一种仿生黑斑蛙游泳机器人
阅读说明：本技术 一种仿生黑斑蛙游泳机器人 (Bionic rana nigromaculata swimming robot ) 是由 张自强 张勇 赵京 于 2021-08-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种仿生黑斑蛙游泳机器人,包含腿部执行机构、驱动和控制机构。执行机构采用单自由度瓦特型六杆机构,此仿生机器人外形结构(腿的粗细,关节的位置)与黑斑蛙腿部结构高度相似,各关节(膝关节、踝关节、末端点)运动曲线与黑斑蛙游泳过程高度相似。通过驱动电机的回转运动转化为驱动齿条的移动副的往返移动,然后驱动腿部执行机构,可做连续运动,从而实现高速运动。通过转向电机带动转向浆实现转向,让游泳机器人更加灵活。此机器人驱动少,控制简单方便,可实现机器人微型化。其结构简单、制作方便、成本低、仿生效果好,可用于水文监测,海洋探索,水下侦察等多种任务。(The invention discloses a bionic rana nigromaculata swimming robot, which comprises a leg execution mechanism and a driving and controlling mechanism. The execution mechanism adopts a single-degree-of-freedom watt-shaped six-rod mechanism, the shape structure (leg thickness and joint position) of the bionic robot is similar to the leg structure of the rana nigromaculata, and the motion curve of each joint (knee joint, ankle joint and tail end point) is similar to the swimming process of the rana nigromaculata. The rotary motion of the driving motor is converted into the reciprocating motion of the moving pair driving the rack, and then the leg actuating mechanism is driven to do continuous motion, so that high-speed motion is realized. The steering motor drives the steering paddle to realize steering, so that the swimming robot is more flexible. The robot has less driving, simple and convenient control and can realize the miniaturization of the robot. The bionic space-saving device has the advantages of simple structure, convenience in manufacturing, low cost and good bionic effect, and can be used for various tasks such as hydrological monitoring, ocean exploration and underwater reconnaissance.)
技术领域
本发明属于游泳机器人领域，是一种仿生黑斑蛙游泳机器人，具体来说，一种模仿黑斑蛙在水中游泳的机器人，严格模仿黑斑蛙的外形，膝关节、踝关节、末端点的运动曲线，严格模仿黑斑蛙的运动过程，并采用电机的回转运动转化为齿条的移动从而驱动腿的运动，来实现腿的连续运动，从而让机器人实现快速移动。并采用转向机构让机器人更加灵活。
