CN106004281B - 一种水陆两栖多运动模式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种水陆两栖多运动模式机器人，包括主机身结构、两个椭圆旋转轮、四组行走腿；每组行走腿由大腿和小腿组成。大腿和小腿，大腿和椭圆形旋转轮之间均为相互平行的主动式转动副。所有腿部的外缘设计均采用圆弧形结构。当所有的腿相互偏转呈一定的角度，机器人整体能够团起并构成完整的圆轮形结构，可沿着身体纵向实现滚动或脉冲推进。当机器人的腿相互偏转呈四足着地站立状态时，可以实现沿着身体纵向的行走。当机器人前腿、后腿分别收缩，可通过主机身的履带机构实现移动。通过前、后腿及机身构成的链状机构的轮流往复摆动，该发明还可实现尺蠖蠕动。若在水中时，该发明在前、后腿伸展状态时，还可由小腿单向旋转实现划水前进。

Description

一种水陆两栖多运动模式机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体为一种水陆两栖多运动模式机器人，采用具有圆弧形和椭圆形的多个转动机构的配置和组合式运动，能够在陆地完成滚动、蠕动、移动行走，以及在水中完成划动等运动模式。

背景技术

足式机器人能够适应不平坦、斜坡等多种复杂地形，具有很强的地形适应性。在公开号为CN105365913A的发明专利中公布了一种舵机式驱动的四足爬行机器人，该机器人舵机不仅控制腿部运动，还控制躯体的运动，提高了机器人的灵活性。通过控制腿部、躯体的运动实现四足机器人基本步态，减少了机器人的驱动部件，降低了机构复杂度和成本，提高了机器人整体可靠性。然而大多数四足机器人采用刚性的腰部，即整个躯干为刚性整体，这样的机器人运动柔顺性差。但是在公开号为CN102343950A的发明专利中公布了一种具有柔性腰部和弹性腿的柔顺四足机器人。该机器人将躯干设计为前后两段，中间加了一个俯仰的自由度，使机器人具有了一定的柔顺性。

与足式步行机器人相比，球形滚动机器人只能在较为平坦的地面运动，但是其能量消耗小，运动速度快，运行状态平稳。在公开号为CN1295907A的发明专利中公布了一种可自主滚动的球形机器人，具有球形的外形，能够在内置电机的驱动下滚动。

在公开号为CN102728066A的发明专利中公布了一种可翻滚四足机器人，该机器人巧妙的将足式机器人和球形滚动机器人结合在一起，整体为近似圆形结构。其既具有足式机器人适应性强的特点，又具有球形滚动机器人运行稳定、速度快的优势。但是缺陷在于四足行走速度慢，滚动状态不连续，效率低。

水面移动机器人通常在水中移动，无法在陆上完成移动及一定的作业。在公开号为CN104229087A的发明专利中，该仿生机器人依靠水面张力在水表面灵活运动，但是不能在陆地运动。

水陆两栖机器人既能适应水上运动，又能适应陆上运动。在已公布的发明专利中，在公开号为CN204223006U的发明专利中，该机器人能通过复杂环境，避免被灌木树枝等阻碍前行；履带钝角三角形结构的设计，可以增加受力面积、复杂路面的通过性、小型障碍的越过能力，同时在水面行进时可以向下压住水花，另外桨块设置可以增大水中的推动力。其不足在于，平坦陆地上的运动速度慢，效率低，能耗高。在公开号为CN104773042A的发明专利中，该机器人可在水陆环境中平稳过渡，并且满足水陆两栖环境对于机器人陆上运动和水面中运动的运动模式连续变换的需求，但是其不足在于不能在陆地上适应复杂地形。

在公开号为CN103231747A的发明专利中，该机器人大大提高了蠕动机器人的能动性，具有运动灵活、结构紧凑、体积小、重量轻的特点。其不足在于运动效率低下。

上述现有技术主要的问题是各个机器人的运动模式单一，无法满足多种应用场合的需求。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种水陆两栖多运动模式机器人，能够以四足行走、履带移动，整体式滚动、脉冲式滚动、尺蠖式蠕动和水中划行六种模式前进。

本发明的技术方案为：

所述一种水陆两栖多运动模式机器人，其特征在于：包括主机身结构、两个椭圆旋转轮、四组行走腿；每组行走腿由大腿和小腿组成；

所述主机身结构包括左右两组行走机构、中央控制机构；左右两组行走机构平行布置，并通过中央控制机构固定连接；所述行走机构采用履带式行走方式，行走机构受中央控制机构控制；在左右两组行走机构的外侧面安装有电机控制端；所述电机控制端由中央控制机构控制；

