CN101337494B - 一种水陆两栖仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于：它包括一个密封的主舱体和四个桨腿复合推进机构，主舱体内设置有控制装置、电源装置和水路环境检测传感器；四个桨腿复合推进机构两两相对且对称设置在主舱体两侧，每个桨腿复合推进机构均包括两个主动杆、一从动杆和一摆动桨，两个主动杆的一端分别连接两电机的输出端，且一个主动杆靠近主舱体中间部位，它的另一端通过一转轴连接摆动桨一端；另一主动杆靠近主舱体外侧，它的另一端通过一转轴连接从动杆，从动杆通过一转轴连接摆动桨的中间位置，摆动桨的另一端为执行末端。本发明具有良好的环境适用能力，稳定可靠，运动灵活，可在沼泽、近海域地带完成各种勘查、作业等任务，在未来的海上登陆作战中也可发挥重要的作用。

Description

一种水陆两栖仿生机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是关于一种基于桨腿复合推进机构的水陆两栖仿生机器人。

背景技术

机器人按工作环境大致可分为陆地、水下和空中机器人，由于工作环境单一，机器人在复杂环境中完成任务的能力受到了极大的限制。而在自然界，动物经过亿万年的自然选择，进化出了卓越的环境适应能力，比如大多数鸟类既可在空中飞行又能在陆上行走，两栖动物中的龟、鳄鱼等则不仅可在水中游动又能在陆地爬行。受两栖动物的启发，能够适应多变陆地地形和复杂水环境的水陆两栖机器人引起了人们的浓厚兴趣，其主要研究价值表现在：(1)无论是陆地环境、水下环境还是沿海滩涂，两栖机器人都能够正常工作，表现出极强的环境适应性，具有完成复杂任务的能力，在军用、民用、科考等诸多领域具有巨大的潜在应用价值；(2)两栖机器人可通过陆地或者水上两种方式进行投放并可立即投入工作，与水下机器人相比无需额外考虑复杂的回收设备，既提高了机器人自身的生存能力又降低了使用成本；(3)水陆两栖机器人可自主完成水中和陆地之间的运动转换，研究在不同环境之间的运动切换方式有助于揭示进化过程中动物如何实现从水生到陆生的转变。

推进系统方案的设计是两栖机器人研制的首要问题。将传统陆地和水中推进方式相结合，采用两套独立的推进系统分别实现水陆运动存在着系统复杂、机构冗余、稳定性差等缺点，因而设计适用于水陆两种环境的复合推进机构，通过改变机构的配置和控制方式实现水陆运动是两栖机器人设计中亟需解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种采用桨腿复合推进机构实现水陆两栖运动的水陆两栖仿生机器人。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种水陆两栖仿生机器人，它包括一个密封的主舱体和四个桨腿复合推进机构，所述主舱体内设置有控制装置，四个所述桨腿复合推进机构两两相对且对称设置在所述主舱体两侧，每个所述桨腿复合推进机构均包括第一主动杆、第二主动杆和摆动桨，所述第一主动杆靠近所述主舱体中间部位，所述第二主动杆靠近所述主舱体外侧，且所述第一主动杆和第二主动杆的一端分别连接两电机的输出端，所述第一主动杆的另一端通过一转轴连接所述摆动桨一端，所述摆动桨的另一端为执行末端，其特征在于：所述主舱体内还设置有电源装置和用来检测水陆环境的压力传感器和红外测距传感器，所述第二主动杆的另一端通过一转轴连接一从动杆，所述从动杆通过一转轴连接所述摆动桨的中间位置。

所述主舱体包括一壳体，所述壳体的前后两端均为圆弧形，所述壳体的左右两侧、前后两端以及上部均设置有窗口，所述壳体左右两侧的窗口上分别设置有两个与之形状对应的侧盖，所述壳体前后两端的窗口上分别设置有两个与之形状对应的前、后端盖，所述壳体上部的窗口上设置有一与之形状对应的顶盖，所述侧盖、前端盖、后端盖以及顶盖为轻质铝合金材料，各所述窗口上均设置有密封圈。

每个所述侧盖的内侧均设置有两组四个所述电机，每个所述电机的转轴均通过联轴器连接一输出轴，每组所述电机的输出轴分别连接一个所述桨腿复合推进机构的第一主动杆和第二主动杆，且所述侧盖上设置有与所述输出轴同心的动密封机构。

