CN104527352A - 一种新型球形两栖机器人及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种新型球形两栖机器人，其特征在于它包括上、下两部分，其中上半部分包括半圆球壳和圆盘，下半部分包括至少3组驱动装置和摄像头；其工作方法包括：通电、传感器判断、选择运动方式、运动状态改变；其优越性在于：水陆两种环境中运动；同时能够完成在陆地上多种运动；机器人灵活性好；噪声低；适应性强；体积小易操作。

Description

一种新型球形两栖机器人及其工作方法

(一)技术领域：

本发明涉及一种机器人，尤其是一种可在水陆两种环境中运动并根据环境的变化自主切换运动方式的球形两栖机器人。

(二)背景技术：

机器人是一种具有高度灵活性的自动化机器，可以代替人类去做繁重或者精细的工作。两栖机器人因其能实现水中和陆地的两种领域运动，使得该类型机器人具有广泛的应用前景,包括在生活、工业、军事等领域。虽然现在机器人的能力还是有限的，但它处于迅速发展的态势，并开始对整个工业生产、太空和海洋探索以及人类生活的各方面产生巨大的积极影响，维护国家权益。

目前国内、外有众多的团队和学者从事着球形机器人以及两栖机器人的研究。其中国外的研究起步较早，发达国家已走在世界的前列，相关研究的成果较多。我国在国家自然科学基金委、国防科工委和863高技术研究发展计划等的大力资助下，哈尔滨工程大学、电子科技大学、北京邮电大学、北京理工大学、南京航空航天大学等也都对球型机器人以及两栖机器人开展了研究并取得了一些进展，但与国外相比仍有较大差距。这与我国微电子、机械制造工业的整体发展水平不高密切相关。

(1)国外研究现状

2012年，英国，曼切斯特大学研制出一种小型的球形机器人，该机器人只能够在水里移动，不能实现在水陆两栖。该机器人直径小，能适应狭窄的环境作业，但由于其采用螺旋桨驱动，噪声较大。2010年，美国，麻省理工学院利用康达效应的原理，提出泵—流量阀的概念，开发了一种类似鸭蛋的水下机器人。研制了驱动机器人水中运动的装置，该机器人采用对称结构，无缆线控制，没有附属物，体积小，能有效避免水中外在环境的干扰，适用于水下核管道的检测，但是对机器人难以实现准确控制。2013年，加拿大，麦吉尔大学，开发了一种两栖机器人，该机器人利用轮子的转动实现其在水陆两栖的运动。

(2)国内研究现状

哈尔滨工程大学研发了基于矢量推进的球形机器人，它能实现水中3自由度的运动，但是体积过大。北京邮电大学一直致力于陆地中的球形机器人的研究，先后研制了4代机器人，包括带有机械臂抓取功能的球形机器人，该机器人利用质量块重心的偏移实现机器人的滚动。北京理工大学近年也在研制球形机器人，他们通过控制伺服舵机的角度，带动轮子，来实现其多自由度的滚动。

虽然国内外研究团队在球形机器人方面已经取得重大的突破，但仍然存在一些问题：1)多数球形机器人的几何尺寸普遍偏大，不利于其在狭窄的空间运动；2)机器人水下运动多采用螺旋桨驱动，噪声大、隐蔽性差；3)一些球形机器人只能在单一领域下运动，不能实现水陆两栖，不能适应复杂的环境。

(三)发明内容：

本发明目的设计一种新型球形两栖机器人，它能够解决现有球形机器人的问题，具有环境适应性强、尺寸小、活动范围大、噪声低、使用方便的优点，在海洋、荒岛的开发和利用中发挥的重要作用。

本发明的技术方案：一种新型球形两栖机器人，其特征在于它包括上、下两部分，其中上半部分包括半圆球壳和圆盘，下半部分包括至少3组驱动装置和摄像头；所述半圆球壳和圆盘连接构成壳体，所述壳体内部有安装供电电池、控制装置和液位传感器，所述液位传感器镶嵌在圆盘上；所述圆盘上安装驱动装置和用于采集周围环境信息的摄像头；所述驱动装置、摄像头、供电电池、液位传感器均与控制装置连接。

