CN102785542A

CN102785542A - 一种基于可变形足-蹼复合推进机构的水陆两栖机器人

Info

Publication number: CN102785542A
Application number: CN2012102732043A
Authority: CN
Inventors: 张世武; 梁旭; 许旻; 刘鹏; 任小双; 徐利超; 杨杰
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2012-08-02
Filing date: 2012-08-02
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2032-08-02
Also published as: CN102785542B

Abstract

本发明涉及一种基于可变形足-蹼复合推进机构的水陆两栖机器人，包括水陆两栖机器人密封壳体、密封盖板、前/后盖板、控制电路、电池、通讯天线、复合推进驱动模块、可变形足-蹼模块，所述密封壳体两侧板对称设有多个复合推进驱动模块，每个复合推进驱动模块的输出轴上安装有可变形足-蹼模块；解决了现有水陆两栖机器人大多需要两套相互独立的陆地和水中推进机构，且在复杂水陆过渡环境下通过能力差、效率低的不足，为近海海洋资源开发利用、两栖探险与救援提供一种有效的高技术手段。

Description

一种基于可变形足-蹼复合推进机构的水陆两栖机器人

技术领域

本发明涉及水陆两栖机器人，具体地说是一种基于可变形足-蹼复合推进机构的水陆两栖机器人。

背景技术

随着人类对海洋资源的开发利用和海洋科学相关研究的深化与发展，海洋与陆地交界的过渡地带成为近年来科学研究、环境监控、调查分析及军事侦察等方面应用和关注的重点区域之一。水陆两栖机器人作为一种能够在陆地、水中及水陆过渡地带开展各种作业任务的有效技术手段，正吸引着全世界越来越多国家科技人员的研究和探索。但是现有两栖机器人的性能还远达不到单一功能的陆地或者水下机器人，而且能够真正实现水陆过渡环境的有效切换的更是少之又少。究其原因主要有两点：一、陆地和水中分离的驱动和执行机构，使得机器人的效率极其低下；二、水陆过渡环境随着介质形式的多种多样，对水陆两栖机器人的推进机构和控制策略都提出了严峻的挑战。因此，水陆两栖机器人需要陆地和水下推进的有效复合，设计出既能够适应陆地复杂多变地形，又能在水下高效推进的复合驱动和执行机构。为了实现水陆两栖机器人既能够在水中和陆地环境高机动能力，又能在水陆过渡地带具有良好的通过性和适应性，开发研制基于新型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。

本发明的目的在于提供一种基于可变形足-蹼复合推进机构的水陆两栖机器人，解决了现有水陆两栖机器人大多需要两套相互独立的陆地和水中推进机构，且在复杂水陆过渡环境下通过能力差、效率低的不足，为近海海洋资源开发利用、两栖探险与救援提供一种有效的高技术手段。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的一种基于可变形足-蹼复合推进机构的水陆两栖机器人包括水陆两栖机器人密封壳体、密封盖板、前/后盖板、控制电路、电池、通讯天线、复合推进驱动模块、可变形足-蹼模块，所述密封壳体两侧板对称设有多个复合推进驱动模块，每个复合推进驱动模块的输出轴上安装有可变形足-蹼模块。

其中：可变形足-蹼模块由首节、中节和末节三部分组成，各节之间用一块整体的弹性薄板串联，末节固定有无伸缩性软绳，无伸缩性软绳从中间各节中穿过，并最终由首节穿出，接入两栖机器人的复合推进驱动模块，由复合推进驱动模块中的收线电机控制无伸缩性软绳的伸缩。当两栖机器人在水中推进时，无伸缩性软绳为松弛状态，各节在弹性薄板的作用下自然伸直，可变形足-蹼模块呈展平状态，在复合推进驱动模块的驱动下绕输出轴往复摆动，像蹼一样拍动推进。当两栖机器人在陆地上行走时，收线电机将钢丝收紧，由于钢丝与弹簧钢板之间有一定的间隔以及相邻节板之间成一定角度的斜面，故在无伸缩性软绳的拉动作用下，可变形足-蹼模块呈弯曲状态并依靠驱动模块中的丝杠螺母机构锁住，在驱动模块的驱动下绕电机输出轴做旋转运动，可完成平地行进，翻越障碍等动作。

