CN108859637B - 一种球形两栖机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球形两栖机器人，其上半球壳具有浮力补偿功能，可以实现机器人自主的悬浮；且通过滑轨结构减轻水平舵机的承重。该球形两栖机器人包括：上球壳、中间隔板、腿部结构和滑轨机构，其中上球壳具有浮力补偿功能，可以实现机器人自主的悬浮，通过在进水舱的不同高度上设计均匀分布的进水孔来调节机器人的浮力。腿部结构通过滑轨机构与为其运动提供动力的水平舵机转轴相连，滑轨机构中水平转动杆一端与机器人腿部机构固定，另一端连接轴承并放置在滑轨上，从而减轻水平舵机及水平支架的承重。同时在中间隔板的下端面上设置有可拆卸的独立电池舱。

Description

一种球形两栖机器人

技术领域

发明涉及一种机器人，具体涉及一种球形机器人。

背景技术

随着陆地资源的匮乏，人类已经进军海洋资源开发。与陆地环境不同，海洋环境存在更多的未知性和复杂性。由于人类能亲自探索海洋环境有限，所以水下机器人作为一种具有环境感知能力，自主控制能力，自主作业能力的装置，必然成为开发海洋的重要工具。

近些年，水下机器人成为了国内外研究的热点；但现有的水下机器人多采用鱼雷状流线型结构和螺旋桨推进，鱼雷状流线型的设计导致其转向半径大，无法实现狭窄空间作业。螺旋桨推进保证水下机器人单向运动速度较高，但是其动力系统和螺旋桨的高噪声对其周围环境带来较大的干扰，很难实现高隐蔽性。

与鱼雷状流线型水下机器人相比，球形机器人有较多优点，对称性好，旋转半径小，运动模型简单。国外方面，美国对水下球形机器人研究较多。夏威夷大学研制了ODIN水下球形机器人，配备八组推进器，可实现六自由度运动；麻省理工研制了类似蛋形机器人，上半部分采用防水外壳，采用六台水泵从机器人内部的橡胶管往外喷水实现机器人推进；美国军方还研制了GuardBot机器人，其采用倒立摆模型，通过调整机器人的重心位置实现运动控制。国内方面，2007年，哈尔滨工程大学仿生微机器人实验室所研制的一款球形水下潜器，其采用两个喷水电机作为驱动装置，并设有两个入水口和两个出水口。该球形水下潜器采用姿态传感器信号反馈调整的控制方法对自身的运动控制，但由于其动力系统设计相对粗放，运动灵活性有限，机动性较差。中科院研制的球形机器人采用喷水驱动运动，并装有机械臂可以完成抓捕操作。2010北京邮电大学的孙汉旭团队研制了BYSQ系列球形水下机器，该系列机器人通过其内部的双驱动转向机构与螺旋桨推进器的配合来实现六个自由度的水下运动。但该设计的体型较大，在浅水、沼泽、滩涂等环境下的生存能力有限。

传统的水下机器人只适合在水下环境，而两栖机器人作业范围广，环境适应能力强，可以执行人类无法完成的复杂任务，所以两栖机器人的研究有重要意义。在国外的研究中，代表性的是日本东京工业大学研制的两栖蛇形机器人ACMR5，该机器人由多关节组成并具有水陆两栖适应性，在陆地上运动时，ACM-R5依靠身体的蜿蜒运动推进，也能实现翻滚运动；在水下运动时，ACM-R5采用仿鳗鲡式的波动推进。但ACM-R5机器人运动较慢，仅能达到0.4m/s。2005年麦吉尔大学研制了一种仿蟑螂的两栖机器人Whegs，推进机构采用了三辐轮桨腿式设计，近似轮子，能够实现高性能和平稳推进。加拿大MCGILL大学研发了两栖六足机器人AQUA，AQUA在陆地上运动时采用弧形腿推进，利用弧形腿机动性能高和通用性好的特点，可以实现多种陆地环境的高速推进；在水下，利用六个桨的拍动推进，AQUA能够实现巡航、升降、纵荡、转向、翻滚五个自由度运动。不足的是由于AQUA在陆地山和水下采用两套不同的推进机构，并不实现真正意义的两栖。

