CN116619959A - 一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人，由复合驱动机构、分段机身、复合支撑机构、电子舱、太阳能板五大部分组成。该机器人的能源利用效率、越障能力、操纵和自主性都较一般多栖机器人有极大提升。极地多栖机器人拥有能够通过冰、雪、水以及陆地这四种介质以及介质过渡区域的能力。极地多栖机器人具有四种基本运动模式，使得该机器人具有能够在极地作业的机动能力。在极地极端气候条件下代替人类进行科研、救援等任务。

Description

一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人

技术领域

本发明涉及一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人，属于机器人技术领域。

背景技术

极地地区有着极端气候条件，缺乏可供人类生存和工作的基本资源，此外极地地区以冰、雪、水覆盖为主，还存在着少量的陆地地面。这些复杂多变的地形增加了极地探索的风险和复杂性。目前缺乏用来极地探索与科研的多栖机器人来替代人类的工作，而一般的多栖机器人不适用于极地情况。

极地地区是地球上少数几个未被完全探索的地区之一，该地区存在丰富的自然资源，如矿产、石油、天然气等，此外极地地区的生态系统对全球气候和环境变化具有重要影响，因此对极地进行探索具有广泛的意义。目前有两种方式对极地进行探索，一是通过科考人员对极地的直接探索。人类在极地地区进行探索和研究面临许多劣势，包括极端气候条件、孤立和交通困难、高成本和资源消耗、生命安全风险以及有限的研究时间窗口。二是通过机器人等辅助工具来进行极地探索。但是一般的多栖机器人因为能源消耗过高和极地冰面通过能力差的因素，使得其无法适应极地的恶劣的气候条件和复杂多变的地形条件。因此亟需一种针对极地环境的多栖机器人，通过极地多栖机器人的使用来提高效率、降低风险，并为人类提供更多关于极地地区的信息和洞察力。此外极地存在冰面、雪面、水以及陆地的等介质以及介质过渡区域，能自主通过该区域是衡量极地多栖机器人越障性能、自主性的重要指标之一。

目前已有一些申请号为202210188496.4的发明专利，申请号为201811027828.0的发明专利，公布了两种雪地漫游机器人，提供了可以在极地作业的机器人，具有较高的道路适应能力。这两种雪地机器人，只能由人为的布放在雪地上，均不具有水下工作能力，以及冰水两栖环境过渡的能力。申请号201310614661.9的发明专利，公布了一种两栖轮履复合式机器人移动平台，该机器人通过轮履复合行驶机构实现陆地上的推进，通过浮箱和螺旋桨实现水面的推进。但是该机器人只具有水面工作能力，无法潜入水下进行工作。申请号201910264762.5的发明专利，公布了一种轮腿复合式的两栖机器人，该机器人通过车轮在陆地上推进，通过支撑腿中的叶轮在水下喷水推进，但是不适合在极地等摩擦力底的冰雪面上推进，支撑腿具有的越障能力不足以翻越冰层等两栖过渡环境。申请号201310415352.9的发明专利，公布了一种基于风光互补能源的极地机器人。该机器人充分利用了南极的气候条件，通过吸收风能、太阳能来提高机器人续航能力，此外该机器人具有一定的越障能力，但是缺乏水下的运动能力。申请号201911338658.2的发明专利，公布了一种极地无人机应急保障机器人，属于极地无人机应急保障机器人技术领域。该机器人能作为飞行无人机的发射、充电、回收平台，此外还具有能源收集的能力，但是缺乏越障、多栖能力。申请号为202010180964.4的发明专利，公布了一种变形多栖机器人及控制方法。该机器人具有多种运动模式，能实现水陆空三栖，能够在复杂工作环境下无间隙的进行不同工作模式下的转换。但是其能源消耗过大以及遇到高低起伏较大的情况只能通过切换飞行模式来越障，导致该机器人不适应于重视能源的极地地区。申请号202011093718.1的发明专利，公布了一种水陆空多栖机器人。该机器人具有多种运动模式，能实现水陆空三栖。但是其陆上越障性能差，只能依靠飞行模式实现越障，需要耗费较大的能源，因此该机器人不适用于极地等能源紧张的地区。

现有技术还存在以下不足之处：

1)判断一个机器人是否适用于极地地区，需考虑能源、越障、操控与自主性能这几个方面。现有的多栖机器人的陆上推进机构无法适用于恶劣气候条件和复杂多变地形条件的极地环境，所以大部分越障和介质过渡只能依靠飞行机构。但是在能源额外重要的极地等地区，长时间的飞行模式会消耗大量能源。即缺乏一种极地多栖机器人拥有着低能耗、高利用率的性能以及能够通过冰、雪、水以及陆地这四种介质以及介质过渡区域的能力。

2)大部分的多栖机器人存在结构复杂、冗余的问题，陆上、水下各一套推进机构，只是简单的把几种推进机构叠加在一起，未简化推进机构。

3)大部分的多栖机器人未考虑本身导流性，机器人越障、过渡冰层时过度依赖飞行模式，以及未能利用极地地区的环境特点来节省能源，最终导致能源消耗大、利用效率低的问题。

4)大部分的多栖机器人更多关注于在水、冰环境中的运动问题，缺少考虑水、冰过渡环境下面临的问题。

5)一部分的多栖机器人在水中运动时，因为推进器姿态的限制，导致机动性不够。部分多栖机器人只具有在水面、水下两者中的一种作业范围，无法实现触底与水面工作的灵活转换。

针对上述不足，本发明提供了一种能够适应极地环境的多栖机器人，其中的复合推进机构让机器人能够以较高的能源利用效率、较强的越障能力、良好的操纵和自主性进行工作。此外该机器人具有能够跨越冰、雪、水以及陆地这四种介质以及介质过渡区域的能力。