复合推进驱动模块是由推进驱动轴通过连接平面和紧定螺钉与可变形足-蹼模块首节相连，将主驱动电机的驱动转矩传递给两栖机器人的可变形足-蹼模块，实现陆地行走、水下拍动等机动动作。推进驱动轴沿轴向中心有一贯穿孔，可以穿过驱动可变形足-蹼模块变形的无伸缩性软绳，无伸缩性软绳、滑块、连接杆、双轴承、套筒、丝杠螺母机构沿轴向依次连接，最终通过收线齿轮与收线电机相连，由收线电机控制无伸缩性软绳的拉动，以驱动可变形足-蹼模块变形。双轴承的作用是将推进驱动轴的回转运动与无伸缩性软绳在推进驱动轴内部的轴向动作隔离开，以防止无伸缩性软绳在可变形足-蹼模块旋转时自身缠绕。推进驱动轴上还安装有光电零位检测装置，用以反馈可变形足-蹼模块的绝对位置。

本发明的优点和积极效果为：

1.本发明采用的可变形足-蹼复合推进机构有效地将陆地足式推进方式和水中蹼式推进方式融合在一起，陆地和水中推进所需的主驱动电机和执行机构实现了功能复用，满足了机器人在水陆两栖条件的行进和游动多运动模式的需求，同时保证了机器人运动的平稳性、快速性和协调性。

2.本发明机器人的可变形足-蹼复合推进机构采用模块化设计，彼此之间互不干扰，便于维护和更换。

3.本发明运动方式灵活，水陆环境适应能力强。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图2为本发明中可变形足-蹼复合推进机构的蹼状态结构图；

图3为本发明中可变形足-蹼复合推进机构的腿状态结构图；

图4为可变形足-蹼模块结构图；

图5为图4的剖视图；

图6a为本发明在陆地行走时的三角步态实现原理图；

图6b为本发明在翻越障碍物时同步步态实现原理图；

图7a为本发明水中正向巡游实现原理图；

图7b为本发明水中反向巡游实现原理图；

图7c为本发明水中转向游动实现原理图；

图7d为本发明水中原地自旋游动实现原理图；

图7e为本发明水中紧急制动实现原理图；

图7f为本发明上升游动运动实现原理图；

图7g为本发明下潜游动运动实现原理图；

其中：1为密封盖板，2为复合推进驱动模块，3为控制电路，4为电池，5为通讯天线，6为密封壳体，7为可变形足-蹼模块，8为前/后盖板，9为首节盖板，10为中节，11为末节，12为无伸缩性软绳压片，13为无伸缩性软绳夹头，14为无伸缩性软绳，15为弹性薄板，16为首节基板，17为主驱动电机，18为驱动模块框架盖板，19为驱动模块框架，20为零位检测盘，21为槽形光电开关，22为主驱动电机支架，23为轴承座，24为收线电机，25为螺母套筒，26为第二收线齿轮，27为第一收线齿轮，28为第一驱动齿轮，29为第二驱动齿轮，30为Ｏ型密封圈，31为密封腔螺钉，32为传动空心轴第一轴承，33为密封腔轴承端盖，34为传动空心轴，35为轴用挡圈，36为无伸缩性软绳连接块，37为第一连接杆，38为传动空心轴第二轴承，39为连接销，40为第一连接杆轴承，41为第二连接杆，42为第二连接杆轴承，43为丝杆第一轴承，44为直线轴承，45为螺母，46为光轴，47为套筒端盖，48为丝杆，49为丝杆第二轴承，50为丝杆轴承端盖。

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所示，本发明的机器人包括密封盖板1、复合推进驱动模块2、控制电路3、电池4、通讯天线5、密封壳体6、可变形足-蹼模块7、前/后盖板8，其中密封盖板1和密封壳体6之间的接合面由密封条和密封胶密封后通过螺钉进行连接，前/后盖板8分别粘接于密封壳体6的前、后两个侧面，控制电路3和电池4由螺钉固定在密封壳体6内，通讯天线5固定在密封盖板1上，其信号传输线缆与控制电路3相连；在密封壳体6的两侧对称设有多个复合推进驱动模块2，每个复合推进驱动模块2的输出轴端连接可变形足-蹼模块7。本实施例的复合推进驱动模块2共三对、六个，对称分布于密封壳体6的前部、中部和后部，三对、六个可变形足-蹼模块7通过紧定螺钉分别固接于每个复合推进驱动模块2的输出轴端。