所述前端盖上设置有一超声测距传感器、一视觉传感器和一红外测距传感器，且所述视觉传感器的前方设置有一透明玻璃盖。

所述主舱体内设置有一用来检测机器人姿态的加速度传感器。

所述电源装置包括电机电源和逻辑电源两套独立的电源系统，所述电机电源给八个所述电机供电，所述逻辑电源给所述控制装置和传感器供电。

所述后端盖上设置有一电机电源开关、一电机电源充电插头、一逻辑电源开关，一逻辑电源充电插头和一用于机器人无线通信所需的天线，且所述电机电源开关和逻辑电源开关均采用防水开关。

所述摆动桨采用轻质有机复合材料。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用仿生的复合推进方式，在水陆两种环境中的运动采用同一推进机构，运动模式可自动切换，因此具有良好的环境适应能力。2、本发明中四个对称分布的桨腿复合推进机构，在陆地行走时其构型为四个步行腿，可实现多种行走步态，不仅可以使机器人在复杂的非结构环境中稳定行走，而且提高了机器人对复杂地形的适应能力和越障能力。3、本发明中四个对称分布的桨腿复合推进机构，在水下时可变换为仿生拍动翼，使本发明的水下运动具有高效率、高机动性和良好的隐蔽性等优点。4、本发明采用五杆并联机构进行传动可使驱动电机和电路全部安装在主舱体内部，避免了电机的单独防水密封，同时降低了机器人的机构复杂度。5、本发明中每个桨腿复合推进机构都有两个主动件，可将所受力矩分担到两个驱动电机上，增加了机器人的负载能力。本发明具有良好的环境适应能力，稳定可靠，运动灵活，可在沼泽、近海域地带完成各种勘查、作业等任务，在未来的海上登陆作战中也可发挥重要的作用。

附图说明

图1是本发明的整体立体结构示意图

图2是本发明的主舱体立体结构分解示意图

图3是本发明的主舱体前端盖示意图

图4是本发明的主舱体后端盖示意图

图5是本发明的主舱体左侧盖示意图

图6是本发明的桨腿复合推进机构示意图

图7是本发明的桨腿复合推进机构模型示意图

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括一密封的主舱体1和四个桨腿复合推进机构2。

如图2所示，本发明的主舱体1包括一壳体3，为了减小本发明游动时的流体阻力，壳体3的前后两端均为圆弧形。壳体3的左右两侧、前后两端以及上部均设置有窗口，在壳体3左右两侧的窗口上分别设置有两个与之形状对应的左、右侧盖4、5，四个桨腿复合推进机构2两两相对且对称设置在左、右侧盖4、5上。壳体3前后两端的窗口上设置有两个与之形状对应的前、后端盖6、7，在壳体3上部的窗口上设置有一与之形状对应的顶盖8，为了达到防水密封的目的，在壳体3的左右两侧，前后两端和上部窗口上均设置有O形密封圈，左、右侧盖4、5，前、后端盖6、7以及顶盖8均通过螺纹固定连接到壳体3上。为了减小本发明的重量，壳体3，左、右侧盖4、5，前、后端盖6、7以及顶盖8均由轻质铝合金材料加工而成。在壳体3的前下方设置有一压力传感器9和一红外测距传感器10，用来检测水陆环境的变化以采取相应的运动方式。壳体3的空腔内部空间设置有控制装置、电源装置以及用来检测本发明姿态的加速度传感器，比如ADXL330的加速度传感器。

如图3所示，前端盖6上设置有一超声测距传感器11、一视觉传感器12和一红外测距传感器13，用来实现本发明机器人的避障和自主导航。在视觉传感器12的前方设置有一透明玻璃盖14。为了实现防水密封，超声测距传感器11、视觉传感器12、红外测距传感器13和透明玻璃盖14均通过防水密封胶粘结到前端盖6上。

由于本发明在运行时电机消耗的电流较大，容易引起电源电压的不稳定，为了保证控制装置的稳定运行和传感器的精确测量，本发明的电源装置采用电机电源和逻辑电源两套独立的电源系统，分别给电机和控制装置、传感器等逻辑电路进行供电。如图4所示，在后端盖7上设置有一电机电源开关15、一电机电源充电插头16、一逻辑电源开关17、一逻辑电源充电插头18和一用于机器人无线通信所需的天线19。为了实现防水，电源开关15、17均采用防水开关，并将以上各部件通过防水密封胶粘结到后端盖7上。

