專利名稱：新型變胞機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用于超小型水下機器人的新型變胞機構。
背景技術：
由于機器人在水下運動時，處于三維空間，在其姿態調整，或遇到不穩定環境，如湍急水流時，很容易失去平衡而影響機器人的水下操作，以往的研究是通過推進器和舵翼來實現機器人的姿態調整和平衡，但其控制系統顯得十分復雜，而且需要人工干預，無法做到實時可調。傳統的機構學理論是基于固定數目的構件和運動副，機構只有固定的自由度。變胞機構是基于機構的自我組合和自我重構，與只有固定數目構件和固定自由度的傳統機構相比，變胞機構具有可變自由度和可變構件數目。變胞機構是近年來學者提出的重要概念， 其定義為，在機構連續運行中，由有效桿件數目或運動副類型和幾何關系變化引起機構的拓撲變化，并導致機構活動度變化；在機構連續運行中，至少有一次活動度變化，并在活動度變化后，機構仍保持運行。變胞機構是一種在不同階段呈現不同自由度和構件數目的新型機構，柔性的變胞機構更具有靈活，可變形的良好性能，因而將變胞機構應用于水下機器人，實現機器人的主動平衡，將具有很好的研究價值和現實意義。
發明內容
本發明的目的是提出一種新型的變胞機構，它能根據功能需求或環境等的變化，在運動中改變構態，利用其進行自我重組和重構，應用到水下機器人上能實現機器人的主動平衡。為實現以上目的，本發明通過以下技術方案實現
一種新型變胞機構，包括上下底盤、絲桿螺母機構、連桿機構、轉動機構、滑塊機構和彈簧，所述上下底盤固定成一體呈盤狀；所述絲桿螺母機構中的一根滾珠絲桿轉動支承在下底盤上，上端與安裝在機器人上的電機相連，電機驅動滾珠絲桿轉動，帶動絲桿螺母上下移動；所述連桿機構由一根第一連桿和一根支桿鉸連構成，第一連桿的上端與絲桿螺母鉸連，支桿的下端與轉動機構中的一根擺動導軸下部固定連接，擺動導軸下端與下底盤鉸連；絲桿螺母的上下移動帶動擺動軸擺動；所述滑塊機構是一根第二連桿上端與擺動軸滑動鉸連，第二連桿的下端與一個右側滑塊鉸連，右側滑塊與一根固定在下底盤上的滑塊導軸滑配；擺動導軸的擺動帶動滑塊在滑塊導軸上滑動；所述擺動導軸上套裝一個彈簧對第二連桿上端滑移限位，上底盤與滑塊導軸插接構成對滑塊在滑塊導軸上移動限位，實現機構運行中的拓撲變化，改變機構活動自由度。所述滾珠絲桿下端通過絲桿支座轉動支承在下底盤上，絲桿螺母上固定連接一個絲桿鉸鏈座，通過該絲桿鉸鏈座與第一連桿鉸連。所述支桿下端通過一塊接板與擺動導軸下部固定連接，擺動導軸的下端通過一個鉸鏈座與下底盤鉸連，擺動導軸滑套一個左側滑塊，左側滑塊與第二連桿鉸連，所述限位彈簧套裝在擺動導軸上，而上下端分別與支承在左側滑塊和接板上。所述滑塊導軸的左端通過一個限位塊固定在下底盤上，右端插入上底盤的盲孔內，滑塊導軸的軸線處在擺動導軸的擺動平面上。所述的左側滑塊和右側滑塊外形和尺寸相同。所述的擺動導軸和滑塊導軸直徑和長度相同。工作時，可控電機驅動滾珠絲桿，絲桿螺母帶動連桿構件向下運動，使轉動構件順時針轉動，當滑塊構件的右側滑塊運動到極限位置時，由于絲桿螺母繼續向下運動，滑塊構件的左側滑塊克服彈簧彈力開始向下運動，此時，機構由兩個自由度到一個自由度，由六個活動桿件到五個活動桿件的瞬間轉變，實現變胞過程，該機構具有可控、可調、輸出柔性性能，又有不同功能階段變化、多拓撲結構變化和多自由度變化的特征，能夠適應不同任務、場合和工作對象。
