CN111251797A - 一种两栖机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两栖机器人，包括躯体框架、步行足单元、游泳足单元、浮力舱和电子舱；步行足单元包括三对六条且呈放射状连接在躯体框架上的步行足；游泳足单元包括成对设置于躯体框架尾端的游泳足；浮力舱设置于躯体框架的下部，通过抽排水以实现两栖机器人的上浮或下沉；电子舱内的控制模块根据接收到的指令和传感器模块提供的两栖机器人运行姿态及其所属的水陆环境信息控制步行足单元、游泳足单元的运动姿态、以及浮力舱的抽排水动作。在水中，有两种驱动方式为两栖机器人提供前进动力，其一是通过游泳足单元摆动实现；另一种是通过浮力舱的浮力调节配合步行足的前后摆动改变两栖机器人的重心以实现两栖机器人低耗能的长距离滑翔迁移。

Description

一种两栖机器人

技术领域

本发明涉及两栖机器人技术领域，具体涉及一种两栖机器人。

背景技术

哈尔滨工程大学王立权教授课题组成功研制了若干代两栖仿生机械蟹样机，并对多足机器人步态控制机理进行深入研究，探讨了机器人间协同配合作业的可能性。该型机械蟹以中华绒螯蟹为仿生对象，八条步行足协调配合保证了其在陆地上运动灵活性；特制的“防水外衣”保证了其水密特性，可实现水中作业。此外，该课题组还成功研制了以梭子蟹为原型的足桨耦合驱动仿生海蟹机器人，并实现了水下行走和水中浮游的双重功能。

随着海洋战略地位和研究价值的上升，机器人逐渐被应用于海洋探索。目前国内外研究的水下机器人运动方式主要包括浮游和爬行，但均局限于浅水和深水海域，对于海洋与陆地衔接的极浅水、碎浪带、拍岸浪区和滩涂地带，其作业能力差强人意；陆地应用的机器人更是束手无策。

北京理工大学郭书祥教授于2015年研制了一种多功能两栖生物型子母机器人。该机器人由IPMC智能材料制成，母机器人为球形，通过腿式步行机构与矢量喷水驱动相结合的方式实现水陆两栖运动。子机器人通过IPMC制成的八条爪和IPMC驱动的游泳足实现两栖运动。此外，子机器人还可通过电解IPMC爪产生的气泡实现水中上浮运动。该机器人具有多种运动模式且采用智能材料制成，具有极强的参考价值。但其体积小，续航能力差，难以投入实际应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种两栖机器人将水下滑翔机与多足海蟹、鱼的不同运动模式有机结合，通过结构优化重组和算法优化，重点解决目前两栖机器人多运动模式下效率低，作业范围有限的问题，丰富近海海洋资源探测与开发的手段，为我国海洋经济发展提供技术支撑。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种两栖机器人，包括：躯体框架和安装在所述躯体框架上的步行足单元、游泳足单元、浮力舱、控制模块和传感器模块；

所述步行足单元包括至少分为三对且呈放射状连接在所述躯体框架上的步行足，每对所述步行足均对称布置在所述躯体框架的两侧；

所述游泳足单元包括成对设置于所述躯体框架尾端的游泳足；

所述浮力舱设置于所述躯体框架的下部，通过抽排水以实现两栖机器人的上浮或下沉；

所述传感器模块用于检测所述两栖机器人的运行姿态及其所属的水陆环境信息；

所述控制模块用于根据所述传感器模块提供的所述两栖机器人的运行姿态及其所属的水陆环境信息控制所述步行足单元和所述游泳足单元的运动姿态、以及所述浮力舱的抽排水动作；

在陆地，所述控制模块控制多个所述步行足运动姿态的变化以实现所述两栖机器人的陆地爬行；在水中，所述控制模块控制所述游泳足单元摆动为所述两栖机器人提供前行动力、并通过控制所述浮力舱调节所述两栖机器人的上浮或下沉同时控制多个所述步行足的前后摆动来调节所述两栖机器人的重心偏置，以实现所述两栖机器人的水中滑翔。

进一步地，所述步行足为由仿蟹基节段、中节段、尾节段三段肢体和将这三段两两链接在一起的髋关节、膝关节、踝关节三个关节共同组成的三自由度串联式结构；其中，所述躯体框架通过髋关节与所述基节段链接，所述基节段和所述中节段通过膝关节链接，所述中节段和所述尾节段通过踝关节链接。

