CN107116980B - 水陆两栖机器人以及水陆两栖侦查系统 - Google Patents

Abstract

水陆两栖机器人以及水陆两栖侦查系统，属于机器人领域。水陆两栖机器人，包括基座、前轮系统、侧轮系统和水中推进系统；水中推进系统包括全向驱动机构和升降驱动机构；前轮系统和侧轮系统实现机器人的地面全向模式和越障模式；全向驱动机构包括四个均分间隔环形分布且能够摆动的螺旋桨。水陆两栖侦查系统，包括侦查设备和水陆两栖机器人，侦查设备设置于基座的上侧。本申请提供的水陆两栖机器人结构紧凑，具有全向模式，越障模式，水中运动模式三种模式和良好的越障性能，能够满足各种复杂环境使用要求。本申请提供的水陆两栖侦查系统，能够完成许多陆地或水中单一推进方式的移动机器人所无法完成的两栖任务。

Description

水陆两栖机器人以及水陆两栖侦查系统

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体而言，涉及水陆两栖机器人以及水陆两栖侦查系统。

背景技术

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，还出现了应用于航天(如美国的勇气号和机遇号火星车)、航海(如深海作业机器人)、医疗护理(如手术机器人)、服务(如机器人保姆)、军事(如排雷机器人)等领域的机器人。但是大多数机器人只能在单一环境下活动，其机动性能难以满足对不同复杂环境条件的应用需求。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能力，不能进行水下活动，而水下机器人大多不具备或没有足够的陆地运动能力。

随着科技水平的不断提高，世界各海洋强国对海洋科学研究和海洋开发战略的深化与发展，海洋与陆地衔接的极浅水、碎浪带、拍岸浪区和滩涂地带成为近年来科学研究、环境监测、调查取样及军事领域等方面应用和关注的重点区域之一，人们对环境侦查的要求也越来越高，而传统人工排查方式存在着诸多弊端，现有的很多侦查机器人也很难满足各种复杂环境的使用需求。

发明内容

本发明的目的在于提供，实现复杂水陆两栖环境下机器人的稳定运行，进而完成一款能够满足各种复杂环境使用要求的全方位水陆两栖机器人。

本发明的另一个目的在于提供水陆两栖侦查系统，能够完成许多陆地或水中单一推进方式的移动机器人所无法完成的两栖任务。

本发明是这样实现的：

本发明提供的水陆两栖机器人，包括基座、前轮系统、侧轮系统和水中推进系统；基座包括底盘和设置于底盘上方的封闭壳体，水中推进系统包括全向驱动机构和升降驱动机构；前轮系统设置于封闭壳体的外侧，侧轮系统设置于底盘的下侧，全向驱动机构设置于底盘的上侧且位于封闭壳体的下侧，升降驱动机构设置于封闭壳体内；

前轮系统包括两个越障机构和两个第一全向轮，侧轮系统包括两个第二全向轮，两个第二全向轮对称转动设置于底盘的下侧且转动中心线重合，两个第一全向轮以两个第二全向轮的转动中心线为中心线相对设置且转动设置，每个第一全向轮分别通过一个越障机构设置于封闭壳体，两个第一全向轮的转动轴心线能够调节；全向驱动机构包括四个均分间隔环形分布且能够摆动的螺旋桨；每个螺旋桨在周向方向上位于相邻的第一全向轮和第二全向轮之间。

两个第一全向轮和两个第二全向轮在周向方向上均分间隔转动设置，能够实现比较稳定的全方位效果，并且具备较强的载重能力，但是运行环境限于平整的地面。两个第一全向轮通过舵机设置于基座后，不仅具备较为精确的全方位运动性能，并且配合前后舵机的转角切换，可以实现可变传动比的效果，提高了机器人自身的牵引力，相比传统的运动结构，机器人的机动性得到了很大程度上的改善和提高。两个第一全向轮再通过驱动连杆机构设置于基座后，使得该水陆两栖机器人具备一定的通过性及越障能力，可实现在野外草地、鹅卵石地面等非结构路面的运行，实现较强的越障功能。

两个第一全向轮的转动中心线在越障机构的作用下处于不同的状态，可以重合，也可以平行。两个第二全向轮的转动中心线始终重合。该机器人通过舵机控制第一全向轮的转动方向实现全向模式和越障模式切换。当在平整路面环境下，通过舵机控制两个第一全向轮转向，直到两个第一全向轮的转动中心线重合，即两个第一全向轮的转动中心线与两个第二全向轮的转动中心线垂直，机器人处于全向模式，可以实现前后左右方向的移动以及转动。当遇到非结构路面时，舵机旋转两个第一全向轮转动中心线，切换到越障模式，此时两个第一全向轮的转动中心线平行，两个第一全向轮的转动中心线与两个第二全向轮的转动中心线平行。机器人可以在全向模式和越障模式之间转换，具有连杆越障小车和全向小车的优点。

