CN110341405B - 一种仿蛇怪蜥蜴水陆两栖行走机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿蛇怪蜥蜴水陆两栖行走机器人，包括机器人本体，机器人本体的一端设有电机，电机的输出轴通过链轮轴连接有链轮，机器人本体的另一端设有转向尾巴；机器人本体上还装有足式履带机构，足式履带机构与链轮连接，且足式履带机构与导向机构配合。该机器人模仿蛇怪蜥蜴水陆两栖行走模式，脚掌快速踩踏水面行走，以履带形式在陆地上行走，机器人本体两侧可以为滑翔翼结构，辅助机器人从岸上滑翔入水，机器人脚掌可采用吸盘‑爪刺复合粘附结构，辅助机器人从水面上攀爬上岸。

Description

一种仿蛇怪蜥蜴水陆两栖行走机器人

技术领域

本发明属于工程仿生学和机械设计制造技术领域，具体涉及一种仿蛇怪蜥蜴水陆两栖行走机器人。

背景技术

水陆两栖机器人具有较强环境适应能力，作业范围广泛，可以充当侦察操作、救援系统、通讯系统的载体，在灾难搜救、军事侦察、湿地探测、水质勘测等领域具有广阔的应用前景。

在适应自然界的进化和生存过程中，各种动物演化形成了与其生存环境相应的形态结构和运动结构。通过对蛇怪蜥蜴的观察，蛇怪蜥蜴在自身质量、奔跑速度和脚掌形状等因素的相互作用和协调下，能够在水面上快速奔跑。蛇怪蜥蜴在水面上奔跑时主要为拍水、扑水和恢复三个阶段。在这些阶段中，蛇怪蜥蜴产生足够的力，使其能够在水面上运动的同时保持身体直立。因此国内外研究者将蛇怪蜥蜴作为水陆两栖机器人的理想仿生对象，对蛇怪蜥蜴水上行走的运动机理展开研究，在仿蜥蜴机器人方面取得很大的进展。

中国专利(仿生蜥蜴水陆两栖机器人，申请号：201310177688.6，申请日：2013-05-14，授权公告号：CN 103318287 B，授权公告日：2016-06-01)，该机器人腿部采用曲柄摇杆机构，其足部拍击水面产生动力，最终实现在水面上行走。但是连杆结构运动姿态不稳定，拍击水面不连续且机器人一侧的足部拍击水面时容易对机器人产生倾覆力，容易发生侧翻。

发明内容

本发明的目的是提出一种仿蛇怪蜥蜴水陆两栖行走机器人，该机器人模仿蜥蜴腿部运动拍击水面过程提出足式履带机构，脚掌连续拍击水面产生托举力和推进力实现水面行走；机器人通过履带行走机构实现地面行走。

本发明所采用的技术方案是，一种仿蛇怪蜥蜴水陆两栖行走机器人，包括机器人本体，机器人本体的一端设有电机，电机的输出轴通过链轮轴连接有链轮，机器人本体的另一端设有转向尾巴；机器人本体上还装有足式履带机构，足式履带机构与链轮连接，且足式履带机构与导向机构配合。

本发明的特点还在于，

导向机构包括平行设置在机器人本体上的导轨支架A和导轨支架B，导轨支架A和导轨支架B正对的一侧分别设有环形的导向轨道A，导轨支架A和导轨支架B背离的一侧分别设有环形的导向轨道B，导向轨道A和导向轨道B对足式履带机构上的足式模块具有导向作用。

足式履带机构包括六个平行设置的足式模块，每个足式模块包括脚掌支架，脚掌支架的两端下侧分别对称设有脚掌，脚掌支架的中部设有支座A，支座A与链条连接，支座A的相对两侧分别对称设有支座B，支座B内穿插有转销B，转销B的一端穿套在支座B内，转账B的另一端伸出支座B用于与导向轨道B配合，两个支座B上的转销B相对设置。

链条包括滚子，每两个滚子为一组，相邻两组滚子之间设置一个足式模块，每个滚子与每个足式模块上的支座A内均穿插有转销A，且滚子和支座A均位于转销A的中部；滚子和支座A的外部设有内链板，内链板通过转销A连接每相邻的两个滚子和支座A；内链板的外侧设有外链板，外链板通过转销A连接每相邻的两个内链板，链轮与链条构成链传动，由电机通过链传动驱动足式模块运转。

