CN110027692A - 一种利用波动鳍推进的水陆两栖机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用波动鳍推进的水陆两栖机器人，其特征在于，包括机体、驱动臂单元以及波动鳍，所述机体左右两侧各设置有7个驱动臂单元，所述驱动臂单元一端与机体连接另一端与波动鳍连接，所述波动鳍由扇形平面弯曲形成，相邻两个驱动臂单元所连接的波动鳍之间的相位差可根据驱动臂单元之间的配合进行自由调节，最大为120度，所述驱动臂单元控制波动鳍进行正弦波动，机器人在陆地上通过波动鳍与地面的静摩擦力运动，在水下通过波动鳍与推动水流的反作用力运动，本申请文件的机器人，相对于传统的两栖机器人，本发明结构简单、控制方便、能效高、噪音低、运动性能强。

Description

一种利用波动鳍推进的水陆两栖机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，具体涉及一种利用波动鳍推进的水陆两栖机器人。

背景技术

在波动鳍推进技术方面，国内外已有诸多的相关技术的研究以及应用。如中国国防科技大学、中国科学院沈阳自动化研究所等研制的波动鳍仿生水下推进器以及波动鳍仿生水下推进装置，并申请了相关的专利。国外也有许多利用波动鳍推进的水下仿生机器人。但这些机器人都是水下机器人、无法在陆地上进行运动。它们的波动鳍大多采用薄而柔软的橡胶制成，没有在陆地上进行运动的能力，而在陆地上运动的机器人中也没有使用波动鳍进行推进的先例。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是目前的水陆两栖仿生机器人普遍存在的问题：结构复杂、控制难度大，水下陆地上的运动性能低、能效低，对于水陆两栖仿生机器而言，主要解决的技术问题是水陆两栖仿生机器人的推进装置的问题。由于两栖机器人同时需要陆地以及水下的运动能力，大多数传统的两栖机器人使用了多种推进装置，这使得它们的机械结构普遍比较复杂、笨重，控制难度比较大，能效比较低。对于推进形式而言，本发明主要解决的是传统的两栖机器人在陆地上或者水下的运动性能不足的问题，如在陆地上，腿式推进的能效低；轮式推进的通过率低，无法适应复杂的陆地表面介质，限制了两栖机器人的活动范围本发明的目的在于提供一种利用波动鳍推进的水陆两栖机器人，解决上述的问题。

本发明通过下述技术方案实现：一种利用波动鳍推进的水陆两栖机器人，其特征在于，包括机体、驱动臂单元以及波动鳍，所述机体左右两侧各设置有7个驱动臂单元，所述驱动臂单元一端与机体连接另一端与波动鳍连接，所述波动鳍由扇形平面弯曲形成，相邻两个驱动臂单元所连接的波动鳍之间的相位差最大为120度，所述驱动臂单元控制波动鳍进行正弦波动，所述波动鳍与驱动臂单元连接一侧侧端面为内端面，远离驱动臂单元一侧侧端面为外端面，所述内端面与外端面边沿线为正弦线，内端面正弦线的波动幅值小于外端面正弦线的波动幅值，两栖机器人在进行地面运动时，一侧的波动鳍有两个完整的正弦波，保持两侧共4个点接触地面，通过驱动臂单元动作，驱动波动鳍进行运动。

本申请文件主要包括了机体、驱动臂单元以及橡胶制的波动鳍，其机体的设计原则为：其整体结构紧凑，减小机器人的体积；其整体外形呈流线型，减小其在水下运动所受到的流体阻力；机体为具有一定厚度的刚性材质，满足其结构强度的需求。驱动臂单元主要由防水舵机以及连接杆件构成,连接杆件将舵机的运动传递到波动鳍。机器人一侧有7个驱动单元，两侧共14个。波动鳍为具有一定的刚度的橡胶材质制成。波动鳍的运动形式为一种节律型运动，具有周期性，近似于一种正弦波动。波动鳍具有一定的宽度，并且在内端面和外外端面的边沿线都是正弦线，且内侧的正弦线幅值明显小于外侧。这是由于波动鳍是由一个扇形平面弯曲得到的。

