CN103273815A - 一种两栖蛇形子母机器人的桨身融合子模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两栖蛇形子母机器人的桨身融合子模块。该子模块主要包括头盖、桨身融合部、尾盖。头盖为半球壳结构，其上分布有多个摄像头安装孔，顶部有连接孔；桨身融合部为双层套筒结构，外筒表面有桨叶的嵌合孔并安装有三个辅助翼轮，内筒设计有桨叶连接杆收纳槽和传动杆的限位卡口，桨身融合部内部包括舵机、桨叶动力传动装置、限位装置，桨叶动力传动装置包括连杆活塞传动装置和伸缩杆传动装置，限位装置包括活塞导轨筒和传动限位盘；尾盖也是半球壳结构，底部有连接孔。整个子模块重心设计在下半部，桨叶拥有创新的凹口设计和合页型可开合设计，顺应了水中运动时的流体力学特点以实现子体的划动能力，适用于水中探测等作业。

Description

一种两栖蛇形子母机器人的桨身融合子模块

技术领域

本发明涉及一种两栖蛇形子母机器人的桨身融合子模块，特别是涉及一种依靠合页型可开合桨叶划动在水中运动的桨身融合机构。

背景技术

两栖机器人具有水陆双环境的适应能力,作业范围广泛,可以进行水陆环境的军事侦察、灾害救援、环境探测等任务，并可以充当水下通讯系统的载体,执行人类无法完成的陆地、湖泊、河流和海洋多种作业任务,应用前景十分广阔。

目前两栖机器人主要是以仿生两栖机器人为主，仿生两栖机器人有很强的环境适应能力,但存在自由度数多、控制复杂、运动缓慢等不足。国际上两栖机器人主要集中在在轮腿式、浆叶式和蛇式两种方式上，陆上运动主要有轮式、履带式、腿式以及蛇形蜿蜒等方式，水中运动则有螺旋桨、摆动、划动、喷水、水翼等方式腿式，国外已研制出包括仿生蟑螂、仿生螃蟹、仿生海龟、仿生蜥蜴、两栖仿生蛇等多种两栖机器人，其中以两栖蛇形机器人的运动最为灵活多样。蛇形两栖机器人的发展是蛇形机器人和两栖机器人的完美结合，其运动形式可以在简单添加轮腿等辅助装置时将更加多样化，易于模块化加工，简单易实现，安装更换维修等方便，因而在国内外的研究中很受关注，并已经取得相当的成果，其中以东京工业大学研制的ACM-R5机器蛇和瑞士的水陆两栖火蜥赐机器人运动能力最为强大灵活。ACM-R5以双自由度关节的扭转为动力并辅以躯体表面的翼面结构实现其水中游动，陆地运动则依靠蛇形蜿蜒并辅以被动轮提升其运动速度；火蜥蜴机器人在陆地上行走时,主要依靠身体下面的四条可以转动的腿和可弯曲成“S”型的脊柱，当它下水后,脊柱扭动的频率会加快,尾部提供前进的推动力,使其在水中游动。国外专利方面涉及直接可开合型桨叶的多子体构成的可分体蛇形两栖机器人则没有，多为螺旋桨设计，此外还有比较特殊的轮桨结合设计。

在国内，两栖机器人主要是以仿生鱼为代表，形体上长度增加后也可以近似视为蛇形机器人，但必须安装辅助轮、履带或者桨叶以在陆地上行进。北京大学工学院智能控制实验室研发了两栖机器人——“中国龙”。“中国龙”利用其腿桨复合结构不仅可以在复杂的陆地环境中稳定行走，而且在水中有较强的游动能力，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。国内有关两栖机器人的专利主要以轮腿桨的设计为主，设计蛇形两栖机器人的专利有中科院沈阳自动化研究所设计的专利号为200820231889.4的水陆两栖蛇形机器人和中南大学学生设计的专利号为200920313939.8的一种多功能蛇形机器人，与国外的蛇形机器人表面结构有较多相似之处。查究单体的此类桨叶设计较少的原因是由于推进效率低，运动范围小，可抗水流冲击能力小且实际供电能力受限等原因，这些可以通过多子体的结合构建可分体蛇形机器人来克服，在小范围和可续电力的支持下能够完成水陆侦查、探测、摄影等较多作业任务。本发明针对于两栖蛇形机器人分体后的单子体运动形式进行设计，创新地将合页型可开合桨叶融合在蛇形子模块上利用其划动实现子模块的上下运动，与螺旋桨结合还可实现子模块的多方位运动。

