CN110525149B - 一种攻角可变的轮腿式水陆两栖移动型机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种攻角可变的轮腿式水陆两栖移动型机器人，属于机器人结构技术领域。该机器人由运动单元、机身躯干以及动力装置等三大模块构成。其中运动单元作为关键结构，主要由移动机构、轮系、伸缩机构、传动装置等组成。该机器人通过齿轮齿条驱动伸缩机构做往复直线运动，推动“支腿”的撑起与回拢，实现机器人的轮式和步态的相互切换，并在锥齿轮组的传动下，桨叶可以同时旋转任意相同角度，改变机器人运动攻角，实现转向。本发明所提供的机器人可以有效的适应复杂恶劣的水陆两栖环境，实现快速移动，翻越障碍，水下转向等一系列作业要求。

Description

一种攻角可变的轮腿式水陆两栖移动型机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种攻角可变的轮腿式水陆两栖移动型机器人。

背景技术

在目前的研究现状下，很多抢险救灾、考古探险、科研探索等工作领域并不适合人类亲自作业，急切的需要一种可以代替人类安全、高效地完成预期任务的机器人。因此，发明一种可以水陆两栖并适应不同地形地势的移动机器人具有重要的研究意义。

经过大量调查发现，目前的移动机器人在驱动模态，适应性方面大多都非常单一，综合性能较低。而常见的移动机器人大多为轮式、腿式和履带式。但在复杂恶劣的两栖环境中这三类机器人都不同程度上暴露出了很多问题，轮式机器人环境适应性差，容错率非常低，只能适应平滑的路面；腿式机器人结构复杂，速度缓慢，功耗高，稳定性差；而履带式机器人灵活机动性较差，重量较大。而在水中作业时，这三种机器人的移动性能又远远达不到目标要求。

中国专利公开号CN 107902002 A一种组合轮腿式移动机器人，该机器人主要由机身躯干、组合轮腿装置和动力装置组成。具有高速移动性能和有效避障能力。但是其结构过于简单，只能在陆地上进行轮式和腿式移动，无法实现水陆两栖，不具备水下作业功能，同时该机器人并没有具备转向功能，只具备一定的直线移动性能，仍待进一步提高。

中国专利公开号CN 103600631B一种基于偏心桨机构的水陆两栖车轮机构，其偏心桨机构主要由驱动部件、传动部件和轮桨部件构成。能够较好的实现机器人轮态运动和腿态步行的相互切换，对环境具有较好的适应性，但是其结构复杂，传动方式繁琐，控制方法极其复杂，同时该机器人并没有具备水下转向功能，作业范围受到限制，仍待进一步提高。

中国专利公开号CN 109176461 A轮腿式越障机器人，其包括相连接的机架和轮腿机构。轮体装置与轮体转向装置转动连接，机器人可以达到多个自由度的全方位行驶，具有良好的越障性能。但是该机器人在转向控制方法上及其复杂，同时也无法实现水陆两栖，机器人不具备水下作业功能，工作环境受到限制，仍待进一步提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种攻角可变的轮腿式水陆两栖移动型机器人，以解决上述现有技术存在的问题，该机器人结构紧凑，构造简单，综合了轮式、腿式、水下运动三种不同模态对于机器人移动性能的要求，创新型的提出了一种水陆两栖式移动机器人，同时又结合该机器人自身移动的特点，在满足作业要求的基础之上，该机器人有实现了转向功能，大大提高了机器人的整体利用率和环境适应能力。使得机器人能够在复杂多变的陆地环境以及水下环境下完成作业，为搜救、探险和科研等任务提供了一种技术支持。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种攻角可变的轮腿式水陆两栖移动型机器人，包括两组运动单元、机身躯干、两根主轴和三组动力装置，两组运动单元结构相同，三组动力装置包括两个第一动力单元、两个第二动力单元和一个第三动力单元，运动单元、第二动力单元、第一动力单元、第三动力单元、第一动力单元、第二动力单元和动力单元顺次串联设置；两根主轴的两端分别与位于所述第三动力单元同一侧的运动单元和第一动力单元固定连接；第三动力单元和两个第一动力单元设置于所述机身躯干内，三组所述动力装置用于驱动所述运动单元实现轮式或步态模式的移动。