综上所述，现有水下自主航行器/机器人和球形机器人及水陆两栖机器人的存在以下问题：

(1)现有的鱼雷状流线型水下机器人由于体型转弯半径大，无法实现狭窄空间内的灵活和高精密作业。同时其较大的体型和动力系统对周围环境带来较大的干扰，无法实现高隐蔽作业。

(2)现有的球形机器人在陆地上一般采用滚动的运动方式，对地形要求高，不适应海底以及浅滩，岛礁等非结构环境；在水下多采用螺旋桨推进，由于螺旋桨多裸露在机器人躯体外，容易损坏，对海洋环境破坏大。而且螺旋桨工作噪声大，难隐蔽作业。

(3)目前的两栖机器人普遍采用了仿生学的原理设计，如仿生螃蟹、蟑螂和蛇等，仿生螃蟹机器人只能进行陆地和水底的爬行，运动距离较近。仿生蟑螂机器人在水下和陆地采用了不同的驱动结构，在水下和陆地运动切换时，需要人工更换驱动结构。仿生蛇机器人采用关节式设计，姿态不易控制，且其陆上和水下运动较慢，仅能达到0.4m/s。

(4)以前设计的球形两栖机器人，由于机器人体积过大，重力不足，机器人进入水中后需要添加额外的配重才能悬停在水中；且电池模块密封在上半球内，更换电池需要重新拆卸上球壳，不便于更换电池；机器人腿部机构完全加载在水平舵机上，造成水平舵机负载大，易损坏。此外，还存在机器人无法感知周围环境以及自身运动速度等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种球形两栖机器人，其上半球壳具有浮力补偿功能，可以实现机器人自主的悬浮；且通过滑轨结构减轻水平舵机的承重。

所述的球形两栖机器人，包括：半球形壳体和位于半球形壳体下端面沿周向分布的两个以上腿部机构；其特征在于：

所述半球形壳体由进水舱和密封舱对接后形成，其中所述进水舱位于半球形的球顶侧，密封舱固定在中间隔板上；机器人的电气设备放置在密封舱内，所述密封舱上设置有一个以上过线孔；用于形成所述进水舱的进水舱球壳的圆周面上分布有两个以上进水孔；

所述腿部机构通过滑轨结构和为该腿部机构提供动力的水平舵机转轴相连，所述滑轨结构与所述腿部机构一一对应，每个滑轨结构包括：滑轨、水平支架和水平转动杆，其连接关系为：弧形结构的滑轨固定在所述中间隔板的下端面的凸台上，在中间隔板下端面每个滑轨的圆心位置安装有水平舵机，水平舵机转轴的轴线垂直于中间隔板，水平支架的一端和与之对应的腿部机构相连，另一端通过水平舵机舵盘与水平舵机转轴连接；水平支架与所述腿部机构相连的一端设置有用于安装水平转动杆的支座，水平转动杆的一端支撑在该支座上，另一端通过轴承支撑在所述滑轨上，所述轴承能够在所述滑轨上滚动。

用于为机器人内部电气设备供电的电池设置在电池舱内，所述电池舱可拆卸安装在中间隔板下端面。

在所述电池舱的底部安装有两个以上万向轮。

有益效果：

(1)该球形两栖机器人采用半球形结构，可实现零半径旋转；上半球壳具有浮力补偿功能，可以实现机器人自主的悬浮，通过在进水舱的不同高度上设计均匀分布的进水孔来调节机器人的浮力，在机器人浸入水中后无需添加额外配重即可下潜，节省机器人能量，解决了两栖机器人下沉需要额外添加配重的问题，实现了完全自主的两栖。