如图2所示，可变形足-蹼模块7包括首节基板16，首节盖板9，多个中节10，末节11，弹性薄板15，无伸缩性软绳14，无伸缩性软绳压片12和无伸缩性软绳夹头13。本实施例中中节为5个。首节基板16，5个中节10，末节11依次通过螺钉固定在弹性薄板15上，无伸缩性软绳14通过首节基板16，5个中节10，末节11上的通孔后折回并由无伸缩性软绳夹头13夹紧，并用无伸缩性软绳压片12压住防止脱落。首节盖板9和首节基板16通过螺钉固接。图2为可变形足-蹼模块7在无伸缩性软绳松弛状态下成为类似于蹼的水中驱动机构，图3为可变形足-蹼模块7在无伸缩性软绳收紧状态下成为类似于足的陆地驱动机构。

如图4和图5所示，复合推进驱动模块2包括主驱动电机17，驱动模块框架盖板18，驱动模块框架19，零位检测盘20，槽形光电开关21，主驱动电机支架22，轴承座23，收线电机24，螺母套筒25，第二收线齿轮26，第一收线齿轮27，第一驱动齿轮28，第二驱动齿轮29，Ｏ型密封圈30，密封腔螺钉31，传动空心轴第一轴承32，密封腔轴承端盖33，传动空心轴34，轴用挡圈35，无伸缩性软绳连接块36，第一连接杆37，传动空心轴第二轴承38，连接销39，第一连接杆轴承40，第二连接杆41，第二连接杆轴承42，丝杆第一轴承43，直线轴承44，螺母45，光轴46，套筒端盖47，丝杆48，丝杆第二轴承49，丝杆轴承端盖50。主驱动电机17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 RE 30，通过螺钉固定于主驱动电机支架22上。传动空心轴34由传动空心轴第一轴承32和传动空心轴第二轴承38支承，安装于驱动模块框架19和主驱动电机支架22，驱动模块框架19和主驱动电机支架22通过螺钉固接成为一体。主驱动电机17的输出轴通过紧定螺钉连接第一驱动齿轮28，与第一驱动齿轮28相啮合传动的第二驱动齿轮29通过平键和轴用挡圈35固定在传动空心轴34上。传动空心轴34的中轴线上开有直径约1.5mm的通孔，无伸缩性软绳14可在通孔内滑动。收线电机24通过第一收线齿轮27和第二收线齿轮26啮合传动后，驱动丝杆48转动，丝杆48与螺母45构成螺旋传动使固接在螺母45上的螺母套筒25能够在传动空心轴34的轴线方向上产生直线位移，从而经过第一连接杆轴承40、第二连接杆轴承42、第二连接杆41、第一连接杆37和无伸缩性软绳连接块36的一系列传动使无伸缩性软绳14产生同步的直线位移。直线轴承44和光轴46用来导向螺母套筒25的直线运动，防止其旋转。传动空心轴34上通过紧定螺钉固接零位检测盘20，和固定在驱动模块框架19上的槽形光电开关21配合用来检测转动的零位。驱动模块框架19的伸出端和传动空心轴34形成一个空腔，通过密封腔螺钉31处的小孔填注粘稠密封剂用来密封防水。驱动模块框架19通过Ｏ型密封圈30与两栖机器人密封壳体6进行密封防水。

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足式运动和水中蹼式游动两种运动模式。

陆地足式运动模式：当可变形足-蹼模块7在传动空心轴34的驱动下作回转运动时，可实现两栖机器人的陆地行走、翻越障碍等功能。辅以不同的控制时序，可实现两栖机器人行走步态上的变化。如图6a所示，当两栖机器人在较平坦地面行走时，可采用图中的三角步态推进方式，即六套可变形足-蹼模块7分成两组，每组由呈三角形分布的三套可变形足-蹼模块7构成，两组之间存在一定的驱动时序相位差，从而保证了机器人整体在行进过程中的平稳性和快速性。如图6b所示，当两栖机器人需要翻越一定高度的障碍时，可采用图中的同步步态推进方式，即六套可变形足-蹼模块7分成三组，分别由前、中、后部相对的两套模块构成，每组之间存在一定的驱动时序相位差，从而实现了机器人整体在翻越障碍过程中的通过性和协调性。

水中蹼式游动模式：如图7a所示，当可变形足-蹼模块7在平行于机器人身体平面附近作小范围拍动动作时，机器人可实现正向的游动；如图7b所示，当可变形足-蹼模块7在图7a所示位置旋转180°后作拍动动作时，机器人可实现反向的游动；如图7c所示，当机器人一侧的可变形足-蹼模块7作拍动动作时，机器人可实现向左或向右的转向游动；如图7d所示，当机器人身体两侧的可变形足-蹼模块7错位180°进行拍动动作时，机器人可实现水下的原地自旋游动；如图7e所示，当可变形足-蹼模块7位于与机器人身体平面相垂直的位置时，可实现机器人在水下的紧急制动动作；如图7f和图7g所示，当可变形足-蹼模块7在与机器人身体平面成一定夹角的位置作拍动动作时，机器人可实现上浮或下潜游动运动。

