CN116278557A - 一种多栖机器人及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多栖机器人及控制方法，机器人包括机体和肢腿，4个肢腿对称设置在机体两侧；肢腿包括髋骨单元、大腿单元、小腿单元、车轮单元、第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元、驱动切换单元和锁紧单元，髋骨单元安装在机体上，大腿单元的两端分别连接髋骨单元和小腿单元，车轮单元安装在大腿单元与小腿单元的连接处，车轮单元中的车轮辐条为螺旋桨结构；大腿单元随髋骨单元的转动而相对于机体内外摆动；第二驱动单元被配置为驱动大腿单元绕大腿单元与髋骨单元的连接处相对于机体前后摆动。与现有技术相比，本发明通过肢腿的变换可以支持水面作业、水下作业、陆地平坦地形作业、陆地崎岖地形作业和空中作业，环境适应能力强。

Description

一种多栖机器人及控制方法

技术领域

本发明涉及一种机器人技术领域，尤其是涉及一种能够自主切换运行模式的多栖机器人及控制方法。

背景技术

近年来，移动机器人的发展在机器人领域中处于十分重要的地位，移动机器人中的足式机器人、履带式机器人和轮式机器人各具特点。其中足式机器人一直以其优秀的地形适应性著称，其能够在复杂的作业环境以及危险的作业环境下完成作业。但目前为止，足式机器人依旧不能应对所有的特殊环境，面对需要水面作业、水下作业与空中作业的情况，足式机器人仍然无能为力，但是在相对平坦的陆地作业情况下其速度优于轮式机器人与履带式机器人。在目前的三栖多功能机器人种类中，陆地作业多以轮式或者履带式，对于复杂环境的适应性不如足式机器人，并且这些机器人结构复杂，功能实现困难，难以完成复杂地形的侦察、探测与运输。

中国专利CN113085459A公开了一种三栖机器人，采用斜面变换原理，使机器人具有更加稳定、快速的姿态转换能力，通过这种变体结构，适应多空间任务，具备水、陆、空多栖任务执行能力，然而，其在进行不平坦的陆地作业时，运动方式为轮式，难以适应复杂的地形环境。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多栖机器人及控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的第一方面，提供一种多栖机器人，包括机体和肢腿，所述肢腿的数量为4个，对称设置在机体的两侧，且同侧的两条肢腿安装方向相反；

所述肢腿包括髋骨单元、大腿单元、小腿单元、车轮单元、第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元、驱动切换单元和锁紧单元，所述髋骨单元安装在机体上，所述大腿单元的两端分别连接髋骨单元和小腿单元，所述车轮单元安装在所述大腿单元与小腿单元的连接处，所述车轮单元中的车轮辐条为螺旋桨结构；

所述第一驱动单元安装在机体上，所述第二驱动单元安装在髋骨单元上，所述第三驱动单元、驱动切换单元和锁紧单元安装在所述大腿单元与小腿单元的连接处；

所述髋骨单元与第一驱动单元相连，所述第一驱动单元被配置为驱动髋骨单元转动，所述大腿单元随所述髋骨单元的转动而相对于机体内外摆动；

所述大腿单元与第二驱动单元相连，所述第二驱动单元被配置为驱动所述大腿单元绕大腿单元与髋骨单元的连接处相对于机体前后摆动；

所述车轮单元与第三驱动单元相连，所述驱动切换单元和锁紧单元被配置为：驱动切换单元不运行且锁紧单元运行时，所述第三驱动单元的驱动力使得所述车轮单元转动，驱动切换单元运行且锁紧单元不运行时，所述第三驱动单元的驱动力使得小腿单元绕小腿单元与大腿单元的连接处相对于机体前后摆动。

优选地，所述大腿单元和小腿单元上设有适配所述车轮单元尺寸的开槽，所述车轮单元置于小腿单元端部的开槽内，所述小腿单元端部的开槽置于大腿单元端部的开槽内，所述第三驱动单元包括第三驱动电机和第三减速机构，所述第三驱动电机输出轴的末端与第三减速机构相连，所述第三驱动电机的输出轴与第三减速机构依次穿过大腿单元-小腿单元-车轮单元-小腿单元-大腿单元，所述车轮单元的中轴套设在所述第三驱动电机的输出轴上，所述车轮单元随第三驱动电机输出轴的转动而转动；

所述驱动切换单元连接第三减速机构和大腿单元，所述驱动切换单元运行时所述第三驱动单元的驱动力带动大腿单元转动，所述驱动切换单元不运行时所述第三驱动单元与大腿单元之间无传动关系；

