CN101890888B - 一种两栖仿生龟机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两栖仿生龟机器人，它具有四条相同结构的腿模块单元，十六个独立可控关节通过冗余驱动可同时实现陆地及水中运动，具有很强的环境适应性。陆地运动步态以髋关节、俯仰关节和膝关节为驱动关节，旋转关节冗余；水下运动步态则以髋关节、俯仰关节和旋转关节为驱动关节，膝关节冗余。机器人还配备浮力调节系统，能够自由控制整机在水中的上浮下潜。机器人系统的动力系统和控制系统放置在机身密封舱内进行保护，关键部件的防水密封则采用浸油密封与接缝处涂抹密封胶的方法。本发明具有运动形式丰富，承载能力强、关节回转角度大，机动性、灵活性好等优点，在不同环境中的特定运动方式均具有很高的运动效率，机器人能够适应多介质环境。

Description

一种两栖仿生龟机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种适应多介质环境的两栖仿生龟机器人。

背景技术

随着国家海洋开发战略和军事战略的发展，获得海洋及滨海地区的技术优势和军事优势成为国家安全防御问题专家和国防技术研究人员关注的焦点。具有高度机动能力、能够携带有效载荷的两栖机器人能完成海军登陆作战中的两栖侦查、排雷、爆破、通讯中继等恶劣环境下的作战任务；又能完成复杂海洋环境下的海底测量、石油开采、水下打捞、抢险救灾、反恐防暴等不适合由人来承担的任务。因此，研究运用无机元器件和有机功能体相配合所组建起来的在运动机理、行为方式、感知模式、信息处理和控制协调等多方面具有高级生命形态特征且能在多介质环境下灵活运动的两栖仿生机器人具有重要的应用价值和社会效益。

在近几年，两栖机器人的技术研究得到了迅猛发展。不少学者研制出了两栖机器人的机械系统或其试验模型。如日本东京工业大学的Hirose教授研制了一系列蛇形机器人样机，可以实现直接单元驱动、侧面滚动、螺旋运动、S曲线空间运动等各种运动形式。美国海军研究部门设计的仿生鳗以海洋中的七星鳗为原型，采用模块化设计，能够实现长途洄游，主要应用于海洋军事探测。瑞士联邦技术学院研制的蛇形仿生机器人AmphiBot-Ⅰ，以蛇和鳗等长体型脊椎动物为原型，它既可以像海蛇和鳗那样在水中进行鳗状游动，也可像蛇那样在陆地上侧向波动爬行。国内上海交通大学、中国科学院沈阳自动化所、国防科技大学等单位相继研制出了蛇形机器人样机。美国DARPA和iRobot机器人公司共同研制的扫雷机器人Ariel，以螃蟹为仿生原型。该机器人已经在美国海军作战中心进行了演示，分别在陆地和浅水中模拟了扫雷任务，实验取得了成功。国内哈尔滨工程大学、燕山大学、哈尔滨理工大学也开展了两栖仿生蟹的研究，上海交通大学对两栖仿生龟的运动机理作了探讨。美国Massa Products公司研制了仿生虾机器人，能在波涛汹涌并含有浅滩的海域中，平稳地搜索危险的爆炸物，探测海底的表面，探污等。综上可见，目前在两栖仿生机器人领域的研究中，主要以蛇、鳗、蟹、虾等海洋环境中的生物为仿生原型，并且已经实现了一定程度上的两栖运动功能，但普遍存在如下不足：

运动形式单一，如仿生蟹在陆上爬行时具有很好的运动性能，但入水后依然采用爬行的运动形式，不仅受介质环境影响变得很难控制，而且运动效率也急剧降低。机构的驱动方式缺乏多样性和灵活性，现有的仿生机器人虽然在结构上普遍采用了仿生设计，但大多数机构都采用单一的冗余驱动方式或欠驱动方式。不适宜作为工作平台，具体表现在仿生鳗、仿生蛇机器人的身体很难加载工作臂，仿生虾承载能力不够，而仿生蟹则由于无法在水中稳定可靠的运动，亦不适于作为海洋环境中的合适的工作平台。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能克服上述缺陷的以生物龟为仿生原型的两栖仿生龟机器人，该机器人有可独立控制的16个驱动关节，可同时实现陆地运动步态和水中运动步态，具有良好的环境适应性。