本發明與現在技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著技術進
I、將變胞機構運用到水下機器人，利用變胞機構的自我組合和自我重構特征，實現水下機器人應對不同外界干擾下的自主平衡。2、和傳統的水下機器人平衡技術相比，該結構采用可構態的機械變胞機構，控制
方法簡單，穩定性更高。3、該新型變胞機構在工作過程中，可實現機構兩自由度與單自由度的轉變，具有多功能階段變化、多拓撲結構變化、多自由度變化的特征，可以適應不同的任務，靈活運用于不同場合和不同的工作對象。
圖I為新型變胞機構的整體結構示意圖。圖2為新型變胞機構的局部示意圖。圖3為轉動構件結構示意圖。圖4為連桿構件示意圖。圖5為滑塊構件示意圖。圖6為新型變胞機構的初始狀態。圖7為新型變胞機構的過渡狀態。圖8為新型變胞機構的最終狀態。
具體實施例方式本發明的優選實施例結合
如下
實施例一
參見圖1-5，本新型變胞機構，包括一種新型變胞機構，包括上下底盤(2、1)、絲桿螺母機構(OI)、連桿機構(02 )、轉動機構(03 )、滑塊機構(04 )和彈簧(13 )，所述上下底盤(2、O固定成一體呈盤狀；所述絲桿螺母機構(01)中的一根滾珠絲桿(4)轉動支承在下底盤
(I)上，上端與安裝在機器人上的電機相連，電機驅動滾珠絲桿(4)轉動，帶動絲桿螺母上下移動；所述連桿機構(02)由一根第一連桿(6)和一根支桿(8)鉸連構成,第一連桿(6)上端與絲桿螺母鉸連，支桿(8)的下端與轉動機構(03)中的一根擺動導軸(11)下部固定連接，擺動導軸(11)下端與下底盤(I)鉸連；絲桿螺母的上下移動帶動擺動軸擺動；所述滑塊機構(04)是一根第二連桿(15)上端與擺動軸(11)滑動鉸連，第二連桿(15)的下端與一個右側滑塊(16)鉸連，右側滑塊(16)與一根固定在下底盤(I)上的滑塊導軸(18)滑配；擺動導軸(11)的擺動帶動滑塊(16)在滑塊導軸(18)上滑動；所述擺動導軸(11)上套裝一個彈簧
(13)對第二連桿(15)上端滑移限位，上底盤(I)與滑塊導軸(18)插接構成對滑塊(16)在滑塊導軸(18)上移動限位，實現機構運行中的拓撲變化，改變機構活動自由度。實施例二
本實例與實施例一基本相同，特別之處是所述滾珠絲桿(4)下端通過絲桿支座(3)轉動支承在下底盤(I)上，絲桿螺母上固定連接一個絲桿鉸鏈座(5)，通過該絲桿鉸鏈座(5)與第一連桿(6)鉸連。所述支桿(8)下端通過一塊接板(9)與擺動導軸(11)下部固定連接，擺動導軸(11)的下端通過一個鉸鏈座(7)與下底盤(I)鉸連，擺動導軸(11)滑套一個左側滑塊(14)，左側滑塊(14)與第二連桿(15)鉸連，所述限位彈簧(13)套裝在擺動導軸(11)上，而上下端分別與支承在左側滑塊(14)和接板(9)上。所述滑塊導軸(18)的左端通過一 個限位塊(17)固定在下底盤(I)上，右端插入上底盤(2)的盲孔內，滑塊導軸(18)的軸線處在擺動導軸(11)的擺動平面上。所述的左側滑塊(14)和右側滑塊(16)外形和尺寸相同。所述的擺動導軸(11)和滑塊導軸(18)直徑和長度相同。實施例三
