本技术介绍了一种新型单自由度多关节机构，专为水下探测设备设计，具备双侧可控变形能力。该机构由N个依次连接的关节单元构成，每个单元间通过自由度调整杆相连。每个关节单元由摆杆、架杆、曲柄连杆和滑块组成，形成平面连杆机构。摆杆与架杆前端通过第一销轴连接，架杆另一端与曲柄连杆一端通过第二销轴连接，滑块沿摆杆移动，形成直线移动副。曲柄连杆另一端通过第三销轴连接滑块，摆杆后端与下一个关节单元的摆杆前端固定连接。自由度调整杆两端分别连接两个关节单元的第三销轴。该机构具有驱动单元少、控制简单、轨迹精确、结构轻量化、高可靠性、强大承载能力、可调运动特征和灵活选择原动件位置等优势。
背景技术
仿生柔性扑翼系统在设计上受到了自然界飞行动物的启发，模仿了其高效灵活的运动方式。近年来，仿生理论与仿生机构设计受到广泛关注，尤其是在仿生水下机器人的研发中，通过模拟自然界生物的运动方式来提高机器人的运动能力与效率已成为一项重要研究方向。仿生柔性扑翼系统，特别是其展向变形机构的设计，能够通过多关节结构实现双侧变形，从而满足水下机器人在姿态调节、仿生鱼尾摆动等方面的需求。这类系统因其特殊的应用场景，要求机构布局紧凑、防水性强，并具备高可靠性及精确的运动控制。基于这些特点，仿生柔性扑翼不仅可用于提高水下机器人的姿态调节能力，还为在狭小空间内需要精确操作的其他水下机器人设计提供了重要的技术支持。
多自由度多关节机构通过多电机驱动，具备了更强的灵活性和精细的运动控制能力，可以实现复杂的空间姿态和运动轨迹，尤其适用于仿生机器人领域。在仿生水下机器人中，这类机构能够模仿自然界生物的多种运动方式，实现仿生扑翼、摆尾、摆动等复杂动作，显著提升机器人在水下的机动性与稳定性。
电机驱动的多自由度多关节机构虽然在灵活性和控制精度上具备显著优势，但在某些应用场景中也存在一些不足。首先，这类系统通常占用较大的空间。由于每个自由度都需要单独的电机驱动和传动机构，系统结构相对复杂，且体积庞大。这种空间需求在紧凑型设备中尤其明显，例如水下机器人需要尽可能小型化的设计，以提高操作灵活性并适应狭小空间。然而，电机驱动的多自由度系统往往难以实现这种高度集成的紧凑布局。
其次，动密封设计难度较高。在水下等特殊环境中，电机驱动系统需要进行严密的动密封设计，以确保电机和驱动组件不受水和其他介质的侵入。随着关节和自由度的增加，密封点也相应增加，使得密封设计的难度成倍提升。可靠的动密封不仅增加了设计的复杂性，也在一定程度上增大了故障风险和维护难度。
另外，这类系统的能耗较高。多电机驱动需要为每个自由度配备单独的电机，并消耗相应的能量以维持精确的姿态和运动控制。因此，电机数量的增加直接导致了系统的整体耗能增大。对于续航要求较高的设备，例如水下无人机和长时间作业的机器人，高能耗会大幅缩短设备的使用时间，影响任务执行效率。
重量较大也是一项不可忽视的缺点。每个电机及其相应的传动机构都会增加系统的整体重量，导致多自由度机构通常较为笨重。这对于许多场景，如空中或水下作业来说，都是显著的劣势。在水下机器人中，重量过大会影响浮力和运动性能，使得设备在水中操控不灵活，难以达到预期的运动效果。
综合来看，电机驱动的多自由度多关节机构在占用空间、动密封难度、能耗和重量方面都存在不足，这使其在对空间、续航和灵活性要求较高的场景中具有一定的局限性。
实现思路