CN113306349B - 一种具有多种运动模式的水陆两栖移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有多种运动模式的水陆两栖移动机器人，包括躯体框架、六条功能足和六个步进电机；躯体框架内设有空腔，使六个步进电机设置在空腔下部并沿躯体框架长度方向对称且间隔布置，其驱动轴水平设置且轴端伸出至躯体框架外侧；六条功能足一一对应布置在各步进电机邻侧，每条功能足由连接片、弧形片、配重片和防滑片构成；弧形片为半圆弧片，其一端通过连接片固定在驱动轴轴端，并使其另一端的外弧面能够着地；配重片和防滑片分别固定在弧形片另一端的内、外弧面上；各功能足均以其弧形片的内弧面朝前、外弧面朝后的方式设置；该机器人结构简单、布置紧凑且集爬行、弹跳、游动、保持平衡功能于一体且稳定性强。

Description

一种具有多种运动模式的水陆两栖移动机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种具有多种运动模式的水陆两栖移动机器人。

背景技术

随着技术的发展，机器人技术在各个方面得到广泛应用。而在星际探测、生命救援和军事侦察等领域，存在各种类型的复杂、非结构化工作环境，单一机器人在一些特殊场合很难完成任务。水陆两栖机器人将水面机器人与弹跳机器人相结合，既可在陆地上行走又可在水中游动，能够轻松适应两种工作环境，可以完成持续地工作。因此水陆两栖机器人在军事领域具有很大的应用潜力，在海洋学，测绘学等科研领域有很大的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对滩涂、沼泽、沙漠等极端环境的兼具爬行、跳跃、游动三种运动模式的具有多种运动模式的水陆两栖移动机器人。

为此，本发明技术方案如下：

一种具有多种运动模式的水陆两栖移动机器人，包括躯体框架、六条功能足和六个步进电机；其中，

躯体框架为由自上而下设置的上壳体、安装板和下壳体依次连接构成的内设有空腔的壳体，安装板将空腔分隔为上腔室和下腔室；沿躯体框架的长度方向，在位于躯体框架前端、中部和后端的安装板两侧侧壁上分别对称开设有两个径向轴孔；

六个步进电机设置在下腔室内，并以与安装板上开设的径向轴孔一一对应的方式设置，使其电机壳体固定在安装板上、其驱动轴水平设置且轴端自径向轴孔伸出至躯体框架外侧；

六条功能足以每两条功能足为一组的方式沿躯体框架的长度方向间隔布置，且每组的两条功能足在安装板两侧呈对称设置；每条功能足由连接片、弧形片、配重片和防滑片构成；弧形片为半圆弧片，连接片后端固定在弧形片一端的内弧面上且二者呈扭转态，使弧形片另一端的外弧面能够着地；连接片前端开设有与步进电机的驱动轴轴端相配合的轴孔，使其固定在邻侧驱动轴的轴端；配重片固定在弧形片另一端的内弧面上，防滑片固定在弧形片另一端的外弧面上且其外表面设有锯齿状花纹；各功能足均以其弧形片的内弧面朝向躯体框架前端、外弧面朝向躯体框架后端的方式设置。

进一步地，上壳体为底部设有开口的中空壳体且壳体的四个侧面与其顶面所成夹角为钝角，下壳体为顶部设有开口的中空壳体且壳体的四个侧面与其底面所成夹角为钝角且下壳体的壳体内腔体积小于上壳体的壳体内腔体积，安装板前端的厚度自后向前逐渐减小且与位于邻侧的两个壳体侧板的倾斜角度相适应，使躯体框架沿其长度方向的竖向截面为非对称七边形、沿其宽度方向的竖向截面为非对称八边形。

进一步地，在上壳体的顶面后侧沿其长度方向的中心线处设置有尾翼，尾翼为一体积自前向后逐渐增大的三角锥形。

进一步地，上壳体、安装板和下壳体之间通过沿其周向设置的多个螺钉连接固定为一体，且连接处设有密封条，使其上腔室和下腔室均形成密封腔。

进一步地，该具有多种运动模式的水陆两栖移动机器人还包括用于控制六台步进电机运动方式的控制装置和电源；控制装置设置在上腔室内，电源设置在下腔室内。

进一步地，上壳体、安装板和下壳体均采用碳纤维材料制成；连接片采用铝合金片。

进一步地，弧形片采用碳纤维、聚甲醛制成；配重片采用铅片，其尺寸满足：功能足的重心位于配重片上；防滑片采用橡胶制成，其尺寸满足：功能足随驱动轴转动一周外弧面与地面相接触的部位均覆有防滑片。

