CN113910851A - 可变形轮的水陆两栖微型机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可变形轮的水陆两栖微型机器人，包括机架、可变形轮、传动系统、驱动系统以及控制系统，机架用于承载；可变形轮安装在机架上并自身的状态能够被切换以匹配在水陆两栖环境中的运动；驱动系统能够通过传动系统驱使可变形轮动作，其中，动作包括可变形轮状态的切换和/或驱使可变形轮转动；控制系统控制连接驱动系统，本发明利用单一的可变构型机构进行轮‑轮辐‑轮桨之间的变形切换，同时满足了不同水陆环境所需的驱动方式，减少了整机重量，所有驱动模式均由单一机构的变形实现，结构简单紧凑，实现了机器人的轻量化和小型化。

Description

可变形轮的水陆两栖微型机器人

技术领域

本发明涉及两栖机器人技术领域，具体地，涉及一种可变形轮的水陆两栖微型机器人。

背景技术

两栖机器人具有在水陆不同环境运动的能力，能够担任在水陆环境下的多种任务。研究能够适应多种地形环境的两栖机器人，对经济发展、环境监测、资源勘探、军事任务等方面具有重大意义。现有的两栖机器人主要分为以下几类：轮式两栖机器人、腿式两栖机器人、蛇形两栖机器人等。

轮式两栖机器人的行走效率较高，能源利用率高，但是缺乏在陆地环境的越障能力。其次，轮式两栖机器人中动蹼明轮的应用和研究较为缺乏。动蹼明轮相较于定蹼明轮有着更高的效率，能够提升机器人在水面的运动能力。腿式两栖机器人有着较强的陆地越障能力，但在平地移动的平稳性较差，且控制相对复杂。蛇形两栖机器人由于仿生特性，能够在狭长的特殊空间活动，但是结构复杂，实际应用困难。因此，设计新型且简单的一体化变形机构可以结合各类型优势。

北京航空航天大学曾设计出一种轮桨一体的水陆两栖机器人。这种运动机构将轮子和桨叶两个推进机构直接结合起来，实现机器人在水陆环境下的不同运动模式，其本质是采用了两套推进机制。加拿大麦吉尔大学的研究团队研制的名为AQUA的两栖机器人能够利用六条腿当做桨拍动来实现水中的运动和不同姿态。当其在陆地行走时，则需要对六条腿进行复杂的分配和控制。

上述类型的两栖机器人因为推进机制模式单一的问题，选择了多套推进机构直接结合和采用控制复杂，平地移动效率低的腿式机构的方式，进而导致推进机构大而复杂或是某一环境的运动受限问题。与此同时，现有的两栖机器人很少能适应沼泽、湿地等松软环境，且无法通过单一机构直接实现多种推进模式的切换。

专利文献CN207088876U公开了一种水陆两栖机器人以及水陆两栖侦查系统，属于机器人领域。水陆两栖机器人，包括基座、前轮系统、侧轮系统和水中推进系统；水中推进系统包括全向驱动机构和升降驱动机构；前轮系统和侧轮系统实现机器人的地面全向模式和越障模式；全向驱动机构包括四个均分间隔环形分布且能够摆动的螺旋桨。水陆两栖侦查系统，包括侦查设备和水陆两栖机器人，侦查设备设置于基座的上侧。上述申请提供的水陆两栖机器人结构紧凑，具有全向模式，越障模式，水中运动模式三种模式和良好的越障性能，能够满足各种复杂环境使用要求，但该设计结构复杂，不利于机器人的轻量化发展。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可变形轮的水陆两栖微型机器人。

根据本发明提供的一种可变形轮的水陆两栖微型机器人，包括：

机架，用于承载；

可变形轮，安装在所述机架上并自身的状态能够被切换以匹配在水陆两栖环境中的运动；

驱动系统，能够通过传动系统驱使所述可变形轮动作，其中，所述动作包括所述可变形轮状态的切换和/或驱使可变形轮转动；

控制系统，控制连接所述驱动系统。

优选地，所述可变形轮包括一体式轮辐以及中空轮毂；

所述一体式轮辐包括第一连接柱、中心柱以及第二连接柱，所述中空轮毂包括第一弧形孔、中心通孔以及第二弧形孔；

所述第一连接柱、中心柱、第二连接柱的端部分别穿过所述第一弧形孔、中心通孔、第二弧形孔与所述传动系统驱动连接，驱动系统能够通过传动系统驱使第一连接柱、第二连接柱绕所述中心柱同时运动进而使多个所述一体式轮辐依次连接成圆形或依次间隔分开。