进一步地，所述步行足包括：

与所述躯体框架相连的基节段支架；

安装在所述基节段支架上用于驱动所述步行足左右摆动的髋关节驱动电机；

与所述髋关节驱动电机输出端相连的十字型支架；

安装在所述十字型支架上用于驱动所述步行足上下运动的膝关节驱动电机；

与所述膝关节驱动电机输出端相连的中节段支架；

安装在所述中节段支架上的踝关节驱动电机；以及，

由所述踝关节驱动电机驱动运动以实现所述步行足横移运动的尾节段支架。

进一步地，所述游泳足包括：

安装在所述躯体框架尾部的游泳足驱动电机；

由所述游泳足驱动电机驱动做左右摆动的驱动电机架；以及，

安装在所述驱动电机架上随所述驱动电机架运动摆动以在水中对所述两栖机器人产生推力的尾鳍。

进一步地，所述尾鳍呈片状。

进一步地，所述浮力舱包括：

内部具有蓄水空间的舱体；

连接在所述舱体前端的前连接端盖和连接在所述舱体尾端的后连接端盖；

连接在所述后连接端盖外侧的平端盖，所述平端盖上设有贯通所述舱体内部空间和外界之间的开孔。

进一步地，所述前连接端盖和所述舱体之间、所述后连接端盖和所述舱体之间均垫设有防水密封结构。

进一步地，所述舱体内安装有齿轮泵、柔性水囊、吸水流量计、吸水电磁阀、排水流量计和排水电磁阀；所述柔性水囊固接在所述舱体内表面上；所述齿轮泵的一端和柔性水囊通过水管相连，另一端连接电磁阀；电磁阀通过三通接头分为进水和出水两条水路；进水水路上设有单向阀、吸水流量计；出水水路上设有单向阀和排水流量计；进出水两条水路再通过三通接头和外界水体相通的水管上。

进一步地，所述躯体框架的上部安装有内部密封的防水电子舱，所述控制模块安装在所述防水电子舱内；所述传感器模块包括安装在防水电子舱内的IMU传感模块、视觉模块和测距模块和安装在所述浮力舱外的用于检测所述两栖机器人在水中的深度的水压传感器；所述IMU传感模块用于检测所述两栖机器人的三轴姿态角信息以及加速度信息，所述视觉模块用于检测水下环境的图形信息，所述测距模块用于检测水下环境中的障碍物距离信息。

进一步地，所述控制模块包括系统控制模块、驱动电机控制模块、电压转换模块和浮力调节控制模块；所述系统控制模块用于控制两栖机器人内部的各路信号的实时处理和运算，实现两栖机器人与外界的通讯；所述驱动电机控制模块用于将所述系统控制模块的运动指令转换为PWM波以控制六条步行足的运动，实现两栖机器人的爬行；所述电压转换模块用于将电池输出的电压转换为传感器模块和设备所需的电压；所述浮力调节控制模块用于控制浮力箱中电磁阀的启闭、齿轮泵的正反转和获取流量计的计量数据信息，实现两栖机器人在水中滑翔运动。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的两栖机器人，在陆地上，通过控制模块控制多个步行足运动姿态的变化可以实现两栖机器人的陆地爬行；在水中，控制模块通过控制游泳足单元摆动为两栖机器人提供前行动力、并通过控制浮力舱以调节两栖机器人的上浮或下沉及同时控制多个步行足的前后摆动来调节两栖机器人的重心偏置，以实现两栖机器人的水中滑翔；这种两栖机器人具备陆地和水底爬行、水下滑翔等运动模式，在面对复杂的地形(如滩涂地、沙地)有较好的通过性；而且在水下可以依靠浮力调节和重心调节实现低耗能的长距离滑翔迁移；这种利用两栖机器人的三对步行足作为重心调节结构来调整两栖机器人滑翔姿态的方式，既节约了传统水下滑翔机原有的重心调节机构，又可以减低机构的复杂度以减轻重量。

2.本发明提供的两栖机器人，采用模块化、紧凑性的布置，在不影响两栖机器人具备功能前提下充分利用空间，保证结构设计的小型化、多模块化、功能多样化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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1－1为本发明实施例提供的两栖机器人的整体结构布局图；

