CN111959210B - 一种水陆两栖仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水陆两栖仿生机器人，包括多个波动鳍和多个依次连接构成条形躯体的摆动模块，相邻两个摆动模块之间通过万向连接机构相连，各摆动模块包括基板、安装于基板上的摆动件以及用于驱使摆动件往复摆动的摆动组件，水陆两栖仿生机器人还包括用于驱动各摆动组件工作的摆动驱动装置和用于驱使条形躯体弯曲转向的转向驱动装置，多个波动鳍环绕条形躯体间隔布置，每个波动鳍均与各摆动模块的摆动件相连。该水陆两栖仿生机器人具有环境适应性好、运动稳定性高、两栖运动性能好等优点。

Description

一种水陆两栖仿生机器人

技术领域

本发明涉及两栖机器人技术领域，具体涉及一种水陆两栖仿生机器人。

背景技术

随着海洋资源的逐渐开发和周边军事战略的需求，需要能够适应复杂作业环境和任务需求的水陆两栖机器人，来执行人类无法完成的近海域多种作战任务和探测任务，因此研制既能适应陆地和近海滩涂的多变地形，又能适应复杂水下环境的两栖机器人具有重要的使用价值和现实意义。

现有的水陆两栖机器人基于仿生学的方法设计了多种结构型式，例如仿蟑螂、仿龙虾、仿螃蟹、仿蛇、仿章鱼等等。仿蟑螂结构机器人在实现水陆环境运动时，需要更换驱动机构，降低了机器人的实用性；仿龙虾或仿螃蟹结构机器人能够同时适应水陆环境，但其结构较为复杂，水下运动与地面行走效率较低，受到设计结构的影响其稳定性和行走速度很不理想；仿蛇机器人通过弯曲躯体关节使其在陆地和水下均具有一定的运动能力，但其较复杂的关节结构使其运动过程中所需能耗较高；仿章鱼机器人利用柔性躯体的结构特性，能够适应多种复杂环境，但其陆地行走效率较低。美国Pliant公司研制了一种Velox两栖机器人，具备较好的水陆环境适应性和隐身特性，且可以单兵携带，但其仍然存在转向困难、机动性较差等问题。

综上所述，目前应用的水陆两栖机器人普遍机动性能差、转向困难，结构柔韧性较差、水陆行走速度较低，对于适应水陆两栖复杂环境的运动与行进具有一定的缺陷。因此设计一款能够适应陆地与水下环境且具有较好运动性能的水陆两栖机器人，已经成为一项亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种环境适应性好、运动稳定性高、两栖运动性能好的水陆两栖仿生机器人。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种水陆两栖仿生机器人，包括多个波动鳍和多个依次连接构成条形躯体的摆动模块，相邻两个摆动模块之间通过万向连接机构相连，各摆动模块包括基板、以摆动方式安装在基板上的摆动件以及安装在基板上用于驱使所述摆动件往复摆动的摆动组件，所述水陆两栖仿生机器人还包括用于驱动各摆动组件工作的摆动驱动装置和用于驱使条形躯体弯曲转向的转向驱动装置，多个波动鳍环绕条形躯体间隔布置，每个波动鳍均与各摆动模块的摆动件相连。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述摆动组件为共轭凸轮机构，所述共轭凸轮机构包括两个驱动凸轮和分别铰接安装在基板两侧的两根摆杆，两个驱动凸轮转动安装在基板上并分别对应与两根摆杆接触配合，所述摆动驱动装置与两个驱动凸轮相连以驱使两个驱动凸轮同步转动，所述摆动件与两根所述摆杆固接。

所述摆杆与对应驱动凸轮接触的配合面为弧面。

相邻两个摆动模块的驱动凸轮通过联动机构相连以同步转动，以任意一个摆动模块作为驱动安装模块，所述摆动驱动装置包括安装在所述驱动安装模块的基板上的摆动旋转驱动件，所述摆动旋转驱动件的驱动端与驱动安装模块的驱动凸轮相连。