优选地，所述第一弧形孔、第二弧形孔均采用圆弧孔，所述圆弧孔所对应的圆心角为90°。

优选地，所述传动系统包括变形轴、主动直齿锥齿轮以及从动直齿锥齿轮，所述驱动系统包括变形电机；

所述主动直齿锥齿轮安装在所述变形轴的一端，所述从动直齿锥齿轮安装在中心柱上并位于所述中空轮毂的内部，主动直齿锥齿轮与从动直齿锥齿轮匹配啮合，所述变形电机能够驱使变形轴的另一端转动进而带动主动直齿锥齿轮驱使所述从动直齿锥齿轮转动进而驱使所述一体式轮辐绕中心轴的轴心转动。

优选地，所述传动系统包括一级传动轴、二级中空传动轴、主动直齿圆柱齿轮以及从动直齿圆柱齿轮，所述驱动系统包括转动电机；

所述中空轮毂套装在所述二级中空传动轴的一端，从动直齿圆柱齿轮套装在所述二级中空传动轴的另一端，所述主动直齿圆柱齿轮套装在一级传动轴的一端，所述主动直齿圆柱齿轮与从动直齿圆柱齿轮匹配啮合，所述转动电机能够驱使所述一级传动轴的另一端带动主动直齿圆柱齿轮转动进而驱使从动直齿圆柱齿轮带动所述中空轮毂转动；

其中，所述二级中空传动轴套装在所述变形轴的外部。

优选地，所述机架包括底座、隔板、垫高件、电机座以及支承单元；

所述隔板与底座连接形成密闭空间，所述垫高件、支承单元均安装在所述底座上，所述电机座安装在垫高件上；

所述变形电机、转动电机均安装在所述电机座上，所述二级中空传动轴、变形轴均安装在所述支承单元上。

优选地，所述机架包括浮力单元，所述浮力单元固定在底座的下面。

优选地，所述控制系统包括主控板以及电池；

所述主控板分别与变形电机、转动电机信号连接；

所述电池分别与主控板、变形电机、转动电机电连接。

优选地，所述变形电机、转动电机均自带角位移传感器，所述角位移传感器与所述控制系统信号连接。

优选地，所述控制系统通过PID进行控制。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明利用单一的可变构型机构进行轮-轮辐-轮桨之间的变形切换，同时满足了不同水陆环境所需的驱动方式，减少了整机重量，所有驱动模式均由单一机构的变形实现，结构简单紧凑，实现了机器人的轻量化和小型化。

2、本发明中两栖机器人运动模式丰富，可变形轮能以单自由度同时进行四个一体式轮辐的变换。在平坦路面上四个一体式轮辐保持在同一水平面上，实现机器人的滚动；在崎岖或有障碍的路面，四个一体式轮辐能够翻折一定角度，从轮式切换为类腿模式，翻越障碍或爬坡；在水面，可变形轮能够直接切换为桨叶，进行可控速的旋转，进而推动机器人前进。

3、本发明在一体式轮辐完全翻折的情况下，在沼泽、湿地等松软环境下增大了与地面的接触面积，可以有效克服现有两栖机器人不能或很难适应的沼泽、湿地等环境的痛点。

4、本发明通过一体式轮辐的翻折，能够改变其入水和出水的竖直角度，桨叶在不完全翻折的情况下，能够实现类似于螺旋桨式的推进机理，从而使机器人在水面直接进行侧向移动，提高了两栖机器人的运动灵活性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中实施例2的结构示意图；

