CN101318549B - 一种水陆两栖球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水陆两栖球形机器人，其包括一个球形外壳，在该球形外壳内设有包括喷水推进装置、沉浮装置和驱动机构。所述喷水推进装置包括一推进泵，其上连接吸水管和喷水管的一端，吸水管和喷水管的另一端连接在所述球形壳体上开设的吸水口和喷水口上，其上设有控制喷水量遥控机构。所述沉浮装置包括设于球形外壳内的储水箱和其上连接进出水管的一端，该进出水管的另一端连接设于球形外壳上的专用进水口和专用出水口；所述驱动机构固定在球形外壳内的内壁上驱动球形壳体转动；本发明创新性的提出在球形壳体中仅增设一个喷水推进装置，就使得本球形机器人在水中也可以自如灵活地运动。

Description

一种水陆两栖球形机器人

技术领域

本发明属于水陆两栖机器人研究领域，尤其是涉及一种水陆两栖球形机器人。

背景技术

两栖机器人具有很强的环境适应能力，作战范围广泛，容易布放与回收，可以充当侦察设备、武器系统、通讯系统的载体，执行人类无法完成的近海域多种作战任务。此外两栖机器人还可用于海底光缆架设、海底考古等领域，应用前景十分广阔。

球形移动机器人(Spherical mobile robot)是一类将驱动机构和控制系统都包含在一个球形壳体内、利用球形外壳做行走装置的机器人系统。与轮式、足式、仿生等传统机器人相比，球形机器人是一种结构新颖、运动灵活、运行效率高的移动机器人。

球形机器人由于其结构特殊，相比其它机器人有很大的优势：1)外壳全封闭。球形机器人所有控制、驱动机构均封闭于球壳内部，在荆棘和水环境中能够来去自如，不会发生短路或导线挂擦等问题。2)抗倾倒性强。球形机器人行走时，其行走机构为全向球壳，行走过程中不存在翻倒问题。3)运动最灵活。球形机器人可以在陆地上实现全方位行走，转弯半径为零。4)运行效率高。球形机器人在陆地上行走时，外壳与地面接触产生的摩擦力为驱动力，没有被动摩擦轮，运行效率高。5)球形机器人为非完整系统，非完整系统使得球形机器人可以用较少的驱动控制较多的运动自由度。

基于球形机器人的以上特点，本设计在原有的球形机器人研究工作基础上，创新性地设计了一种可水中行走的两栖球形机器人系统。

球形机器人外壳为全封闭的球壳，所以球形机器人既能漂浮于水面，也能潜入深水环境。但由于水介质本身特有的物理属性，使得在硬地能够顺利滚动的球形机器人在水中只能原处自转而难以前进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有球形机器人在水中转动时无法前进的缺点，提供一种无论在陆地上还是在水中都能灵活运动的水陆两栖球形机器人。

在陆地上，由于地面摩擦力的存在，球形机器人依靠内部的全向转动驱动机构就可以实现全方位运动。

本发明提出在球形机器人内部增加喷水推进装置，利用推进泵喷出水流的反作用力推动球形机器人在水中前进。本发明中的喷水推进装置中包含的推进泵仅有一个，其与球形机器人内部的全向转动驱动机构相结合，就可以实现球形机器人水中全方位运动。

本发明的目的是这样实现的：

一种水陆两栖球形机器人，包括一个球形外壳，其内设有可以使得该球形外壳全向转动的驱动机构，其特征在于，还包括一喷水推进装置。

采用的具体技术方案是：

所述喷水推进装置提供球形机器人水中前进动力，主要包括一推进泵、一吸水管、一喷水管、一球壳吸水口和一球壳喷水口。推进泵上的吸水口和喷水口分别连接该吸水管和该喷水管的一端，所述吸水管和喷水管的另一端连接在所述球形壳体上开设的所述球壳吸水口和球壳喷水口上；所述推进泵内部设有控制喷水量的遥控机构。

该遥控机构是与所述推进泵的驱动电机相连接。

所述喷水推进泵可以为直流无刷电机驱动的自吸泵；推进泵的所述泵壳的所述吸水口上设有一逆止阀；所述自吸泵的主轴上的一端固设一叶轮，所述主轴密封地穿出该泵壳，伸出泵壳的所述主轴与直流无刷电机通过联轴器连接，使得电机驱动主轴转动；所述直流无刷电机与所述遥控机构的控制端相连接，在该遥控机构上连接一信号接收器，将收到的遥控器信号输入该遥控机构中的控制电路，该遥控机构驱动直流无刷电机以进行速度调节继而遥控喷水量。