所述锁紧单元连接大腿单元和小腿单元，所述锁紧单元运行时所述大腿单元与所述小腿单元相互静止不发生相对运动，所述锁紧单元不运行时所述大腿单元与小腿单元的运动相互独立。

优选地，所述驱动切换单元包括传动轴、传动保护套、第一摩擦传动片组和第一电动伸缩结构，所述第三减速机构的输入端和输出端分别连接第三驱动电机和传动轴，所述传动保护套安装在大腿单元上且套设在传动轴外，所述第一摩擦传动片组的内圈安装在传动轴上，所述第一摩擦传动片组的外圈安装在传动保护套上，所述第一电动伸缩结构用于带动所述第一摩擦传动片组的外圈与第一摩擦传动片组的内圈接合或分离，当所述驱动切换单元运行时，所述第一摩擦传动片组的外圈与第一摩擦传动片组的内圈接合，所述第三驱动电机输出轴的转动带动所述传动轴转动进而通过第一摩擦传动片组带动所述传动保护套及大腿单元转动。

优选地，所述锁紧单元包括第二摩擦传动片组和第二电动伸缩结构，所述第二摩擦传动片组的内圈安装在小腿单元上，所述第二摩擦传动片组的外圈安装在大腿单元上，所述第二电动伸缩结构用于带动所述第二摩擦传动片组的外圈与第二摩擦传动片组的内圈接合或分离，当所述锁紧单元运行时，所述大腿单元与小腿单元同步第二摩擦传动片组的外圈与第二摩擦传动片组的内圈接合，所述大腿单元与所述小腿单元相互静止不发生相对运动。

优选地，所述机体包括前腔保护壳体、中腔保护壳体、后腔保护壳体、控制系统和信息接收系统，所述前腔保护壳体和后腔保护壳体分别连接中腔保护壳体的两端，所述控制系统设置在中腔保护壳体内，所述前腔保护壳体内设有前部浸水仓和浮力前部调节单元，所述后腔保护壳体内设有后部浸水仓、后部浮力调节单元和舵桨，所述中腔保护壳体内设有控制舱体和重力偏转单元，所述重力偏转单元设置在所述控制舱体内，所述控制系统安装在所述重力偏转单元上，所述信息接收系统安装在机体上。

优选地，所述前部浮力调节单元包括前部弹性外膜、前部记忆金属网和前部金属网控制模块，所述前部弹性外膜连接前部浸水仓，并将前部浸水仓隔断为内腔和外腔，所述前腔保护壳体上设有连通外部和前部浸水仓的内腔或外腔的孔洞，所述前部记忆金属网与前部弹性外膜相连，所述前部金属网控制模块被配置为调整所述前部记忆金属网的形状，所述前部弹性外膜随前部记忆金属网形状的变化而变化，所述前部浸水仓的内腔和外腔的体积随前部弹性外膜的变化而变化；

所述后部浮力调节单元包括后部弹性外膜、后部记忆金属网和后部金属网控制模块，所述后部弹性外膜连接后部浸水仓，并将后部浸水仓隔断为内腔和外腔，所述后腔保护壳体上设有连通外部和后部浸水仓的内腔或外腔的孔洞，所述后部记忆金属网与后部弹性外膜相连，所述后部金属网控制模块被配置为调整所述后部记忆金属网的形状，所述后部弹性外膜随后部记忆金属网形状的变化而变化，所述后部浸水仓的内腔和外腔的体积随后部弹性外膜的变化而变化。

优选地，所述信息接收系统包括视觉系统和天线，所述视觉系统包括雷达和相机。

优选地，所述中腔保护壳体为圆柱形，所述重心偏转单元包括中心轴和驱动系统，所述中心轴设置在中腔保护壳体的中轴线上，所述控制系统安装在中心轴上，所述驱动系统被配置为带动所述控制系统在中心轴上转动和带动所述控制系统在中腔保护壳体内沿中腔保护壳体的轴向运动。

优选地，所述第一驱动单元包括第一驱动电机和第一减速机构，所述第二驱动单元包括第二驱动电机和第二减速机构，所述第三驱动单元包括第三驱动电机和第三减速机构，所述第一减速机构和第二减速机构为行星齿轮与皮带传动减速器，所述第三减速机构为摆线针轮减速器。

