CN115871384A - 多模式跨水陆运动仿生两栖机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多模式跨水陆运动仿生两栖机器人，包括叶轮系统、传动系统、转向系统和控制系统，所述叶轮系统安装在机器人的四周，位于机器人左右两侧的叶轮系统分别由控制系统控制独立的两套传动系统驱动，叶轮系统的多层片状可展扇叶随着叶轮旋转至不同相位时可以有序的展开和闭合，在水面行驶时，机器人叶轮系统的多层片状可展扇叶可以在入水时展开，扇叶较大的迎水面积使机器人获得较大的划水动力，在出水时闭合，扇叶较小的迎水面积使机器人受到较小的推水阻力，在水下行驶时，机器人叶轮系统的多层片状可展扇叶打破了其整周转动对水的推力作用的平衡，可实现向单一方向的推进，在陆地行驶时，机器人叶轮系统的多层片状可展扇叶可以与非结构地面上障碍物接触时展开，提升机器人越障能力，在与平整地面接触时闭合，使机器人拥有较大的地面附着力，机器人转向方式为差速折腰转向，该仿生两栖机器人能实现陆地快速行进，水面高速行进以及潜入水底隐蔽前进的多模式跨域运动。

Description

多模式跨水陆运动仿生两栖机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及多模式跨水陆仿生两栖机器人。

背景技术

仿生学具有丰富多彩的研究内容，仿生水陆两栖机器人具有高机动性能、多地形适应性等优点，而这些技术研究的最终目标是研制出能够辅助或者代替人类在危险环境中工作的仿生机器人。

发明内容

本发明的目的是提供受蛇怪蜥蜴在水上奔跑和陆地行走启发的多模式跨水陆仿生两栖机器人，该机器人能实现陆地快速行进，水面高速行进以及潜入水底隐蔽前进的多模式跨域运动。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：多模式跨水陆仿生两栖机器人，包括叶轮系统、传动系统、转向系统和控制系统。

按上述技术方案，叶轮系统包括驱动盘1、轴承座2、偏心轴3、辐条4、轴销5、骨架圆盘6、扇叶7、直轮轴8、异形轮轴9、大锥齿轮11、轴承16，所述大锥齿轮11镶嵌在驱动盘1的凹槽中，直轮轴8或异形轮轴9一端与两栖机器人前底盘20固定连接，直轮轴8或异形轮轴9另一端同偏心轴3固定连接，辐条4大端与偏心轴3的凸台转动连接并通过凸台末端的卡簧限制辐条4在凸台上的轴向位移，辐条4小端与扇叶7通过轴销5转动连接，轴承座2通过轴承16安装在异形轮轴9和直轮轴8上，驱动盘1与轴承座2之间通过螺栓固定连接，扇叶7中部凸台一侧同驱动盘1的孔转动连接另一侧同骨架圆盘6的孔转动连接。

按上述技术方案，传动系统包括小锥齿轮10、大锥齿轮11、刚性长轴12、弹簧联轴器13、弹性软轴14、刚性短轴15、电机17、小斜齿轮18、大斜齿轮19、轴承25，所述刚性长轴12一端与小锥齿轮10固定连接，小锥齿轮10与大锥齿轮11啮合，刚性长轴12另一端与弹簧联轴器13固定连接，弹性软轴14一端与弹簧联轴器13固定连接，弹性软轴14另一端与另一个弹簧联轴器13固定连接，刚性短轴15一端与弹簧联轴器13固定连接，刚性短轴15另一端与另一个小锥齿轮10固定连接，小锥齿轮10与另一个大锥齿轮11啮合，刚性长轴12、刚性短轴15通过轴承25安装在两栖机器人前底盘20、后底盘21上，电机17安装在前底盘20、后底盘21的电机座上，电机17输出轴与小斜齿轮18固定连接，大斜齿轮19固定连接在刚性短轴15上，小斜齿轮18与大斜齿轮19啮合。

按上述技术方案，转向系统包括前底盘20、后底盘21、中轴22、凸弹片23、凹弹片24，所述前底盘20与后底盘21通过中轴22转动连接，凸弹片23安装在前底盘20末端的弧形凸台上，凹弹片24安装在后底盘21前端的弧形凹台上，凸弹片23与凹弹片24之间恰好接触。

