CN107225924A - 一种轮桨腿一体的两栖机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮桨腿一体的两栖机器人及其控制方法。该机器人主要由伞形轮桨腿、底盘、水舱、驱动模块、控制模块与传感器组成。其中，伞形轮桨腿由桨腿、动力输出轴、连接杆构成，三者相互铰接构成三连杆机构，通过控制由形状记忆合金制成的连接杆的伸展与收缩来调节轮桨腿的形状，以适应不同环境及障碍；四个水舱对称布置，通过独立控制水舱的充水与排水改变机器人质量及其重心位置，从而控制机器人下潜、上浮、调整姿态。所发明的轮桨腿一体的两栖机器人环境适应能力强，具有陆地爬行、水中浮潜、水底爬行多种工作模式，可广泛应用于水边复杂环境的探测工作。

Description

一种轮桨腿一体的两栖机器人及其控制方法

技术领域

本发明属于移动机器人领域，涉及一种轮腿桨一体的两栖机器人。

背景技术

近年来，随着我国对海洋科学研究和海洋开发战略的深化与发展，在浅滩、滩涂、海洋、湖泊等环境中勘察探测的工作越来越多。开发在各种环境都能够自如运动的水陆两栖机器人具有重要意义。

发明专利CN101570220A公开了一种变姿态可翻转两栖多足机器人，该机器人由多条步行足并联构成，通过控制姿态调节电机可实现机器人站立和运动姿态的实时改变，提高其适应复杂两栖环境的能力，每条步行足由单项输入垂直输出模块和腿部机构两部分串联组成。但是其控制系统复杂，且不能再水中浮游。

发明专利CN103358839A公开了一种水陆两栖球形探察机器人，该机器人包括球壳、桨叶、内驱动机构组件和连接件。桨叶固定在球壳外部，机器人水面运动时浸入水中，实现机器人水中划水运动功能。内驱动机构组件由直线运动驱动电机、转向运动驱动电机、配重块和支撑部分组成。在直线运动驱动电机作用下，内驱动机构组件可绕横向中心线转动，改变球体内部重心位置，机器人可实现前进或后退直线运动。该球形两栖机器人可在陆地和水面灵活运动，执行探察任务，但是其行走效率低，越障能力差。

发明专利CN102059927A公开了一种基于轮桨-足板混合驱动的水陆两栖机器人，其框架上依次安装有前浮筒、中前浮筒、水密电子舱、中后浮筒及后浮筒，在框架的两侧对称设有多个轮桨驱动模块，两侧相邻的轮桨驱动模块之间设有安装在框架上的足板驱动模块。满足机器人在水陆两栖条件的爬行和浮游多运动模式下的运动需求；发明专利CN104097472A公开了一种轮桨一体两栖机器人，该机器人通过轮与桨的一体化设计，只需要利用一种行走机构就能够满足陆地和水面两种运动模式。然而以上两种机器人其轮式结构的越障能力不强，不适合在浅滩等障碍较多的复杂环境下工作。

总体来说，两栖机器人领域已经取得了一些显著的成果。要得到能够分别在水中和陆地上进行高性能运动的机器人，就要研制新型的混合驱动装置。如何设计简单而有效的混合驱动装置是当下两栖机器人设计的研究方向和发展趋势。

发明内容

本发明针对现有两栖机器人所存在的技术问题，提出了一种轮桨腿一体的两栖机器人。该机器人通过轮腿桨一体的驱动机构实现陆地行走、水底行走、越障以及浮游等功能，通过水舱的充水与排水实现机器人在水中的下潜和上浮，以期应用于水边复杂环境的探测工作。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种轮桨腿一体的两栖机器人，其特征在于，包括底盘，设置在底盘上的两对伞形轮桨腿，控制模块设置在底盘中部，四个水舱对称设置在控制模块两侧；底盘前侧设有摄像头和液位传感器，陀螺仪设置在底盘底部；两对伞形轮桨腿分别由驱动模块驱动，通过支撑架安装在底盘上，改变支撑杆的长度能够控制伞形轮桨腿的张合；控制模块同时与摄像头、液位传感器、陀螺仪、水舱以及驱动模块电连接。