发明内容

为了克服现有研究的不足，本发明提供了一种能够应对极地恶劣的气候条件和复杂多变的跨水陆冰雪的极地多栖机器人，具备在冰、雪、水、陆地四种介质以及四种介质过渡区域的通过能力，其中翻越冰层的能力极为重要，此外该机器人相对于一般多栖机器人要具有更高的能源利用效率、越障能力、操纵和自主性。

一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人，包括分段机身，安装在所述分段机身前端的复合支撑机构和安装在所述分段机身后端且具有支撑腿、舵、雪橇的作用的复合驱动机构；

分段机身拥有转动机构。转动机构的特点：1.能够根据现实场景实时改变前机身与后机身的夹角，使得该机器人具有极强的越障能力。2.与其它复合机构共同作用，使得机器人的运动模式更加丰富。

所述复合驱动机构包括第一舵机，所述第一舵机连接着可相对旋转的第一支撑架进而实现复合驱动机构整体的旋转，所述第一支撑架下连接着可相对旋转的支撑旋转机构，所述支撑旋转机构下固定连接着固定座，所述固定座下固定安装着驱动电机和轮桨复合机构，所述驱动电机通过第二联轴器与所述轮桨复合机构相连，所述第一舵机一端固定在分段机身上；

复合驱动机构的特点：1.通过单个电机驱动轮、桨两种推进器完成极地四种介质通过与过渡，简化了驱动结构。2.通过采用多个舵机，使得复合驱动机构起到类似轮桨腿的机构，丰富了运动模式，节省了能源。

所述复合支撑机构由与大臂通过螺钉连接的第四舵机、通过螺钉与第五舵机固定的大臂、第五舵机、通过螺钉与第五舵机连接的小臂、通过卡槽和螺钉与小臂固定的中舵、通过卡槽和螺钉与中舵固定的第六舵机、通过螺钉与第六舵机连接的尾舵、尾舵和安装在尾舵上的被动轮组成，第四舵机固定在分段机身上。

复合支撑机构的特点：1.将舵、雪橇、被动轮、支撑腿结合在一个机构上，简化了支撑机构。2.通过采用多个舵机，使得复合支撑机构起到类似舵腿轮雪橇的机构，丰富了运动模式，节省了能源。

所述第一支撑架上固定连接有第一固定架和通过第一固定架固定的第二舵机，所述第二舵机通过第一联轴器与支撑旋转机构连接。

所述支撑旋转机构包括支撑轴、压环、推力轴承、深沟球轴承、轴承挡圈、固定筒、固定端盖，所述支撑轴与推力轴承的紧环、深沟球轴承的内环过盈配合。

所述轮桨复合机构由传动轴、传递轴筒、密封筒、内齿轮、作为动力输出轮的行星轮、防滑轮、行星架、与行星轮啮合的太阳轮、太阳轮架、后导磁筒槽、第四面齿轮、第三面齿轮、后导磁盘、永磁体、前导磁盘、第二面齿轮、导磁筒、第一面齿轮、花键套筒、与传动轴相连的螺旋桨组成，所述内齿轮、太阳轮、行星轮三者组成减速结构；第一面齿轮、第二面齿轮、花键套筒、导磁筒、前导磁盘、永磁体、后导磁盘、第三面齿轮、第四面齿轮组成双稳态离合器；传递轴筒一端与螺旋桨通过螺钉连接，一端与第一面齿轮通过凹凸结构相连，传递轴筒将第一面齿轮的转动传给螺旋桨。

轮桨复合结构的特点：1.使用双稳态离合器对轮、桨驱动进行切换时，只需要短暂给离合器通电就能切换驱动，离合器能够依靠永磁力保持稳态。2.通过减速机构，使得电机高转速用来驱动螺旋桨，低转速用来驱动防滑轮，合理利用电机转速。

所述防滑轮由开设有缺口的轮架、包裹在所述轮架外圈的防滑橡胶、安装在所述防滑橡胶上的凸钉组成。

防滑轮的特点：1.该防滑轮轮架的缺口专用于翻越冰层等特定场景。2.防滑轮上具有凸钉，凸钉依靠分段机身自重压入冰面，提供更大的抓地力。

所述轴盖与螺旋桨通过螺钉固定，轴盖有轴肩，轴肩上有对称布置的止推轴承。轴密封盖与轴盖通过螺钉连接，轴端螺钉与前止推轴承、后止推轴承的紧环过盈配合，与前止推轴承、后止推轴承的松环间隙配合，所述前止推轴承和后止推轴承止推轴承对称分布，前止推轴承紧环的端面与轴端螺钉贴合、后止推轴承紧环的端面与传动轴端面贴合。

所述密封筒一端与传递轴筒动密封接触，一端与密封筒盖通过螺钉相连，密封筒的内表面与导磁筒、内齿轮的外表面通过过盈配合固定。

所述花键套筒随着传动轴旋转，永磁体通过其键槽可在花键套筒上前后移动，并随着花键套筒旋转，第二面齿轮固定在前导磁盘上，第三面齿轮固定在后导磁盘上，第二面齿轮、第三面齿轮随着前导磁盘、后导磁盘一起旋转。前导磁盘、后导磁盘与永磁体通过螺钉固定在一起，前导磁筒槽、后导磁筒槽中分布有线圈，当永磁体靠右时，永磁体、前导磁盘、后导磁盘、导磁筒形成第二永磁磁通回路，当永磁体靠左时，永磁体、前导磁盘、后导磁盘、导磁筒形成第一永磁磁通回路。

所述分段机身包括前机身和后机身，所述前机身和后机身通过转动机构连接，所述前机身安装有减小机器人在水下的阻力的导流罩，所述转动机构由三角架、通过螺钉与三角架连接的转动底座、通过第三联轴器与转轴连接的第三舵机、通过焊接与第二支撑架固定的转轴、通过焊接与后机身固定的第二支撑架组成。

所述分段机身内安装有太阳能板和电子舱，

所述电子舱包括导流外壳和密封内舱，密封内舱由电源、传感器、控制系统、水密座、天线、摄像机、照明灯组成，控制系统包括主控模块、数据采集模块、数据存储模块、运动控制模块和通信模块，传感器包括姿态传感器、水位传感器和GPS定位仪。

