CN102975782A

CN102975782A - 基于差动轮偏心机构的轮足两栖机器人机构

Info

Publication number: CN102975782A
Application number: CN2012105667510A
Authority: CN
Inventors: 王涛; 马书根; 蒲华燕; 刘吉成; 罗均; 谢少荣
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2013-03-20

Abstract

本发明涉及一种基于差动轮偏心机构的轮足两栖机器人机构。它包括桨叶、桨轴、铰链、外轮壳、机架、电机、差动轮系和传动机构。其中桨叶滑动穿过铰链固定在桨轴上，电机经传动机构分别驱动外轮壳和差动轮系；外轮壳和电机均安装在机架上。通过调整差动轮系来改变桨轴在外轮壳中的位置并配合外轮壳的转动，可以实现多种构型，进而可以实现多种运动模式。由于本机构采用了适合水、陆两种环境的复合式推进模式，使得这种基于偏心机构的轮足两栖机器人具备运动形式丰富、环境适应能力强等特点。

Description

基于差动轮偏心机构的轮足两栖机器人机构

技术领域

本发明涉及一种基于差动轮偏心机构的轮足两栖机器人机构，可实现陆上与水中运动。

技术背景

近年来，计算机系统的发展推动了机器人技术的进步，机器人的种类不断增加，除了主要用于制造业的工业机器人外，还出现了应用航天的如航天器和外星球移动车、航海的如深海作业机器人、医疗护理的如手术机器人、家庭服务的如护理机器人、军事的如排雷机器人等领域的特种机器人。但是大多数机器人都只能在单一环境中活动，例如陆地移动机器人由于没有水中推进机构或不具备防水功能而不能进行水下活动，而水下机器人大多又不具备或没有足够的陆地运动能力。受两栖类动物的启发，人们对既能适应陆地和近海滩涂，又能适应复杂水体环境的两栖机器人产生了浓厚的兴趣。而自然界又有多种具有良好两栖适应性的蟹、龟、蛙、鳄鱼、企鹅等动物为两栖机器人的设计提供了生物原型。

根据运动方式的不同，目前的两栖机器人大致可以分为两类：腿式两栖机器人和蛇形机器人。但是，目前国内外关于两栖机器人的研究多集中于两栖环境下的推进机构的探索性研究，虽然取得了一定的进展，但实际性能比如速度、机动性、地形适应性等相对较差，两栖活动能力不能同时得到保障。

本推进机构采用了适合水、陆两种环境的复合式推进机构，使得这种偏心机构的轮足两栖机器人具备运动形式丰富、环境适应能力强等特点，非常适合于在滨海、沼泽以及浅海等复杂的两栖环境中完成科学探索、军事侦察、紧急搜救等任务。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于偏心机构的轮足两栖机器人机构，以满足两栖机器人在两栖环境中顺利地执行各种任务。

本发明的构思是：外轮壳由一个电机驱动，绕其中心轴转动；四个铰链均匀分布在外轮壳内；内部有一套差动轮系由两个电机联合驱动，由行星轮和行星架作为输出；桨叶组的桨轴安装在一个与行星轮同轴的转盘上，且转盘的尺寸要保证桨轴在运动中能通过外轮壳的中心；四根长度相同的桨叶安装在桨轴上，并分别穿过四个铰链，当外轮壳和差动轮系运动时，桨叶为随动。

根据上述的构思，本发明采用如下技术方案：

一种基于差动轮偏心机构的轮足两栖机器人机构，包括由桨叶、桨轴、铰链、外轮壳、机架、电机、差动轮系和传动机构，其特征在于：所述桨叶滑动穿过铰链固定在桨轴上，铰链周向均布安装在外轮壳上，所述电机经传动机构分别驱动外轮壳和差动轮系；外轮壳和电机均安装在所述的机架上。

所述传动机构包括第一、第二锥齿轮、第一、第二、第三传动齿轮、内齿轮、行星轮、太阳轮、太阳轮，连接方式为：

a.所述的电机通过第一锥齿轮和第一传动齿轮驱动外轮壳上固定的内齿轮；

b.所述的电机通过一个联轴器驱动太阳轮；

c. 所述的电机通过第二锥齿轮、第三传动齿轮和第二传动齿轮驱动太阳轮上固定的三角连杆。

通过调整差动轮系来改变桨轴在外轮壳中的位置并配合外轮壳的转动，可以实现多种构型，进而可以实现多种运动模式。针对典型的两栖地形，本模块重点实现了3种基本运动模式和1种组合运动模式，如图1所示。

1）轮式移动模式，图1(a)。在轮式移动模式中，桨叶被收回至外轮壳中，外轮壳与地面接触。通过驱动外轮壳转动，使机器人可以在相对平整的路面移动。

2）足式爬行模式，图1(b)。在这种模式中，桨叶的末端与地面接触，实现类似足的功能。通过规划各足的运动，可以使机器人在复杂的崎岖地面稳定行走。

3）水中游动模式，图1(c)(d)。在水中，桨叶从外轮壳中伸出并绕桨轴周期性地摆动，推动机器人能在水中游动。根据桨叶摆动的方式不同，存在两种游动模式：摆动划水(c)和旋转划水(d)。

4）轮-足混合移动模式，图1(e)。在沙地、沼泽等环境中，轮式运动可能因打滑而失效，而足式运动可能因为陷入地面而丧失功能。这时，如图2(e)所示通过将桨叶伸出外轮壳，便可利用轮和足的特点同时解决陷入和打滑的问题，可以提高机器人在恶劣环境中的生存能力。