所述至少3组驱动装置呈中心对称分布在圆盘上，所述摄像头安装在圆盘的中心位置。

所述每组驱动装置包括防水伺服舵机Ⅰ、防水伺服舵机Ⅱ、喷水电机、喷管、直流电机以及车轮；所述防水伺服舵机Ⅰ、防水伺服舵机Ⅱ在空间上垂直摆放；所述防水伺服舵机Ⅰ与圆盘连接，所述防水伺服舵机Ⅱ安装于多功能舵机支架上；

所述直流电机与喷水电机安装在防水壳中，防水壳通过L形支架固定在多功能舵机支架上；

所述车轮与直流电机连接；所述喷管与喷水电机连接；

所述防水伺服舵机Ⅰ、防水伺服舵机Ⅱ、喷水电机及直流电机均与控制装置连接。

所述防水伺服舵机Ⅰ通过垂直安装的一字型舵机支架和长U形舵机支架与防水伺服舵机Ⅱ连接。

所述防水伺服舵机Ⅰ、防水伺服舵机Ⅱ、直流电机以及车轮构成陆地运动时采用的轮式结构；所述防水伺服舵机Ⅰ、防水伺服舵机Ⅱ、喷水电机及喷管构成陆地运动时采用的腿式结构以及水下运动时采用的喷水推进结构。

所述防水伺服电机Ⅰ通过铜柱和螺丝Ⅱ固定在圆盘上。

所述伺服舵机Ⅰ与一字型舵机支架通过金属舵盘Ⅱ连接；所述防水伺服舵机Ⅱ通过轴承与金属舵盘Ⅰ与长U形支架连接；所述长U形支架与一字型舵机支架通过螺丝Ⅲ连接。

所述车轮通过轴安装在直流电机的一侧。

所述驱动装置为呈中心对称分布在圆盘上的4组。

所述半圆球壳与圆盘通过螺丝Ⅰ固定在一起构成密闭的壳体。

所述半圆球壳与圆盘通过防水胶进行防水密封。

所述圆盘上设置用于穿过各个器件与控制装置相连所用导线的圆孔。

所述圆盘为起固定作用的圆盘。

所述半圆球壳采用3D打印机打印，所述防水壳采用3D打印机打印。

一种上述新型球形两栖机器人的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)控制装置通电后,机器人通过壳体内部镶嵌在圆盘上的液位传感器判断自身所处的环境,反馈到控制装置,自主完成水陆自身姿态的切换；

(2)经液位传感器判断在陆地上时，通过安装在圆盘上的摄像头判断周围的环境，根据地形的状况选择轮式结构运动或是腿式结构运动：

①选择采用轮式结构运动时，控制装置控制每组驱动装置中的防水伺服舵机Ⅰ、防水伺服舵机Ⅱ空间上保持垂直状态并且使得每组驱动装置中的车轮保持与地面成垂直状态；通过每组直流电机分别驱动每组车轮的转动实现两栖机器人在陆地上的运动，提高其在平坦地形下的运动速度；

②选择采用腿式结构运动时，通过控制装置调节每组驱动装置中喷水电机和喷管的方向与角度偏转以及控制每组喷水电机和喷管的运动顺序来改变球形两栖机器人在陆地上的运动状态以及调节机器人的行走速度，提高了机器人的环境适应能力；

(3)经液位传感器判断在水下运动时，采用喷水推进结构运动，通过调节喷水电机喷水推力的大小以及喷水方向实现机器人在水中的运动状态；

(4)通过控制每组驱动装置中防水伺服舵机Ⅰ和防水伺服舵机Ⅱ的偏转角度改变机器人的运动姿态。

所述步骤(2)在陆地上运动时，经摄像头判断处于平坦地形时选择采用轮式结构运动，经摄像头判断处于陆地地形较为严苛的情况时选择采用腿式结构运动。

所述步骤(2)中选择采用轮式结构运动时，机器人的转向通过改变每组直流电机输出的不同转速，利用车轮之间的转速差来实现；

选择采用腿式结构运动时，控制装置通过控制每组驱动装置中防水伺服舵机Ⅰ和防水伺服舵机Ⅱ的角度的偏转带动每组喷水电机和喷管的方向与角度偏转，进而实现机器人的运动。

所述步骤(3)中当机器人在水下运动时，实现水平前进或后退运动的方法为：控制装置控制每组驱动装置中的防水伺服舵机Ⅰ、防水伺服舵机Ⅱ空间上保持垂直状态并且使得每组驱动装置中的喷管保持与水面成水平状态；机器人采用后侧或前侧喷水电机中喷水产生的推进力来实现其水平前进或后退运动；

