龟鳍驱动装置及仿生海龟

1.本技术涉及仿生水下机器人技术领域，具体而言，涉及一种龟鳍驱动装置及仿生海龟。


背景技术：

2.随着科技的进步，环境污染问题逐渐显现，例如海洋污染等。通过仿造生物制作一种产品，以开展水中任务，例如对水中生物进行探测和寻踪，有助于海洋污染问题的解决。仿生海龟是一种仿生水下机器人，能够辅助人工进行水中作业任务，可以更好的接近其他生物群落，能够达到对水中生物进行探测和寻踪的目的。然而，现有的仿生海龟的行进不够稳定，需要进行改善。


技术实现要素：

3.本技术实施例的目的在于提供一种龟鳍驱动装置及仿生海龟，以解决上述问题。本技术实施例通过以下技术方案来实现上述目的。
4.第一方面，本技术提供一种龟鳍驱动装置，包括安装底座、驱动机构、传动机构和龟鳍连接机构，驱动机构设置于安装底座；传动机构包括转动件、平动件和滑动件，转动件与驱动机构连接，并且能够相对驱动机构绕沿第一方向延伸的轴线转动，滑动件沿第二方向可滑动地设置于安装底座，第一方向与第二方向相区别，平动件可活动地连接于转动件和滑动件之间；龟鳍连接机构可活动地连接于平动件。
5.在一种实施方式中，平动件和滑动件的数量均为两个，每个平动件可活动地连接于转动件和一个滑动件之间，龟鳍连接机构包括连杆和龟鳍连接组件，连杆的相对两端分别与两个平动件连接，龟鳍连接组件连接于连杆。
6.在一种实施方式中，连杆设有限位槽，限位槽沿第二方向延伸，龟鳍连接机构还包括限位柱，限位柱穿设于限位槽并固定于其中一个平动件。
7.在一种实施方式中，龟鳍连接组件包括万向接头和滑杆，滑杆能够与龟鳍连接，滑杆通过万向接头与连杆连接。
8.在一种实施方式中，龟鳍连接组件还包括云台底座和云台连接件，云台底座沿第三方向可转动地设置于安装底座，第一方向、第二方向和第三方向两两垂直，云台连接件穿设于滑杆，并且可转动地连接于云台底座。
9.在一种实施方式中，驱动机构包括驱动电机、蜗杆和蜗轮，驱动电机设置于安装底座，蜗杆设置于驱动电机的输出轴，蜗轮与蜗杆传动配合，并且连接于转动件。
10.第二方面，本技术还提供一种仿生海龟，包括龟鳍以及上述任一龟鳍驱动装置，龟鳍连接于龟鳍连接机构背离平动件的一侧。
11.在一种实施方式中，仿生海龟还包括防水箱、泵体和水仓，防水箱设置于安装底座，水仓设置于安装底座背离驱动机构的一侧，泵体设置于防水箱内，并通过管道与水仓连通。
12.在一种实施方式中，仿生海龟还包括换向装置，换向装置包括换向电机、换向底板和换向杆组件，换向底板连接于防水仓，换向电机设置于换向底板，并且与换向杆组件传动连接。
13.在一种实施方式中，换向杆组件包括第一杆体、第二杆体和第三杆体，第一杆体和第三杆体可转动地连接于换向底板，第一杆体和第三杆体可活动地连接于第二杆体的相对两端，换向装置还包括舵机杆体，舵机杆体连接于换向电机的输出轴，并且连接于第二杆体。
14.相较于现有技术，本技术提供的龟鳍驱动装置和仿生海龟，龟鳍驱动装置包括安装底座、驱动机构、传动机构和龟鳍连接机构，驱动机构设置于安装底座，传动机构包括转动件、平动件和滑动件，转动件与驱动机构连接，并且能够相对驱动机构绕沿第一方向延伸的轴线转动，滑动件沿与第一方向相区别的第二方向可滑动地设置于安装底座，平动件可活动地连接于转动件和滑动件之间，使得转动件、平动件和滑动件配合形成曲柄连杆机构，能够保证龟鳍驱动装置稳定地驱动龟鳍运动，提升了仿生海龟运动的稳定性。
15.本技术的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本技术提供的龟鳍驱动机构的结构示意图。
18.图2是图1所示的龟鳍驱动机构的另一结构示意图。
19.图3是图2在a处的局部放大图。
20.图4是图1所示的龟鳍驱动机构的另一状态图。
