機器章魚的製作方法
2023-06-10 22:29:01
專利名稱：機器章魚的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種玩具，是一種機器章魚。
背景技術：
仿生魚類機器人國內外發展現狀
I.北京航空航天大學機器人研究所和中國科學院自動化所合作研究的仿生水下機器魚2008年12月5日，由北京航空航天大學機器人研究所和中國科學院自動化所合作研究的仿生水下機器魚項目通過驗收和鑑定，宣告了我國第一條可用於實際應用的仿生機器魚已經正式研製成功。這種具有我國自主智慧財產權的仿生水下機器魚，穩定性強，行動靈活，自動導航控制，在水下考古、攝影、測繪、養殖、捕撈，以及水下小型運載等方面，具有廣泛的應用前景。2.麻省理工學院機器金槍魚。這個原型擁有柔軟的身體，體內只裝有I臺發動機以及6個移動部件，使其能夠在更大程度上模擬真實魚的移動。由於身體完全由一整塊柔軟的聚合體材料製成，避免了水破壞脆弱內部零件的可能性。雖然仿真程度極高，但人們決不會將這款機器人誤認為真正的金槍魚。真正的金槍魚每秒遊動距離最遠可達到體長的10倍，而機器金槍魚的成績卻只有I個身長。水下玩具的市場技術狀況
上述項目主要針對水下機器人的科學研究，存在成本高，設計複雜，不利於向家庭推廣的問題。另一方面，用於娛樂的仿生機器魚還非常少見，市場上可見的水中使用的玩具，比如假魚，只能簡單地漂浮在水面上，無法控制其水平方向運動及沉浮，娛樂效果不顯著，功能單一，不能滿足現代人對生活娛樂的需求。目前市場上的玩具多以電子型和娛樂型玩具為主，其中具有高科技外表的玩具如發聲、發光的電子玩具、遙控玩具和能夠說話或做一系列動作的互動玩具都很暢銷，深受青少年兒童的青睞。而此類玩具涉及水下的很少，因此，設計一款水下玩具必能給廣大青少年兒童帶來新鮮感，是當前玩具的必要補充。另一方面設計水下仿生玩具，可以促進青少年兒童了解大海，認識海中生物，在娛樂的同時增長見識。
發明內容
本發明的目的在於提供一種結構合理，工作性能優異的機器章魚。本發明的技術解決方案是
一種機器章魚，其特徵是包括作為機器章魚身體的圓柱體塑料桶，塑料桶下方設置爪 部，塑料桶內設置帶動爪部進行抓取動作的爪部動作驅動機構，塑料桶內設置使機器章魚身體沉浮的沉浮機構，塑料桶外壁上固裝四個沿圓周均勻分布的水泵，四個水泵的排水方向分別為前、後、左、右；一個控制系統控制爪部動作驅動機構、沉浮機構及水泵的工作。所述爪部動作驅動機構包括爪部驅動電機，爪部驅動電機的輸出軸齒輪與第一齒條哨合，第一齒條的下端與通杆式氣缸的一端杆件連接，通杆式氣缸的另一端杆件與爪部連接，通杆式氣缸的二端杆件作為中心軸。所述爪部包括套裝在中心軸上的第一桿件連接體，第一桿件連接體與塑料桶固定連接，中心軸下端依次固裝第二、第三桿件連接體，第二桿件連接體與第四桿可轉動式連接，第三桿件連接體與第二桿可轉動式連接，第二桿的末端與第三桿可轉動式連接，第四桿後部與第三桿中部可轉動式連接，第一桿件連接體與第一桿上端可轉動式連接，第一桿下端與第四桿前部可轉動式連接；第一桿件連接體上沿圓周均勻分布多根第一桿，第二桿件連接體上沿圓周均勻分布多根第四桿，第三桿件連接體上沿圓周均勻分布多根第二桿。所述沉浮機構包括頭部伸出塑料桶底部進行吸排水的注射器，注射器筒體固定，注射器活塞杆與升降鋁板連接，升降鋁板與沉浮驅動電機固定連接，沉浮驅動電機的輸出軸齒輪與第二齒條嚙合，第二齒條呈固定不動形式。 在塑料桶內的底部設置配重板，配重板上設置將注射器水平方向定位的定位裝置；注射器筒體上設有將注射器在垂直方向定位的壓板。配重板上裝升降鋁板運動的導向柱，導向柱的滑塊通過角鋁連接件固定在升降鋁板上。所述控制系統為遙控式控制系統，包括主控模塊，主控模塊與紅外接收模塊連接，主控模塊與電機驅動模塊連接。本發明結構新穎合理，性能獨特，為廣大青少年兒童提供更為廣泛的娛樂項目，給家庭帶來更豐富多彩的生活。本發明使用圓柱體塑料桶作為機器章魚的身體，設計了可伸縮的機器章魚爪部；設計了前後左右四個方向的運動機構及沉浮機構；將遙控器與單片機相結合，實現了對機器章魚的控制。本發明主要創新點