(2)针对水平舵机负载重、易损坏问题，设计了可以分担机器人腿部机构重量，减轻水平舵机旋转阻力的滑轨结构。将水平转动杆一端与机器人腿部机构固定，另一端连接轴承并放置在半圆形滑轨上，从而减轻水平舵机及水平支架的承重。

(3)针对以前设计的两栖机器人电池不便于更换的问题，设计了可拆卸的独立电池舱，电池完全封闭在电池舱内，从引线孔引出的正负极线与防水开关头连接，减少了更换电池带来的磨损。

(4)电池舱底部带万向轮，为机器人增加了滑行步态。

(5)在该两栖机器人上还安装有双目摄像头，实时感知周围环境，可实现目标跟踪和监测；安装压力传感器实时测量机器人速度，便于更精准的控制。

附图说明

图1为本发明的球形两栖机器人的正视图；

图2为本发明的球形两栖机器人的仰视图；

图3为本发明的球形两栖机器人的正视爆炸图；

图4为上球壳放大正视图；

图5进水舱俯视图；

图6密封舱俯视图；

图7滑轨结构爆炸图；

图8滑轨结构局部放大图；

图9滑轨仰视图；

图10滑轨仰视爆炸图；

图11腿部机构的滑动机构分解图；

图12水平转动杆安装爆炸图；

图13电池舱等轴测图；

图14电池舱那个仰视图；

图15电池舱安装爆炸图；

其中：1-进水舱，2-密封舱，3-中间隔板，4-电池舱，5-腿部机构，1-1-水听器，1-2-双目摄像头，1-3-进水舱球壳安装孔A，1-4-进水孔A，1-5-进水舱球壳安装孔B，1-6-光纤头安装孔，1-7-进水舱球壳安装孔C，1-8-水听器安装孔，1-9-双目摄像头安装孔，1-10-进水孔C，1-11-进水舱球壳，1-12-进水孔B，2-1-密封舱球壳，2-2-压力传感器，2-3-双目摄像头过线孔，2-4-密封舱球壳螺纹孔B，2-5-光纤过线孔，2-6-密封舱球壳固定安装孔，2-7-密封舱球壳螺纹孔C，2-8-水听器过线孔，2-9-防水开关过线孔，2-10-备用过线孔，2-11-密封舱球壳螺纹孔A，2-12-备用过线孔，3-1-滑轨，3-2-中间安装孔，3-3-侧边安装孔，3-4-水平舵机转轴，3-5-椭圆凸台安装孔，3-6-圆形凸台安装孔，4-2-电池舱顶部螺纹孔，4-6-电池舱盖，4-7-万向轮，4-8-电池舱引线孔，4-9-电池舱安装螺钉，4-10-电池舱底部安装孔，4-11-电池舱空心连接柱，5-1-弹性卡圈A，5-2-水平通孔，5-3-卡槽A，5-4-轴承，5-5-弹性卡圈B，5-6-卡槽B，5-7-水平转动杆，5-8-水平舵机舵盘，5-9-水平支架。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种面向过渡两栖环境，适合狭窄环境作业，具有高机动性、高隐蔽性、多运动模式、续航时间长、承载能力强、可回收的球形两栖机器人。

如图1-3所示，为了使该球形机器人更智能、更自主、更便捷地完成两栖环境下的任务，该球形机器人采用了可调节浮力的上球壳、独立电池舱以及减轻水平舵机负载的滑轨机构。具体为，该球形两栖机器人包括：上球壳、中间隔板3、腿部结构5和滑轨机构。

以前的两栖机器人进入水中后，由于机器人体积过大，重力不足，需要额外添加配重才能使其悬浮于水下。然而额外的配重不仅造成机器人运动时能量的浪费，而且造成机器人陆地上运动时负载太大。为了解决这个问题，本方案中的球形两栖机器人采用可调节机器人浮力的上球壳，实现机器人无配重自动悬浮。

