CN106476922B - 一种双向限位的柔性鳍-腿推进装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双向限位的柔性鳍‑腿推进装置，该装置包括驱动联接模块、限位块、弹性板，通过改变弹性板的刚度可以调节柔性腿的刚度，实验证明柔性腿的刚度对机器人的推进性能有较大的影响。该柔性鳍‑腿装置可以应用于两栖机器人上，陆地上行走时，由于弹性板和限位块的作用，腿部在初始的直板状和最终的弧形状两种状态中被动切换来适应多种复杂的地形；水下推进时，柔性腿的作用类似于鱼鳍，通过柔性腿的摆动来产生推进力。该结构通过被动柔性变形实现两种环境下具有优势的推进方式，结构简单可靠。另外，限位块的作用也使得柔性腿的最终弯曲形态确定，增加了柔性腿的负载能力。
Description
技术领域
本发明属于移动机器人技术领域，具体为一种双向限位的柔性鳍-腿推进装置，装有该柔性鳍-腿推进装置的两栖机器人在水中以柔性鳍形进行摆动推进，在陆地或者松软地面上以柔性腿进行推进运动。
背景技术
水陆两栖机器人的工况环境十分复杂，具体表现在：(1)复杂的三维水下环境，例如珊瑚、沉船、水草、水洞等；(2)多样的地面环境例如瓦砾、山地、林地、雪地等；(3)水下陆地过渡地带的泥沙等松软介质复杂环境。这些复杂多样的环境要求两栖机器人在这些环境中都能完成有效、稳定地推进。
要达到以上要求，除了对机器人的驱动以及能源进行优化，更主要在于机器人推进装置的设计。轮式、履带式推进方式对复杂环境崎岖地面适应能力较差，容易打滑；而足式推进机构增加了机械设计以及控制的复杂程度，并且在两栖过渡环境松软介质中，足式推进容易下陷。在两栖地面环境中，弧形腿式结构由于兼具轮式和足式移动机构的特点，具有通过性高、环境适应能力强等优点。水下环境推进的方式也有很多，如螺旋桨式、仿生波动/摆动式等。螺旋桨式的推进方式虽然产生的推进力较大，但是推进效率低下，而且噪声较大；仿生波动/摆动的推进方式既能产生较大的推进力，同时又能兼顾推进效率，所产生的噪音也非常小，是一种具有高推进性能、高隐蔽性的推进方式。因此，一个能够在多种复杂环境下尤其是水陆两栖环境下保持良好推进性能且便于机械设计以及系统控制的推进结构将给两栖机器人的推进性能带来很大提升。推进机构的优化设计还能够简化机器人整体的设计、拓展两栖机器人的实际应用范围，对两栖机器人走向实用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，使我们设计的推进装置能够实现水陆等多种复杂环境下的推进运动，并且不需要复杂的设计和控制，从而能够有效地提高机器人的推进性能。
本发明采用的技术方案为：一种双向限位的柔性鳍-腿推进装置，该装置包括驱动联接模块、限位块和弹性板，其中：
所述驱动联接模块，用于联接驱动和柔性腿部结构；
所述限位块，用于在运动过程中对结构进行限位以确定柔性腿的最终弯曲形态、构成柔性腿主体、提高柔性腿的负载能力；
所述弹性板，用于产生弹性恢复力，使得柔性腿能够在被动地产生形变后可以恢复其初始状态。
其中，所述限位块两边存在倒角，倒角角度的调整以及限位块数量的调整可以取得不同的最终弯曲形态的弧形腿。
其中，弹性板的刚度可以决定柔性腿的刚度，调节柔性腿的刚度可以取得不同的推进效果。