根据上述的一种轮桨腿一体的两栖机器人，其特征在于，每个伞形轮桨腿结构相同，包括桨腿、支撑杆、动力输出轴。其中，桨腿由碳纤维材料制成桨形，支撑杆由形状记忆合金制成，可在驱动机构的控制下伸展或收缩改变自身长度。

桨腿的一端与动力输出轴的顶部铰接，支撑杆的一端与桨腿的中部铰接、另一端与动力输出轴的中部铰接，桨腿、支撑杆、动力输出轴三者通过铰链互相连接构成三连杆机构，通过控制支撑杆的长度调节三连杆机构的形状与位置。八组所述的三连杆机构对称布置在动力输出轴上，构成伞形轮桨腿，支撑杆伸展或收缩控制桨腿开合从而改变伞形轮桨腿的直径。

一种轮桨腿一体的两栖机器人的控制方法，其特征在于，工作时，

步骤1，通过摄像头获取环境及障碍信息，控制支撑杆伸展或收缩，调节伞形轮桨腿的形状以顺利通过。

步骤2，液位传感器检测机器人在水中/陆地上，以及所处水深，控制机器人切换陆地爬行、水中浮游、水底爬行几种工作模式。

步骤3，水舱通过充水与排水控制机器人在水中的下潜与上浮，四个水舱单独控制可调节机器人在水中的姿态，并通过陀螺仪测得实时姿态信息。

根据上述的一种轮桨腿一体的两栖机器人的控制方法，其特征在于，所述步骤1的具体方法是：定义障碍物高度为h，工作空间高度为H，伞形轮桨腿的桨腿总长度为l，支撑杆与桨腿的铰接处与桨腿顶部距离为l₁，支撑杆长度为l₂，支撑杆与动力输出轴的铰接处与动力输出轴顶部距离为l₃，则桨腿与动力输出轴间夹角伞形轮桨腿半径通过控制形状记忆合金变形改变支撑杆的长度l₂以改变桨腿与动力输出轴间夹角θ，从而改变轮桨腿半径r，使得h<r<0.5H。

根据上述的一种轮桨腿一体的两栖机器人的控制方法，其特征在于，所述步骤3中，通过单独控制左前水舱a、右前水舱b、左后水舱c、右后水舱d四个水舱调节机器人在水中的姿态，其具体方法是：定义各水舱质量为m_a、m_b、m_c、m_d，可通过充水或排水调节其质量大小，取机器人形心为坐标原点建立坐标系，各水舱重心坐标为x_a,y_a、x_b,y_b、x_c,y_c、x_d,y_d，则机器人重心坐标为

四个水舱同时充水，机器人质量增大，重力大于浮力时机器人下潜；四个水舱同时排水，机器人质量降低，重力小于浮力时机器人上浮；机器人浮游时，左侧两水舱a、c充水、右侧两水舱b、d排水，重心左移，机器人将向左倾斜；前部两水舱a、b充水，后侧两水舱c、d排水，重心前移，机器人向前倾斜；独立控制四个水舱充水/排水可改变机器人重心位置，从而调节机器人在水中的姿态，通过陀螺仪测得机器人倾角，反馈给控制模块。

本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：1.采用轮桨腿一体的驱动方式，地面上移动时具有轮式机器人简单高效的特点，同时其轮腿结构使机器人具有较强的越障能力；进入水中后，通过桨腿划水继续驱动机器人。2.伞形轮桨腿可通过变形改变直径尺寸，具有很强的环境适应性，在崎岖路面可完全张开以更好地越障，而在狭小环境则可以收起以灵活运动。采用形状记忆合金驱动伞型机构变形，取代传统的滑块驱动方式，大大简化了结构，同时具有较好的结构稳定性。3.水舱通过充水与排水控制机器人的上浮和下潜，四个水舱独立工作，还可以进一步的调节机器人在水中的姿态。4.液位传感器、摄像头、陀螺仪等传感器可获取环境信息，使机器人可以自主运行。