图2－1为本发明实施例提供的两栖机器人顶部防水电子舱的俯视图；

图2－2为本发明实施例提供的两栖机器人顶部防水电子舱的侧视图；

图2－3为本发明实施例提供的两栖机器人顶部防水电子舱上密封接头的示意图；

图2－4为本发明实施例提供的两栖机器人的单个步行足的模型图；

图2－5为本发明实施例提供的两栖机器人的游泳足的模型图；

图2－6为本发明实施例提供的两栖机器人的浮力舱的模型图；

图2－7为本发明实施例提供的两栖机器人的浮力调节系统的工作原理图；

图2－8为本发明实施例提供的两栖机器人的浮力舱的内部结构布局图；

图3－1为本发明实施例提供的两栖机器人的三角步态中前进运动步态规划图；

图3－2为本发明实施例提供的两栖机器人的三角步态中横移运动步态规划图；

图3－3为本发明实施例提供的两栖机器人的三角步态中定点转弯(逆时针)运动步态规划图；

图3－4为本发明实施例提供的两栖机器人在高姿态、中姿态和低姿态下的站立图；

图3－5为本发明实施例提供的两栖机器人在翻转姿态下的站立图；

图3－6为本发明实施例提供的两栖机器人的滑翔姿态切换图。

附图标记说明：1、上安装板；2、防水电子舱；3、游泳足；4、步行足；5、下安装板；6、浮力舱；7、防水接头；71、密封螺栓；72、热缩管；73、电缆；74、树脂；8、驱动电机控制模块；9、系统控制模块；10、电压转换模块；11、传感器模块；12、12V电池；13、分隔板；14、浮力调节控制模块；15、电源开关；16、降压模块；17、十字型支架；18、髋关节驱动电机；19、基节段支架；20、膝关节驱动电机；21、中节段支架；22、踝关节驱动电机；23、尾节段支架；24、缓冲胶垫；25、游泳足驱动电机；26、驱动电机架；27、尾鳍；28、半圆罩；29、压紧端盖；30、前连接端盖；31、舱体；32、后连接端盖；33、平端盖；34、压紧弹性垫圈；35、O形圈；36、第一底座；37、第二底座；38、齿轮泵；39、柔性水囊；40、三通接头；41、吸水流量计；42、电磁阀；43、单向阀；44、排水流量计；45、水管；46、紧固铜柱；47、半圆箍；48、水压传感器；49、穿线螺丝；50、穿线螺丝灌胶。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1－1所示的一种两栖机器人，包括躯体框架、步行足单元、游泳足单元、浮力舱6和防水电子舱2。其中，躯体框架为框架结构，其上下两端分别设有上安装板1和下安装板5，防水电子舱2安装在上安装板1的上方，浮力舱6安装在下安装板5的下方，步行足单元的驱动电机架安装在上安装板1和下安装板5上开设有可供步行足单元的驱动电机架安装的底孔。具体的，上安装板1和下安装板5均采用具有良好的力学性能的高强度轻质材料制成，如铝合金、碳纤维等。

进一步的，防水电子舱2的内部放置有用于检测两栖机器人的运行姿态及其所属的水陆环境信息的传感器模块11和用于控制两栖机器人运行的控制模块。浮力舱6呈圆柱状，并通过两个半圆箍47固定在下安装板5上。浮力舱6内放置有用于实现水下滑翔的浮力调节设备，并通过电缆与防水电子舱2中控制模块的电路板通讯连接。浮力舱6内的浮力调节设备可以自主抽排水以改变两栖机器人重力的大小，从而实现上浮和下潜，再配合步行足单元的前后摆动调节重心，最终实现两栖机器人的远距离滑翔。

在本实施例中，步行足单元包括三对六条且呈放射状连接在躯体框架上的步行足4，每对步行足4均对称布置在躯体框架的两侧。每条步行足4上配置有三台电机，用以驱动两栖机器人在陆地和海底爬行。游泳足单元包括成对设置于躯体框架尾端左右两侧的游泳足3，每条游泳足3由一台电机驱动以实现水中浮游。

为满足在水下作业的要求，本发明的两栖机器人所用驱动电机均为防水驱动电机。驱动电机通过总成电缆穿过躯体框架连接在防水电子舱2的防水接头7上，并和防水电子舱2内的控制模块相互连接。