如图3-图6所示，该上球壳由两部分组成，分别为进水舱1和密封舱2，进水舱1和密封舱2对接后形成半球形的上球壳，其中进水舱1位于半球形的球顶处，形成进水舱1的壳体为进水舱球壳1-11，形成密封舱2的壳体为密封舱球壳2-1，进水舱球壳1-11上沿周向分布有三个进水舱球壳安装孔(分别为进水舱球壳安装孔A1-3、进水舱球壳安装孔B1-5和进水舱球壳安装孔C1-7)，对应的，密封舱球壳2-1上沿周向分布有三个密封舱球壳螺纹孔(分别为密封舱球壳螺纹孔A2-11、密封舱球壳螺纹孔B2-4和密封舱球壳螺纹孔C2-7)，三个进水舱球壳安装孔和三个密封舱球壳螺纹孔一一对应后，用螺丝连接固定，从而将进水舱球壳1-11同轴固接在密封舱球壳2-1的直径较小端，密封舱球壳2-1的直径较大端通过多个沿周向分布的密封舱球壳固定安装孔2-6与中间隔板3固定。密封舱2为密闭结构，机器人的电气设备放置在密封舱2内，在密封舱球壳2-1上加工有双目摄像头过线孔2-3、水听器过线孔2-8、光纤过线孔2-5、防水开关过线孔2-9以及两个备用过线孔2-10和2-12；各过线孔在穿过电线后，用固化硅橡胶封死，构成封闭的防水的密封舱2。

在进水舱球壳1-11与密封舱球壳2-1对接端的圆周面上沿周向均匀分布有三个进水孔A1-4，进水孔A1-4的截面为U形，U形进水孔A1-4的开口端与进水舱球壳1-11和密封舱球壳2-1对接端的端面平齐；在进水舱球壳1-11圆周面上沿周向均匀分布有三个进水孔B1-12，进水孔B1-12相比进水孔A1-4更靠近进水舱球壳1-11顶部；在进水舱球壳1-11顶部端面上沿周向均匀分布有四个进水孔C1-10。

上球壳浮力调节原理为：

当机器人浸入水中后，由于重力作用下沉，当下沉至水刚好淹没过密封舱2上表面时，水开始从三个进水孔A1-4进入进水舱1，相较于完全封闭的上球壳，机器人排开水的体积减小，浮力减小，机器人继续下沉；随后三个进水孔B1-12开始有水进入，直至水几乎没过整个机器人，进水舱球壳1-11顶部的四个进水孔C1-10有水慢慢进入。整个下潜过程，因为有水持续进水机器人进水舱1，机器人排开水的体积减小，从而达到调节浮力的目的。

以前水下机器人的单个腿部机构完全由水平舵机承重，造成水平舵机易损坏，使用寿命短，水平支架易变形等问题。为了解决这个问题，本方案采用可以减轻水平舵机承重的滑轨结构。腿部机构5通过滑轨结构和为其运动提供动力的水平舵机转轴3-4相连。

如图7-图10所示，中间隔板3上设置有滑轨3-1，具体为：滑轨3-1为半圆形，四个结构形式相同的滑轨3-1与四个腿部机构5一一对应，四个滑轨3-1依次首尾相连形成花瓣形，每个滑轨3-1的两端加工有侧边安装孔3-3，中部加工有中间安装孔3-2，滑轨3-1通过中间安装孔3-2和侧边安装孔3-3分别与中间隔板7上对应位置的圆形凸台安装孔3-6和椭圆形凸台安装孔3-5用螺钉连接固定，从而将四个滑轨固定安装在中间隔板7的下端面上。同时在中间隔板7的下端面上四个滑轨3-1所围成的环形区域内固定有与四个滑轨3-1一一对应的水平舵机，水平舵机的动力输出轴即水平舵机转轴3-4位于与之对应的滑轨3-1的圆心位置，且水平舵机转轴3-4的轴线垂直于中间隔板7。