优选的，所述运动单元包括轮系、传动装置、移动机构和伸缩机构，所述轮系包括槽轮、轴座和转动盘，所述传动装置包括锥齿轮组和两个齿轮齿条组，所述移动机构包括桨叶、连杆、铰块、滑动杆和旋转支座，所述伸缩机构包括伸缩盘；

所述轴座固定连接在所述槽轮的中心位置，所述转动盘固定在所述轴座的另一侧，主轴的一端固定在所述轴座上；所述锥齿轮组有一个大锥齿轮和三个相同的小锥齿轮组成，三个小锥齿轮依靠轮齿啮合均布在大锥齿轮的外侧，所述大锥齿轮通过顶丝固定在所述主轴上的轴筒上，各小锥齿轮通过顶丝与所述旋转支座相固定，第三动力单元驱动两个齿轮齿条组运动进而带动所述伸缩盘往复运动；所述槽轮上均布有多个槽位，所述轴座上与多个槽位对应的位置固定连接有所述连杆，所述连杆的另一端通过轴承与所述铰块连接，所述铰块通过塑料轴承与所述滑动杆连接，所述滑动杆的两端与所述桨叶固定，所述桨叶与所述旋转支座相铰接，所述桨叶可容置在所述槽轮上的槽位内。

优选的，所述槽轮上均匀对称布置了多个减重孔，所述转动盘上设置有转动盘压板，且所述转动盘对轮系同步转动；各所述小锥齿轮的连接轴穿过所述转动盘与所述旋转支座固定连接，所述旋转支座固定在所述转动盘上。

优选的，两个齿轮齿条组分别为机体前端的齿轮齿条组和机体后端的齿轮齿条组，齿条通过螺栓连接在伸缩盘上，机体前端的齿轮是连接在所述第三动力单元的推拉轴前端的轴承上，机体后端的齿轮是通过键连接在所述第三动力单元的推拉轴的后端；机体前端的齿轮齿条组是被动驱动，后端的齿轮齿条的动力源于第三动力单元对齿轮的驱动力。

优选的，在所述连杆的辅助下，所述伸缩机构带动所述桨叶自内向外支撑开，贴近外端所述槽轮，每两片桨叶组成的支腿均布在所述槽轮外围，实现机器人从轮式向步态的转换；当所述桨叶自外向内回拢，每片所述桨叶卡住所述槽轮槽位，实现机器人从步态向轮式的转换；当机器人位于步态模态，所述旋转支座在轴承的辅助下可以在所述转动盘内旋转任意角度，作为该机器人第二个运动自由度。

优选的，所述机身躯干包括机架、底盘和适应性尾翼，所述机架包括上板和下板，所述上板上开设有若干通孔，与所述上板连接的所述下板的底部一侧与所述适应性尾翼相接，且所述下板上靠近所述底盘的位置为流线型，所述底盘是所述下板和适应性尾翼的连接过渡构件。

优选的，所述第一动力单元包括旋转盘、谐波减速器、安装板、直流无刷电机和编码器，所述旋转盘和谐波减速器固定连接，谐波减速器的另一侧安装有固定件，所述固定件与安装板通过连接杆连接固定，所述直流无刷电机固定在所述安装板上，所述编码器与所述固定件相固定，连接盘和所述直流无刷电机固定连接，编码盘固定在所述连接盘上。

优选的，所述第二动力单元包括电机盘压板、安装板、直流无刷电机和编码器，电机盘压板和固定件固定连接，固定件和安装板通过连接杆连接，直流无刷电机固定在安装板上，编码器固定设置在所述固定件上，连接盘和直流无刷电机通过带弹簧垫圈内六角螺栓连接，编码盘和连接盘通过内六角圆头螺栓固定。