功能創新針對市面上水下玩具少的現狀，模擬了海洋章魚，設計了一款機器章魚，以豐富人們的家庭生活。該機器章魚能夠上下前後左右運動，能夠實現抓取一定大小的物體，比如8cm左右的球。目前沒有相關報導，是本發明的一項基本創新。結構創新
I)關於爪部運動，吸收傘部的工作原理，基於四桿機構進行組合，如圖2，3，具體由定塊機構與雙搖杆機構組合而成一個複合式六桿機構。該複合式六桿機構由機器章魚體內的電機經過齒輪齒條驅動，巧妙地形成了爪部的抓取動作，是本發明最突出的結構創新。2)關於沉浮，避開了其它機器魚開發中需要採用類似魚鰾補償空氣的辦法，而採用若干注射器實現章魚的入水與排水，設計了相關沉浮機構。在排水時，注射器活塞向下將排出，活塞杆一端並不需要專門的空氣補償而直接與整個章魚體內腔相通，有足夠的空氣補償水排出後形成的真空，形成的真空度很小，不會給排水造成太大的阻力。入水的道理是相反依次類推。該沉浮機構不要專門的空氣補償裝置，結構更簡單，且產生的浮力可有較大的變化範圍，便於章魚的沉浮。3)採用體外水泵排水作為前後左右的驅動力，一方面節省機器章魚體內的空間，另一方面這種水泵水流噴射能力強，有較強的推動力，利於引導機器章魚在水中的運動。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
圖I是本發明一個實施例的結構示意圖。圖2是爪部結構示意圖。圖3是爪部機構圖。圖4是通杆式氣缸原理圖。圖5是配重板結構示意圖。圖6是壓板結構示意圖。 圖7是升降鋁板的結構示意圖。圖8是水泵分布示意圖。圖9是圖8的俯視圖。圖10是控制系統結構示意圖。圖11是控制流程圖。圖12是本發明控制系統單片機最小系統圖。圖13是爪部杆件構成定位機構示意圖。圖14是爪部杆件構成雙搖杆機構示意圖。圖15、圖16分別是爪部收縮狀態和張開狀態示意圖。
具體實施例方式一種機器章魚，包括作為機器章魚身體的圓柱體塑料桶1，塑料桶下方設置爪部8，塑料桶內設置帶動爪部進行抓取動作的爪部動作驅動機構，塑料桶內設置使機器章魚身體沉浮的沉浮機構，塑料桶外壁上固裝四個沿圓周均勻分布的水泵5，四個水泵的排水方向分別為前、後、左、右；一個控制系統控制爪部動作驅動機構、沉浮機構及水泵的工作。所述爪部包括套裝在中心軸上的第一桿件連接體13，第一桿件連接體與塑料桶固定連接，中心軸下端依次固裝第二、第三桿件連接體14、15，第二桿件連接體與第四桿19可轉動式連接，第三桿件連接體與第二桿可轉動式連接，第二桿的末端與第三桿18可轉動式連接，第四桿後部與第三桿中部可轉動式連接，第一桿件連接體與第一桿16上端可轉動式連接，第一桿下端與第四桿前部可轉動式連接；第一桿件連接體上沿圓周均勻分布多根第一桿，第二桿件連接體上沿圓周均勻分布多根第四桿，第三桿件連接體上沿圓周均勻分布多根第二桿17。所述爪部動作驅動機構包括爪部驅動電機12，爪部驅動電機的輸出軸齒輪與第一齒條2哨合,第一齒條的下端與通杆式氣缸9的一端杆件連接,通杆式氣缸的另一端杆件與爪部連接，通杆式氣缸的二端杆件作為中心軸20。所述沉浮機構包括頭部伸出塑料桶底部進行吸排水的注射器10，注射器筒體固定，注射器活塞杆與升降鋁板3連接，升降鋁板與沉浮驅動電機6固定連接，沉浮驅動電機的輸出軸齒輪與第二齒條哨合，第二齒條呈固定不動形式。在塑料桶內的底部設置配重板7，配重板上設置將注射器水平方向定位的定位裝置；注射器筒體上設有將注射器在垂直方向上定位的壓板11。配重板上裝升降鋁板運動的導向柱，導向柱的滑塊通過角鋁4連接件固定在升降鋁板上。所述控制系統為遙控式控制系統，包括主控模塊，主控模塊與紅外接收模塊連接，主控模塊與電機驅動模塊連接。爪部機構工作原理
