CN113636047A - 一种基于折纸结构的履带式水下机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于折纸结构的履带式水下机器人及其控制方法，具体来说是提供一种结构简单、推进力大、响应速度快的水下机器人；本装置包括车体、折纸驱动轮、折纸履带和控制系统，折纸驱动轮和折纸履带均由多个平面纸张结构折叠而成，折纸驱动轮与折纸履带通过折纸结构的峰面和谷面相连接，通过控制系统对折纸驱动轮的转动和折纸履带的折叠、展开的控制，实现车体不同形式的运动；本发明还公开了相应控制方法，涉及水下机器人技术领域，更具体的说是涉及一种基于折纸结构的履带式水下机器人及其控制方法。

Description

一种基于折纸结构的履带式水下机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，更具体的说是涉及一种基于折纸结构的履带式水下机器人及其控制方法。

背景技术

随着科技的发展和人类海洋开发的步伐不断加快，水下机器人技术在海洋资源探测、水下考古、水污染探测等领域有广阔的应用前景；现阶段有多种类型的水下机器人，包括螺旋桨时、轮式、仿生式及喷射式等；但是传统的水下机器人仍然存在推进力小、响应速度慢，结构复杂等问题；随着折纸结构在工程领域日益广泛的应用，折纸结构凭借其良好的折叠特性和大折展比被广泛应用于机器人的设计中，故可以将折纸结构的应用拓展到水下领域。

因此，如何提供一种结构简单、推进力大、响应速度快的水下机器人，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于折纸结构的履带式水下机器人及其控制方法，旨在解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于折纸结构的履带式水下机器人，包括：

车体；所述车体内部固定有4个两两对称布置的电机；

折纸驱动轮；所述折纸驱动轮的数量为4个，且两两对称设置在所述车体两侧，所述折纸驱动轮由多个平面纸张结构折叠而成，并分别通过传动结构与所述电机的输出轴连接；

折纸履带；所述折纸履带由多个平面纸张结构折叠而成，所述折纸履带的数量为2个，且分别套装在所述车体同侧的2个所述折纸驱动轮外侧；所述折纸履带的内侧折痕与所述折纸驱动轮的外侧折痕能够实现配合；

控制系统；所述控制系统固定设置在所述车体内部，用于控制所述折纸驱动轮的转动和所述折纸履带的折叠、展开。

通过上述技术方案，本发明提供的装置中，包括车体、折纸驱动轮、折纸履带和控制系统，折纸驱动轮和折纸履带均由多个平面纸张结构折叠而成，折纸驱动轮与折纸履带通过折纸结构的峰面和谷面相连接，通过控制系统对折纸驱动轮的转动和折纸履带的折叠、展开的控制，实现车体不同形式的运动，本装置结构简单、推进力大、响应速度快。

优选的，在上述一种基于折纸结构的履带式水下机器人中，所述折纸驱动轮和所述折纸履带由平面纸张根据Waterbomb折痕折叠而成，所述折纸驱动轮由1×8个六折痕折纸单元首尾连接折叠而成；所述折纸履带由3×20个六折痕折纸单元首尾连接折叠而成。结构简单，每个单元由于折叠形成凹槽，每个单元连接处形成一个峰面；随着电机连续转动，折纸驱动轮随着电机同步转动。

优选的，在上述一种基于折纸结构的履带式水下机器人中，所述折纸驱动轮与所述折纸履带内外表面均附有防水薄膜，且所述折纸驱动轮的Waterbomb单元结构向外凸起，所述折纸履带的Waterbomb单元结构向内凹陷；所述折纸驱动轮与所述折纸履带通过折纸结构的峰面和谷面相连接。结构简单，折纸驱动轮通过Waterbomb单元的凹槽结构带动履带转动，折纸履带以类似桨的方式划水，提供动力。

优选的，在上述一种基于折纸结构的履带式水下机器人中，所述控制系统包括2个控制器，2个所述控制器分别布置在所述车体内部的两侧且互相平行；所述控制器控制所述折纸驱动轮的转动和所述折纸履带的折叠、展开。结构简单，操作便捷。

优选的，在上述一种基于折纸结构的履带式水下机器人中，所述车体为矩形结构，所述车体内部还设置有电池和导线；所述电池的数量为2个，2个所述电池分别布置在所述车体内部的两侧，并分别与2个所述控制器平行；所述导线的数量为2组，分别与设置在所述车体内部两侧的所述控制器、所述电机和所述电池连接。结构简单稳定。