优选的，所述第三动力单元包括两个安装板、直流无刷电机、编码器和推拉轴，两个安装板通过连接杆连接，压板和两个安装板固定连接，直流无刷电机固定在一侧安装板上，另一侧安装板和编码器通过内六角圆头螺栓连接，连接盘和直流无刷电机通过带弹簧垫圈内六角螺栓连接，编码盘和连接盘通过内六角圆头螺栓固定，推拉轴和连接盘通过内六角螺栓固定连接，锁紧挡圈通过顶丝固定于推拉轴的一端。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本发明的攻角可变的轮腿式水陆两栖移动型机器人，通过齿条带动伸缩机构做往复直线运动，机器人腿部呈现“伞状”的撑起与回拢，实现轮式和腿式的相互切换，构造简单，结构紧凑，能够实现机器人翻越障碍的目标要求，能够适应复杂多变，崎岖不齐的环境，提高作业效率，应用面广泛。

2、将六片桨叶组合成机器人步态迈进时的三条“支腿”，实现机器人在陆地步态迈进运动的同时，也可以水下移动，实现水陆两栖作业，增强机器人的环境适应性，提高运动性能。

3、机器人通过锥齿轮组的传动作用，在腿式模态下，六片桨叶可以同时旋转任意相同角度，左右两组驱动彼此独立，改变机器人运动攻角大小以实现不同方向的转移。此种设计方法简单有效，控制方法简单，传动稳定，能够更好的适应恶劣多变的环境。

4、机器人在机身躯干处做了流线型的设计，以此提高机器人水下作业时的运动效率，减小流体阻力，降低能耗。

5、机器人增添了适应性尾翼，通过转动销与底盘铰接，机器人水下移动时，尾翼跟随水浪波流上下摆动，减小流体阻力的同时对于机器人的移动还具有一定的推进作用，提高了机器人的运动性能。

6、与机器人三种自由度相匹配的动力输出装置，包括转动动力输出，转向动力输出以及伸缩动力输出。采用130V无刷直流电机与编码器和谐波减速器相配合，电机采用外轮转动，可从编码盘处分析出机器人的位姿的相关数据。

7、机身躯干处的机架部分由3D打印而成，一方面保护机器人内部机构部件在恶劣环境下免受损害；另一方面，3D打印材料较轻，加工简单，节约成本，同时又适合水下作业，减低能耗。

8、机器人结构简单，构造紧凑，零部件均设计有减重槽减重孔，大大减轻了机器人自身的重量。

9、使用了大量的连接杆作为过渡，既起到了连接效果，又节约了机器人的装配空间，减轻了机器人整体重量。

10、机器人均采用一系列防水电机以及元器件并结合硅胶等材料进行防水防锈处理，以适应水下作业条件以及复杂恶劣的环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为攻角可变的轮腿式水陆两栖移动型机器人的轮式模态；