根据本发明的第二方面，提供一种控制方法，用于控制如本发明第一方面所述的多栖机器人，包括：

获取当前的作业模式，根据当前的作业模式调整肢腿的状态，如下：

水面作业模式下，肢腿展开，通过所述车轮单元的螺旋桨结构在水面滑行；

水下作业模式下，通过所述车轮单元的螺旋桨结构在水面滑行；

陆地作业模式下，若地形平坦，则收起小腿单元，通过所述车轮单元进行轮足式运动，若地形崎岖，则放下小腿单元，通过所述髋骨单元、大腿单元和小腿单元进行足式运动；

空中作业模式下，肢腿收缩，通过所述车轮单元的螺旋桨结构在空中以四翼飞行器的方式飞行。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)通过肢腿的变换可以支持水面作业、水下作业、陆地平坦地形作业、陆地崎岖地形作业和空中作业，环境适应能力强。

(2)在水下作业模式时通过改变浮力状态来完成水下作业，所需的能量较少，能在水下作业极长的时间，并且通过重心调节单元与浮力调节单元的调节能够在水下作业中调节自身的运动姿态，能够实现水下越障。

(3)通过驱动切换单元和锁紧单元，使得第三驱动单元可以实现车轮的转动和小腿单元的运动，减少了电机数量。

附图说明

图1为多栖机器人陆地作业时崎岖地形下的状态示意图；

图2为多栖机器人陆地作业时平坦地形下的状态示意图；

图3为多栖机器人水下作业时的状态示意图；

图4为多栖机器人水面作业时的状态示意图；

图5为多栖机器人空中作业时平坦地形下的状态示意图；

图6为肢腿单元的整体结构示意图；

图7为肢腿单元的整体结构示意图；

图8为大腿单元和小腿单元的结构示意图；

图9为车轮单元的结构示意图；

图10为大腿单元与小腿单元连接处的结构示意图；

图11为大腿单元与小腿单元连接处的剖视图；

图12为大腿单元与小腿单元连接处的剖视图；

图13为驱动切换单元的结构示意图；

图14为锁紧单元的结构示意图；

图15为多栖机器人的剖视图；

附图标记：1、机体，2、髋骨单元，3、大腿单元，4、小腿单元，5、车轮单元，5-1、螺旋桨结构，5-2、车轮单元的中轴，6、大腿单元和小腿单元上的开槽，7、第三驱动电机，8、第三减速机构，9、传动轴，10、传动保护套，11、第一摩擦传动片组，11-1、第一摩擦传动片组的内圈，11-2、第一摩擦传动片组的外圈，12、第二摩擦传动片组，12-1、第二摩擦传动片组的内圈，12-2、第二摩擦传动片组的内圈，13、连接盘，14、连接杆，15、弹簧，16、前腔保护壳体，17、中腔保护壳体，18、后腔保护壳体，19、前部浸水仓，20、前部弹性外膜，21、前部记忆金属网，22、后部浸水仓，23、后部弹性外膜，24、后部记忆金属网，25、控制系统，26、中心轴，27、舵桨，28、天线，29、起落架，30、肢腿连接结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例，本发明的保护范围不限于下述的实施例。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，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，展示各个部件之间的配合关系，附图中有些地方适当放缩了部件，并增减了部件之间的距离。

在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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设备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。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本发明提供一种多栖机器人，如图1-图5所示，包括机体1和肢腿，肢腿的数量为4个，对称设置在机体1的两侧，且同侧的两条肢腿安装方向相反；如图6、7所示，肢腿包括髋骨单元2、大腿单元3、小腿单元4、车轮单元5、第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元、驱动切换单元和锁紧单元，髋骨单元2安装在机体1上，大腿单元3的两端分别连接髋骨单元2和小腿单元4，车轮单元5安装在大腿单元3与小腿单元4的连接处，如图9所示，车轮单元5中的车轮辐条为螺旋桨结构5-1。

第一驱动单元安装在机体1上，第二驱动单元安装在髋骨单元2上，第三驱动单元、驱动切换单元和锁紧单元安装在大腿单元3与小腿单元4的连接处；髋骨单元2与第一驱动单元相连，第一驱动单元被配置为驱动髋骨单元2转动，大腿单元3随髋骨单元2的转动而相对于机体1内外摆动；大腿单元3与第二驱动单元相连，第二驱动单元被配置为驱动大腿单元3绕大腿单元3与髋骨单元2的连接处相对于机体1前后摆动；车轮单元5与第三驱动单元相连，驱动切换单元和锁紧单元被配置为：驱动切换单元不运行且锁紧单元运行时，第三驱动单元的驱动力使得车轮单元5转动，驱动切换单元运行且锁紧单元不运行时，第三驱动单元的驱动力使得小腿单元4绕小腿单元4与大腿单元3的连接处相对于机体1前后摆动。