21.图5是本技术提供的仿生海龟的结构示意图。
22.图6是图5所示的仿生海龟(不包括龟壳)的结构示意图。
23.图7是图5所示的仿生海龟(不包括龟壳)的另一结构示意图。
24.图8是图5所示的仿生海龟的驱动装置的结构示意图。
具体实施方式
25.为了便于理解本技术实施例，下面将参照相关附图对本技术实施例进行更全面的描述。附图中给出了本技术的较佳实施方式。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本技术的公开内容理解的更加透彻全面。
26.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术实施例中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本技术。
27.本技术的发明人发现，目前市面上大部分的仿生机械均为仿生陆地生物，水面作业仿生机械相关的产品较少，且功能相对单一，而仿形态方面的仿生机械具备的实用性功
能少。另外，市面上具有水中作业的能力的产品存在行进稳定性差、承载力小以及无法实现陆地或沼泽地的移动等问题，难以满足需求。
28.为了改善至少部分上述问题，本技术提供一种龟鳍驱动装置及仿生海龟，龟鳍驱动装置的转动件与驱动机构连接，并且能够相对驱动机构绕沿第一方向延伸的轴线转动，滑动件沿与第一方向相区别的第二方向可滑动地设置于安装底座，平动件可活动地连接于转动件和滑动件之间，能够保证龟鳍驱动装置稳定地驱动龟鳍运动，提升了仿生海龟运动的稳定性。以下结合具体实施方式和说明书附图，对本技术提供的龟鳍驱动装置及仿生海龟进行详细说明。
29.请参阅图1至图4，本技术提供一种龟鳍驱动装置10，包括安装底座11、驱动机构13、传动机构15和龟鳍连接机构17，驱动机构13设置于安装底座11；传动机构15包括转动件152、平动件154和滑动件156，转动件152与驱动机构13连接，并且能够相对驱动机构13绕沿第一方向延伸的轴线转动，滑动件156沿第二方向可滑动地设置于安装底座11，第一方向与第二方向相区别，平动件154可活动地连接于转动件152和滑动件156之间；龟鳍连接机构17可活动地连接于平动件154。
30.在本实施例中，第一方向和第二方向相互垂直。在其他实施方式中，第一方向和第二方向也可以不垂直。为了便于描述，定义第一方向为x方向、第二方向为y方向。在本实施例中，还存在第三方向，第一方向、第二方向和第三方向两两垂直，即，第三方向为z方向。
31.请参阅图1，在本实施例中，安装底座11大致为梨形的板状结构。在一些实施方式中，安装底座11还可以是矩形、圆形或者其他形状的板状结构。在另一些实施方式中，安装底座11还可以是座体结构，满足能够安装驱动机构13和传动机构15的作用即可。安装底座11可以为碳纤维板，既可以满足样式和强度需求，又能最大化减轻整体结构的重量，利于结构的轻量化。
32.驱动机构13设置于安装底座11，驱动机构13用于驱动传动机构15运动，从而带动龟鳍连接机构17运动，进而带动与龟鳍连接机构17相连接的龟鳍20运动，继而拨动水面向前运动或转弯，最终实现仿生海龟的移动。
33.请参阅图2和图3，在本实施例中，驱动机构13包括驱动电机131、蜗杆133和蜗轮135，驱动电机131设置于安装底座11，用于提供驱动力，以驱动蜗杆133转动。驱动电机131为防水无刷直流电机，以防止水流侵入驱动电机131内部，从而使得驱动电机131能够在仿生海龟整体处于水面下时正常使用，便于仿生海龟水下作业。另外，驱动电机131的体积小，且扭矩足以满足控制需求。蜗杆133设置于驱动电机131的输出轴，用于与蜗轮135传动配合，以带动蜗轮135转动，其中，蜗轮135的转动轴线与蜗杆133的转动轴线相互垂直。蜗轮135连接于转动件152，以带动转动件152转动。蜗轮135的材料可以为黄铜，蜗杆133的材料可以为高速钢，同时具备强度高和成本低的特点。