本发明的左、右侧盖4、5为对称的结构，故仅以左侧盖4为例进行说明。如图5所示，左侧盖4的内侧设置有四个电机20、21、22、23，各电机均可以采用型号Hitec 5955的大扭距直流伺服舵机(仅以此为例，但不限于此)。由于各电机采用了相同的安装和运动输出方式，故仅以电机20为例进行说明。电机20通过左、右支架24、25由螺纹连接固定到左侧盖4的内侧，电机20的转轴通过联轴器连接一输出轴26，在左侧盖4上安装了与输出轴26同心的动密封机构27，通过动密封机构27内部的黄油层可实现转动输出轴26的防水密封。

如图6所示，桨腿复合推进机构2包括两主动杆28、29，一从动杆30和一摆动桨31，主动杆28、29的一端分别与驱动电机20、21的输出轴26相连接，并由驱动电机20、21带动产生旋转运动，靠近左侧盖4中间部位的主动杆29的另一端通过一转轴32连接摆动桨31的一端，在主动杆29内具有转动轴承(图中未示出)以支撑转轴32。靠近左侧盖4外侧的主动杆28的另一端通过一转轴33连接从动杆30，从动杆30通过一转轴(图中未示出)连接摆动桨31的中间部位，摆动桨31的另一端为执行末端。为提高本发明的动态行走能力并减小对各电机的力矩冲击，摆动桨31应比重较轻且具有适当的柔性，因此本发明的摆动桨31采用轻质有机复合材料加工而成，摆动桨31的位姿可由电机20、21的转角确定。

如图7所示，桨腿复合推进机构2可建模为平面五杆并联机构。平面五杆并联机构的五个端点分别为A、B、C、D、E，执行末端端点为Z，

与

在一条直线上，五杆长度分别为l₁、l₂、l₃、l₄、l₅，端点Z与端点C之间的距离为l₆，

与x轴的夹角分别为θ₁、θ₂、θ₃、θ₄，以A点为坐标原点，

所在方向为x轴正方向，则可得到如下矢量关系：

$\stackrel{\→}{\mathrm{AZ}}=\stackrel{\→}{\mathrm{AE}}+\stackrel{\→}{\mathrm{ED}}+\stackrel{\→}{\mathrm{DZ}}$

将上式展开，得到：

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_x=l_5+l_4\cos {\mathrm{\θ}}_4+(l_3+l_6)\cos {\mathrm{\θ}}_3\\ Z_y=l_4\sin {\mathrm{\θ}}_4+(l_3+l_6)\sin {\mathrm{\θ}}_3\end{array}\right.$

当已知端点Z的空间位置，根据以上关系式可求出两个主动杆的角度控制量θ₁和θ₄，结果为：

${\mathrm{\θ}}_1=\arccos \frac{-2R_1{R}_2\±\sqrt{{\mathrm{\Δ}}_1}}{2({R_2}^2+{R_3}^2)}$

${\mathrm{\θ}}_4=\arccos \frac{2K_1{K}_2\±\sqrt{{\mathrm{\Δ}}_2}}{2({K_2}^2+{K_3}^2)}$

其中，R₁＝(Z_x-l₆ cosθ₃)²+(Z_y-l₆ sinθ₃)²+l₁ ²-l₂ ²

R₂＝-2l₁(Z_x-l₆cosθ₃)

R₃＝-2l₁(Z_y-l₆sinθ₃)

Δ₁＝(2R₁R₂)²-4(R₂ ²+R₃ ²)(R₁ ²-R₃ ²)≥0

K₁＝(Z_x-l₅)²+Z_y ²+l₄ ²-(l₃+l₆)²

K₂＝2l₄(Z_x-l₅)

K₃＝2l₄Z_y

Δ₂＝(2K₁K₂)²-4(K₂ ²+K₃ ²)(K₁ ²-K₃ ²)≥0

对于本发明的特定运动模式，可首先规划摆动桨31执行末端的运动轨迹，之后对该轨迹进行离散化，最后通过以上求取位姿逆解的方法确定在每个离散位置的控制量。由于根据以上逆解分析最多可得到五杆机构的四种构型，在确定所需构型时应避免出现不相邻杆相交和产生不连续控制输出的情况。

当本发明在陆地上时，四个桨腿复合推进机构2作为步行腿支撑主舱体1，摆动桨31的执行末端着地。当本发明运动时，由各电机20、21输出转角，带动摆动桨31完成抬腿、跨越、放腿的步行运动。通过四个桨腿复合推进机构2的协调运动，本发明可实现多种行走步态，并可灵活调整其步频和步幅。

