CN112847395B - 一种高机动水陆两栖球形机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明一种高机动水陆两栖球形机器人，属于机器人领域；包括壳体、内部密封舱和机械臂；所述壳体为球型结构，由8个相同结构的外层球瓣拼接而成；所述内部密封舱设置于壳体中心处，其周向分别通过8个机械臂与8个外层球瓣连接；所述机械臂包括大臂、小臂、活动关节、基座和端部，大臂的一端通过基座与内部密封舱的外壁铰接，另一端通过活动关节与小臂的一端铰接，小臂的另一端通过端部与外层球瓣的内表面铰接；各铰接处均安装有舵机，用于实现外层球瓣竖直方向和水平方向的移动；本发明通过舵机控制壳体的八个外层球瓣运动，实现在陆地上的翻滚、爬行和零半径转弯。

Description

一种高机动水陆两栖球形机器人
技术领域
本发明属于机器人领域，具体涉及一种高机动水陆两栖球形机器人。
背景技术
两栖机器人具有很强的环境适应能力，作业范围广泛，容易布放与回收，可以充当侦察操作、救援系统、通讯系统的载体，执行人类无法完成的陆地、湖泊、河流和海洋多种操作、救援及任务，应用前景十分广阔。球形机器人是一类将驱动机构和控制系统都包含在一个球形壳体内、利用球形外壳做行走装置的机器人系统。与轮式、足式、仿生等传统机器人相比，球形机器人是一种结构新颖、运动灵活、运行效率高的新型机器人。球形机器人在陆地上运动灵活，可以实现全方位行走，转弯半径为零。将上述两种机器人结合起来，可以实现两种机器人的优势互补，从而大大提高了机器人的使用范围和性能，具有很好的实用性。
现有的水陆两栖球形机器人相关的资料较少。专利CN101318549B提出了一种水陆两栖球形机器人，通过吸水、喷水实现机器人在水中的移动，但是由于水下环境复杂，喷水装置并不能很好地控制喷水量的大小和方向，从而使得机器人在水下的运动灵动性大大受限；且内部装有电机等装置，结构复杂，对机器人防水性能要求较高。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高机动水陆两栖球形机器人，通过防水舵机和外层球壳的配合，能够在水上和陆地上实现机器人的高机动移动，结构设计简单，运动灵活度高，是一种高性能的两栖机器人。
本发明的技术方案是：一种高机动水陆两栖球形机器人，其特征在于：包括壳体、内部密封舱和机械臂；所述壳体为球型结构，由8个相同结构的外层球瓣拼接而成；
所述内部密封舱设置于壳体中心处，其周向分别通过8个机械臂与8个外层球瓣连接；所述机械臂包括大臂、小臂、活动关节、基座和端部，大臂的一端通过基座与内部密封舱的外壁铰接，另一端通过活动关节与小臂的一端铰接，小臂的另一端通过端部与外层球瓣的内表面铰接；各铰接处均安装有舵机，其中，大臂舵机用于驱动大臂绕基座旋转运动，小臂舵机用于驱动小臂绕大臂旋转运动，球瓣处舵机用于驱动球瓣绕小臂旋转运动，从而实现外层球瓣竖直方向和水平方向的移动；
所述内部密封舱内设置有图像采集系统、中心控制系统、姿态信息采集系统和电源系统，用于整个机器人的控制及相关图像、信息的采集。
本发明的进一步技术方案是：8个所述外层球瓣以壳体的球心对称设置，位于下部的四个外层球瓣作为机器人爬行或零半径转向的支撑。
本发明的进一步技术方案是：所述舵机为数字防水舵机。
本发明的进一步技术方案是：所述内部密封舱内设置有隔板和电路板安装基板，用于将密封舱内的电子板器件进行固定和分割，以避免短路的问题出现。
本发明的进一步技术方案是：所述外层球瓣内表面均设置有加强筋结构，用于增加机器人壳体的强度。
本发明的进一步技术方案是：所述舵机的控制线路通过安装于内部密封舱外壁的穿线螺栓与中心控制系统连接。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明创新的将两栖机器人和球形机器人结合在一起，在保持结构简单的情况下，通过舵机控制壳体的八个外层球瓣运动，实现在陆地上的翻滚、爬行和零半径转弯；当一侧四个球瓣作为支撑，以实现陆地上的爬行和零半径转向；单一某个球瓣的开合，其余球瓣均闭合，可以实现陆地上的翻滚运动；
本发明机器人通过对仿生学的研究，在水面上以扑翼方式游动为主要运动方式，通过舵机带动八个球瓣开合，从而对水产生的作用力，根据牛顿第三定律，水对本发明产生反作用力，从而实现机器人在水中的自主游动。
