專利名稱：一種機(jī)器海豚可調(diào)擺幅的正弦推進(jìn)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器海豚的正弦推進(jìn)機(jī)構(gòu)，特別是關(guān)于一種機(jī)器海豚可調(diào)擺幅的正弦推進(jìn)機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
機(jī)器海豚作為一種模仿海豚運(yùn)動(dòng)的仿生機(jī)器系統(tǒng)，是機(jī)器人學(xué)與仿生學(xué)高度發(fā)展的產(chǎn)物，是各種高新技術(shù)相互融合的結(jié)晶。與傳統(tǒng)的基于螺旋槳推進(jìn)的水下潛器相比，機(jī)器海豚具有高效率、高機(jī)動(dòng)性、低噪聲和易隱蔽等優(yōu)點(diǎn)，從而更加適合在狹窄、復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的水下環(huán)境中進(jìn)行監(jiān)測(cè)、搜索、救援等。
北京大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系在國(guó)內(nèi)外首先研制開發(fā)出了仿生機(jī)器海豚，它采用多關(guān)節(jié)串聯(lián)的尾部上下擺動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)背腹式運(yùn)動(dòng)，用左右擺動(dòng)的轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。作為機(jī)器海豚主要推進(jìn)力的來(lái)源，尾部上下擺動(dòng)機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)海豚游動(dòng)的高效率、高游速上起至關(guān)重要的作用。在多關(guān)節(jié)串連的機(jī)構(gòu)中，每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)采用一個(gè)直流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)。為了產(chǎn)生有效的推進(jìn)力，需要將各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)起來(lái)。在實(shí)現(xiàn)機(jī)器海豚尾部的上下往復(fù)擺動(dòng)中，各個(gè)關(guān)節(jié)的電機(jī)處于頻繁的制動(dòng)一反向一啟動(dòng)的過(guò)程中，電機(jī)的效率較低且要求較為精確的位置伺服控制技術(shù)。為了提高海豚的游動(dòng)速度，需要增加機(jī)器海豚尾部的擺動(dòng)頻率，這不僅需要電機(jī)的轉(zhuǎn)速高，而且對(duì)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性提出了更高的要求，即電機(jī)的啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)間要短。這種機(jī)構(gòu)在機(jī)器海豚的初級(jí)階段可以很好地模擬海豚的運(yùn)動(dòng)，但隨著對(duì)機(jī)器海豚性能要求的提高，這種機(jī)構(gòu)將不能滿足要求。
在常用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，正弦機(jī)構(gòu)是一種可以將電動(dòng)機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為往復(fù)移動(dòng)的機(jī)構(gòu)，這為仿生機(jī)器人領(lǐng)域中模擬生物的往復(fù)節(jié)律運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種思路。特別地，當(dāng)原動(dòng)曲柄的轉(zhuǎn)速為定值時(shí)，所產(chǎn)生的從動(dòng)件往復(fù)移動(dòng)的位移為時(shí)間的正弦函數(shù)；若采用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將往復(fù)移動(dòng)轉(zhuǎn)化為往復(fù)擺動(dòng)，所輸出的擺動(dòng)的角位移也會(huì)是時(shí)間的正弦函數(shù)，這非常符合海豚尾部擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。然而，由于正弦機(jī)構(gòu)輸出移動(dòng)的擺幅和移動(dòng)導(dǎo)桿末端的軌跡是固定的，難以實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用正弦機(jī)構(gòu)很難模擬海豚較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。