CN116923010A - 一种水陆两栖机器人、控制方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水陆两栖机器人、控制方法及应用，属于特种机器人技术领域；该水陆两栖机器人包括机体、运动机构及控制单元；所述运动机构包括若干轮桨机构及轮桨驱动；轮桨机构具有转轮和蹼片；本发明实现机器人在两种环境中的运动；在一些实施例中设计的轮桨机构可以实现机器人的越障功能；本发明中轮桨机构采用轮桨耦合设计，实现了4个电机驱动的条件下，机器人在水下和陆地上的三维方向上的全向运动；机器人上下两个气囊，可以在机器人任何步态下，实现定深控制；本发明中轮桨机构设计基于仿生原理，灵感来自于鱼类游泳，蹼片类似于尾鳍，蹼片运动模拟鱼的尾鳍，具有类似鱼类在水中采用的运动姿态，具备优秀的水中运动能力。

Description

一种水陆两栖机器人、控制方法及应用

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种水陆两栖机器人、控制方法及应用。

背景技术

近年来，海洋与陆地之间的过渡区域越来越受到科学考察、环境监测、军事探测、海底资源勘测与开发等领域的关注，从而推动了水陆两栖机器人技术的发展。研究既能适应陆地和近海滩涂的多变地形环境、又具有高度机动能力的两栖机器人，对海洋资源探测、抢险救灾以及国家的安全防御有着重大的意义。水陆两栖机器人按其推进方式可划分为腿式推进两栖机器人、轮腿/鳍复合式推进两栖机器人、蛇形推进两栖机器人、球形两栖机器人等。

常见的轮腿式两栖机器人一般在陆地上采用轮式推进或者C形腿推进，到水中后，通过轮腿变形或者更换轮腿，转化成平板桨或者螺旋桨进行推进，但在水、陆运动切换时，需要人工更换推进机构，缺少水、陆间自主切换运动模式的能力，限制了其适应性。这种方式想实现多步态运动，需要较多的驱动器，且控制复杂。

发明内容

为了解决目前水陆两栖机器人结构复杂，控制不便、灵活性适应性不理想，应用场景小的缺陷，本发明提出一种水陆两栖机器人、控制方法及应用。

本发明采用的技术方案是，

一种水陆两栖机器人，包括机体、运动机构及控制单元；

所述运动机构包括若干轮桨机构及轮桨驱动；轮桨机构具有转轮和蹼片；在控制单元控制下，轮桨机构具有至少两种运动状态，两个运动状态包括滚动状态和往复摆动状态；在滚动状态下，机体能够依靠轮桨机构中转轮采用轮式方式行走；在往复摆动状态下，机体能够依靠轮桨机构中蹼片采用桨式方式在水中获得推力而运动。

优选的，所述轮桨机构包括轮毂、转轮及至少一个蹼片；

轮毂具有至少一个缺口，轮毂的缺口内具有至少一个连接部，蹼片安装在连接部上；

转轮呈环状，且套装轮毂外侧，且具有与轮毂一致性的缺口；转轮外侧具有轮纹或齿凸。

优选的，该蹼片外端伸出轮毂及转轮外侧，且蹼片沿转轮的径向设置。

在蹼片凸出转轮的情况下，该轮桨机构借助凸出的蹼片，具备一定的越障功能。

优选的，所述轮桨机构设有4个，均分为两组，分别安装在机体前后两端的两侧；

轮桨机构与机体呈斜45°，且沿机体纵横对称设置；

机体前后两端的两轮桨机构，在机体外侧呈张开状态。

优选的，还包括气囊单元，气囊单元配置在机体上，能够调节气囊体积，进行浮力调整。

优选的，所述轮桨驱动包括4个电机，其一一对应连接相应轮桨机构中轮毂的轮轴，电机能够驱动轮毂转动或往复摆动。

优选的，所述机体内具有密封舱，控制单元及电源内置于密封舱内。在一些实施例中，控制单元在控制上采用CPG控制方法，可以使机体进行柔顺的步态切换，同时机体搭载IMU进行实时位姿检测，形成闭环控制。

优选的，所述气囊单元包括气囊外壳、气囊以及调节件；机体上下两侧分别具有气囊外壳，气囊设有2个，分别安装于上下两气囊外壳内，气囊安装在气囊外壳内；气囊外壳上若干小孔；调节件与气囊连接，调节气囊的体积。