图2为实施例2内部结构的俯视示意图；

图3为本发明中可变形轮和传动系统的连接结构示意图；

图4为本发明的可变形轮未安装外端盖时的结构正面示意图，其中，一体式轮辐相互之间分开；

图5为转动电机与中空轮毂连接的结构示意图；

图6为变形电机连接传动系统的结构示意图；

图7为本发明中密封圈的安装示意图；

图8为本发明在一体式轮辐完全翻折情况下的结构示意图；

图9为本发明在一体式轮辐未完全翻折情况下的结构示意图。

图中示出：

机架1 传动系统3

底座11 一级传动轴31

隔板12 二级中空传动轴32

垫高件13 变形轴33

电机座14 主动直齿锥齿轮34

支承单元15 从动直齿锥齿轮35

浮力单元16 主动直齿圆柱齿轮36

可变形轮2 从动直齿圆柱齿轮37

一体式轮辐21 第一联轴器38

中空轮毂22 第二联轴器39

外端盖23 驱动系统4

中心柱24 变形电机41

橡胶层25 转动电机42

第一连接柱26 控制系统5

第二连接柱27 主控板51

中心通孔28 电池52

第一弧形孔29 第一密封圈6

第二弧形孔30 第二密封圈7

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

本发明提供了一种可变形轮的水陆两栖微型机器人，包括机架1、可变形轮2、传动系统3、驱动系统4以及控制系统5，机架1用于承载；可变形轮2安装在机架1上并自身的状态能够被切换以匹配在水陆两栖环境中的运动；驱动系统4能够通过传动系统3驱使可变形轮2动作，其中，动作包括可变形轮2状态的切换和/或驱使可变形轮2转动；控制系统5控制连接驱动系统4。

进一步地，可变形轮2包括一体式轮辐21以及中空轮毂22，一体式轮辐21包括第一连接柱26、中心柱24以及第二连接柱27，中空轮毂22包括第一弧形孔29、中心通孔28以及第二弧形孔30，第一弧形孔29和第二弧形孔30相对、中心通孔28呈中心对称，第一连接柱26、中心柱24、第二连接柱27的端部分别穿过第一弧形孔29、中心通孔28、第二弧形孔30与传动系统3驱动连接，驱动系统4能够通过传动系统3驱使第一连接柱26、第二连接柱27绕中心柱24同时运动进而使多个一体式轮辐21依次连接成圆形或依次间隔分开，多个一体式轮辐21依次连接成圆形时，一体式轮辐21和中空轮毂22共同形成圆形的轮子结构，可以在陆地上转动，当多个一体式轮辐21依次间隔分开时，形成多个腿状结构和桨状结构，在陆地上具有越障功能，在水中可以作为桨叶推动机器人在水中行进。

需要说明的是，第一弧形孔29、第二弧形孔30均采用圆弧孔，圆弧孔所对应的圆心角为90°，使得在多个一体式轮辐21依次间隔分开到最大距离时，一体式轮辐21与中空轮毂22呈垂直布置，有利于越障动作或水中拨水的动作。

传动系统3包括一级传动轴31、二级中空传动轴32、变形轴33、主动直齿锥齿轮34、从动直齿锥齿轮35、主动直齿圆柱齿轮36以及从动直齿圆柱齿轮37，驱动系统4包括变形电机41以及转动电机42，主动直齿锥齿轮34安装在变形轴33的一端，从动直齿锥齿轮35安装在中心柱24上并位于中空轮毂22的内部，主动直齿锥齿轮34与从动直齿锥齿轮35匹配啮合，变形电机41能够驱使变形轴33的另一端转动进而带动主动直齿锥齿轮34驱使从动直齿锥齿轮35转动进而驱使一体式轮辐21绕中心轴的轴心转动。

中空轮毂22套装在二级中空传动轴32的一端，从动直齿圆柱齿轮37套装在二级中空传动轴32的另一端，主动直齿圆柱齿轮36套装在一级传动轴31的一端，主动直齿圆柱齿轮36与从动直齿圆柱齿轮37匹配啮合，转动电机42能够驱使一级传动轴31的另一端带动主动直齿圆柱齿轮36转动进而驱使从动直齿圆柱齿轮37带动中空轮毂22转动，其中，二级中空传动轴32套装在变形轴33的外部。

机架1包括底座11、隔板12、垫高件13、电机座14、支承单元15以及浮力单元16，隔板12与底座11连接形成密闭空间，垫高件13、支承单元15均安装在底座11上，电机座14安装在垫高件13上，变形电机41、转动电机42均安装在电机座14上，二级中空传动轴32、变形轴33均安装在支承单元15上，浮力单元16固定在底座11的下面，用于在水中运动时为机器人提供浮力。

控制系统5包括主控板51以及电池52，主控板51分别与变形电机41、转动电机42信号连接，电池52提供电能并分别与主控板51、变形电机41、转动电机42电连接。控制系统5通过PID进行控制，具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定简单等优点。

变形电机41、转动电机42均自带角位移传感器，角位移传感器与控制系统5信号连接，角位移传感器将采集到的角位移数据传输给控制系统5，控制系统5根据获得的角位移数据控制变形电机41、转动电机42的动作，以实现相应的功能。