发明内容

本发明侧重于两栖蛇形机器人分体后的子体运动的实现，在保证机器人整体外形相对圆滑的前提下，创新地应用将桨叶划动方案实现子体的运动，特别的桨身融合型设计、合页型可开合桨叶设计和三片均匀分布式设计保证了两栖蛇形机器人在水中分体后子体的运动有效性和稳定性，连杆活塞和伸缩杆的传动结合使得三个桨叶可以保证同步动作，导筒以及限位口、限位盖、固定螺钉的设计保证了传动的位置定位准确度，创新的连接孔设计可以自由连接关节部和分体部，甚至可以安装螺旋桨实现快速机动。密封上主要是考虑膜套覆盖以及硅胶粘合。设计目的是用于水下侦察、探测、摄影、救援等任务。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种两栖蛇形子母机器人的桨身融合子模块，模块整体外形呈胶囊状，由头盖（1）、桨身融合部（2）、尾盖（3）组成，其中，头盖（1）采用半球壳结构，其上分别在相互垂直的两个方向设计有六个摄像头安装孔（10），顶部有三翼连接孔（14），内部设计有活塞导轨筒限位槽（15）；桨身融合部（2）为双层套筒结构，由外筒（4）、桨叶（5）、内筒（6）以及内部的动力装置、传动机构和限位机构组成，三个桨叶（5）均匀分布于桨身融合部（2）的外围，由同一动力装置通过相应的传动机构驱动，设计转动角度90度，其中外筒(4)上均匀分布三个有传动孔的桨叶形融合孔，桨叶（5）可以很好的嵌入其中，从而保证外筒（4）表面的顺滑，外筒（4）表面均匀分布三个辅助翼（9）并安装有三个辅助轮（8），筒内壁两侧有和头盖（1）和尾盖（3）的连接螺纹（26），内筒（6）主要设计有桨叶连接杆收纳槽（7）和传动限位卡口（28），其上还有舵机固定台（27）和位置限定孔（30），舵机固定台（27）上有两个舵机连接螺孔（29），内部动力装置为舵机（24），旋转角度大于或等于180度，传动机构包括连杆活塞传动机构和伸缩杆传动机构，舵机（24）的动力先通过由传动盘（23）和传动连杆（22）的连杆传动装置传递给活塞（21），将舵机（24）的转动转变为活塞（21）沿活塞导轨筒(16)的直线运动，而后通过连接活塞(21)的传动筒(20)和桨叶连接传动杆（19）组成的伸缩杆传动装置将动力传递给桨叶（5），此时活塞（21）的直线往复运动就转变为桨叶（5）的圆周运动，其间桨叶连接传动杆（19）和传动筒（20）的可伸缩配合很重要，这种配合有效的将转动传递给了桨叶（5）,限位机构包括活塞导轨筒（16）和传动限位盘（17），活塞导轨筒（16）通过三翼螺钉（12）固定在头盖（1）上，主要是用来限定活塞的运动范围同时将动力有效传递，三翼螺钉（12）除了起到固定头盖（1）和活塞导轨筒（16）的作用外，还可以对外连接关节模块或分体模块，利用三翼紧固盘（11）和螺母对其进行了固定，传动限位盘（17）依靠传动限位卡口（28）和内筒（6）固定防止转动并通过头盖（1）和尾盖（3）的螺纹连接限制其轴向移动，其上的活塞导轨筒定位突（31）主要是限定活塞导轨筒（16）的转动，鸭蹼形缺口则给伸缩杆传动机构提供限位并为传动连杆（22）提供运动空间，其中桨叶连接传动杆轴座（32）用来固定桨叶连接传动杆（19）；尾盖（3）通过连接螺纹（26）和桨身融合部（2）连接，顶部也有相应的三翼连接孔（14），可通过三翼螺钉（12）连接关节模块或分体模块，安装三翼孔紧固盘（11），通过螺母和三翼螺钉（12）固定。

进一步地，子模块整体呈胶囊型结构，利于克服水中阻力，头盖（1）和尾盖（3）均为半球壳结构，其中头盖（1）沿子模块整体的轴向和径向分别均匀设计有三个摄像头安装孔，多方位获取环境信息，子模块将采用外膜套结构进行防水。

