CN109649096A - 一种水陆两栖仿生机器人 - Google Patents

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郑满
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马雪仪
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Abstract

本发明涉及一种水陆两栖仿生机器人，包括壳体、步行足、游泳足和密封箱体，所述步行足设有多组，对称设置于所述壳体两侧，所述游泳足成对设于所述壳体前端，所述密封箱体设于壳体上部，所述密封箱体内设置有控制系统和电源，所述壳体后端设有一对螺旋桨，该机器人设有用于检测其运动姿态以及水陆环境的传感器，并通过所述控制系统调整所述步行足、游泳足和螺旋桨三者的运动状态。与现有技术相比，本发明不仅有多重动力推进方式，且能在自然的水陆环境中自主运动。

Description

一种水陆两栖仿生机器人
技术领域
本发明涉及水下航行器技术领域，具体涉及一种水陆两栖仿生机器人。
背景技术
近年来，海洋的战略地位和价值越来越高，人们对海洋的探索也越来越深入。因此，仿生机器人在海洋环境监测、海洋资源勘察、海洋科学研究中发挥重要作用，具有多方面的社会或者经济效益。传统水下推进方式是将仿生机器人及其推进装置位置固定，将游动速度以相对速度的方式施加给入口水流。由于仿生推进方式的机器人游动速度往往是动态的，采用这种非自主游动方式分析仿生推进并不能真实反映出机器人在推进过程中的动力学性能，因此这种方法不能正确反映机器人游动的流场。目前已研制开发的仿生海蟹机器人推动装置形式较为单一，效率不高，需要针对它的推进装置进行创新、改进，其他组成部分的优化也有待完成。
专利CN101337494A公开了一种水陆两栖仿生机器人，它包括一个密封的主舱体和四个桨腿复合推进机构，主舱体内设置有控制装置、电源装置和水路环境检测传感器；四个桨腿复合推进机构两两相对且对称设置在主舱体两侧，每个桨腿复合推进机构均包括两个主动杆、一从动杆和一摆动桨，两个主动杆的一端分别连接两电机的输出端，且一个主动杆靠近主舱体中间部位，它的另一端通过一转轴连接摆动桨一端；另一主动杆靠近主舱体外侧，它的另一端通过一转轴连接从动杆，从动杆通过一转轴连接摆动桨的中间位置，摆动桨的另一端为执行末端。该发明推动装置较为单一即游泳足作为仅有的水中推动单元，难以达到水下驱动装置的高效率需求，且步行方式速度较慢、效率较低。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种水陆两栖仿生机器人。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种水陆两栖仿生机器人，包括壳体、步行足、游泳足和密封箱体，所述步行足设有多组，对称设置于所述壳体两侧，所述游泳足成对设于所述壳体前端，所述密封箱体设于壳体上部，所述密封箱体内设置有控制系统和电源，所述壳体后端设有一对螺旋桨，该机器人设有用于检测其运动姿态以及水陆环境的传感器，并通过所述控制系统调整所述步行足、游泳足和螺旋桨三者的运动状态。
进一步地，所述传感器包括流速传感器、压力传感器、红外线测距传感器、激光雷达和视觉传感器，所述压力传感器和红外线测距传感器设置在密封箱体的下方，所述加速度传感器设置于密封箱体内部。所述激光雷达设置在密封箱体的下方，所述视觉传感器设置在密封箱体内部前端。传感器用来检测水陆环境，具备水陆环境分离的功能，可以辨别水陆环境，更加准确地提供位置信息。所述视觉传感器可以监测所述机器人工作环境中的可疑障碍物并将信息传递与激光雷达进行精度更高的测定确认。通过信息融合技术，有效提高了障碍物的定位和检测精度，所述加速度传感器用来检测机器人姿态。所述视觉传感器的前方设置有一透明玻璃盖，可产生所述机器人周围环境的360°全景图像，辅助机器人有效工作。
进一步地，所述步行足包括依次连接的基节、股节和胫节，所述基节安装于壳体内，所述基节连接电机的输出端，步行足的各部件彼此相连，且分别被独立的电源控制，所述基节收到电机输出的信号后开始运动，并将运动传动给后面的部件，实现步行足的运动，数个步行足可以独立运动，能够在陆地上变换方向、速度地稳定行走。