在地面，机器人通过舵机调节控制第一全向轮的转动中心线的方向实现全向模式和越障模式的切换。在水里，机器人采用防水舵机和四个螺旋桨联合控制机构实现机体平面上的全向运动，采用升降驱动机构中的活塞伸缩排水改变自身重力的方法控制机器人水下的上升下沉，两者结合便可实现机器人的水下近似全向运动。侧轮系统和全向驱动机构设置于底盘的上下两侧，安装合理，底盘起到保证机器人整体稳定性的作用。机器人在陆地行驶时，侧轮系统和前轮系统行驶于地面，全向驱动机构悬空，不会妨碍侧轮系统和前轮系统的正常行驶，水下运行，全向驱动机构设置于前轮系统和侧轮系统之间，能够顺利驱动机器人运行，保证水陆地顺利行驶。

可选地，全向驱动机构还包括防水舵机、外齿轮驱动圈和四个四分之一外齿轮分圈，防水舵机驱动并控制外齿轮驱动圈转动，四个外齿轮分圈周向分布于外齿轮驱动圈的外侧且分别与外齿轮驱动圈啮合，四个螺旋桨周向分布于外齿轮驱动圈的外侧且分别设置于外齿轮分圈。

可选地，升降驱动机构包括设置于封闭壳体内的至少一个驱动组件、至少一个充排水组件，封闭壳体设置有至少一个充排水口，充排水组件包括活塞和缸筒，缸筒的两端开放设置，缸筒的一端滑动嵌设有活塞，缸筒的另一端与充排水口连通；驱动组件驱动活塞来回往复移动。

可选地，每个越障机构包括驱动连杆机构和舵机；驱动连杆机构包括上连架杆、下连架杆和连杆，上连架杆和下连架杆的一端分别铰接于封闭壳体，上连架杆和下连架杆的另一端分别铰接于连杆，上连架杆的两个铰接点之间的间距小于下连架杆的两个铰接点之间的间距，连杆的下端为驱动端；舵机和第一全向轮设置于驱动端，舵机控制第一全向轮的方向转动。

可选地，越障机构还包括第一电机、锥齿轮组、舵机固定板和设置于舵机固定板的下侧的U形架，舵机设置于舵机固定板的上侧，舵机的输出轴穿过舵机固定板连接U形架，第一全向轮转动设置于U形架的两个侧臂之间，连杆的驱动端连接于舵机固定板；第一电机具有防水功能且设置于U形架的一侧，第一电机的输出轴通过锥齿轮组连接驱动第一全向轮。

可选地，每个越障机构还包括减震器，每个减震器的一端铰接于上连架杆，每个减震器的另一端铰接于下连架杆。

可选地，水陆两栖机器人还包括平衡装置，平衡装置包括对称设置于底盘的两个支撑板，侧轮系统还包括两个驱动机构，每个驱动机构设置于一个支撑板；每个驱动机构包括环状的电机支架、第二电机、侧轮轴和设置于轴承座的安装轴承，电机支架和轴承座设置于支撑板，第二电机具有防水功能且套设于电机支架，侧轮轴穿设于安装轴承，侧轮轴的一端与第二电机的输出轴通过联轴器连接，侧轮轴的另一端通过法兰盘与第二全向轮连接，侧轮轴的轴心线与底盘所对应的直径线重合。

可选地，平衡装置还包括控制系统；控制系统包括姿态检测单元以及处理单元，姿态检测单元与底盘相连，处理单元分别与姿态检测单元和第二电机连接，姿态检测单元用于检测底盘与水平面的倾角，处理单元根据倾角借助第二电机控制第二全向轮转动。

可选地，全向驱动机构还包括四个安装组件，每个安装组件安装于一个外齿轮分圈，每个安装组件包括螺旋桨支撑板、螺旋桨支架和具有防水功能的螺旋桨电机，螺旋桨支撑板固定于外齿轮分圈，螺旋桨支架设置于螺旋桨支撑板，螺旋桨电机套设于螺旋桨支架，螺旋桨电机驱动螺旋桨转动。

一种水陆两栖侦查系统，包括侦查设备和水陆两栖机器人，侦查设备设置于基座的上侧。

本发明的有益效果：本申请提供的水陆两栖机器人克服现有的水陆两栖机器人运动速度慢、自由度少、越障能力和通过性能差等方面存在的不足，提供一种能在陆地全向运动，水中近似三维全向运动且具有一定越障能力的水陆两栖机器人结构。该机器人结构紧凑，具有全向模式，越障模式，水中运动模式三种模式和良好的越障性能，为近海岸的海洋开发和利用提供一种有效的技术手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的水陆两栖机器人的第一视角的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的水陆两栖机器人的全向模式的整体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的水陆两栖机器人的越障模式的整体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的水陆两栖机器人的第二视角的整体结构示意图；