按上述技术方案，所述控制系统包括单片机26、电池27、电调28、编码器29、编码器磁块30，单片机26安装在前底盘20上方，电池27安装在后底盘21上方，两个电调28分别安装在前底盘20和后底盘21的下方，两个编码器29分别安装在靠近大斜齿轮19的前底盘20和后底盘21的轴承架上，两个编码器磁块30安装在靠近两套传动系统的大斜齿轮19的刚性短轴15上，编码器29和编码器磁块30相距2mm且同心，单片机26和编码器29之间通过杜邦线连接，单片机26和电调28之间通过杜邦线连接，电池27和电调28之间通过导线连接。

按上述技术方案，所述单片机的型号为STM32F103C8T8。

按上述技术方案，所述电池的容量为300mAh，电池的输出电压为11.4V。

相对现有技术，本发明具有以下有益效果：

1.本发明中每组叶轮系统作为一个推进单元，扇叶在驱动盘旋转至不同相位时有序的打开和闭合，在陆地行驶时，可以增加机器人越障能力、爬坡能力、地面附着力，在水面行驶时，可以为机器人提供升力和动力，减少水阻，在水下行驶时，可以通过调节叶轮转速实现机器人向任意方向的运动。

2.自主设计转向系统，通过凹弹片和凸弹片的配合来避免机器人因左右两侧叶轮系统所受的地面反力不平衡而产生横摆，转向时，凸弹片从凹弹片中滑出，弹性软轴和弹簧联轴器根据转向方向发生弹性变形，完成转向后恢复初始状态。

附图说明

图1是本发明实施例中多模式跨水陆运动仿生两栖机器人结构示意图；

图2是本发明实施例中多模式跨水陆运动仿生两栖机器人俯视结构示意图；

图3是本发明实施例中多模式跨水陆运动仿生两栖机器人正视结构示意图；

图4是本发明实施例中多模式跨水陆运动仿生两栖机器人侧视结构示意图；

图5是本发明实施例中多模式跨水陆运动仿生两栖机器人传动系统结构示意图；

图6是本发明实施例中多模式跨水陆运动仿生两栖机器人叶轮系统结构示意图；

图7是本发明实施例中多模式跨水陆运动仿生两栖机器人直线行驶状态转向系统结构示意图；

图8是本发明实施例中多模式跨水陆运动仿生两栖机器人转向行驶状态转向系统结构示意图；

图中，驱动盘-1、轴承座-2、偏心轴-3、辐条-4、轴销-5、骨架圆盘-6、扇叶-7、直轮轴-8、异形轮轴-9、小锥齿轮-10、大锥齿轮-11、刚性长轴-12、弹簧联轴器-13、弹性软轴-14、刚性短轴-15、轴承-16、电机-17、小斜齿轮-18、大斜齿轮-19、前底盘-20、后底盘-21、中轴-22、凸弹片-23、凹弹片-24、轴承-25、单片机-26、电池-27、电调-28、编码器-29、编码器磁块-30。

实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1~图4所示，本发明提供的一种实施例中多模式跨水陆仿生两栖机器人，包括叶轮系统、传动系统、转向系统和控制系统，四个叶轮系统安装在机器人前底盘20、后底盘21的两端，前底盘20与后底盘21通过中轴22转动连接，前底盘20、后底盘21上对称安装了电机17、刚性长轴12、刚性短轴15、直轮轴8、异形轮轴9，机器人左右侧叶轮系统分别由两个电机独立驱动。

进一步地，参照图5所示，传动系统包括小锥齿轮10、大锥齿轮11、刚性长轴12、弹簧联轴器13、弹性软轴14、刚性短轴15、电机17、小斜齿轮18、大斜齿轮19、轴承25，控制系统驱动电机17转动，电机17带动小斜齿轮18转动，与小斜齿轮18啮合的大斜齿轮19随之转动，与大斜齿轮19固定连接的刚性短轴15、弹簧联轴器13、弹性软轴14、刚性长轴12同步转动，固定在刚性短轴15末端的小锥齿轮10转动时带动与之啮合的大锥齿轮11转动，从而驱动一个叶轮系统转动，并利用卡簧限制小锥齿轮10在刚性短轴上轴向的位移，固定在刚性长轴12末端的小锥齿轮10转动时带动与之啮合的大锥齿轮11转动，从而驱动机器人同侧另一个叶轮系统转动，并利用卡簧限制小锥齿轮10在刚性短轴上轴向的位移，刚性长轴12贯穿异形轮轴9的槽孔，使得两个叶轮系统的大锥齿轮11与小锥齿轮10均在叶轮系统的右侧啮合，以确保机器人同侧两个叶轮系统旋转方向一致。