进一步地，连接片、配重片和防滑片分别通过螺栓固定在弧形片上。

与现有技术相比，该具有多种运动模式的水陆两栖移动机器人结构简单、布置紧凑，在不影响机器人攻能前提下充分利用空间，保证结构设计的小型化，且集爬行、弹跳、游动、保持平衡功能于一体，以简单的结构完可满足多种运动方式；另外，在躯体框架结构上采用非对称的设计，降低机器人的重心，有利于保持机器人运动的稳定性。

附图说明

图1为本发明的具有多种运动模式的两栖机器人的结构示意图；

图2为本发明的具有多种运动模式的两栖机器人的躯体框架的结构示意图；

图3为本发明的具有多种运动模式的两栖机器人的躯体框架沿其长度方向的竖向截面的结构示意图；

图4为本发明的具有多种运动模式的两栖机器人的躯体框架沿其宽度方向的竖向截面的结构示意图；

图5为本发明的具有多种运动模式的两栖机器人的功能足的结构示意图；

图6为本发明的具有多种运动模式的两栖机器人的功能足的弧形片的结构示意图；

图7为本发明的具有多种运动模式的两栖机器人处于跳跃状态的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

实施例1

如图1所示，该具有多种运动模式的两栖机器人包括躯体框架、六条功能足5、六个步进电机、控制装置和电源；其中，

如图2所示，躯体框架为由自上而下设置的上壳体1、安装板2和下壳体3依次连接构成的内设有空腔的壳体，且安装板2将空腔分隔为上腔室和下腔室；具体地，

如图3和图4所示，上壳体1为底部设有开口的中空壳体且壳体的四个侧面与其顶面所成夹角为钝角，下壳体3下壳体为顶部设有开口的中空壳体且壳体的四个侧面与其底面所成夹角为钝角且下壳体3的壳体内腔体积小于上壳体1的壳体内腔体积，安装板2前端的厚度自后向前逐渐减小且与位于邻侧的两个壳体侧板的倾斜角度相适应，使躯体框架沿其长度方向的竖向截面为非对称七边形、沿其宽度方向的竖向截面为非对称八边形；该躯体框架通过不对称的外形，增强运动时的稳定性，降低机器人倾覆的可能；

上壳体1、安装板2和下壳体3之间通过沿其周向设置的多个螺钉连接固定为一体，且连接处设有密封条，使其上腔室和下腔室均形成密封腔；该密封设计使机器人适用于潮湿环境或水环境中；

考虑总体质量以及结构强度，上壳体1、安装板2和下壳体3均采用碳纤维制成；连接片5-1采用铝合金片；

如图2所示，作为本实施例的一个优选技术方案，在上壳体1的顶面后侧沿其长度方向的中心线处设置有尾翼4，尾翼4为一体积自前向后逐渐增大的三角锥形；尾翼结构能够增强机器人运动时的平衡性；

沿躯体框架的长度方向，在位于躯体框架前端、中部和后端的安装板2两侧侧壁上分别对称开设有两个径向轴孔2a；六个步进电机设置在下腔室内，并以与安装板2上开设的径向轴孔2a一一对应的方式设置，使其电机壳体固定在安装板2上、其驱动轴水平设置且轴端自径向轴孔2a伸出至躯体框架外侧；

如图5所示，六条功能足5以每两条功能足5为一组的方式沿躯体框架的长度方向间隔布置，且每组的两条功能足5在安装板2两侧呈对称设置；每条功能足5由连接片5-1、弧形片5-2、配重片5-3和防滑片5-4构成；具体地，

连接片5-1后端固定在弧形片5-2一端的内弧面上且二者呈扭转态，使弧形片5-2另一端的外弧面能够着地；连接片5-1前端开设有与步进电机的驱动轴轴端相配合的轴孔，使其固定在邻侧驱动轴的轴端；