图5为本发明实施例提供的水陆两栖机器人的第三视角的局部结构示意图；

图6为本发明实施例提供的水陆两栖机器人的第四视角的局部结构示意图。

图标：100-基座；101-底盘；102-封闭壳体；1021-上盖；1022-下壳；1023-密封凹槽；200-前轮系统；210-第一全向轮；220-越障机构；221-驱动连杆机构；222-上连架杆；2221-第一条形板；223-下连架杆；2231-第二条形板；224-连杆；2241-第三条形板；230-凹形固定板；231-第一铰接轴；232-第二铰接轴；233-第三铰接轴；234-第四铰接轴；235-舵机；236-减震器；237-舵机固定板；2371-凸形连接头；238-U形架；239-第一电机；240-锥齿轮组；241-转动轴；300-侧轮系统；310-第二全向轮；321-支撑板；322-驱动机构；323-电机支架；324-第二电机；325-侧轮轴；326-安装轴承；327-联轴器；328-法兰盘；329-轴承座；400-水中推进系统；410-全向驱动机构；411-防水舵机；412-外齿轮驱动圈；413-外齿轮分圈；414-螺旋桨；415-安装组件；416-螺旋桨支撑板；417-螺旋桨支架；418-螺旋桨电机；419-铰接支撑件；4191-旋轴螺杆；4192-法兰式轴承；420-升降驱动机构；421-驱动组件；422-充排水组件；423-充排水口；424-活塞；425-缸筒；426-安装支架；427-驱动电机；428-丝杆；4281-螺母；429-活塞固定板；430-充排水机构组；440-安装柱；450-内层支撑组；460-外层支撑组。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

具体实施例，参照图1至图6。

本实施例提供的水陆两栖机器人能够在水陆两栖环境下运动，具备陆地全向模式、越障模式、水下三维近似全向模式等多种工作模式，能够实现平整地面的全向运动、非结构路面越障运行以及水下三维空间环境下的近似全向运动。其中陆地全向模式和越障模式采用陆行结构部分实现，水下三维近似全向模式采用水中推进结构部分实现。

陆行机构部分采用四轮结构，通过两个舵机235实现机器人全向模式和越障模式的切换，同时，舵机235的角度切换起到可变传动比的作用，可以增强机器人的牵引力。

如图1所示，陆行机构部分包括基座100、前轮系统200和侧轮系统300，前轮系统200包括两个越障机构220和两个第一全向轮210，侧轮系统300包括两个第二全向轮310；两个第二全向轮310对称转动设置于基座100且转动中心线重合，两个第一全向轮210以两个第二全向轮310的转动中心线为中心线相对设置且转动设置；每个越障机构220包括驱动连杆机构221和舵机235，驱动连杆机构221设置于基座100，舵机235和第一全向轮210设置于驱动连杆机构221的驱动端，舵机235控制第一全向轮210的方向转动。

目前的移动机构有履带式、轮式、腿式三种基本结构。轮式机构又可按照平面内可移动的方向分为全方位和非全方位，全方位移动机构指在平面内可以有前后、左右、转动这3个或3个以上的自由度运动的机构，当在平面内运动少于3个自由度时则为非全向移动机构。全方位移动机构具有了完全的3个自由度，可以在狭窄的空间范围中自由移动。全向轮有效地避免了普通轮子由于不能侧滑带来的非完整性运动限制，使得移动机构理论上能够在平面上以任何角度和速度移动。

两个第一全向轮210和两个第二全向轮310在周向方向上均分间隔转动设置，能够实现比较稳定的全方位效果，并且具备较强的载重能力，但是运行环境限于平整的地面。两个第一全向轮210通过舵机235设置于基座100后，不仅具备较为精确的全方位运动性能，并且配合舵机235的转角切换，可以实现可变传动比的效果，提高了机器人自身的牵引力，相比传统的运动结构，机器人的机动性得到了很大程度上的改善和提高。两个第一全向轮210再通过驱动连杆机构221设置于基座100后，使得该水陆两栖机器人具备一定的通过性及越障能力，可实现在野外草地、鹅卵石地面等非结构路面的运行，实现较强的越障功能。

两个第一全向轮210的转动中心线在舵机235的作用下处于不同的状态，可以重合，也可以平行。两个第二全向轮310的转动中心线始终重合。该机器人通过舵机235控制第一全向轮210的转动方向实现全向模式和越障模式切换。当在平整路面环境下，通过舵机235控制两个第一全向轮210的转向，直到两个第一全向轮210的转动中心线重合，即两个第一全向轮210的转动中心线与两个第二全向轮310的转动中心线垂直，机器人处于全向模式，可以实现前后左右方向的移动以及转动，如图2所示，是机器人处于全向模式状态下的示意图。当遇到非结构路面时，如图3所示，舵机235旋转两个第一全向轮210转动中心线，切换到越障模式，此时两个第一全向轮210的转动中心线平行，两个第一全向轮210的转动中心线与两个第二全向轮310的转动中心线平行。机器人可以在全向模式和越障模式之间转换，具有连杆越障小车和全向小车的优点。