图2为攻角可变的轮腿式水陆两栖移动型机器人的步态模态；

图3a、3b和3c分别为机器人轮式模态的三视图；

图4a、4b和4c分别为机器人步态模态的三视图；

图5为机器人转向模态下的三维结构示意图；

图6为机器人运动单元的三维结构示意图；

图7为运动单元的结构剖视图；

图8为轮系部分的三维结构示意图；

图9为移动机构的三维结构示意图；

图10为移动机构的结构剖视图；

图11为伸缩机构的三维结构示意图；

图12a、12b和12c分别为传动装置中锥齿轮组和两个齿轮齿条组的三维结构示意图；

图13为机身躯干的三维结构示意图；

图14为第一动力单元的三维结构示意图；

图15为第一动力单元的结构剖视图；

图16为第二动力单元的三维结构示意图；

图17为第三动力单元的三维结构示意图；

其中，1运动单元；11轮系；111槽轮；112轴座；113转动盘；114转动盘压板；12传动装置；121连杆；122轴承；123防护板；124桨叶；125铰块；126旋转支座；127轴承；128滑动杆；129锁紧螺母；1210塑料轴承；13移动机构；131大锥齿轮；132小锥齿轮；133齿条；134齿轮；14伸缩机构；141伸缩盘；142伸缩盘外压板；143伸缩盘内压板；144轴承；2机身躯干；21上板；22侧板；23底盘；24下板；25适应性尾翼；3动力装置；4连接管；5第一动力单元；51旋转盘；52谐波减速器；53固定件；54直流无刷电机；55连接杆；56安装板；57编码器；58编码盘；59连接盘；6第二动力单元；61电机盘压板；62固定件；63连接杆；64编码器；65直流无刷电机；66安装板；67编码盘；68连接盘；7第三动力单元；71安装板；72编码器；73压板；74连接杆；75直流无刷电机；76安装板；77推拉轴；78锁紧挡圈；79轴承；710编码盘；711连接盘；8轴筒；9锁紧挡圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种攻角可变的轮腿式水陆两栖移动型机器人，以解决上述现有技术存在的问题，该机器人结构紧凑，构造简单，综合了轮式、腿式、水下运动三种不同模态对于机器人移动性能的要求，创新型的提出了一种水陆两栖式移动机器人，同时又结合该机器人自身移动的特点，在满足作业要求的基础之上，该机器人有实现了转向功能，大大提高了机器人的整体利用率和环境适应能力。使得机器人能够在复杂多变的陆地环境以及水下环境下完成作业，为搜救、探险和科研等任务提供了一种技术支持。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种攻角可变的轮腿式水陆两栖移动型机器人，该机器人由运动单1、机身躯干2和动力装置3等组成。

如图1和2，表示出机器人轮式和步态两种运动模态。机器人整体由两组运动单元1、机身躯干2和三组动力装置3构成。两组运动单元1通过四根连接管4由带弹簧垫圈内六角螺栓固定连接。而动力装置3与机身躯干2通过十字孔圆头小螺丝固定连接。

图3为本发明提供的机器人轮式模态下三视图。在轮式模态下，伸缩动力输出装置提供动力，通过齿条拉动伸缩机构14由外向内做直线运动，六片桨叶124组成的三条“支腿”回拢至槽轮111，与槽轮111共同组成“圆轮”，同时转动动力输出装置提供动力，通过主轴带动轮系11的转动，实现机器人的轮式运动。

图4为本发明提供的机器人步态模态下三视图。在步态模态下，伸缩动力输出装置提供动力，通过齿条推动伸缩机构14由内向外做直线运动，六片桨叶124组成的三条“支腿”在槽轮111处撑起，形成机器人的三条“腿”，同时转动动力输出装置提供动力，通过主轴带动“支腿”的步态迈进，实现机器人的步态运动。

图5为本发明提供的机器人转向模态下的三维结构示意图。在转向模态下，转向动力装置1提供动力，在锥齿轮组的传动下，桨叶124在小锥齿轮132的带动下，同时旋转任意相同的角度，改变机器人的运动攻角，实现转向。

运动单元

如图6，本发明提供的机器人运动单元主要由轮系11、移动机构13、伸缩机构14、传动装置12组成。轮系11的轴座112与传动装置12的主轴通过平键连接，同时又铰接与移动机构13的连杆121，轮系11的转动盘113与伸缩机构14通过轴承相互配合，移动机构13的旋转支座126与轮系11的转动盘113通过轴承相互配合，移动机构13的旋转支座126与传动装置12的锥齿轮组通过平键连接。运动单元1是机器人的核心部分，是实现机器人轮式和步态以及水下移动的关键部件，同时也是机器人能够实现水陆两栖，适应复杂多变环境的关键结构技术所在。

如图7，轴筒8和锥齿轮组通过锁紧挡圈9固定。如图8，本发明提供的轮系部分主要由槽轮111、轴座112以及转动盘113组等构成。槽轮111与轴座112通过内六角螺栓连接，转动盘113与转动盘压板114通过十字孔圆头小螺丝连接。轮系11部分是机器人的第一个自由度，为机器人轮式和步态运动提供了移动基础。槽轮111一方面为机器人轮式和腿式的移动提供保护支持，另一方面在由步态转换为轮式时，为机器人“支腿”的回拢提供空间，用于卡住机器人的“支腿”，又与三条“支腿”的外侧面共同组成了机器人的“圆轮”。同时在槽轮111上，做了很多减重孔，更加利于机器人的水下移动。轴座112在连接主轴的同时，也为连杆121单方向的转动提供了装配空间。转动盘组分为转动盘113和转动盘压板114，转动盘113随轮系11同步转动，同时为机器人的移动机构13提供了装配空间，以实现机器人水下移动时攻角的改变。整个轮系部分，结构安排合理可靠，空间利用率非常高。