本发明实施例提供的两栖机器人，在陆地上，通过控制模块控制多个步行足4运动姿态的变化可以实现两栖机器人的陆地爬行；在水中，控制模块通过控制游泳足单元摆动为两栖机器人提供前行动力、并通过控制浮力舱6以调节两栖机器人的上浮或下沉以及同时控制多个步行足4的前后摆动来调节两栖机器人的重心偏置，以实现两栖机器人的水中滑翔；这种两栖机器人具备陆地和水底爬行、水下滑翔等运动模式，在面对复杂的地形(如滩涂地、沙地)有较好的通过性；而且在水下可以依靠浮力调节和重心调节实现低耗能的长距离滑翔迁移；这种利用两栖机器人的三对步行足4作为重心调节结构来调整两栖机器人滑翔姿态的方式，既节约了传统水下滑翔机原有的重心调节机构，又可以减低机构的复杂度以减轻重量。

在本实施例中，防水电子舱2的内部结构如图2－1、图2－2所示，防水电子舱2的内部空间由分隔板13分为上下两层，分隔板13通过铜柱与防水电子舱2的底部连接并悬空支撑。防水电子舱2的上层安装有驱动电机控制模块8、电压转换模块10以及浮力调节控制模块14；防水电子舱2的下层安装有系统控制模块9、传感器模块11、12V电池12、降压模块16。防水电子舱2的左右两侧壁上各装配有三个防水接头7，用于各个步行足4驱动电机和驱动电机控制模块8的电路板的连接；防水电子舱2的尾部还装配有用于和躯体框架下方浮力舱6的防水接头7。防水电子舱2上设置有一个外置的防水电源开关15，用于控制防水电子舱2内部电路的启闭。

具体的，系统控制模块9搭载有开发板运行着两栖机器人控制系统，控制两栖机器人内部的各路信号的实时处理和运算，实现两栖机器人与外界的通讯。驱动电机控制模块8用于将系统控制模块9的运动指令转换为PWM波以控制六条步行足4的运动，实现两栖机器人的爬行。电压转换模块10用于将电池输出的电压转换为各种传感器和设备所需的电压。浮力调节控制模块14用于控制浮力调节系统中电磁阀的启闭、齿轮泵的正反转和获取流量计的计量数据信息，实现两栖机器人在水中滑翔运动。传感器模块11包括IMU传感模块、视觉模块和测距模块；其中，IMU模块，又称惯性测量单元，通常指由三个加速度计和三个陀螺仪组成的组合单元，加速度计和陀螺仪安装在互相垂直的测量轴上，用于测量两栖机器人的三轴姿态角以及加速度，以修正两栖机器人的运动姿态；视觉模块为系统控制模块9提供水下环境的图形信息，测距模块为两栖机器人水下避障提供信息。

这种防水电子舱2的内部采用模块化、紧凑性的布置，在不影响两栖机器人具备功能前提下充分利用空间，保证两栖机器人整体结构设计的小型化、多模块化、功能多样化。

在本实施例中，防水电子舱2的盒体和盒盖的连接处采用密封圈密封。防水电子舱2与各个驱动电机和浮力舱6通过总成电缆73连接盒体外壁的防水接头7，并与防水电子舱2内控制模块的电路板相互连接。防水接头7示意图如图2－3所示，电缆73穿过密封螺栓71，在密封螺栓末端和电缆73上套上一层热缩管72包裹后，加热收缩加固。再将配好的树脂74灌入充实密封螺栓71内部，填充缝隙。这种防水接头7的防水密封性能好，可以有效防止外部水分的渗入，有利于两栖机器人在水中的长时间运行。

在本实施例中，步行足4为由仿蟹基节段、中节段、尾节段三段肢体和将这三段两两链接在一起的髋关节、膝关节、踝关节三个关节共同组成的三自由度串联式结构；其中，躯体框架通过髋关节与所述基节段链接，基节段和中节段通过膝关节链接，中节段和尾节段通过踝关节链接。这种设计的优点是结构简单、控制方便，同时具备串联机构工作空间范围大且运动比较灵活等特点。

具体的，单个步行足4的具体结构模型如图2－4所示，步行足4包括：与躯体框架相连的基节段支架19；安装在基节段支架19上用于驱动步行足4左右摆动的髋关节驱动电机18；与髋关节驱动电机18输出端相连的十字型支架17；安装在十字型支架17上用于驱动步行足4上下运动的膝关节驱动电机20；与膝关节驱动电机20输出端相连的中节段支架21；安装在中节段支架21上的踝关节驱动电机22；以及，由踝关节驱动电机22驱动运动以实现步行足4横移运动的尾节段支架23。每个驱动电机都通过其上的固定孔与与驱动电机架螺栓连接固定，驱动电机上的法兰与下一节驱动电机架也通过螺栓连接。进一步的，为了缓冲爬行时的震动以及增加抓地力，在步行足4的末端安装有缓冲胶垫24。两栖机器人在陆地和水底爬行时，六条步行足4按照三角步态实现在陆地上移动。