如图1所示，基座100包括设置于底盘101的上侧的机体，前轮系统200安装于机体。机体即是图中的封闭壳体102，前轮系统和侧轮系统300设置于基座100的不同高度的水平面上，增大越障机构220在竖向方向的运动范围，提高机器人的越障能力。

如图1所示，驱动连杆机构221包括上连架杆222、下连架杆223和连杆224，上连架杆222和下连架杆223的一端分别铰接于基座100，上连架杆222和下连架杆223的另一端分别铰接于连杆224；上连架杆222的两个铰接点之间的间距小于下连架杆223的两个铰接点之间的间距，连杆224的下端为驱动端。

驱动端设置第一全向轮210和舵机235，驱动连杆机构221为四连杆机构，采用四连杆机构使该水陆两栖机器人具备一定的通过性及越障能力，可实现在野外草地、鹅卵石地面等非结构路面的运行。现有技术中，履带式越障机器人主要依靠履带的大接触面积和强防滑能力，但是履带结构在运动过程中最多能够实现前后和转动2个自由度方向的运动，而且转动过程中稳定性比较差。履带式结构还有一个十分致命的问题就是在普通水泥路面行驶时对路面和履带都会照成很大损坏，使其使用范围收到很大限制。腿式机器人主要是参照人和动物的四肢设计研发的运动机构，但是腿式机构存在着控制繁杂、机构运动效率低、运动稳定性差等问题。本申请提供的越障机构220结构简单，具有较强的越障功能。

如图1所示，驱动连杆机构221还包括凹形固定板230、第一铰接轴231、第二铰接轴232、第三铰接轴233和第四铰接轴234，上连架杆222包括并排设置且板面相对的两个第一条形板2221，下连架杆223包括并排设置且板面相对的两个第二条形板2231，连杆224包括并排设置且板面相对的两个第三条形板2241；第一铰接轴231和第二铰接轴232设置于凹形固定板230的上下两端，第三铰接轴233和第四铰接轴234间隔设置于两个第三条形板2241的远离驱动端的一端；两个第一条形板2221铰接于第一铰接轴231和第三铰接轴233之间，两个第二条形板2231铰接于第二铰接轴232和第四铰接轴234之间。

上连架杆222、下连架杆223和连杆224均采用并排设置且板面相对的两个条形板组成，然后通过铰接轴实现铰接。采用两个条形板，一方面，能够增大驱动连杆机构221的整体强度，提高越障能力；另一方面，增大上连架杆222、下连架杆223和连杆224的轴向宽度，增大支撑面积，有助于提高机器人的越障行走的稳定性。

如图1所示，每个越障机构220还包括减震器236，每个减震器236的一端铰接于上连架杆222，每个减震器236的另一端铰接于下连架杆223。如图1所示，当上连架杆222、下连架杆223和连杆224均采用并排设置且板面相对的两个条形板组成，每个越障机构220还包括两个减震器236，每个减震器236的一端铰接于一个第一条形板2221，每个减震器236的另一端铰接于与一个第一条形板2221位于同一侧的一个第二条形板2231。

当遇到非结构路面时，机器人旋转两个第一全向轮210的轴向，切换到越障模式，两个第一全向轮210再使用设置有减震器236的驱动连杆机构221支撑以增强其越障能力，同时也可以增强全向模式运行时全向轮与地面的接触效果，使全向移动更加稳定，有助于提高机器人全向以及越障模式下运行的整体稳定性。

如图1所示，越障机构220还包括舵机固定板237和设置于舵机固定板237的下侧的U形架238，舵机235设置于舵机固定板237的上侧，舵机235的输出轴穿过舵机固定板237连接U形架238，第一全向轮210转动设置于U形架238的两个侧臂之间，连杆224的驱动端连接于舵机固定板237。舵机235的输出轴转动，带动U形架238转动，进而带动第一全向轮210转动，从而改变第一全向轮210的转动中心线，实现全向模式和越障模式之间的切换。

如图1所示，越障机构220还包括设置于舵机固定板237的凸形连接头2371，两个第三条形板2241的驱动端分别连接于凸形连接头2371的两侧。便于安装驱动连杆机构221的驱动端，同时提高舵机235的安装强度。

如图1所示，越障机构220还包括第一电机239和锥齿轮组240，U形架238的两个侧臂之间设置有转动轴241，第一全向轮210套设于转动轴241的外侧，第一电机239设置于U形架238，第一电机239的输出轴与锥齿轮组240中一个锥齿轮连接，转动轴241的一端与锥齿轮组240中另一个锥齿轮连接。第一电机239竖向设置于U形架238的一侧，通过锥齿轮组240实现带动转动轴241转动。转动轴241的未与锥齿轮组240连接的一端套设螺母4281套，便于拆卸安装。第一电机239竖向设置，有助于缩小驱动连杆机构221的驱动端的机构整体体积大小，便于舵机235转向控制。