进一步地，所述游泳足包括依次连接的滑动翼、上下拍翼、前后排翼和摇翼，所述摇翼安装于壳体内，所述摇翼连接电机的输出端，所述的滑动翼包括指节和掌节，所述游泳足的各部件彼此联动，收到电机信号的调控，所述摇翼在电机的控制下摆动，能够带动所述上下拍翼、前后拍翼运动，所述滑动翼滑动，两个游泳足可分别受两个电机的控制，且上下拍翼、前后拍翼的运动可实现在三维空间内的自由运动。
进一步地，所述螺旋桨为四旋叶的螺旋桨，两个螺旋桨距离固定，对称设置于密封壳体的后部，由电机控制，由电源提供能源。
进一步地，所述电机的转轴均通过联轴器连接输出轴，且所述电机上设置有与所述输出轴同心的动密封机构。
进一步地，所述摇翼为足桨动力混合推进机构，由轻质有机复合材料制成。
进一步地，所述电源包括电机电源和逻辑电源，两者相互独立，所述电机电源为电机供电，所述逻辑电源为控制系统和传感器供电。
进一步地，所述密封箱体两侧还设有浮力调节装置，所述浮力调节装置均为圆柱形，对称设置于所述密封箱体的两侧。
进一步地，所述密封箱体还设有电源开关、电源充电部和天线，均为防水设置。
进一步地，所述步行足设有三对。
进一步地，所述壳体与密封箱体的外形为前窄后宽的扁平结构，可减少在水中的运动阻力。
本发明改进了现有技术的驱动系统，通过在尾部安装螺旋桨，为机器人提供充足的动力，保证其在水下正常运行。螺旋桨的结构更有利于在水中游动，比单纯靠游泳足驱动更加节能，在此机器人中，游泳足的动力作用被螺旋桨取代，主要负责机器人在水中形态的调节，能够使机器人的运动更稳定。进一步地，设置在尾部的螺旋桨也有效平衡了整个机器人的中心，避免出现由于前部重量过大导致的机器人陆上前倾摔倒及水中方向控制不力，壳体内设置的传感器可以辅助机器人切换步行足驱动和螺旋桨驱动，让仿生机器人在两栖环境下能够更加灵活、稳定地运动。
与现有技术相比，本发明在仿生蟹的尾部安装螺旋桨，采取爬行足、游泳足和螺旋桨驱动三种方式结合的驱动方式，控制系统、电源及传感器通过水密接头与外部驱动器实现数据和能量的交互。当机器人在四周全部是水的环境中游动时，螺旋桨可以作为其主要推动力来源，一对游泳足可以起到调节方向的作用。当机器人降落到深海底具有复杂地形的地点时，切换为爬行足驱动，从而更好地适应海底复杂的地形环境。该水陆两栖仿生机器人能在自然的水陆环境中自主运动，实现对目标的跟踪，能够帮助海洋科研人员实现水样采集，进行实时生态监测，观察水底生物运动模式，并能够稳定地定向运载物体，未来甚至可以应用于无人军事探测等危险领域。
附图说明
图1为本发明水陆两栖仿生机器人的整体结构示意图；
图2为本发明密封箱体的内部结构示意图；
图3为本发明水陆两栖仿生机器人游泳足的结构示意图；
图4为本发明水陆两栖仿生机器人步行足的结构示意图；
图中：壳体1、密封箱体2、步行足3、游泳足4、螺旋桨5、浮力调节装置6、电源开关21、电源22、传感器23、电源充电部24、基节31、股节32和胫节33、滑动翼41、上下拍翼42、前后排翼43、摇翼44。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种水陆两栖仿生机器人，如图1，包括壳体1、步行足3、游泳足4和密封箱体2，壳体1与密封箱体2的外形为前窄后宽的扁平结构，可减少在水中的运动阻力。步行足3设有三对，对称设置于壳体1两侧，游泳足4成对设于壳体1前端，密封箱体2设于壳体1上部，壳体1后端设有一对螺旋桨5，如图2，密封箱体2内设置有控制系统和电源22，该仿生机器人设有用于检测其运动姿态以及水陆环境的传感器23，并通过控制系统调整步行足3、游泳足4和螺旋桨5三者的运动状态。
传感器包括流速传感器、压力传感器、红外线测距传感器、激光雷达和视觉传感器，压力传感器和红外线测距传感器设置在密封箱体2的下方，加速度传感器设置于密封箱体2内部，视觉传感器设置在密封箱体2内部前端，且视觉传感器的前方设置有一透明玻璃盖。如图3、4，步行足3包括依次连接的基节31、股节32和胫节33，基节31安装于壳体1内，基节31连接电机的输出端。步行足的各部件彼此相连，且分别被独立的电源控制，基节收到电机输出的信号后开始运动，并将运动传动给后面的部件，实现步行足的运动，数个步行足可以独立运动，能够在陆地上变换方向、速度地稳定行走。游泳足4包括依次连接的滑动翼41、上下拍翼42、前后排翼43和摇翼44，摇翼44安装于壳体1内，摇翼44连接电机的输出端。摇翼44为足桨动力混合推进机构，由轻质有机复合材料制成。游泳足的各部件彼此联动，收到电机信号的调控，摇翼在电机的控制下摆动，能够带动上下拍翼、前后拍翼运动，滑动翼滑动，两个游泳足可分别受两个电机的控制，且上下拍翼、前后拍翼的运动可实现在三维空间内的自由运动。电源22包括电机电源和逻辑电源，两者相互独立，电机电源为电机供电，逻辑电源为控制系统和传感器供电。密封箱体2两侧还设有浮力调节装置6。密封箱体2还设有电源开关21、电源充电部24和天线，均为防水设置。为实现防水密封，在壳体1的左右两侧，前后盖和上部都设置有密封圈，侧盖通过螺纹固定在壳体上。压力传感器和红外线测距传感器用以检测水陆环境的变化并采取相应的运动方式。