在本实施例中，单个游泳足3的具体结构模型如图2－5所示，包括：安装在躯体框架尾部的游泳足驱动电机25；由游泳足驱动电机25驱动做左右摆动的驱动电机架26；以及，安装在驱动电机架26上随驱动电机架26运动摆动以在水中对两栖机器人产生推力的尾鳍27。优选的，尾鳍27呈片状，且自与驱动电机架26相连的根部到其尾末端由厚到薄平滑过渡。尾鳍27的结构设计摒弃了传统两栖机器人游泳足3仿梭子蟹的多关节结构，采用仿生鱼的尾鳍27的结构设计，凭借单自由度片状摆动的游泳足3，片状尾鳍27从根部到尾末端由厚到薄平滑过渡，可以增加游泳足3摆动时的柔性，从而提高其推进效率。两栖机器人在浮游时，双游泳足3并行排列，采用同频率同相位反向摆动步态，由此形成尾涡产生瞬时推力，推动两栖机器人的前进。

在本实施例中，浮力舱6的整体结构如图2－6所示，浮力舱6采用流线型的圆柱形密封外壳设计。浮力舱6包括：内部具有蓄水空间的舱体31；连接在舱体31前端的前连接端盖30和连接在舱体31尾端的后连接端盖32；连接在后连接端盖32外侧的平端盖33，平端盖33上设有贯通舱体31内部空间和外界之间的开孔；以及，通过压紧端盖29连接在前连接端盖30外侧的半圆罩28。压紧端盖29和前连接端盖30通过螺栓固定连接，且两者之间垫设有压紧弹性垫圈34，实现半圆罩28与舱体31的连接和防水。前连接端盖30和后连接端盖32通过挤压的方式和舱体31连接，其结合部位各加两层O形圈35作为填料进行密封，以提高密封效果。平端盖33表面开孔目的为了浮力舱6内部水体与外界水体的交换，以及上层防水电子舱2内的控制模块与浮力舱6内电子元件的接线需要。

具体的，浮力舱6的舱体31内设置有浮力调节系统，浮力调节系统在舱体31内的整体摆放示意图如图2－8所示，舱体31为圆柱状的舱体31，舱体31内设有供浮力调节系统的相关设备在其上安装的第一底座36和第二底座37，浮力调节系统包括齿轮泵38、吸水流量计41、电磁阀42、单向阀43和排水流量计44。由于舱体31的内表面为曲面，不方便第一底座36和第二底座37在其上安装，第一底座36连接在前连接在前连接端盖30端面的孔位上，第二底座37连接在后连接端盖32的孔位上，第一底座36和第二底座37设有孔位与电子器件配合，齿轮泵38通过螺丝连接在第一底座36上。舱体31的内表面通过双面胶固接固定有经过表面处理过的柔性水囊39。由于电磁阀和流量计均具有单向性，因此浮力调节系统的出水口和进水口设计为分开的两条水路。浮力调节系统的工作原理图如图2－7所示，齿轮泵38的一端和柔性水囊39通过水管45相连，另一端连接电磁阀42。电磁阀42通过三通接头40分为进水和出水两条水路。进水水路上设有单向阀43、吸水流量计41；出水水路上设有单向阀43和排水流量计44。进出水两条水路再通过三通接头40和外界水体相通的水管45上，以实现内外水体的流入流出。具体的，水管45的内外密封是由穿线螺丝灌胶50实现的，浮力舱6内部电子器件通过穿线螺丝灌胶50与防水电子舱2内的控制电路板进行线路连接。

另外，浮力舱6的外壁安装有水压传感器48，通过水压传感器48传回的数据可以测出两栖机器人在水中的深度，以便对两栖机器人的浮力进行控制。为了保证舱体31的气密性和水密性，压紧端盖29和平端盖33之间通过螺栓连接有四根紧固铜柱46，以保证两端盖轴向位移保持不变。另外，压紧端盖29和平端盖33上设有与两个半圆箍47配合的孔位，方便浮力舱6与躯体框架的装配。