Claims

1.一种基于可变形足-蹼复合推进机构的水陆两栖机器人，包括水陆两栖机器人密封壳体、密封盖板、前/后盖板、控制电路、电池、通讯天线、复合推进驱动模块、可变形足-蹼模块，所述密封壳体两侧板对称设有多个复合推进驱动模块，每个复合推进驱动模块的输出轴上安装有可变形足-蹼模块；其特征在于：

可变形足-蹼模块由首节、中节和末节三部分组成，各节之间用一块整体的弹性薄板串联，末节固定有无伸缩性软绳，无伸缩性软绳从中间各节中穿过，并最终由首节穿出，接入两栖机器人的复合推进驱动模块，由复合推进驱动模块中的收线电机控制无伸缩性软绳的伸缩；当两栖机器人在水中推进时，无伸缩性软绳为松弛状态，各节在弹性薄板的作用下自然伸直，可变形足-蹼模块呈展平状态，在复合推进驱动模块的驱动下绕输出轴往复摆动，像蹼一样拍动推进；当两栖机器人在陆地上行走时，收线电机将钢丝收紧，由于钢丝与弹簧钢板之间有一定的间隔以及相邻节板之间成一定角度的斜面，故在无伸缩性软绳的拉动作用下，可变形足-蹼模块呈弯曲状态并依靠驱动模块中的自锁机构锁住，在复合推进驱动模块的驱动下绕电机输出轴做旋转运动，完成平地行进，翻越障碍动作；

复合推进驱动模块是由推进驱动轴通过连接平面和紧定螺钉与可变形腿首节相连，将主驱动电机的驱动转矩传递给两栖机器人的可变形足-蹼模块，实现陆地行走、水下拍动动作；推进驱动轴沿轴向中心有一贯穿孔，能够穿过驱动可变形足-蹼模块变形的无伸缩性软绳，无伸缩性软绳、滑块、连接杆、双轴承、套筒、丝杠螺母机构沿轴向依次连接，最终通过收线齿轮与收线电机相连，由收线电机控制无伸缩性软绳的拉动，以驱动可变形足-蹼模块变形；双轴承的作用是将推进驱动轴的回转运动与无伸缩性软绳在推进驱动轴内部的轴向动作隔离开，以防止无伸缩性软绳在可变形足-蹼模块旋转时自身缠绕；推进驱动轴上还安装有光电零位检测装置，用以反馈可变形足-蹼模块的绝对位置。

2.根据权利要求1所述的水陆两栖机器人，其特征在于：所述水陆两栖机器人能的运动模式包括两栖环境下的陆地足式运动和水中蹼式游动两种运动模式；

陆地足式运动模式为：当可变形足-蹼模块在传动空心轴的驱动下作回转运动时，实现两栖机器人的陆地行走、翻越障碍的功能；辅以不同的控制时序，能实现两栖机器人行走步态上的变化，当两栖机器人在较平坦地面行走时，采用三角步态推进方式，即六套可变形足-蹼模块分成两组，每组由呈三角形分布的三套可变形足-蹼模块构成，两组之间存在一定的驱动时序相位差，从而保证了机器人整体在行进过程中的平稳性和快速性；当两栖机器人需要翻越一定高度的障碍时，采用同步步态推进方式，即六套可变形足-蹼模块分成三组，分别由前、中、后部相对的两套模块构成，每组之间存在一定的驱动时序相位差，从而实现了机器人整体在翻越障碍过程中的通过性和协调性；

水中蹼式游动模式：当可变形足-蹼模块在平行于机器人身体平面附近作小范围拍动动作时，机器人实现正向的游动；当可变形足-蹼模块旋转180°后作拍动动作时，机器人实现反向的游动；当机器人一侧的可变形足-蹼模块作拍动动作时，机器人可实现向左或向右的转向游动；当机器人身体两侧的可变形足-蹼模块错位180°进行拍动动作时，机器人实现水下的原地自旋游动；当可变形足-蹼模块位于与机器人身体平面相垂直的位置时，实现机器人在水下的紧急制动动作；当可变形足-蹼模块在与机器人身体平面成一定夹角的位置作拍动动作时，机器人实现上浮或下潜游动运动。