本发明提供的水陆两栖球形机器人，在该球形外壳内还包括一沉浮装置。

具体地，所述沉浮装置包括设于球形外壳内的一储水箱，其上连接一进水管和一出水管的一端，该进出水管的另一端连接设于球形外壳上的沉浮装置进水口和出水口。

具体地，所述沉浮装置中的所述储水箱，其可以是这样的结构：为长方体结构，该储水箱箱体的一面箱壁为可沿另两面相邻的箱壁内部设有的滑轨移动且密封的移动板，该移动板连接一驱动机构，该驱动机构包括固定在球形壳体内壁上的电机和连接电机输出轴和该移动板的传动机构；该储水箱的箱体上设有所述的进水口和出水口。进出水口上各设有一遥控调节阀门，该进水口通过进水管连接在所述球形壳体上的一进水口上，该出水口与一自吸泵相连接，该自吸泵的出水口连接到所述球形壳体的一出水口上。

根据阿基米德定律，移动移动板和调节所述调节阀，改变储水箱中的储水量，就可以实现球形机器人在水中的沉浮。

进水时，开启储水箱进水口阀门，同时启动移动板连接的驱动机构，使得移动板后退，储水箱容积增大，压强减小，水流入储水箱，球形机器人在水中开始下沉。当液位达到预定位置后，关闭进水口阀门并使得驱动机构停止运动。抽水时，开启储水箱出水阀门，启动自吸泵，使得储水箱中水被抽出，球形机器人可实现在水中上升。抽水时，储水箱中液位下降，压强减小，调节水箱移动板，缩小储水箱体积，提高储水箱内压强，这样可以防止储水箱在外界压力过大的情况下发生破裂。

该球形外壳内设置的所述驱动机构固定在球形外壳的内壁上驱动球形壳体转动。所述驱动机构的构型采用如下两种机构：其一为BYQ-2型球形机器人的构型，该构型球形机器人的驱动机构是一种电机驱动齿轮传动机构，该传动机构连接一偏心重块装置；其二为BYQ-3型球形机器人的构型，该构型球形机器人的驱动机构包括一长方形内框，其上连接电机，内框上连接偏心重块装置。该水陆两栖球形机器人的工作原理是：

在陆地上，仅靠驱动机构驱动球形机器人就可以实现其全方位运动，转弯半径为零；在水中，通过驱动机构驱动球形机器人转动，调整本球形机器人的喷水口的位置，然后通过遥控装置使喷水装置开始喷水，水流的反作用力推动球形机器人前进；改变喷水口位置，喷水方向随之改变。由于所述球形机器人具有全方位转动的特性，使得喷水口可全方位改变位置，因此可实现球形机器人水中全方位运动，水中转弯半径为零。根据阿基米德定律，增加或减少储水箱中的水量，就可实现球形机器人在水中的沉浮。

本发明创新性地提出在球形机器人壳体中只增设一个喷水推进泵，利用现有球形机器人驱动结构的特点，使得球形机器人在水中也可以自如灵活地运动。遥控电路技术为现有技术中已有技术，将其应用在自吸泵控制中，就可以很好地解决球形机器人在水中无线操控移动和水中移动速度控制问题。再配合本球形机器人装有的沉浮装置，可以使得本球形机器人在水中的任何地方停留。停留在水中时，喷水推进装置勿需工作，待需要移动时喷水装置才启动。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是以BYQ-2构型为基础的水陆两栖球形机器人结构图。

图2是以BYQ-3构型为基础的水陆两栖球形机器人结构图。

图3是推进泵的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的具体特征及技术手段。

如图1所示，本发明提供的水陆两栖球形机器人包括一个球形外壳1，球形外壳1由上下两个半球壳组合拼接而成，上下球壳各开一个同直径的大圆口，为吸水口10和喷水口8。此外球壳上还有两个同直径的小圆口，为沉浮装置用进水口13d和出水口13e。球形外壳1中包括一喷水推进装置，所述喷水推进装置包括一推进泵3，推进泵3的吸水口和喷水口分别连接吸水管2和喷水管7的一端，吸水管2和喷水管7的另一端连接在球形壳体1上开设的吸水口10和喷水口8上，推进泵3内设有通过接收遥控信号来控制喷水量的遥控机构。上下球壳接缝处采用硅胶垫静密封。水管接口处均有密封装置。