进一步地，桨身融合部（2）为双层套筒结构，外筒（4）表面均匀分布有三个桨叶形通孔，桨叶（5）可以完全嵌入，内外筒通过位置限定孔限定相对转动和移动。

进一步地，所述桨身融合部（2）上设计的三个桨叶（5）采用合页型对称可开合设计和凹口设计，可顺应水中运动阻力自由开合，拨动水流实现升降运动。

进一步地，所述活塞导轨筒（16）为半封闭筒形结构，筒壁上均匀开有六个长条形活塞配位口，限定活塞的同时可以给传动连杆（22）提供运动空间。

进一步地，所述传动限位盘（17）中间限位孔整体呈鸭蹼形状，中间圆孔圆周上有活塞导轨筒定位突（31），限位盘一侧圆周上均匀分布三个桨叶连接传动杆轴座（32），其上有连接轴孔与桨叶连接传动杆（19）相连接。

进一步地，所述桨叶连接传动杆（19）具有桨叶限位突（33），限制两瓣桨叶的运动范围各自为90度，防止两瓣桨叶的自由转动。

进一步地，所述三翼螺钉（12）具有特殊的翼型边缘结构，能限定活塞导轨筒（16）和头盖（1）之间的相对转动，同时通过螺母限定连接体的相对移动，并可以连接关节模块或分体模块。

本发明在传统的两栖运动形式上进行了大胆的探索和创新，重点实现子模块的水下运动功能，采用可开合桨叶划动的方式实现子模块的水中升降运动。本发明具有以下优点：

1、桨叶的合页型开合设计和凹口设计，巧妙的适应了水中运动的流体力学特点，减少阻力的同时可以相对地提升上升的速度；

2、桨叶与模块外筒的完全嵌合设计，保持了外筒表面的顺滑形状；

3、胶囊型外形设计，可有效减少流体阻力；

4、外筒外围的三桨叶均匀分布设计，连杆活塞和伸缩杆传动设计，保证了由同一个舵机提供动力；

5、特殊的三翼连接螺钉设计，巧妙地防止连接件的相对转动和轴向运动。

附图说明

图1为本发明外形整体结构示意图（桨叶舒展时）；

图2为本发明外形整体结构示意图（桨叶收紧时）；

图3为本发明外部结构详细示意图；

图4为外侧观头盖结构示意图；

图5为内侧观头盖结构示意图；

图6为桨身融合部整体结构示意图；

图7为桨身融合部内部传动机构整体示意图；

图8为桨身融合部外筒结构示意图；

图9为桨身融合部内筒结构示意图；

图10为传动限位盘结构示意图；

图11为活塞导轨筒结构示意图；

图12为头盖和活塞导轨筒连接示意图；

图13为桨叶连接传动杆结构示意图；

图14为桨叶装配结构示意图（桨叶展开）；

图15为桨叶装配结构示意图（桨叶闭合）；

图16为尾盖结构示意图；

图17为三翼螺钉结构示意图；

其中，1头盖，2桨身融合部，3尾盖，4外筒，5桨叶，6内筒，7桨叶连接杆收纳槽，8辅助轮，9辅助翼，10摄像头安装孔，11三翼孔紧固盘，12三翼螺钉，13合页连接钉，14三翼连接孔，15活塞导轨筒限位槽，16活塞导轨筒，17传动限位盘，18合页，19桨叶连接传动杆，20传动筒，21活塞，22传动连杆，23传动盘，24舵机，25舵机固定螺钉，26连接螺纹，27舵机固定台，28传动限位卡口，29舵机连接螺孔，30位置固定孔，31活塞导轨筒定位突，32桨叶连接传动杆轴座，33桨叶限位突。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图1-3给出了两栖蛇形子母机器人的桨身融合子模块的整体示意图，模块整体外形呈胶囊状，由头盖1、桨身融合部2、尾盖3组成。 

图4、5展示了头盖1的结构，采用半球壳结构，其上分别在相互垂直的两个方向设计有六个摄像头安装孔10，主要是负责外部环境信息的获取，内部设计有活塞导轨筒限位槽15，顶部设计有三翼连接孔14，负责和活塞导轨筒16的连接限位，此外，三翼连接孔14还可以对外连接关节模块或分体模块。