本发明的原理在于：本发明提出的一种双向限位的柔性鳍-腿推进装置，该装置包括：驱动联接模块、限位块、弹性板，其中：所述驱动联接模块的作用是联接驱动例(如：电机等)和柔性腿结构；所述限位块有两个作用，第一是由限位块组成柔性腿的主体部分；第二是在推进过程中起到限位的作用，同时增加机器人的负载能力。不同数量的限位块以及限位块上不同的倒角角度可以获得不同最终弯曲形态的弧形腿；所述弹性板的作用是在推进过程中提供弹性恢复力，使柔性腿脱离地面时恢复初始的直板状态，通过改变弹性板的刚度可以调节柔性腿的刚度。进一步的，所述推进装置的驱动联接模块起到联接作用。其连接方式可为铆接，螺钉连接等多种方式。所述限位块呈立方形，但不限于立方体，可为长方体，梯形体等多种形状。其固定在弹性板上的方式可为螺钉紧定，粘贴等多种方式。模块两边有倒角，相邻模块啮合起到限位作用。也可根据预设的最终弯曲程度的不同相应地改变两边倒角的度数，以取得不同的推进效果。所述弹性板联接限位块和驱动联接模块。可根据需要调整限位块的数量，不局限于图示个数，来取得不同的最终弯曲形态的弧形腿。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提出的双向限位柔性鳍-腿推进装置，能够在两栖机器人行进过程中被动地改变腿部的形态结构以适应不同的复杂的地形。在陆地上、松软介质中推进时，柔性腿受力而被动变形，加上限位块的限位作用，柔性腿在推进过程中的大部分时间可以以预先设定的弧形腿结构进行推进，并且增加了其负载能力。在水下环境推进时，由于弹性板弹性势能作用，柔性腿保持鳍形形态进行推进。此外，由于该柔性腿采用了双向限位的巧妙设计，柔性腿在前进和后退两个方向上都能够进行限位变形，这使得机器人能够完成简单迅速的后退动作。同时，弹性板上下两侧的限位块，其两边的倒角角度可以设计为不同，即在两个方向上能够形成两种不同的最终弯曲形态的弧形腿，以取得多种推进效果。此外，改变柔性腿的刚度，能获得不同的推进效果。
附图说明
图1为本发明双向限位柔性鳍-腿推进装置的结构示意图；
图2a为根据本发明一实施例的双向限位柔性鳍-腿推进装置的受力形态示意图，箭头表示腿部转动的方向；
图2b为根据本发明另一实施例的双向限位柔性鳍-腿推进装置的受力形态示意图，箭头表示腿部转动的方向；
图3为本发明双向限位柔性鳍-腿推进装置在水下推进时的示意图，箭头表示腿部摆动的方向，图示为初始状态，摆动过程中会产生柔性变形。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1为本发明双向限位柔性鳍-腿推进装置的结构示意图，如图1所示，所述双向限位柔性鳍-腿推进装置包括：驱动联接模块1、限位块2、弹性板3，其中：
所述推进装置的驱动联接模块1可根据推进要求进行转动联接、摆动联接。在陆地以及过渡地带推进时，机器人采用相应的步态进行推进，此时要求该模块实现转动联接。在水下推进时，机器人采用鱼鳍式摆动推进，此时要求该模块实现摆动联接。模块末端用螺钉将该模块和弹性板紧固在一起，但是联接方式不限于螺钉紧定，还可以采用夹紧等方式，进而联接整个柔性腿结构。
其中，所述限位块2是用来构成柔性腿的主体结构，所述限位块2紧固在弹性板上，通过两边的倒角与相邻的限位块实现啮合来达到限位作用，同时提高柔性腿的负载能力。倒角的角度可根据所需弧度来设定，本发明中，所有模块都啮合时，如图2a和图2b所示，整个柔性腿呈弧形。这样能够在机器人行进过程中提供支持力，同时提高柔性腿的负载能力。双向限位设计使柔性腿在前进和后退两个方向上都能够进行限位变形。这样，可使得机器人能够简单迅速地实现后退运动，减少了机器人因后退所需的其他转向等动作。同时，弹性板上下两侧的限位块，其两边的倒角角度可以设计为不同，即在两个方向上能够形成两种不同的最终弯曲形态的弧形腿，以取得多种推进效果。
