CN114083944A - 一种采用解耦式摆线叶片轮推进的水陆两栖机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用解耦式摆线叶片轮推进的水陆两栖机器人，包括机器人本体，其连接至少四组摆线叶片轮；每组摆线叶片轮的结构包括：叶片架、控制轴、圆盘和若干叶片组件，叶片组件一端间隔设有自转轴和摆动轴；叶片架为中心对称结构，叶片架上沿圆周分布的安装孔与各叶片组件的自转轴连接，叶片架与从动齿轮固连，并由第一旋转驱动机构驱动；叶片架的中心位置内穿设有控制轴，其一端与圆盘偏心连接，圆盘通过若干连杆分别与各摆动轴连接，若干连杆中的一个与圆盘固连，其余的与圆盘铰接，另一端与第二旋转驱动机构连接，使叶片组件在公转的同时绕各自的自转轴摆动。本发明在陆地上具有良好的移动及越障能力，在水下具有优越的机动性能。

Description

一种采用解耦式摆线叶片轮推进的水陆两栖机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是一种采用解耦式摆线叶片轮推进的水陆两栖机器人。

背景技术

现有技术中，水陆两栖机器人的结构大多采用陆上推进系统(如轮式、履带式)与水域推进系统(如螺旋桨式、喷射流式)相结合的设计形式，这种设计不仅结构复杂，在实际使用过程中，在陆地或水域中只有一种推进系统工作，造成结构冗余、利用率低、制造成本高。也有部分水陆两栖机器人采用轮腿式设计，如鳍状腿、弧形腿、螺旋桨状腿，轮腿式结构在陆地上可以代替轮子移动并具备一定越障性能，在水域中也可保持一定机动性，其缺点是轮腿式设计在陆地上移动的刚度具有一定的局限性，且水下推进的机动性能不强。因此，亟待设计一款结构简单，在陆地和水域中均具有较强机动性能的水陆两栖机器人。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种采用解耦式摆线叶片轮推进的水陆两栖机器人，以简化推进系统的结构并提供较强的陆上和水下机动性能。

本发明采用的技术方案如下：

一种采用解耦式摆线叶片轮推进的水陆两栖机器人，包括机器人本体，所述机器人本体上连接至少四组摆线叶片轮，所述至少四组摆线叶片轮分布于机器人本体两侧；

每组摆线叶片轮的结构包括：叶片架、控制轴、圆盘和若干叶片组件，所述叶片组件的一端间隔设有自转轴和摆动轴；

所述叶片架为中心对称结构，所述叶片架上沿圆周分布的安装孔与各叶片组件的自转轴连接，叶片架与从动齿轮固连，并由第一旋转驱动机构驱动，从而带动叶片组件作公转运动；

所述叶片架的中心位置内穿设有控制轴，控制轴的一端与所述圆盘偏心连接，所述圆盘通过若干连杆分别与各叶片组件的摆动轴连接，若干连杆中的一个与圆盘固连，其余的与圆盘铰接；控制轴的另一端与第二旋转驱动机构连接；控制轴两端存在一固定偏心距，使得叶片组件在公转的同时按规律绕各自的自转轴摆动。

进一步技术方案为：

每个叶片组件包括内叶片和外叶片；

所述内叶片套设于所述外叶片内部；

各叶片组件的外叶片通过连接件与同一直线驱动机构连接，使外叶片相对于内叶片沿叶片长度方向运动。

所述连接件包括：套筒、支撑架和连接轴；

所述套筒内部和电动推杆的输出连接并可以由电动推杆驱动作直线运动，所述电动推杆与所述叶片架固连；

所述支撑架的结构包括中间部和以中间部为中心对称的连接柄，支撑架的中间部套设在套筒的端部并可以做相对转动，支撑架的连接柄与各个外叶片的连接轴铰接；

所述连接轴设置在所述外叶片内部。

所述自转轴和摆动轴设置在内叶片的一端面，且伸到外叶片外部。

所述叶片架的结构具体为：包括中间轴套、上层支架板和下层支架板；

中间轴套内部用于容纳所述控制轴，中间轴套的外部通过轴承装置与机器人本体连接；

上层支架板和下层支架板结构相同，均包括多个连接臂，连接臂上下对应，通过连接套管连接成整体，所述连接套管形成所述沿圆周分布的安装孔，其用于与所述自转轴套接，并实现转动配合。