在本实施例中，两栖机器人在陆地和水底爬行时，六条步行足4按照典型的三角步态实现在陆地上移动。两栖机器人六条步行足4对称布置在机体的两侧，每侧三条，为了描述方便，以与地面接触时的步行足4为支撑足，离开地面时的步行足4为摆动足，其中，L1、L3、R2号步行足4为一组，R1、R3、L2号步行足4为另一组，运动过程中始终保持至少有一组中的三条步行足4接触地面，以保持稳定支撑，并移动机体，同时另一组三条步行足4抬起，摆动到下一个支撑位置，如此交替运行。运动步态规划具体分为前进、横移和定点转弯三种运动，如图3－1、图3－2和图3－3所示，上述三张图中的长方形表示两栖机器人的机体，实心圆点表示此刻该步行足4为支撑足，空心圆点表示此刻该步行足4为摆动足。

图3－1是两栖机器人三角步态的前进运动步态规划图。

(a)两栖机器人处于初始状态，此时六条步行足均为支撑足。

(b)L1、L3、R2号步行足为支撑足，R1、R3、L2号步行足为摆动足。支撑足在各自的关节电机的驱动下带动机体向前进方向摆动，摆动足抬起后，在各自的关节电机的驱动下向前摆动。

(c)R1、R3、L2号步行足为支撑足，L1、L3、R2号步行足为摆动足。支撑足在各自的关节电机的驱动下带动机体向前进方向摆动，摆动足抬起后，在各自的关节电机的驱动下向前摆动。

(d)L1、L3、R2号步行足为支撑足，R1、R3、L2号步行足为摆动足。支撑足支撑机体，摆动足抬起后，在各自的关节电机的驱动下向前摆动，使两栖机器人回到初始状态。

图3－2是两栖机器人三角步态的横移运动步态规划图。

(a)两栖机器人处于初始状态，此时六条步行足均为支撑足；

(b)L1、L3、R2号步行足为支撑足，R1、R3、L2号步行足为摆动足。支撑足在各自的关节电机的驱动下带动机体向侧面移动；摆动足抬起后，在各自的关节电机的驱动下向侧面摆动。

(c)R1、R3、L2号步行足4为支撑足，L1、L3、R2号步行足为摆动足。支撑足在各自的关节电机的驱动下带动机体向侧面移动；摆动足抬起后，在各自的关节电机的驱动下向侧面摆动。

(d)L1、L3、R2号步行足为支撑足，R1、R3、L2号步行足为摆动足。支撑足支撑机体，摆动足抬起后，在各自的关节电机的驱动下向侧面摆动，使两栖机器人回到初始状态。

图3－3是两栖机器人三角步态的定点转弯运动规划图，定点转弯运动时步态规划与前进运动时类似；以下以逆时针转弯为例进行说明。

(a)两栖机器人处于初始状态，此时六条步行足均为支撑足。

(b)L1、L3、R2号步行足为支撑足，R1、R3、L2号步行足为摆动足。支撑足在各自的关节电机的驱动下带动机体逆时针旋转，摆动足在各自的关节电机的驱动下朝着转弯方向(逆时针)摆动。

(c)R1、R3、L2号步行足为支撑足，L1、L3、R2号步行足为摆动足。支撑足在各自的关节电机的驱动下带动机体逆时针旋转，摆动足在各自的关节电机的驱动下朝着转弯方向(逆时针)摆动。

(d)L1、L3、R2号步行足为支撑足，R1、R3、L2号步行足为摆动足。支撑足支撑机体，摆动足在各自的关节电机的驱动下朝着转弯方向(逆时针)摆动，使两栖机器人回到初始状态。

本发明的两栖机器人在上述的这三种运动步态基础上，为满足不同地形地貌行走要求，设计了高中低三种姿态，具体如图3－4所示。

当两栖机器人行走过程中遇突发事件造成倾翻，无法正常行走时，本设计通过算法将膝关节和踝关节的驱动电机角度均作调整，从而可以继续控制两栖机器人倒立行走，具体如图3－5所示。

航行器在水下滑翔时的运动机理如下：水下滑翔的驱动系统通过调节航行器浮力和重心，能将航行器的浮力转换为前进驱动力，从而降低能耗，实现了长距离水下远程迁移。因此本发明实施例提供的两栖机器人要实现水下滑翔，必须具备以下三个组件，其一是浮力调节系统，能够任意控制两栖机器人上浮和下潜；其二是重心调节系统，控制两栖机器人俯仰姿态；其三还需要一个滑翔翼，为两栖机器人提供向前的推动力和运动速度。