如图4所示，陆行机器人还包括平衡装置，平衡装置包括底盘101和对称设置于底盘101的两个支撑板321，侧轮系统300还包括两个驱动机构322，每个驱动机构322设置于一个支撑板321；每个驱动机构322包括环状的电机支架323、第二电机324、侧轮轴325和设置于轴承座329的安装轴承326，电机支架323和轴承座329设置于支撑板321，第二电机324套设于电机支架323，侧轮轴325穿设于安装轴承326，侧轮轴325的一端与第二电机324的输出轴通过联轴器327连接，侧轮轴325的另一端通过法兰盘328与第二全向轮310连接，侧轮轴325的轴心线与底盘101所对应的直径线重合。

采用支撑板321安装驱动机构322，第二电机324的输出轴与侧轮轴325通过联轴器327连接，第二电机324的输出轴和侧轮轴325轴心线重合，并且第二电机324的输出轴和侧轮轴325的轴心线沿着底盘101的直径方向设置，保证底盘101实现动态平衡，提高机器人行走的平稳性。

平衡装置还包括控制系统；控制系统包括姿态检测单元以及处理单元，姿态检测单元与底盘101相连，处理单元分别与姿态检测单元和第二电机324连接，姿态检测单元用于检测底盘101与水平面的倾角，处理单元根据倾角借助第二电机324控制第二全向轮310转动。

姿态检测单元采用陀螺仪，两栖机器人在向前加速运行的过程中，由于存在一个向前的加速度，车体会向前倾斜，此时陀螺仪检测到倾角大于0(水平时倾角为0)，处理器接收到信号使两车轮瞬间提速，克服之前的倾斜，配合倾角的PID调节和车速的PID调节，使两栖机器人能够快速调整至平衡；当向后倾斜时，此时陀螺仪检测到倾角小于0，调节过程与倾角大于0的调整过程类似。这样，保证了两栖机器人在移动过程中的稳定性，从而提高了在户外执行侦查的可靠性。

本机器人中间部分设置该陀螺仪，克服了因为中间只有两个第二全向轮310支撑，结构上会出现不稳定的情况，使4个就可以实现已有越障机构220的6-8个轮子才能实现的效果。

如图5所示，水中推进结构部分(水中推进系统400)包括全向驱动机构410，全向驱动机构410包括四个均分间隔环形分布且能够摆动的螺旋桨414。实现机器人在水平面内的全向移动。

机器人采用防水舵机411和四个螺旋桨414联合控制实现机体平面上的全向运动。四个螺旋桨414在防水舵机411的作用下能够沿周向方向摆动且摆动方向相同，即同时沿着顺时针或者沿着逆时针方向摆动，实现对机器人水下运行方向的调节控制。机器人在水下平面内的前后左右的移动是这样实现的，利用防水舵机411调节四个螺旋桨414的方向，也就是调节机器人的移动方向，然后利用四个螺旋桨414浆叶旋转的速度差驱动机器人朝着其中一个方向移动，比如，只有其中两个相邻的螺旋桨414旋转，将推动机器人朝向与两个螺旋桨414之间相反的方向移动，任选四个螺旋桨414中的两个螺旋桨414转动，能够实现机器人在平面内朝着前后左右中的一个方向移动，移动过程中同样是利用防水舵机411调节四个螺旋桨414的方向进而调节机器人的转向。机器人在水下平面内的旋转，则是在四个螺旋桨414旋转的合力沿环形分布所对应的圆的周向方向时。完成了水下平面内的全向运动。

如图5所示，螺旋桨414的外侧设置有环状套筒，环状套筒能够减小螺旋桨414在水中旋转缠绕住其他悬浮物以致被卡住不能转动的概率。

如图5所示，全向驱动机构410包括防水舵机411、外齿轮驱动圈412、四个四分之一外齿轮分圈413和四个螺旋桨414，防水舵机411驱动并控制外齿轮驱动圈412转动，四个外齿轮分圈413周向分布于外齿轮驱动圈412的外侧且分别与外齿轮驱动圈412啮合，四个螺旋桨414周向分布于外齿轮驱动圈412的外侧且分别设置于外齿轮分圈413。

防水舵机411驱动外齿轮驱动圈412顺时针转动，则四个外齿轮分圈413逆时针转动，同时四个螺旋桨414随着摆动，防水舵机411驱动外齿轮驱动圈412逆时针转动，则四个外齿轮分圈413顺时针转动，同时四个螺旋桨414随着摆动；通过防水舵机411调节控制四个螺旋桨414的摆动方向和摆动角度，实现对机器人转向的调节控制。