本发明进一步提供了上述水陆两栖机器人的控制方法，包括，在陆地上，因轮桨机构与机体呈斜45°，控制轮桨机构处于滚动状态；机体的运动机构采用4轮驱动式控制方式，通过控制4个电机分别正转、反转和/或轮速偏差获得驱动力执行陆地行走动作，该陆地行走动作包括前进、后退、偏航、横移及原地转动；在机体处于相应姿态时，配合该动作能够进行翻滚、前进俯仰耦合；

在水中，因轮桨机构与机体呈斜45°，控制轮桨机构处于往复摆动状态下；机体的运动机构采用4桨驱动式控制方式，通过控制4个电机分别摆动蹼片与水作用，并配合控制气囊调节体积，获得驱动力执行水中游泳动作；该水中游泳动作包括水中三维运动动作及定深悬停动作。

本发明进一步提出了上述水陆两栖机器人，应用于科学考察、环境监测、军事探测及海底资源勘测与开发。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明实现机器人在两种环境中的运动；在一些实施例中设计的轮桨机构可以实现机器人的越障功能；本发明中轮桨机构采用轮桨耦合设计，实现了4个电机驱动的条件下，机器人在水下和陆地上的三维方向上的全向运动；机器人上下两个气囊，可以在机器人任何步态下，实现定深控制；

本发明中轮桨机构设计基于仿生原理，灵感来自于鱼类游泳，蹼片类似于尾鳍，蹼片运动模拟鱼的尾鳍，具有类似鱼类在水中采用的运动姿态，具备优秀的水中运动能力。

附图说明

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是一种水陆两栖机器人中机器人的一种实施例的轴测图；

图2是一种水陆两栖机器人中机器人的一种实施例的爆炸图；

图3是一种水陆两栖机器人中轮桨机构的一种实施例的爆炸图；

图4是一种水陆两栖机器人中密封舱的一种实施例的爆炸图；

图5是一种水陆两栖机器人中机器人的正视图；

图6是一种水陆两栖机器人中机器人的控制方法流程图；

图7是一种水陆两栖机器人中机器人水下运动步态示意图；

图8是一种水陆两栖机器人中机器人陆地运动步态示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

请参阅图1-8，一种水陆两栖机器人100，包括机体10和运动机构20；

该机体10包括密封舱11、头部端盖12及机体外壳13；密封舱11置于机体外壳13内部，头部端盖12通过螺钉连接于机体外壳13一端；

在一些实施例中，密封舱11由法兰端盖固定环111、空心防水螺钉112、防水螺母113、密封舱法兰114、亚克力管115、PCB116、固定板117、电池118、密封舱舱盖119、实心防水螺钉二110组成；PCB板116和电池118通过魔术贴分别固定在固定板117的上下两端，再将其置于亚克力管115中；亚克力管115两端安装密封舱法兰114，将空心防水螺钉112、实心防水螺钉二110与防水螺母113安装于密封舱舱盖119上，再将其安装于密封舱法兰114一端，最后安装法兰端盖固定环111并通过螺钉进行连接；

该运动机构20包括若干个轮桨机构21以及若干个轮桨驱动22；

在一些实施例中，所述轮桨机构21设有4个，均分为两组，分别安装在机体10前后两端的两侧；

在一些实施例中，轮桨机构21与机体10呈斜45°，且沿机体10纵横对称设置；机体10前后两端的两轮桨机构21，在机体10外侧呈张开状态；

在一些实施例中，机体外壳13上具有轮桨支架130；

在一些实施例中，所述轮桨机构21包括轮毂211、转轮212及至少一个蹼片213；轮毂211及转轮212具有至少一个缺口200，用于耦合安装蹼片213；转轮212呈环状，且套装轮毂211外侧，且具有与轮毂211一致性的缺口；轮毂的缺口200内具有至少一个连接部214，用于连接蹼片213；在一些实施例中，所述蹼片213设有一个；在一些实施例中，连接部214为刚性连接杆，刚性连接杆外端具有连接端头2140，蹼片213安装在连接端头2140上；在一些实施例中转轮212外侧具有轮纹；在一些实施例中转轮212外侧设有若干齿凸2120；在一些实施例中，该蹼片213外端伸出轮毂211及转轮212外侧，且蹼片213沿转轮212的径向设置；在蹼片213凸出转轮212的情况下，该轮桨机构21借助凸出的蹼片213，具备一定的越障功能。