进一步地，所述机体包括舱盖和舱体，所述舱盖设置在舱体上方，舱体内安装驱动装置和电气电路。机体主要包括了舱盖以及舱体两部分，采用3D打印技术制作，材料为光敏树脂，这两个部分构成了机器人的外壳，主要的作用是承载机器人的电气电路、驱动装置。

进一步地，所述电器电路包括锂电池模块、无线接收器、舵机驱动板、主控制板、深度传感器、陀螺仪和伺服电机，所述锂电池模块向主控制板和舵机驱动板进行供电，主控制板与舵机驱动板、深度传感器、陀螺仪通过I2C总线进行通信，与无线接收模块通过数字IO口进行通信，主控制板通过舵机驱动板用以驱动驱动臂单元运动。机器人是由遥控器来远程控制机器人的运动的。遥控器将信号发送到机器人的无线接收模块再传送到主控制板上，主控芯片将控制指令发送到驱动装置，驱动机器人两侧的舵机运动，舵机通过连接杆件带动波动鳍进行节律型的振动动作。

进一步地，所述驱动臂单元包括防水舵机和连接杆，连接杆设置在防水舵机上，所述连接杆与波动鳍连接，所述连接杆将防水舵机的运动传递到波动鳍上，带动波动鳍进行动作。机器人在陆地上的运动方向与波动鳍的传播方向，即正弦波的传播方向相同。通过控制其波动鳍的传播方向可以控制机器人前进或者后退，当两侧的波动鳍传播速度不一致时，机器人可以完成转向的动作。当两侧的波动鳍传播方向相反、速度相同时，机器人可以完成原地转向的动作

进一步地，所述波动鳍靠近驱动臂单元一侧端面上设置有若干通孔，螺栓穿过通孔与连接杆连接，通过连接杆带动螺栓后让波动鳍动作。所述波动鳍通过螺栓进行固定，螺栓与连接杆连接，连接杆动作带动波动鳍进行动作。

进一步地，所述波动鳍采用的材料为橡胶，选用的橡胶肖氏硬度在80～90A之间，波动鳍的厚度在3～4mm。

进一步地，所述波动鳍在水下时，其波动幅值大于在地面进行移动时波动鳍的波动幅值，所述驱动臂单元在水下时，两个相邻的驱动单元臂所连接的波动鳍相位差至多为90度。所述驱动臂单元在地面上时，两个相邻的驱动臂单元接的波动鳍相位差为120度。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明一种利用波动鳍推进的水陆两栖机器人，本发明提出的水陆两栖机器人只使用了一种推进形式，使其结构相对简单、控制难度小。而波动鳍本身是水下机器人技术领域的推进技术，因此该机器人在水下运动性能强、能效高。在水下可以实现前进、后退、零度转、向、垂直升沉的多自由度的三维空间运动；在陆地上，本发明采用的具有一定刚度的波动鳍的推进速度和效率都要优于腿足类机器人，而相对于轮式机器人，其通过率更高；

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例一方案结构示意图。

图2为本发明实施例一方案两栖机器人左视图。

图3为本发明实施例二方案结构示意图。

图4为本发明实施例二方案两栖机器人正视图。

图5为本发明波动鳍结构示意图。

图6为本发明系统控制电气电路系统框图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-机体，11-舱盖，12-舱体，2-驱动臂单元，21-防水舵机，22-连接杆，23-通孔，3-波动鳍。

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，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例一

如图1～2所示，本发明一种利用波动鳍推进的水陆两栖机器人，其特征在于，包括机体1、驱动臂单元2以及波动鳍3，所述机体1左右两侧各设置有7个驱动臂单元2，所述驱动臂单元2一端与机体1连接另一端与波动鳍3连接，所述波动鳍3由扇形平面弯曲形成，相邻两个驱动臂单元2所连接的波动鳍3之间的相位差最大为120度，所述驱动臂单元2控制波动鳍3进行正弦波动，所述波动鳍3与驱动臂单元2连接一侧侧端面为内端面，远离驱动臂单元2一侧侧端面为外端面，所述内端面与外端面边沿线为正弦线，内端面正弦线的波动幅值小于外端面正弦线的波动幅值，两栖机器人在进行地面运动时，一侧的波动鳍3有两个波谷，保持4个点接触地面，通过驱动臂单元2动作，驱动波动鳍3进行运动。