所述驱动安装模块为条形躯体一端的摆动模块，所述摆动旋转驱动件密封安装在位于条形躯体端部的密封罩中。

所述联动机构为连接相邻两个摆动模块的驱动凸轮的万向连接轴。

所述万向连接机构包括中间连接件、第一连接件和第二连接件，所述第一连接件连接于相邻两个摆动模块中一个摆动模块的基板上，所述第二连接件连接于相邻两个摆动模块中另一个摆动模块的基板上，所述第一连接件和第二连接件分别与所述中间连接件铰接，且所述第一连接件的铰接轴线垂直于所述第二连接件的铰接轴线。

所述中间连接件为环形件，所述第一连接件包括两根间隔的第一连接杆，两根第一连接杆绕同一铰接轴线分别与环形件铰接，所述第二连接件包括两根间隔的第二连接杆，两根第二连接杆绕同一铰接轴线分别与环形件铰接，两根第一连接杆的铰接轴线垂直于两根第二连接杆的铰接轴线。

以所述条形躯体一端的摆动模块作为头部模块，另一端的摆动模块作为尾部模块，所述转向驱动装置包括安装在头部模块的基板上的转向安装座，所述转向安装座上安装有两根由摆动驱动件驱动往复摆动运动的摆臂，两根摆臂的摆动轴线相互垂直，各摆臂与尾部模块的基板之间连接有分设于摆臂铰接轴线两侧的两个柔性牵拉部件，至少除头部模块和尾部模块以外所有摆动模块的基板对应每个柔性牵拉部件均设有供柔性牵拉部件穿过的配合通孔。

所述条形躯体的外部包覆有蒙皮。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的水陆两栖仿生机器人采用多个摆动模块通过万向连接机构依次连接构成条形躯体，多个波动鳍与各摆动模块的摆动件相连，通过摆动驱动装置可驱使各摆动模块的摆动件摆动，进而带着各波动鳍波动运动，实现在陆地仿蛇行走和水下仿鱼类游动，具有水陆运动一体化的特征，两栖运动性能较好。通过控制各摆动模块和转向驱动装置，可调节多个波动鳍之间的运行参数，实现转向、下沉、上浮及制动等功能，能够适应更为复杂的环境，同时通过转向驱动装置驱使条形躯体弯曲转向，可控制条形躯体前部扭转弯曲搭上障碍物的边缘，并在波动鳍的驱动及万向连接机构的作用下使后续摆动模块依次越过障碍物，实现复杂地形的越障行走。该水陆两栖仿生机器人的环境适应性好、运动稳定性高。