为进一步介绍本发明中的水陆两栖微型机器人，下面通过一个更为具体的实施例进行说明。

实施例2：

本实施例中，如图1～图9所示，机架1两侧对称设置有四个独立的可变形轮2，驱动系统4经传动系统3与可变形轮2相连，控制系统5连接驱动系统4实现可变形轮2的变形和转速控制。

如图2所示，底座11和隔板12连接形成密封空间，垫高件13和支承单元15固定在底座11上，电机座14固定在垫高件13上，浮力单元16固定在底座11的下部。本发明的控制系统5包括主控板51、电池52，通过PID进行控制。变形电机41和转动电机42均自带角位移传感器，能与控制系统5形成闭环控制。

如图3、图4所示，本发明的可变形轮2包括一体式轮辐21、中空轮毂22，四个一体式轮辐21分别通过自身具有的柱结构均布安装在中空轮毂22的曲面上。本发明中的一体式轮辐21与从动直齿锥齿轮35连接，在轮圈外表面覆盖有橡胶层25，以增大在平地或崎岖路面的摩擦。

中空轮毂22连接外端盖23以方便拆装，中空轮毂22曲面上均布四组槽口，每组槽口都包括第一弧形孔29、中心通孔28以及第二弧形孔30，第一弧形孔29、第二弧形孔30为对称分布的90度圆弧槽口，中心通孔28为圆槽口。两个90度圆弧槽口和一个中心圆槽口起导向作用，能让一体式轮辐21最大翻折90度，同时中空轮毂22会承担大部分负载，实现不同环境下可变形轮的模式切换。

如图5、图6所示，本发明的传动系统3包括一级传动轴31、二级中空传动轴32、变形轴33、主动直齿锥齿轮34、从动直齿锥齿轮35、主动直齿圆柱齿轮36、从动直齿圆柱齿轮37、第一联轴器38、第二联轴器39。

变形电机41通过第一联轴器38与变形轴33连接，变形轴33与主动直齿锥齿轮34连接。转动电机42通过第二联轴器39与一级传动轴31连接，一级传动轴31连接主动直齿圆柱齿轮36，二级中空传动轴32连接从动直齿圆柱齿轮37并与中空轮毂22固定。

传动系统3通过四个从动直齿锥齿轮35和一个主动直齿锥齿轮34的配合实现可变形轮2的变形。通过一级传动轴31、主动直齿圆柱齿轮36、从动直齿圆柱齿轮37和二级中空传动轴32实现可变形轮2的旋转。

如图3所示，本发明的驱动系统4包括变形电机41和转动电机42，两者需要同时配合驱动以实现可变形轮2的转动，具体的，当一体式轮辐21翻折一定角度时，仅需要变形电机41驱动；当可变形轮2转动时，需要转动电机42和变形电机41根据所需转速配合驱动。

如图7所示，本发明的二级中空传动轴32和变形轴33同轴心且不直接接触，之间安装有第一密封圈6。本发明的二级中空传动轴32和隔板12连接处设置有第二密封圈7，第一密封圈6、第二密封圈7都用于进行防水保护。

本发明的工作原理如下：

如图1、图8、图9所示，可变形轮2能够实现轮式、腿式和桨式的运动模式。在平坦路面上可变形轮2保持轮式，实现机器人的滚动；在崎岖或有障碍的路面，四个一体式轮辐21翻折一定角度，能够从轮式切换为类腿模式，翻越障碍或爬坡；在水面，可变形轮2直接切换成桨叶，推动机器人前进。

一体式轮辐21在不完全翻折的情况下，能够实现类似于螺旋桨式的推进机理，从而使机器人在水面直接进行侧向移动，提高了水上运动灵活性。同时，当一体式轮辐21完全翻折时，在沼泽、湿地等松软环境下增大了与地面的接触面积，可以有效克服现有两栖机器人很少能适应的沼泽、湿地等环境。

本发明能通过单自由度，采用齿轮传动方式，变形轴33与主动直齿锥齿轮34连接，带动四个从动直齿锥齿轮35同时使四个一体式轮辐21进行翻折，实现两栖机器人在平坦、崎岖、沼泽、水面等不同两栖环境下的多运动模式，实用性强。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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申请和简化描述，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申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种可变形轮的水陆两栖微型机器人，其特征在于，包括：