每个腿部机构5与一个滑轨3-1配合，能够沿着与之对应的滑轨滑动，具体为：如图11和图12所示，与腿部机构5相连的水平支架5-9通过水平舵机舵盘5-8与水平舵机转轴3-4连接，当水平舵机舵盘5-8带动水平舵机转轴3-4转动时，通过水平舵机转轴3-4带动腿部机构5绕水平舵机转轴3-4的轴线转动。

每个腿部机构5通过两个水平转动杆5-7和与之对应的滑轨3-1接触，使腿部机构5沿滑轨3-1滑动，即滑轨3-1对腿部机构5的运动起导向作用。具体为：水平支架5-9与腿部机构5相连的一端设置有用于安装两个水平转动杆5-7的支座，两个水平转动杆5-7平行设置，水平转动杆5-7的轴线垂直于水平舵机转轴3-4的轴线。水平转动杆5-7穿过水平支架5-9上支座上的水平通孔5-2后，其朝向腿部机构5的一端通过卡在水平支架5-9环形卡槽A5-3中的弹性卡圈A5-1对其轴向定位，另一端套装有轴承5-4，轴承5-4位于滑轨3-1上，能够在滑轨3-1上滚动，且轴承5-4位于滑轨3-1和中间隔板3之间。轴承5-4一端通过卡在水平支架5-9环形卡槽B5-6中的弹性卡圈B5-5进行轴向定位，另一端(与水平通孔5-2相对端)通过设置在水平转动杆5-7上的轴肩进行轴向定位。

滑轨结构的工作原理为：水平舵机转轴3-4转动时带动水平支架5-9转动，水平支架5-9带动腿部机构5转动，同时轴承5-4在滑轨3-1上运动，对腿部机构5的运动起导向作用，水平转动杆5-7和轴承5-4以及滑轨3-1的存在，可以防止腿部机构太重而使水平支架5-9变形，同时可以减小水平舵机转轴3-4转动时的阻力，延长水平舵机的使用寿命。

为了减小反复拆卸机器人更换电池带来的磨损，在本方案中设计可拆卸的独立电池舱4。电池舱4安装在中间隔板3下端面中间位置，具体为：电池舱4为矩形结构，其四个角位置设置有电池舱空心连接柱4-11，电池舱空心连接柱4-11顶部设置有电池舱顶部螺纹孔4-3，底部设置有电池舱底部安装孔4-10，电池舱安装螺钉4-9穿过电池舱空心连接柱4-11后，通过与电池舱顶部螺纹孔4-3以及设置在中间隔板3下端面的椭圆凸台安装孔3-5配合将电池舱4固定安装在中间隔板3上。电池舱4一侧端面设置有电池舱盖4-6，打开电池舱盖4-6后，便可将电池放置到电池舱4中。电池舱4底部端面上设置有电池舱引线孔4-8，电池的正负极接线端放在电池舱引线孔4-8一侧，并将线引出后用防水固化硅橡胶将电池引线孔4-8浇筑并将电池舱盖4-6密封。本方案中设计的独立电池舱便于拆卸，方便机器人更换电池。

并在电池舱4的底部安装有万向轮，其功能在于，一是在平坦路面机器人可以采用滑行步态，二是作为机器人的支撑，必要的时候减轻腿部机构5的任务具体为：在每个电池舱壳底部安装孔4-10中安装一个万向轮4-7。该两栖机器人的腿部机构5可升降，当腿部机构5上升至万向轮4-7上方位置时，机器人通过四个万向轮4-7支撑在地面上，通过万向轮4-7使机器人可以采用滑行步态进行；当需要通过万向轮进行辅助支撑时，将腿部机构5上升至与万向轮4-7平齐位置，机器人通过腿部机构5和万向轮4-7共同支撑在地面上。