转销A与转销B平行设置；转销A的两端分别与两个导向轨道A配合，两个转销B的自由端端部分别对应与两个导向轨道B配合，导向轨道A和导向轨道B分别对转销A和转销B具有导向作用。

脚掌为吸盘结构，且脚掌与各种表面接触的一侧设有若干爪刺，使脚掌形成了吸盘-爪刺复合粘附结构，从而使机器人具有陡峭壁面攀爬功能，能够从水中攀爬上岸。

机器人脚掌涂抹超疏水材料。

机器人本体的相对两侧分别安装滑翔翼结构，利用滑翔翼，机器人可以通过奔跑从陡峭的壁面以滑翔的姿态入水。

机器人转向尾巴包括尾轮，尾轮通过转轴与转向支架相连，转向支架与机器人本体相连，机器人本体上设有舵机，舵机与转向支架之间通过皮带连接，通过舵机控制机器人的转向运动。

本发明的有益效果如下：

(1)相比足式机构，本发明中的履带式机构可以通过电机驱动实现连续拍打，拍击过程提供稳定托举力和推进力，不易发生侧翻，行走平稳且行走速度快；

(2)相比连杆机构，本发明中的双轨道结构更容易实现复杂的运动轨迹和姿态，并且结构简单；

(3)机器人脚掌可采用吸盘-爪刺复合粘附结构，辅助机器人从水面上攀爬上岸；

(4)机器人本体两侧可以为滑翔翼结构，辅助机器人从岸上滑翔入水；

(5)机器人尾部设置有转向机构，舵机驱动转向机构，使机器人在水上和地面上行走时可以灵活转向；

(6)适用于灾难搜救、湿地探测、军事侦察等复杂任务环境。

附图说明

图1是本发明一种仿蛇怪蜥蜴水陆两栖行走机器人的结构示意图；

图2是本发明一种仿蛇怪蜥蜴水陆两栖行走机器人的机器人本体内外轨道及传动系统的结构示意图；

图3是本发明一种仿蛇怪蜥蜴水陆两栖行走机器人的链传动系统结构示意图；

图4是本发明一种仿蛇怪蜥蜴水陆两栖行走机器人的单个足部结构示意图；

图5是本发明一种仿蛇怪蜥蜴水陆两栖行走机器人的带有爪刺的单个足部结构示意图；

图6是本发明一种仿蛇怪蜥蜴水陆两栖行走机器人的转向尾巴结构示意图；

图7是本发明一种仿蛇怪蜥蜴水陆两栖行走机器人的滑翔翼结构示意图；

图8是本发明一种仿蛇怪蜥蜴水陆两栖行走机器人由陆地奔跑滑翔到水面的过程示意图；

图9是本发明一种仿蛇怪蜥蜴水陆两栖行走机器人由水面攀爬到陆地过程示意图。

图中，1.机器人本体；

2.足式履带机构，2-1.脚掌支架，2-2.脚掌，2-3.支座A，2-4.支座B，2-5.转销A，2-6.转销B，2-7.内链板，2-8.外链板，2-9.滚子，2-10.爪刺；

3.舵机，4.舵机输出盘，5.皮带；

6.转向尾巴，6-1.转向支架，6-2.尾轮，6-3.螺母A，6-4.转轴，6-5.螺母B，6-6.端帽；

7.链轮，8.链轮轴，9.轴承，10.电机，11.导轨支架A，12.导轨支架B，13.导向轨道A，14.导向轨道B，15.滑翔翼。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种仿蛇怪蜥蜴水陆两栖行走机器人，如图1、2所示，包括机器人本体1，机器人本体1的一端设有电机10，电机10的输出轴通过链轮轴8连接有链轮7，链轮轴8端部设有轴承9；轴承9对链轮轴8起支撑作用，轴承9对链轮7起限位作用，机器人本体1的另一端设有转向尾巴6；机器人本体1上还装有足式履带机构2，足式履带机构2与链轮7连接。