34.驱动机构13还包括电机座137，电机座137固定设置于安装底座11，驱动电机131安装于电机座137。在本实施例中，电机座137可以通过螺钉固定连接于安装底座11，驱动电机131也可以通过螺钉与电机座137固定连接。
35.驱动机构13还包括蜗杆底座139，蜗杆底座139设置于安装底座11，例如，蜗杆底座139可以通过螺钉固定等方式固定于安装底座11。蜗杆底座139大致为镂空的长方体结构，可以用于安装蜗杆133和蜗轮135。例如，蜗杆133可以通过蜗杆轴可转动地安装于蜗杆底座
139，蜗轮135可以通过蜗轮轴可转动地安装于蜗杆底座139，具体地，为了保证转动的顺畅性，蜗杆轴和蜗轮轴均可以通过轴承安装于蜗杆底座139。蜗杆底座139设有第一通孔1391以及第二通孔1393，其中，第一通孔1391可以供蜗杆轴穿过，第二通孔1393可以供蜗轮轴穿过，可以理解，第一通孔1391的轴线与第二通孔1393的轴线相互垂直。在本实施例中，蜗轮135设置于蜗杆133的上方，蜗杆底座139设有凸耳1395，凸耳1395设有供蜗轮轴穿过的第二通孔1393。如此可以保证蜗轮135和蜗杆133的转动空间开阔且不会出现干涉，保证传动的稳定性。
36.请参阅图2至图4，传动机构15包括转动件152、平动件154和滑动件156，转动件152与驱动机构13连接，并且能够相对驱动机构13绕沿第一方向延伸的轴线转动，具体地，蜗轮轴沿第一方向延伸，转动件152与蜗轮轴连接，使得蜗轮135的转动可以带动转动件152转动。滑动件156沿第二方向可滑动地设置于安装底座11，平动件154可活动地连接于转动件152和滑动件156之间，使得转动件152、平动件154和滑动件156配合形成曲柄连杆机构，能够保证龟鳍驱动装置10稳定地驱动龟鳍20运动。在本实施例中，转动件152、平动件154和滑动件156配合形成偏置式曲柄连杆机构，具有急回特性，从而能够模拟海龟“濮水”的动作，进而带动仿生海龟整体向前运动。
37.在本实施例中，滑动件156为滑块。传动机构15还包括导轨158，导轨158设置于安装底座11，并且沿第二方向延伸。滑动件156设有导槽，滑动件156通过导槽与导轨158的配合，使得滑动件156能够沿着导轨158的延伸方向运动。在其他实施方式中，导轨158还可以替换成导槽，相应地，滑块设有与导槽配合的导向凸起，同样可以实现导轨158沿第二方向移动。在本实施例中，滑动件156的数量为两个，两个滑动件156可以沿导轨158相向移动。在其他实施方式中，滑动件156的数量也可以是一个，具体可以根据实际情况设定。
38.平动件154的一端与滑动件156活动连接，另一端与转动件152活动连接，平动件154既能沿第二方向平动，还可以沿第一方向转动移动角度，以同时满足转动件152绕第一方向延伸的轴线转动，以及滑动件156沿第二方向移动。在本实施例中，平动件154大致为长杆状结构。
39.在本实施例中，平动件154的数量为两个，每个平动件154可活动地连接于转动件152和一个滑动件156之间，具体地，两个滑动件156的一端均铰接于转动件152，另一端各与一个滑动件156活动连接。
40.龟鳍连接机构17可活动地连接于平动件154。在本实施例中，由于平动件154和滑动件156的数量均为两个，使得龟鳍连接机构17可以稳定地与传动机构15连接，进一步提升了龟鳍连接机构17运动的稳定性。