优选的，在上述一种基于折纸结构的履带式水下机器人中，所述电机的数量为4个，分别设置在所述车体的四个边角处，且所述电机体积的3/4位于所述车体内部，所述电机体积的1/4位于所述车体外部。结构简单。

优选的，在上述一种基于折纸结构的履带式水下机器人中，所述电机外壳为无缝隙硬塑料壳，所述电机外壳与前后端面之间设置有橡胶圈和密封垫；且所述电机与所述车体的安装处均涂有硅胶。使整个车体封闭，在电机与车体安装处采用硅胶涂抹，以防水密闭，车体得以漂浮在水面。

优选的，在上述一种基于折纸结构的履带式水下机器人中，所述折纸驱动轮与所述传动结构通过防水粘剂固定连接。折纸驱动轮和传动结构也可通过热熔胶固定连接，增加装置的稳定性。

优选的，在上述一种基于折纸结构的履带式水下机器人中，所述折纸驱动轮与所述折纸履带均为中空折纸结构。中空折纸的结构设置，体积小巧、质量轻，减轻了整体装置的重量。

本发明还提供了一种基于折纸结构的履带式水下机器人的控制方法，由控制系统控制折纸驱动轮的转动，带动折纸履带折叠与展开，进而实现车体不同形式运动的控制，其控制方法包括：

前进控制：所述电机连续转动，所述控制系统控制两侧的所述折纸驱动轮同方向转动，并带动所述折纸履带转动，两侧的所述折纸履带产生向后的推力，控制所述车体向前运动，实现前进控制；

转向控制：所述电机连续转动，所述控制系统控制同一侧的2个所述折纸驱动轮反方向转动，其同侧的所述折纸履带折叠，所述控制系统控制另一侧的2个所述折纸驱动轮同方向转动，且另一侧所述折纸履带的推力保持不变，两侧的所述折纸驱动轮形成差速，实现所述车体的转向控制；

调头控制：所述电机连续转动，所述控制系统控制两侧的所述折纸驱动轮反方向转动，并带动所述折纸履带转动，两侧的受力方向相反，形成一个转动力矩，所述车体原地转动，实现调头控制。

通过上述技术方案，本发明控制方法的主要思路是通过控制系统对折纸驱动轮转动方向的控制，带动折纸履带折叠与展开，实现车体前进、转向和调头控制。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于折纸结构的履带式水下机器人及其控制方法，具有以下有益效果：

1、本发明结构简单，操作便捷，推进力大，响应迅速快。

2、本发明密封性、防水性和稳定性较强。

3、本发明折纸驱动轮和折纸履带为中空折纸结构，体积小巧、质量轻，减轻了整个装置的重量。

4、本发明采用Waterbomb折纸结构，折纸驱动轮与折纸履带通过折纸结构的峰面和谷面相连接，折纸驱动轮带动折纸履带转动，折纸履带以类似桨的方式划水，提供动力，折纸结构的设置，既可为动力装置，又能充当浮力装置，为整体提供浮力，使其安全漂浮在水面。

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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的基于折纸结构的履带式水下机器人的结构示意图；

图2附图为本发明提供的基于折纸结构的履带式水下机器人车体内部结构的示意图；

图3附图为本发明提供的基于折纸结构的履带式水下机器人的侧视图；

图4附图为本发明提供的折纸驱动轮的结构示意图；

图5附图为本发明提供的折纸履带的结构示意图；

图6附图和图7附图为本发明提供的基于折纸结构的履带式水下机器人运动的结构示意图；

图8附图和图9附图为本发明提供的基于折纸结构的履带式水下机器人转向运动的结构示意图；

图10附图和图11附图为本发明提供的基于折纸结构的履带式水下机器人调头运动的结构示意图。

其中：

1-车体；

2-折纸驱动轮；

3-折纸履带；

4-控制系统；41-控制器；

5-传动结构；

6-电机；

7-电池

8-导线。

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。

参见附图1至附图5，本发明实施例公开了一种基于折纸结构的履带式水下机器人，包括：

车体1；车体1内部固定有4个两两对称布置的电机6；

折纸驱动轮2；折纸驱动轮2的数量为4个，且两两对称设置在车体1两侧，折纸驱动轮2由多个平面纸张结构折叠而成，并分别通过传动结构5与电机6的输出轴连接；

折纸履带3；折纸履带3由多个平面纸张结构折叠而成，折纸履带3的数量为2个，且分别套装在车体1同侧的2个折纸驱动轮2外侧；折纸履带3的内侧折痕与折纸驱动轮2的外侧折痕能够实现配合；

