(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号CN104149953A (43)申请公布日2014.11.19 (21)申请号201410403982.9 (22)申请日2014.08.15 (71)申请人哈尔滨工业大学 地址150001黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街92号 (72)发明人陈维山董帝渤 韩臻博石胜君 侯珍秀刘军考 (74)专利代理机构哈尔滨市松花江专利商标事 务所23109 代理人牟永林 (51)1nt.C. B63H130(2006.01) B63H1102(2006.01) 权利要求书1页说明书4页附图5页 (54)发明名称 一种内嵌式筒形电机驱动的机器水母 (57)摘要 一种内嵌式筒形电机驱动的机器水母，它涉 及一种机器水母。本发明为了解决现有仿生水母 机器人存在的运动幅度有限、有效喷水体积小、驱 动力小、不适用于自然界复杂水流环境的问题。本 发明的机械腹腔端盖、套筒和底盘基座由上至下 依次密封连接，筒形行波超声电机安装在底盘基 座上，传动凸轮定位在筒形行波超声电机中部，筒 形行波超声电机的外筒壁上均布设有多个压电陶 瓷片，所述筒形行波超声电机的内筒壁上均布加 工有竖直排列的多个矩形凸起，每个手臂推力杆 的另一端与一个多关节手臂连接，每个手臂推力 杆与套筒之间通过一个推力杆导向法兰连接，每 个推力杆导向法兰与靠近双滚轮部件一侧的手臂 推力杆之间设有一个辅助弹簧。本发明用于无人 水下运载。 S99991k01 石
CN104149953A 权利要求书 1/1页 1.一种内嵌式筒形电机驱动的机器水母，其特征在于：它包括底盘基座(1)、套筒(2)、 机械腹腔端盖(3)、筒形行波超声电机(4)、转子压紧端盖(5)、预紧力螺栓(6)、传动凸轮 (7)、预紧螺母(8)、预紧弹簧(9)、多个推力杆导向法兰(15)、多个双滚轮部件(10)、多个手 臂推力杆(11)、多个辅助弹簧(12)和多个多关节手臂， 机械腹腔端盖(3)、套筒(2)和底盘基座(1)由上至下依次密封连接，筒形行波超声电 机(4)通过螺栓组定位安装在底盘基座(1)上，传动凸轮(7)通过预紧力螺栓(6)、预紧螺 母（⑧）、预紧弹簧(9)和转子压紧端盖(5)定位在筒形行波超声电机(4)中部，所述筒形行 波超声电机(4)的外简壁上均布设有多个压电陶瓷片(13)，所述简形行波超声电机(4)的 内筒壁上均布加工有竖直排列的多个矩形凸起(14)，传动凸轮(7)包括锥状体(7-1)和 盘体(7-2)，盘体(7-2)的外轮廓形状为凹凸间隔设置的轮廓曲线，盘体(7-2)和锥状体 (7-1)由上至下依次固定设置，每个手臂推力杆(11)的一端均穿过套筒(2)并通过一个双 滚轮部件(10)与传动凸轮(7)的盘体(7-2)相抵，每个手臂推力杆(11)的另一端与一个 多关节手臂连接，每个手臂推力杆(11)与套简(2)之间通过一个推力杆导向法兰(15)连 接，每个推力杆导向法兰(15)与靠近双滚轮部件(10)一侧的手臂推力杆(11)之间设有一 个辅助弹簧(12)。 2.根据权利要求1所述一种内嵌式筒形电机驱动的机器水母，其特征在于：每个多关 节手臂均包括第一连接件(16)、第二连接件(17)、第一连杆(18)、第二连杆(19)、第三连杆 (20)和第四连杆(21)，第一连杆(18)的一端、第二连杆(19)的一端、第三连杆(20)的一 端和第四连杆(21)的一端均与一个手臂推力杆(11)连接，第一连杆(18)的另一端与第四 连杆(21)的中部连接，第二连杆(19)的另一端与第二连接件(17)连接，第三连杆(20)的 另一端与第一连接件(16)连接，第四连杆(21)的另一端与第一连接件(16)连接。 3.根据权利要求2所述一种内嵌式筒形电机驱动的机器水母，其特征在于：转子压紧 端盖(5)与预紧弹簧(9)之间过盈配合。 4.根据权利要求1、2或3所述一种内嵌式筒形电机驱动的机器水母，其特征在于：多 个多关节手臂的数量为6个。 5.根据权利要求1或4所述一种内嵌式筒形电机驱动的机器水母，其特征在于：所述 机器水母还包括仿形外壳(22)，仿形外壳(22)包覆在机械腹腔端盖(3)上。 2