实现垂直上升或下潜运动的方法为：控制装置控制每组驱动装置中的防水伺服舵机Ⅰ、防水伺服舵机Ⅱ空间上保持垂直状态并且使得每组驱动装置中的喷管保持与水面成垂直状态；控制装置通过改变每组驱动装置中喷水电机喷水量来实现其垂直上升或下潜运动；

实现水平旋转运动的方法为：通过控制装置改变每组驱动装置中喷水电机喷水产生的推进力，利用推进力的差值来实现。

所述机器人从地面进入水中或者从水中进入地面时，机器人采用直流电机驱动车轮转动的方式实现水陆的切换，以提高其切换的平稳性。

所述控制装置控制驱动装置中防水伺服舵机Ⅰ和防水伺服舵机Ⅱ的偏转角度、直流电机的转速以及喷水电机喷水的推力大小是通过控制装置输出的PWM占空比来实现。

所述控制装置采用型号为aTmega2560的单片机。

本发明的优越性在于：1、可在水陆两种环境中运动并根据环境的变化自主切换运动方式的机器人；2、本发明球形两栖机器人同时能够完成在陆地上多种运动步态和水中上浮、下潜、旋转等运动；3、该球形两栖机器人尺寸较小且采用了对称的设计结构，能够提高机器人的灵活性，有利于其在狭窄的空间作业；4、该机器人利用喷水电机实现其水下运动，噪声低；5、该机器人在陆地根据地形可以有两种运动形式：一种是以车轮滚动的方式运动，可以提高其在平坦地形下的运动速度；另一种是腿式结构，可以在地形较为严苛的情况下采用；6、由于机器人的内部空间比较大，方便携带微小型机器人，为微小型机器人提供续航，使其完成更加苛刻条件下的水下作业任务。

(四)附图说明：

图1是本发明所涉新型球形两栖机器人的结构示意图。

图2是本发明所涉新型球形两栖机器人的主视图。

图3是本发明所涉新型球形两栖机器人的俯视图。

图4是本发明所涉新型球形两栖机器人的左视图。

图5是本发明所涉新型球形两栖机器人的仰视图。

图6是本发明所涉新型球形两栖机器人中驱动装置的结构示意图。

图7是本发明所涉新型球形两栖机器人中驱动装置的主视图。

图8是本发明所涉新型球形两栖机器人中驱动装置的俯视图。

图9是本发明所涉新型球形两栖机器人中驱动装置的左视图。

其中，1、球壳；2、螺丝Ⅰ；3、圆盘；4、防水伺服舵机Ⅰ；5、一字型舵机支架；6、长U形舵机支架；7、铜柱；8、金属舵盘Ⅰ；9、多功能舵机支架；10、轴承；11、防水壳；12、直流电机；13、车轮；14、喷水电机；15、喷管；16、L形支架；17螺丝Ⅱ；18摄像头；19、轴；20圆孔；21、防水伺服舵机Ⅱ；22、金属舵盘Ⅱ；23、螺丝Ⅲ。

(五)具体实施方式：

实施例：一种新型球形两栖机器人，其特征在于它包括上、下两部分，其中上半部分包括半圆球壳1和圆盘3，下半部分包括4组驱动装置和摄像头18；所述半圆球壳1和圆盘3连接构成壳体，所述壳体内部有安装供电电池、控制装置和液位传感器，所述液位传感器镶嵌在圆盘3上；所述驱动装置和摄像头18均安装在圆盘3上；所述驱动装置、摄像头18、供电电池、液位传感器均与控制装置连接。