本申请实施例中，多栖机器人如图1-图5所示，如图1所示，在陆地作业模式下，机器人可以贴着机体1向下伸展大腿单元3和小腿单元4，小腿单元4着地，4个肢腿交替运动，机器人使用四条肢腿以足式机器人的运动方式进行运动，适合在陆地作业时的崎岖地形；如图2所示，在陆地作业模式下，机器人可以贴着机体1向下伸展大腿单元3，小腿单元4上翻，车轮单元5着地，机器人利用肢腿上的车轮以轮足式机器人的运动方式进行运动，适合在陆地作业时的平坦地形；如图3所示，在水面作业模式下，机器人可以贴着机体1向下伸展大腿单元3，通过机体1调整自身所受浮力，调整大腿单元3角度，通过肢腿上车轮中的螺旋桨结构5-1在水面滑行实现水面作业；如图4所示，在水下作业模式下，机器人可以贴着机体1向下伸展大腿单元3，调整自身所受浮力，调整大腿单元3角度，可以与水面作业方式相同，使用肢腿上车轮中的螺旋桨结构5-1在水下进行作业，也能够将肢腿将收拢，机体1通过改变自身的前部与后部所受浮力的差值，实现机器人的水下低功耗潜行；如图5所示，空中作业模式下，肢腿将固定在机体1的两侧，大腿单元3外翻，小腿单元4与大腿单元3折叠在一起，四个肢腿中的四个车轮中的螺旋桨结构5-1作为机器人的四个旋翼，机器人将以四旋翼飞行器的运行方式进行空中作业。

本申请的驱动结构使得肢腿具有3个自由度，分别为肢腿摆动自由度、髋腿自由度与膝腿自由度，具体的驱动结构如下：

第一驱动单元包括第一驱动电机和第一减速机构，第二驱动单元包括第二驱动电机和第二减速机构，第三驱动单元包括第三驱动电机7和第三减速机构8。本申请实施例中，第一减速机构和第二减速机构为行星齿轮与皮带传动减速器，第三减速机构8为摆线针轮减速器。

第一驱动电机连接第一减速机构，第一减速机构连接髋骨单元2，从而驱动髋骨单元2旋转，且其旋转的轴线近似平行机体1前后方向上的中轴线，当髋骨单元2转动时，与髋骨单元2相连的大腿单元3会随之转动，从而使得大腿单元3相对于机体1内外摆动，与大腿单元3相连的小腿单元4、车轮单元5等随之运动，即肢腿摆动自由度，图1、图5示出了大腿单元3相对于机体1内外摆动的不同状态。

第二驱动单元连接第二减速机构，第二减速机构连接大腿单元3，从而驱动大腿单元3旋转，且其旋转的轴线近似平行机体1左右方向上的中轴线，故第二驱动单元可实现大腿相对于机体1前后摆动，当大腿单元3转动时，与大腿单元3相连的小腿单元4、车轮单元5等随之运动，即髋腿自由度，图3、图4示出了大腿单元3相对于机体1前后摆动的不同状态。

如图8所示，大腿单元3和小腿单元4上设有适配车轮单元5尺寸的开槽6，车轮单元5置于小腿单元4端部的开槽内，小腿单元4端部的开槽置于大腿单元3端部的开槽内，第三驱动单元包括第三驱动电机7和第三减速机构8，第三驱动电机7输出轴的末端与第三减速机构8相连，第三驱动电机7的输出轴与第三减速机构8依次穿过大腿单元3-小腿单元4-车轮单元5-小腿单元4-大腿单元3，车轮单元5的中轴5-2套设在第三驱动电机7的输出轴上，车轮单元5随第三驱动电机7输出轴的转动而转动；驱动切换单元连接第三减速机构8和大腿单元3，驱动切换单元运行时第三驱动单元的驱动力带动大腿单元3转动，驱动切换单元不运行时第三驱动单元与大腿单元3之间无传动关系；锁紧单元连接大腿单元3和小腿单元4，锁紧单元运行时大腿单元3与小腿单元4相互静止不发生相对运动，锁紧单元不运行时大腿单元3与小腿单元4的运动相互独立。因此，当驱动切换单元不运行且锁紧单元运行时，第三驱动单元的驱动力使得车轮单元5转动，即膝腿自由度，驱动切换单元运行且锁紧单元不运行时，第三驱动单元的驱动力使得小腿单元4绕小腿单元4与大腿单元3的连接处相对于机体1前后摆动。

