CN102049983A - 一种足板驱动型水陆两栖机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水陆两栖机器人，具体地说是一种足板驱动型水陆两栖机器人，包括前浮筒、中前浮筒、水密电子舱、中后浮筒、后浮筒、框架及足板驱动模块，框架上依次安装有前浮筒、中前浮筒、水密电子舱、中后浮筒及后浮筒，在框架上设有多组足板驱动模块，每组由两个足板驱动模块组成、对称安装在框架的两侧；足板驱动模块包括足板复合机构及驱动其旋转的驱动装置，通过足板复合机构的旋转实现两栖机器人的爬行或浮游。本发明采用三组对称分布的足板驱动模块，满足了机器人在水陆两栖条件的爬行和浮游多运动模式的需求，同时兼顾了机器人运动的稳定性、快速性和协调性；具有运动灵活，越障能力强，环境适应性好等特点。

Description

一种足板驱动型水陆两栖机器人

技术领域

本发明涉及水陆两栖机器人，具体地说是一种足板驱动型水陆两栖机器人。

背景技术

随着世界各海洋强国对海洋科学研究和海洋开发战略的深化与发展，海洋与陆地衔接的极浅水、碎浪带、拍岸浪区和滩涂地带成为近年来科学研究、环境监测、调查取样及军事领域等方面应用和关注的重点区域之一。当前国内外研究的水下机器人主要包括浮游式和爬行式，但这两种水下机器人的作业区域均存在一些局限性：在浅水和深水海域，当前的水下机器人具有一定的作业能力，而在极浅水、碎浪带和海滩区域作业能力较弱，甚至无法作业；而陆上应用的机器人对极浅水和碎浪带区域更是束手无策。水陆两栖机器人是一种集陆地和水中特定运动于一体的特种移动机器人，根据驱动机构和运动形式的不同，现有的水陆两栖机器人大致可以分为单一驱动型和复合驱动型两大类。单一驱动方式的水陆两栖机器人，无论是多足式、波动式、轮式、履带式等，都很难完全满足机器人在水中或者在陆地上的速度、越障、机动性、稳定性等方面的要求。为了实现水陆两栖机器人分别在水中和陆地上多种模式下的高性能运动，开发研制基于新式复合驱动机构的水陆两栖机器人成为近年来两栖机器人的重要研究方向和发展趋势之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有爬行和浮游多运动模式、综合运动性能良好的足板驱动型水陆两栖机器人，解决了现有水陆两栖机器人在两栖环境下运动模式单一，作业能力较弱，快速性、机动性、稳定性和越障能力等方面不足的问题，为近海岸的海洋开发和利用提供一种有效的高技术手段。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括前浮筒、中前浮筒、水密电子舱、中后浮筒、后浮筒、框架及足板驱动模块，所述框架上依次安装有前浮筒、中前浮筒、水密电子舱、中后浮筒及后浮筒，在框架上设有多组足板驱动模块，每组由两个足板驱动模块组成、对称安装在框架的两侧；所述足板驱动模块包括足板复合机构及驱动其旋转的驱动装置，通过足板复合机构的旋转实现两栖机器人的爬行或浮游。

其中：所述足板驱动模块为三组、六个，对称分布于框架的前端、中部及后端，六个足板驱动模块结构相同；所述足板驱动模块包括足板复合机构、驱动轴、足板舱盖、足板驱动电机组件及足板舱体，其中足板舱体的一端安装在框架上，另一端密封连接有足板舱盖；所述足板驱动电机组件作为驱动足板复合机构旋转的驱动装置固定在足板舱体的内部，足板驱动电机组件的输出轴与驱动轴的一端相连接，驱动轴的另一端由足板舱盖穿出、与足板复合机构相连接；在足板舱体上设有走线密封组件，足板驱动电机组件的电缆通过走线密封组件与水密电子舱内的电机驱动器组件电连接；足板舱体内设有固定法兰，足板驱动电机组件安装在固定法兰上，足板驱动电机组件的输出轴通过联轴器与驱动轴的一端相连接，联轴器通过第一轴承与固定法兰相连；足板舱体内设有套设在驱动轴上的旋转变压器，该旋转变压器的电缆通过走线密封组件与水密电子舱内的电机驱动器组件电连接；足板复合机构包括足板骨架及柔性体，足板骨架及柔性体为扁平状，足板骨架的一端与驱动轴的另一端相连接，足板骨架的另一端设有柔性体；驱动轴通过第二轴承及旋转密封件与足板舱盖相连接。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明的两栖机器人基于足板驱动模块的总体结构形式，采用三组对称分布的足板驱动模块，满足机器人在水陆两栖条件的爬行和浮游多运动模式的需求，同时兼顾了机器人运动的稳定性、快速性和协调性。