上层支架板和下层支架板之间形成有用于容纳所述圆盘的空间。

所述圆盘的结构具体为：包括上、下盘体，上、下盘体之间圆周边缘通过支撑轴连接，所述支撑轴用于与所述连杆一端套接并转动配合；与圆盘固连的连杆端部伸入至所述上、下盘体之间的间隙内。

所述第一旋转驱动机构包括：主动齿轮和第一电机；

所述主动齿轮与所述第一电机的输出连接，并与所述从动齿轮啮合连接；

所述第一电机、主动齿轮设置于所述机器人本体中。

所述第二旋转驱动机构包括第二电机，所述第二电机的输出与所述控制轴连接，所述第二电机设置于所述机器人本体中。

每组所述摆线叶片轮包括三个、四个、五个或六个叶片组件。

本发明的有益效果如下：

1、采用摆线叶片轮作为推进装置，在陆地与水域中均能提供较强的机动性能。

2、在陆地行驶时具有较强的越障能力以应对不同路况。

3、摆线叶片轮的叶片展长可以调节，能够适应不同的工作环境。

4、在空间和电机负载能力允许范围内，可自由调节叶片数量，实现不同工作环境下使用不同叶片数目以达到最佳推进效果的实际要求。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

图1为本发明实施例机器人的立体结构示意图(摆线叶片轮有四叶片组件)。

图2为本发明实施例的单个摆线叶片轮的结构示意图。

图3为本发明实施例的单个摆线叶片轮的剖视图。

图4为本发明实施例的叶片组件的分解结构示意图。

图5为本发明实施例的支撑架的结构示意图。

图6为本发明实施例的叶片架与从动齿轮安装结构的分解示意图。

图7为本发明实施例的控制轴的结构示意图。

图8为本发明实施例的圆盘的结构示意图。

图9为本发明实施例的隐藏机器人本体上半部分结构的示意图。

图10为本发明实施例的摆线叶片轮的运动原理图。

图11为本发明实施例的四叶片组件摆线叶片轮的最大叶片展长示意图。

图12为本发明实施例的机器人各摆线叶片轮展开状态的结构

图13为本发明实施例的立体结构示意图(摆线叶片轮有三叶片组件)。

图14为本发明实施例的立体结构示意图(摆线叶片轮有五叶片组件)。

图15为本发明实施例的立体结构示意图(摆线叶片轮有六叶片组件)。

图中：1、机器人本体；2、第二电机；3、第一电机；4、主动齿轮；5、轴承二；6、叶片架；61、中间轴套；62、连接臂；63、连接套管；7、电动推杆；8、套筒；9、支撑架；91、中间部；92、连接柄；93、连接孔；10、叶片组件；101、内叶片；102、外叶片；11、轴承一；12、圆盘；121、上、下盘体；13、连杆；14、从动齿轮；15、连接轴；16、控制轴；161、长轴段；162、连接段；163、短轴段；17、支撑轴；18、摆动轴；19、自转轴；100、摆线叶片轮。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

本实施例的采用解耦式摆线叶片轮推进的水陆两栖机器人，如图1所示，包括机器人本体1，机器人本体1上连接至少四组摆线叶片轮100，至少四组摆线叶片轮100分布于机器人本体1两侧；

如图2所示，每组摆线叶片轮100的结构包括：叶片架6、控制轴16、圆盘12和若干叶片组件10(图中所示为四个)，如图3所示，叶片组件10一端间隔设有自转轴19和摆动轴18：

其中，叶片架6为中心对称结构，叶片架6上沿圆周分布的安装孔与各叶片组件10的自转轴19连接，叶片架6与从动齿轮14固连，并由第一旋转驱动机构驱动，从而带动叶片组件(10)作公转运动；