两个椭圆旋转轮分别固定在左右两组行走机构外侧面的电机控制端上，且椭圆旋转轮中心与电机控制端连接，电机控制端能够驱动椭圆旋转轮绕自身中心旋转；

所述椭圆旋转轮长轴两端分别与一条大腿的一端通过主动式转动副配合，大腿的另一端与所述小腿的一端通过主动式转动副配合，且小腿的转动轴与大腿的转动轴平行，大腿以及小腿的转动平面与椭圆旋转轮平面平行；小腿的另一端安装有划水片；单个大腿和单个小腿的外缘为圆弧结构，安装在主机身结构同一侧的两个大腿的外缘和两个小腿的外缘能够组合形成完整圆。

进一步的优选方案，所述一种水陆两栖多运动模式机器人，其特征在于：所述椭圆旋转轮长轴两端开有矩形缺口；矩形缺口内固定安装有大腿驱动电机；所述大腿的一端与大腿驱动电机连接，大腿驱动电机能够驱动大腿绕大腿驱动电机轴转动，大腿的另一端安装有小腿驱动电机；所述小腿的一端与小腿驱动电机连接，小腿驱动电机能够驱动小腿绕小腿驱动电机轴转动；中央控制机构控制所有大腿驱动电机和所有小腿驱动电机。

进一步的优选方案，所述一种水陆两栖多运动模式机器人，其特征在于：当机器人采用履带式行走方式时，四组行走腿收缩，由履带接触地面，中央控制机构分别驱动两组行走机构，实现履带式前进、后退或滑移转向。

进一步的优选方案，所述一种水陆两栖多运动模式机器人，其特征在于：行走机构履带外表面设计有条状齿形结构。

进一步的优选方案，所述一种水陆两栖多运动模式机器人，其特征在于：主机身结构内部设置若干密封的空腔结构，能够使机器人浮于水面上。

进一步的优选方案，所述一种水陆两栖多运动模式机器人，其特征在于：当机器人采用水中划行方式时，四组行走腿前后展开，由每个小腿绕各自的小腿驱动电机轴转动，带动小腿末端划水片划水。

进一步的优选方案，所述一种水陆两栖多运动模式机器人，其特征在于：当机器人采用整体式滚动方式时，安装在主机身结构同一侧的两个大腿的外缘和两个小腿的外缘组合形成完整圆，中央控制机构分别驱动两个椭圆旋转轮转动，实现机器人整体式滚动前进、后退或转弯。

进一步的优选方案，所述一种水陆两栖多运动模式机器人，其特征在于：当机器人从整体式滚动方式变为脉冲式滚动方式时，接触地面的大腿或小腿绕自身对应的驱动电机轴转动，产生对地面的推力，推动整个机器人克服偏心重力矩，实现机器人脉冲式滚动。

进一步的优选方案，所述一种水陆两栖多运动模式机器人，其特征在于：当机器人采用四足行走方式时，四组行走腿向下展开，由每个小腿末端划水片接触地面并支撑主机身结构；中央控制机构控制小腿驱动电机和大腿驱动电机旋转，实现机器人四足行走。

进一步的优选方案，所述一种水陆两栖多运动模式机器人，其特征在于：当机器人采用尺蠖式蠕动方式时，四组行走腿前后展开，前侧行走腿、主机身结构和后侧行走腿轮流往复摆动实现尺蠖式蠕动。

有益效果

本发明的有益效果主要有三个方面：

首先，将履带移动机器人、四足行走机器人、轮形滚动机器人、链状蠕动机器人以及水面划动机器人的特点进行充分融合，既具有足式、履带式机器人地形适应性强的优点，能够在不平坦的非结构化地形环境中通行；又具有轮形滚动机器人运动速度快、能耗低的优势，在较为平坦的地形中，获得较高的运动效率；同时还兼具了蠕动和水面划行等特殊运动模式需求，因此整体具有多种运动模式，能够适应更多的应用场合需求。

其次，该发明的另一显著优势在于，本发明的结构并不是多种机器人的简单叠加或动作切换，而是通过自由度重用，减少驱动器数量并获得紧凑结构，实现了各动作模式的连贯过渡，从而提高了较高的载重比和动作连续性。

其三，滚动方式提供了两种模式，即双轮滚动和脉冲推进，进一步增强了机器人运动机构的冗余性，提高了机器人的工作寿命。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：主机身结构示意图；