本申请实施例中，如图10-12所示，驱动切换单元包括传动轴9、传动保护套10、第一摩擦传动片组11和第一电动伸缩结构，第三减速机构8的输入端和输出端分别连接第三驱动电机7和传动轴9，传动保护套10安装在大腿单元3上且套设在传动轴9外，第一摩擦传动片组的内圈11-1安装在传动轴9上，第一摩擦传动片组的外圈11-2安装在传动保护套10上，第一电动伸缩结构用于带动第一摩擦传动片组的外圈11-2与第一摩擦传动片组的内圈11-1接合或分离，当驱动切换单元运行时，第一摩擦传动片组的外圈11-2与第一摩擦传动片组的内圈11-1接合，第三驱动电机7输出轴的转动带动传动轴9转动，传动轴9上的第一摩擦传动片组的内圈11-1随传动轴9转动，进而通过摩擦力带动第一摩擦传动片组的外圈11-2转动，从而使得传动保护套10及大腿单元3转动。

本申请实施例中，如图10-12所示，锁紧单元包括第二摩擦传动片组12和第二电动伸缩结构，第二摩擦传动片组的内圈12-1安装在小腿单元4上，第二摩擦传动片组的外圈12-2安装在大腿单元3上，第二电动伸缩结构用于带动第二摩擦传动片组的外圈12-2与第二摩擦传动片组的内圈12-1接合或分离，当锁紧单元运行时，大腿单元3与小腿单元4同步第二摩擦传动片组的外圈12-2与第二摩擦传动片组的内圈12-1接合，大腿单元3与小腿单元4相互静止不发生相对运动，大腿单元3和小腿单元4锁定在一起。

其中，第一电动伸缩结构和第二电动伸缩结构均可以使用电磁铁+弹簧15的形式实现。具体的，本申请实施例中，如图13所示，第一电动伸缩结构包括连接盘13、连接杆14、电磁铁和弹簧15，连接杆14的两端连接连接盘13和第一摩擦传动片组的外圈11-2/内圈，电磁铁安装在连接盘13上，弹簧15一端位置固定(本申请固定在传动保护套10上)，一端与连接盘13相连，传动保护套10或大腿单元3上靠近连接盘13的一端有磁铁；当电磁铁通电后，电磁铁与磁铁吸引，连接盘13带动连接杆14向传动保护套10及大腿单元3一侧运动，进而推动第一摩擦传动片组的外圈11-2与第一摩擦传动片组的内圈11-1接合，弹簧15被压缩，当电磁铁断电后，在弹簧15弹力的作用下连接盘13带动连接杆14远离传动保护套10及大腿单元3，带动第一摩擦传动片组的外圈11-2与第一摩擦传动片组的内圈11-1分离。同理，第二电动伸缩结构也可以使用电磁铁+弹簧的形式实现，本申请实施例中，如图14所示，将连接杆、弹簧与电磁铁安装在小腿单元4上，当电磁铁通电后，电磁铁与磁铁相斥，第二摩擦传动片组的外圈12-2与第二摩擦传动片组的内圈12-1分离，从而大腿单元3和小腿单元4没有传动关系，使膝腿自由度能够自由运动；当电磁铁断电后，在弹簧的作用下第二摩擦传动片组的外圈12-2与第二摩擦传动片组的内圈12-1接合，从而锁紧膝腿自由度。当然，其他实施方式中，还可以使用其他手段实现电动伸缩结构，如微型电动伸缩杆，等等。

故而，本申请实施例中，希望实现车轮单元5转动时，驱动切换单元不运行(电磁铁断电)，第三驱动单元与大腿单元3和小腿单元4之间没有建立传动关系，且锁紧单元运行(电磁铁断电)，大腿单元3和小腿单元4锁紧，二者的相对位置固定不变。希望小腿摆动时，驱动切换单元运行(电磁铁通电)，第三驱动单元与大腿单元3之间建立传动关系，且锁紧单元不运行(电磁铁通电)，大腿单元3和小腿单元4间的膝腿自由度能够自由运动，第三驱动单元驱动大腿单元3转动，由于大腿单元3与髋骨单元2之间的角度固定，故而反向使得小腿单元4相对于大腿单元3转动。