在一些实施例中，所述转轮212为柔性外环；柔性外环的硬度可以较大，通过螺钉安装于轮毂211上，在一些实施例中，蹼片213为柔性蹼片；通过螺钉连接于连接端头2140；

在一些实施例中，轮桨驱动22设有4个，轮桨驱动22包括舵机221；4个舵机25分别通过螺钉安装于外壳27的四个对角上，另一面通过螺钉分别与4个轮桨机构21的轮毂211连接；

在一些实施例中，还包括气囊单元30，气囊单元30配置在机体10上，能够调节气囊体积，进行浮力调整；在一些实施例中，所述气囊单元30包括气囊外壳31、气囊32以及调节件(图未示出)；机体外壳13上下两侧分别具有气囊外壳31，气囊32设有2个，分别安装于上下两气囊外壳31内，气囊32安装在气囊外壳31内；气囊外壳31上若干小孔；调节件与气囊32连接，调节气囊32的体积；

在一些实施例中，还包括控制单元，在一些实施例中，控制单元为控制芯片，控制芯片安装在PCB板上；在控制单元控制下，轮桨机构具有至少两种运动状态，两个运动状态包括滚动状态和往复摆动状态；在滚动状态下，机体能够依靠轮桨机构中转轮采用轮式方式行走；在往复摆动状态下，机体能够依靠轮桨机构中蹼片采用桨式方式在水中获得推力而运动。

一种水陆两栖机器人的控制方法，包括，S1、在陆地上，因轮桨机构与机体呈斜45°，控制轮桨机构处于滚动状态；机体的运动机构采用4轮驱动式控制方式，通过控制4个电机分别正转、反转和/或轮速偏差获得驱动力执行陆地行走动作，该陆地行走动作包括前进、后退、偏航、横移及原地转动；在机体处于相应姿态时，配合该动作能够进行翻滚、前进俯仰耦合；

S2、在水中，因轮桨机构与机体呈斜45°，控制轮桨机构处于往复摆动状态下；机体的运动机构采用4桨驱动式控制方式，通过控制4个电机分别摆动蹼片与水作用，并配合控制气囊调节体积，获得驱动力执行水中游泳动作；该水中游泳动作包括水中三维运动动作及定深悬停动作。

当机器人在陆地运动时，通过轮桨机构顺时针和逆时针转动为机器人提供推进力。LJ1轮桨机构和LJ3轮桨机构逆时针转动、LJ2轮桨机构和LJ4轮桨机构顺时针转动实现机器人的前进；反之实现机器人的后退。LJ1轮桨机构和LJ2轮桨机构顺时针转动，LJ3轮桨机构和LJ4轮桨机构逆时针转动实现机器人的向右横移；反之实现机器人的向左横移。在上述运动步态中使其中一个轮桨机构的转动速度与其他不同可实现机器人的偏航运动。LJ1轮桨机构和LJ4轮桨机构顺时针转动实现机器人原地左转；同理，LJ2轮桨机构和LJ3轮桨机构逆时针转动实现机器人原地右转。根据相同原理，机器人的轮桨机构的初始位置不同，可实现不同的运动步态如翻滚、前进俯仰耦合等。该机器人相较于传统的两栖机器人，需要的电机数量更少，步态更多，具有优异的灵活性，特别适合水下狭小空间的作业；

当机器人在水中游泳时，通过往复摆动轮桨机构，使刚柔耦合的桨产生推力，为机器人运动提供动力，图中箭头表示运动方向，实线箭头表示桨产生的力，虚线箭头表示桨产生的力在两个方向的分力。轮桨所用的编号顺序在有所展示。以后退步态为例，F1与F2产生的向后分力，使机器人后退，水平的分力虽然对机器人的推进不起作用，但是保证了机器人在水平方向的稳定性。同理，LJ3轮桨机构和LJ4轮桨机构往复摆动实现机器人的前进。LJ1轮桨机构和LJ4轮桨机构往复摆动实现机器人原地左转；同理，LJ2轮桨机构和LJ3轮桨机构往复摆动实现机器人原地右转。LJ2轮桨机构和LJ4轮桨机构往复摆动实现机器人的向左横移；同理，LJ1轮桨机构和LJ3轮桨机构往复摆动实现机器人的向右横移。在上述运动步态中使两个轮桨机构的往复摆动速度不同可实现机器人的偏航运动。4个轮桨机构的柔性蹼片都位于机器人下方且垂直于水平面，4个轮桨机构往复摆动实现机器人上升；反之实现机器人下潜。LJ1轮桨机构和LJ2轮桨机构的柔性蹼片位于机器人下方或下方且垂直于水平面，两轮桨机构往复摆动实现机器人的俯仰运动。