图2：主机身结构和椭圆旋转轮示意图；

图3：椭圆旋转轮和行走腿示意图；

图4：大腿示意图；

图5：小腿示意图；

图6：大腿和小腿在整体式滚动方式下的配合示意图；

图7：大腿和小腿展开示意图；

图8：机器人水中划行方式示意图；

图9：机器人水中划行方式俯视图；

图10：机器人尺蠖式蠕动示意图；

图11：机器人整体式滚动方式示意图；

图12：机器人整体式滚动方式正视图；

图13：机器人脉冲式滚动方式示意图；

图14：机器人履带式行走方式示意图；

图15：机器人四足行走方式示意图；

其中：1、中央控制机构；2、履带；3、电机控制端；4、椭圆旋转轮；5、大腿驱动电机；6、大腿；7、小腿驱动电机；8、小腿；9、划水片。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提出的水陆两栖多运动模式机器人包括主机身结构、两个椭圆旋转轮、四组行走腿；每组行走腿由大腿和小腿组成。

主机身结构包括左右两组行走机构、中央控制机构；左右两组行走机构平行布置，并通过中央控制机构固定连接；所述行走机构采用履带式行走方式，行走机构受中央控制机构控制；在左右两组行走机构的外侧面安装有电机控制端；所述电机控制端由中央控制机构通过电机、减速机构和轴承转动控制。

两个椭圆旋转轮分别固定在左右两组行走机构外侧面的电机控制端上，且椭圆旋转轮中心与电机控制端连接，电机控制端能够驱动椭圆旋转轮绕自身中心旋转。

椭圆旋转轮长轴两端与大腿一端、大腿另一端与小腿一端通过相互平行的主动式转动副配合。具体到本实施例中，椭圆旋转轮长轴两端开有矩形缺口；矩形缺口内固定安装有大腿驱动电机；所述大腿的一端与大腿驱动电机连接，大腿驱动电机能够驱动大腿绕大腿驱动电机轴转动，大腿的另一端安装有小腿驱动电机；所述小腿的一端与小腿驱动电机连接，小腿驱动电机能够驱动小腿绕小腿驱动电机轴转动，小腿的另一端安装有划水片；大腿以及小腿的转动平面与椭圆旋转轮平面平行；中央控制机构控制所有大腿驱动电机和所有小腿驱动电机。

本实施例中的水陆两栖多运动模式机器人能够实现四足行走、履带式行走，整体式滚动、脉冲式滚动、尺蠖式蠕动和水中划行六种运动模式，下面结合附图，分别描述每种运动模式：

1、履带式行走方式：

在主机身结构的左右两组行走机构上安装有履带，履带外表面设计有条状齿形结构，以利于抓地性。如图14所示，当机器人采用履带式行走方式时，四组行走腿收缩且与地面不接触，由履带接触地面，中央控制机构分别驱动两组行走机构，实现履带式前进、后退或滑移转向。采用履带式行走方式可适应复杂地形上的移动。

2、水中划行方式：

在主机身结构内部设置若干密封的空腔结构，以便于提供浮力，使机器人浮于水面上。如图8和图9所示，当机器人采用水中划行方式时，四组行走腿前后展开，由每个小腿绕各自的小腿驱动电机轴转动，带动小腿末端沿冠状面方向的划水片划水。此时，锁定了大腿驱动电机和椭圆旋转轮，仅由四个小腿驱动电机带动小腿单向连续旋转，实现机器人水中划行。

3、整体式滚动：

单个大腿和单个小腿的外缘为圆弧结构，如图11和图12所示，通过偏转大腿和小腿并锁定成一定角度，能够使安装在主机身结构同一侧的两个大腿的外缘和两个小腿的外缘组合形成完整圆，从而在主机身结构两侧形成完整的圆轮，完整的圆轮由两个椭圆旋转轮带动转动，当中央控制机构分别驱动两个椭圆旋转轮转动时，能够实现机器人整体式滚动前进、后退或转弯。

4、脉冲式滚动：

如图13所示，在机器人采用整体式滚动方式时，当其中一个大腿或小腿接触到不平地面时，接触地面的大腿或小腿绕自身对应的驱动电机轴转动，产生对地面的推力，获得脉冲式的接触反力，从而推动整个机器人克服偏心重力矩，实现机器人脉冲式滚动，通过脉冲式滚动能够实现越障功能或采用间歇方式获得能量补偿实现节能运动。

