一种采用静密封的磁齿轮传动仿生机器鱼及其关节模块的制作方法

本发明涉及仿生机器人，尤其是涉及一种采用静密封的磁齿轮传动仿生机器鱼及其关节模块。

背景技术：

1、与采用螺旋桨推进的水下机器人(如auv、rov等)相比，采用身体波动推进原理的仿生机器鱼具有机动性强、运动效率高、运动噪声小、环境友好等一系列优势，近年来得到了广泛研究，并在科教娱乐、水质监测、生态环境保护、珍稀水产养殖以及特种侦查等领域具备广阔应用前景。

2、仿生机器鱼的身体一般由往复摆动的关节组成，关节往复摆动的幅度和频率决定了机器鱼的运动速度，对机器鱼的运动性能起着决定性作用。为使得机器鱼具备较高的运动性能和耐用性：一方面，需要关节具备较高的扭矩输出能力(关节所需扭矩与摆动频率的平方成正比)和过载保护能力(关节往复摆动、频繁加减速容易引起过载)；另一方面，需要关节模块具备优异的防水密封性能，以避免旋转动密封组件磨损失效、渗水引起电路板短路、内部腐蚀等问题。如何同时满足以上要求，成为机器鱼设计和应用至关重要的问题。

3、常见的螺旋桨防水驱动电机一般为无刷直流电机(bldc)，只需要进行速度控制，且工作在高转速下，电机输出扭矩较小。但对于仿生机器鱼来说，通常需要电机工作在位置控制或者力矩控制模式下，且关节输出的扭矩较大，螺旋桨防水驱动电机无法满足要求。为保证机器鱼在涉水环境中进行高效运动，目前主要采用以下三种方案：

4、(1)关节模块采用防水舵机方案，控制电路部分采用静密封

5、该方案一方面防水舵机需要单独定制，加工制作工艺难以保证；另一方面，舵机本身控制功能较为简单，性能不稳定，仅能进行位置控制(为保证仿生鱼的运动效率，还应该能够进行力矩控制以支持关节柔顺控制)。上述缺点使得机器鱼经常因为瞬时过载(如加速启动、转弯过急等)出现减速齿轮齿根磨平或者卡滞现象，或者转动僵硬、运动不灵活的问题，导致了机器鱼整体的可靠性和运动平稳性大幅下降。

6、(2)关节模块采用电机+机械减速器+旋转动密封方案

7、该方案旋转密封组件或结构复杂、加工装配要求精度高(特别对于机械密封来说)或者摩擦阻力大(如o型圈)，难以做到长时间可靠密封。

8、(3)仿生机器鱼身体采用防水外衣整体密封方案

9、该方案中，防水外衣不仅会限制关节的运动范围，增加运动阻力，而且采用防水织物或者涂层也面临着使用多次后磨损渗水或者被水面尖锐物体划伤的问题。如果防水外衣包裹住整个机器鱼，还会出现散热困难导致机器鱼长时间运行后(>10min)因为电气控制系统过热关机或者损坏的问题。

10、圣安娜大学生物机器人研究所的研究团队将磁传动无接触和过载保护优势应用于仿生机器鱼，通过巧妙地布置永磁体的空间位置，将电机的连续旋转运动转化为部件往复摆动，然后将单关节的往复摆动通过线驱动传递制机器鱼全身，实现仿生机器鱼的身体波动游泳。然而，为保证一定的摆动角度，该方案的磁传动结构中，永磁体之间的距离相差较大，导致关节输出摆动力矩较小。同时，该方案无法调节机器鱼摆动幅值，并且只适用于采用线驱动的微小型仿生机器鱼。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于，解决现有仿生机器鱼关节模块旋转动密封容易失效的问题。

2、本发明的目的还在于，解决现有仿生机器鱼短时过载以及电机输出扭矩不足的问题。

3、为实现上述目的，本发明的技术方案为：

4、本发明的第1方面，提供了一种仿生机器鱼的关节模块，包括壳体和磁齿轮组件；壳体包括一防水密封空间，壳体的上下两侧分别延伸形成第一连接板和第二连接板；磁齿轮组件包括设置在防水密封空间中的输入磁齿轮、调制块以及设置在第一连接板上的输出磁齿轮；壳体的上下侧面、第一连接板以及第二连接板分别设置用于安装转动部件的安装结构，使得两个关节模块可通过安装在一个关节模块的壳体的上下侧面的转动部件分别与安装在另一个关节模块的第一连接板和第二连接板上的转动部件构成转动副实现关节连接，并通过一个关节模块中的输入磁齿轮驱动另一个关节模块中的输出磁齿轮旋转实现关节运动。

5、在其他的实施例中，实现关节连接的转动副、一个关节模块的输入磁齿轮和调制块以及另一个关节模块的输出磁齿轮的中心轴线共轴。

6、在其他的实施例中，壳体包括底座、上盖和密封圈，底座具有一容腔，沿容腔一侧延伸形成第二连接板；上盖设置在底座上方以覆盖容腔，其一侧延伸形成与第二连接板相对设置的第一连接板；密封材料，设置在上盖与底座之间，以将容腔密封为防水密封空间。

7、在其他的实施例中，磁齿轮组件还包括设置在容腔中的电机，固定安装在电机上的齿轮安装盘，齿轮安装盘包括沿圆周方向均匀设置的多个扇形或梯形安装槽，输入磁齿轮包括对应固定安装在安装槽中的多个磁体。

8、在其他的实施例中，磁齿轮组件还包括设置在容腔中的电池和控制板，分别与电机电连接。

9、在其他的实施例中，上盖下表面沿圆周方向均匀设置多个安装槽，多个调制块对应固定安装在安装槽中；第一连接板下表面沿圆周方向均匀设置多个安装槽，输入磁齿轮包括对应固定安装在安装槽中的多个磁体。