附图说明

图1为水陆两栖仿生机器人的立体结构示意图。

图2为水陆两栖仿生机器人去除蒙皮后的立体结构示意图。

图3为摆动模块的立体结构示意图。

图4为摆动旋转驱动件与共轭凸轮机构相连的立体结构示意图。

图5为共轭凸轮机构的侧视结构示意图。

图6为转向驱动装置的立体结构示意图。

图7为转向驱动装置安装在基板上的立体结构示意图。

图例说明：

1、摆动模块；11、基板；12、摆动件；13、摆杆；14、驱动凸轮；2、万向连接机构；22、环形件；23、第一连接杆；24、第二连接杆；3、摆动驱动装置；31、摆动旋转驱动件；32、万向连接轴；4、转向驱动装置；41、转向安装座；42、摆动驱动件；43、摆臂；44、柔性牵拉部件；5、蒙皮；100、条形躯体；101、波动鳍。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1至图5所示，本实施例的水陆两栖仿生机器人，包括多个波动鳍101和多个依次连接构成条形躯体100的摆动模块1，相邻两个摆动模块1之间通过万向连接机构2相连，各摆动模块1包括基板11、以摆动方式安装在基板11上的摆动件12以及安装在基板11上用于驱使摆动件12往复摆动的摆动组件，水陆两栖仿生机器人还包括用于驱动各摆动组件工作的摆动驱动装置3和用于驱使条形躯体100弯曲转向的转向驱动装置4，多个波动鳍101环绕条形躯体100间隔布置，每个波动鳍101均与各摆动模块1的摆动件12相连。该水陆两栖仿生机器人采用多个摆动模块1通过万向连接机构2依次连接构成条形躯体100，多个波动鳍101与各摆动模块1的摆动件12相连，通过摆动驱动装置3可驱使各摆动模块1的摆动件12摆动，进而带着各波动鳍101波动运动，实现在陆地仿蛇行走和水下仿鱼类游动，具有水陆运动一体化的特征，两栖运动性能较好。通过调节控制各摆动模块1和转向驱动装置4，可调节多个波动鳍101之间的运行参数，实现转向、下沉、上浮及制动等功能，能够适应更为复杂的环境，同时通过转向驱动装置4驱使条形躯体100弯曲转向，可控制条形躯体100前部扭转弯曲搭上障碍物的边缘，并在波动鳍101的驱动及万向连接机构2的作用下使后续摆动模块1依次越过障碍物，实现复杂地形的越障行走。该水陆两栖仿生机器人的环境适应性好、运动稳定性高。

优选的，本实施例的水陆两栖仿生机器人共有三个波动鳍101，多个波动鳍101环绕条形躯体100均匀间隔布置。波动鳍101与各摆动件12之间通过连接于摆动件12上的卡扣相连。优选的，摆动件12为中部具有内孔的三角形板，基板11位于内孔中。

本实施例中，摆动组件为共轭凸轮机构，共轭凸轮机构包括两个驱动凸轮14和分别铰接安装在基板11两侧的两根摆杆13，两个驱动凸轮14转动安装在基板11上并分别对应与两根摆杆13接触配合，摆动驱动装置3与两个驱动凸轮14相连以驱使两个驱动凸轮14同步转动，摆动件12与两根摆杆13固接。摆动驱动装置3驱使两个驱动凸轮14同步转动时，两个驱动凸轮14迫使两根摆杆13同步摆动，进而带着摆动件12往复摆动运动。采用共轭凸轮机构驱动摆动件12摆动运动，不需要设置弹性回复件，其驱动稳定性好、可靠性高。上述共轭凸轮机构中其中两个驱动凸轮14按一定的夹角安装在基板11两侧，两个驱动凸轮14和两根摆杆13的装配方式为现有技术，在此不再赘述。

本实施例中，摆杆13与对应驱动凸轮14接触的配合面为弧面。由于水陆两栖仿生机器人在运行中驱动凸轮14会受到来自外界的冲击，采用摆杆13与对应驱动凸轮14弧面配合能够有效缓解局部载荷过大的情况发生。同时，摆杆13的弧面通过设计计算获得，可保证波动鳍在运动过程中进行类正弦摆动的规律，使得水陆两栖仿生机器人运行可控。

本实施例中，相邻两个摆动模块1的驱动凸轮14通过联动机构相连以同步转动，以任意一个摆动模块1作为驱动安装模块，摆动驱动装置3包括安装在驱动安装模块的基板11上的摆动旋转驱动件31，摆动旋转驱动件31的驱动端与驱动安装模块的驱动凸轮14相连。摆动旋转驱动件31驱使安装模块的驱动凸轮14转动时，通过联动机构使所有驱动凸轮14同步转动，这样只需设置一个摆动旋转驱动件31，可提高结构紧凑性、降低成本，同时易于保证各摆动模块1的驱动同步性，降低控制难度。通过调节各摆动模块1中共轭凸轮机构的转动角度，可使波动鳍101获得所需的波动形态。

本实施例中，驱动安装模块为条形躯体100一端的摆动模块1，方便安装、维护，同时摆动旋转驱动件31密封安装在位于条形躯体100端部的密封罩中，以保证水下运动时的防水性能，保证工作稳定可靠性。