在球形壳体中还设有驱动机构和沉浮装置。

如图1所示，所述沉浮装置包括一储水箱13，其为长方体结构，该储水箱箱体的一面箱壁为可沿另两面相邻的箱壁上的内部设有的滑轨移动的移动板13a，该移动板13a连接一驱动机构(图中未示出)，该驱动机构包括固定在球形壳体内壁上的电机和连接电机输出轴和该移动板的传动机构；该储水箱的箱体上有一个进水口13b和一个出水口13c。进出水口各有一遥控调节阀门(图中未示出)，该进水口13b通过进水管连接在所述球形壳体上的一进水口13d上，该出水口13c与一自吸泵(图中未示出)相连接，该自吸泵的出水口连接到所述球形壳体的一出水口13e上。

开启进水口阀门，水流入储水箱，球形机器人在水中开始下沉。当液位达到预定位置后，关闭进水口阀门。抽水时，开启出水阀门，启动自吸泵，储水箱中水被抽出，球形机器人可实现在水中上升。抽水时，储水箱中液位下降，压强减小，调节水箱移动板，缩小储水箱体积，提高储水箱内压强。可以防止储水箱在外界压力过大的情况下发生破裂。储水时，再将移动板调回原位置。

调节阀连接遥控机构的控制电路，该控制电路接收外界信号，控制调节阀的移动，所述自吸泵也是连接遥控机构，接受外界信号进行启动和停止，由此，实现球形机器人在水中的沉浮。

如图1所示，所述驱动机构包括驱动电机5和驱动电机14，在球形壳体1的内壁上固设长轴杆件9、16，9、16通过中心连接块4连接组成长轴，在该长轴上与之垂直地固设一短轴12，在短轴12的两端各固设一系杆，在其中一个该系杆上固设一电机14，在短轴12上套设一直齿轮和一锥齿轮，该直齿轮和锥齿轮一体连接，直齿轮与电机14的输出轴上的齿轮啮合，锥齿轮与长轴上设置的另一锥齿轮啮合；短轴上还固设一直齿轮，在另一系杆上固设驱动电机5，该电机输出轴上设一齿轮与短轴上固设的该直齿轮啮合；在两个系杆上还各固设一配重件15、6。驱动电机14通过相啮合的两个直齿轮和两个锥齿轮组成的齿轮传动机构11驱动该长轴9转动，带动球形机器人绕长轴9、16转动；驱动电机5可使短轴转动，同时使得固定在系杆上的配重6、15绕短轴12转动，使球形机器人重心改变，随之绕短轴12转动。电机5、14同时驱动，调节两电机的转速，绕长短轴的转动的合转动因电机转速的不同可以是任意方位的，因此可实现球形机器人的全方位转动。所述的长轴9和短轴12相互垂直设置。由此构成BYQ-2型球形机器人驱动机构的构型。

如图2所示的水陆两栖球形机器人，其中的沉浮装置和喷水推进装置与图1所示的结构相同。球形外壳21的上下球壳各开一个同直径的圆口，为吸水口28和喷水口27，推进泵25连接吸水管23和喷水管26的一端，吸水管23和喷水管26的另一端连接在球形壳体21上开设的吸水口28和喷水口27上，推进泵25内设有控制喷水量的遥控机构。沉浮装置211与球壳上开设的沉浮装置用进水口、出水口相连接。

所不同的是驱动机构构型，所述驱动机构包括一个铝框213，其上连接长轴22，长轴22固接在球形壳体21的内壁上。在铝框213上设置短轴210，其与长轴垂直，在该短轴210上连接配重212，短轴上连接电机24。电机29外壳与铝框213固连，输出转动使铝框转动，实现球形机器人绕长轴转动；电机24外壳与铝框固连，输出转动使配重绕短轴转动，球形机器人重心改变，随之绕短轴转动。两电机24、29同时驱动，调节电机转速，可实现球形机器人全方位转动。由此构成BYQ-3型球形机器人的驱动机构的构型。

如图3所示，喷水推进泵设置在固定于球形壳体内壁上的底座311上，泵壳上设有吸水口31连接前述的吸水管2，喷水口32连接前述的喷水管7，吸水口31上设有逆止阀33，防止循环倒流。自吸泵的泵壳固接于该底座311上。自吸泵的主轴36的一端固设叶轮34，主轴36穿出泵壳，在泵壳与主轴36接缝处设置密封填料35。伸出泵壳的主轴通过联轴器37与直流无刷电机310连接，电机310驱动主轴转动。电机310与遥控机构39连接，该遥控机构39与信号接收器38相连，接收遥控器信号驱动直流无刷电机310。电机的主轴36带动叶轮34转动，水从吸水口31被吸入，从喷水口32喷出。