2.本发明的两栖机器人的驱动装置采用集陆地爬行腿和水中摆动鳍双重功效于一身的足板复合机构，使机器人在具备多样化的运动形式和较好综合运动性能的同时，保障了系统结构的紧凑性和整体的小型化，减轻了机器人载体的重量。

3.本发明的两栖机器人的驱动装置采用模块化设计，各足板驱动模块分别为独立的模块结构，彼此之间互不干扰，便于驱动装置的维护和更换。

4.本发明的两栖机器人还具有运动灵活，越障能力强，环境适应性好等特点。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为图2的仰视图；

图4为图2中足板驱动模块的结构示意图；

图5为图4中足板复合机构的结构示意图；

图6a为本发明直线爬行运动实现原理图；

图6b为本发明转向爬行运动实现原理图；

图6c为本发明直线浮游运动实现原理图；

图6d为本发明转向浮游运动实现原理图；

其中：1为前浮筒，2为中前浮筒，3为水密电子舱，4为中后浮筒，5为后浮筒，6为框架，7为足板驱动模块，8为电机驱动器组件，9为二次锂离子电池组，10为脐带电缆水密接插件，11为GPS定位模块，12为无线数传模块，13为航行姿态传感器，14为控制计算机，15为深度传感器，16为接收天线，17为天线，18为足板复合机构，19为第一平键，20为驱动轴，21为足板舱盖，22为旋转变压器，23为固定法兰，24为联轴器，25为足板驱动电机组件，26为足板舱体，27为走线密封组件，28为第二平键，29为第一轴承，30为第二轴承，31为O型密封圈，32为旋转密封件，33为足板骨架，34为柔性体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～3所示，本发明包括前浮筒1、中前浮筒2、水密电子舱3、中后浮筒4、后浮筒5、框架6及足板驱动模块7，其中前浮筒1、中前浮筒2、水密电子舱3、中后浮筒4及后浮筒5依次通过螺钉固定安装在框架6上；在框架6上设有多组足板驱动模块7，每组由两个足板驱动模块7组成、对称安装在框架6的两侧；本实施例的足板驱动模块7为三组、六个，对称分布于框架6的前端、中部及后端，六个足板驱动模块7结构相同，均包括足板复合机构及驱动其旋转的驱动装置，通过足板复合机构的旋转实现两栖机器人的爬行或浮游。

本发明的水密电子舱3为现有技术，包括电机驱动器组件8、二次锂离子电池组9、脐带电缆水密接插件10、GPS定位模块11、无线数传模块12、航行姿态传感器13、控制计算机14及深度传感器15，其中二次锂离子电池组9位于水密电子舱3的中部，用于保持机器人整体的平衡；脐带电缆水密接插件10固连在水密电子舱3的盖板上；航行姿态传感器13水平安装在水密电子舱3的底板上；深度传感器15位于水密电子舱3的前侧面，通过水密处理固连在水密电子舱3的侧板上；电机驱动器组件8、GPS定位模块11及无线数传模块12分别设置在水密电子舱3内。在中前浮筒2的顶部安装有GPS定位模块11的接收天线16，中后浮筒4的顶部安装有无线数传模块12的天线17。控制计算机14的采集信号输入端通过航行姿态传感器13及深度传感器15采集航行姿态数据及航行深度数据，卫星信号输入端通过GPS定位模块11及其接收天线16接收卫星定位信号；控制计算机14的控制输出端接至电机驱动器组件8的控制回路，信号输出端通过无线数传模块12及其天线17与上位机进行无线通讯。