CN104149953A 说明书 1/4页 一种内嵌式筒形电机驱动的机器水母 技术领域 [0001] 本发明涉及一种机器水母，具体涉及一种内嵌式筒形电机驱动的机器水母。 背景技术 [0002] 仿生无人水下运载机器人，是一种参考水下仿生原型（如鱼、海龟等）开发设计 出来的机械系统，具有高效、静音等特点，有望作为推进装置取代部分现有的螺旋桨推进系 统，因此具有重要的军用和商用价值，吸引着越来越多的研究人员从事此方面的工作。大体 而言，水下仿生原型的推进形式大体上可以分为躯体尾鳍推进(BCF)、胸鳍推进(MP℉)、喷 射推进(JP)三种形式，从机器仿生学角度而言，基于BCF和MP℉推进原型的机械系统具有 结构复杂、控制难度大的缺点，相反，基于射流推进原型的系统则具备结构简单、容易控制、 运动效率高的特点，适合用于水下环境监测、目标追踪，或者作为水下运载平台。 [0003]水母作为典型的喷射推进原型，是地球上存在的最古老的游动生物之一，广泛存 在于海洋的各个区域。经过长期的进化，它们能够适应多数复杂的洋流环境，这得益于其独 特的流体动力学推进机理。水母形式的推进具有能量利用效率高的特点，这也是其他躯体 波状游动或者胸鳍拍动推进所不可比拟的。自然环境中的水母，主要是依靠径向分布的肌 肉纤维收缩和伸长来带动柔性外壳的收缩和舒展，同时带动壳体内腔水流的运动，在水流 的反作用力驱动下，就可以完成前行、转弯等推进行为。近几年，基于水母仿生原型的水下 推进机器人受到越来越多的重视。 [0004]从仿生学的角度来看，机器水母应该满足两个条件才能实现较好的仿生效果， 是形态相似，二是运动学相似。具体而言，在进行机器水母的机构设计时，一方面要使得外 壳形貌与真实水母相似，另一方面要保证外壳形貌能够做运动幅度和运动周期都可控的收 缩和伸展运动，这两点很难同时保证。目前的水母机器人主要是通过应用电磁、形状记忆合 金等智能机构和材料才制作的，不仅难以保证仿生机器的两个基本要求，其使用场合、推进 性能也受到很大的制约。 [0005]公开日为2010年9月15日、公开号为CN101391650B、发明名称为“形状记忆合金 驱动的仿生机器水母”的专利申请，它提出了一种采用U型形状记忆合金条驱动弹性金属片 的设计，通过形状记忆合金的收缩和放松来实现弧形金属弹簧片的弯曲和放松，进而带动 柔性外壳实现喷水和吸水的动作，所述的装置结构简单，在形态上与真实水母较为相近，但 运动幅度较小，所能产生的射流动力有限，与真实水母的推进行为相差较大。 发明内容 [0006] 本发明的目的是为了解决现有仿生水母机器人存在的运动幅度有限、有效喷水体 积小、驱动力小、不适用于自然界复杂水流环境的问题。进而提供一种内嵌式筒形电机驱动 的机器水母。 [0007]本发明的技术方案是：一种内嵌式筒形电机驱动的机器水母包括底盘基座、套筒、 机械腹腔端盖、筒形行波超声电机、转子压紧端盖、预紧力螺栓、传动凸轮、预紧螺母、预紧 3
CN104149953A 说明 书 2/4页 弹簧、多个推力杆导向法兰、多个双滚轮部件、多个手臂推力杆、多个辅助弹簧和多个多关 节手臂， [0008]机械腹腔端盖、套筒和底盘基座由上至下依次密封连接，筒形行波超声电机通过 螺栓组定位安装在底盘基座上，传动凸轮通过预紧力螺栓、预紧螺母、预紧弹簧和转子压紧 端盖定位在筒形行波超声电机中部，所述简形行波超声电机的外筒壁上均布设有多个压电 陶瓷片，所述筒形行波超声电机的内筒壁上均布加工有竖直排列的多个矩形凸起，传动凸 轮包括锥状体和盘体，盘体的外轮廓形状为凹凸间隔设置的轮廓曲线，盘体和锥状体由上 至下依次固定设置，每个手臂推力杆的一端均穿过套筒并通过一个双滚轮部件与传动凸轮 的盘体相抵，每个手臂推力杆的另一端与一个多关节手臂连接，每个手臂推力杆与套筒之 间通过一个推力杆导向法兰连接，每个推力杆导向法兰与靠近双滚轮部件一侧的手臂推力 杆之间设有一个辅助弹簧。 [0009]本发明与现有技术相比具有以下效果： [0010]1.本发明的筒形行波超声电机驱动的机器水母主要通过多关节手臂的下摆和上 扬来实现在水中的仿生推进。六个多关节手臂以机器水母本体中轴线为中心分布在套筒外 壁，与底盘基座的水平高度一致，且相邻的两个多关节手臂之间的夹角为60度。