在陆地上，机器人由遥控器来远程控制机器人的运动。遥控器将信号发送到机器人的无线接收模块上，再传送到Arduino mega2560主控芯片上，主控芯片将控制指令发送到驱动装置上，驱动机器人两侧的舵机运动，舵机通过连接杆件带动波动鳍进行节律型的振动动作。这里需要说明，波动鳍的动作为一种节律型运动，近似于正弦波波动，在这里，我们将其视为正弦波动以便于分析，不影响其运行机理。波动鳍的中性面指的是内外侧正弦波的0度的位置所在的平面。该机器人在陆地上运动时，通过与波动鳍地面接触的点与地面的摩擦力推动机器人运动，其运动机理与蛇形机器人类似，当波动鳍在如图4所示的状态下进行波动时(中性面平行于地面)，波动鳍与地面的接触点为外侧正弦线的波谷处。为了维持机器人的稳定性，机器人在陆地上运动时，必须保持至少有4个点接触地面，也就是一侧有两个点。这意味着，波动鳍在任意时刻都要有两个波谷，即至少要有两个完整周期的正弦波(720度)。

如图2所示，所述机体1包括舱盖11和舱体12，所述舱盖11设置在舱体12上方，所述驱动臂单元2包括防水舵机21和连接杆22，连接杆22设置在防水舵机21上，所述连接杆22与波动鳍3连接，所述连接杆22将防水舵机21的运动传递到波动鳍3上，带动波动鳍3进行动作。舱体12内安装驱动装置和电气电路。机体主要包括了舱盖以及舱体两部分，采用3D打印技术制作，材料为光敏树脂，这两个分布构成了机器人的外壳，主要的作用是承载机器人的电气电路、驱动装置。

实施例二

如图3～4所示，本实施例在实施例一的基础上进行优化，本申请文件本发明所提出的机器人一侧有7个驱动单元。这种结构下波动鳍的驱动臂单元之间的相位差为120度，总的相位差正好为720度，可以满足这一需求。需要说明，相位差太大，对驱动臂的舵机的负载效应也会增大，还有可能使波动鳍波形无法有效传递，相位太小，则无法提供总相位720度的正弦波波形，本发明在综合分析了各种因素后选择了一侧7个驱动臂单元的组成的驱动结构。机器人在平坦的陆地上的运动方向与波动鳍的传播方向(即正弦波的传播方向)相同。通过控制其波动鳍的传播方向可以控制机器人前进或者后退，当两侧的波动鳍传播速度不一致时，机器人可以完成转向的动作。当两侧的波动鳍传播方向相反、速度相同时，机器人可以完成原地转向的动作。这种模式(中性面平行于地面)适用于柔软或粗糙的地面，如沥青、草地、沙地、雪地等，由于该模式的适用范围比较广，机器人在陆地上时，大多数时候是工作在这种模式下。当波动鳍在如图5所示的状态下进行波动时(中性面垂直于地面)，波动鳍的外侧正弦线与地面完全接触。这种模式可以更好地适应坚固而光滑的地面(例如冰面)。此时的波动鳍不在受到相位的约束(总相位差至少要720度)，并且波动鳍在地面上的运动与蛇形机器人的运动原理完全一致，该状态下，机器人与地面的摩擦力增大，在光滑的地面上运动效率更高。

实施例三

如图6所示，本申请文件在实施例一、二基础上进行优化，所述电器电路包括锂电池模块、无线接收器、舵机驱动板、主控制板、深度传感器、陀螺仪和伺服电机，所述锂电池模块向主控制板和舵机驱动板进行供电，主控制板与舵机驱动板、深度传感器、陀螺仪通过I2C总线进行通信，与无线接收模块通过数字IO口进行通信，主控制板通过舵机驱动板用以驱动驱动臂单元2运动。其电气电路如图3所示(遥控器不属于机器人机载电路，因此未在图中标出)。锂电池电源模块输出6V的舵机驱动电源和5V主控制板电源，主控制板Arduinomega2560与舵机驱动版、深度传感器、陀螺仪传感器通过I2C总线进行通信，与无线接收模块通过数字IO口进行通信。舵机驱动板用以驱动14路舵机运动。