如图9-10，连杆121与铰块125通过两端轴承122配合，构成一个转动副以实现桨叶124的支撑与回拢。同时连杆121与轮系部分的轴座铰接，实现连杆121的单方向转动。防护板123与桨叶124通过十字孔圆头小螺丝固定连接，桨叶124与旋转支座126铰接构成一个转动副，通过桨叶124旋转任意角度以实现机器人攻角的改变。滑动杆128与铰块125通过塑料轴承1210配合，构成一个移动副。同时，滑动杆128与防护板123通过轴承122配合，两端并由锁紧挡圈129固定。本发明提供的移动机构13主要由桨叶124、防护板123、滑动杆128、轴承122、铰块125、塑料轴承1210、连杆121以及旋转支座126等组成。移动机构13是整个机器人轮腿转换，水陆两栖以及转向移动的关键机构。连杆121通过轴承122与铰块125组成一个转动副，铰块125通过塑料轴承1210与滑动杆128组成一个移动副，桨叶123与旋转支座126组成一个转动副。机器人的轮腿转换是在伸缩机构14的往复推拉下完成。在连杆121的辅助下，伸缩机构14带动桨叶124自内向外支撑开，贴近外端槽轮111，每两片桨叶124组成的“支腿”均布在槽轮111外围，实现机器人从轮式向步态的转换。同样的，当桨叶124自外向内回拢，每片桨叶124卡住槽轮111槽位，实现机器人从步态向轮式的转换。当机器人位于步态模态，旋转支座126在轴承的辅助下可以在转动盘113内旋转任意角度，作为该机器人第二个运动自由度，由此改变运动攻角大小，实现机器人的转向功能。同时，该机器人设计了防护板123以增强“支腿”的稳定性与有效性。相比较传统的轮腿式机器人，该设计方法使机器人在满足轮腿转换的基础之上，又可以实现水陆两栖，转向移动等目标。同时又极大的简化了机械结构，装配更加紧凑简单，可靠性更高。

如图11，伸缩机构14主要与传动装置12的齿条固定配合，做往复直线运动以实现机器人的轮式腿式模态的相互切换。伸缩盘141与伸缩盘内压板142以及伸缩盘外压板143通过十字孔圆头小螺丝固定连接。伸缩机构14是该机器人的第三个运动自由度，在齿轮齿条的带动下，伸缩盘141往复运动，为机器人轮腿切换提供动力，同时伸缩机构14对于轮系11和移动机构13又相对独立，不参与转动为机器人轮式和步态的移动提供了支撑。

如图12，本发明提供的传动装置主要由主轴、锥齿轮组以及齿轮齿条构成，三种传动形式分别由三种动力装置所驱动，齿条133通过带弹簧垫圈内六角螺栓固定于伸缩盘141。其中a锥齿轮组由一个大锥齿轮131和三个相同的小锥齿轮132组合而成，三个小锥齿轮132依靠轮齿啮合均布在大锥齿轮131的外侧，大锥齿轮131作为主动轮通过顶丝固定在轴筒8上，小锥齿轮132作为被动轮通过顶丝固定在旋转支座126。两个齿轮齿条组皆由一个齿轮133和两个齿条134构成，齿轮134通过轮齿啮合位于两个齿条133的中间位置，齿条133通过带弹簧垫圈内六角螺栓固定于伸缩盘141。