41.龟鳍连接机构17包括连杆172和龟鳍连接组件174，连杆172的相对两端分别与两个平动件154连接，连杆172与两个平动件154之间配合形成三角形，能够提升连杆172运动的稳定性，从而能够保证与连杆172连接的龟鳍连接组件174的稳定移动，进而能够提升龟鳍20移动的稳定性。龟鳍连接组件174连接于连杆172，龟鳍连接组件174用于与龟鳍20连接，以带动龟鳍20移动。
42.连杆172设有限位槽1721，限位槽1721沿第二方向延伸，连杆172可以通过限位槽1721进行限位，使得连杆172能够沿第二方向移动。在本实施例中，限位槽1721大致为长圆形，在其他实施方式中，限位槽1721还可以为矩形或者椭圆形，具体可以根据实际情况设
定。
43.龟鳍连接机构17还包括限位柱176，限位柱176穿设于限位槽1721并固定于其中一个平动件154，通过限位柱176与限位槽1721的配合，使得连杆172与两个平动件154之间配合形成三角形的基础上，不会影响平动件154的转动。在本实施例中，限位柱176的数量为两个，其中一个限位柱176穿设于限位槽1721，另一个限位柱176穿设于连杆172上开设的通孔，并且与平动件154连接，使得连杆172可以绕平动件154转动一定角度。
44.请参阅图2和图3，龟鳍连接组件174包括万向接头1741和滑杆1747，滑杆1747能够与龟鳍20连接，即，滑杆1747通过万向接头1741与连杆172连接，使得龟鳍20可以呈“8”字形运动。
45.万向接头1741包括第一万向节1743、第二万向节1745和十字轴1746，其中，十字轴1746的其中两个相对的轴与第一万向节1743活动连接，另外两个相对的轴与第二万向节1745活动连接，使得第一万向节1743和第二万向节1745可相对转动。滑杆1747连接于第二万向节1745，滑杆1747可以通过万向接头1741相对连杆172转动，以带动龟鳍20相对连杆172转动。在本实施例中，滑杆1747大致为圆柱形的杆状结构。
46.在一种实施方式中，龟鳍连接组件174还包括云台底座1748和云台连接件1749，云台底座1748沿第三方向可转动地设置于安装底座11，云台连接件1749穿设于滑杆1747，并且可转动地连接于云台底座1748。云台底座1748大致呈“u”形，云台底座1748的底部可以通过铰接轴可转动地设置于安装底座11，从而实现云台底座1748可转动地连接于安装底座11。云台连接件1749的两端可以设置转轴，云台底座1748的侧壁可以设置通孔，云台连接件1749的转轴可以穿设于通孔，使得云台连接件1749可以绕云台底座1748转动。
47.在本实施例中，传动机构15和龟鳍连接机构17的数量均为两个，每个传动机构15通过对应的转动件152与蜗轮轴连接，即，两个传动机构15分别通过对应的两个转动件152可转动地连接于蜗轮轴的相对两端。每个龟鳍连接机构17通过对应的连杆172与平动件154连接连接。通过两个龟鳍连接机构17分别带动两个龟鳍20运动，使龟鳍20的摆动样式近似达到实际的“8”字形，这样既最大程度地模拟仿生了海龟的运动姿态，又实现了仿生海龟的整体的移动。
48.综上，本技术提供的龟鳍驱动装置10包括安装底座11、驱动机构13、传动机构15和龟鳍连接机构17，驱动机构13设置于安装底座11，传动机构15包括转动件152、平动件154和滑动件156，转动件152与驱动机构13连接，并且能够相对驱动机构13绕沿第一方向延伸的轴线转动，滑动件156沿与第一方向相区别的第二方向可滑动地设置于安装底座11，平动件154可活动地连接于转动件152和滑动件156之间，使得转动件152、平动件154和滑动件156配合形成曲柄连杆机构，能够保证龟鳍驱动装置10稳定地驱动龟鳍20运动。另外，本技术提供的龟鳍驱动装置10的结构简单，均通过简单的机构去执行基本的运动，龟鳍20的向前移动由曲柄滑块机构控制，龟鳍20的旋转由万向节控制，驱动电机131的输出依靠蜗轮135蜗杆133传递动力，传动平稳且不易损坏。