前述沉浮装置中的自吸泵的结构和工作过程与如图3所示的喷水推进泵结构相似，也连接有同样的遥控机构。此处不再赘述。

本水陆两栖球形机器人中各个电机上设有的遥控机构均为现有技术，该遥控机构可以包括航模式遥控发射器、航模遥控接收器和DSP信号处理电路。航模遥控接收器接收到发射器信号后输出一串脉冲信号，当转动发射器的操纵杆时，脉冲宽度会相应的产生变化。DSP捕捉端口捕捉发射器输出信号的上升沿跳变和下降沿跳变，经过计算得出信号脉冲宽度，根据脉冲宽度的变化调整PWM的占空比，从而改变电机的转速。

本发明提供的水陆两栖球形机器人，还可以是这样的：在球形壳体中只包括所述驱动机构和一个所述喷水推进装置，所述喷水推进装置如图1中所示，包括一个推进泵3，还包括与其配套的一吸水管2、一喷水管7以及在该球形外壳上开设的一球壳吸水口10和一球壳喷水口8；所述推进泵上的吸水口和喷水口分别连接该吸水管2和该喷水管7的一端，所述吸水管和喷水管的另一端连接在所述球形壳体1上开设的所述球壳吸水口10和球壳喷水口8上；所述推进泵3内部设有控制喷水量的遥控机构39。在该球形机器人的球形壳体中不设置沉浮装置。这种机器人结构简单。通过其中设有的驱动机构和喷水推进装置可以在水中向任意方向自如的运动。

Claims (9)

1.一种水陆两栖球形机器人，包括一个球形外壳(1)，其内设有可以使得该球形外壳全向转动的驱动机构，其特征在于，其内还包括一喷水推进装置。

2.如权利要求1所述的水陆两栖球形机器人，其特征在于，所述喷水推进装置包括一个推进泵(3)，还包括与其配套的一吸水管(2)、一喷水管(7)以及在该球形外壳上开设的一球壳吸水口(10)和一球壳喷水口(8)；所述推进泵上的吸水口和喷水口分别连接该吸水管(2)和该喷水管(7)的一端，所述吸水管和喷水管的另一端连接在所述球形壳体(1)上开设的所述球壳吸水口(10)和球壳喷水口(8)上；所述推进泵(3)内部设有控制喷水量的遥控机构(39)。

3.如权利要求2所述的水陆两栖球形机器人，其特征在于，所述推进泵为直流无刷电机驱动的自吸泵(3)；所述直流无刷电机(310)与所述遥控机构(39)的控制端相连接，在该遥控机构(39)上连接一信号接收器(38)，将收到的遥控器信号输入该遥控机构(39)中，该遥控机构(39)驱动直流无刷电机以进行速度调节继而遥控喷水量。

4.根据权利要求2所述的水陆两栖球形机器人，其特征在于：所述推进泵为直流无刷电机驱动的自吸泵(3)；所述自吸泵(3)的泵壳的所述吸水口(31)上设有一逆止阀(33)；所述自吸泵(3)的主轴(36)的一端固设一叶轮(34)，另一端密封地穿出该泵壳，与所述直流无刷电机(310)通过联轴器(37)连接，使得所述直流无刷电机(310)驱动所述主轴转动；在所述直流无刷电机(310)上连接一遥控机构(39)，在该遥控机构(39)上连接信号接收器(38)，将收到的遥控器信号输入遥控机构(39)，遥控机构(39)驱动直流无刷电机(310)进行速度调节，继而遥控喷水量。

5.如权利要求1所述的水陆两栖球形机器人，其特征是，所述球形外壳内还包括一沉浮装置。

6.如权利要求5所述的水陆两栖球形机器人，其特征是，所述沉浮装置包括设于球形外壳内的储水箱(13，211)，该储水箱上设有一个进水口和一个出水口，该进水口和出水口上分别连接一进水管和一出水管的一端，该进出水管的另一端分别连接设于所述球形外壳上的沉浮装置进水口和沉浮装置出水口。

7.如权利要求6所述的水陆两栖球形机器人，其特征是，所述沉浮装置包括的所述储水箱，其为长方体结构，该储水箱箱体的一面箱壁为可沿另两面相邻的箱壁上的内部滑轨移动的移动板，该移动板连接一驱动机构，该驱动机构包括固定在球形壳体内壁上的电机和连接电机输出轴和该移动板的传动机构。

8.如权利要求6或7所述的水陆两栖球形机器人，其特征是，所述沉浮装置储水箱的进出水口各有一遥控调节阀门，该储水箱的出水口与一沉浮装置用自吸泵的进水口相连接，该沉浮装置用自吸泵的出水口连接到所述球形壳体的所述出水口上。

9.如权利要求1所述的水陆两栖球形机器人，其特征是，所述球形外壳(1)由上下两个半球壳组合拼接而成，所述上下球壳接缝处设置硅胶垫静密封结构。

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