机器人本体1上平行设有导轨支架A11和导轨支架B12，导轨支架A11和导轨支架B12正对的一侧分别设有环形的导向轨道A13，导轨支架A11和导轨支架B12背离的一侧分别设有环形的导向轨道B14，导向轨道A13和导向轨道B14对足式履带机构2上的足式模块具有导向作用。

如图3～5所示，足式履带机构2包括六个平行设置的足式模块，每个足式模块包括脚掌支架2-1，脚掌支架2-1的两端下侧分别对称设有脚掌2-2，脚掌2-2可以采用吸盘的结构来增加攀爬功能，脚掌2-2表面可以涂抹有超疏水材料(例如特氟龙)，机器人拍击水面时脚掌2-2的上方形成空腔，另外表面涂抹的超疏水材料使可以在脚掌2-2与水接触时增大水的表面张力。进而提高脚掌2-2拍击水面产生的托举力和减少脚掌2-2离开水面时的阻力；

脚掌2-2与各种表面接触的一侧也可安装有若干爪刺2-10，爪刺2-10与吸盘状的脚掌2-2形成吸盘-爪刺复合粘附结构，可用于攀爬粗糙壁面；脚掌2-2的材质可以采用高性能尼龙3D打印成型，或者采用硅胶吸盘，使用硅胶吸盘时可以实现光滑表面爬行。脚掌支架2-1的中部设有支座A2-3，支座A2-3与链条连接，支座A2-3的相对两侧分别对称设有支座B2-4，支座B2-4内穿插有转销B2-6，转销B2-6的一端穿套在支座B2-4内，转销B2-6的另一端伸出支座B2-4用于与导向轨道B14配合，两个支座B2-4上的转销B2-6相对设置。足式模块由链传动驱动。

链传动包括链条，链条包括滚子2-9、转销A2-5、内链板2-7和外链板2-8，每两个滚子2-9为一组，相邻两组滚子2-9之间设置一个足式模块，每个滚子2-9与每个足式模块上的支座A2-3内均穿插有转销A2-5，且滚子2-9和支座A2-3均位于转销A2-5的中部；滚子2-9和支座A2-3的外部设有内链板2-7，内链板2-7通过转销A2-5连接每相邻的两个滚子2-9和支座A2-3；内链板2-7的外侧设有外链板2-8，外链板2-8通过转销A2-5连接每相邻的两个内链板2-7。链轮7与链条构成链传动，由电机10通过链传动驱动足式模块运转。

转销A2-5与转销B2-6平行设置；转销A2-5的两端分别与两个导向轨道A13配合，两个转销B2-6的自由端端部分别与两个导向轨道B14配合，导向轨道A13和导向轨道B14分别对导向轨道A13和转销B2-6具有导向作用，进而使得脚掌足以预定的轨迹和姿态进行运动；合适的导向轨道A13和导向轨道B14使得脚掌2-2可以以平行于水面的姿态踩踏水面产生空气腔提供向上的托举力，以竖直姿态离开水面，减小出水阻力。

如图6所示，转向尾巴6包括转向支架6-1，转向支架6-1上设有转轴6-4，转轴6-4的两端分别同轴套接有尾轮6-2，转轴6-4为T字形结构，,即转轴6-4的一端自带端帽，转轴6-4的另一端通过螺母B6-5固定；尾轮6-2的内部为空腔，目的是为了减少重量。尾轮6-2的相背两外侧分别设有一个端帽6-6，端帽6-6可以使得尾轮6-2形成密闭空间，更好地漂浮在水面上；尾轮6-2的外表面为多层薄壁结构，在转向时借助水的推力实现转向功能；转向支架6-1通过螺旋副与机器人本体1相连，这里使用螺母A6-3套在转向支架6-1顶部的螺栓上防止转向支架6-1脱离机器人本体1，转向支架6-1通过皮带5与舵机3的舵机输出盘4相连，皮带5与转向支架6-1、舵机输出盘4之间采用紧配合的方式传动。