49.请参阅图5至图8，本技术还提供一种仿生海龟1，包括龟鳍20以及龟鳍驱动装置10，龟鳍20连接于龟鳍连接机构17背离平动件154的一侧，具体地，龟鳍20连接于龟鳍连接机构17的滑杆1747(图4)。
50.请参阅图6和图7，仿生海龟1还包括防水箱30、泵体40和水仓50，防水箱30设置于
安装底座11，可以用于安装泵体40、电源及控制元件等，防水箱30还可以防止海水进入其内部，保护防水箱30内部的泵体40、电源及控制元件等。水仓50设置于安装底座11背离驱动机构13的一侧，具体地，水仓50设置于安装底座11的前部和中部的下方，以更好的配置仿生海龟1的重心，进一步提升仿生海龟1行进的稳定性。泵体40设置于防水箱30内，并通过管道与水仓50连通。通过泵体40对水仓50进行抽排水，可以模拟潜水艇的浮出和潜入，例如，可以通过控制泵体40的抽排水改变仿生海龟1整体的重心，从而使得仿生海龟1有潜入和浮出的动作，以便于在不同区域作业。当仿生海龟1在中间位置的时候，能够通过控制泵体40的抽排水实现在水中悬停不沉，还可以通过泵体40控制仿生海龟1的重心使整体发生俯仰，配合整体的前进动作使得仿生海龟1整体下潜或抬升。在本实施例中，泵体40为双向蠕动泵。在其他实施方式中，泵体40还可以为其他类型的泵。
51.仿生海龟1还包括固定件70，固定件70可以将水仓50固定于安装底座11，例如，固定件70大致为半圆形，可以与板状的安装底座11形成用于容置水仓50的容置孔。在本实施例中，水仓50大致为圆柱形水管状，固定件70的数量为两个，两个固定件70沿水仓50的长度方向间隔设置。
52.仿生海龟1还包括换向装置80，换向装置80包括换向电机81、换向底板83和换向杆组件85，换向底板83连接于防水仓50，例如，换向底板83可以通过螺钉固定于防水仓50，或者通过粘接的方式与防水仓50连接。换向电机81设置于换向底板83，并且与换向杆组件85传动连接，以带动换向杆组件85转动，从而实现仿生海龟1在行进过程中的换向，便于对仿生海龟1的运动方向进行控制。在本实施例中，换向杆组件85和换向电机81分别设置于换向底板83的相对两侧，避免换向电机81干扰换向杆组件85的转动，即，换向杆组件85能够按照预定的轨迹转动，利于仿生海龟1的换向。在本实施例中，换向装置80可以设置仿生海龟1的后端，以便于控制仿生海龟1整体的运动方向。
53.请参阅图7和图8，换向杆组件85包括第一杆体851、第二杆体852和第三杆体853，其中，第一杆体851和第三杆体853可转动地连接于换向底板83，例如，第一杆体851和第三杆体853通过铆钉可转动地连接于换向底板83，铆钉可以设置于第一杆体851和第三杆体853的中部，第一杆体851和第三杆体853可活动地连接于第二杆体852的相对两端，
54.换向装置80还包括舵机杆体86，舵机杆体86连接于换向电机81的输出轴，并且连接于第二杆体852，例如，舵机杆体86可转动地连接于第二杆体852的中部。
55.在本实施例中，换向电机81、舵机杆体86和换向杆组件85组成平行连杆机构，其中，换向杆组件85的第一杆体851和第三杆体853大致与舵机杆体86平行，使得换向电机81可以带动第一杆体851和第三杆体853同步转动，从而改变仿生海龟1的运动方向。换向电机81可以用于控制换向杆组件85的转动角度，配合龟鳍20驱动机构13可以对仿生海龟1的运动方向进行控制。
56.在本实施例中，换向装置80还包括两个后鳍88，两个后鳍88分别连接于第一杆体851和第三杆体853，两个后鳍88可以同时向同一个方向进行转动，从而可以改变仿生海龟1整体的运动方向。通过设置后鳍88，可以增加每次换向时的排水量，增加水对仿生海龟1的反作用力，从而利于仿生海龟1的换向。后鳍88的形状可以经过特殊设计，以更好的起到拨动水面并实现转向的功能，后鳍88的材料可以是亚克力板，刚度优良且耐腐蚀性好。