图6为桨身融合部2的整体结构示意，该部整体为双层套筒结构，由外筒4、桨叶5、内筒6以及内部的动力装置、传动机构和限位机构组成，三个桨叶5均匀分布于融合部的外围，由同一动力装置通过相应的传动机构驱动，设计转动角度90度。

图7清晰的给出了桨身融合部2内部传动机构和限位机构的结构。传动机构包括连杆活塞传动机构和伸缩杆传动机构，舵机24的动力先通过由传动盘23和传动连杆22的连杆传动装置传递给活塞21，将舵机24的转动转变为活塞21沿活塞导轨筒16的直线运动，而后通过连接活塞21的传动筒20和桨叶连接传动杆19组成的伸缩杆传动装置将动力传递给桨叶5，此时活塞21的直线往复运动就转变为桨叶5的圆周运动，其间桨叶连接传动杆19和传动筒20的可伸缩配合很重要，这种配合有效的将转动传递给了桨叶5；限位机构包括活塞导轨筒16和传动限位盘17。

图8所示的外筒4上均匀分布着三个有传动孔的桨叶形融合孔，桨叶5可以很好的嵌入其中，从而实现桨身融合，可保证外筒4表面在陆地运动时的顺滑，外筒4表面均匀分布三个辅助翼9并安装有三个辅助轮8，可辅助陆地行进时的运动并防止对桨叶凹口结构的触碰，筒内壁两侧连接头盖1和尾盖3的连接螺纹26。

图9所示内筒6主要设计有桨叶连接杆收纳槽7和传动限位卡口28，其上还有舵机固定台27和位置限定孔30，舵机固定台27上有两个舵机连接螺孔29用于固定舵机24，位置限定孔30用于和外筒4的相对位置定位，桨叶连接杆收纳槽7则在桨叶完全收合在外筒4上时用于容纳桨叶连接传动杆的桨叶连接部分，传动限位卡口28则主要和传动限位盘17配合限制其转动。 

图10所示的传动限位盘17中间限位孔整体呈鸭蹼形状，中间圆孔圆周上有活塞导轨筒定位突31，限位盘一侧圆周上均匀分布三个桨叶连接传动杆轴座32。传动限位盘17依靠传动限位卡口28和内筒6固定防止转动并通过头盖1和尾盖3的螺纹连接限制其轴向移动，其上的活塞导轨筒定位突31主要是限定活塞导轨筒16的转动，鸭蹼形缺口则给伸缩杆传动机构提供限位并为传动连杆22提供运动空间，其中桨叶连接传动杆轴座32用来固定桨叶连接传动杆19。

图11给出了活塞导轨筒16的结构示意，其为半封闭筒形结构，筒壁上均匀开有六个长条形活塞配位口，限定活塞21的同时可以给传动连杆12提供运动空间。

图12显示了活塞导轨筒16通过三翼螺钉12固定在头盖1上，主要是用来限定活塞的运动范围同时将动力有效传递。

图13为桨叶连接传动杆19的结构示意图，其主要是连接传动筒20和桨叶5的作用。

图14和15显示了桨叶5的两瓣叶片的连接示意图，分别展示了其打开和闭合时的效果，其中合页18则通过合页连接钉13连接两瓣叶片，桨叶连接传动杆19则将合页18都连接起来。

图16所示的尾盖3通过连接螺纹26和桨身融合部2连接，顶部也有相应的三翼连接孔14，可通过三翼螺钉12连接关节模块或分体模块，这里只安装了三翼孔紧固盘11，通过螺母和三翼螺钉12固定。