当本发明在水中时，连接到摆动桨31一端的主动杆29与主舱体1保持一固定夹角，主动杆29为活动件，带动摆动桨31绕其一端进行周期摆动。通过四个摆动桨31的协调运动，本发明可在水中完成前进、后退、转弯、升潜等运动。

当本发明机器人从陆地向水中行走时，通过测量压力传感器9的输出量可判断本发明机器人没入水中的深度，当测量值超过一定阈值时将运动转换为游动模式。红外测距传感器10可测量本发明机器人到水底的距离，当水底距离到达本发明机器人的步行腿可触及的范围内时，可将运动转换为行走模式，从而实现从水中到陆地环境的切换。

本发明上述结构中，各部件的形状和连接是可以有所变化的，某些部件的采用和位置的设置也是可以变化的，本发明不应受到上述各实施例的限制，凡根据本发明技术方案不用创造性劳动就可以得出部件的更换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种水陆两栖仿生机器人，它包括一个密封的主舱体和四个桨腿复合推进机构，所述主舱体内设置有控制装置，四个所述桨腿复合推进机构两两相对且对称设置在所述主舱体两侧，每个所述桨腿复合推进机构均包括第一主动杆、第二主动杆和摆动桨，所述第一主动杆靠近所述主舱体中间部位，所述第二主动杆靠近所述主舱体外侧，且所述第一主动杆和第二主动杆的一端分别连接两电机的输出端，所述第一主动杆的另一端通过一转轴连接所述摆动桨一端，所述摆动桨的另一端为执行末端，其特征在于：所述主舱体内还设置有电源装置和用来检测水陆环境的压力传感器和红外测距传感器，所述第二主动杆的另一端通过一转轴连接一从动杆，所述从动杆通过一转轴连接所述摆动桨的中间位置。

2.如权利要求1所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于：所述主舱体包括一壳体，所述壳体的前后两端均为圆弧形，所述壳体的左右两侧、前后两端以及上部均设置有窗口，所述壳体左右两侧的窗口上分别设置有两个与之形状对应的侧盖，所述壳体前后两端的窗口上分别设置有两个与之形状对应的前、后端盖，所述壳体上部的窗口上设置有一与之形状对应的顶盖，所述侧盖、前端盖、后端盖以及顶盖为轻质铝合金材料，各所述窗口上均设置有密封圈。

3.如权利要求2所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于：每个所述侧盖的内侧均设置有两组四个所述电机，每个所述电机的转轴均通过联轴器连接一输出轴，每组所述电机的输出轴分别连接一个所述桨腿复合推进机构的第一主动杆和第二主动杆，且所述侧盖上设置有与所述输出轴同心的动密封机构。

4.如权利要求2或3所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于：所述前端盖上设置有一超声测距传感器、一视觉传感器和一红外测距传感器，且所述视觉传感器的前方设置有一透明玻璃盖。

5.如权利要求1或2或3所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于：所述主舱体内设置有一用来检测机器人姿态的加速度传感器。

6.如权利要求4所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于：所述主舱体内设置有一用来检测机器人姿态的加速度传感器。

7.如权利要求2或3或6所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于：所述电源装置包括电机电源和逻辑电源两套独立的电源系统，所述电机电源给八个所述电机供电，所述逻辑电源给所述控制装置和传感器供电。

8.如权利要求4所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于：所述电源装置包括电机电源和逻辑电源两套独立的电源系统，所述电机电源给八个所述电机供电，所述逻辑电源给所述控制装置和传感器供电。

9.如权利要求2或3或6所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于：所述后端盖上设置有一电机电源开关、一电机电源充电插头、一逻辑电源开关，一逻辑电源充电插头和一用于机器人无线通信所需的天线，且所述电机电源开关和逻辑电源开关均采用防水开关。

10.如权利要求4所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于：所述后端盖上设置有一电机电源开关、一电机电源充电插头、一逻辑电源开关，一逻辑电源充电插头和一用于机器人无线通信所需的天线，且所述电机电源开关和逻辑电源开关均采用防水开关。

11.如权利要求7所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于：所述后端盖上设置有一电机电源开关、一电机电源充电插头、一逻辑电源开关，一逻辑电源充电插头和一用于机器人无线通信所需的天线，且所述电机电源开关和逻辑电源开关均采用防水开关。

12.如权利要求1或2或3或6所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于：所述摆动桨采用轻质有机复合材料。

13.如权利要求4所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于：所述摆动桨采用轻质有机复合材料。

14.如权利要求7所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于：所述摆动桨采用轻质有机复合材料。

15.如权利要求9所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于：所述摆动桨采用轻质有机复合材料。

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