本发明提供的一种两栖仿生龟机器人，其特征在于，该机器人包括第一至第四腿模块单元，浮力装置及机身舱体；

第一至第四腿模块单元具有相同结构；每个腿模块单元均包括第一至第四驱动模块，髋关节连接模块，小腿模块，以及第一、第二L型架，舵盘连接件，第一、第二连接板；

第一至第四驱动模块具有相同的结构；每个驱动模块均包括尾轴、U型主支架、驱动单元和圆舵盘，驱动单元固定在U型主支架上，尾轴卡在U型主支架上，尾轴与驱动单元的输出轴同轴，圆舵盘与驱动单元的输出轴相连；

髋关节连接模块包括：髋关节连接件和固定连接在髋关节连接件四周的第三至第六连接板；其中，第三、第五连接板平行且方向相同，第四、第六连接板平行且方向相同，且第三连接板与第四连接板的方向相反，且相位相差90°；

小腿模块包括迎水板、虎克铰、旋转足端和防滑底座；迎水板的下端安装有虎克铰，旋转足端安装在虎克铰的下端，防滑底座固定在旋转足端的下部；小腿模块通过迎水板上端与第四驱动模块的U型主支架固定连接；

第一至第四腿模块单元均通过各自的第一、第二L型架与机身相连，L型架及L型架分别与第一驱动模块中的U型主支架的两侧相连；第一驱动模块的圆舵盘与髋关节连接模块中的第五连接板相连，用于输出转动扭矩；第一驱动模块底部有尾轴架在髋关节连接模块中的第三连接板上；髋关节连接模块中的第四连接板与第二驱动模块的圆舵盘相连，髋关节连接模块中的第六连接板与第二驱动模块的尾轴相连；第二驱动模块通过其U型主支架与舵盘连接件相连，舵盘连接件与第三驱动模块的圆舵盘相连；第一、第二连接板分别与第三驱动模块中的U型主支架在两侧相连；第一连接板与第四驱动模块的圆舵盘相连，第二连接板与第四驱动模块的尾轴相连；小腿模块通过迎水板安装在第四驱动模块的U型主支架上。

本发明通过冗余驱动变拓扑结构即可同时实现陆地运动步态和水中运动步态，与现有技术相比，本发明有以下优点：1)运动形式丰富。其具有冗余驱动和变拓扑结构的腿模块单元使其在不同的环境介质下可以采用不同的运动形式，如在陆地上的爬行方式、水面上的浮游方式、水中的类似于鳍的滑游、水底行走等，这些在不同环境中的特定运动方式均具有很高的运动效率，使机器人能够适应更为复杂的环境。2)该机器人承载能力强。由于仿生龟的形体特征和运动特征，它具有承载能力大的优点。其腿模块单元既可以作为运动器官完成步行、划水等运动，又可以作为机械臂完成样品采集、捕捉、检测等操作。

附图说明

图1为本发明提供的两栖仿生龟机器人的整体结构示意图；

图2为图1中机器人腿模块单元的结构示意图；

图3为图2中驱动模块的结构示意图；

图4为图2中髋关节连接模块的结构示意图；

图5为图2中小腿模块单元的结构示意图；

图6为图1中机身舱体内部的结构示意图；

图7为图1中浮力装置的结构示意图；

图8为该两栖仿生龟机器人的腿模块单元在其进行爬行运动与进行水中游动时不同的拓扑结构示意图；

图9为该两栖仿生龟机器人陆地爬行时的步态动作示意图；

图10为该两栖仿生龟机器人水中游动时的步态动作示意图。

具体实施方式

下面通过借助实施例和附图更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

如图1所示，机器人包括第一至第四腿模块单元001，002，003，004，浮力装置005及机身舱体006。

腿模块单元001、002、003、004具有相同结构。如图2所示，每个腿模块单元均包括第一至第四驱动模块007、009、010、011，髋关节连接模块008，小腿模块012，以及第一、第二L型架1、2，舵盘连接件3，第一、第二连接板4、5；

四个驱动模块007、009、010、011具有完全相同的结构。如图3所示，机器人驱动模块的结构为：驱动单元8固定在U型主支架7上，尾轴6卡在U型主支架7上，尾轴6与驱动单元8的输出轴同轴，圆舵盘9与驱动单元8的输出轴相连，起输出转动力矩及连接固定的作用。驱动单元8的形式不限，可以为舵机、直流电机等各种运动部件。