其中，叶片架6的中心位置内穿设有控制轴16，控制轴16的一端与圆盘12偏心连接，圆盘12通过若干连杆13分别与各叶片组件10的摆动轴18连接，若干连杆13中的一个与圆盘12固连，其余的与圆盘12铰接；

控制轴16的另一端与第二旋转驱动机构连接，如图7所示，控制轴16两端存在一固定偏心距，使得叶片组件10在公转的同时会按照一定规律绕各自的自转轴摆动。

具体的，如图3所示，控制轴16通过轴承一11与叶片架6相连。

如图4所示，每个叶片组件10包括内叶片101和外叶片102；

内叶片101套设于外叶片102内部；

各叶片组件10的外叶片102通过连接件与同一直线驱动机构连接，使外叶片102相对于内叶片101沿叶片长度方向运动。

具体的，连接件包括：如图2所示，套筒8、支撑架9和连接轴15，如图4所示，连接轴15设置在外叶片102内部。

具体的，外叶片102底部设有通孔，连接轴15设置在通孔中。

具体的，自转轴19和摆动轴18设置在内叶片101的一端面，且伸到外叶片102外部。

如图2所示，套筒8内部和电动推杆7的输出连接并可以由电动推杆7驱动作直线运动；电动推杆7与叶片架6固连；

如图5所示，支撑架9的结构包括中间部91和以中间部91为中心对称的连接柄92，支撑架9的中间部91套设在套筒8的端部并可以做相对转动，支撑架9的连接柄92与各个外叶片102的连接轴15铰接。

具体的，连接柄92的外端设有连接孔93，连接孔93与连接轴15套接配合。

如图6所示，叶片架6的结构具体为：包括中间轴套61、上层支架板和下层支架板；中间轴套61内部用于容纳控制轴16，中间轴套61的外部通过轴承装置与机器人本体1连接；

上层支架板和下层支架板结构相同，均包括多个连接臂62，连接臂62上下对应，通过连接套管63连接成整体，连接套管63形成上述的沿圆周分布的安装孔，其用于与自转轴19套接，并实现转动配合。

具体的，上层支架板和下层支架板之间形成有用于容纳圆盘12的空间。

如图7所示，控制轴16具有沿竖直设置的长轴段161和短轴段163，长轴段161和短轴段163通过水平设置的连接段162连接；

其中，长轴段161与中间轴套61配合，短轴段163与圆盘12的圆心位置连接，从而使叶片架6与圆盘12偏心连接。

如图8所示，圆盘12的结构具体为：包括上、下盘体121，上、下盘体121之间圆周边缘通过支撑轴17连接，支撑轴17用于与连杆13一端套接并转动配合；与圆盘12固连的连杆13端部伸入至上、下盘体121之间的间隙内。

图8中所示的连杆13一端与圆盘12固连，省略了其余的与支撑轴17转动配合连接的连杆结构。连杆13另一端设有用于与摆动轴18套接的通孔。

如图9所示，本实施例的第一旋转驱动机构包括：主动齿轮4和第一电机3；主动齿轮4与第一电机3的输出连接，并与从动齿轮14啮合连接，从动齿轮14与所述叶片架6固连，从而第一电机3可以带动摆线叶片轮100公转；

具体的，第一电机3、主动齿轮4设置于机器人本体1中。

具体的，从动齿轮14与叶片架6固连的分解结构示意图可参考图6。

如图9所示，本实施例的第二旋转驱动机构包括第二电机2，第二电机2的输出与控制轴16连接，第二电机2设置于机器人本体1中，从而第二电机2可以带动控制轴16在叶片架6中旋转，从而改变摆线叶片轮100中圆盘12的偏心点的周向位置。