四个外齿轮分圈413和四个螺旋桨414周向分布，一方面，调节控制机器人向不同的方向转向以及移动；另一方面，四个螺旋桨414沿周向方向均分间隔设置，又有助于提高整体机器人的运行稳定性。

如图5所示，全向驱动机构410还包括四个安装组件415，每个安装组件415安装于一个外齿轮分圈413，每个安装组件415包括螺旋桨支撑板416、螺旋桨支架417和具有防水功能的螺旋桨电机418，螺旋桨支撑板416固定于外齿轮分圈413，螺旋桨支架417设置于螺旋桨支撑板416，螺旋桨电机418套设于螺旋桨支架417，螺旋桨电机418驱动螺旋桨414转动。

防水舵机411不启动，四个螺旋桨414均不摆动，防水舵机411启动，通过外齿轮分圈413驱动螺旋桨支撑板416摆动，设置于螺旋桨支撑板416的四个螺旋桨414同时顺时针或者逆时针周向来回往复摆动，实现对机器人方向的调节控制。然后利用四个螺旋桨414浆叶旋转的速度差驱动机器人朝着其中一个方向移动，比如，只有其中两个相邻的螺旋桨414旋转，将推动机器人朝向与两个螺旋桨414之间相反的方向移动，任选四个螺旋桨414中的两个螺旋桨414转动，能够实现机器人在平面内朝着前后左右中的一个方向移动，移动过程中同样是利用防水舵机411调节四个螺旋桨414的方向进而调节机器人的转向。

螺旋桨414的摆动通过防水舵机411驱动，螺旋桨414的转动，也就是浆叶的旋转通过螺旋桨电机418驱动。螺旋桨电机418驱动螺旋桨414浆叶转动，实现机器人在水下沿着一个方向持续移动。

如图3和图5所示，全向驱动机构410还包括四个铰接支撑件419，铰接支撑件419包括旋轴螺杆4191和设置于底盘101的法兰式轴承4192，旋轴螺杆4191竖向穿设于法兰式轴承4192，螺旋桨支撑板416的一端固定于外齿轮分圈413，螺旋桨支撑板416的中部与旋轴螺杆4191的顶端连接。螺旋桨支撑板416绕着铰接支撑件419沿着周向方向来回往复摆动，外齿轮驱动圈412带动外齿轮分圈413转动，外齿轮分圈413带动螺旋桨支撑板416的一端朝一个方向摆动。铰接支撑件419起到支撑螺旋桨支撑板以及省力的作用。

如图5所示，底盘101设置有多个安装柱440，封闭壳体102固定于多个安装柱440的顶端，多个安装柱440分为内层支撑组450和外层支撑组460，内层支撑组450和外层支撑组460分别包括四个安装柱440；内层支撑组450均分间隔设置于外齿轮驱动圈412的外侧，外层支撑组460均分间隔设置于内层支撑组450的外侧，外层支撑组460中每个安装柱440位于相邻的两个外齿轮分圈413之间。安装柱440采用内层支撑组450和外层支撑组460，实现封闭壳体102的均匀受力，保证机器人在水下运行的过程中，封闭壳体102不会发生倾斜等现象。同时加固封闭壳体102和底盘101之间的连接。

如图6所示，底盘101的上方设置有封闭壳体102，水中推进系统400还包括升降驱动机构420，升降驱动机构420包括设置于封闭壳体102内的至少一个驱动组件421、至少一个充排水组件422，封闭壳体102设置有至少一个充排水口423，充排水组件422包括活塞424和缸筒425，缸筒425的两端开放设置，缸筒425的一端滑动嵌设有活塞424，缸筒425的另一端与充排水口423连通；驱动组件421驱动活塞424来回往复移动。

为了使机器人在水下也能够获得良好的稳定性和灵活性，本申请采用动力效率较高的螺旋桨414推动结构。在水平方向上，机器人采用四个螺旋桨414合力推动，通过控制各个螺旋桨414的转速，可以实现机器人在水平面范围上的全方位移动(包括前后左右移动以及转动)；在垂直于水平面的运动方位上，机器人采用充水排水结构，通过改变自身重力利用水的浮力实现在水中的升降，在与水平方向上的运动结构配合就可实现机器人水下三维空间环境下的近似全向移动了。

活塞424往复运动，缸筒425从充排水口423吸水排水，改变了封闭壳体102内的密度，利用水的浮力实现在水中的升降。升降驱动机构420密封于封闭壳体102内，适用于水下运行。

如图6所示，驱动组件421包括安装支架426、驱动电机427、丝杆428和与活塞424连接的活塞固定板429，驱动电机427通过安装支架426设置于封闭壳体102内，驱动电机427的输出轴与丝杆428连接，丝杆428的外侧设置有螺母4281，螺母4281与活塞固定板429连接。驱动电机427驱动丝杆428转动，螺母4281朝着一个方向沿着丝杆428轴向移动，从而带动活塞固定板429沿着朝向同一个方向轴向移动，丝杆428的转向改变，螺母4281反向轴向移动，螺母4281朝着相反的方向沿着丝杆428的轴向方向移动，带动活塞固定板429沿着该方向移动，即丝杆428正反转，驱动活塞固定板429来回往复移动，实现缸筒425充水排水。