背景技术
游泳机器人可以代替人在水下完成各种复杂任务，他可以在水下进行水下侦察，水文观测，对水温、水深和水质进行测量，对探索海洋，河地观察具有重要意义。并且采用仿生结构尽可能减少机器人对环境的破坏。因此需要一种控制简单，成本低，重量轻，仿生效果好的游泳机器人。
对于现有的仿生游泳机器人的设计，公布号CN104192288B的发明专利《一种基千气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人》采用三个气动肌肉来进行驱动，实现了高灵活性控制，但是控制难度大，难以机器人微型化。
针对上述设计中存在的问题，我们设计出一种仿生黑斑蛙游泳机器人，在保证结构简单，控制方便，体积小的前提下，可实现高速移动，可完成各种水下任务的水下游泳机器人，并且此机器人高度模仿黑斑蛙游泳时的姿态和各关节运动曲线，实现高度仿生。
发明内容
本发明的目的是提供一种仿生黑斑蛙游泳机器人，包括腿部执行机构(1)和驱动和控制机构(2)。
腿部执行机构(1)，包含：齿轮驱动连杆(1-1)、腿部基座(1-2)、大腿连杆(1-3)、小腿连杆1(1-4)、小腿连杆2(1-5)、足部连杆(1-6)；各个构件和设备的连接关系为：两边的腿部基座(1-2)固定连接在下支撑板(2-2)；齿轮驱动连杆(1-1)靠近躯干部分的铰链点通过轴连接在腿部基座(1-2)与上支撑板(2-3)之间，形成旋转副，远离躯干的两个铰链点通过轴分别连接在小腿连杆1(1-4)、小腿连杆2(1-5)上，形成两个旋转副，延伸出来的齿轮与驱动齿条(2-1)配合，通过驱动齿条(2-1)获得驱动力；大腿连杆(1-3)靠近躯干的铰链点通过轴连接在腿部基座(1-2)上，远离躯干的铰链点通过轴连接在小腿连杆2(1-5)上；小腿连杆2(1-5)通过轴分别与足部连杆(1-6)、齿轮驱动连杆(1-1)和大腿连杆(1-3)连接；小腿连杆1(1-4)通过轴分别与齿轮驱动连杆(1-1)、足部连杆(1-6)连接；
驱动和控制机构(2)，包含：驱动齿条(2-1)、下支撑板(2-2)、上支撑板(2-3)、驱动电机(2-4)、驱动电机支架(2-5)、减速器(2-6)、驱动法兰盘(2-7)、支撑柱(2-8)、光学传感器支架(2-9)、光学传感器(2-10)、控制系统部分(2-11)、法兰盘上驱动杆(2-12)、外壳(2-13)、转向电机支架(2-14)、转向电机(2-15)、联轴器(2-16)、转向浆支架(2-17)、转向浆(2-18)；各个构件的连接关系为：下支撑板(2-2)与上支撑板(2-3)通过支撑柱(2-8)连接形成机器人躯干骨架；驱动齿条(2-1)在下支撑板(2-2)与上支撑板(2-3)之间，并通过导向轨和导向槽与下支撑板(2-2)与上支撑板(2-3)配合形成移动副；驱动电机支架(2-5)通过螺栓固定连接在上支撑板(2-3)上；减速器(2-6)通过螺栓固定连接在驱动电机支架(2-5)上，并且与驱动电机(2-4)通过轴进行配合，获取电机的扭矩；驱动电机(2-4)固定连接在减速器(2-6)上，为减速器提供扭矩；控制系统部分(2-11)连接在上支撑板(2-3)上，可处理外部信息并对机器人进行控制；光学传感器支架(2-9)连接在上支撑板(2-3)上；光学传感器(2-10)固定连接在光学传感器支架(2-9)上，用于获取外部数据反馈给控制器；驱动法兰盘(2-7)连接在减速器(2-6)的输出轴上，来获取减速器(2-6)的扭矩；法兰盘上驱动杆(2-12)固定连接在驱动法兰盘(2-7)上，并与驱动齿条(2-1)配合带动驱动齿条(2-1)移动；转向电机支架(2-14)和转向浆支架(2-17)通过螺栓连接到下支撑板(2-2)；转向电机(2-15)通过螺栓固定连接在转向电机支架(2-14)；转向浆(2-18)通过联轴器(2-16)连接在转向电机(2-15)上，并通过转向浆支架(2-17)来支撑；
驱动齿条(2-1)包括齿条主体(2-1-1)、驱动凹槽(2-1-2)、导向凸台(2-1-3)；驱动凹槽(2-1-2)固定连接在齿条主体(2-1-1)上用于获取法兰盘上驱动杆(2-12)提供的动力；导向凸台(2-1-3)固定连接在齿条主体(2-1-1)上与下支撑板(2-2)和上支撑板(2-3)配合起导向作用；