具体的，摆线叶片轮100的叶片架6通过轴承二5安装在机器人本体1上。

具体的，摆线叶片轮100的工作原理如下：

从动齿轮14与叶片架6固连并由主动齿轮4驱动，控制轴16与第二电机2的输出轴相连，从而摆线叶片轮100的内轴(控制轴16)与外轴(叶片架6的中间轴套61)分别由第二电机2、第一电机3控制，实现了摆线叶片轮100公转与控制轴16周向旋转运动的解耦。

如图10所示，摆线叶片轮采用四五杆结构，以四个叶片组件为例，连杆L₁固连在圆盘上，其余三个连杆L₂、L₃、L₄与圆盘铰接，因此叶片组件B₁构成OABO’所示的四杆机构，其余三个叶片组件构成例如OCDEO’所示的五杆机构，这样当围绕0点公转时，各叶片组件会按照其所在机构中摇杆的运动规律摆动，从而产生推力。通过改变0’点的位置，可以改变叶片产生的合力方向，从而改变摆线叶片轮的推力方向；

机器人在陆地上移动时，摆线叶片轮可以代替车轮前进后退，并且可以根据路面情况调节摆线叶片轮的偏心点0’的位置，例如：路面平坦时可以将摆线叶片轮的偏心点0’调节至正上方以减少路面对叶片的磨损；路面崎岖时可以将摆线叶片轮的偏心点0’调节至正前方以增强越障能力。在水下工作时，摆线叶片轮可以提供全方位的推力，通过调节偏心点0’位置，即可以产生向上或向下的合力来使水陆两栖机器人上升或下潜，又可以产生向前或向后的合力来使水陆两栖机器人在水中前进或后退。

如图11所示，支撑架9套接在套筒8上并且端部与外叶片102的连接轴15相连，外叶片102套接在内叶片101外部，套筒8套接在电动推杆7外部，电动推杆7可以推动套筒8从而带动外叶片102滑动，这样可以改变叶片的展长，以适用不同的工作环境。例如：在陆地上移动时可以将叶片展长调节至最短以减少地面对叶片的磨损并增强叶片的强度，在水下工作时可以将叶片展长增长以增大叶片的击水面从而产生更大的推力。

机器人的各摆线叶片轮呈展开状态的结构如图12所示。

摆线叶片轮的叶片组件的数量可以根据实际需求调整，只需要改变叶片架与支撑架的形状。不失一般性的，每组摆线叶片轮100包括三个、四个、五个或六个叶片组件10。

如图13、图14和图15所示，分别为机器人的摆线叶片轮100包括三个叶片组件、五个叶片组件、六个叶片组件的结构。

不失一般性的，工作时，机器人本体1两侧的摆线叶片轮100的旋向不同，例如左侧的摆线叶片轮为左旋，右侧的摆线叶片轮为右旋。

本申请的摆线叶片轮布置在机器人本体两侧，叶片轮在陆地上实现公转进而代替车轮行进，在水下通过调整控制轴的周向位置实现在公转的同时自转进而产生任意方向的推力，叶片展长可以根据实际需要调整从而调整在水下的迎水面，进而改变叶片轮的推力大小。本申请的机器人在陆地上具有良好的移动及越障能力，在水下具有优越的机动性能，同时完成陆地模式与水下模式的切换时无需经过任何转换操作，充分满足陆地和水下的运动要求。

上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用解耦式摆线叶片轮推进的水陆两栖机器人，其特征在于，包括机器人本体(1)，所述机器人本体(1)上连接至少四组摆线叶片轮(100)，所述至少四组摆线叶片轮(100)分布于机器人本体(1)两侧；

每组摆线叶片轮(100)的结构包括：叶片架(6)、控制轴(16)、圆盘(12)和若干叶片组件(10)，所述叶片组件(10)的一端间隔设有自转轴(19)和摆动轴(18)；

所述叶片架(6)为中心对称结构，所述叶片架(6)上沿圆周分布的安装孔与各叶片组件(10)的自转轴(19)连接，叶片架(6)与从动齿轮(14)固连，并由第一旋转驱动机构驱动，从而带动叶片组件(10)作公转运动；