如图6所示，弧形片5-2为一半圆弧片，优选采用碳纤维、聚甲醛制成，使其具有一定的弹性，在运动过程中起到一定的减震缓冲作用，增强机器人运动时的稳定性；

配重片5-3固定在弧形片5-2另一端的内弧面上，其优选采用铅片，铅片尺寸满足：功能足的重心位于配重片5-3上；配重片5-3的功能在于增大旋转时的轴向力，维持机器人运动时的平衡；

防滑片5-4固定在弧形片5-2另一端的外弧面上且其外表面设有锯齿状花纹，其优选采用橡胶制成，其尺寸满足：功能足随驱动轴转动一周外弧面与地面相接触的部位均覆有防滑片；防滑片5-4的功能在于增大多功能足与地面的摩擦力，增加机器人运动时的驱动力；

各功能足5均以其弧形片5-2的内弧面朝向躯体框架前端、外弧面朝向躯体框架后端的方式设置；其中，连接片5-1、配重片5-3和防滑片5-4分别通过螺栓固定在弧形片5-2上；

控制装置用于控制六台步进电机运动方式，其在上腔室内；电源设置在下腔室内；其中，六台步进电机和电源安装在下腔室内能够有效降低机器人的重心，增强机器人运动时的稳定性；电源优选采用蓄电池。

实施例2

一种采用实施例1的具有多种运动模式的两栖机器人实现的爬行运动：控制装置控制步进电机以低速高力矩模式驱动六个功能足运动，具体地，位于躯体框架一侧的三个功能足为第一功能足组并保持同步转动，位于躯体框架另一侧的三个功能足为第二功能足组并保持同步转动，同时第一功能足组与第二功能足组之间始终保持180°相位差，从而保证运动过程中始终位于同侧的三个功能足着地，实现爬行运动，同时还能有效保障机器人爬行的稳定性。

实施例3

一种采用实施例1的具有多种运动模式的两栖机器人实现的跳跃运动：控制装置控制步进电机快速转动以驱动六个功能足运动，使地面对足底产生的反作用力使机器人进行跳跃；具体地，位于躯体框架前端两侧的两个功能足为第一功能足组，位于躯体框架中部两侧的两个功能足为第二功能足组，位于躯体框架后端两侧的两个功能足为第三功能足组，三个功能足组保持相同相位，起跳时所有功能足运动至其配重片5-3和防滑片5-4置顶的状态，如图7所示，使地面对多功能足的作用力为同一方向，机器人依靠地面的作用力跃起，并在机器人上升阶段，机器人多功能足重复上述运动，修正弹跳角度，加大弹跳的幅度。

在机器人滞空时，控制装置控制步进电机处于高速模式以驱动六个功能足运动，由所述多功能足末端的配重产生较大的轴向力，使机器人机身保持稳定。

实施例4

一种采用实施例1的具有多种运动模式的两栖机器人实现的游动运动：控制装置控制步进电机处于高速模式以驱动六个功能足运动，由水对多功能足产生的反作用力驱动机器人游动；具体地，位于躯体框架一侧的三个功能足为第一功能足组并保持同步转动，位于躯体框架另一侧的三个功能足为第二功能足组并保持同步转动；当机器人沿直线做游动动作时，第一功能足组与第二功能足组始终保持相位相同且速度相同；当机器人做转向游动动作时，第一功能足组与第二功能足组始终保持相位相同但具有速度差，以完成转向。

综上所述，本发明的两栖移动机器人能够提供爬行、跳跃、游动功能的复合运动模式，实现复杂的动作的完成，适合陆地和水中两种工作环境且结构简单，运行稳定，通过性强，适应性好。

Claims (6)

1.一种具有多种运动模式的水陆两栖移动机器人，其特征在于，包括躯体框架、六条功能足（5）和六个步进电机；其中，

躯体框架为由自上而下设置的上壳体（1）、安装板（2）和下壳体（3）依次连接构成的内设有空腔的壳体，安装板（2）将空腔分隔为上腔室和下腔室；沿躯体框架的长度方向，在位于躯体框架前端、中部和后端的安装板（2）两侧侧壁上分别对称开设有两个径向轴孔；