如圖I，一種應用于超小型水下機器人新型變胞機構，包括上下底盤(2、I)、可控電機、絲桿支座(3 )、滾珠絲桿(4)、連桿構件(02)、滑塊構件(04)、鉸鏈座(7)、彈簧(13)、轉動構件(03)。如圖I-圖5，上底盤(2)固定在下底盤(I)上，絲桿支座(3)固定在下底盤(I)上，滾珠絲桿(4)的螺桿安裝在絲桿支座(3)上，連桿構件(02)的絲桿鉸鏈座(5)固定于滾珠絲桿(4)的螺母上，連桿構件(02)的第一連桿(6)的另一端與轉動構件(03)的支桿(8)鉸鏈連接，鉸鏈座(7)固定在下底盤(I)上，并與轉動構件(03)的轉軸(10)通過銷連接，彈簧
(13)套于轉動構件(03)的擺動導軸(11)上，一端和轉動構件(03)的接板(9)接觸，另一端與滑塊構件(04)的左側滑塊(14)接觸，滑塊構件的左側滑塊(14)安裝在轉動構件的擺動導軸(11)上，右側滑塊(16)安裝在滑塊導軸(18)上，限位塊(17)固定在下底盤(I)上，滑塊導軸(18) —端插入上底盤(2)的盲孔內，另一端固定于限位塊(17)上。如圖3，轉動構件，該構件包括擺動導軸(11)、接板(9)、轉軸(10)、支桿(8)、限位塊(12)。轉軸(10)和擺動導軸(11)螺紋連接，接板(9)通過轉軸(10)和擺動導軸(11)螺紋連接夾緊，支桿(8)和接板(9)通過螺母擰緊，限位塊(12)和導向軸(11)通過螺釘固定。如圖4，連桿構件，該構件包括絲桿鉸鏈座(7)和第一連桿(6)，絲桿鉸鏈座(7)和第一連桿(6 )通過銷連接，構成鉸鏈。如圖5，滑塊構件，該構件包括兩個滑塊(14，16)和第二連桿(15)，兩個滑塊(14，16)和第二連桿(15)兩端分別通過銷連接，構成鉸鏈。本發明一種應用于水下機器人自主平衡的新型變胞機構工作原理如下
如圖6，為初始狀態，此時機構有六個活動桿件，兩個自由度，當絲桿(4)螺母向下運動時，帶動連桿構件向下運動，同時，通過力的傳遞，第一連桿(6)驅動轉動構件順時針轉動，使滑塊構件的右側滑塊(16)向右運動，直到接觸上底盤(2)，運動到極限位置，如圖7，此時是機構的變胞瞬間，為過渡狀態。當絲桿螺母(4)繼續向下運動時，連桿構件的左側滑塊
(14)克服彈簧(13)彈力開始向下運動，直到彈簧(13)被壓縮到極限位置，如圖8，此時為最終狀態，機構有五個活動桿件，I個自由度。在過渡狀態，機構實現由兩個自由度到一個自由度，由六個活動桿件到五個活動桿件的瞬間轉變。如圖8，在最終狀態，當絲桿螺母⑷向上運動時，連桿構件的左側滑塊(14)在彈簧(13)彈力作用下向上運動，同時轉動構件逆時針轉動，直到左側滑塊(14)接觸到限位塊
(12)，到達過渡狀態，如圖7，之后，絲桿螺母(4)繼續向上運動，滑塊構件的右側滑塊(16)開始向左運動，轉動構件繼續逆時針轉動，直到右側滑塊(16)接觸到限位塊(17)，回到初始狀態。在過渡狀態，機構實現由一個自由度到兩個自由度，由五個活動桿件到六個活動桿件的瞬間轉變。·
權利要求