其中，所述弹性板3嵌于柔性腿中间，实现整个柔性腿的联接。在受力过程中，弹性板发生形变，进而使柔性腿产生形变，起到支撑、推进作用。在不受力的情况下(实际运动过程中脱离地形的情况)，弹性板释放储存的弹性势能，使柔性腿恢复为其初始状态并准备开始进行下一周期的运动。在限位块的作用下，弹性板的弯曲程度始终被限定在预设的弧形范围之内，使得柔性腿能够保持良好的恢复性能以适应复杂的环境。弹性板的刚度可以决定柔性腿的刚度，调节柔性腿的刚度可以取得不同的推进效果。在水下摆动时，由于弹性板产生柔性的摆动姿态，相较于普通的刚性鳍形的摆动，拥有更良好的推进性能。
图2a和图2b示出了柔性腿在两个相反方向受力发生形变后的形态。
总之，所述双向限位柔性鳍-腿推进装置的工作原理是：通过限位块、弹性板的作用，使柔性腿能够被动地实现不同形态的转换，从而实现在多种复杂环境下的推进运动，增强机器人在不同介质复杂环境中的推进性能，并且增加柔性腿的负载能力。
综上，本发明双向限位柔性鳍-腿推进装置可以适应两栖复杂的运动环境，同时设计和控制更加简单有效，能够提高机器人在不同环境下的适应能力，改善推进性能，并且能够增加柔性腿的负载能力。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种双向限位的柔性鳍-腿推进装置，其特征在于，该装置包括驱动联接模块、限位块和弹性板，其中：
所述驱动联接模块，用于联接驱动装置和柔性腿部结构；
所述限位块，用于在运动过程中对结构进行限位以确定柔性腿的最终弯曲形态、构成柔性腿主体、提高柔性腿的负载能力；
所述弹性板，用于产生弹性恢复力，使得柔性腿能够在被动地产生形变后可以恢复其初始状态；
所述限位块两边存在倒角，倒角角度的调整以及限位块数量的调整可以取得不同的最终弯曲形态的弧形腿；
弹性板的刚度决定柔性腿的刚度，调节柔性腿的刚度可以取得不同的推进效果；
其中：所述驱动联接模块的作用是联接驱动装置和柔性腿结构；所述限位块有两个作用，第一是由限位块组成柔性腿的主体部分；第二是在推进过程中起到限位的作用，同时增加机器人的负载能力；不同数量的限位块以及限位块上不同的倒角角度可以获得不同最终弯曲形态的弧形腿；所述弹性板的作用是在推进过程中提供弹性恢复力，使柔性腿脱离地面时恢复初始的直板状态，通过改变弹性板的刚度可以调节柔性腿的刚度；所述推进装置的驱动联接模块起到联接作用；所述限位块呈立方形，所述限位块固定在弹性板上的方式为螺钉紧定或粘贴；所述驱动联接模块和限位块两边均有倒角，相邻倒角啮合起到限位作用；根据预设的最终弯曲程度的不同相应地改变两边倒角的度数，以取得不同的推进效果；驱动联接模块通过所述弹性板联接限位块；根据需要调整限位块的数量，来取得不同的最终弯曲形态的弧形腿；
该双向限位柔性鳍-腿推进装置能够在两栖机器人行进过程中被动地改变腿部的形态结构以适应不同的复杂的地形；在陆地上、松软介质中推进时，柔性腿受力而被动变形，加上限位块的限位作用，柔性腿在推进过程中的大部分时间可以以预先设定的弧形腿结构进行推进，并且增加了其负载能力；在水下环境推进时，由于弹性板弹性势能作用，柔性腿保持鳍形形态进行推进；此外，由于该柔性腿采用了双向限位的设计，柔性腿在前进和后退两个方向上都能够进行限位变形，这使得机器人能够完成简单迅速的后退动作；同时，弹性板上下两侧的限位块，其两边的倒角角度能够设计为不同，即在两个方向上能够形成两种不同的最终弯曲形态的弧形腿，以取得多种推进效果；此外，改变柔性腿的刚度，能获得不同的推进效果。
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