上壳体（1）为底部设有开口的中空壳体且壳体的四个侧面与其顶面所成夹角为钝角，下壳体（3）为顶部设有开口的中空壳体且壳体的四个侧面与其底面所成夹角为钝角且下壳体（3）的壳体内腔体积小于上壳体（1）的壳体内腔体积，安装板（2）前端的厚度自后向前逐渐减小且与位于邻侧的两个壳体侧板的倾斜角度相适应，使躯体框架沿其长度方向的竖向截面为非对称七边形、沿其宽度方向的竖向截面为非对称八边形；

六个步进电机设置在下腔室内，并以与安装板（2）上开设的径向轴孔一一对应的方式设置，使其电机壳体固定在安装板（2）上、其驱动轴水平设置且轴端自径向轴孔伸出至躯体框架外侧；

六条功能足（5）以每两条功能足（5）为一组的方式沿躯体框架的长度方向间隔布置，且每组的两条功能足（5）在安装板（2）两侧呈对称设置；每条功能足（5）由连接片（5-1）、弧形片（5-2）、配重片（5-3）和防滑片（5-4）构成；弧形片（5-2）为半圆弧片，连接片（5-1）后端固定在弧形片（5-2）一端的内弧面上且二者呈扭转态，使弧形片（5-2）另一端的外弧面能够着地；连接片（5-1）前端开设有与步进电机的驱动轴轴端相配合的轴孔，使其固定在邻侧驱动轴的轴端；配重片（5-3）固定在弧形片（5-2）另一端的内弧面上；防滑片（5-4）固定在弧形片（5-2）另一端的外弧面上且其外表面设有锯齿状花纹；各功能足（5）均以其弧形片（5-2）的内弧面朝向躯体框架前端、外弧面朝向躯体框架后端的方式设置；弧形片（5-2）采用碳纤维、聚甲醛制成；配重片（5-3）采用铅片，其尺寸满足：功能足的重心位于配重片（5-3）上；

机器人还包括控制六台步进电机运动方式的控制装置和电源；控制装置设置在上腔室内，电源设置在下腔室内；

控制装置控制步进电机快速转动以驱动六个功能足运动，使地面对足底产生的反作用力使机器人进行跳跃；位于躯体框架前端两侧的两个功能足为第一功能足组，位于躯体框架中部两侧的两个功能足为第二功能足组，位于躯体框架后端两侧的两个功能足为第三功能足组，三个功能足组保持相同相位，起跳时所有功能足运动至其配重片（5-3）和防滑片（5-4）置顶的状态，使地面对多功能足的作用力为同一方向，机器人依靠地面的作用力跃起，并在机器人上升阶段，机器人多功能足重复上述运动，修正弹跳角度，加大弹跳的幅度；

控制装置控制步进电机处于高速模式以驱动六个功能足运动，由水对多功能足产生的反作用力驱动机器人游动；位于躯体框架一侧的三个功能足为第一功能足组并保持同步转动，位于躯体框架另一侧的三个功能足为第二功能足组并保持同步转动；当机器人沿直线做游动动作时，第一功能足组与第二功能足组始终保持相位相同且速度相同；当机器人做转向游动动作时，第一功能足组与第二功能足组始终保持相位相同但具有速度差，以完成转向。

2.根据权利要求1所述的具有多种运动模式的水陆两栖移动机器人，其特征在于，在上壳体（1）的顶面后侧沿其长度方向的中心线处设置有尾翼（4），尾翼（4）为一体积自前向后逐渐增大的三角锥形。

3.根据权利要求1或2所述的具有多种运动模式的水陆两栖移动机器人，其特征在于，上壳体（1）、安装板（2）和下壳体（3）之间通过沿其周向设置的多个螺钉连接固定为一体，且连接处设有密封条，使其上腔室和下腔室均形成密封腔。

4.根据权利要求1所述的具有多种运动模式的水陆两栖移动机器人，其特征在于，上壳体（1）、安装板（2）和下壳体（3）均采用碳纤维材料制成；连接片（5-1）采用铝合金片。

5.根据权利要求1所述的具有多种运动模式的水陆两栖移动机器人，其特征在于，防滑片（5-4）采用橡胶制成，其尺寸满足：功能足随驱动轴转动一周外弧面与地面相接触的部位均覆有防滑片。

6.根据权利要求1所述的具有多种运动模式的水陆两栖移动机器人，其特征在于，连接片（5-1）、配重片（5-3）和防滑片（5-4）分别通过螺栓固定在弧形片（5-2）上。

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