实施例四

如图5所示，本实施例针对上述的波动鳍进行优化改进，所述波动鳍3靠近驱动臂单元2一侧端面上设置有若干通孔23，螺栓穿过通孔23与连接杆22连接，通过连接杆22带动螺栓后让波动鳍3动作。

所述波动鳍3采用的材料为橡胶，选用的橡胶肖氏硬度在80～90A之间，波动鳍3的厚度在3～4mm。

所述波动鳍3在水下时，其波动幅值大于在地面进行移动时波动鳍3的波动幅值，所述驱动臂单元2在水下时，两个相邻的驱动单元臂2所连接的波动鳍3相位差至多为90度。

以上所述的具体实施方式，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方式而已，并不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 (7)

1.一种利用波动鳍推进的水陆两栖机器人，其特征在于，包括机体(1)、驱动臂单元(2)以及波动鳍(3)，所述机体(1)左右两侧各设置有7个驱动臂单元(2)，所述驱动臂单元(2)一端与机体(1)连接，另一端与波动鳍(3)连接，所述波动鳍(3)由扇形平面弯曲形成，相邻两个驱动臂单元(2)所连接的波动鳍(3)之间的相位差最大为120度，所述驱动臂单元(2)控制波动鳍(3)进行正弦波动，所述波动鳍(3)与驱动臂单元(2)连接一侧侧端面为内端面，远离驱动臂单元(2)一侧侧端面为外端面，所述内端面与外端面边沿线为正弦线，内端面正弦线的波动幅值小于外端面正弦线的波动幅值，两栖机器人在进行地面运动时，一侧的波动鳍(3)有两个波谷，保持4个点接触地面，通过驱动臂单元(2)动作，驱动波动鳍(3)进行运动。

2.根据权利要求1所述的一种利用波动鳍推进的水陆两栖机器人，其特征在于，所述机体(1)包括舱盖(11)和舱体(12)，所述舱盖(11)设置在舱体(12)上方，舱体(12)内安装驱动装置和电气电路。

3.根据权利要求2所述的一种利用波动鳍推进的水陆两栖机器人，其特征在于，所述电器电路包括锂电池模块、无线接收器、舵机驱动板、主控制板、深度传感器、陀螺仪和伺服电机，所述锂电池模块向主控制板和舵机驱动板进行供电，主控制板与舵机驱动板、深度传感器、陀螺仪通过I2C总线进行通信，与无线接收模块通过数字IO口进行通信，主控制板通过舵机驱动板用以驱动驱动臂单元(2)运动。

4.根据权利要求1所述的一种利用波动鳍推进的水陆两栖机器人，其特征在于，所述驱动臂单元(2)包括防水舵机(21)和连接杆(22)，连接杆(22)设置在防水舵机(21)上，所述连接杆(22)与波动鳍(3)连接，所述连接杆(22)将防水舵机(21)的运动传递到波动鳍(3)上，带动波动鳍(3)进行动作。

5.根据权利要求4所述的一种利用波动鳍推进的水陆两栖机器人，其特征在于，所述波动鳍(3)靠近驱动臂单元(2)一侧端面上设置有若干通孔(23)，螺栓穿过通孔(23)与连接杆(22)连接，通过连接杆(22)带动螺栓后让波动鳍(3)动作。

6.根据权利要求1所述的一种利用波动鳍推进的水陆两栖机器人，其特征在于，所述波动鳍(3)采用的材料为橡胶，选用的橡胶肖氏硬度在80～90A之间，波动鳍(3)的厚度在3～4mm。

7.根据权利要求1所述的一种利用波动鳍推进的水陆两栖机器人，其特征在于，所述波动鳍(3)在水下时，其波动幅值大于在地面进行移动时波动鳍(3)的波动幅值，驱动臂单元(2)在地面上时，相邻驱动臂单元(2)所连接的波动鳍相位差保持120度；所述驱动臂单元(2)在水下时，两个相邻的驱动单元臂(2)所连接的波动鳍(3)相位差小于120度。