如图1到5所示，半圆球壳1中的8个圆孔与亚克力圆盘3中的8个圆孔通过螺丝Ⅰ2固定在一起构成密闭的壳体；并对两者之间利用防水胶进行防水处理。

如图1到5所示，4组驱动装置对称分布在亚克力圆盘3的下方，每组驱动装置包括防水伺服舵机Ⅰ4、防水伺服舵机Ⅱ21、1个喷水电机14、1个喷管15、1个直流电机12、1个车轮13；对四组驱动装置通过组1、组2、组3、组4标记。

如图5所示，球壳下部分，亚克力圆盘3上安装有用于采集周围环境信息的摄像头18，并利用防水胶进行固定。所述摄像头18安装在圆盘3的中心位置。每组驱动装置中的防水伺服电机Ⅰ4通过铜柱7和螺丝Ⅱ17固定在亚克力圆盘3上。

如图6到9所示，驱动装置中的防水伺服舵机Ⅱ21与多功能舵机支架9相连接，并利用轴承10与金属舵盘Ⅰ8与长U形支架6连接。伺服舵机Ⅰ4与一字型舵机支架5通过金属舵盘Ⅱ22连接。长U形支架6与一字型舵机支架5通过螺丝Ⅲ23连接。所述防水伺服舵机Ⅰ4、防水伺服舵机Ⅱ21在空间上垂直摆放。

如图6到9所示，直流电机12固定在防水壳11中，防水外壳上部分利用L型支架16与多功能舵机支架9连接，在防水壳11下部分打孔，然后利用铜柱与多功能舵机支架9连接并利用防水胶做好防水。车轮13通过轴19固定在直流电机12的一侧；喷水电机14固定在防水壳11中，其一端出水口与喷管15相连。

如图5所示，各个器件的导线借助亚克力圆盘3的左右圆孔20与控制装置相连。并对两者之间利用防水胶进行防水处理。

所述防水伺服舵机Ⅰ4、防水伺服舵机Ⅱ21、喷水电机14及直流电机12均与控制装置连接。

所述防水伺服舵机Ⅰ4、防水伺服舵机Ⅱ21、直流电机12以及车轮13构成陆地运动时采用的轮式结构；所述防水伺服舵机Ⅰ4、防水伺服舵机Ⅱ21、喷水电机14及喷管15构成陆地运动时采用的腿式结构以及水下运动时采用的喷水推进结构。

所述半圆球壳1采用3D打印机打印，所述防水壳11采用3D打印机打印。

一种上述新型球形两栖机器人的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

1、接通电源，机器人通过液位传感器来判断其所处的环境；

2、机器人位于陆地上时，根据摄像头18采集的信息判断地形的状况，选择轮式结构运动或是腿式结构运动；

(1)当地形为水泥地等平坦地形时，机器人采用轮式结构运动，其实现方式是控制装置控制组1、组2、组3、组4每组驱动装置中的防水伺服舵机Ⅰ4、防水伺服舵机Ⅱ21空间上保持垂直状态并且使得每组驱动装置中的车轮13保持与地面成垂直状态；通过四组直流电机12分别驱动前后四组轮子13的转动实现两栖机器人在陆地上的运动，可以提高其在平坦地形下的运动速度；

机器人采用轮式结构运动时，机器人的转向通过改变每组直流电机12给轴20输出的不同转速，利用车轮13之间的转速差来实现；

(2)当地形为草地、沼泽地等较为严苛地形时，机器人采用腿式结构运动；其实现方式是通过控制装置调节组1、组2、组3、组4每组驱动装置中喷水电机14和喷管15的方向与角度偏转以及喷水电机14和喷管15的运动顺序来改变球形两栖机器人在陆地上的运动状态以及调节机器人的行走速度，可以提高机器人的对严苛陆地环境下的适应能力；

机器人采用腿式结构运动，控制装置通过控制组1、组2、组3、组4每组驱动装置中防水伺服舵机Ⅰ4和防水伺服舵机Ⅱ21的角度的偏转带动每组喷水电机14和喷管15的方向与角度偏转，进而实现机器人的运动；

3、当机器人从地面进入水中时，机器人采用直流电机12驱动车轮13转动的方式实现水陆的切换，反之亦然。可以提高其切换的平稳性。

4、当机器人在水中水平前进运动时，控制装置控制组1、组2、组3、组4每组驱动装置中的防水伺服舵机Ⅰ4、防水伺服舵机Ⅱ21空间上保持垂直状态并且使得每组驱动装置中的喷管15保持与水面成水平状态，机器人采用组2和组4喷水电机14中喷水产生的推进力来实现其水平前进运动；