控制系统4；控制系统4固定设置在车体1内部，用于控制折纸驱动轮2的转动和折纸履带3的折叠、展开。

为了进一步优化上述技术方案，折纸驱动轮2和折纸履带3由平面纸张根据Waterbomb折痕折叠而成，折纸驱动轮2由1×8个六折痕折纸单元首尾连接折叠而成；折纸履带3由3×20个六折痕折纸单元首尾连接折叠而成。

为了进一步优化上述技术方案，折纸驱动轮2与折纸履带3内外表面均附有防水薄膜，且折纸驱动轮2的Waterbomb单元结构向外凸起，折纸履带3的Waterbomb单元结构向内凹陷；折纸驱动轮2与折纸履带3通过折纸结构的峰面和谷面相连接。

为了进一步优化上述技术方案，控制系统4包括2个控制器41，2个控制器41分别布置在车体1内部的两侧且互相平行；控制器41控制折纸驱动轮2的转动和折纸履带3的折叠、展开。

为了进一步优化上述技术方案，车体1为矩形结构，车体1内部还设置有电池7和导线8；电池7的数量为2个，2个电池7)分别布置在车体1内部的两侧，并分别与2个控制器41平行；导线8的数量为2组，分别与设置在车体1内部两侧的控制器41、电机6和电池7连接。

为了进一步优化上述技术方案，电机6的数量为4个，分别设置在车体1的四个边角处，且电机6体积的3/4位于车体1内部，电机6体积的1/4位于车体1外部。

为了进一步优化上述技术方案，电机6外壳为无缝隙硬塑料壳，电机6外壳与前后端面之间设置有橡胶圈和密封垫；且电机6与车体1的安装处均涂有硅胶。

为了进一步优化上述技术方案，折纸驱动轮2与传动结构5通过防水粘剂固定连接。

为了进一步优化上述技术方案，折纸驱动轮2与折纸履带3均为中空折纸结构。

参见附图6至附图11，应用本装置的控制方法：通过控制系统对折纸驱动轮转动方向的控制，带动折纸履带折叠与展开，实现车体前进、转向和调头控制，其控制方法包括：

前进控制：电机6连续转动，控制系统4控制两侧的折纸驱动轮2同方向转动，并带动折纸履带3转动，两侧的折纸履带3产生向后的推力，控制车体1向前运动，实现前进控制；

转向控制：电机6连续转动，控制系统4控制同一侧的2个折纸驱动轮2反方向转动，其同侧的折纸履带3折叠，控制系统4控制另一侧的2个折纸驱动轮2同方向转动，且另一侧折纸履带3的推力保持不变，两侧的折纸驱动轮2形成差速，实现车体1的转向控制；

调头控制：电机6连续转动，控制系统4控制两侧的折纸驱动轮2反方向转动，并带动折纸履带3转动，两侧的受力方向相反，形成一个转动力矩，车体1原地转动，实现调头控制。

本发明的具体实施方式为：通过控制系统4对折纸驱动轮2转动方向的控制，带动折纸履带3折叠与展开，实现车体1的前进、转向和调头控制；前进控制：电机6连续转动，2个控制器41同时控制两侧的折纸驱动轮2同方向转动，两侧的折纸驱动轮2带动折纸履带3转动，在水中产生向后的推力，控制车体1向前运动，实现前进控制；转向控制：电机6连续转动，其中一个控制器41控制同一侧的2个折纸驱动轮2反方向转动，当2个折纸驱动轮2反方向转动时，与其同侧的折纸履带3折叠，减少折纸峰面与谷面与水的接触面积，减小折纸驱动力以降低折纸驱动轮2的速度；另一个控制器41控制另一侧的2个折纸折纸驱动轮2同方向转动，且另一侧折纸履带3的推力保持不变，两侧的折纸驱动轮2形成差速，由于速度的不同，实现车体1的转向控制；调头控制：电机6连续转动，2个控制器41分别控制两侧的2个折纸驱动轮2反方向转动，两侧的折纸驱动轮2分别带动两侧的折纸履带3转动，两侧的受力相反。形成一个转动力矩，车体1原地转动，实现调头控制。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于折纸结构的履带式水下机器人，其特征在于，包括：