如图4所示，髋关节连接模块008起着连接机器人的髋关节与俯仰关节的作用，髋关节连接件13的四周均固定连接有第三至第六连接板10、11、12和14，其中，第三、第五连接板10、12平行且方向相同，第四、第六连接板11、14平行且方向相同，且第三连接板10与第四连接板11的方向相反，且相位相差90°。

如图5所示，机器人小腿模块012是机器人在水中的主要划水机构。迎水板15的下端安装有虎克铰16，旋转足端17安装在虎克铰16的下端，防滑底座18固定在旋转足端17的下部以防止打滑，这些部件组成了机器人的足并使其拥有一定的灵活性(可绕两个方向转动)。小腿模块012通过迎水板15上端与驱动模块011的U型主支架7固定连接。迎水板15设计成板状，在不影响运动功能的前提下尽可能增大其面积，用于提供机器人水下游动时的推进力。

机器人的各腿模块单元通过L型架1及L型架2与机身006相连，L型架1及L型架2分别与驱动模块007中的U型主支架7的两侧相连。驱动模块007的圆舵盘9与髋关节连接模块008中的连接板12相连，用于输出转动扭矩。驱动模块007底部有尾轴6架在髋关节连接模块008中的连接板10上，用以承载与保证结构稳固。髋关节连接模块008中的连接板11与驱动模块009的圆舵盘9相连，髋关节连接模块008中的连接板14与驱动模块009的尾轴6相连。驱动模块009通过其U型主支架7与舵盘连接件3相连，舵盘连接件3与驱动模块010的圆舵盘9相连。连接板4和连接板5分别与驱动模块010中的U型主支架7在两侧相连。连接板4与驱动模块011的圆舵盘9相连，连接板5与驱动模块011的尾轴6相连。小腿模块012通过其迎水板15安装在驱动模块011的U型主支架7上，作为机器人在水中主要的划水机构。

如图6所示是机器人机身舱体006内布置的具体实施方式，电磁阀19，电池20，齿轮泵22，电路板23，电池24，三通26等部件固定在底板25上，底板25固定在舱体27底部。四个驱动单元接线口21分布在舱体两侧。

如图7所示是隐去机器人机身舱体006内其他部件后机器人浮力装置005的具体实施方式，

浮力装置005包括瓶子29和位于瓶子29内的储水容器30。储水容器30的形式不限，可为气球、气囊等。根据浮力调节范围要求，瓶子29和储水容器30可以设置多个。

水管28一端接机器人外部水环境，另一端接齿轮泵22的进水口；水管31一端接齿轮泵22的出水口，另一端伸入瓶子29内的储水容器30中。当两栖仿生龟机器人要下潜时则齿轮泵22将机器人外部的水通过水管28、31压入瓶子29内的储水容器30中，则机器人总重增加，实现下潜。当两栖仿生龟机器人要上浮时则齿轮泵22将储水容器30中的水通过水管28、31抽出去，则机器人总重减小，于是上浮。

如图8所示为该两栖仿生龟机器人陆地运动步态与水中运动步态时腿模块单元的变拓扑结构示意图。如图8a，该两栖仿生龟机器人腿模块单元的四个关节(即驱动模块)，Ⅰ为髋关节、Ⅱ为俯仰关节、Ⅲ为旋转关节、Ⅳ为膝关节。陆地运动步态时其旋转关节Ⅲ为冗余自由度关节，该关节在陆地运动过程中始终保持锁死。如图8b，水中运动步态时其膝关节Ⅳ为冗余自由度关节，该关节在游动过程中始终保持锁死。这种具有冗余驱动的变拓扑结构，使得该两栖仿生龟机器人能够以两种不同拓扑形式的腿模块结构实现陆地与水中两种截然不同的两栖运动方式，具有很强的环境适应性。

如图9所示为机器人陆地爬行时的基本运动步骤示意图。机器人在爬行运动中只使用髋关节、俯仰关节和膝关节，旋转关节冗余驱动。爬行时腿的基本动作序列为：抬起-摆动-落下。图9a是起步状态；如图9b，机器人通过俯仰关节和膝关节的转动将腿抬起；如图9c，然后通过髋关节转动向前摆腿；如图9d，最后通过俯仰关节和膝关节的转动将腿放下。机器人的陆地爬行步态就是由四条腿交替完成上述基本动作组合而成的。