主轴为机器人整体的移动传递动力。锥齿轮组实现机器人水下转向功能，齿轮齿条为伸缩机构14传递动力，推动伸缩盘141做往复直线运动，实现机器人的轮腿切换。

机身躯干

如图13，机身躯干2为机器人提供装配空间，又可为机器人在运动作业过程中提供一定的安全防护支持。上板21、侧板22、底盘23及下板24彼此均通过带弹簧垫圈的内六角螺栓固定连接，底盘23和适应性尾翼25通过转动销铰接，以此实现尾翼的上下摆动，提高机器人在陆地及水下运动作业时的稳定性，较低能耗，提高工作效率。机身躯干2是机器人的骨架。为机器人自身零部件提供装配空间的同时也为其移动，避障等作业行为提供安全保护。特别地，机器人躯干部分的流线型设计也最大程度上为机器人在水下作业时减小流体阻力。

底盘23是连接下板24和适应性尾翼25的过渡构件。适应性尾翼25，通过增减重量块，为机器人陆地移动，越障时增强其整体的稳定性与有效性，防止机器人侧翻，同时尾翼部分又为机器人电气元件等设备提供空间。特别地，在水下作业时，适应性尾翼25可跟随水流的波动，自适应的上下摆动，为机器人节约了动力消耗，提高了驱动效率，增强了了机器人的稳定性与移动性能。侧板22，为机器人水陆环境下两侧的冲击提供了安全防护支持。

动力装置

如图14-15，为第一动力单元的组成图，旋转盘51和谐波减速器52通过十字孔夹紧小螺丝连接，谐波减速器52和固定件53通过带垫圈十字孔圆头小螺丝和U型螺帽连接，固定件53和安装板56通过连接杆55和带垫圈十字孔圆头小螺丝连接，直流无刷电机54和安装板56通过带垫圈十字孔圆头小螺丝连接，固定件53和编码器57通过内六角圆头螺栓连接，连接盘59和直流无刷电机54通过带弹簧垫圈内六角螺栓连接，编码盘58和连接盘59通过内六角圆头螺栓固定。

直流无刷电机54转动，带动连接盘59转动(由于直流无刷电机54中间中空，没有电机轴，由外表面带动连接盘59，即连接盘59是通过螺栓固定在电机的前端表面，因为是靠前端表面转动而非电机轴)，连接盘59前侧固定在谐波减速器52的输入轴，通过驱动作用力的传递，谐波减速器52的输出端最终带动旋转盘51的转动。

如图16，为第二动力单元的组成图，电机盘压板61和固定件62通过十字孔圆头小螺丝固定连接，固定件62和安装板66通过连接杆63和带垫圈十字孔圆头小螺丝连接，直流无刷电机65和安装板66通过带垫圈十字孔圆头小螺丝连接，固定件62和编码器64通过内六角圆头螺栓连接，连接盘68和直流无刷电机65通过带弹簧垫圈内六角螺栓连接，编码盘67和连接盘68通过内六角圆头螺栓固定。直流无刷电机65转动，带动连接盘68转动，连接盘68前侧通过顶丝固定于轴筒8，从而驱动大锥齿轮131的转动。

如图17，为第三动力单元的组成图，安装板71和安装板76通过连接杆74和带垫圈十字孔圆头小螺丝连接，压板73和安装板71及安装板76通过内六角螺栓固定连接，直流无刷电机75和安装板76通过带垫圈十字孔圆头小螺丝连接，安装板71和编码器72通过内六角圆头螺栓连接，连接盘78和直流无刷电机75通过带弹簧垫圈内六角螺栓连接，编码器77和连接盘78通过内六角圆头螺栓固定。直流无刷电机75转动，带动连接盘711转动，连接盘711前侧通过键连接机体后端的齿轮齿条组的齿轮，为其提供驱动力。

本发明提供的动力装置主要有转动动力输出，转向动力输出以及伸缩动力输出三部分。三类动力输出根据装配空间以及驱动构件的不同均采用了不同的设计和安装形式，使机器人整体结构简单紧凑，空间利用率高，在满足动力要求基础之上最大程度上减小机器人尺寸大小。转动动力输出通过主轴为机器人在轮式以及腿式模态下的整体移动提供动力支持。转向动力输出通过锥齿轮组的传动为机器人桨叶124攻角的改变提供动力支持，其中转向动力输出通过软件控制使其既可作为机器人整体运动的从动件跟随转动又可作为机器人改变方向的主动件。伸缩动力输出通过齿轮齿条为机器人轮式腿式模态的切换提供动力支持。