车体(1)；所述车体(1)内部固定有4个两两对称布置的电机(6)；

折纸驱动轮(2)；所述折纸驱动轮(2)的数量为4个，且两两对称设置在所述车体(1)两侧，所述折纸驱动轮(2)由多个平面纸张结构折叠而成，并分别通过传动结构(5)与所述电机(6)的输出轴连接；

折纸履带(3)；所述折纸履带(3)由多个平面纸张结构折叠而成，所述折纸履带(3)的数量为2个，且分别套装在所述车体(1)同侧的2个所述折纸驱动轮(2)外侧；所述折纸履带(3)的内侧折痕与所述折纸驱动轮(2)的外侧折痕能够实现配合；

控制系统(4)；所述控制系统(4)固定设置在所述车体(1)内部，用于控制所述折纸驱动轮(2)的转动和所述折纸履带(3)的折叠、展开。

2.根据权利要求1所述的一种基于折纸结构的履带式水下机器人，其特征在于，所述折纸驱动轮(2)和所述折纸履带(3)由平面纸张根据Waterbomb折痕折叠而成，所述折纸驱动轮(2)由1×8个六折痕折纸单元首尾连接折叠而成；所述折纸履带(3)由3×20个六折痕折纸单元首尾连接折叠而成。

3.根据权利要求2所述的一种基于折纸结构的履带式水下机器人，其特征在于，所述折纸驱动轮(2)与所述折纸履带(3)内外表面均附有防水薄膜，且所述折纸驱动轮(2)的Waterbomb单元结构向外凸起，所述折纸履带(3)的Waterbomb单元结构向内凹陷；所述折纸驱动轮(2)与所述折纸履带(3)通过折纸结构的峰面和谷面相连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于折纸结构的履带式水下机器人，其特征在于，所述控制系统(4)包括2个控制器(41)，2个所述控制器(41)分别布置在所述车体(1)内部的两侧且互相平行；所述控制器(41)控制所述折纸驱动轮(2)的转动和所述折纸履带(3)的折叠、展开。

5.根据权利要求4所述的一种基于折纸结构的履带式水下机器人，其特征在于，所述车体(1)为矩形结构，所述车体(1)内部还设置有电池(7)和导线(8)；所述电池(7)的数量为2个，2个所述电池(7)分别布置在所述车体(1)内部的两侧，并分别与2个所述控制器(41)平行；所述导线(8)的数量为2组，分别与设置在所述车体(1)内部两侧的所述控制器(41)、所述电机(6)和所述电池(7)连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于折纸结构的履带式水下机器人，其特征在于，所述电机(6)的数量为4个，分别设置在所述车体(1)的四个边角处，且所述电机(6)体积的3/4位于所述车体(1)内部，所述电机(6)体积的1/4位于所述车体(1)外部。

7.根据权利要求6所述的一种基于折纸结构的履带式水下机器人，其特征在于，所述电机(6)外壳为无缝隙硬塑料壳，所述电机(6)外壳与前后端面之间设置有橡胶圈和密封垫；且所述电机(6)与所述车体(1)的安装处均涂有硅胶。

8.根据权利要求1所述的一种基于折纸结构的履带式水下机器人，其特征在于，所述折纸驱动轮(2)与所述传动结构(5)通过防水粘剂固定连接。

9.根据权利要求1所述的一种基于折纸结构的履带式水下机器人，其特征在于，所述折纸驱动轮(2)与所述折纸履带(3)均为中空折纸结构。

10.一种权利要求1-9任一项所述的基于折纸结构的履带式水下机器人的控制方法，其特征在于，包括：

前进控制：所述电机(6)连续转动，所述控制系统(4)控制两侧的所述折纸驱动轮(2)同方向转动，并带动所述折纸履带(3)转动，两侧的所述折纸履带(3)产生向后的推力，控制所述车体(1)向前运动，实现前进控制；

转向控制：所述电机(6)连续转动，所述控制系统(4)控制同一侧的2个所述折纸驱动轮(2)反方向转动，其同侧的所述折纸履带(3)折叠，所述控制系统(4)控制另一侧的2个所述折纸驱动轮(2)同方向转动，且另一侧所述折纸履带(3)的推力保持不变，两侧的所述折纸驱动轮(2)形成差速，实现所述车体(1)的转向控制；

调头控制：所述电机(6)连续转动，所述控制系统(4)控制两侧的所述折纸驱动轮(2)反方向转动，并带动所述折纸履带(3)转动，两侧的受力方向相反，形成一个转动力矩，所述车体(1)原地转动，实现调头控制。

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