參照雨傘收放的結構，基於四桿機構，使本機器章魚模擬真實章魚的爪部收放動作，並能簡單抓取一定大小的物體。具體結 構如圖2，爪部是由定塊機構與雙搖杆機構組合而成的複合式六桿機構，如圖3。中心軸是第一級定塊機構中的驅動元件，帶動杆件(第四桿19)運動，杆件(第四桿19)作為第二級雙搖杆機構的驅動元件，加上第二級雙搖杆機構的中心軸的運動，聯合帶動爪部末端件(第三桿18)的運動，第三桿18與第四桿19的運動組合形成爪部的收放。爪部的動作機構從章魚的體內到體外，需用解決隔水密封問題，本發明利用氣缸在活動部位的密封性能好來應對。具體結構是氣缸9固定在作為魚身的塑料桶底面中心上，如圖I。氣缸採用一種通杆形式，如圖4，即兩端都有杆伸出，一端杆件伸出於機器章魚身體的下方，與爪部運動的其它部件相連；另一端杆件與第一齒條2相固連。兩端杆件構成中心軸20。第一齒條2由帶有齒輪的爪部驅動電機12驅動，帶動中心軸來回往復運動，從而使爪部通過定塊機構與雙搖杆機構組合而成的複合式六桿機構實現其張開與收縮，如圖3、圖4所示，進而實現抓取功能。圖I中的壓板11中心設計了限位小孔可對中心軸的上下運動進行導向，防止其發生水平偏移，保證電機上的齒輪與齒條可靠嚙合。沉浮機構與工作原理
參照潛水艇的主壓載水艙，如圖1，在機器章魚身體內部設計4個注射器10 (模擬潛水艇壓載水艙的功能)固定在底部，配重板7固定在底部，與注射器的位置關係，如圖5，其可以起到限制注射器筒體在底部水平方向上滑動。固定壓板11通過小銅柱固定在機器章魚身體內，其壓住注射器筒體，將注射器在垂直方向上定位，起到固定注射器的作用；在固定壓板上還安裝爪部驅動電機12以及單片機控制板等，如圖6。如圖7，注射器的活塞杆通過角鋁連接件對稱固定在升降鋁板3上，升降鋁板3上安裝了沉浮驅動電機，與電機齒輪配合的第二齒條固定在氣缸缸體壁上。為防止升降鋁板3在運動中歪斜，設計了導向裝置，該裝置的導向柱固定在配重板7上，導向柱的滑塊通過角鋁連接件固定在升降鋁板3上，見圖7。沉浮動作通過遙控器控制沉浮驅動電機6，驅動第二齒條。因第二齒條是固定在氣缸缸體壁上，使得齒條不動，而是齒輪上下運動，使升降鋁板3整體往復運動，進而帶動注射器活塞杆的往復運動，使注射器吸排水。在吸水時，注射器裡的水增多，增加了機器章魚的整體重量。當整體重量大於水的浮力時，即下沉。在排水時，注射器裡的水減少，減輕了機器章魚的整體重量。當整體重量小於水的浮力時，即上浮。方向控制機構工作原理
如圖8、圖9，在章魚體外粘貼固接4個體外水泵，水泵均布，分別實現前後左右四個方向的運動。考慮到章魚身體內部體積有限以及水泵是潛水泵(密封性好，可浸在水裡)，故將水泵均布在體外，同樣用遙控器控制。當控制其中一個水泵排水時，其產生的反向作用力可推動整個機器章魚反向運動。共4個水泵分別完成前後左右四個方向的運動。機器章魚的控制系統