机器人同时还具有运动灵活度高，因减少了推进器的工作，可以大大提高工作时长，降低在作业状态下的所产生的噪声。
每个球瓣受到一组机械臂控制，每组机械臂包含三个舵机，三个舵机转轴相互平行，可控制球瓣进行垂直于该组舵机转轴的平面内的上下左右平移与转动。八个球瓣协同运动，从而实现该机器人的爬行、滚动、游动等动作。
附图说明
图1水陆两栖球形机器人的立体结构示意图；
图2水陆两栖球形机器人的正视图；
图3水陆两栖球形机器人站立姿态的俯视图；
图4水陆两栖球形机器人内部结构视图；
图5陆地上机器人实现翻滚状态示意图；
图6机器人球瓣展开示意图；
图7机械臂运动方式示意图；
图8机器人水中运动方式示意图；
附图标记说明：1-球瓣；2-卡箍；3-穿线螺栓；4-内部密封舱底端盖板；5-内部密封舱；6-舵机；7-舵机支架。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。
本实施例中定义轴向靠近内部密封舱底端盖板的一端称为“尾端”，相对应的另一端称为“前端”。
所述的机器人外层壳体为承压非密封壳体，主要提供前进时的支撑作用，壳体由上下各四个外层球瓣1组成，球瓣由多个支撑架分隔开。在壳体内部增加强筋设计，从而在降低质量的前提下保证壳体的强度；
所述的机械臂可以实现球瓣的3个自由度上的运动。3个舵机6控制机械臂上下前后摆动，活动关节使用舵机支架7。机械臂结构可以分为大臂、小臂、基座、端部。
所述的密封舱位于机器人的中轴线位置，容纳和保护核心装置—电池、中心控制系统、姿态采集系统和图像采集模块。
所述的中心控制系统包括主控芯片，姿态采集系统包括电子罗盘和加速度仪，图像采集模块由相机和图像信息存储器组成。
本发明的运动方式分为陆地和水中两种。在陆地上，处于爬行状态时，首先尾部四个球瓣均处在支撑相，便可实现站立状态。当向前爬行时，四个球瓣按照顺时针顺序依次向前摆动前移，便实现机器人整体的爬行过程。另外机器人还可以在球瓣全部处于闭合的状态下，依靠一个球瓣的开合作用，实现不断地向前翻滚。水面上运动时，球瓣先向中轴收缩，向前端打开，进而划过半圆，依靠球瓣与水的相互作用，实现水对机器人产生向前进的推力。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种高机动水陆两栖球形机器人，其特征在于：包括壳体、内部密封舱和机械臂；所述壳体为球型结构，由8个相同结构的外层球瓣拼接而成；
所述内部密封舱设置于壳体中心处，其周向分别通过8个机械臂与8个外层球瓣连接；所述机械臂包括大臂、小臂、活动关节、基座和端部，大臂的一端通过基座与内部密封舱的外壁铰接，另一端通过活动关节与小臂的一端铰接，小臂的另一端通过端部与外层球瓣的内表面铰接；各铰接处均安装有舵机，其中，大臂舵机用于驱动大臂绕基座旋转运动，小臂舵机用于驱动小臂绕大臂旋转运动，球瓣处舵机用于驱动球瓣绕小臂旋转运动，从而实现外层球瓣竖直方向和水平方向的移动；各球瓣由各机械臂控制，每组机械臂包含三个舵机，三个舵机转轴相互平行，能够控制球瓣进行垂直于该组舵机转轴的平面内的上下左右平移与转动；八个球瓣协同运动，从而实现该机器人的爬行、滚动、游动动作；
所述内部密封舱内设置有图像采集系统、中心控制系统、姿态信息采集系统和电源系统，用于整个机器人的控制及相关图像、信息的采集。
2.根据权利要求1所述高机动水陆两栖球形机器人，其特征在于：8个所述外层球瓣以壳体的球心对称设置，位于下部的四个外层球瓣作为机器人爬行或零半径转向的支撑。
3.根据权利要求1所述高机动水陆两栖球形机器人，其特征在于：所述舵机为数字防水舵机。
4.根据权利要求1所述高机动水陆两栖球形机器人，其特征在于：所述内部密封舱内设置有隔板和电路板安装基板，用于将密封舱内的电子板器件进行固定和分割，以避免短路的问题出现。
5.根据权利要求1所述高机动水陆两栖球形机器人，其特征在于：所述外层球瓣内表面均设置有加强筋结构，用于增加机器人壳体的强度。
6.根据权利要求1所述高机动水陆两栖球形机器人，其特征在于：所述舵机的控制线路通过安装于内部密封舱外壁的穿线螺栓与中心控制系统连接。
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