在本说明书的描述中，若出现术语″实施例一″、″本实施例″、″在一个实施例中″等描述，意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于发明或发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例；而且，所描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何一个或多个实施例或示例中以恰当的方式结合。

在本说明书的描述中，术语″连接″、″安装″、″固定″、″设置″、″具有″等均做广义理解，例如，″连接″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，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能够理解和应用本案技术，熟悉本领域技术的人员显然可轻易对这些实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本案不限于以上实施例，对于以下几种情形的修改，都应该在本案的保护范围内：①以本发明技术方案为基础并结合现有公知常识所实施的新的技术方案，该新的技术方案所产生的技术效果并没有超出本发明技术效果之外；②采用公知技术对本发明技术方案的部分特征的等效替换，所产生的技术效果与本发明技术效果相同；③以本发明技术方案为基础进行可拓展，拓展后的技术方案的实质内容没有超出本发明技术方案之外；④利用本发明说明书及附图内容所作的等效变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域。

Claims (10)

1.一种水陆两栖机器人，其特征在于，包括机体、运动机构及控制单元；

所述运动机构包括若干轮桨机构及轮桨驱动；轮桨机构具有转轮和蹼片；在控制单元控制下，轮桨机构具有至少两种运动状态，两个运动状态包括滚动状态和往复摆动状态；在滚动状态下，机体能够依靠轮桨机构中转轮采用轮式方式行走；在往复摆动状态下，机体能够依靠轮桨机构中蹼片采用桨式方式在水中获得推力而运动。

2.根据权利要求1所述的一种水陆两栖机器人，其特征在于，所述轮桨机构包括轮毂、转轮及至少一个蹼片；

轮毂具有至少一个缺口，轮毂的缺口内具有至少一个连接部，蹼片安装在连接部上；

转轮呈环状，且套装轮毂外侧，且具有与轮毂一致性的缺口；转轮外侧具有轮纹或齿凸。

3.根据权利要求2所述的一种水陆两栖机器人，其特征在于，该蹼片外端伸出轮毂及转轮外侧，且蹼片沿转轮的径向设置。

4.根据权利要求3所述的一种水陆两栖机器人，其特征在于，所述轮桨机构设有4个，均分为两组，分别安装在机体前后两端的两侧；

轮桨机构与机体呈斜45°，且沿机体纵横对称设置；

机体前后两端的两轮桨机构，在机体外侧呈张开状态。

5.根据权利要求4所述的一种水陆两栖机器人，其特征在于，还包括气囊单元，气囊单元配置在机体上，能够调节气囊体积，进行浮力调整。

6.根据权利要求5所述的一种水陆两栖机器人，其特征在于，所述轮桨驱动包括4个电机，其一一对应连接相应轮桨机构中轮毂的轮轴，电机能够驱动轮毂转动或往复摆动。

7.根据权利要求6所述的一种水陆两栖机器人，其特征在于，所述机体内具有密封舱，控制单元及电源内置于密封舱内。

8.根据权利要求7所述的一种水陆两栖机器人，其特征在于，所述气囊单元包括气囊外壳、气囊以及调节件；机体上下两侧分别具有气囊外壳，气囊设有2个，分别安装于上下两气囊外壳内，气囊安装在气囊外壳内；气囊外壳上若干小孔；调节件与气囊连接，调节气囊的体积。

9.一种根据权利要求8的所述水陆两栖机器人的控制方法，其特征在于，包括，在陆地上，因轮桨机构与机体呈斜45°，控制轮桨机构处于滚动状态；机体的运动机构采用4轮驱动式控制方式，通过控制4个电机分别正转、反转和/或轮速偏差获得驱动力执行陆地行走动作，该陆地行走动作包括前进、后退、偏航、横移及原地转动；在机体处于相应姿态时，配合该动作能够进行翻滚、前进俯仰耦合；

在水中，因轮桨机构与机体呈斜45°，控制轮桨机构处于往复摆动状态下；机体的运动机构采用4桨驱动式控制方式，通过控制4个电机分别摆动蹼片与水作用，并配合控制气囊调节体积，获得驱动力执行水中游泳动作；该水中游泳动作包括水中三维运动动作及定深悬停动作。

10.一种水陆两栖机器人，应用于科学考察、环境监测、军事探测及海底资源勘测与开发。