10、在其他的实施例中，上盖上表面设有一盲孔，一轴承嵌装在该盲孔中，第一连接板设有用于安装法兰轴的阶梯通孔，法兰轴尺寸与轴承适配以在两个关节模块关节连接时形成转动副。

11、在其他的实施例中，底座下表面设置用于安装轴套的安装孔，第二连接板设置用于安装转轴的安装孔，轴套尺寸与转轴适配以在两个关节模块关节连接时形成转动副。

12、本发明的第2方面，提供了一种仿生机器鱼，包括至少两个所述的关节模块，两个关节模块通过安装在一个关节模块的壳体的上下侧面的转动部件分别与安装在另一个关节模块的第一连接板和第二连接板上的转动部件构成转动副实现关节连接，并通过一个关节模块中的输入磁齿轮驱动另一个关节模块中的输出磁齿轮旋转实现关节运动。

13、在其他的实施例中，其中一个关节模块未在防水密封空间中设置输入磁齿轮、调制块。

14、与现有方案相比，本发明具有如下的有益效果：

15、(1)本发明无需使用旋转动密封结构，避免了复杂动密封结构或者高成本的定制防水电机，降低了设计/装配难度，提高了仿生机器鱼的可靠性。

16、(2)本发明采用磁齿轮组件可以与成熟关节电机配合使用，也可以直接代替机械式行星减速齿轮，因此大大简化了关节模块结构；

17、(3)本发明采用磁齿轮的关节模组具有自动过载保护功能，在突然加速或者急转弯过程中，能够有效保护减速器和电机。

18、通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

技术特征：

1.一种仿生机器鱼的关节模块，其特征在于，包括壳体和磁齿轮组件；壳体包括一防水密封空间，壳体的上下两侧分别延伸形成第一连接板和第二连接板；磁齿轮组件包括设置在防水密封空间中的输入磁齿轮、调制块以及设置在第一连接板上的输出磁齿轮；壳体的上下侧面、第一连接板以及第二连接板分别设置用于安装转动部件的安装结构，使得两个关节模块可通过安装在一个关节模块的壳体的上下侧面的转动部件分别与安装在另一个关节模块的第一连接板和第二连接板上的转动部件构成转动副实现关节连接，并通过一个关节模块中的输入磁齿轮驱动另一个关节模块中的输出磁齿轮旋转实现关节运动。

2.根据权利要求1所述的关节模块，其特征在于，实现关节连接的转动副、一个关节模块的输入磁齿轮和调制块以及另一个关节模块的输出磁齿轮的中心轴线共轴。

3.根据权利要求2所述的关节模块，其特征在于，壳体包括底座、上盖和密封圈，底座具有一容腔，沿容腔一侧延伸形成第二连接板；上盖设置在底座上方以覆盖容腔，其一侧延伸形成与第二连接板相对设置的第一连接板；密封材料，设置在上盖与底座之间，以将容腔密封为防水密封空间。

4.根据权利要求3所述的关节模块，其特征在于，磁齿轮组件还包括设置在容腔中的电机，固定安装在电机上的齿轮安装盘，齿轮安装盘包括沿圆周方向均匀设置的多个扇形或梯形安装槽，输入磁齿轮包括对应固定安装在安装槽中的多个磁体。

5.根据权利要求4所述的关节模块，其特征在于，磁齿轮组件还包括设置在容腔中的电池和控制板，分别与电机电连接。

6.根据权利要求3所述的关节模块，其特征在于，上盖下表面沿圆周方向均匀设置多个安装槽，多个调制块对应固定安装在安装槽中；第一连接板下表面沿圆周方向均匀设置多个安装槽，输入磁齿轮包括对应固定安装在安装槽中的多个磁体。

7.根据权利要求3所述的关节模块，其特征在于，上盖上表面设有一盲孔，一轴承嵌装在该盲孔中，第一连接板设有用于安装法兰轴的阶梯通孔，法兰轴尺寸与轴承适配以在两个关节模块关节连接时形成转动副。

8.根据权利要求3所述的关节模块，其特征在于，底座下表面设置用于安装轴套的安装孔，第二连接板设置用于安装转轴的安装孔，轴套尺寸与转轴适配以在两个关节模块关节连接时形成转动副。

9.一种仿生机器鱼，其特征在于，包括至少两个如权利要求1-8任一项所述的关节模块，两个关节模块通过安装在一个关节模块的壳体的上下侧面的转动部件分别与安装在另一个关节模块的第一连接板和第二连接板上的转动部件构成转动副实现关节连接，并通过一个关节模块中的输入磁齿轮驱动另一个关节模块中的输出磁齿轮旋转实现关节运动。

10.根据权利要求9所述的仿生机器鱼，其特征在于，其中一个关节模块未在防水密封空间中设置输入磁齿轮、调制块。

技术总结本发明公开了一种采用静密封的磁齿轮传动仿生机器鱼及其关节模块，属于仿生机器人技术领域。关节模块，包括壳体和磁齿轮组件；壳体包括一防水密封空间，壳体的上下两侧分别延伸形成第一连接板和第二连接板；磁齿轮组件包括设置在防水密封空间中的输入磁齿轮、调制块以及设置在第一连接板上的输出磁齿轮；壳体的上下侧面、第一连接板以及第二连接板分别设置用于安装转动部件的安装结构。本发明无需使用旋转动密封结构，避免了复杂动密封结构或者高成本的定制防水电机，降低了设计/装配难度，提高了仿生机器鱼的可靠性。技术研发人员：李磊,姬宇,吴晅受保护的技术使用者：中国电子科技南湖研究院技术研发日：技术公布日：2024/4/17