所述多栖机器人具有4种运动模式：

爬行模式，通过控制复合支撑机构中的第四舵机、大臂、第五舵机、小臂、中舵和复合驱动机构中的第一舵机、第一支撑架的运动，以及收拢尾舵、固定第二舵机来实现陆上爬行模式，由前后四肢机构交替摆动来提供驱动力；

雪橇模式，通过控制复合支撑机构中的第四舵机、大臂、第五舵机、小臂、中舵、第六舵机、尾舵和复合驱动机构中的第一舵机、第一支撑架、第二舵机的固定，以及防滑轮的转动来实现雪橇滑行模式，由防滑轮旋转来提供驱动力；

轮式模式，通过控制复合支撑机构中的第四舵机、大臂、第五舵机、小臂、中舵、第六舵机、尾舵和复合驱动机构中的第一舵机、第一支撑架、第二舵机的固定来实现陆上轮式模式，由防滑轮旋转来提供驱动力；

螺旋桨模式，通过控制复合支撑机构中的第四舵机、大臂、第五舵机、小臂、中舵、第六舵机、尾舵和复合驱动机构中的第一舵机、第一支撑架、第二舵机的固定，以及螺旋桨的转动来实现螺旋桨模式，由螺旋桨旋转来提供驱动力。

面对极地四种介质过渡场景下极地多栖机器人可能遇到冰层的情况，有如下由水下向冰面上跨越冰层的方法。

1.操作人员从科考船上将极地多栖机器人放入水中。

2.极地机器人通过双稳态离合器采用第一稳态，即螺旋桨高速转动。分段机身采用螺旋桨模式，在螺旋桨高速转动的情况下，机器人在水下潜行朝冰层运动。

3.通过摄像机观测到快要接触到冰层时，机器人控制舵旋转保持上浮模式，开始上浮直至浮出水面。机器人浮出水面后，控制舵旋转保持前行模式，在水面上继续前进直至导流罩接触到冰层端面。

4.接触到冰层后，机器人的分段机身中的转动机构开始旋转，使机器人变成下凹模式。在此阶段中，复合推进机构一直保持推进。

5.机器人在完成弯曲模式后，因为复合推进器的不停推进，机器人整体沿着冰面断层朝斜上方前进。当机器人复合支撑机构的尾舵底面与冰层断面接近平行后，使机器人复合支撑机构转变为雪橇模式，复合驱动机构保持不变。再控制转动机构恢复前机身与后机身平行模式。机器人开始攀壁。

6.随着复合推进机构推进，机器人的复合支撑机构已经完全露出水面。当机器人上升到最高位置时，使复合支撑机构逆时针旋转，直至该机构攀上冰面。

7.继续使复合支撑机构转动，利用陆上支撑力和复合推进机构在水中的推力使机器人前机身沿着冰面往前移动。机器人继续前行。如图19所示。

8.当复合支撑机构已经转完一圈回到其初始位置时，控制转动机构旋转至机器人变成上凸模式。复合支撑机构继续转动，复合驱动机构继续推进，如图20所示。

9.当复合驱动机构已经完全脱离水面。机器人通过控制双稳态离合器、减速机构将原来的螺旋桨推进变成防滑轮推进。变为防滑轮推进后，将防滑轮转速控制在最低，此时控制复合驱动机构中的第一舵机逆时针旋转，直至防滑轮接触到冰面。由于防滑轮在缓慢转动，会使防滑轮的轮架结构中的缺口在某一刻卡住冰层边角。

10.当防滑轮卡住冰层边角后，利用其支撑力以及复合驱动机构、复合支撑机构旋转时的推进力使得机器人整体爬上冰面，再控制转动机构恢复前机身与后机身平行模式。

完成上面所有步骤后，机器人已经实现由水下向冰面上跨越冰层的两种介质过渡。

多栖机器人由冰上向水下跨越冰层的方法：

1.多栖机器人在靠近冰面断层的位置停下，将自身变为轮式模式，从而达到降低重心的目的。

2.防滑轮保持最低转速，推动机器人前进。

3.当机器人前进至复合支撑结构已经脱离冰面时。转动机构开始旋转，使机器人变成上凸模式。此时复合支撑机构同步转变为雪橇模式，复合驱动机构不变。

4.当复合支撑机构的舵面接触到水面时。控制转动机构旋转，使机器人变为下凹模式。依靠机器人自身重力以及防滑轮的推力继续朝水下前进。

5.当防滑轮接近冰层边角时，冰层边角会阻挡整个后机身的朝斜下方的前进。此时需要复合驱动机构的第一舵机顺时针转动至防滑轮接触到冰层边角。因为防滑轮持续的低速转动，会使得防滑轮轮架的缺口在某一刻卡住冰层边角。

6.机器人通过防滑轮卡住边角产生的推力以及自身的重力，使得整体滑入水中。

7.当机器人整体滑入水中后，控制转动机构转动恢复至前机身与后机身平行的运动模式。

8.机器人通过复合驱动机构中的双稳态离合器、减速机构共同作用来选择螺旋桨推进，此时机器人整体变为螺旋桨模式。

完成上面所有步骤后，机器人已经实现由冰面上向水下跨越冰层的两种介质过渡。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明涉及的一种适用于极地情况的多栖机器人，该机器人的能源利用效率、越障能力、操纵和自主性都较一般多栖机器人有极大提升。该极地多栖机器人的复合推进机构、复合支撑机构使得机器人拥有的四种基本运动模式。多种运动模式的机器人可以适应复杂多变的地形条件的极地环境。该机器人的复合支撑机构利用了极地地区摩擦力低、多冰雪的地质环境，通过滑行模式来节省能源。