本发明实施例中，利用底部浮力舱6的浮力调节系统改变重力，利用两栖机器人的三对步行足的前后摆动来调节机体重心的偏置并充当滑翔翼，从而有效的完成了两栖机器人的水下滑翔。

在滑翔时，两栖机器人的滑翔迁移可分为漂浮状态、下潜状态、悬停状态和上浮状态。以下是四个状态的详细介绍。

(1)漂浮状态：两栖机器人的浮力舱6内的柔性水囊39没有储水，机体大部分没入水中，漂浮在水面上。此状态的两栖机器人的移动主要依靠尾鳍27的摆动产生推力。

(2)悬浮状态：两栖机器人的浮力舱6内的柔性水囊39有一定的储水量，机体全部没入水中，此时浮力与重力相等。此状态的两栖机器人的移动主要依靠尾鳍27的摆动产生推力。

(3)下潜状态：两栖机器人的浮力舱6的浮力调节系统将机体外的水通过齿轮泵38吸入浮力舱6内的柔性水囊39中，机体重力开始大于浮力。两栖机器人的六根步行足4同时摆向头部位置，使机体重心前移，机体保持头部朝下姿态开始下潜。同时作用在步行足表面的水平分力与重力一起，推动两栖机械人向下、向前滑行。

(4)上浮状态：两栖机器人的浮力舱6的浮力调节系统将浮力舱6内的柔性水囊39中的水通过齿轮泵38排出机体外。机体重力小于浮力，两栖机器人的六根步行足4同时摆向尾部位置，使机体重心后移，机体保持头部朝上姿态开始上浮。两栖机器人在铅垂面上保持一定的角度朝斜上方滑翔前进。

各状态两栖机器人的姿态、浮力调节系统工作情况以及步行足4动作如表3－1所示，其中中间矩形为两栖机器人的主躯体，左右分列的六个长矩形为六条步行足4。

表3－1两栖机器人水中运动状态表

在采用滑翔方式时，两栖机器人通过不断切换下潜状态和上浮状态，在水中呈锯齿状曲线前进，其示意图如图3－6所示。

综上所述，本发明实施例提供的两栖机器人，将六足两栖机器人与水下滑翔机结合在一起，在陆地上依靠六足实现行走，在水中依靠两个游泳足3实现游动或通过改变浮力配合重力调节实现低能耗远程迁移，兼具陆地和水底爬行、水下滑翔等多种运动模式，在面对复杂的地形(如滩涂地、沙地)有较好的通过性；而且，水下滑翔模式摒弃了传统电机加丝杆驱动滑块的重心调节方式，创造性的利用机械蟹已有三对步行足的摆动巧妙调节重心，既减少了机构的复杂性、节约了舱内有效空间，又降低了重量、减少了能耗。因此可以在水底长时间作业，具有作业范围广，环境适应能力强，运动模式多样，既能在近海航行，又可坐底或在滩涂作业的优点。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种两栖机器人，其特征在于，包括：躯体框架和安装在所述躯体框架上的步行足单元、游泳足单元、浮力舱(6)、控制模块和传感器模块；

所述步行足单元包括至少分为三对且呈放射状连接在所述躯体框架上的步行足(4)，每对所述步行足(4)均对称布置在所述躯体框架的两侧；

所述游泳足单元包括成对设置于所述躯体框架尾端的游泳足(3)；所述浮力舱(6)设置于所述躯体框架的下部，通过抽排水以实现两栖机器人的上浮或下沉；

所述传感器模块用于检测所述两栖机器人的运行姿态及其所属的水陆环境信息；

所述控制模块用于根据所述传感器模块提供的所述两栖机器人的运行姿态及其所属的水陆环境信息控制所述步行足单元和所述游泳足单元的运动姿态、以及所述浮力舱(6)的抽排水动作；

在陆地，所述控制模块控制多个所述步行足(4)运动姿态的变化以实现所述两栖机器人的陆地爬行；在水中，所述控制模块控制所述游泳足单元摆动为所述两栖机器人提供前行动力、并通过控制所述浮力舱(6)调节所述两栖机器人的上浮或下沉同时控制多个所述步行足(4)的前后摆动来调节所述两栖机器人的重心偏置，以实现所述两栖机器人的水中滑翔。