如图10所示为机器人水中游动的基本运动步骤示意图。机器人在水下游动中只使用髋关节、俯仰关节和旋转关节，膝关节冗余驱动。水下游动基本动作序列为：划水-摆回-复位。图10a是起步状态；如图10b，机器人首先转动旋转关节调整迎水板与水面角度，使得迎水面积最大以提供最大的划水推动力，其次通过髋关节转动向后划水，整机向前推动；如图10c，然后再次控制旋转关节调整迎水板角度，使得迎水面积最小以保证阻力最小，通过髋关节反向转动使得四条腿模块单元摆回；如图10d，最后复位完成整个水中前进动作。机器人的水中前进步态就是由四条腿交替完成上述基本动作组合而成的。

以上陆地爬行步态及水中前进步态的关节组合使用方法只对应于现有设计步态，针对不同情况和不同设计步态(如陆地转向、陆地越障、陆地避障、水面浮游、水中转向、水底行走、上浮下潜等步态)的使用方式不做限制。

机器人防水密封的具体实施方式如下，对于驱动单元(舵机)，将其各个零部件拆开并浸入不导电的油中，待再无气泡冒出时在油中组装驱动单元(舵机)，以防止气泡进入，装配好后将防水硅胶涂抹于驱动单元(舵机)的每一接缝处，防止漏油及水液进入。对于机身舱体，将密封圈安装至舱体上盖密封槽中，拧紧周边螺钉进行压盖密封。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种两栖仿生龟机器人，其特征在于，该机器人包括第一至第四腿模块单元，浮力装置及机身舱体；

第一至第四腿模块单元具有相同结构；每个腿模块单元均包括第一至第四驱动模块，髋关节连接模块，小腿模块，以及第一、第二L型架(1、2)，舵盘连接件(3)，第一、第二连接板(4、5)；

第一至第四驱动模块具有相同的结构；每个驱动模块均包括尾轴(6)、U型主支架(7)、驱动单元(8)和圆舵盘(9)，驱动单元固定在U型主支架上，尾轴卡在U型主支架上，尾轴与驱动单元(8)的输出轴同轴，圆舵盘(9)与驱动单元(8)的输出轴相连；

髋关节连接模块包括：髋关节连接件(13)和固定连接在髋关节连接件四周的第三至第六连接板(10、11、12、14)；其中，第三、第五连接板(10、12)平行且方向相同，第四、第六连接板(11、14)平行且方向相同，且第三连接板(10)与第四连接板(11)的方向相反，且相位相差90°；

小腿模块包括迎水板(15)、虎克铰(16)、旋转足端(17)和防滑底座(18)；迎水板(15)的下端安装有虎克铰(16)，旋转足端(17)安装在虎克铰(16)的下端，防滑底座(18)固定在旋转足端(17)的下部；小腿模块通过迎水板(15)上端与第四驱动模块的U型主支架(7)固定连接；

第一至第四腿模块单元均通过各自的第一、第二L型架(1、2)与机身相连，第一L型架(1)及第二L型架(2)分别与第一驱动模块中的U型主支架(7)的两侧相连；第一驱动模块的圆舵盘(9)与髋关节连接模块中的第五连接板(12)相连，用于输出转动扭矩；第一驱动模块底部有尾轴(6)架在髋关节连接模块中的第三连接板(10)上；髋关节连接模块中的第四连接板(11)与第二驱动模块的圆舵盘(9)相连，髋关节连接模块中的第六连接板(14)与第二驱动模块的尾轴(6)相连；第二驱动模块通过其U型主支架(7)与舵盘连接件(3)相连，舵盘连接件(3)与第三驱动模块的圆舵盘(9)相连；第一、第二连接板(4、5)分别与第三驱动模块中的U型主支架(7)在两侧相连；第一连接板(4)与第四驱动模块的圆舵盘(9)相连，第二连接板(5)与第四驱动模块的尾轴(6)相连；小腿模块通过迎水板(15)安装在第四驱动模块的U型主支架(7)上；所述浮力装置包括齿轮泵(22)、至少一个瓶子(29)和至少一个储水容器(30)；储水容器(30)位于瓶子(29)中，齿轮泵(22)位于机身舱体内，水管(28)一端接机器人外部水环境，另一端接齿轮泵(22)的进水口；所述至少一个储水容器(30)通过管路与齿轮泵(22)的出水口相连。

2.根据权利要求1所述的两栖仿生龟机器人，其特征在于，所述驱动单元采用下述方式密封：将驱动单元的各个零部件拆开并浸入不导电的油中，待再无气泡冒出时在油中组装驱动单元，装配好后将防水硅胶涂抹于驱动单元的每一接缝处。

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