如图6所示，充排水组件422设置多个，其中四个充排水组件422呈矩形分布组成一个充排水机构组430，四个充排水组件422的活塞424的驱动端分别固定于活塞固定板429，每个充排水机构组430对应设置一个驱动组件421，驱动组件421设置于四个充排水组件422之间，丝杆428穿过活塞固定板429通过轴承安装座转动设置于封闭壳体102内侧。

丝杆428正反转驱动活塞固定板429来回往复移动，进而带动活塞424来回往复移动，四个充排水组件422呈矩形分布组成一个充排水机构组430，一方面，实现大水量充排水，采用四组活塞424伸缩排水改变自身重力的方法控制机器人水下的上升下沉，另一方面，实现充排水组件422的合理设置。

如图6所示，充排水机构组430设置两个，两个充排水机构组430并排设置，两个充排水机构组430的缸筒425的与封闭壳体102连通的一端设置方向相反。保证充排水过程中，封闭壳体102能够处于动态平衡状态，保证机器人水下正常运行。

如图6所示，封闭壳体102包括上盖1021和顶部开放设置的下壳1022，下壳1022的顶部边缘设置有密封凹槽1023，密封凹槽1023设置有密封圈，上盖1021固定密封下壳1022。实现封闭壳体102密封，方便升降驱动机构420的安装和检修。

承上述，前轮系统200，侧轮系统300和水中推进系统400共同实现机器人的水陆运行。三个系统的设置方式如下。

如图4所示，基座100包括底盘101和设置于底盘101上方的封闭壳体102，水中推进系统400包括全向驱动机构410和升降驱动机构420；前轮系统200设置于封闭壳体102的外侧，侧轮系统300设置于底盘101的下侧，全向驱动机构410设置于底盘101的上侧且位于封闭壳体102的下侧，升降驱动机构420设置于封闭壳体102内；每个螺旋桨414在周向方向上位于相邻的第一全向轮210和第二全向轮310之间。

在地面，机器人通过舵机235调节控制第一全向轮210的转动中心线的方向实现全向模式和越障模式的切换。在水里，机器人采用防水舵机411和四个螺旋桨414联合控制机构实现机体平面上的全向运动，采用升降驱动机构420中的活塞424伸缩排水改变自身重力的方法控制机器人水下的上升下沉，两者结合便可实现机器人的水下三维近似全向运动。侧轮系统300和全向驱动机构410设置于底盘101的上下两侧，安装合理，底盘101起到保证机器人整体稳定性的作用。机器人在陆地行驶时，侧轮系统300和前轮系统200行驶于地面，全向驱动机构410悬空，不会妨碍侧轮系统300和前轮系统200的正常行驶，水下运行，全向驱动机构410设置于前轮系统200和侧轮系统300之间，能够顺利驱动机器人运行，保证水陆地顺利行驶。

本申请提供的水陆两栖机器人克服现有的水陆两栖机器人运动速度慢、自由度少、越障能力和通过性能差等方面存在的不足，提供一种能在陆地全向运动，水中近似三维全向运动且具有一定越障能力的水陆两栖机器人结构。该机器人结构紧凑，具有全向模式，越障模式，水中运动模式三种模式和良好的越障性能，为近海岸的海洋开发和利用提供一种有效的技术手段。

本实施例还提供了水陆两栖侦查系统，包括侦查设备和水陆两栖机器人，侦查设备设置于基座100的上侧。受两栖类动物的启发，水陆两栖机器人凭借其既能在陆地推进,又能在水中巡游的特性，能够完成许多陆地或水中单一推进方式的移动机器人所无法完成的两栖任务，例如地质灾害排险救援、农田病虫害状态监测、水陆两栖战场侦察通信等复杂环境下的作业，因此被全世界越来越多的研究人员所关注。两栖机器人具有作业范围广泛，容易布放与回收的优点，可以充当侦察操作、救援系统、通讯系统的载体，应用在这些环境中。

将侦查设备设置于两栖机器人，能够满足各种复杂环境下侦查的工作需求。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水陆两栖机器人，其特征在于，包括基座、前轮系统、侧轮系统和水中推进系统；所述基座包括底盘和设置于所述底盘上方的封闭壳体，所述水中推进系统包括全向驱动机构和升降驱动机构；所述前轮系统设置于所述封闭壳体的外侧，所述侧轮系统设置于所述底盘的下侧，所述全向驱动机构设置于所述底盘的上侧且位于所述封闭壳体的下侧，所述升降驱动机构设置于所述封闭壳体内；