为使该两栖机器人具备感知周围环境和机器人速度的功能，在进水舱顶部的水听器安装孔1-8内安装有水听器1-1，密封舱的圆周面上沿周向分布有多个压力传感器2-2，在进水舱的圆周面上的双目摄像头安装孔1-9内安装有双目摄像头1-2。水听器1-1的信号线穿过水听器过线孔2-8与密封舱2内的控制单元相连，双目摄像头1-2的信号线穿过目摄像头过线孔2-3与密封舱2内的控制单元相连，由此能够对机器人实现更智能化、更精准的运动控制。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (7)

1.一种球形两栖机器人，包括：半球形壳体和位于半球形壳体下端面沿周向分布的两个以上腿部机构(5)；其特征在于：

所述半球形壳体由进水舱(1)和密封舱(2)对接后形成，其中所述进水舱(1)位于半球形的球顶侧，密封舱(2)固定在中间隔板(3)上；机器人的电气设备放置在密封舱(2)内，所述密封舱(2)上设置有一个以上过线孔；用于形成所述进水舱(1)的进水舱球壳(1-11)的圆周面上分布有两个以上进水孔；

所述腿部机构(5)通过滑轨结构和为该腿部机构(5)提供动力的水平舵机转轴(3-4)相连，所述滑轨结构与所述腿部机构(5)一一对应，每个滑轨结构包括：滑轨(3-1)、水平支架(5-9)和水平转动杆(5-7)，其连接关系为：弧形结构的滑轨(3-1)固定在所述中间隔板(3)的下端面的凸台上，在中间隔板(3)下端面每个滑轨(3-1)的圆心位置安装有水平舵机，水平舵机转轴(3-4)的轴线垂直于中间隔板(3)，水平支架(5-9)的一端和与之对应的腿部机构(5)相连，另一端通过水平舵机舵盘(5-8)与水平舵机转轴(3-4)连接；水平支架(5-9)与所述腿部机构(5)相连的一端设置有用于安装水平转动杆(5-7)的支座，水平转动杆(5-7)的一端支撑在该支座上，另一端通过轴承(5-4)支撑在所述滑轨(3-1)上，所述轴承(5-4)能够在所述滑轨(3-1)上滚动。

2.如权利要求1所述的球形两栖机器人，其特征在于，用于为机器人内部电气设备供电的电池设置在电池舱(4)内，所述电池舱(4)可拆卸安装在中间隔板(3)下端面。

3.如权利要求2所述的球形两栖机器人，其特征在于，在所述电池舱(4)的底部安装有两个以上万向轮(4-7)。

4.如权利要求1或2所述的球形两栖机器人，其特征在于，所述进水舱球壳(1-11)的圆周面上分布有两个以上进水孔组，每个进水孔组包括两个以上沿其周向均匀分布的进水孔，且两个以上进水孔组分布在所述进水舱球壳(1-11)的不同高度处；在所述进水舱球壳(1-11)顶部端面上分布有两个以上进水孔。

5.如权利要求1或2所述的球形两栖机器人，其特征在于，在所述进水舱的顶部端面上安装有水听器(1-1)，所述水听器(1-1)的信号线穿过设置在密封舱(2)上的水听器过线孔(2-8)与密封舱(2)内的控制单元相连；所述信号线穿过水听器过线孔(2-8)后在水听器过线孔(2-8)处进行水密处理。

6.如权利要求1或2所述的球形两栖机器人，其特征在于，在所述密封舱的圆周面上沿周向分布有两个以上压力传感器(2-2)。

7.如权利要求1或2所述的球形两栖机器人，其特征在于，在所述进水舱的圆周面上设置有摄像头，所述摄像头的信号线穿过设置在密封舱(2)上的摄像头过线孔后与密封舱(2)内的控制单元相连；所述信号线穿过摄像头过线孔后在摄像头过线孔处进行水密处理。