该多栖机器人克服了大部分多栖机器人结构复杂、冗余的问题，陆上、水下共用一套推进机构，即使用一个驱动电机就能通过极地地区所有的介质环境。以及该机器人通过双稳态离合器、减速机构实现灵活选择螺旋桨驱动或防滑轮驱动，简化了推进机构，节省了能源消耗。该多栖机器人考虑到本身导流性和极地地区极昼的气候情况，使用导流罩、导流外壳、可拆卸太阳能板，这些使得能源利用效率极大提高。该多栖机器人关注到冰、雪、水以及陆地四种介质过渡环境下的运动问题，解决了一般多栖机器人过渡多栖环境时面临能源消耗大的问题，即跨越冰层、越障的问题。该机器人拥有能够通过冰、雪、水以及陆地这四种介质以及介质过渡区域的能力。多栖机器人在水中运动时，因为复合驱动机构中具有多个舵机，使得推进器在水下姿态更加丰富，拥有较小的转弯半径，极大提高了机动性、灵活性。该多栖机器人因为复合支撑机构中具有多个舵机，使得机器人能在水面、水下、水底的来回作业，极大拓宽了作业范围。多栖机器人可作为搭载设备的平台，在极地极端气候条件下代替人类进行科研、救援等任务。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人的结构示意图；

图2为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人中复合驱动机构的结构示意图；

图3为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人中支撑旋转机构的结构示意图；

图4为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人中轮桨复合机构的结构示意图(1)；

图5为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人中轮桨复合机构的结构示意图(2)；

图6为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人中磁通线圈的结构示意图；

图7为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人中防滑轮的结构示意图；

图8为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人中分段机身的结构示意图；

图9为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人中转动机构的结构示意图；

图10为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人中复合支撑机构的结构示意图；

图11为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人爬行模式的结构示意图；

图12为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人越障模式的结构示意图；

图13为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人雪橇模式的结构示意图；

图14为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人轮式模式的结构示意图；

图15为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人螺旋桨模式的结构示意图；

图16为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人下凹模式的结构示意图；

图17为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人开始攀壁的结构示意图；

图18为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人攀壁至最高位置的结构示意图；

图19为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人斜上行进的结构示意图；

图20为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人上凸模式的结构示意图；

图21为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人防滑轮推进的结构示意图；

图22为本发明一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人结束翻越的结构示意图。

图中，1-复合驱动机构，2-分段机身，3-复合支撑机构，4-电子舱，5-太阳能板，6-第一舵机，7-第一支撑架，8-第一固定架，9-第二舵机，10-第一联轴器，11-支撑旋转机构，12-固定座，13-驱动电机，14-第二联轴器，15-第二固定架，16-轮桨复合机构，17-支撑轴，18-压环，19-推力轴承，20-深沟球轴承，21-轴承挡圈，22-固定筒，23-固定端盖，24-轴盖，25-轴密封盖，26-轴端螺钉，27-前止推轴承，28-后止推轴承，29-第一挡圈，30-前滚子轴承，31-第一轴套，32-后滚子轴承，33-传动轴，34-传递轴筒，35-第二轴套，36-密封筒，37-第二挡圈，38-内齿轮，39-行星轮，40-密封筒盖，41-第三挡圈，42-防滑轮，43-行星滚子轴承，44-第四挡圈，45-第五挡圈，46-行星架，47-第六挡圈，48-轮后滚子轴承，49-第三轴套，50-轮盖，51-第四轴套，52-轮前滚子轴承，53-太阳轮，54-太阳轮架，55-第七挡圈，56-后导磁筒槽，57-第四面齿轮，58-第三面齿轮，59-后导磁盘，60-永磁体，61-前导磁盘，62-前导磁筒槽，63-第二面齿轮，64-导磁筒，65-第一面齿轮，66-花键套筒，67-螺旋桨，68-轮架，69-防滑橡胶，70-凸钉，71-导流罩，72-前机身，73-转动机构，74-后机身，75-三角架，76-转动底座，77-第三舵机，78-第三联轴器，79-转轴，80-第二支撑架，81-第四舵机，82-大臂，83-第五舵机，84-小臂，85-中舵，86-第六舵机，87-尾舵，89-被动轮。

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。

如图1所示，本发明由复合驱动机构1、分段机身2、复合支撑机构3、电子舱4、太阳能板5五大部分组成。如图2所示，复合驱动机构1由第一舵机6、第一支撑架7、第一固定架8、第二舵机9、第一联轴器10、支撑旋转机构11、固定座12、驱动电机13、第二联轴器14、第二固定架15、轮桨复合机构16组成。第一舵机6固定在分段机身上，且与第一支撑架7相连，第一舵机6与第一支撑架7可相对旋转，从而达到复合驱动机构1的Y轴方向的旋转。第一支撑架7为支撑旋转机构11提供支撑，通过螺钉与支撑旋转机构11固定。第一舵机6、第一支撑架7一起充当腿的作用。第一固定架8用来固定第二舵机9，第一固定架8固定在第一支撑架7上。第二舵机9通过第一联轴器10将转动传递给支撑旋转机构11，从而达到轮桨复合机构16的Z轴的旋转。

如图3所示，支撑旋转机构11由支撑轴17、压环18、推力轴承19、深沟球轴承20、轴承挡圈21、固定筒22、固定端盖23组成。支撑轴17与推力轴承19的紧环、深沟球轴承20的内环过盈配合，支撑轴17的轴肩为推力轴承19提供向上的支撑。支撑轴17接受来自第二舵机9的转动。支撑轴17与第一支撑架7、固定端盖23为动密封。压环18为推力轴承19提供向下的压力。推力轴承19的松环与固定筒22过盈配合，能够承受竖着方向的载荷。深沟球轴承20的外环与固定筒22过盈配合，能承受水平方向的载荷。推力轴承19与深沟球轴承20起到支撑、旋转的作用。轴承挡圈21为深沟球轴承20内环提供限位。固定盖为深沟球轴承20外环提供限位。轴承挡圈21、固定筒22、固定端盖23一起提供密封、固定的作用。支撑旋转机构11中的支撑轴17与固定座12通过焊接固定。驱动电机13固定在固定座12上，驱动电机13的驱动轴通过第二联轴器14为轮桨复合机构16提供转动。第二固定架15将轮桨复合机构16中的密封筒36与固定座12固定在一起，使密封筒36相对静止在轮桨复合机构16中。