因此，為了進(jìn)一步提高機(jī)器海豚的游動(dòng)性能，制造真正可實(shí)際應(yīng)用的高性能仿生水下航行器，需要設(shè)計(jì)一種集高效率與高靈活性于一體的推進(jìn)機(jī)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種更加高效靈活的機(jī)器海豚可調(diào)擺幅的正弦推進(jìn)機(jī)構(gòu)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種機(jī)器海豚可調(diào)擺幅的正弦推進(jìn)機(jī)構(gòu)，其特征在于它包括一機(jī)架，所述機(jī)架上分別通過(guò)一主電機(jī)和一調(diào)幅電機(jī)連接一主軸和一絲杠，所述主軸上滑動(dòng)地設(shè)置一具有環(huán)形槽的滑套，所述主軸的輸出端連接一轉(zhuǎn)換盒，所述絲杠上螺接一撥叉，所述撥叉的兩伸出端插設(shè)在所述滑套的環(huán)形槽內(nèi)；所述轉(zhuǎn)換盒內(nèi)設(shè)置有一齒輪，所述轉(zhuǎn)換盒外分別設(shè)置一平行于軸向的U形齒條和一垂直于軸向的折彎齒條，所述U形齒條的輸入端與所述滑套的端面連接，所述U形齒條的兩輸出端分別與所述齒輪嚙合，所述折彎齒條的輸入端與所述齒輪嚙合，且輸出端的折彎上設(shè)置有一短軸，所述短軸插設(shè)在一垂向?qū)к墐?nèi)，所述垂向?qū)к壍谋巢窟B接一水平齒條，所述水平齒條的另一端插設(shè)在一固定在所述機(jī)架上的水平滑道內(nèi)，一中部樞接在機(jī)架上的搖臂，所述搖臂的一端為一與所述水平齒條嚙合的不完全齒輪，所述搖臂的另一端用于連接機(jī)器海豚的尾部機(jī)構(gòu)。
所述主電機(jī)和調(diào)幅電機(jī)上分別設(shè)置有控制轉(zhuǎn)角用編碼器，與其對(duì)應(yīng)，在所述主軸和絲杠上分別設(shè)置一用于識(shí)別其零點(diǎn)位置的光電開關(guān)。
采用美國(guó)德州儀器半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320LF2407A為主控芯片，搭建典型應(yīng)用電路，用作所述主電機(jī)和調(diào)幅電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡。
本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明采用了可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的直流無(wú)刷伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，通過(guò)改進(jìn)的正弦機(jī)構(gòu)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為類似海豚尾部擺動(dòng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，避免了電機(jī)的反復(fù)啟動(dòng)、制動(dòng)，提高了系統(tǒng)的效率，這對(duì)于采用機(jī)載電池作為能源的機(jī)器海豚來(lái)說(shuō)，有效地提高了續(xù)航能力，同時(shí)降低了對(duì)伺服控制系統(tǒng)的定位精度的要求，簡(jiǎn)化了控制裝置的復(fù)雜程度。2、本發(fā)明配置了調(diào)幅機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)幅用直流無(wú)刷伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，可方便地調(diào)節(jié)正弦機(jī)構(gòu)短軸的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，從而可調(diào)節(jié)搖臂輸出往復(fù)擺動(dòng)的幅度，根據(jù)調(diào)幅用直流無(wú)刷伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移的大小，可實(shí)現(xiàn)擺幅的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，而且擺幅調(diào)節(jié)可在正弦機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行，調(diào)節(jié)過(guò)程平滑流暢，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器海豚尾部不同幅度的往復(fù)擺動(dòng)，更加真實(shí)地模擬海豚的不同運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于機(jī)器海豚的高效率高靈活性的推進(jìn)裝置，為建造可實(shí)用的機(jī)器海豚奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。


圖1是本發(fā)明立體結(jié)構(gòu)示意2是圖1的俯視示意3是本發(fā)明轉(zhuǎn)換盒內(nèi)的齒輪設(shè)置與連接示意4是本發(fā)明轉(zhuǎn)換盒安裝了壓蓋的結(jié)構(gòu)示意5是本發(fā)明搖臂與各結(jié)構(gòu)連接示意圖具體實(shí)施方式
下面配合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明。