附图说明

图1是本发明的轮桨腿一体的两栖机器人的俯视图。

图2是本发明的两栖机器人伞形轮桨腿张开状态效果图。

图3是本发明的两栖机器人伞形轮桨腿收起状态效果图。

图4是本发明的伞形轮桨腿外观图。

图5是本发明的伞形机构原理示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本发明在整体结构设计方面，提供一种轮桨腿一体的两栖机器人，如图1所示，包括底盘2，设置在底盘2上的两对伞形轮桨腿1，控制模块6设置在底盘2中部，四个水舱7对称设置在控制模块6两侧；底盘2前侧设有摄像头3和液位传感器4，陀螺仪5设置在底盘2底部；两对伞形轮桨腿1分别由驱动模块8驱动，通过支撑架9安装在底盘2上，改变支撑杆11的长度能够控制伞形轮桨腿1的张合；控制模块6同时与摄像头3、液位传感器4、陀螺仪5、水舱7以及驱动模块8电连接，控制模块6可有效控制机器人运动并接收传感器测得的环境信息。

所述伞形轮桨腿1如图4所示，每个伞形轮桨腿1结构相同，包括桨腿10、支撑杆11、动力输出轴12。其中，桨腿10由碳纤维材料制成桨形，支撑杆11由形状记忆合金制成，可在驱动机构的控制下伸展或收缩改变自身长度。

桨腿10的一端与动力输出轴12的顶部铰接，支撑杆11的一端与桨腿10的中部铰接、另一端与动力输出轴12的中部铰接，桨腿10、支撑杆11、动力输出轴12三者通过铰链互相连接构成三连杆机构，通过控制支撑杆11的长度调节三连杆机构的形状与位置。八组所述的三连杆机构对称布置在动力输出轴上，构成伞形轮桨腿1，支撑杆11伸展或收缩控制桨腿10开合从而改变伞形轮桨腿1的直径。

一种轮桨腿一体的两栖机器人的控制方法，其特征在于，工作时，

步骤1，通过摄像头3获取环境及障碍信息，控制支撑杆11伸展或收缩，调节伞形轮桨腿1的形状以顺利通过。

步骤2，液位传感器4检测机器人在水中/陆地上，以及所处水深，控制机器人切换陆地爬行、水中浮游、水底爬行几种工作模式。

步骤3，水舱7通过充水与排水控制机器人在水中的下潜与上浮，四个水舱单独控制可调节机器人在水中的姿态，并通过陀螺仪5测得实时姿态信息。

根据上述的一种轮桨腿一体的两栖机器人的控制方法，其特征在于，所述步骤1的具体方法是：定义障碍物高度为h，工作空间高度为H，伞形轮桨腿1的桨腿10总长度为l，支撑杆11与桨腿10的铰接处与桨腿10顶部距离为l₁，支撑杆11长度为l₂，支撑杆11与动力输出轴12的铰接处与动力输出轴12顶部距离为l₃，则桨腿10与动力输出轴12间夹角伞形轮桨腿1半径通过控制形状记忆合金变形改变支撑杆11的长度l₂以改变桨腿10与动力输出轴12间夹角θ，从而改变轮桨腿半径r，使得h<r<0.5H。在浅滩、山路等障碍较多的环境下，控制形状记忆合金制成的连接杆伸展，伞形机构打开，轮腿半径增大，如图2所示，机器人可以更好地越过障碍；在丛林、孔洞等空间狭小的环境下，控制形状记忆合金收缩，伞形机构收起，轮腿半径减小，如图3所示，机器人高度降低，从而顺利通过；在水中，桨腿在电机的带动下划水，为机器人提供驱动力。

根据上述的一种轮桨腿一体的两栖机器人的控制方法，其特征在于，所述步骤3中，通过单独控制左前水舱a、右前水舱b、左后水舱c、右后水舱d四个水舱调节机器人在水中的姿态，其具体方法是：定义各水舱质量为m_a、m_b、m_c、m_d，可通过充水/排水调节其质量大小，取机器人形心为坐标原点建立坐标系，各水舱重心坐标为x_a,y_a、x_b,y_b、x_c,y_c、x_d,y_d，则机器人重心坐标为