本发明提供的动力装置主要由谐波减速器52、编码器和直流无刷电机组成。谐波减速器52输出端为目标机构提供所需要的运动速度，编码器是作为分析机器人运动姿态和位置的有效元件。为最大程度减小运动单元所占的空间大小，采用了直流无刷电机，有效的解决了动力装置的装配和空间占用率等难题，提高了机器人运动的稳定性。

本实施例中的水陆两栖移动型机器人的基本参数见表1

表1机器人基本参数

针对现有的各形态机器人的不足之处，并结合陆地水中不同环境对于机器人移动性能的要求，本发明的攻角可变的轮腿式两栖移动型机器人。相比较传统的移动型两栖机器人，本发明具有以下几处优势：

1)轮式模态下：伸缩机构14在齿轮齿条的拉动下向内收缩，使得桨叶124能够完全缩回槽轮111中。每一个运动单元的六片桨叶124外廓与槽轮111共同组成一个“圆形”车轮，两组运动单元分别由两组驱动系统提供动力，使得机器人在平稳的地形地势下完成轮式运动。在轮式模态下，机器人可以获得一个较高的运动速度，高效稳定的实现移动要求。

2)步态模态下：伸缩机构14在齿轮齿条的推动下向外扩张，使得桨叶124能够在槽轮111中完全撑起。每一个运动单元的六片桨叶124形成了三条“支腿”，同样的，两组运动单元分别由两组驱动系统提供动力，使得机器人在复杂多变的地形地势下完成腿式运动。相比较轮式运动，在步态模态下，机器人可以更好的攀越台阶，克服高低起伏的障碍物，提高了机器人自身的环境适应能力。

3)水中环境下：为了能够使机器人满足水下运动的目标要求，针对水下环境的移动要求，和陆地移动相结合，在机器人步态模态下，六片桨叶124组成了三条“支腿”，“支腿”可以满足机器人路面步态运动的移动要求，而桨叶124本身也可以帮助机器人更稳定高效的实现水下移动。

4)水下转向：当机器人在水下模态下，在锥齿轮组的传动下，每一组运动单元的六片桨叶124可以同时旋转任意相同角度，从而改变运动攻角。而两组运动单元1的锥齿轮组彼此相互独立，使得机器人可以在水下环境中，实现不同方向不同位置的转移。使得机器人在水下的移动具有更高的适应性与可操作性，也为机器人后续的环境识别能力提供了一定的技术基础。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种攻角可变的轮腿式水陆两栖移动型机器人，其特征在于：包括两组运动单元、机身躯干、两根主轴和三组动力装置，两组运动单元结构相同，三组动力装置包括两个第一动力单元、两个第二动力单元和一个第三动力单元，运动单元、第二动力单元、第一动力单元、第三动力单元、第一动力单元、第二动力单元和动力单元顺次串联设置；两根主轴的两端分别与位于所述第三动力单元同一侧的运动单元和第一动力单元固定连接；第三动力单元和两个第一动力单元设置于所述机身躯干内，三组所述动力装置用于驱动所述运动单元实现轮式或步态模式的移动；

所述运动单元包括轮系、传动装置、移动机构和伸缩机构，所述轮系包括槽轮、轴座和转动盘，所述传动装置包括锥齿轮组和两个齿轮齿条组，所述移动机构包括桨叶、连杆、铰块、滑动杆和旋转支座，所述伸缩机构包括伸缩盘；

所述轴座固定连接在所述槽轮的中心位置，所述转动盘固定在所述轴座的另一侧，主轴的一端固定在所述轴座上；所述锥齿轮组有一个大锥齿轮和三个相同的小锥齿轮组成，三个小锥齿轮依靠轮齿啮合均布在大锥齿轮的外侧，所述大锥齿轮通过顶丝固定在所述主轴上的轴筒上，各小锥齿轮通过顶丝与所述旋转支座相固定，第三动力单元驱动两个齿轮齿条组运动进而带动所述伸缩盘往复运动；所述槽轮上均布有多个槽位，所述轴座上与多个槽位对应的位置固定连接有所述连杆，所述连杆的另一端通过轴承与所述铰块连接，所述铰块通过塑料轴承与所述滑动杆连接，所述滑动杆的两端与所述桨叶固定，所述桨叶与所述旋转支座相铰接，所述桨叶可容置在所述槽轮上的槽位内。