如圖1、圖2所示，本發(fā)明包括一機(jī)架1，在機(jī)架1上并排安裝一主電機(jī)2和一調(diào)幅電機(jī)3，主電機(jī)2和調(diào)幅電機(jī)3的輸出端分別經(jīng)一減速器4連接一聯(lián)軸器5，兩聯(lián)軸器5的輸出端分別連接一主軸6和一絲杠7。主軸6上滑動(dòng)設(shè)置一具有環(huán)形槽的滑套8，主軸的輸出端固定連接一轉(zhuǎn)換盒9；絲杠7上套設(shè)一通過(guò)螺紋與其連接的撥叉10，撥叉10的兩伸出端插設(shè)在主軸6上滑套8的環(huán)形槽內(nèi)，但并不影響滑套8的轉(zhuǎn)動(dòng)。在主電機(jī)2和調(diào)幅電機(jī)3上分別設(shè)置一編碼器11。
如圖2、圖3所示，轉(zhuǎn)換盒9內(nèi)通過(guò)齒輪軸架設(shè)有一齒輪12，在轉(zhuǎn)換盒9與主軸6平行的方向設(shè)置有U形齒條13，U形齒條13連成一體的一端固定連接在滑套8的端面，使U形齒條13可以隨滑套8一起沿軸向滑動(dòng)，并通過(guò)U形齒條13的兩輸出端帶動(dòng)齒輪12轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)換盒9與主軸垂直的方向設(shè)置有一折彎齒條14，折彎齒條14的輸入端與齒輪12嚙合，折彎齒條14的輸出端的折彎上設(shè)置有一短軸15，折彎齒條14在齒輪12的嚙合驅(qū)動(dòng)下，可以改變折彎上的短軸15與主軸6軸線之間的距離，即改變短軸15相對(duì)于主軸6轉(zhuǎn)動(dòng)的曲柄半徑。在折彎齒條14上設(shè)置一壓蓋16，以保證折彎齒條14與齒輪12的嚙合傳動(dòng)(如圖4所示)。
如圖1、圖5所示，折彎齒條14上的短軸15插設(shè)在一懸空設(shè)置的垂向?qū)к?7內(nèi)，垂向?qū)к?7的中部背面固定連接在一水平齒條18的一端，水平齒條18的另一端插設(shè)在一水平滑道19內(nèi)，水平滑道19固定在機(jī)架1上。一搖臂20，其中部樞接在機(jī)架1上，搖臂20的一端為一與水平齒條18嚙合的不完全齒輪21，搖臂20的另一端連接機(jī)器海豚的尾部機(jī)構(gòu)(圖中未示出)。
上述實(shí)施例中，主電機(jī)2和調(diào)幅電機(jī)3均可以采用無(wú)刷直流伺服電機(jī)，并采用1024線增量式光電碼盤作為編碼器11。由于主電機(jī)2和調(diào)幅電機(jī)3各自都通過(guò)一個(gè)減速器4連接主軸6和絲杠7，因此主軸6和絲杠7的轉(zhuǎn)動(dòng)位置不易控制，因此在主軸6和絲杠7上分別設(shè)置一個(gè)光電開關(guān)(圖中未示出)，光電開關(guān)可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的各種結(jié)構(gòu)和安裝方式，其目的是反饋主軸6和絲杠7轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的零點(diǎn)位置，以供編碼器11了解主軸6和絲杠7的轉(zhuǎn)動(dòng)信息。為了獲得要求的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，主電機(jī)2和調(diào)幅電機(jī)3輸出端的減速器4，可以采用行星齒輪減速器或其它已有技術(shù)結(jié)構(gòu)的減速器。本發(fā)明主電機(jī)2和調(diào)幅電機(jī)3的伺服控制系統(tǒng)可以采用市場(chǎng)上購(gòu)買的多軸控制卡，也可以根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)，比如采用美國(guó)德州儀器半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片TMS320LF2407A為主控芯片，搭建典型應(yīng)用電路，用作主電機(jī)2和調(diào)幅電機(jī)3的運(yùn)動(dòng)控制卡。
如圖1～5所示，本發(fā)明操作時(shí)，主電機(jī)2的輸出端帶動(dòng)減速器4，減速器4通過(guò)聯(lián)軸器5帶動(dòng)主軸6轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸6帶動(dòng)轉(zhuǎn)換盒9轉(zhuǎn)動(dòng)，折彎齒條14上的短軸15圍繞主軸6軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，將運(yùn)動(dòng)分解為沿垂向?qū)к?7的上下運(yùn)動(dòng)，以及垂向?qū)к?7帶動(dòng)水平齒條18在水平導(dǎo)軌19中的水平運(yùn)動(dòng)兩部分，水平導(dǎo)軌19的水平運(yùn)動(dòng)又可以帶動(dòng)搖臂20在圓弧方向作往復(fù)擺動(dòng)。當(dāng)需要對(duì)往復(fù)擺動(dòng)的幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，啟動(dòng)調(diào)幅電機(jī)3，調(diào)幅電機(jī)3通過(guò)減速器4、聯(lián)軸器5帶動(dòng)絲杠7轉(zhuǎn)動(dòng)，插設(shè)在滑套8上的撥叉10在絲杠7螺紋的作用下，沿絲杠7軸向移動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)滑套8沿主軸6方向向前(或向后)移動(dòng)，固定在滑套8端面的U形齒條13隨滑套8一起向前(或向后)移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)轉(zhuǎn)換盒9內(nèi)的與U形齒條13嚙合的齒輪12旋轉(zhuǎn)，齒輪12的轉(zhuǎn)動(dòng)又帶動(dòng)與其嚙合的折彎齒條14向具有短軸15的一端(或相反的一端)移動(dòng)，從而加大(或減小)短軸15的沿主軸6軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑，增大(或減小)垂向?qū)к?7帶動(dòng)水平齒條18在水平導(dǎo)軌19中移動(dòng)的幅度，進(jìn)而增大(或減小)水平齒條19帶動(dòng)搖臂20的擺動(dòng)幅度。