所述叶片架(6)的中心位置内穿设有控制轴(16)，控制轴(16)的一端与所述圆盘(12)偏心连接，所述圆盘(12)通过若干连杆(13)分别与各叶片组件(10)的摆动轴(18)连接，若干连杆(13)中的一个与圆盘(12)固连，其余的与圆盘(12)铰接；控制轴(16)的另一端与第二旋转驱动机构连接；控制轴(16)两端存在一固定偏心距，使得叶片组件(10)在公转的同时按规律绕各自的自转轴(19)摆动。

2.根据权利要求1所述的采用解耦式摆线叶片轮推进的水陆两栖机器人，其特征在于，每个叶片组件(10)包括内叶片(101)和外叶片(102)；

所述内叶片(101)套设于所述外叶片(102)内部；各叶片组件(10)的外叶片(102)通过连接件与同一直线驱动机构连接，使外叶片(102)相对于内叶片(101)沿叶片长度方向运动。

3.根据权利要求2所述的采用解耦式摆线叶片轮推进的水陆两栖机器人，其特征在于，所述连接件包括：套筒(8)、支撑架(9)和连接轴(15)；

所述套筒(8)内部和电动推杆(7)的输出连接并可以由电动推杆(7)驱动作直线运动，所述电动推杆(7)与所述叶片架(6)固连；

所述支撑架(9)的结构包括中间部(91)和以中间部(91)为中心对称的连接柄(92)，支撑架(9)的中间部(91)套设在套筒(8)的端部并可以做相对转动，支撑架(9)的连接柄(92)与各个外叶片(102)的连接轴(15)铰接；

所述连接轴(15)设置在所述外叶片(102)内部。

4.根据权利要求2所述的采用解耦式摆线叶片轮推进的水陆两栖机器人，其特征在于，所述自转轴(19)和摆动轴(18)设置在内叶片(101)的一端面，且伸到外叶片(102)外部。

5.根据权利要求1所述的采用解耦式摆线叶片轮推进的水陆两栖机器人，其特征在于，所述叶片架(6)的结构具体为：包括中间轴套(61)、上层支架板和下层支架板；

中间轴套(61)内部用于容纳所述控制轴(16)，中间轴套(61)的外部通过轴承装置与机器人本体(1)连接；

上层支架板和下层支架板结构相同，均包括多个连接臂(62)，连接臂(62)上下对应，通过连接套管(63)连接成整体，所述连接套管(63)形成所述沿圆周分布的安装孔，其用于与所述自转轴(19)套接，并实现转动配合。

6.根据权利要求5所述的采用解耦式摆线叶片轮推进的水陆两栖机器人，其特征在于，上层支架板和下层支架板之间形成有用于容纳所述圆盘(12)的空间。

7.根据权利要求1所述的采用解耦式摆线叶片轮推进的水陆两栖机器人，其特征在于，所述圆盘(12)的结构具体为：包括上、下盘体(121)，上、下盘体(121)之间圆周边缘通过支撑轴(17)连接，所述支撑轴(17)用于与所述连杆(13)一端套接并转动配合；

与圆盘(12)固连的连杆(13)端部伸入至所述上、下盘体(121)之间的间隙内。

8.根据权利要求1所述的采用解耦式摆线叶片轮推进的水陆两栖机器人，其特征在于，所述第一旋转驱动机构包括：主动齿轮(4)和第一电机(3)；

所述主动齿轮(4)与所述第一电机(3)的输出连接，并与所述从动齿轮(14)啮合连接；

所述第一电机(3)、主动齿轮(4)设置于所述机器人本体(1)中。

9.根据权利要求1所述的采用解耦式摆线叶片轮推进的水陆两栖机器人，其特征在于，所述第二旋转驱动机构包括第二电机(2)，所述第二电机(2)的输出与所述控制轴(16)连接，所述第二电机(2)设置于所述机器人本体(1)中。

10.根据权利要求1-9任一所述的采用解耦式摆线叶片轮推进的水陆两栖机器人，其特征在于，每组所述摆线叶片轮(100)包括三个、四个、五个或六个叶片组件(10)。

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