如图15所示，机体1包括前腔保护壳体16、中腔保护壳体17、后腔保护壳体18、控制系统25和信息接收系统，前腔保护壳体16和后腔保护壳体18分别连接中腔保护壳体17的两端，控制系统25设置在中腔保护壳体17内，前腔保护壳体16内设有前部浸水仓19和浮力前部调节单元，后腔保护壳体18内设有后部浸水仓22、后部浮力调节单元和舵桨，中腔保护壳体17内设有控制舱体和重力偏转单元，重力偏转单元设置在控制舱体内，控制系统25安装在重力偏转单元上，信息接收系统安装在机体1上。

前腔保护壳体16的外形为流线型，前部浮力调节单元包括前部弹性外膜20、前部记忆金属网21和前部金属网控制模块，前部弹性外膜20连接前部浸水仓19，并将前部浸水仓19隔断为内腔和外腔，前腔保护壳体16上设有连通外部和前部浸水仓19的内腔或外腔的孔洞，前部记忆金属网21与前部弹性外膜20相连，前部金属网控制模块被配置为调整前部记忆金属网21的形状，前部弹性外膜20随前部记忆金属网21形状的变化而变化，前部浸水仓19的内腔和外腔的体积随前部弹性外膜20的变化而变化，从而可以调节浮力；

后腔保护壳体18的外形为流线型，后部浮力调节单元包括后部弹性外膜23、后部记忆金属网24和后部金属网控制模块，后部弹性外膜23连接后部浸水仓22，并将后部浸水仓22隔断为内腔和外腔，后腔保护壳体18上设有连通外部和后部浸水仓22的内腔或外腔的孔洞，后部记忆金属网24与后部弹性外膜23相连，后部金属网控制模块被配置为调整后部记忆金属网24的形状，后部弹性外膜23随后部记忆金属网24形状的变化而变化，后部浸水仓22的内腔和外腔的体积随后部弹性外膜23的变化而变化，从而可以调节浮力。在后腔保护壳体18上还安装了舵桨27，机器人在水下作业时通过舵桨27进行转向。

本申请实施例中，记忆金属网可以在不同温度下发生形变，金属网控制模块能够通电以改变记忆金属网的温度。在普通运行状态下(水中、水面、陆地或空中)作业时，记忆金属网的温度范围为-2℃到30℃的范围内，此时的形状为第一形状，此时记忆金属网呈内凹状，记忆金属网中的金属丝在通电后温度将升高至40℃以上，此时通电金属丝的形状变化为第二形状，通电部分的金属丝的形态将记忆金属网变化为外凸状，从而改变浸水仓中的浸水体积大小。当然，其他实施方式中，也可以采用其他手段实现浮力调解，如在浸水仓中设置可充放气的气囊，通过充气量控制气囊的大小，进而改变浸水仓内液体的体积，实现浮力调节。

中腔保护壳体17为圆柱形，重心偏转单元包括中心轴26和驱动系统，中心轴26设置在中腔保护壳体17的中轴线上，控制系统25安装在中心轴26上，驱动系统被配置为带动控制系统25在中心轴26上转动(改变重心相对于中心轴的角度)和带动控制系统25在中腔保护壳体17内沿中腔保护壳体17的轴向运动，控制系统25包括电路板、电源、处理器等结构，具有一定的质量，改变其位置可以调整机体1的重心。其他实施方式中，如果担心控制系统25的质量不足以调节整个机器人的重心，还可以添加配重块。本申请实施例中，径向的移动由一个安装在中心轴26中的直线电机驱动，绕中心轴26的旋转由电机与齿轮传动结构驱动。此外，中腔保护壳体17的下方安装有起落架29，中腔保护壳体17的两侧安装有肢腿连接结构30，以连接肢腿的髋骨单元2，并安装第一驱动单元。

信息接收系统包括视觉系统和天线28，视觉系统包括雷达和相机，本申请实施例中，在前腔保护壳体16和中腔保护壳体17上预留了安装视觉系统的结构，雷达安装在中腔保护壳体17外侧的上方，相机安装在前腔保护壳体16的前方，天线28安装在后腔保护壳体18上。可以理解的是，根据需要，信息接收系统还可以搭载其他传感器，如GPS传感器、激光雷达、超声波测距仪、气压计、陀螺仪、加速度计等，在此不再一一介绍，本领域技术人员可以理解。

