[發明專利]一種滑塊式重心調節機構及控制和使用方法

在審

• 申請號: 201710491855.2
• 申請日: 2017-06-26
• 公開（公告）號: CN107139190A
• 公開（公告）日: 2017-09-08
• 發明（設計）人: 賈永楠
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: B25J13/00
• 分類號: B25J13/00;B25J7/00
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司11237
• 代理人: 張仲波

技術領域

本發明屬于機器人控制領域。涉及一種滑塊式重心調節機構，特別是關于一種可廣泛應用于水下或是空中微小型智能機器人的俯仰姿態控制的模塊化裝置。

背景技術

微小型智能機器人，因其體積小、成本低、功耗低、研究耗時短、多樣的運動能力強，無論從軍事還是民用的角度看，都具有巨大的應用前景。為了拓展機器人可到達的領域，三維運動能力必不可少。特別是針對水下機器人和空中機器人來說，如何實現其在水下和空中的俯仰運動一直都是機器人領域的研究熱點和難點。設計一個易于安裝和拆卸并且可以廣泛應用于小型機器人的模塊化俯仰機構，結合機器人在二維平面內的推進方式，實現機器人三維運動是機器人領域中亟待解決的問題。

針對利用重心調節機構來實現俯仰運動，《新型兩關節機器魚的研制及實驗研究》給出了一種方案，本申請的滑塊裝置與《新型兩關節機器魚的研制及實驗研究》文中的升潛模塊相比具有顯著的區別，理由如下：

1)《新型兩關節機器魚的研制及實驗研究》的升潛裝置通過一個滑動螺旋傳動副(直齒圓柱大齒輪、絲杠)實現活塞的前后移動，完成吸排水，從而實現機器魚升潛。由此可見，《新型兩關節機器魚的研制及實驗研究》的升潛裝置相當于一個活塞式液壓缸，其活塞外側的缸筒須與外部水環境相通，且通過活塞的運動來控制外部水的吸排，因此防水機構設計難度大，且對周圍水環境的擾動比較大。而本申請的滑塊裝置置于機器人體內，只需要整體密封防水，用經典的o型圈即可實現，同時對周圍水環境的擾動非常小，具有很好的隱蔽性能。此外，《新型兩關節機器魚的研制及實驗研究》中通過電機控制活塞運動來吸排水實現升潛，吸排水的速度受到排水孔面積的影響，并且與對環境的擾動成正比。吸排水速度越快，實時性越好，但大大增加了對環境的擾動。也就是說它的實時性和穩定性是相矛盾的。相比較而言，本申請的滑塊裝置靠電機直接控制滑塊的移動來改變重心實現升潛，其實時性和穩定性都能夠得到保證。

隨著水下深度的增加，水下壓力增大，《新型兩關節機器魚的研制及實驗研究》所述的升潛裝置排水所需的動力增大，對機械裝置的強度和防水性能以及電機的力矩的要求增大。而本申請的滑塊升潛裝置則不涉及這個問題。

2)對比《新型兩關節機器魚的研制及實驗研究》的升潛裝置包括直流力矩電機、直齒圓柱小齒輪、直齒圓柱大齒輪、絲杠、缸筒、活塞、絲杠端蓋、缸筒端蓋、電機支座、軸承總成，由于其絲杠必須與活塞一起移動，因此其結構相對比較復雜，成本高。而本申請的滑塊裝置僅包括兩支架、絲杠、光桿、上齒輪、下齒輪和電機，絲杠只在兩支架間轉動，從而帶動滑塊移動，其機械結構非常簡單，成本低，并且經過簡單改裝，就可以廣泛應用于各種小型水下推進器中，具有適應范圍廣、穩定性高、可移植性好等優點。

3)此外，對比《新型兩關節機器魚的研制及實驗研究》的升潛裝置還會涉及到空氣壓縮的問題，雖然可能氣壓并不是很大，但是對機械結構和材質要求相對較高，并且在升潛過程中隨著缸筒內氣壓的不斷變化，對整體的密封性能也會產生一定的影響。而本申請的滑動裝置則不涉及該問題。

綜上所述，本申請中的滑塊裝置相對于對比《新型兩關節機器魚的研制及實驗研究》中的升潛模塊具有突出的實質性特點和顯著的進步。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種結構簡單、控制效果明顯、環境擾動小且能實現俯仰運動的模塊化重心調節結構，應用于水下或是空中微小型智能機器人的俯仰姿態控制的模塊化裝置。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種滑塊式重心調節機構，其特征在于：它包括底蓋和滑塊裝置，滑塊裝置由前支架、后支架、絲杠、光桿、滑塊、下齒輪、上齒輪、電機組成。所述滑塊裝置通過設置在所述底蓋上前支架和后支架固定在底蓋上；所述前、后支架上通過軸承連接絲杠和光桿，所述絲杠和光桿上穿設有滑塊，所述絲杠的一端穿過所述后支架的軸承后，連接下齒輪，所述下齒輪嚙合上齒輪，所述上齒輪固定連接在電機的輸出端，所述電機固定在所述后支架上部。

如上所述一種滑塊式重心調節機構的控制方法，其特征在于：應用于水下或是空中微小型智能機器人的俯仰姿態控制上，所述電機采用的是串口電機(或其他電機或小馬達)，串口電機的轉動角位移通過上、下齒輪的傳動帶動絲杠轉動，進而帶動絲杠上的滑塊實現線位移；其中，串口電機是由單片機通過串口發送命令來控制的。