2.根据权利要求1所述的攻角可变的轮腿式水陆两栖移动型机器人，其特征在于：所述槽轮上均匀对称布置了多个减重孔，所述转动盘上设置有转动盘压板，且所述转动盘对轮系同步转动；各所述小锥齿轮的连接轴穿过所述转动盘与所述旋转支座固定连接，所述旋转支座固定在所述转动盘上。

3.根据权利要求1所述的攻角可变的轮腿式水陆两栖移动型机器人，其特征在于：两个齿轮齿条组分别为机体前端的齿轮齿条组和机体后端的齿轮齿条组，齿条通过螺栓连接在伸缩盘上，机体前端的齿轮是连接在所述第三动力单元的推拉轴前端的轴承上，机体后端的齿轮是通过键连接在所述第三动力单元的推拉轴的后端；机体前端的齿轮齿条组是被动驱动，后端的齿轮齿条的动力源于第三动力单元对齿轮的驱动力。

4.根据权利要求1所述的攻角可变的轮腿式水陆两栖移动型机器人，其特征在于：在所述连杆的辅助下，所述伸缩机构带动所述桨叶自内向外支撑开，贴近外端所述槽轮，每两片桨叶组成的支腿均布在所述槽轮外围，实现机器人从轮式向步态的转换；当所述桨叶自外向内回拢，每片所述桨叶卡住所述槽轮槽位，实现机器人从步态向轮式的转换；当机器人位于步态模态，所述旋转支座在轴承的辅助下可以在所述转动盘内旋转任意角度，作为该机器人第二个运动自由度。

5.根据权利要求1所述的攻角可变的轮腿式水陆两栖移动型机器人，其特征在于：所述机身躯干包括机架、底盘和适应性尾翼，所述机架包括上板和下板，所述上板上开设有若干通孔，与所述上板连接的所述下板的底部一侧与所述适应性尾翼相接，且所述下板上靠近所述底盘的位置为流线型，所述底盘是所述下板和适应性尾翼的连接过渡构件。

6.根据权利要求1所述的攻角可变的轮腿式水陆两栖移动型机器人，其特征在于：所述第一动力单元包括旋转盘、谐波减速器、安装板、直流无刷电机和编码器，所述旋转盘和谐波减速器固定连接，谐波减速器的另一侧安装有固定件，所述固定件与安装板通过连接杆连接固定，所述直流无刷电机固定在所述安装板上，所述编码器与所述固定件相固定，连接盘和所述直流无刷电机固定连接，编码盘固定在所述连接盘上。

7.根据权利要求1所述的攻角可变的轮腿式水陆两栖移动型机器人，其特征在于：所述第二动力单元包括电机盘压板、安装板、直流无刷电机和编码器，电机盘压板和固定件固定连接，固定件和安装板通过连接杆连接，直流无刷电机固定在安装板上，编码器固定设置在所述固定件上，连接盘和直流无刷电机通过带弹簧垫圈内六角螺栓连接，编码盘和连接盘通过内六角圆头螺栓固定。

8.根据权利要求1所述的攻角可变的轮腿式水陆两栖移动型机器人，其特征在于：所述第三动力单元包括两个安装板、直流无刷电机、编码器和推拉轴，两个安装板通过连接杆连接，压板和两个安装板固定连接，直流无刷电机固定在一侧安装板上，另一侧安装板和编码器通过内六角圆头螺栓连接，连接盘和直流无刷电机通过带弹簧垫圈内六角螺栓连接，编码盘和连接盘通过内六角圆头螺栓固定，推拉轴和连接盘通过内六角螺栓固定连接，锁紧挡圈通过顶丝固定于推拉轴的一端。

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