所述前轮系统包括两个越障机构和两个第一全向轮，所述侧轮系统包括两个第二全向轮，两个所述第二全向轮对称转动设置于所述底盘的下侧且转动中心线重合，两个所述第一全向轮以两个所述第二全向轮的所述转动中心线为中心线相对设置且转动设置，每个所述第一全向轮分别通过一个所述越障机构设置于所述封闭壳体，两个所述第一全向轮的转动轴心线能够调节；所述全向驱动机构包括四个均分间隔环形分布且能够摆动的螺旋桨；每个所述螺旋桨在周向方向上位于相邻的所述第一全向轮和所述第二全向轮之间；

所述全向驱动机构还包括防水舵机、外齿轮驱动圈和四个四分之一外齿轮分圈，所述防水舵机驱动并控制所述外齿轮驱动圈转动，四个所述外齿轮分圈周向分布于所述外齿轮驱动圈的外侧且分别与所述外齿轮驱动圈啮合，四个所述螺旋桨周向分布于所述外齿轮驱动圈的外侧且分别设置于所述外齿轮分圈；

所述升降驱动机构包括设置于所述封闭壳体内的至少一个驱动组件、至少一个充排水组件，所述封闭壳体设置有至少一个充排水口，所述充排水组件包括活塞和缸筒，所述缸筒的两端开放设置，所述缸筒的一端滑动嵌设有所述活塞，所述缸筒的另一端与所述充排水口连通；所述驱动组件驱动所述活塞来回往复移动。

2.根据权利要求1所述的水陆两栖机器人，其特征在于，每个所述越障机构包括驱动连杆机构和舵机；所述驱动连杆机构包括上连架杆、下连架杆和连杆，所述上连架杆和所述下连架杆的一端分别铰接于所述封闭壳体，所述上连架杆和所述下连架杆的另一端分别铰接于所述连杆，所述上连架杆的两个铰接点之间的间距小于所述下连架杆的两个铰接点之间的间距，所述连杆的下端为驱动端；所述舵机和所述第一全向轮设置于所述驱动端，所述舵机控制所述第一全向轮的方向转动。

3.根据权利要求2所述的水陆两栖机器人，其特征在于，所述越障机构还包括第一电机、锥齿轮组、舵机固定板和设置于所述舵机固定板的下侧的U形架，所述舵机设置于所述舵机固定板的上侧，所述舵机的输出轴穿过所述舵机固定板连接所述U形架，所述第一全向轮转动设置于所述U形架的两个侧臂之间，所述连杆的所述驱动端连接于所述舵机固定板；所述第一电机具有防水功能且设置于所述U形架的一侧，所述第一电机的输出轴通过所述锥齿轮组连接驱动所述第一全向轮。

4.根据权利要求2所述的水陆两栖机器人，其特征在于，每个所述越障机构还包括减震器，每个所述减震器的一端铰接于所述上连架杆，每个所述减震器的另一端铰接于所述下连架杆。

5.根据权利要求1所述的水陆两栖机器人，其特征在于，所述水陆两栖机器人还包括平衡装置，所述平衡装置包括对称设置于所述底盘的两个支撑板，所述侧轮系统还包括两个驱动机构，每个所述驱动机构设置于一个所述支撑板；每个所述驱动机构包括环状的电机支架、第二电机、侧轮轴和设置于轴承座的安装轴承，所述电机支架和所述轴承座设置于所述支撑板，所述第二电机具有防水功能且套设于所述电机支架，所述侧轮轴穿设于所述安装轴承，所述侧轮轴的一端与所述第二电机的输出轴通过联轴器连接，所述侧轮轴的另一端通过法兰盘与所述第二全向轮连接，所述侧轮轴的轴心线与所述底盘所对应的直径线重合。

6.根据权利要求5所述的水陆两栖机器人，其特征在于，所述平衡装置还包括控制系统；所述控制系统包括姿态检测单元以及处理单元，所述姿态检测单元与所述底盘相连，所述处理单元分别与所述姿态检测单元和所述第二电机连接，所述姿态检测单元用于检测所述底盘与水平面的倾角，所述处理单元根据所述倾角借助所述第二电机控制所述第二全向轮转动。

7.根据权利要求1所述的水陆两栖机器人，其特征在于，所述全向驱动机构还包括四个安装组件，每个所述安装组件安装于一个所述外齿轮分圈，每个所述安装组件包括螺旋桨支撑板、螺旋桨支架和具有防水功能的螺旋桨电机，所述螺旋桨支撑板固定于所述外齿轮分圈，所述螺旋桨支架设置于所述螺旋桨支撑板，所述螺旋桨电机套设于所述螺旋桨支架，所述螺旋桨电机驱动所述螺旋桨转动。

8.一种水陆两栖侦查系统，其特征在于，包括侦查设备和权利要求1至7中任意一项所述的水陆两栖机器人，所述侦查设备设置于所述基座的上侧。

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