图4所示为轮桨复合机构16。如图5所示，轮桨复合机构16由轴盖24、轴密封盖25、轴端螺钉26、前止推轴承27、后止推轴承28、第一挡圈29、前滚子轴承30、第一轴套31、后滚子轴承32、传动轴33、传递轴筒34、第二轴套35、密封筒36、第二挡圈37、内齿轮38、行星轮39、密封筒盖40、第三挡圈41、防滑轮42、行星滚子轴承43、第四挡圈44、第五挡圈45、行星架46、第六挡圈47、轮后滚子轴承48、第三轴套49、轮盖50、第四轴套51、轮前滚子轴承52、太阳轮53、太阳轮架54、第七挡圈55、后导磁筒槽56、第四面齿轮57、第三面齿轮58、后导磁盘59、永磁体60、前导磁盘61、前导磁筒槽62、第二面齿轮63、导磁筒64、第一面齿轮65、花键套筒66、螺旋桨67组成。轴盖24与螺旋桨67通过螺钉固定，轴盖24有轴肩，轴肩上有对称布置的止推轴承。轴密封盖25与轴盖24通过螺钉连接。轴端螺钉26可拧入传动轴33上的螺纹孔，轴端螺钉26与前止推轴承27、后止推轴承28的紧环过盈配合，与前止推轴承27、后止推轴承28的松环间隙配合。前止推轴承27、后止推轴承28对称分布前止推轴承27、后止推轴承28的松环与端盖过盈配合，前止推轴承27、后止推轴承28松环的端面与轴肩面贴合，前止推轴承27紧环的端面与轴端螺钉26贴合、后止推轴承28紧环的端面与传动轴33端面贴合。轴盖24、轴密封盖25、轴端螺钉26、前后止推轴承28、后止推轴承28、第一挡圈29、前滚子轴承30、第一轴套31、后滚子轴承32、传动轴33这些结构，使螺旋桨67旋转时产生的轴向推力能通过传动轴33传递给机器人整体从而实现前进、后退。传动轴33上的多处轴肩、多个挡圈、多个轴套起到固定轴承和花键套筒66的作用。传递轴筒34一端与螺旋桨67通过螺钉连接，一端与第一面齿轮65通过凹凸结构相连，传递轴筒34将第一面齿轮65的转动传给螺旋桨67。密封筒36一端与传递轴筒34动密封接触，一端与密封筒盖40通过螺钉相连。密封筒36的内表面与导磁筒64、内齿轮38的外表面通过过盈配合固定，此外因为密封筒36与固定座12通过第二固定架15固定在一起，因此在轮桨复合机构16中，密封筒36、密封筒盖40、导磁筒64、内齿轮38是固定不动的。内齿轮38、太阳轮53、行星轮39三者组成减速结构。

太阳轮53为动力输入轮，太阳轮53与太阳轮架54通过盈配合、轴键固定，太阳轮53与行星轮39啮合。行星轮39为动力输出轮，行星轮39与行星架46之间通过行星滚子轴承43传递转动，行星轮39同时与太阳轮53、内齿轮38啮合，行星轮39可自转和公转。内齿轮38固定不动。当太阳轮53高速旋转时，减速机构将转动传递给行星轮39，行星轮39输出低转速，从而达到减速的作用。花键套筒66与传动轴33通过过盈配合、轴键固定，花键套筒66随着传动轴33一起旋转。第四面齿轮57通过凹凸结构与太阳轮架54相连，将转动传给太阳轮架54。第一面齿轮65、第二面齿轮63、花键套筒66、导磁筒64、前导磁盘61、永磁体60、后导磁盘59、第三面齿轮58、第四面齿轮57组成双稳态离合器。花键套筒66随着传动轴33旋转，永磁体60通过其键槽可在花键套筒66上前后移动，并随着花键套筒66旋转。第二面齿轮63固定在前导磁盘61上，第三面齿轮58固定在后导磁盘59上，第二面齿轮63随着前导磁盘61、后导磁盘59一起旋转。前导磁盘61、后导磁盘59与永磁体60通过螺钉固定在一起，所以第二面齿轮63和第三面齿轮58会随着传动轴33一起旋转。前导磁筒槽62、后导磁筒槽56中分布有线圈。如图6所示，当永磁体60靠右时，永磁体60、前导磁盘61、后导磁盘59、导磁筒64形成第二永磁磁通回路，当永磁体60靠左时，永磁体60、前导磁盘61、后导磁盘59、导磁筒64形成第一永磁磁通回路。因为永磁磁通回路的存在，永磁体60会被永磁力限制在两个永磁磁通回路中的其中一个回路中，即分为第二面齿轮63和第一面齿轮65啮合的第一稳态，以及第三面齿轮58和第四面齿轮57啮合的第二稳态。两个稳态之间的切换依靠前导磁筒槽62、后导磁筒槽56中的线圈正反通电。当给线圈正向通电时，电磁回路为如图6所示，此时电磁力克服第一回路中的永磁力，电磁力和第二回路中的永磁力吸引永磁体60向右运动，直到第三面齿轮58和第四面齿轮57啮合在一起，此时自动断电，达到第二稳态。当线圈反向通电则将达到第一稳态。第一稳态时，传动轴33通过离合器将转动传递给螺旋桨67，螺旋桨67为高转速。第二稳态时，传动轴33通过离合器、减速结构将转动传递给防滑轮42，防滑轮42为低转速。

如图7所示，防滑轮42由轮架68、防滑橡胶69、凸钉70组成。轮架68是特制结构，有两个缺口。在翻越冰层时，旋转防滑轮42，当接触到冰层边角时，利用缺口卡住边角，为防滑轮42提供攀附的支撑力。