57.对于换向装置80，换向电机81、舵机杆体86和换向杆组件85组成的平行连杆机构
中的舵机杆体86和换向杆组件85可以是3d打印件，质量较轻且刚度优良，其次用以连接的铆钉是45号钢，结实耐用且成本较低。换向电机81可以是ds3230防水舵机，可以防止海水侵入换向电机81内部。
58.请继续参阅图5，仿生海龟1还包括龟壳89，龟壳89大致为长方形壳体结构。龟壳89包括第一壳体892和第二壳体894，第一壳体892和第二壳体894分别设置于安装底座11的相对的两侧，以配合收容驱动机构13和龟鳍连接机构17，达到美观的效果。龟壳89可以为模拟海龟外形制作的轻量外壳，并且具有较好的防水以及耐腐蚀能力，使仿生海龟1达到防水作用，并且可以更好地在水面漂浮。
59.在一种实施方式中，仿生海龟1还可以装备工业高清摄像头，例如，在仿生海龟1的前身部分加入摄像头模块模拟海龟的眼睛和头部，可以进行实施图像传输，使仿生海龟1可以实时录像，另外，仿生海龟1还可以设置避障机构，以实现自动避障从而适应岸上操作。
60.综上，本技术提供的仿生海龟1包括龟鳍20以及龟鳍驱动装置10，龟鳍驱动装置10包括安装底座11、驱动机构13、传动机构15和龟鳍连接机构17，驱动机构13设置于安装底座11，传动机构15包括转动件152、平动件154和滑动件156，转动件152与驱动机构13连接，并且能够相对驱动机构13绕沿第一方向延伸的轴线转动，滑动件156沿与第一方向相区别的第二方向可滑动地设置于安装底座11，平动件154可活动地连接于转动件152和滑动件156之间，使得转动件152、平动件154和滑动件156配合形成曲柄连杆机构，能够保证龟鳍驱动装置10稳定地驱动龟鳍20运动，提升了仿生海龟1运动的稳定性。另外，本技术的仿生海龟1既可以实现在水中的运动，又可以进行实时录像，随时观测水中的情况，并且在对相应的零部件进行轻量安全化替换后，可以当作玩具，并配有手柄可以方便操作，且操作简单并且安全系数高。其次，本技术提供的仿生海龟1可以作为水中的探测器，因其装有工业摄像头，可以进行实时录像，另外还具有自动避障的功能，并且因其外观仿生的优点，可以最大限度接近其他生物群落以便于更近的观察。进一步地，本技术的仿生海龟1还会具备水样收集等功能，因而，仿生海龟1的应用前景广阔，并且应用范围宽广。
61.在本发明中，除非另有明确的规定或限定，术语“安装”、“连接”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，或一体连接，或传动连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连。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中的具体含义。
62.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为特指或特殊结构。术语“一些实施方式”的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本发明中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本发明中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。
63.以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的精神和范围，
均应包含在本发明的保护范围之内。