本实施例中，联动机构为连接相邻两个摆动模块1的驱动凸轮14的万向连接轴32，万向连接轴32可适应相邻两个摆动模块1通过万向连接机构2进行转向的转向运动，保证动力传递的有效性和稳定性。

本实施例中，万向连接机构2包括中间连接件、第一连接件和第二连接件，第一连接件连接于相邻两个摆动模块1中一个摆动模块1的基板11上，第二连接件连接于相邻两个摆动模块1中另一个摆动模块1的基板11上，第一连接件和第二连接件分别与中间连接件铰接，且第一连接件的铰接轴线垂直于第二连接件的铰接轴线。该万向连接机构2类似于现有的万向轴，通过第一连接件和第二连接件与中间连接件的铰接配合，使相邻两个摆动模块1可以相对转向运动。

本实施例中，优选的，中间连接件为环形件22，第一连接件包括两根间隔的第一连接杆23，两根第一连接杆23绕同一铰接轴线分别与环形件22铰接，第二连接件包括两根间隔的第二连接杆24，两根第二连接杆24绕同一铰接轴线分别与环形件22铰接，两根第一连接杆23的铰接轴线垂直于两根第二连接杆24的铰接轴线。采用该种结构形式，一方面能够提高连接强度和稳定可靠性，另一方面环形件22、两根第一连接杆23和两根第二连接杆24形成一内部具有空间的框架结构，对条形躯体100内部结构起到保护作用，同时便于在条形躯体100外部设置包覆件。

本实施例中，如图2、图6和图7所示，以条形躯体100一端的摆动模块1作为头部模块，另一端的摆动模块1作为尾部模块，转向驱动装置4包括安装在头部模块的基板11上的转向安装座41，转向安装座41上安装有两根由摆动驱动件42驱动往复摆动运动的摆臂43，两根摆臂43的摆动轴线相互垂直，各摆臂43与尾部模块的基板11之间连接有分设于摆臂43铰接轴线两侧的两个柔性牵拉部件44，至少除头部模块和尾部模块以外所有摆动模块1的基板11对应每个柔性牵拉部件44均设有供柔性牵拉部件44穿过的配合通孔。摆动驱动件42驱动其中一个摆臂43摆动时，通过与该摆臂43连接的两个柔性牵拉部件44拉动尾部模块的基板11绕第一连接件的铰接轴线偏摆，改变尾部模块的基板11与头部模块的基板11之间的间距和角度，同时柔性牵拉部件44与其他摆动模块1的基板11上的配合通孔配合，迫使其他摆动模块1的基板11也产生适应性的偏摆，最终实现整个条形躯体100绕与第一连接件铰接轴线平行的轴线弯曲。同理，摆动驱动件42驱动另一个摆臂43摆动时，可实现整个条形躯体100绕与第二连接件铰接轴线平行的轴线弯曲。该种转向驱动装置4的结构简单紧凑、成本低、易于制作装配和维护、工作稳定可靠、控制简便。