本發(fā)明擺動(dòng)幅度的調(diào)節(jié)可在正弦機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行，調(diào)節(jié)過(guò)程平滑流暢，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器海豚尾部不同幅度的往復(fù)擺動(dòng)，更加真實(shí)地模擬海豚的運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明不應(yīng)受上述各實(shí)施例的限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案不用創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以得出部件的更換和改進(jìn)，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)器海豚可調(diào)擺幅的正弦推進(jìn)機(jī)構(gòu)，其特征在于它包括一機(jī)架，所述機(jī)架上分別通過(guò)一主電機(jī)和一調(diào)幅電機(jī)連接一主軸和一絲杠，所述主軸上滑動(dòng)地設(shè)置一具有環(huán)形槽的滑套，所述主軸的輸出端連接一轉(zhuǎn)換盒，所述絲杠上螺接一撥叉，所述撥叉的兩伸出端插設(shè)在所述滑套的環(huán)形槽內(nèi)；所述轉(zhuǎn)換盒內(nèi)設(shè)置有一齒輪，所述轉(zhuǎn)換盒外分別設(shè)置一平行于軸向的U形齒條和一垂直于軸向的折彎齒條，所述U形齒條的輸入端與所述滑套的端面連接，所述U形齒條的兩輸出端分別與所述齒輪嚙合，所述折彎齒條的輸入端與所述齒輪嚙合，且輸出端的折彎上設(shè)置有一短軸，所述短軸插設(shè)在一垂向?qū)к墐?nèi)，所述垂向?qū)к壍谋巢窟B接一水平齒條，所述水平齒條的另一端插設(shè)在一固定在所述機(jī)架上的水平滑道內(nèi)，一中部樞接在機(jī)架上的搖臂，所述搖臂的一端為一與所述水平齒條嚙合的不完全齒輪，所述搖臂的另一端用于連接機(jī)器海豚的尾部機(jī)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種機(jī)器海豚可調(diào)擺幅的正弦推進(jìn)機(jī)構(gòu)，其特征在于所述主電機(jī)和調(diào)幅電機(jī)上分別設(shè)置有控制轉(zhuǎn)角用編碼器，與其對(duì)應(yīng)，在所述主軸和絲杠上分別設(shè)置一用于識(shí)別其零點(diǎn)位置的光電開關(guān)。
3.如權(quán)利要求1或所述一種機(jī)器海豚可調(diào)擺幅的正弦推進(jìn)機(jī)構(gòu)，其特征在于采用美國(guó)德州儀器半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320LF2407A為主控芯片，搭建典型應(yīng)用電路，用作所述主電機(jī)和調(diào)幅電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種機(jī)器海豚可調(diào)擺幅的正弦推進(jìn)機(jī)構(gòu)，其特征在于它包括一機(jī)架，機(jī)架上通過(guò)主電機(jī)和調(diào)幅電機(jī)連接一主軸和一絲杠，一具有環(huán)形槽的滑套設(shè)置在主軸上，主軸輸出端連接一轉(zhuǎn)換盒，一撥叉螺接在絲杠，撥叉的兩伸出端插設(shè)在滑套的環(huán)形槽內(nèi)；轉(zhuǎn)換盒內(nèi)設(shè)置有一齒輪，轉(zhuǎn)換盒外分別設(shè)置水平的U形齒條和垂直的折彎齒條，U形齒條輸入端與滑套端面連接，兩輸出端與齒輪嚙合，折彎齒條的輸入端與齒輪嚙合，設(shè)置折彎在上的短軸插設(shè)在垂向?qū)к墐?nèi)，垂向?qū)к壍谋巢窟B接水平齒條，水平齒條的另一端插設(shè)在水平滑道內(nèi)，一搖臂的一端為與水平齒條嚙合的不完全齒輪，搖臂的另一端用于連接機(jī)器海豚的尾部機(jī)構(gòu)。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)機(jī)器海豚尾部不同幅度的往復(fù)擺動(dòng)，更加真實(shí)地模擬海豚的不同運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)B63H1/00GK1915742SQ20061011279
公開日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2006年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月1日
發(fā)明者喻俊志, 王龍, 霍繼延, 胡永輝, 范瑞峰 申請(qǐng)人:北京大學(xué)