杆的顶部位于连接块端面卡槽内，在压簧的压力下，直杆的顶部可与薄膜压电式传感器接触。

作为进一步的技术方案，所述的关节包括第三伺服电机和串联弹性驱动器；串联弹性驱动器包括外壳、第一挡块、第二挡块、弹簧、圆环导轨、轴承；外壳为一个空心圆盘，在圆盘的中心设有一个轴；第一挡块位于外壳内，且第一挡块的中心通过轴承套装在所述轴上，在第一挡块的外圈设有多个扫臂；多个第二挡块沿外壳的环形方向固定外壳内壁上，且多个第二挡块间隔分布在相邻的扫臂之间；圆环导轨位于外壳内且穿过所有的扫臂和第二挡块，在相邻的扫臂和第二挡块之间的圆环导轨段上套装有弹簧；第三伺服电机与外壳的轴相连。

第二方面，本发明还公开了一种水下仿生机器人，其包括前面所述的腿部结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、现有水下机器人的足部机构大多是一体化机构，本发明选择将足部结构分为两部分，由连接块、胫骨连接件装夹一个薄膜压电式传感器，直杆通过压簧、曲柄连杆结构与下压盖相连。

2、本发明在水下工作时，首先是触底机构接触到海床，海床将会对触底机构产生一个向上的力，在曲柄连杆机构的约束下触底机构会有一个向上的微小位移，从而压在薄膜压电式传感器上，薄膜压电式传感器再将电信号传到主体部分，主体部分进行调整，同时压簧受压后产生弹力使触底机构回到原位置。

3、本发明的触底机构摒弃了以往水下机器人常用的尖端结构，而采用球形结构，相比于尖端结构，球形结构受力更均匀，受力面积也较大，受到的压强较小，而不易陷入泥沙中；相比于长方体结构，虽然受压较大但陷入泥沙中更易拔出，不会出现机器人陷入泥沙的情况。

4、目前现有的串联弹性驱动器结构多为直弹簧，或整个环形弹簧，本发明采用分段式环形弹簧，并设计挡块阻止弹簧的轴向运动。

5、目前现有的串联弹性驱动器结构无弹簧导轨限制弹簧运动，本发明考虑到环形弹簧相对于直弹簧在法向方向上更易出现滑动，加设弹簧导轨限制弹簧在法向上的运动。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1示出了腿部的透视图；

图2示出了图1中密封罐1的爆炸透视图；

图3示出了图1中足部3的爆炸透视图；

图4为关节的爆炸透视图；

图5为串联弹性驱动器的结构透视图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。其中，1-水下机器人腿部，12-防水铝罐端盖,11-防水铝罐外壳,2关节，21-密封内圈，23-密封外圈,22-弹性驱动器；221-外壳，222-挡块，223-挡块，224-弹簧，225-圆环导轨，226A-挡块A、226B-挡块B、227-滚针轴承，228-端盖，229-关节挡圈；1A-伺服电机、1B-伺服电机、1C-伺服电机，3-足部，31-胫骨连接件，32-薄膜压电式传感器，33-连接块，34A-防水挡圈，34B-防水挡圈,35-曲柄连杆机构，36A-半圆盘，36B-半圆盘,37-弹簧，38-足部直杆，39-球形结构，4-钣金连接件，5-胫骨，6-股骨。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种仿生水下足式机器人腿部结构及仿生水下足式机器人。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，水下仿生机器人腿部包括伺服电机1A、伺服电机1B、伺服电机1C、关节2、足部3，连接部分4、胫骨5、股骨6；

伺服电机1C固定在所述的主体框架的侧面，驱动一个连接件转动，在所述的连接件与伺服电机1B相连，所述的伺服电机1B驱动股骨转动，股骨通过关节2与胫骨相连，所述的伺服电机21A驱动关节2。三个伺服电机1A、伺服电机1B、伺服电机1C为腿部关节电机构成腿部三个自由度。