本发明的电机驱动器组件8为市购产品，购置于苏州钧和伺服科技有限公司(生产商：瑞士Maxon公司)、型号为4QEC DECV 50/5；二次锂离子电池组9为市购产品，购置于潍坊威能环保电源有限公司、型号为WA3610；GPS定位模块11为市购产品，购置于北京合众思壮科技有限责任公司(生产商：美国GARMIN公司)、型号为GARMIN GPS15；无线数传模块12为市购产品，购置于深圳友迅达科技发展有限公司、型号为FC-203/SA；控制计算机14为市购产品，购置于广州周立功单片机有限公司、型号为ARM7 LPC2294。

如图4所示，足板驱动模块7包括足板复合机构18、驱动轴20、足板舱盖21、旋转变压器22、固定法兰23、联轴器24、足板驱动电机组件25、足板舱体26及走线密封组件27，其中足板舱体26为中空圆柱，其一端通过螺钉固定在框架6上，另一端通过螺钉密封连接有足板舱盖21，足板舱盖21与足板舱体26接触面之间设有O型密封圈31；在足板舱体26内设有通过螺钉固接在足板舱盖21上的固定法兰23，旋转变压器22安装在固定法兰23的空腔内；足板驱动电机组件25作为驱动足板复合机构18旋转的驱动装置通过螺钉固连在固定法兰23上，足板驱动电机组件25的输出轴通过联轴器24在两个第二平键28传动下与驱动轴20的一端实现连接，驱动轴20的另一端穿过旋转变压器22的内环、再由足板舱盖21穿出、与足板复合机构18通过第一平键19固连，旋转变压器22的转子与驱动轴20共同旋转；联轴器24通过第一轴承29与固定法兰23相连，并通过联轴器外表面的止口及固定法兰23内壁的止口实现限位；驱动轴20上套设有位于足板舱盖21内腔的第二轴承30及旋转密封件32，驱动轴20与足板舱盖21之间的动密封通过旋转密封件32实现，足板舱盖21与足板舱体26之间的静密封通过O型密封圈31来实现。在足板舱体26上设有走线密封组件27，旋转变压器22及足板驱动电机组件25的电缆通过走线密封组件27与水密电子舱3内的电机驱动器组件8电连接。旋转变压器22为市购产品，购置于沈阳艾瑞特自动化设备有限公司(生产商：日本多摩川)、型号为TS2640N321E64；足板驱动电机组件25为市购产品，购置于苏州钧和伺服科技有限公司(生产商：瑞士Maxon公司)、型号为MAXON EC 40。

如图5所示，足板复合机构18集爬行腿和摆动鳍运动特点和功能于一体，包括足板骨架33及柔性体34，足板骨架33及柔性体34为扁平状，足板骨架33的一端通过第一平键19与驱动轴20的另一端固接，足板骨架33的另一端设有柔性体34，柔性体34可由橡胶制成。

本发明的工作原理为：

本发明的水陆两栖机器人可以实现水陆两栖环境下的陆地爬行运动和水中浮游或水底爬行运动两种模式。

爬行运动模式：在爬行运动模式下，本发明的两栖机器人可进行如图6a所示的直线爬行运动或如图6b所示的转向爬行运动，足板驱动电机组件25工作，带动驱动轴20旋转，通过驱动轴20再带动足板复合机构18转动，通过足板复合机构18的旋转运动实现两栖机器人的前进或转向；直线爬行时，框架一侧的第一及第三个足板驱动模块与框架另一侧的第二个足板驱动模块先动作，旋转方向相同，然后框架一侧的第二个足板驱动模块与框架另一侧的第一及第三个足板驱动模块再动作，旋转方向也相同，实现机器人的直线前进或后退；当两栖机器人需要转向时，框架一侧的第一及第三个足板驱动模块与框架另一侧的第二个足板驱动模块先动作，但旋转方向相反，然后框架一侧的第二个足板驱动模块与框架另一侧的第一及第三个足板驱动模块再动作，旋转方向也相反，实现转向；在爬行运动模式下，足板复合机构18主要发挥爬行腿的功能，在规则的足板相位控制下保障机器人的运动具备快速性、稳定性和良好的越障能力。