当机器人在水中水平后退运动时，控制装置控制组1、组2、组3、组4每组驱动装置中的防水伺服舵机Ⅰ4、防水伺服舵机Ⅱ21空间上保持垂直状态并且使得每组驱动装置中的喷管15保持与水面成水平状态，机器人采用组1和组3中喷水电机14喷水产生的推进力来实现其水平后退运动；

当机器人在水中垂直上升或下潜运动时，控制装置控制组1、组2、组3、组4每组驱动装置中的防水伺服舵机Ⅰ4、防水伺服舵机Ⅱ21空间上保持垂直状态并且使得每组驱动装置中的喷管15保持与水面成垂直状态，控制装置通过改变机器人组1、组2、组3和组4每组驱动装置中喷水电机14喷水量来实现其垂直上升或下潜运动；

当机器人在水中水平旋转运动时，通过控制装置改变每组驱动装置中喷水电机14喷水产生的推进力，利用推进力的差值来实现；

5、机器人的水陆运动姿态的改变可通过控制四组驱动装置中防水伺服舵机Ⅰ4和防水伺服舵机Ⅱ21的偏转角度变化来实现的。

6、控制四组驱动装置中防水伺服舵机Ⅰ4和防水伺服舵机Ⅱ21的偏转角度、直流电机12的转速以及喷水电机14喷水的推力大小是通过控制装置输出的PWM占空比来实现。

所述控制装置采用型号为aTmega2560的单片机。

Claims (10)

1.一种新型球形两栖机器人，其特征在于它包括上、下两部分，其中上半部分包括半圆球壳和圆盘，下半部分包括至少3组驱动装置和摄像头；所述半圆球壳和圆盘连接构成壳体，所述壳体内部有安装供电电池、控制装置和液位传感器，所述液位传感器镶嵌在圆盘上；所述圆盘上安装驱动装置和用于采集周围环境信息的摄像头,所述至少3组驱动装置呈中心对称分布在圆盘上,所述摄像头安装在圆盘的中心位置；所述驱动装置、摄像头、供电电池、液位传感器均与控制装置连接。

2.根据权利要求1所述一种新型球形两栖机器人，其特征在于所述每组驱动装置包括防水伺服舵机Ⅰ、防水伺服舵机Ⅱ、喷水电机、喷管、直流电机以及车轮；所述防水伺服舵机Ⅰ、防水伺服舵机Ⅱ在空间上垂直摆放；所述防水伺服舵机Ⅰ与圆盘连接，所述防水伺服舵机Ⅱ安装于多功能舵机支架上；

所述直流电机与喷水电机安装在防水壳中，防水壳通过L形支架固定在多功能舵机支架上；

所述车轮与直流电机连接；所述喷管与喷水电机连接；

所述防水伺服舵机Ⅰ、防水伺服舵机Ⅱ、喷水电机及直流电机均与控制装置连接。

3.根据权利要求2所述一种新型球形两栖机器人，其特征在于所述防水伺服舵机Ⅰ通过垂直安装的一字型舵机支架和长U形舵机支架与防水伺服舵机Ⅱ连接。

4.根据权利要求2所述一种新型球形两栖机器人，其特征在于所述防水伺服舵机Ⅰ、防水伺服舵机Ⅱ、直流电机以及车轮构成陆地运动时采用的轮式结构；所述防水伺服舵机Ⅰ、防水伺服舵机Ⅱ、喷水电机及喷管构成陆地运动时采用的腿式结构以及水下运动时采用的喷水推进结构。

5.根据权利要求2或3所述一种新型球形两栖机器人，其特征在于所述防水伺服电机Ⅰ通过铜柱和螺丝Ⅱ固定在圆盘上；所述伺服舵机Ⅰ与一字型舵机支架通过金属舵盘Ⅱ连接；所述防水伺服舵机Ⅱ通过轴承与金属舵盘Ⅰ与长U形支架连接；所述长U形支架与一字型舵机支架通过螺丝Ⅲ连接；所述车轮通过轴安装在直流电机的一侧。