1.一種新型變胞機構，包括上下底盤(2、I)、絲桿螺母機構(01)、連桿機構(02)、轉動機構(03 )、滑塊機構(04)和彈簧(13 )，其特征在于 1)、所述上下底盤(2、1)固定成一體呈盤狀； 2)、所述絲桿螺母機構(01)中的一根滾珠絲桿(4)轉動支承在下底盤(I)上，上端與安裝在機器人上的電機相連，電機驅動滾珠絲桿(4)轉動，帶動絲桿螺母上下移動； 3)、所述連桿機構(02)由一根第一連桿(6)和一根支桿(8)鉸連構成,第一連桿(6) 的上端與絲桿螺母鉸連，支桿(8)的下端與轉動機構(03)中的一根擺動導軸(11)下部固定連接，擺動導軸(11)下端與下底盤(I)鉸連；絲桿螺母的上下移動帶動擺動軸擺動； 4)、所述滑塊機構(04)是一根第二連桿(15)上端與擺動軸(11)滑動鉸連，第二連桿(15)的下端與一個右側滑塊(16)鉸連，右側滑塊(16)與一根固定在下底盤(I)上的滑塊導軸(18)滑配；擺動導軸(11)的擺動帶動滑塊(16)在滑塊導軸(18)上滑動； 5)、所述擺動導軸(11)上套裝一個彈簧(13)對第二連桿(15)上端滑移限位，上底盤(I)與滑塊導軸(18)插接構成對滑塊(16)在滑塊導軸(18)上移動限位，實現機構運行中的拓撲變化，改變機構活動自由度。
2.根據權利要求I所述的新型變胞機構，其特征在于所述滾珠絲桿(4)下端通過絲桿支座(3)轉動支承在下底盤(I)上，絲桿螺母上固定連接一個絲桿鉸鏈座(5)，通過該絲桿鉸鏈座(5)與第一連桿(6)鉸連。
3.根據權利要求I所述的新型變胞機構，其特征在于所述支桿(8)下端通過一塊接板(9)與擺動導軸(11)下部固定連接，擺動導軸(11)的下端通過一個鉸鏈座(7)與下底盤(I)鉸連，擺動導軸(11)滑套一個左側滑塊(14)，左側滑塊(14)與第二連桿(15)鉸連，所述限位彈簧(13)套裝在擺動導軸(11)上，而上下端分別與支承在左側滑塊(14)和接板(9)上。
4.所述滑塊導軸(18)的左端通過一個限位塊(17)固定在下底盤(I)上，右端插入上底盤(2)的盲孔內，滑塊導軸(18)的軸線處在擺動導軸(11)的擺動平面上。
5.根據權利要求3所述的新型變胞機構，其特征在于所述的左側滑塊(14)和右側滑塊(16)外形和尺寸相同。
6.根據權利要求I所述的新型變胞機構，其特征在于所述的擺動導軸(11)和滑塊導軸(18)直徑和長度相同。
全文摘要
本發明涉及一種新型變胞機構。它包括上下底盤、可控電機、絲桿支座、滾珠絲桿、連桿構件、滑塊構件、鉸鏈座、彈簧、轉動構件。所述滾珠絲桿由可控電機驅動，作為主動件，工作時，絲桿螺母通過鉸鏈帶動第一連桿連桿運動，從而驅動滑塊構件的右側滑塊運動，當該右側滑塊到達極限位置時，滑塊構件的左側滑塊克服彈簧彈力向下運動，機構由兩個自由度到一個自由度，由六個活動桿件到五個活動桿件的瞬間轉變，實現變胞過程。該機構具有可控、可調、輸出柔性性能，又有不同功能階段變化、多拓撲結構變化和多自由度變化的特征，能夠適應不同任務、場合和工作對象。
文檔編號B25J9/00GK102873676SQ20121033739
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月13日 優先權日2012年9月13日
發明者翟宇毅, 萬鐳, 洪遠舟, 張宇鋒, 曾德才, 周宇, 劉樹林, 劉吉成, 周曉君 申請人:上海大學