本发明具有如下实质性特点和显著优点：

（1）采用复合式推进机构，只需一套机构就能满足普通的两栖机器人需要多套不同的推进机构才能够实现的推进能力；

（2）运动形式丰富，能够实现多种不同的运动模式，从而提高两栖机器人的环境适应能力。

附图说明

图1是两栖轮足机器人机构的运动模式图。

图2是两栖轮足机器人机构的结构示意图。

图3是两栖轮足机器人机构的桨叶组安装图。

图4是两栖轮足机器人机构的差动轮系安装图。

图5是两栖轮足机器人机构的传动结构图。

图6是两栖轮足机器人机构的整体结构图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

参见图1～5，本基于差动轮偏心机构的轮足两栖机器人机构，包括由桨叶（1）、桨轴（2）、铰链（3）、外轮壳（4）、机架（5）、电机

Figure 2012105667510100002DEST_PATH_IMAGE001

Figure 2012105667510100002DEST_PATH_IMAGE003

（18，17，15）、差动轮系和传动机构，其特征在于：所述桨叶（1）滑动穿过铰链（3）固定在桨轴（2）上，铰链（3）周向均布安装在外轮壳（4）上，所述电机

（18，17，15）经传动机构分别驱动外轮壳（4）和差动轮系；外轮壳（4）和电机

（18，17，15）均安装在所述的机架（5）上。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：

所述的基于差动轮偏心机构的轮足两栖机器人机构，其特征在于所述桨叶（1）穿过铰链（3）后，内端通过一个桨叶连接块（21）固定在桨轴（2）上。

所述的基于差动轮偏心机构的轮足两栖机器人机构，其特征在于所述桨轴（2）固定在一个与差动轮系中的行星轮（9）同轴的一个转盘（22）上。

所述的基于差动轮偏心机构的轮足两栖机器人机构，其特征在于所述传动机构包括第一、第二锥齿轮（19，13）、第一、第二、第三传动齿轮（6，7，11）、内齿轮（12）、行星轮（9）、太阳轮

（8）、太阳轮

（10），连接方式为：

a.所述的电机

（18）通过第一锥齿轮（19）和第一传动齿轮（6）驱动外轮壳（4）上固定的内齿轮（12）；

b.所述的电机

（17）通过一个联轴器驱动太阳轮

（8）；

c.所述的电机

（15）通过第二锥齿轮（13）、第三传动齿轮（11）和第二传动齿轮（7）驱动太阳轮

（10）上固定的三角连杆（20）。

实施例三：

本基于差动轮偏心机构的轮足两栖机器人的结构如下：

如图2所示，四根桨叶（1）分别穿过四个铰链（3）固定在桨轴（2）上，并通过差动轮系的转动来调整桨轴（2）的位置，外轮壳（4）可以独立运动。这样通过桨轴（2）和外轮壳（4）的配合运动就可以实现上述的几种运动模式。

其中，桨叶（1）是通过桨叶连接块（21）与桨轴（2）相连，见图3；四个铰链（3）是均匀分布在外轮壳（4）内，见图6；桨轴（2）是固定在与差动轮系中的行星轮（9）同轴的一个转盘（22）上，见图4；外轮壳（4）、电机安装板（14）和固定板（16）是安装在机架（5）上。

本模块的传动机构布置为：三个有刷伺服电机均安装在电机安装板（14）上。其中电机

（18）的转动通过一对第一锥齿轮（19）传递到第一传动齿轮（6）上，第一传动齿轮（6）又和内齿轮（12）相啮合，而内齿轮（12）通过螺钉固定在外轮壳（4）上，这样电机（18）可以控制外轮壳（4）的转动。电机

（17）通过一个联轴器直接驱动差动轮系中太阳轮

（8）。而电机

（15）的转动同样也是通过一对第二锥齿轮（13）传递到第三传动齿轮（11）上，第三传动齿轮（11）与第二传动齿轮（7）啮合传动，第二传动齿轮（7）通过三角连杆（20）来驱动差动轮系中的另外一个太阳轮（10）。另外，整个传动机构安装在固定板（16）上。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落在本方面的保护范围。

Claims

1.一种基于差动轮偏心机构的轮足两栖机器人机构，包括由桨叶（1）、桨轴（2）、铰链（3）、外轮壳（4）、机架（5）、电机

Figure 2012105667510100001DEST_PATH_IMAGE004

（18，17，15）、差动轮系和传动机构，其特征在于：所述桨叶（1）滑动穿过铰链（3）固定在桨轴（2）上，铰链（3）周向均布安装在外轮壳（4）上；所述电机

（18，17，15）均安装在所述的机架（5）上。

2.根据权利要求1所述的基于差动轮偏心机构的轮足两栖机器人机构，其特征在于所述桨叶（1）穿过铰链（3）后，内端通过一个桨叶连接块（21）固定在桨轴（2）上。

3.根据权利要求1或2所述的基于差动轮偏心机构的轮足两栖机器人机构，其特征在于所述桨轴（2）固定在一个与差动轮系中的行星轮（9）同轴的一个转盘（22）上。

4.根据权利要求1所述的基于差动轮偏心机构的轮足两栖机器人机构，其特征在于所述传动机构包括第一、第二锥齿轮（19，13）、第一、第二、第三传动齿轮（6，7，11）、内齿轮（12）、行星轮（9）、太阳轮

（8，10），连接方式为：

a.所述的电机（18）通过第一锥齿轮（19）和第一传动齿轮（6）驱动外轮壳（4）上固定的内齿轮（12）；

b.所述的电机

（17）通过一个联轴器驱动太阳轮（8）；

c.所述的电机

（15）通过第二锥齿轮（13）、第三传动齿轮（11）和第二传动齿轮（7），驱动太阳轮

（10）上固定的三角连杆（20）。