控制系统25包括飞行控制单元、肢腿控制单元、电池、自身状态检测单元、主控单元等，自身状态检测单元获取与机器人自身状态相关的状态数据，供电单元用于为控制系统25及肢腿等机器人上的部件供电，肢腿控制单元控制肢腿的变形和运动，飞行控制单元控制飞行作业模式下螺旋桨的运动。主控单元根据自身状态检测单元的数据以及信息接收系统获取的数据进行机器人运动控制，实现三栖机器人的水面作业模式、水下作业模式、陆地作业模式和空中作业模式，以及这四种作业模式的相互切换。还可以通过天线28直接将控制信号发送至控制系统25。可以理解的是，控制单元具体的数据解算和控制指令生成，在此不再赘述，本领域技术人员在掌握机器人的结构后，可以使用本领域常规技术手段完成机器人的运动控制。

本发明还提供一种控制方法，用于控制上述的多栖机器人，包括：

获取当前的作业模式，根据当前的作业模式调整肢腿的状态，如下：

水面作业模式下，肢腿展开，通过车轮单元5的螺旋桨结构5-1在水面滑行；

水下作业模式下，通过车轮单元5的螺旋桨结构5-1在水面滑行；

陆地作业模式下，若地形平坦，则收起小腿单元4，通过车轮单元5进行轮足式运动，若地形崎岖，则放下小腿单元4，通过髋骨单元2、大腿单元3和小腿单元4进行足式运动；

空中作业模式下，肢腿收缩，通过车轮单元5的螺旋桨结构5-1在空中以四翼飞行器的方式飞行。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多栖机器人，其特征在于，包括机体和肢腿，所述肢腿的数量为4个，对称设置在机体的两侧，且同侧的两条肢腿安装方向相反；

所述肢腿包括髋骨单元、大腿单元、小腿单元、车轮单元、第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元、驱动切换单元和锁紧单元，所述髋骨单元安装在机体上，所述大腿单元的两端分别连接髋骨单元和小腿单元，所述车轮单元安装在所述大腿单元与小腿单元的连接处，所述车轮单元中的车轮辐条为螺旋桨结构；

所述第一驱动单元安装在机体上，所述第二驱动单元安装在髋骨单元上，所述第三驱动单元、驱动切换单元和锁紧单元安装在所述大腿单元与小腿单元的连接处；

所述髋骨单元与第一驱动单元相连，所述第一驱动单元被配置为驱动髋骨单元转动，所述大腿单元随所述髋骨单元的转动而相对于机体内外摆动；

所述大腿单元与第二驱动单元相连，所述第二驱动单元被配置为驱动所述大腿单元绕大腿单元与髋骨单元的连接处相对于机体前后摆动；

所述车轮单元与第三驱动单元相连，所述驱动切换单元和锁紧单元被配置为：驱动切换单元不运行且锁紧单元运行时，所述第三驱动单元的驱动力使得所述车轮单元转动，驱动切换单元运行且锁紧单元不运行时，所述第三驱动单元的驱动力使得小腿单元绕小腿单元与大腿单元的连接处相对于机体前后摆动。

2.根据权利要求1所述的一种多栖机器人，其特征在于，所述大腿单元和小腿单元上设有适配所述车轮单元尺寸的开槽，所述车轮单元置于小腿单元端部的开槽内，所述小腿单元端部的开槽置于大腿单元端部的开槽内，所述第三驱动单元包括第三驱动电机和第三减速机构，所述第三驱动电机输出轴的末端与第三减速机构相连，所述第三驱动电机的输出轴与第三减速机构依次穿过大腿单元-小腿单元-车轮单元-小腿单元-大腿单元，所述车轮单元的中轴套设在所述第三驱动电机的输出轴上，所述车轮单元随第三驱动电机输出轴的转动而转动；

所述驱动切换单元连接第三减速机构和大腿单元，所述驱动切换单元运行时所述第三驱动单元的驱动力带动大腿单元转动，所述驱动切换单元不运行时所述第三驱动单元与大腿单元之间无传动关系；

所述锁紧单元连接大腿单元和小腿单元，所述锁紧单元运行时所述大腿单元与所述小腿单元相互静止不发生相对运动，所述锁紧单元不运行时所述大腿单元与小腿单元的运动相互独立。

3.根据权利要求2所述的一种多栖机器人，其特征在于，所述驱动切换单元包括传动轴、传动保护套、第一摩擦传动片组和第一电动伸缩结构，所述第三减速机构的输入端和输出端分别连接第三驱动电机和传动轴，所述传动保护套安装在大腿单元上且套设在传动轴外，所述第一摩擦传动片组的内圈安装在传动轴上，所述第一摩擦传动片组的外圈安装在传动保护套上，所述第一电动伸缩结构用于带动所述第一摩擦传动片组的外圈与第一摩擦传动片组的内圈接合或分离，当所述驱动切换单元运行时，所述第一摩擦传动片组的外圈与第一摩擦传动片组的内圈接合，所述第三驱动电机输出轴的转动带动所述传动轴转动进而通过第一摩擦传动片组带动所述传动保护套及大腿单元转动。