如图7所示，可以在机器人本体1的相对两侧分别安装滑翔翼15，通过滑翔翼15，如图8所示，机器人可以通过奔跑从陡峭的壁面以滑翔的姿态入水。

如图9所示，机器人足部可以采用吸盘-爪刺复合粘附结构，遇到垂直壁面或其他形式壁面时，可以从水面行走转向爪刺粘附粗糙表面或吸盘吸附光滑表面，进而实现两栖行走的功能。

本发明一种仿蛇怪蜥蜴水陆两栖行走机器人的运动过程为：机器人本体1上的导向轨道A13和导向轨道B14对足式履带机构2具有导向作用，电机10通过链轮轴8带动链轮7转动，转销A2-5的两端和转销B2-6的两端分别沿导向轨道A13和导向轨道B14滑动，导向轨道A13和导向轨道B14的导向作用下，足式模块能够按预先设定的轨迹和姿态运动，使得脚掌2-2先以水平姿态拍击水面，继而向后划水推进，最后以竖直姿态脱离水面。

本发明一种仿蛇怪蜥蜴水陆两栖行走机器人在陆地上以履带推进方式实现陆地行走功能，脚掌2-2可以采用吸盘-爪刺复合粘附结构，辅助机器人从水面上攀爬上岸。

本发明一种仿蛇怪蜥蜴水陆两栖行走机器人的机器人本体侧面安装的滑翔翼15可以使得机器人从岸上能够滑翔入水。在需要转向时，舵机3启动，通过舵机输出盘4带动皮带5向转向尾巴6传递动力，实现转向功能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种仿蛇怪蜥蜴水陆两栖行走机器人，其特征在于：包括机器人本体，机器人本体的一端设有电机，电机的输出轴通过链轮轴连接有链轮，机器人本体的另一端设有转向尾巴；机器人本体上还装有足式履带机构，足式履带机构与链轮连接，且足式履带机构与导向机构配合；

所述导向机构包括平行设置在机器人本体上的导轨支架A和导轨支架B，导轨支架A和导轨支架B正对的一侧分别设有环形的导向轨道A，导轨支架A和导轨支架B背离的一侧分别设有环形的导向轨道B，导向轨道A和导向轨道B对足式履带机构上的足式模块具有导向作用；合适的导向轨道A和导向轨道B使得脚掌可以以平行于水面的姿态踩踏水面产生空气腔提供向上的托举力，以竖直姿态离开水面，减小出水阻力；

所述足式履带机构包括六个平行设置的足式模块，每个足式模块包括脚掌支架，脚掌支架的两端下侧分别对称设有脚掌，脚掌支架的中部设有支座A，支座A与链条连接，支座A的相对两侧分别对称设有支座B，支座B内穿插有转销B，转销B的一端穿套在支座B内，转销B的另一端伸出支座B用于与导向轨道B配合，两个支座B上的转销B相对设置；

所述链条包括滚子，每两个滚子为一组，相邻两组滚子之间设置一个足式模块，每个滚子与每个足式模块上的支座A内均穿插有转销A，且滚子和支座A均位于转销A的中部；滚子和支座A的外部设有内链板，内链板通过转销A连接每相邻的两个滚子和支座A；内链板的外侧设有外链板，外链板通过转销A连接每相邻的两个内链板，链轮与链条构成链传动，由电机通过链传动驱动足式模块运转；

所述转销A与转销B平行设置；转销A的两端分别与两个导向轨道A配合，两个转销B的自由端端部分别对应与两个导向轨道B配合，导向轨道A和导向轨道B分别对转销A和转销B具有导向作用；

所述脚掌为吸盘结构，有利于攀爬，且脚掌与各种表面接触的一侧设有若干爪刺，使脚掌形成了吸盘-爪刺复合粘附结构，从而使机器人具有陡峭壁面攀爬功能，能够从水中攀爬上岸；

所述脚掌表面涂抹有超疏水材料；

所述转向尾巴包括尾轮，尾轮内部是中空密封的，尾轮外表面为多层薄壁结构，尾轮通过转轴与转向支架相连，转向支架与机器人本体相连，机器人本体上设有舵机，舵机与转向支架之间通过皮带连接，通过舵机控制机器人的转向运动；

所述机器人本体的相对两侧分别安装滑翔翼，利用滑翔翼，机器人可以通过奔跑从陡峭的壁面以滑翔的姿态入水。

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