图17所示的三翼螺钉12除了起到固定头盖1和活塞导轨筒16的作用外，还可以对外连接关节模块或分体模块，这里利用了三翼紧固盘11和螺母对其进行了固定。

本发明在结构设计时，主要设计了头盖、桨身融合部、尾盖的结构，其中以桨身融合部的传动机构和限位机构为主，设计创新点主要体现在桨叶划动的运动方式和桨叶的凹口合页型可开合可融合型设计上。头尾盖的半球壳外径为Ф80，桨身融合部外径相同长度为90mm，舵机选用旋转角度大于180度的型号。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种两栖蛇形子母机器人的桨身融合子模块，其特征在于：模块包括头盖（1）、桨身融合部（2）、尾盖（3），其中，头盖（1）上设有六个摄像头安装孔（10），顶部有三翼连接孔（14），内部设计有活塞导轨筒限位槽（15）；桨身融合部（2）由外筒（4）、桨叶（5）、内筒（6）以及内部动力装置、传动机构和限位机构组成，三个桨叶（5）均匀分布于桨身融合部（2）的外围，分别由两瓣叶片组成，通过合页（18）经合页连接钉（13）固定，外筒(4)上均匀分布三个有传动孔的桨叶形融合孔，外筒（4）表面均匀分布三个辅助翼（9）并安装有三个辅助轮（8），筒内壁两侧有和头盖（1）和尾盖（3）的连接螺纹（26），内筒（6）设有桨叶连接杆收纳槽（7）和传动限位卡口（28），其上还有舵机固定台（27）和位置限定孔（30），舵机固定台（27）上有两个舵机连接螺孔（29），内部动力装置为舵机（24），旋转角度大于或等于180度，通过舵机固定螺钉（25）固定在内筒（6）的舵机固定台（27）上，传动机构包括连杆活塞传动机构和伸缩杆传动机构，连杆活塞传动装置由传动盘（23）和传动连杆（22）的组成，伸缩杆传动装置则由传动筒(20)和桨叶连接传动杆（19）组成，这样舵机（24）的转动先转变为活塞（21）的直线往复运动而后转变为桨叶（5）的圆周运动，桨叶连接传动杆（19）和传动筒（20）可伸缩配合，并将转动传递给桨叶（5）,桨叶连接传动杆（19）上还设有桨叶限位突（33），限位机构包括活塞导轨筒（16）和传动限位盘（17），活塞导轨筒（16）通过三翼螺钉（12）固定在头盖（1）上，利用三翼紧固盘（11）和螺母对其进行固定，传动限位盘（17）上设有活塞导轨筒定位突（31）和桨叶连接传动杆轴座（32）；尾盖（3）通过连接螺纹（26）和桨身融合部（2）连接，尾盖（3）顶部也有相应的三翼连接孔（14），并通过螺母和三翼螺钉（12）固定安装三翼孔紧固盘（11）。

2. 根据权利要求1所述的两栖蛇形子母机器人的桨身融合子模块，其特征在于：所述子模块整体呈胶囊型结构，头盖（1）和尾盖（3）均为半球壳结构，其中头盖（1）沿子模块整体的轴向和径向分别均匀设计有三个摄像头安装孔（10），子模块采用外膜套结构进行防水。

3.根据权利要求1所述的两栖蛇形子母机器人的桨身融合子模块，其特征在于：所述桨身融合部（2）为双层套筒结构，外筒（4）表面均匀分布有三个桨叶形通孔，桨叶（5）可以完全嵌入，内筒（6）设有桨叶连接杆收纳槽（7）和传动限位卡口（28），内外筒通过位置限定孔（30）限定相对转动和移动。

4.根据权利要求1所述的两栖蛇形子母机器人的桨身融合子模块，其特征在于：所述桨身融合部（2）上设计的三个桨叶（5）采用合页型对称可开合设计和凹口设计，由同一动力装置通过相应的传动机构驱动，设计转动角度90度。

5.根据权利要求1所述的两栖蛇形子母机器人的桨身融合子模块，其特征在于：所述活塞导轨筒（16）为半封闭筒形结构，筒壁上均匀开有六个长条形活塞配位口，限定活塞（21）的同时可以给传动连杆（22）提供运动空间。

6.根据权利要求1所述的两栖蛇形子母机器人的桨身融合子模块，其特征在于：所述传动限位盘（17）中间限位孔整体呈鸭蹼形状，中间圆孔圆周上有活塞导轨筒定位突（31），传动限位盘（17）一侧圆周上均匀分布三个桨叶连接传动杆轴座（32），其上有连接轴孔。

7.根据权利要求1所述的两栖蛇形子母机器人的桨身融合子模块，其特征在于：所述桨叶连接传动杆（19）具有桨叶限位突（33），限制两瓣桨叶的运动范围各自为90度。

8.根据权利要求1所述的两栖蛇形子母机器人的桨身融合子模块，其特征在于：所述三翼螺钉（12）具有翼型边缘结构，与相应的三翼连接孔（14）结合能限定活塞导轨筒（16）和头盖（1）之间的相对转动，同时通过螺母限定连接体的相对移动。

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