4.根据权利要求2所述的一种多栖机器人，其特征在于，所述锁紧单元包括第二摩擦传动片组和第二电动伸缩结构，所述第二摩擦传动片组的内圈安装在小腿单元上，所述第二摩擦传动片组的外圈安装在大腿单元上，所述第二电动伸缩结构用于带动所述第二摩擦传动片组的外圈与第二摩擦传动片组的内圈接合或分离，当所述锁紧单元运行时，所述大腿单元与小腿单元同步第二摩擦传动片组的外圈与第二摩擦传动片组的内圈接合，所述大腿单元与所述小腿单元相互静止不发生相对运动。

5.根据权利要求1所述的一种多栖机器人，其特征在于，所述机体包括前腔保护壳体、中腔保护壳体、后腔保护壳体、控制系统和信息接收系统，所述前腔保护壳体和后腔保护壳体分别连接中腔保护壳体的两端，所述控制系统设置在中腔保护壳体内，所述前腔保护壳体内设有前部浸水仓和浮力前部调节单元，所述后腔保护壳体内设有后部浸水仓、后部浮力调节单元和舵桨，所述中腔保护壳体内设有控制舱体和重力偏转单元，所述重力偏转单元设置在所述控制舱体内，所述控制系统安装在所述重力偏转单元上，所述信息接收系统安装在机体上。

6.根据权利要求5所述的一种多栖机器人，其特征在于，所述前部浮力调节单元包括前部弹性外膜、前部记忆金属网和前部金属网控制模块，所述前部弹性外膜连接前部浸水仓，并将前部浸水仓隔断为内腔和外腔，所述前腔保护壳体上设有连通外部和前部浸水仓的内腔或外腔的孔洞，所述前部记忆金属网与前部弹性外膜相连，所述前部金属网控制模块被配置为调整所述前部记忆金属网的形状，所述前部弹性外膜随前部记忆金属网形状的变化而变化，所述前部浸水仓的内腔和外腔的体积随前部弹性外膜的变化而变化；

所述后部浮力调节单元包括后部弹性外膜、后部记忆金属网和后部金属网控制模块，所述后部弹性外膜连接后部浸水仓，并将后部浸水仓隔断为内腔和外腔，所述后腔保护壳体上设有连通外部和后部浸水仓的内腔或外腔的孔洞，所述后部记忆金属网与后部弹性外膜相连，所述后部金属网控制模块被配置为调整所述后部记忆金属网的形状，所述后部弹性外膜随后部记忆金属网形状的变化而变化，所述后部浸水仓的内腔和外腔的体积随后部弹性外膜的变化而变化。

7.根据权利要求5所述的一种多栖机器人，其特征在于，所述信息接收系统包括视觉系统和天线，所述视觉系统包括雷达和相机。

8.根据权利要求5所述的一种多栖机器人，其特征在于，所述中腔保护壳体为圆柱形，所述重心偏转单元包括中心轴和驱动系统，所述中心轴设置在中腔保护壳体的中轴线上，所述控制系统安装在中心轴上，所述驱动系统被配置为带动所述控制系统在中心轴上转动和带动所述控制系统在中腔保护壳体内沿中腔保护壳体的轴向运动。

9.根据权利要求1所述的一种多栖机器人，其特征在于，所述第一驱动单元包括第一驱动电机和第一减速机构，所述第二驱动单元包括第二驱动电机和第二减速机构，所述第三驱动单元包括第三驱动电机和第三减速机构，所述第一减速机构和第二减速机构为行星齿轮与皮带传动减速器，所述第三减速机构为摆线针轮减速器。

10.一种控制方法，其特征在于，用于控制如权利要求1-9中任一所述的多栖机器人，包括：

获取当前的作业模式，根据当前的作业模式调整肢腿的状态，如下：

水面作业模式下，肢腿展开，通过所述车轮单元的螺旋桨结构在水面滑行；

水下作业模式下，通过所述车轮单元的螺旋桨结构在水面滑行；

陆地作业模式下，若地形平坦，则收起小腿单元，通过所述车轮单元进行轮足式运动，若地形崎岖，则放下小腿单元，通过所述髋骨单元、大腿单元和小腿单元进行足式运动；

空中作业模式下，肢腿收缩，通过所述车轮单元的螺旋桨结构在空中以四翼飞行器的方式飞行。

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