6.根据权利要求1所述一种新型球形两栖机器人，其特征在于所述 半圆球壳与圆盘通过螺丝Ⅰ固定在一起构成密闭的壳体；所述半圆球壳与圆盘通过防水胶进行防水密封；所述圆盘上设置用于穿过各个器件与控制装置相连所用导线的圆孔；所述半圆球壳采用3D打印机打印，所述防水壳采用3D打印机打印。

7.一种权利要求1所述新型球形两栖机器人的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)控制装置通电后,机器人通过壳体内部镶嵌在圆盘上的液位传感器判断自身所处的环境,反馈到控制装置,自主完成水陆自身姿态的切换；

(2)经液位传感器判断在陆地上时，通过安装在圆盘上的摄像头判断周围的环境，根据地形的状况选择轮式结构运动或是腿式结构运动：

①选择采用轮式结构运动时，控制装置控制每组驱动装置中的防水伺服舵机Ⅰ、防水伺服舵机Ⅱ空间上保持垂直状态并且使得每组驱动装置中的车轮保持与地面成垂直状态；通过每组直流电机分别驱动每组车轮的转动实现两栖机器人在陆地上的运动，提高其在平坦地形下的运动速度；

选择采用轮式结构运动时，机器人的转向通过改变每组直流电机输出的不同转速，利用车轮之间的转速差来实现；

②选择采用腿式结构运动时，通过控制装置调节每组驱动装置中喷水电机和喷管的方向与角度偏转以及控制每组喷水电机和喷管的运动顺序来改变球形两栖机器人在陆地上的运动状态以及调节机器人的行走速度，提高了机器人的环境适应能力；

(3)经液位传感器判断在水下运动时，采用喷水推进结构运动，通过调节喷水电机喷水推力的大小以及喷水方向实现机器人在水中的运动状态；

(4)通过控制每组驱动装置中防水伺服舵机Ⅰ和防水伺服舵机Ⅱ的偏转角度改变机器人的运动姿态。

8.根据权利要求7所述一种新型球形两栖机器人的工作方法，其特征在于所述步骤(2)在陆地上运动时，经摄像头判断处于平坦地形时选择采用轮式结构运动，经摄像头判断处于陆地地形较为严苛的情况时选择采用腿式结构运动。

所述步骤(2)中选择采用轮式结构运动时，机器人的转向通过改变每组直流电机输出的不同转速，利用车轮之间的转速差来实现；

选择采用腿式结构运动时，控制装置通过控制每组驱动装置中防水伺 服舵机Ⅰ和防水伺服舵机Ⅱ的角度的偏转带动每组喷水电机和喷管的方向与角度偏转，进而实现机器人的运动。

所述步骤(3)中当机器人在水下运动时，实现水平前进或后退运动的方法为：控制装置控制每组驱动装置中的防水伺服舵机Ⅰ、防水伺服舵机Ⅱ空间上保持垂直状态并且使得每组驱动装置中的喷管保持与水面成水平状态；机器人采用后侧或前侧喷水电机中喷水产生的推进力来实现其水平前进或后退运动；

所述实现垂直上升或下潜运动的方法为：控制装置控制每组驱动装置中的防水伺服舵机Ⅰ、防水伺服舵机Ⅱ空间上保持垂直状态并且使得每组驱动装置中的喷管保持与水面成垂直状态；控制装置通过改变每组驱动装置中喷水电机喷水量来实现其垂直上升或下潜运动；

所述实现水平旋转运动的方法为：通过控制装置改变每组驱动装置中喷水电机喷水产生的推进力，利用推进力的差值来实现。

9.根据权利要求7所述一种新型球形两栖机器人的工作方法，其特征在于所述机器人从地面进入水中或者从水中进入地面时，机器人采用直流电机驱动车轮转动的方式实现水陆的切换，以提高其切换的平稳性。

10.根据权利要求7所述一种新型球形两栖机器人的工作方法，其特征在于所述控制装置控制驱动装置中防水伺服舵机Ⅰ和防水伺服舵机Ⅱ的偏转角度、直流电机的转速以及喷水电机喷水的推力大小是通过控制装置输出的PWM占空比来实现。