本发明的一种仿生黑斑蛙游泳机器人，在运动过程中如图10，游泳机器人的膝关节运动曲线(3-1)、踝关节运动曲线(3-2)、末端点运动曲线(3-3)与黑斑蛙游泳时各关节的运动曲线高度相似；
本发明的优点在于：
1.本发明提出了一种仿生黑斑蛙游泳机器人，该机器人外形结构、运动曲线高度与黑斑蛙游泳过程高度相似。
2.本发明的仿生黑斑蛙游泳机器人，该机器人可实现高速运动、控制简单方便，驱动少。
3.本发明的仿生黑斑蛙游泳机器人，该机器人通过驱动电机的回转运动转化为驱动齿条的移动副，然后驱动腿部执行机构，可做高速连续运动。
4.本发明的仿生黑斑蛙游泳机器人，该机器人通过转向电机带动转向浆实现转向，让游泳机器人更加灵活。
本发明的仿生黑斑蛙游泳机器人，结构较为简单，制作简单，仿生效果好，无论外形还是作用都贴近黑斑蛙，成本较低。
附图说明
图1本发明中仿生黑斑蛙游泳机器人整体示意图；
图2本发明中仿生黑斑蛙游泳机器人整体抛视图；
图3本发明中仿生黑斑蛙游泳机器人核心骨架-腿部执行机构展开状态示意图；
图4本发明中仿生黑斑蛙游泳机器人核心骨架-腿部执行机构收缩状态示意图；
图5本发明中仿生黑斑蛙游泳机器人腿部执行机构示意图；
图6和图7本发明中仿生黑斑蛙游泳机器人驱动和控制机构示意图；
图8本发明中仿生黑斑蛙游泳机器人驱动齿条结构示意图；
图9本发明中仿生黑斑蛙游泳机器人电机与驱动齿条配合示意图；
图10本发明中仿生黑斑蛙游泳机器人各关节运动曲线示意图；
图中：
1-腿部执行机构；2-驱动和控制机构；
1-1-齿轮驱动连杆；1-2-腿部基座；1-3-大腿连杆；1-4-小腿连杆1；1-5-小腿连杆2；1-6-足部连杆；
2-1-驱动齿条；2-2-下支撑板；2-3-上支撑板；2-4-驱动电机；2-5-驱动电机支架；2-6-减速器；2-7-驱动法兰盘；2-8-支撑柱；2-9-光学传感器支架；2-10-光学传感器；2-11-控制系统部分；2-12-法兰盘上驱动杆；2-13-外壳；2-14-转向电机支架；2-15-转向电机；2-16-联轴器；2-17-转向浆支架；2-18-转向浆；
2-1-1-齿条主体；2-1-2-驱动凹槽；2-4-3-导向凸台；
3-1-膝关节运动曲线；3-2-踝关节运动曲线；3-3-末端点运动曲线；
具体实施方式
下面结合附图和实施例说明本发明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
参照图1、图2、图3、图4，本发明一种仿生黑斑蛙游泳机器人，包括腿部执行机构(1)、驱动和控制机构(2)；
参照图3、图4、图5，仿生黑斑蛙游泳机器人的腿部执行机构(1)，包含：齿轮驱动连杆(1-1)、腿部基座(1-2)、大腿连杆(1-3)、小腿连杆1(1-4)、小腿连杆2(1-5)、足部连杆(1-6)；其主要通过连杆机构为游泳机器人提供前进推力；
参照图3、图4、图6、图7，仿生黑斑蛙游泳机器人的驱动和控制机构(2)，包含：驱动齿条(2-1)、下支撑板(2-2)、上支撑板(2-3)、驱动电机(2-4)、驱动电机支架(2-5)、减速器(2-6)、驱动法兰盘(2-7)、支撑柱(2-8)、光学传感器支架(2-9)、光学传感器(2-10)、控制系统部分(2-11)、法兰盘上驱动杆(2-12)、外壳(2-13)、转向电机支架(2-14)、转向电机(2-15)、联轴器(2-16)、转向浆支架(2-17)、转向浆(2-18)；主要将驱动电机(2-4)转动转化为齿条的往复移动，从而驱动腿部执行机构(1)。光学传感器(2-10)、控制系统部分(2-11)主要采集外部环境信息，并进行处理并各电机。转向电机(2-15)带动转向浆(2-18)为机器人提供转向力。
参照图8、图9，法兰盘上驱动杆(2-12)与驱动齿条(2-1)上的驱动凹槽(2-1-2)配合形成仿生黑斑蛙游泳机器人的主要传动机构，将电机的回转运动转化为驱动齿条的平移运动，来实现对腿部执行机构(1)的驱动。
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