当水陆两栖仿生机器人降至水底复杂地形或在陆地上活动时，可自主转换为步足驱动，三对步行足支撑主箱体，通过杠杆联动装置完成步行前进的动作，每一步行足末端转动的角度可由控制系统根据传感到的地形信息调整，也可由操作人员进行远端控制。
当水陆两栖仿生机器人进行水陆工作环境的转换时，压力传感器与激光雷达可以精确检测没入水体的深度，深度若超过阈值，则游泳足和螺旋桨工作；若深度小于阈值，则步行足工作。当水陆两栖仿生机器人在水中游动时，密封箱体中设置的红外线测距仪与压力传感器还可随时检测本发明距离水底地面的距离，一旦触及水底，切换至步行足工作。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水陆两栖仿生机器人，包括壳体(1)、步行足(3)、游泳足(4)和密封箱体(2)，所述步行足(3)设有多组，对称设置于所述壳体(1)两侧，所述游泳足(4)成对设于所述壳体(1)前端，所述密封箱体(2)设于壳体(1)上部，所述密封箱体(2)内设置有控制系统和电源(22)，其特征在于，所述壳体(1)后端设有一对螺旋桨(5)，该仿生机器人设有用于检测其运动姿态以及水陆环境的传感器(23)，并通过所述控制系统调整所述步行足(3)、游泳足(4)和螺旋桨(5)三者的运动状态。
2.根据权利要求1所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于，所述传感器包括流速传感器、压力传感器、红外线测距传感器、激光雷达和视觉传感器，所述压力传感器、红外线测距传感器与激光雷达设置在密封箱体(2)的下方，所述加速度传感器设置于密封箱体(2)内部，所述视觉传感器设置在密封箱体(2)内部前端，且所述视觉传感器的前方设置有一透明玻璃盖。
3.根据权利要求1所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于，所述步行足(3)包括依次连接的基节(31)、股节(32)和胫节(33)，所述基节(31)安装于壳体(1)内，所述基节(31)连接电机的输出端。
4.根据权利要求1所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于，所述游泳足(4)包括依次连接的滑动翼(41)、上下拍翼(42)、前后排翼(43)和摇翼(44)，所述摇翼(44)安装于壳体(1)内，所述摇翼(44)连接电机的输出端。
5.根据权利要求4所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于，所述摇翼(44)为足桨动力混合推进机构，由轻质有机复合材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于，所述电源(22)包括电机电源和逻辑电源，两者相互独立，所述电机电源为电机供电，所述逻辑电源为控制系统和传感器供电。
7.根据权利要求1所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于，所述密封箱体(2)两侧还设有浮力调节装置(6)。
8.根据权利要求1所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于，所述密封箱体(2)还设有电源开关(21)、电源充电部(24)和天线，均为防水设置。
9.根据权利要求1所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于，所述步行足(3)设有三对，所述壳体(1)与密封箱体(2)的外形为前窄后宽的扁平结构。
10.根据权利要求1所述的一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于，所述螺旋桨(5)为四旋叶螺旋桨，两个螺旋桨距离固定，对称设置于壳体的后部。
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