手臂推力 杆与双滚轮部件组成的推力部件在传动凸轮的带动下沿着推力杆导向法兰的导向孔方向 做往复直线运动，进而带动多关节手臂的运动，其中传动凸轮的运动依靠圆筒形行波超声 电机获得。由于多关节手臂是个单自由度的串联机构，其壳体铰链接口连接而成的轨迹采 用了仿型设计，因此其在下摆和上扬运动中，铰链接口轨迹也将保持特定的仿型形态。当推 力杆在回复弹簧的作用下沿着凸轮轨迹相对中轴线做接近运动时，它会带动多关节手臂做 下摆的动作，在机器水母的运动形态上体现出来的就是仿型壳体的收缩，此时会将水母腹 腔的水喷射出，同时获得反相的推进力，这可以认为是机器水母有效推进力的主要来源：当 推力杆在凸轮作用下压着弹簧沿着特定轨迹相对中轴线做远离运动时，它会带动多关节手 臂做上扬的动作，在机器水母的运动形态上体现出来的是仿型壳体的舒展，这个过程可以 认为是有效推进的准备阶段，同时会产生一定的阻力。通过控制驱动电压的相位和周期可 以有效控制超声电机的运动位置、运动周期等输出量，进而实现对机器水母准备阶段和有 效推进阶段时间的控制，在连续运行的条件下，即可实现机器水母的持续推进。 [0011]2.本发明采用六个并联的多关节手臂机构执行对水母机器人仿型柔性外壳的驱 动，由于采用相同的传动机构和安装配合方式，因此只需要保证传动凸轮端面轨迹以及手 臂推力杆的中心对称性就可以满足多关节手臂相对于机器水母中心轴线的运动一致性。这 种运动传动方案使得机器水母的结构紧凑，传动误差小，容易实施，有利于机械系统的改进 和升级。 [0012]3.本发明的机器水母采用的是简形行波超声电机驱动，且内置于机械腹腔，有利 于增加有效喷水体积，提高推进性能。根据水母仿生原型的流体动力学推进机理，水母的推 进主要是依靠收缩柔性外壳来喷射出腹腔中包裹着的外部流体以获得有效作用力，且所喷 射的外部流体体积越大获得的有效作用力就越大，因此有效喷水体积是影响机器水母突进 性能的一个重要因素。本发明以真实水母为原型，将驱动单元、传动单元、执行单元组成的 系统进行仿生设计，最大程度低减小了机械本体所占的空间对机器水母推进性能的影响， 以获得较优越的推进性能。 4
CN104149953A 说明书 3/4页 [0013]4.本发明的内嵌式简形电机驱动的机器水母具有结构紧凑，设计灵活，仿生效果 明显的优点。通过紧凑机械结构与仿型柔性外壳的综合应用，在保证机械系统刚度和结构 稳定性的同时，提高了整体的仿生性能。本发明可以用作研究水母推进机理的实验平台，也 可以作为复杂洋流条件下的无人水下要操作巡航器。 附图说明 [0014]图1是本发明所述的内嵌式筒形电机驱动的机器水母驱动和传动部件的剖面图， 图2是传动凸轮的立体结构示意图，图3是本发明所用筒型行波超声电机的立体结构示意 图，图4是机械多关节手臂展开状态的结构示意图，图5是机械多关节手臂收缩状态的结构 示意图。 具体实施方式 [0015]具体实施方式一：结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式的一种内嵌式筒形 电机驱动的机器水母包括底盘基座1、套筒2、机械腹腔端盖3、筒形行波超声电机4、转子压 紧端盖5、预紧力螺栓6、传动凸轮7、预紧螺母8、预紧弹簧9、多个推力杆导向法兰15、多个 双滚轮部件10、多个手臂推力杆11、多个辅助弹簧12和多个多关节手臂， [0016]机械腹腔端盖3、套筒2和底盘基座1由上至下依次密封连接，筒形行波超声电机 4通过螺栓组定位安装在底盘基座1上，传动凸轮7通过预紧力螺栓6、预紧螺母8、预紧弹 簧9和转子压紧端盖5定位在筒形行波超声电机4中部，所述筒形行波超声电机4的外筒 壁上均布设有多个压电陶瓷片13，所述筒形行波超声电机4的内筒壁上均布加工有竖直排 列的多个矩形凸起14，传动凸轮7包括锥状体7-1和盘体7-2，盘体7-2的外轮廓形状为凹 凸间隔设置的轮廓曲线，盘体7-2和锥状体7-1由上至下依次固定设置，每个手臂推力杆11 的一端均穿过套筒2并通过一个双滚轮部件10与传动凸轮7的盘体7-2相抵，每个手臂推 力杆11的另一端与一个多关节手臂连接，每个手臂推力杆11与套筒2之间通过一个推力 杆导向法兰15连接，每个推力杆导向法兰15与靠近双滚轮部件10一侧的手臂推力杆11 之间设有一个辅助弹簧12。 [0017]本实施方式的内嵌式筒形电机驱动的机器水母在制造的时候，仿型机械腹腔端盖 与套筒的端面结合部、底盘基座与套筒的端面结合部、推力杆导向法兰与套筒的壁面结合 部都要使用防水密封装置，选用0型橡胶圈，以防止外部液体渗入机械腹腔，对机械系统而 言，起到静密封的作用。 [0018]本实施方式的内嵌式筒形电机驱动的机器水母在制造的时候，手臂推力杆与推力 杆导向法兰为间隙配合，推力杆导向法兰的导向孔内存开有两道凹槽用来安装防水密封零 件，选用0型密封圈或者其他类似功能的零件，以防止外部流体从手臂推力杆与导向孔之 间的间隙渗入机械腹腔，对机械系统起到动密封的作用。 [0019]本实施方式的内嵌式筒形电机驱动的机器水母在制造的时候，仿型柔性外壳通过 柔性关节与多关节手臂进行铰链连接，其相对运动方式为滚动运动，选用带轴承的滚轮副 穿过铰链孔来实现。 [0020]本实施方式的机器水母，采用筒型行波超声电机直接进行驱动传动凸轮进而带动 多关机手臂的仿型运动。其电源、控制及通信模块，根据应用要求有两种布置形式：一是无 5
CN104149953A 说明书 4/4页 线操作，则将其布置于机械腹腔中；二是有缆操作，则将其布置于机械本体之外，通过线缆 与所述电机连接。 [0021]本实施方式的筒形行波超声电机与底盘基座制成一体，这样可以避免采用螺栓组 进行定位连接，一方面可以增大系统的刚度，另一方面可以避免装配误差对机器水母的仿 生效果带来不利影响，从而使得结构更为紧凑，机械传动更为稳定，推进性能更为优越。 [0022]具体实施方式二：结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式的每个多关节手臂 均包括第一连接件16、第二连接件17、第一连杆18、第二连杆19、第三连杆20和第四连杆 21,第一连杆18的一端、第二连杆19的一端、第三连杆20的一端和第四连杆21的一端均 与一个手臂推力杆11连接，第一连杆18的另一端与第四连杆21的中部连接，第二连杆19 的另一端与第二连接件17连接，第三连杆20的另一端与第一连接件16连接，第四连杆21 的另一端与第一连接件16连接。如此设置，运动更加灵活。其它组成和连接关系与具体实 施方式一相同。 [0023]具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的转子压紧端盖5与预紧 弹簧9之间过盈配合。如此设置，便于保证传动凸轮7在筒形行波超声电机4的带动下顺 利转动。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。 [0024]具体实施方式四：结合图4-图5说明本实施方式，本实施方式的多个多关节手臂 的数量为6个。如此设置，便于满足机器水母的吸水和喷水。其它组成和连接关系与具体 实施方式一或三相同。 [0025]具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的机器水母还包括仿形 外壳22，仿形外壳22包覆在机械腹腔端盖3上。如此设置，仿生效果好。其它组成和连接 关系与具体实施方式一或四相同。 [0026]虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术 人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依 据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。 6
CN104149953A 说明书附图 1/5页 22 15 2227F22771271211717 2 89 12 11 7 10/ 4 图1 7
CN104149953A 说明书附图 2/5页 7-1 7-2 图2 8
CN104149953A 说明书附图 3/5页 14 0 。 13 图3
CN104149953A 说明书 附图 4/5页 11 20 16 21 17 @ O @ 回 9 @ 回 可 18/ 19/ 图4 10