水中浮游或水底爬行运动模式：在水中，通过调整浮力，两栖机器人可以分别实现水中浮游运动和水底爬行运动，水底爬行运动与陆地爬行具有相同的工作原理；通过足板驱动模块7中足板驱动电机组件25对足板复合机构18的位置、频率和摆幅控制，两栖机器人可实现如图6c所示的直航浮游运动或如图6d所示的转向浮游运动，在浮游运动模式下，足板复合机构18主要发挥摆动鳍的作用，在足板驱动电机组件25的驱动下产生推力，实现在水中的直航浮游运动；当在水中需要转向时，框架两侧的足板驱动模块旋转方向相反，即可实现两栖机器入在水中的转向浮游运动。

本发明的水陆两栖机器人可以实现陆地爬行和水中浮游两种运动模式，且无需更换驱动装置即可实现两种运动模式的自主切换，通过调整和改变足板驱动模块7的足板摆动的相位、频率和幅值，在三组足板驱动模块的协调运动下可以实现机器人水陆两栖环境下的多运动模式。

Claims (7)

1.一种足板驱动型水陆两栖机器人，其特征在于：包括前浮筒(1)、中前浮筒(2)、水密电子舱(3)、中后浮筒(4)、后浮筒(5)、框架(6)及足板驱动模块(7)，所述框架(6)上依次安装有前浮筒(1)、中前浮筒(2)、水密电子舱(3)、中后浮筒(4)及后浮筒(5)，在框架(6)上设有多组足板驱动模块(7)，每组由两个足板驱动模块(7)组成、对称安装在框架(6)的两侧；所述足板驱动模块(7)包括足板复合机构及驱动其旋转的驱动装置，通过足板复合机构的旋转实现两栖机器人的爬行或浮游。

2.按权利要求1所述的足板驱动型水陆两栖机器人，其特征在于：所述足板驱动模块(7)为三组、六个，对称分布于框架(6)的前端、中部及后端，六个足板驱动模块(7)结构相同。

3.按权利要求1或2所述的足板驱动型水陆两栖机器人，其特征在于：所述足板驱动模块(7)包括足板复合机构(18)、驱动轴(20)、足板舱盖(21)、足板驱动电机组件(25)及足板舱体(26)，其中足板舱体(26)的一端安装在框架(6)上，另一端密封连接有足板舱盖(21)；所述足板驱动电机组件(25)作为驱动足板复合机构(18)旋转的驱动装置固定在足板舱体(26)的内部，足板驱动电机组件(25)的输出轴与驱动轴(20)的一端相连接，驱动轴(20)的另一端由足板舱盖(21)穿出、与足板复合机构(18)相连接；在足板舱体(26)上设有走线密封组件(27)，足板驱动电机组件(25)的电缆通过走线密封组件(27)与水密电子舱(3)内的电机驱动器组件(8)电连接。

4.按权利要求3所述的足板驱动型水陆两栖机器人，其特征在于：所述足板舱体(26)内设有固定法兰(23)，足板驱动电机组件(25)安装在固定法兰(23)上，足板驱动电机组件(25)的输出轴通过联轴器(24)与驱动轴(20)的一端相连接，联轴器(24)通过第一轴承(29)与固定法兰(23)相连。

5.按权利要求3所述的足板驱动型水陆两栖机器人，其特征在于：所述足板舱体(26)内设有套设在驱动轴(20)上的旋转变压器(22)，该旋转变压器(22)的电缆通过走线密封组件(27)与水密电子舱(3)内的电机驱动器组件(8)电连接。

6.按权利要求3所述的足板驱动型水陆两栖机器人，其特征在于：所述足板复合机构(18)包括足板骨架(33)及柔性体(34)，足板骨架(33)及柔性体(34)为扁平状，足板骨架(33)的一端与驱动轴(20)的另一端相连接，足板骨架(33)的另一端设有柔性体(34)。

7.按权利要求3所述的足板驱动型水陆两栖机器人，其特征在于：所述驱动轴(20)通过第二轴承(30)及旋转密封件(32)与足板舱盖(21)相连接。

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