机架(1)，用于承载；

可变形轮(2)，安装在所述机架(1)上并自身的状态能够被切换以匹配在水陆两栖环境中的运动；

驱动系统(4)，能够通过传动系统(3)驱使所述可变形轮(2)动作，其中，所述动作包括所述可变形轮(2)状态的切换和/或驱使可变形轮(2)转动；

控制系统(5)，控制连接所述驱动系统(4)。

2.根据权利要求1所述的可变形轮的水陆两栖微型机器人，其特征在于，所述可变形轮(2)包括一体式轮辐(21)以及中空轮毂(22)；

所述一体式轮辐(21)包括第一连接柱(26)、中心柱(24)以及第二连接柱(27)，所述中空轮毂(22)包括第一弧形孔(29)、中心通孔(28)以及第二弧形孔(30)；

所述第一连接柱(26)、中心柱(24)、第二连接柱(27)的端部分别穿过所述第一弧形孔(29)、中心通孔(28)、第二弧形孔(30)与所述传动系统(3)驱动连接，驱动系统(4)能够通过传动系统(3)驱使第一连接柱(26)、第二连接柱(27)绕所述中心柱(24)同时运动进而使多个所述一体式轮辐(21)依次连接成圆形或依次间隔分开。

3.根据权利要求2所述的可变形轮的水陆两栖微型机器人，其特征在于，所述第一弧形孔(29)、第二弧形孔(30)均采用圆弧孔，所述圆弧孔所对应的圆心角为90°。

4.根据权利要求2所述的可变形轮的水陆两栖微型机器人，其特征在于，所述传动系统(3)包括变形轴(33)、主动直齿锥齿轮(34)以及从动直齿锥齿轮(35)，所述驱动系统(4)包括变形电机(41)；

所述主动直齿锥齿轮(34)安装在所述变形轴(33)的一端，所述从动直齿锥齿轮(35)安装在中心柱(24)上并位于所述中空轮毂(22)的内部，主动直齿锥齿轮(34)与从动直齿锥齿轮(35)匹配啮合，所述变形电机(41)能够驱使变形轴(33)的另一端转动进而带动主动直齿锥齿轮(34)驱使所述从动直齿锥齿轮(35)转动进而驱使所述一体式轮辐(21)绕中心轴的轴心转动。

5.根据权利要求4所述的可变形轮的水陆两栖微型机器人，其特征在于，所述传动系统(3)包括一级传动轴(31)、二级中空传动轴(32)、主动直齿圆柱齿轮(36)以及从动直齿圆柱齿轮(37)，所述驱动系统(4)包括转动电机(42)；

所述中空轮毂(22)套装在所述二级中空传动轴(32)的一端，从动直齿圆柱齿轮(37)套装在所述二级中空传动轴(32)的另一端，所述主动直齿圆柱齿轮(36)套装在一级传动轴(31)的一端，所述主动直齿圆柱齿轮(36)与从动直齿圆柱齿轮(37)匹配啮合，所述转动电机(42)能够驱使所述一级传动轴(31)的另一端带动主动直齿圆柱齿轮(36)转动进而驱使从动直齿圆柱齿轮(37)带动所述中空轮毂(22)转动；

其中，所述二级中空传动轴(32)套装在所述变形轴(33)的外部。

6.根据权利要求5所述的可变形轮的水陆两栖微型机器人，其特征在于，所述机架(1)包括底座(11)、隔板(12)、垫高件(13)、电机座(14)以及支承单元(15)；

所述隔板(12)与底座(11)连接形成密闭空间，所述垫高件(13)、支承单元(15)均安装在所述底座(11)上，所述电机座(14)安装在垫高件(13)上；

所述变形电机(41)、转动电机(42)均安装在所述电机座(14)上，所述二级中空传动轴(32)、变形轴(33)均安装在所述支承单元(15)上。

7.根据权利要求6所述的可变形轮的水陆两栖微型机器人，其特征在于，所述机架(1)包括浮力单元(16)，所述浮力单元(16)固定在底座(11)的下面。

8.根据权利要求5所述的可变形轮的水陆两栖微型机器人，其特征在于，所述控制系统(5)包括主控板(51)以及电池(52)；

所述主控板(51)分别与变形电机(41)、转动电机(42)信号连接；

所述电池(52)分别与主控板(51)、变形电机(41)、转动电机(42)电连接。

9.根据权利要求5所述的可变形轮的水陆两栖微型机器人，其特征在于，所述变形电机(41)、转动电机(42)均自带角位移传感器，所述角位移传感器与所述控制系统(5)信号连接。

10.根据权利要求1所述的可变形轮的水陆两栖微型机器人，其特征在于，所述控制系统(5)通过PID进行控制。

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