防滑橡胶69，可以加大防滑轮42在冰面旋转时的摩擦力。在防滑橡胶69表面装有凸钉70，凸钉70可依靠多栖机器人自重压入冰层，为防滑轮42提供更大的抓地力。复合驱动机构1具有支撑腿、轮、桨的驱动作用。复合驱动机构1有2个自由度，即X、Y轴的旋转。该自由度使得复合驱动机构1灵活度更高，具有多种运动模式。

如图8所示，分段机身2由导流罩71、前机身72、转动机构73、后机身74组成。导流罩71与具有导流性，从而减小机器人在水下的阻力，节约能源。导流罩71开有放置摄像机和照明灯的槽，导流罩71与分段机身2通过螺钉连接，与电子舱4的导流外壳通过螺钉连接。

如图9所示，转动机构73由三角架75、转动底座76、第三舵机77、第三联轴器78、转轴79、第二支撑架80组成。两个三角架75对称分布在前机身72的上表面、下表面，三角架75的底面通过螺钉与前机身72固定相连，三角架75的侧面通过螺钉与转动底座76底面固定相连，起到支撑转动底座76的作用。转动底座76上固定有第三舵机77，第三舵机77通过第三联轴器78与转轴79相连来控制转轴79的角度，进而控制前机身72与后机身74的相对角度。转动底座76的轴孔与转轴79间径向装配有滑动轴承，从而实现两者相对转动。转轴79与第二支撑架80通过焊接固定。第二支撑架80与后机身74通过焊接固定。分段机身2具有1个自由度，即Y轴的旋转。该自由度使得分段机身能够根据不同地形调节分段机身的夹角。

如图10所示，复合支撑机构3由第四舵机81、大臂82、第五舵机83、小臂84、中舵85、第六舵机86、尾舵87、被动轮89。第四舵机81固定在分段机身上。第四舵机81与大臂82通过螺钉连接，两者可相对转动。大臂82通过螺钉与第五舵机83固定。第五舵机83与小臂84通过螺钉连接，两者可相对转动。小臂84与中舵85通过卡槽和螺钉固定。中舵85通过卡槽和螺钉与第六舵机86固定。第六舵机86通过螺钉与尾舵87连接，两者可相对转动。尾舵87的末端有翘起，类似雪橇。复合支撑机构3具有支撑腿、舵、雪橇的作用。复合支撑机构3具有3个自由度，即X、Y、Z轴的旋转。

如图1所示。电子舱4由导流外壳、密封内舱组成。导流外壳起到防撞以及导流的作用。密封内舱起到保护以及防水密封的作用。密封内舱由电源、传感器、控制系统、水密座、天线、摄像机、照明灯组成，控制系统包括主控模块、数据采集模块、数据存储模块、运动控制模块、通信模块。传感器包括姿态传感器、水位传感器、GPS定位仪。电源为复合驱动机构1、复合支撑机构3、转动机构73和其它舱内模块提供电能。姿态传感器实时的检测多栖机器人所处的姿态。水位传感器用以实时检测多栖机器人在水下运动时的深度。GPS定位仪实时检测多栖机器人所处的位置。主控模块为数据处理和逻辑控制中心。数据采集模块处理来自传感器所采集的信息数据。数据存储模块将传感器所采集到的信息储存，待完成任务后由操作人员进行读取。数据运动控制模块对复合驱动机构1、复合支撑机构3、转动机构73进行集中控制来完成各种动作。通信模块采用蓝牙无线通信方式来传输、接受数据。水密座是舱外机构与舱内控制系统的联系通道。通信模块通过天线实现多栖机器人与电脑的数据互通。照明灯为摄像机提供光亮，使得机器人能够在夜晚以及冰下进行作业。摄像机作为机器人感知外界窗口之一，也是操作人员能实时操作多栖机器人进行作业的依据之一。

如图1所示，太阳能板5通过螺钉固定在导流外壳上。当多栖机器人执行冰上作业时，太阳能板5能使机器人具有更强的续航能力。当两栖机器人在冰下作业时，需要操作人员手动拆除太阳能板5。

方案一：

面对极地场景下多栖机器人可能遇到的情况，有以下4种运动运动模式。

多栖机器人具有4种运动模式：1.爬行模式，如图11所示。该模式用来跨越凹凸不平的极地中冰、雪、陆地介质。多栖机器人通过控制复合支撑机构3中的第四舵机81、大臂82、第五舵机83、小臂84、中舵85和复合驱动机构1中的第一舵机6、第一支撑架7的运动，以及收拢尾舵87、固定第二舵机9来实现陆上爬行模式，此时由前后四肢机构交替摆动来提供驱动力。在爬行模式时，防滑轮42仅以最低的转速转动，以此提供冰上爬行时的所需抓地力。当多栖机器人判断爬行模式无法越障的时候，此时多栖机器人控制分段机身2中的转动机构73来调节分段机身弯曲角度，以及控制复合支撑机构3中的第五舵机83、尾舵87来提供更大的仰角，从而跨越障碍，该越障模式如图12所示。2.雪橇模式，如图13所示。该模式用来通过地面平坦且摩擦力较低的极地中冰、雪介质。多栖机器人通过控制复合支撑机构3中的第四舵机81、大臂82、第五舵机83、小臂84、中舵85、第六舵机86、尾舵87和复合驱动机构1中的第一舵机6、第一支撑架7、第二舵机9的固定，以及防滑轮42的转动来实现雪橇滑行模式，此时由防滑轮42旋转来提供驱动力。3.轮式模式，如图14所示。该模式用来通过地面平坦且摩擦力较大的极地中陆地介质。多栖机器人通过控制复合支撑机构3中的第四舵机81、大臂82、第五舵机83、小臂84、中舵85、第六舵机86、尾舵87和复合驱动机构1中的第一舵机6、第一支撑架7、第二舵机9的固定来实现陆上轮式模式，此时由防滑轮42旋转来提供驱动力。4.螺旋桨模式，如图15所示。该模式用来通过极地中水介质。多栖机器人通过控制复合支撑机构3中的第四舵机81、大臂82、第五舵机83、小臂84、中舵85、第六舵机86、尾舵87和复合驱动机构1中的第一舵机6、第一支撑架7、第二舵机9的固定，以及螺旋桨67的转动来实现螺旋桨模式，此时由螺旋桨67旋转来提供驱动力。在水下时，通过复合支撑机构3中的第四舵机81来控制中舵85、尾舵87的旋转，以此来实现多栖机器人整体的上浮和下潜。通过复合驱动机构1中的第二舵机9的旋转来控制螺旋桨67的推力方向，以此来实现水下的转弯等动作。以上4种运动模式中的前3种模式，多栖机器人可依据现实环境来控制舵机旋转的角度，从而达到抬升分段机身底盘适应各种极地场景。前3种运动模式为冰、雪、陆地上三种介质中的运动模式，第4种运动模式为水介质中的运动模式，因此水下与其它介质中的运动切换时，需要依靠复合驱动机构1中的双稳态离合器、减速机构共同作用来选择螺旋桨67推进或者防滑轮42推进。以上仅为4种典型运动模式，通过多栖机器人机构中多个舵机的联合调节，可以组合出多种不同的运动模式，从而满足多栖机器人在极地场景下作业的条件。