进一步地，参照图6所示，叶轮系统包括驱动盘1、轴承座2、偏心轴3、辐条4、轴销5、骨架圆盘6、扇叶7、直轮轴8、异形轮轴9、大锥齿轮11、轴承16，偏心轴3固定连接在直轮轴8末端，直轮轴固定安装在前底盘20上，传动系统驱动镶嵌有大锥齿轮11的驱动盘1转动，辐条4以转动连接偏心轴3的一端为圆心转动，扇叶7在驱动盘1和辐条4的约束下运动，骨架圆盘6跟随扇叶7同步运动，扇叶7处于不同相位时有不同的运动状态（71、72、73、74、75、76），在水上行进时，叶轮系统1/2面积浸没在水中，扇叶71入水时有较大的迎水面积，为机器人浮在水面提供升力，扇叶72在水中运动时有较大的迎水面积，为机器人行进提供动力，扇叶73将要出水时扇叶运动状态近似与驱动盘和骨架圆盘的圆弧重合有较小的迎水面积，受到较小的水阻力，扇叶74、75、76出水后外露在空气中，为下一个入水-出水过程做准备，在水下行进时，叶轮机构扇叶有序的开闭可以打破了其整周转动对水的推力作用的平衡，即可实现某方向的推进，通过更改电机驱动的转速，综合自身重力与浮力关系，可实现上浮和下潜运动，也可以实现从水下一边前进，一边上浮，在陆地行驶时，扇叶71可以与非结构地面上障碍物接触，提升机器人越障能力，扇叶73与地面有较大的接触面积，提升机器人的地面附着力。

进一步地，参照图7~图8所示，转向系统包括前底盘20、后底盘21、中轴22、凸弹片23、凹弹片24，机器人直线行驶时，控制系统控制位于前底盘20上的电机17输出转速等于位于后底盘21上的电机17输出转速，机器人左侧叶轮系统和右侧叶轮系统旋转速度相同，此时安装在前底盘20上的凸弹片23的凸起部分处于安装在后底盘21上的凹弹片24的凹槽中，机器人直线行驶过程中左右侧叶轮系统受到不规则地面的反力时凸弹片23锁止在凹弹片24凹槽中，使得机器人不会因为左右两侧叶轮系统所受地面反力的不一致而发生左右摆动，提升机器人直线行驶的稳定性。

进一步地，机器人转向时，以向右转向为例，控制系统控制位于前底盘20上的电机17输出转速小于位于后底盘21上的电机17输出转速，机器人两侧叶轮系统的转速不一致使两侧叶轮系统受到不同的地面反力，此时安装在前底盘20上的凸弹片23的凸起部分将从安装在后底盘21上的凹弹片24的凹槽中滑出，凸弹片23失去凹弹片24的束缚后，前底盘20和后底盘21可绕中轴22自由转动，弹性软轴14和弹簧联轴器13将发生自适应性变形配合机器人的转向，机器人转向结束时，控制系统控制位于前底盘20上的电机17输出转速等于位于后底盘21上的电机17输出转速，机器人两侧叶轮系统受到不同的地面反力，此时安装在前底盘20上的凸弹片23的凸起将从外界划入安装在后底盘21上的凹弹片24的凹槽中，机器人恢复直线行驶状态。

进一步地，所述控制系统包括单片机26、电池27、电调28、编码器29、编码器磁块30，电池27为控制系统提供电源，单片机27通过pwm波信号控制电调28信号输出值，电机27受电调28输出值的控制进行加速或减速，固定在刚性短轴15上的编码器磁块30随刚性短轴15旋转而转动，固定在前底盘20和后底盘21上的编码器29在接收到编码器磁块30的磁场变化信号后可以测得其旋转速度，单片机26根据两个编码器29测得的左右两侧传动系统的转动速度调节两个电调27的输出值，实现速度闭环控制。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.多模式跨水陆运动仿生两栖机器人，其特性在于，包括叶轮系统、传动系统、转向系统和控制系统，所述叶轮系统共有四个，安装在机器人的左右两侧，用于驱动机器人在陆地、水下、水面行驶，位于机器人左右两侧的叶轮系统分别由安装在前底盘和后底盘上的独立的两套传动系统驱动，控制系统控制两个独立的电机转动，转向系统布置在机器人前底盘和后底盘铰链连接处。