如图2，上述的三个伺服电机被封装在防水铝罐中，防水铝罐端盖12与防水铝罐外壳11通过螺纹密封连接。

如图4、图5所示为关节和弹簧驱动器的示意图，关节2包括驱动器22和内密封圈21和外密封圈23；

其中驱动器22包括外壳221、挡块222、挡块223、弹簧224、圆环导轨225、挡块226A、挡块226B、滚针轴承227；

外壳221为一个中空的盒体，在盒体的中心设有一个轴，挡块222的中心设有一个孔，该孔与盒体的轴通过滚针轴承227配合。挡块222与内密封圈21之间通过螺栓连接，外壳221与外密封圈22连接；挡块222与股骨6相对静止，胫骨5摆动时会与挡块222产生相对运动。电机轴端与外壳221中心的轴连接，电机封装在铝罐211中，铝罐同样通过连接件与股骨连接，从而电机转动时带动外壳221相对挡块223转动。6个弧形弹簧224，每个弧形弹簧224的两端分别与挡块226A或挡块226B或挡块223与挡块222的扫臂固连，从而当电机带动外壳转动时，挡块226A、挡块226B和挡块223也随着一起转动，因此挡块226A、挡块226B和挡块223一侧压缩对应的弹簧，另一侧拉伸对应的弹簧，使弹簧储能。

上述的挡块222包括一个圆盘，在圆盘的外圈设有三个与其一体成型的扫臂，三个扫臂之间呈120°，圆盘的中心为通孔结构，滚针轴承227安装在该通孔内，在三个扫臂上也设有通孔，供环形导轨穿过。

上述的挡块226A、挡块226B、挡块223形状基本相同，在每个挡块上设有一个通孔，三个挡块(挡块226A、挡块226B、挡块223)分别位于挡块222的三个扫臂之间，与扫臂形成间隔分布；且三个挡块(挡块226A、挡块226B、挡块223)通过螺钉与外壳221内圈固定连接，圆环导轨225设置在挡块222与外壳221形成的环状空间内，且圆环导轨225依次穿过挡块226A、挡块226B、挡块223的通孔，与挡块226A、挡块226B、挡块223配合。

进一步的，上述的挡块223上设有螺纹孔，螺纹孔的轴线垂直与其通孔轴线，在圆环导轨225在非组装状态为一个断开式结构，在其两端也设有螺纹孔，在其端部组合在一起后，两个螺纹孔轴线在一条直线上，同时与挡块223上的螺纹孔轴线同轴，然后通过螺栓或者螺钉将圆环导轨225固定在挡块223上。

如图3所示为机器人足部爆炸图，具体展示出半圆盘36A与半圆盘36B通过螺纹连接共同组成圆盘。胫骨连接块31顶部为中空，其空间为走线空间，避免连接线从机器人体外穿过。

连接块33与胫骨连接件31之间夹有薄膜压电式传感器32，连接块33通过两个曲柄连杆机构35与上述的圆盘连接，圆盘与连接块33之间装有弹簧37，足部直杆顶部38穿过圆盘、弹簧37以及连接块33内部可与薄膜压电式传感器32接触；

足部直杆38的中间部分设有第二环状凸起部，圆盘固定在环状凸起部；足部直杆38的顶端设有第一环状凸起，第一环状凸起卡在连接块33端面的卡槽内，在外力作用下，可挤压薄压式电式传感器，所述的第二环状凸起用于安装所述的圆盘。

连接块33为一个圆盘状结构，在其中心设有一个通孔，在其一个端面设有卡槽，第一环状凸起卡在连接块33该端面的卡槽内；在其另外一个端面设有连接耳和连接孔，在半圆盘36A与半圆盘36B上也设有连接耳，连接块33上的连接耳与曲柄连杆机构35的一端相连，半圆盘36A与半圆盘36B上的连接耳与曲柄连杆机构35的另一端相连；还包括两个半环形的防水挡圈，两个半环形的防水挡圈固定在连接块底部，连接孔用于连接两个半环形的防水挡圈34A和防水挡圈34B，防水挡圈34A和防水挡圈34B与足部直杆38的杆部位置配合；压簧的一端压在防水挡圈34A和防水挡圈34B上，另一端压在圆盘上。

上述的曲柄连杆机构35包括两个，连接块33通过一个曲柄连杆机构35与半圆盘36A相连，连接块33通过另一个曲柄连杆机构35与半圆盘36B相连。

当足部直杆38与水底接触时会压缩弹簧37，同时足部直杆38顶端对压电薄膜传感器32施加压力，传感器反馈压力信号，经过控制系统控制机器人完成弹跳动作。

足部直杆38的触底结构采用了球形结构39，相比于尖端结构，球形结构39受力更均匀，受力面积也较大，受到的压强较小，而不易陷入泥沙中；相比于长方体结构，虽然受压较大但陷入泥沙中更易拔出，不会出现机器人陷入泥沙的情况。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。