2.根据权利要求1所述的两栖机器人，其特征在于，所述步行足(4)为由仿蟹基节段、中节段、尾节段三段肢体和将这三段两两链接在一起的髋关节、膝关节、踝关节三个关节共同组成的三自由度串联式结构；其中，所述躯体框架通过髋关节与所述基节段链接，所述基节段和所述中节段通过膝关节链接，所述中节段和所述尾节段通过踝关节链接。

3.根据权利要求2所述的两栖机器人，其特征在于，所述步行足(4)包括：

与所述躯体框架相连的基节段支架(19)；

安装在所述基节段支架(19)上用于驱动所述步行足(4)左右摆动的髋关节驱动电机(18)；

与所述髋关节驱动电机(18)输出端相连的十字型支架(17)；

安装在所述十字型支架(17)上用于驱动所述步行足(4)上下运动的膝关节驱动电机(20)；

与所述膝关节驱动电机(20)输出端相连的中节段支架(21)；

安装在所述中节段支架(21)上的踝关节驱动电机(22)；以及，

由所述踝关节驱动电机(22)驱动运动以实现所述步行足(4)横移运动的尾节段支架(23)。

4.根据权利要求1－3中任意一项所述的两栖机器人，其特征在于，所述游泳足(3)包括：

安装在所述躯体框架尾部的游泳足驱动电机(25)；

由所述游泳足驱动电机(25)驱动做左右摆动的驱动电机架(26)；以及，

安装在所述驱动电机架(26)上随所述驱动电机架(26)运动摆动以在水中对所述两栖机器人产生推力的尾鳍(27)。

5.根据权利要求4所述的两栖机器人，其特征在于，所述尾鳍(27)呈片状。

6.根据权利要求1－3中任意一项所述的两栖机器人，其特征在于，所述浮力舱(6)包括：

内部具有蓄水空间的舱体(31)；

连接在所述舱体(31)前端的前连接端盖(30)和连接在所述舱体(31)尾端的后连接端盖(32)；

连接在所述后连接端盖(32)外侧的平端盖(33)，所述平端盖(33)上设有贯通所述舱体(31)内部空间和外界之间的开孔。

7.根据权利要求6所述的两栖机器人，其特征在于，所述前连接端盖(30)和所述舱体(31)之间、所述后连接端盖(32)和所述舱体(31)之间均垫设有防水密封结构。

8.根据权利要求6所述的两栖机器人，其特征在于，所述舱体(31)内安装有齿轮泵(38)、柔性水囊(39)、吸水流量计(41)、电磁阀(42)、单向阀(43)和排水流量计(44)；所述柔性水囊(39)固接在所述舱体(31)内表面上；所述齿轮泵(38)的一端和柔性水囊(39)通过水管(45)相连，另一端连接电磁阀(42)；电磁阀(42)通过三通接头(40)分为进水和出水两条水路；进水水路上设有单向阀(43)、吸水流量计(41)；出水水路上设有单向阀(43)和排水流量计(44)；进出水两条水路再通过三通接头(40)和外界水体相通的水管(45)上。

9.根据权利要求1－3中任意一项所述的两栖机器人，其特征在于，所述躯体框架的上部安装有内部密封的防水电子舱(2)，所述控制模块安装在所述防水电子舱(2)内；所述传感器模块(11)包括安装在防水电子舱(2)内的IMU传感模块、视觉模块和测距模块和安装在所述浮力舱(6)外的用于检测所述两栖机器人在水中的深度的水压传感器(48)；所述IMU传感模块用于检测所述两栖机器人的三轴姿态角信息以及加速度信息，所述视觉模块用于检测水下环境的图形信息，所述测距模块用于检测水下环境中的障碍物距离信息。

10.根据权利要求1－3中任意一项所述的两栖机器人，其特征在于，所述控制模块包括系统控制模块(9)、驱动电机控制模块(8)、电压转换模块(10)和浮力调节控制模块(14)；所述系统控制模块(9)用于控制两栖机器人内部的各路信号的实时处理和运算，实现两栖机器人与外界的通讯；所述驱动电机控制模块(8)用于将所述系统控制模块(9)的运动指令转换为PWM波以控制六条步行足(4)的运动，实现两栖机器人的爬行；所述电压转换模块(10)用于将电池输出的电压转换为传感器模块和设备所需的电压；所述浮力调节控制模块(14)用于控制浮力箱中电磁阀的启闭、齿轮泵(38)的正反转和获取流量计的计量数据信息，实现两栖机器人在水中滑翔运动。

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