2.根据权利要求1所述的多模式跨水陆运动仿生两栖机器人，其特征在于，所述叶轮系统包括驱动盘、轴承座、偏心轴、辐条、轴销、骨架圆盘、扇叶、直轮轴、异形轮轴、大锥齿轮、轴承，所述大锥齿轮镶嵌于驱动盘的凹槽中，直轮轴或异形轮轴一端与两栖机器人前底盘固定连接，直轮轴或异形轮轴另一端和偏心轴固定连接，辐条大端与偏心轴的凸台转动连接并通过凸台末端的卡簧限制辐条在凸台上的轴向位移，辐条小端与扇叶通过轴销转动连接，轴承外圆通过过盈配合的方式同轴承座固定连接，轴承内圆转动连接在直轮轴或异形轮轴末端，并通过直轮轴和异形轮轴上的卡簧限制轴承在轮轴上的轴向位移，驱动盘与轴承座之间通过螺栓固定连接，扇叶中部凸台一侧同驱动盘的孔转动连接另一侧同骨架圆盘的孔转动连接。

3.根据权利要求1所述的多模式跨水陆运动仿生两栖机器人，其特征在于，所述传动系统包括小锥齿轮、大锥齿轮、刚性长轴、弹簧联轴器、弹性软轴、刚性短轴、电机、小斜齿轮、大斜齿轮、轴承，所述刚性长轴一端与小锥齿轮固定连接，小锥齿轮与大锥齿轮啮合，刚性长轴另一端与弹簧联轴器固定连接，弹性软轴一端与弹簧联轴器固定连接，弹性软轴另一端与另一个弹簧联轴器固定连接，刚性短轴一端与弹簧联轴器固定连接，刚性短轴另一端与另一个小锥齿轮固定连接，小锥齿轮与另一个大锥齿轮啮合，刚性长轴、刚性短轴通过轴承安装在两栖机器人前底盘、后底盘上，电机安装在前底盘、后底盘的电机座上，电机输出轴与小斜齿轮固定连接，大斜齿轮固定连接在刚性短轴上，小斜齿轮与大斜齿轮啮合。

4.根据权利要求1所述的多模式跨水陆运动仿生两栖机器人，其特征在于，所述转向系统包括前底盘、后底盘、中轴、凸弹片、凹弹片，所述前底盘与后底盘通过中轴转动连接，凸弹片安装在前底盘末端的弧形凸台上，凹弹片安装在后底盘前端的弧形凹台上，凸弹片与凹弹片之间恰好接触。

5.根据权利要求1所述的多模式跨水陆运动仿生两栖机器人，其特征在于，所述控制系统包括单片机、电池、电调、编码器、编码器磁块，单片机安装在前底盘上方，电池安装在后底盘上方，两个电调分别安装在前底盘和后底盘的下方，两个编码器分别安装在靠近大斜齿轮的前底盘和后底盘的轴承架上，两个编码器磁块安装在靠近两套传动系统的大斜齿轮的刚性短轴上，编码器和编码器磁块相距5mm且同心，单片机和编码器之间通过杜邦线连接，单片机和电调之间通过杜邦线连接，电池和电调之间通过导线连接。

6.根据权利要求2所述的多模式跨水陆运动仿生两栖机器人，其特征在于，所述扇叶选用材料为尼龙，尼龙材质的扇叶具有韧性和弹性，扇叶与地面接触时发生微小的弹性变形，起到缓冲减震和增大地面附着力的作用，每个叶轮系统共有六个扇叶。

7.根据权利要求3所述的多模式跨水陆运动仿生两栖机器人，其特征在于，所述异形轮轴有孔槽，刚性长轴从异形轮轴的孔槽中穿过，同一组传动系统中，刚性长轴与刚性短轴上固定的两个小锥齿轮与两个大锥齿轮的啮合处均在两个大锥齿轮同一边，用于保证机器人同侧的两个叶轮系统转动方向一致。

8.根据权利要求3所述的多模式跨水陆运动仿生两栖机器人，其特征在于，所述传动部件弹性软轴和弹簧联轴器在机器人转向时随着机器人前底盘和后底盘相对转角发生弹性变形，并在机器人转向结束恢复直线行驶时随之恢复初始状态。

9.根据权利要求3所述的多模式跨水陆运动仿生两栖机器人，其特征在于，所述传动部件小斜齿轮和大斜齿轮传动比为3.23:1，用来减速增扭，所述传动部件小锥齿轮和大锥齿轮传动比为2.54:1，用来改变传动方向并减速增扭。

10.根据权利要求4所述的多模式跨水陆运动仿生两栖机器人，其特征在于，所述凸弹片和凹弹片选用弹性材料，用于两个弹片之间锁止，当收到的外力大于凸弹片和凹弹片锁止之间的弹力时，凸弹片的凸起从凹弹片的凹槽中滑出，机器人前底盘和后底盘可以绕铰链转动。

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