方案二：

1.面对极地四种介质过渡场景下极地多栖机器人可能遇到冰层的情况，有如下由水下向冰面上跨越冰层的方法。

2.操作人员从科考船上将极地多栖机器人放入水中。

3.极地机器人通过双稳态离合器采用第一稳态，即螺旋桨67高速转动。分段机身采用螺旋桨模式，在螺旋桨67高速转动的情况下，机器人在水下潜行朝冰层运动，此时运动模式如图15所示。

4.通过摄像机观测到快要接触到冰层时，机器人控制舵旋转保持上浮模式，开始上浮直至浮出水面。机器人浮出水面后，控制舵旋转保持前行模式，在水面上继续前进直至导流罩71接触到冰层端面。

5.接触到冰层后，机器人的分段机身中的转动机构73开始旋转，使机器人变成下凹模式。在此阶段中，复合推进机构一直保持推进，如图16所示。

6.机器人在完成弯曲模式后，因为复合推进器的不停推进，机器人整体沿着冰面断层朝斜上方前进。当机器人复合支撑机构3的尾舵87底面与冰层断面接近平行后，使机器人复合支撑机构3转变为雪橇模式，复合驱动机构1保持不变。再控制转动机构73恢复前机身72与后机身74平行模式。机器人开始攀壁。如图17所示。

7.随着复合推进机构推进，机器人的复合支撑机构3已经完全露出水面。当机器人上升到最高位置时，使复合支撑机构3逆时针旋转，直至该机构攀上冰面。如图18所示。

8.继续使复合支撑机构3转动，利用陆上支撑力和复合推进机构在水中的推力使机器人前机身72沿着冰面往前移动。机器人继续前行。如图19所示。

9.当复合支撑机构3已经转完一圈回到其初始位置时，控制转动机构73旋转至机器人变成上凸模式。复合支撑机构3继续转动，复合驱动机构1继续推进，如图20所示。

10.当复合驱动机构1已经完全脱离水面。机器人通过控制双稳态离合器、减速机构将原来的螺旋桨67推进变成防滑轮42推进。变为防滑轮42推进后，将防滑轮42转速控制在最低，此时控制复合驱动机构1中的第一舵机6逆时针旋转，直至防滑轮42接触到冰面。由于防滑轮42在缓慢转动，会使防滑轮42的轮架68结构中的缺口在某一刻卡住冰层边角，如图21所示。

11.当防滑轮42卡住冰层边角后，利用其支撑力以及复合驱动机构1、复合支撑机构3旋转时的推进力使得机器人整体爬上冰面，再控制转动机构73恢复前机身72与后机身74平行模式，如图22所示。

12.完成上面所有步骤后，机器人已经实现由水下向冰面上跨越冰层的两种介质过渡。

方案三：

1.多栖机器人由冰上向水下跨越冰层的方法。

2.多栖机器人在靠近冰面断层的位置停下，将自身变为轮式模式，从而达到降低重心的目的。

3.防滑轮42保持最低转速，推动机器人前进。

4.当机器人前进至复合支撑结构已经脱离冰面时。转动机构73开始旋转，使机器人变成上凸模式。此时复合支撑机构3同步转变为雪橇模式，复合驱动机构1不变。

5.当复合支撑机构3的舵面接触到水面时。控制转动机构73旋转，使机器人变为下凹模式。依靠机器人自身重力以及防滑轮42的推力继续朝水下前进。

6.当防滑轮42接近冰层边角时，冰层边角会阻挡整个后机身74的朝斜下方的前进。此时需要复合驱动机构1的第一舵机6顺时针转动至防滑轮42接触到冰层边角。因为防滑轮42持续的低速转动，会使得防滑轮42轮架68的缺口在某一刻卡住冰层边角。

7.机器人通过防滑轮42卡住边角产生的推力以及自身的重力，使得整体滑入水中。

8.当机器人整体滑入水中后，控制转动机构73转动恢复至前机身72与后机身74平行模式。

9.机器人通过复合驱动机构1中的双稳态离合器、减速机构共同作用来选择螺旋桨67推进，此时机器人整体变为螺旋桨模式。

10.完成上面所有步骤后，机器人已经实现由冰面上向水下跨越冰层的两种介质过渡。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人，其特征在于：包括分段机身，安装在所述分段机身前端的复合支撑机构和安装在所述分段机身后端且具有支撑腿、舵、雪橇的作用的复合驱动机构；

所述复合驱动机构包括第一舵机，所述第一舵机连接着可相对旋转的第一支撑架进而实现所述复合驱动机构整体的旋转，所述第一支撑架下连接着可相对旋转的支撑旋转机构，所述支撑旋转机构下固定连接着固定座，所述固定座下固定安装着驱动电机和轮桨复合机构，所述驱动电机通过第二联轴器与所述轮桨复合机构相连，所述第一舵机一端固定在分段机身上；