上述摆动驱动件42采用电机。优选的，在条形躯体100的端部设置密封罩将摆动驱动件42密封罩住，以保证水下运动时的防水性能，保证工作稳定可靠性。

本实施例中，条形躯体100的外部包覆有蒙皮5，以保证密封性。

本实施例中，可根据实际需求对万向连接机构2的结构进行灵活改变。波动鳍101采用弧形柔性片状结构，材料采用介电弹性体，将片状结构波动鳍101拉直成为类正弦变形的锥带状鳍，通过卡扣夹紧使其保持变形而避免恢复到不紧张状态。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种水陆两栖仿生机器人，其特征在于：包括多个波动鳍(101)和多个依次连接构成条形躯体(100)的摆动模块(1)，相邻两个摆动模块(1)之间通过万向连接机构(2)相连，各摆动模块(1)包括基板(11)、以摆动方式安装在基板(11)上的摆动件(12)以及安装在基板(11)上用于驱使所述摆动件(12)往复摆动的摆动组件，所述水陆两栖仿生机器人还包括用于驱动各摆动组件工作的摆动驱动装置(3)和用于驱使条形躯体(100)弯曲转向的转向驱动装置(4)，多个波动鳍(101)环绕条形躯体(100)间隔布置，每个波动鳍(101)均与各摆动模块(1)的摆动件(12)相连；所述摆动组件为共轭凸轮机构，所述共轭凸轮机构包括两个驱动凸轮(14)和分别铰接安装在基板(11)两侧的两根摆杆(13)，两个驱动凸轮(14)转动安装在基板(11)上并分别对应与两根摆杆(13)接触配合，所述摆动驱动装置(3)与两个驱动凸轮(14)相连以驱使两个驱动凸轮(14)同步转动，所述摆动件(12)与两根所述摆杆(13)固接。

2.根据权利要求1所述的水陆两栖仿生机器人，其特征在于：所述摆杆(13)与对应驱动凸轮(14)接触的配合面为弧面。

3.根据权利要求1所述的水陆两栖仿生机器人，其特征在于：相邻两个摆动模块(1)的驱动凸轮(14)通过联动机构相连以同步转动，以任意一个摆动模块(1)作为驱动安装模块，所述摆动驱动装置(3)包括安装在所述驱动安装模块的基板(11)上的摆动旋转驱动件(31)，所述摆动旋转驱动件(31)的驱动端与驱动安装模块的驱动凸轮(14)相连。

4.根据权利要求3所述的水陆两栖仿生机器人，其特征在于：所述驱动安装模块为条形躯体(100)一端的摆动模块(1)，所述摆动旋转驱动件(31)密封安装在位于条形躯体(100)端部的密封罩中。

5.根据权利要求3所述的水陆两栖仿生机器人，其特征在于：所述联动机构为连接相邻两个摆动模块(1)的驱动凸轮(14)的万向连接轴(32)。

6.根据权利要求1所述的水陆两栖仿生机器人，其特征在于：所述万向连接机构(2)包括中间连接件、第一连接件和第二连接件，所述第一连接件连接于相邻两个摆动模块(1)中一个摆动模块(1)的基板(11)上，所述第二连接件连接于相邻两个摆动模块(1)中另一个摆动模块(1)的基板(11)上，所述第一连接件和第二连接件分别与所述中间连接件铰接，且所述第一连接件的铰接轴线垂直于所述第二连接件的铰接轴线。

7.根据权利要求6所述的水陆两栖仿生机器人，其特征在于：所述中间连接件为环形件(22)，所述第一连接件包括两根间隔的第一连接杆(23)，两根第一连接杆(23)绕同一铰接轴线分别与环形件(22)铰接，所述第二连接件包括两根间隔的第二连接杆(24)，两根第二连接杆(24)绕同一铰接轴线分别与环形件(22)铰接，两根第一连接杆(23)的铰接轴线垂直于两根第二连接杆(24)的铰接轴线。

8.根据权利要求1所述的水陆两栖仿生机器人，其特征在于：以所述条形躯体(100)一端的摆动模块(1)作为头部模块，另一端的摆动模块(1)作为尾部模块，所述转向驱动装置(4)包括安装在头部模块的基板(11)上的转向安装座(41)，所述转向安装座(41)上安装有两根由摆动驱动件(42)驱动往复摆动运动的摆臂(43)，两根摆臂(43)的摆动轴线相互垂直，各摆臂(43)与尾部模块的基板(11)之间连接有分设于摆臂(43)铰接轴线两侧的两个柔性牵拉部件(44)，至少除头部模块和尾部模块以外所有摆动模块(1)的基板(11)对应每个柔性牵拉部件(44)均设有供柔性牵拉部件(44)穿过的配合通孔。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的水陆两栖仿生机器人，其特征在于：所述条形躯体(100)的外部包覆有蒙皮(5)。

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