5、四足行走：

当机器人遇到不平地面或有坡度地形或地面凹凸不平时，可采用站立行走的运动方式前进。此时，如图15所示，四组行走腿向下展开，由每个小腿末端划水片接触地面并支撑主机身结构，主机身与左、右两个椭圆形旋转轮相对锁定，大腿与椭圆形旋转轮、小腿与大腿之间保持规定的角度，每条行走腿中大腿驱动电机和小腿驱动电机按照一定的顺序摆动配合来实现机械腿的抬起和下落，通过四个行走腿按照规定的相序摆动，完成摆动和支撑相的配合，实现机器人整体的直立式行走移动。

6、尺蠖式蠕动：

如图10所示，四组行走腿前后展开，通过前侧行走腿、主机身结构和后侧行走腿形成的链状结构轮流往复摆动实现尺蠖式蠕动。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种水陆两栖多运动模式机器人，其特征在于：包括主机身结构、两个椭圆旋转轮、四组行走腿；每组行走腿由大腿和小腿组成；

所述主机身结构包括左右两组行走机构、中央控制机构；左右两组行走机构平行布置，并通过中央控制机构固定连接；所述行走机构采用履带式行走方式，行走机构受中央控制机构控制；在左右两组行走机构的外侧面安装有电机控制端；所述电机控制端由中央控制机构控制；

两个椭圆旋转轮分别固定在左右两组行走机构外侧面的电机控制端上，且椭圆旋转轮中心与电机控制端连接，电机控制端能够驱动椭圆旋转轮绕自身中心旋转；

所述椭圆旋转轮长轴两端分别与一条大腿的一端通过主动式转动副配合，大腿的另一端与所述小腿的一端通过主动式转动副配合，且小腿的转动轴与大腿的转动轴平行，大腿以及小腿的转动平面与椭圆旋转轮平面平行；小腿的另一端安装有划水片；单个大腿和单个小腿的外缘为圆弧结构，安装在主机身结构同一侧的两个大腿的外缘和两个小腿的外缘能够组合形成完整圆。

2.根据权利要求1所述一种水陆两栖多运动模式机器人，其特征在于：所述椭圆旋转轮长轴两端开有矩形缺口；矩形缺口内固定安装有大腿驱动电机；所述大腿的一端与大腿驱动电机连接，大腿驱动电机能够驱动大腿绕大腿驱动电机轴转动，

大腿的另一端安装有小腿驱动电机；所述小腿的一端与小腿驱动电机连接，小腿驱动电机能够驱动小腿绕小腿驱动电机轴转动；中央控制机构控制所有大腿驱动电机和所有小腿驱动电机。

3.根据权利要求1所述一种水陆两栖多运动模式机器人，其特征在于：当机器人采用履带式行走方式时，四组行走腿收缩，由履带接触地面，中央控制机构分别驱动两组行走机构，实现履带式前进、后退或滑移转向。

4.根据权利要求3所述一种水陆两栖多运动模式机器人，其特征在于：行走机构履带外表面设计有条状齿形结构。

5.根据权利要求1所述一种水陆两栖多运动模式机器人，其特征在于：主机身结构内部设置若干密封的空腔结构，能够使机器人浮于水面上。

6.根据权利要求5所述一种水陆两栖多运动模式机器人，其特征在于：当机器人采用水中划行方式时，四组行走腿前后展开，由每个小腿绕各自的小腿驱动电机轴转动，带动小腿末端划水片划水。

7.根据权利要求1所述一种水陆两栖多运动模式机器人，其特征在于：当机器人采用整体式滚动方式时，安装在主机身结构同一侧的两个大腿的外缘和两个小腿的外缘组合形成完整圆，中央控制机构分别驱动两个椭圆旋转轮转动，实现机器人整体式滚动前进、后退或转弯。

8.根据权利要求7所述一种水陆两栖多运动模式机器人，其特征在于：当机器人从整体式滚动方式变为脉冲式滚动方式时，接触地面的大腿或小腿绕自身对应的驱动电机轴转动，产生对地面的推力，推动整个机器人克服偏心重力矩，实现机器人脉冲式滚动。

9.根据权利要求1所述一种水陆两栖多运动模式机器人，其特征在于：当机器人采用四足行走方式时，四组行走腿向下展开，由每个小腿末端划水片接触地面并支撑主机身结构；中央控制机构控制小腿驱动电机和大腿驱动电机旋转，实现机器人四足行走。

10.根据权利要求1所述一种水陆两栖多运动模式机器人，其特征在于：当机器人采用尺蠖式蠕动方式时，四组行走腿前后展开，前侧行走腿、主机身结构和后侧行走腿轮流往复摆动实现尺蠖式蠕动。