所述复合支撑机构由与大臂连接的第四舵机、与第五舵机固定的大臂、第五舵机、与第五舵机连接的小臂、与小臂固定的中舵、与中舵固定的第六舵机、与第六舵机连接的尾舵、尾舵和安装在尾舵上的被动轮组成，第四舵机固定在分段机身上。

2.根据权利要求1所述的一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人，其特征在于：所述第一支撑架上固定连接有第一固定架和通过第一固定架连接的第二舵机，所述第二舵机通过第一联轴器与支撑旋转机构连接。

3.根据权利要求2所述的一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人，其特征在于：所述支撑旋转机构包括支撑轴、压环、推力轴承、深沟球轴承、轴承挡圈、固定筒和固定端盖，所述支撑轴与推力轴承的紧环、深沟球轴承的内环过盈配合。

4.根据权利要求3所述的一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人，其特征在于：所述轮桨复合机构由传动轴、传递轴筒、密封筒、内齿轮、作为动力输出轮的行星轮、防滑轮、行星架、与行星轮啮合的太阳轮、太阳轮架、后导磁筒槽、第四面齿轮、第三面齿轮、后导磁盘、永磁体、前导磁盘、第二面齿轮、导磁筒、第一面齿轮、花键套筒、与传动轴相连的螺旋桨组成，所述内齿轮、太阳轮、行星轮三者组成减速结构；所述第一面齿轮、第二面齿轮、花键套筒、导磁筒、前导磁盘、永磁体、后导磁盘、第三面齿轮、第四面齿轮组成双稳态离合器；传递轴筒一端与螺旋桨通过螺钉连接，一端与第一面齿轮通过凹凸结构相连，传递轴筒将第一面齿轮的转动传给螺旋桨。

5.根据权利要求3所述的一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人，其特征在于：所述轴盖与螺旋桨通过螺钉固定，轴盖有轴肩，轴肩上有对称布置的止推轴承，轴密封盖与轴盖通过螺钉连接，轴端螺钉与前止推轴承、后止推轴承的紧环过盈配合，与前止推轴承、后止推轴承的松环间隙配合，所述前止推轴承和后止推轴承止推轴承对称分布，前止推轴承紧环的端面与轴端螺钉贴合，后止推轴承紧环的端面与传动轴端面贴合。

6.根据权利要求3所述的一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人，其特征在于：所述密封筒一端与传递轴筒动密封接触，一端与密封筒盖通过螺钉相连，密封筒的内表面与导磁筒、内齿轮的外表面通过过盈配合固定。

7.根据权利要求3所述的一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人，其特征在于：所述花键套筒随着传动轴旋转，永磁体通过其键槽可在花键套筒上前后移动并随着花键套筒旋转，所述第二面齿轮固定在前导磁盘上，第三面齿轮固定在后导磁盘上，第二面齿轮、第三面齿轮随着前导磁盘、后导磁盘一起旋转，前导磁盘、后导磁盘与永磁体通过螺钉固定在一起，前导磁筒槽和后导磁筒槽中分布有线圈，当永磁体靠右时，永磁体、前导磁盘、后导磁盘、导磁筒形成第二永磁磁通回路，当永磁体靠左时，永磁体、前导磁盘、后导磁盘、导磁筒形成第一永磁磁通回路。

8.根据权利要求1所述的一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人，其特征在于：所述分段机身包括前机身和后机身，所述前机身和后机身通过转动机构连接，所述前机身安装有减小机器人在水下的阻力的导流罩，所述转动机构由三角架、通过螺钉与三角架连接的转动底座、通过联轴器与转轴连接的第三舵机、通过焊接与第二支撑架固定的转轴、通过焊接与后机身固定的第二支撑架组成。

9.根据权利要求1所述的一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人，其特征在于：所述分段机身内安装有太阳能板和电子舱。

10.根据权利要求9所述的一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人，其特征在于：所述电子舱包括导流外壳和密封内舱，密封内舱由电源、传感器、控制系统、水密座、天线、摄像机、照明灯组成，控制系统包括主控模块、数据采集模块、数据存储模块、运动控制模块和通信模块，传感器包括姿态传感器、水位传感器和GPS定位仪。

11.根据权利要求4所述的一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人，其特征在于：所述防滑轮由开设有缺口的轮架、包裹在所述轮架外圈的防滑橡胶、安装在所述防滑橡胶上的凸钉组成。

12.根据权利要求1所述的一种跨水陆冰雪的极地多栖机器人，其特征在于：所述多栖机器人具有4种运动模式：

爬行模式，通过控制复合支撑机构中的第四舵机、大臂、第五舵机、小臂、中舵和复合驱动机构中的第一舵机、第一支撑架的运动，以及收拢尾舵、固定第二舵机来实现陆上爬行模式，由前后四肢机构交替摆动来提供驱动力；

雪橇模式，通过控制复合支撑机构中的第四舵机、大臂、第五舵机、小臂、中舵、第六舵机、尾舵和复合驱动机构中的第一舵机、第一支撑架、第二舵机的固定，以及防滑轮的转动来实现雪橇滑行模式，由防滑轮旋转来提供驱动力；

轮式模式，通过控制复合支撑机构中的第四舵机、大臂、第五舵机、小臂、中舵、第六舵机、尾舵和复合驱动机构中的第一舵机、第一支撑架、第二舵机的固定来实现陆上轮式模式，由防滑轮旋转来提供驱动力；

螺旋桨模式，通过控制复合支撑机构中的第四舵机、大臂、第五舵机、小臂、中舵、第六舵机、尾舵和复合驱动机构中的第一舵机、第一支撑架、第二舵机的固定，以及螺旋桨的转动来实现螺旋桨模式，由螺旋桨旋转来提供驱动力。