基於機器章魚的相關要求，設計了具有遙控功能的控制器。控制部分採用遙控兼單片機程序控制相結合的方式，可實現章魚眼部及身體其它部位閃爍；通過遙控器控制爪部驅動電機的正反轉，以實現爪部的收縮與張開；通過遙控器控制注射器活塞杆往復動作，進行吸水與排水，實現章魚的沉浮控制部分主要包括遙控器紅外接收模塊、供電模塊、主控模塊、電機驅動模塊等。其結構框圖如圖10所示，有關控制流程如圖11。機器章魚主控模塊採用MCS-51系列STC89C52單片機。該單片機是一種低功耗、高性能的8位CMOS型單片機。單片機最小系統圖如圖12。等效多杆機構說明如圖3，其中杆件20 (即中心軸20)、第一桿件連接體13、第一桿16、第四桿20構成如下圖13所示的定塊機構。中心軸20、第四桿20、第二桿17、第三桿18構成如圖14所示的雙搖杆機構。兩者共同形成了複合式的六桿機構。
權利要求
1.一種機器章魚，其特徵是包括作為機器章魚身體的圓柱體塑料桶，塑料桶下方設置爪部，塑料桶內設置帶動爪部進行抓取動作的爪部動作驅動機構，塑料桶內設置使機器章魚身體沉浮的沉浮機構，塑料桶外壁上固裝四個沿圓周均勻分布的水泵，四個水泵的排水方向分別為前、後、左、右；一個控制系統控制爪部動作驅動機構、沉浮機構及水泵的工作。
2.根據權利要求I所述的機器章魚，其特徵是所述爪部動作驅動機構包括爪部驅動電機，爪部驅動電機的輸出軸齒輪與第一齒條哨合，第一齒條的下端與通杆式氣缸的一端杆件連接，通杆式氣缸的另一端杆件與爪部連接，通杆式氣缸的二端杆件作為中心軸。
3.根據權利要求2所述的機器章魚，其特徵是所述爪部包括套裝在中心軸上的第一桿件連接體，第一桿件連接體與塑料桶固定連接，中心軸下端依次固裝第二、第三桿件連接體，第二桿件連接體與第四桿可轉動式連接，第三桿件連接體與第二桿可轉動式連接，第二 杆的末端與第三桿可轉動式連接，第四桿後部與第三桿中部可轉動式連接，第一桿件連接體與第一桿上端可轉動式連接，第一桿下端與第四桿前部可轉動式連接；第一桿件連接體上沿圓周均勻分布多根第一桿，第二桿件連接體上沿圓周均勻分布多根第四桿，第三桿件連接體上沿圓周均勻分布多根第二桿。
4.根據權利要求1、2或3所述的機器章魚，其特徵是所述沉浮機構包括頭部伸出塑料桶底部進行吸排水的注射器，注射器筒體固定，注射器活塞杆與升降鋁板連接，升降鋁板與沉浮驅動電機固定連接，沉浮驅動電機的輸出軸齒輪與第二齒條嚙合，第二齒條呈固定不動形式。
5.根據權利要求4所述的機器章魚，其特徵是在塑料桶內的底部設置配重板，配重板上設置將注射器水平方向定位的定位裝置；注射器筒體上設有將注射器在垂直方向定位的壓板。
6.根據權利要求5所述的機器章魚，其特徵是配重板上裝升降鋁板運動的導向柱，導向柱的滑塊通過角鋁連接件固定在升降鋁板上。
7.根據權利要求6所述的機器章魚，其特徵是所述控制系統為遙控式控制系統，包括主控模塊，主控模塊與紅外接收模塊連接，主控模塊與電機驅動模塊連接。
全文摘要
本發明公開了一種機器章魚，包括作為機器章魚身體的圓柱體塑料桶，塑料桶下方設置爪部，塑料桶內設置帶動爪部進行抓取動作的爪部動作驅動機構，塑料桶內設置使機器章魚身體沉浮的沉浮機構，塑料桶外壁上固裝四個沿圓周均勻分布的水泵，四個水泵的排水方向分別為前、後、左、右，起到驅動機器章魚運動方向控制的作用；一個控制系統控制爪部動作驅動機構、沉浮機構及水泵的工作。本發明結構合理，工作性能優異，為廣大青少年兒童提供更為廣泛的娛樂項目，給家庭帶來更多豐富多彩的生活。
文檔編號A63H29/22GK102631786SQ201210116780
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月20日 優先權日2012年4月20日
發明者丁美榮, 張磊, 徐德成, 朱永康, 朱龍彪, 谷威, 金志鵬 申請人:南通大學