四个水舱同时充水，机器人质量增大，重力大于浮力时机器人下潜；四个水舱同时排水，机器人质量降低，重力小于浮力时机器人上浮；机器人浮游时，左侧两水舱a、c充水、右侧两水舱b、d排水，重心左移，机器人将向左倾斜；前部两水舱a、b充水，后侧两水舱c、d排水，重心前移，机器人向前倾斜；独立控制四个水舱充水/排水可改变机器人重心位置，从而调节机器人在水中的姿态，通过陀螺仪5测得机器人倾角，反馈给控制模块6，结合环境信息更好的控制机器人在复杂环境中的运动。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种轮桨腿一体的两栖机器人，其特征在于，包括底盘，设置在底盘上的两对伞形轮桨腿，控制模块设置在底盘中部，四个水舱对称设置在控制模块两侧；底盘前侧设有摄像头和液位传感器，陀螺仪设置在底盘底部；两对伞形轮桨腿分别由驱动模块驱动，通过支撑架安装在底盘上，改变支撑杆的长度能够控制伞形轮桨腿的张合；控制模块同时与摄像头、液位传感器、陀螺仪、水舱以及驱动模块电连接。

2.根据权利要求1所述的一种轮桨腿一体的两栖机器人，其特征在于，每个伞形轮桨腿结构相同，包括桨腿、支撑杆、动力输出轴；其中，桨腿由碳纤维材料制成桨形，支撑杆由形状记忆合金制成，可在驱动机构的控制下伸展或收缩改变自身长度；

桨腿的一端与动力输出轴的顶部铰接，支撑杆的一端与桨腿的中部铰接、另一端与动力输出轴的中部铰接，桨腿、支撑杆、动力输出轴三者通过铰链互相连接构成三连杆机构，通过控制支撑杆的长度调节三连杆机构的形状与位置；八组所述的三连杆机构对称布置在动力输出轴上，构成伞形轮桨腿，支撑杆伸展或收缩控制桨腿开合从而改变伞形轮桨腿的直径。

3.一种轮桨腿一体的两栖机器人的控制方法，其特征在于，工作时，

步骤1，通过摄像头获取环境及障碍信息，控制支撑杆伸展或收缩，调节伞形轮桨腿的形状以顺利通过；

步骤2，液位传感器检测机器人在水中/陆地上，以及所处水深，控制机器人切换陆地爬行、水中浮游、水底爬行几种工作模式；

步骤3，水舱通过充水与排水控制机器人在水中的下潜与上浮，四个水舱单独控制可调节机器人在水中的姿态，并通过陀螺仪测得实时姿态信息。

4.根据权利要求3所述的一种轮桨腿一体的两栖机器人的控制方法，其特征在于，所述步骤1的具体方法是：定义障碍物高度为h，工作空间高度为H，伞形轮桨腿1的桨腿总长度为l，支撑杆与桨腿的铰接处与桨腿顶部距离为l₁，支撑杆长度为l₂，支撑杆与动力输出轴的铰接处与动力输出轴顶部距离为l₃，则桨腿与动力输出

轴间夹角伞形轮桨腿半径

通过控制形状记忆合金变形改变支撑杆的长度l₂以改变桨腿与动力输出轴间夹角θ，从而改变轮桨腿半径r，使得h<r<0.5H。

5.根据权利要求3所述的一种轮桨腿一体的两栖机器人的控制方法，其特征在于，所述步骤3中，通过单独控制左前水舱a、右前水舱b、左后水舱c、右后水舱d四个水舱调节机器人在水中的姿态，其具体方法是：定义各水舱质量为m_a、m_b、m_c、m_d，可通过充水/排水调节其质量大小，机器人形心为坐标原点，各水舱重心坐标为x_a,y_a、x_b,y_b、x_c,y_c、x_d,y_d，则机器人重心坐标为

四个水舱同时充水，机器人质量增大，重力大于浮力时机器人下潜；四个水舱同时排水，机器人质量降低，重力小于浮力时机器人上浮；机器人浮游时，左侧两水舱a、c充水、右侧两水舱b、d排水，重心左移，机器人将向左倾斜；前部两水舱a、b充水，后侧两水舱c、d排水，重心前移，机器人向前倾斜；独立控制四个水舱充水/排水可改变机器人重心位置，从而调节机器人在水中的姿态，通过陀螺仪5测得机器人倾角，反馈给控制模块6。