CN204526690U - 一种足桨耦合驱动的两栖多足机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种足桨耦合驱动的两栖多足机器人，包括躯干、游泳桨单元和步行足单元；所述躯干包括上结构板和下结构板；所述步行足单元固定在所述上结构板与所述下结构板之间，呈星形分三组对称布置在所述躯干的两侧；所述游泳桨单元对称安装在所述下结构板的末端。本实用新型提供的机器人，无需附加密封措施便可直接下水，陆地-水下状态可以直接切换，大大提高了环境适应能力。

Description

一种足桨耦合驱动的两栖多足机器人

技术领域

本实用新型属于水陆两栖机器人领域，具体涉及足桨耦合驱动的两栖多足机器人。

背景技术

按照推进方式的不同，可以把机器人归为轮式，履带式和足式三类。轮式机器人和履带式机器人在平坦连续的路面上能够高速稳定地运动，但想要把机器人真正投入实际应用中，它所要面临的环境显然要复杂的多。真实的自然环境复杂多变，为了适应这种非结构环境，在不断探索之下，人类以仿生为基础研发了足式机器人。足式机器人离散的落脚点大大提高了环境适应能力。仿生足式机器人近年来发展迅速，人们研制出了四足，六足，八足甚至五足机器人，驱动方式不仅包括传统的模块驱动，液压驱动，甚至有气动推进和记忆合金驱动等。

随着海洋战略地位和研究价值的上升，机器人逐渐被应用于海洋探索。目前国内外研究的水下机器人运动方式主要包括浮游和爬行，但均局限于浅水和深水海域，对于海洋与陆地衔接的极浅水、碎浪带、拍岸浪区和滩涂地带，其作业能力差强人意；陆地应用的机器人更是束手无策。

传统机器蟹多采用整体包裹式防水密封，即当机器人下水前给机器人穿上一层防水橡胶外衣。当机器人处于深水中时此种密封方式的密封外衣受到水压作用会发生严重变形，从而限制了机器人关节的运动行程，而且橡胶外衣极易受到海水的腐蚀，易破损漏水；在水下依然采用爬行的二维空间运动方式，效率低下，受介质因素影响较大，不适合作为水下搭载平台。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于解决上述难题，提供一种以生物海蟹为仿生原型的具有较强作业能力与机动性以及较好的稳定性与越障能力的足桨耦合驱动的两栖多足机器人。

本实用新型提供一种足桨耦合驱动的两栖多足机器人，包括躯干、游泳桨单元和步行足单元；所述躯干包括上结构板和下结构板；所述步行足单元固定在所述上结构板与所述下结构板之间，呈星形分三组对称布置在所述躯干的两侧；所述游泳桨单元对称安装在所述下结构板的末端。

进一步的，所述躯干还包括连接件，浮筒和密封箱体，所述上结构板和所述下结构板使用二者之间均布的所述连接件固定在一起,所述密封箱体位于所述躯干的中央，穿过所述上结构板，经由固定架固定在所述下结构板上；所述密封箱体内含电源系统，控制系统和浮力调节系统及水密接头；所述密封箱体的两侧加工有用来放置水密接头和水泵入口管道的安装孔，所述密封箱体顶端加工有观察孔和通气设备连接孔，所述浮筒布置在所述密封箱体两侧，固定在所述上结构板上。

进一步的，所述浮力调节系统包括水泵，电磁阀，浮筒，水囊和水管；所述水泵的一端 与外界连通，另一端与电磁阀连接，所述电磁阀的出口连接所述水囊，所述水囊密封在所述浮筒内。

进一步的，所述游泳桨单元包括游泳桨关节驱动电机、支架、摇动传递机构、桁架、类桁架、转动机构、长翼片和尾翼，各关节依次串联，由所述游泳桨关节驱动电机驱动，所述游泳桨关节驱动电机均固定在各自支架上；所述游泳桨关节驱动电机包括：游泳桨第一关节驱动电机、游泳桨第二关节驱动电机、游泳桨第三关节驱动电机及游泳桨第四关节驱动电机；所述摇动传递机构包括模块片、摇动杆、固件、传递件、滑块及转动套，所述模块片的一端与游泳桨第一关节驱动电机输出端固联在一起，另一端固定着所述滑块，所述转动套插入并固定在所述下结构板上，所述转动机构包括所述摇动杆和传递件；所述摇动杆和所述传递件分别从所述转动套的两端插入，并连接在一起，所述传递件固定在所述桁架上。

进一步的，所述游泳桨第一关节驱动电机经由所述支架固定在所述下结构板上；所述游泳桨第二关节驱动电机的输出轴与模块圆盘固连，并安装在所述桁架上，另一端则套入轴承行形成转动副；所述游泳桨第三关节驱动电机和所述游泳桨第二关节驱动电机的输出轴垂直布置，两者通过各自的支架连接在一起，所述游泳桨第三关节驱动电机输出端经由所述模块圆盘和所述类桁架固连，另一端通过轴承形成转动副；在所述类桁架上固定着所述游泳桨第四关节驱动电机，其输出端和模块臂固连在一起，所述模块臂的两端各连接一根连杆，所述连杆的另一端与尾翼形成铰链，所述类桁架与长翼片连接在一起，所述长翼片的末端与所述尾翼经由插入的轴承形成转动副。

进一步的，所述的步行足单元包括步行足关节、步行足关节驱动模块、支架及胫节片；所述步行足关节驱动电机，支架和胫节片固定在一起；所述步行足关节包括步行足第一关节、步行足第二关节及步行足第三关节，并依次串联而成，各关节由步行足关节驱动电机驱动；所述步行足关节驱动电机包括步行足第一关节驱动电机、步行足第二关节驱动电机及步行足第三关节驱动电机；所述步行足关节驱动电机均固定在各自的支架上。

进一步的，所述步行足第一关节驱动电机通过模块圆盘与所述上结构板连接，所述支架和所述下结构板之间添加垫片；所述步行足第二关节驱动电机输出轴和所述步行足第一关节驱动电机输出轴垂直布置，二者通过各自的支架连接在一起；所述步行足第三关节驱动电机和所述步行足第二关节驱动电机输出轴平行布置，二者并通过两侧的股节片连接在一起，所述步行足第三关节驱动电机的输出端与模块圆盘固连在一起，所述模块圆盘与所述股节片相连。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型提供的机器人，陆地、水下状态可以直接切换，大大提高了环境适应能力。所独有的游泳桨结构十分贴近生物本体，能够在较大程度上模仿生物海蟹游泳桨的运动规律，可以使用多自由度游泳桨灵活控制机器人在水下的姿态和运动，解决了传统水下多足机器人只能水底爬行的单一性，实现了水下三维空间运动。同时该机器人继承了以往多足机器人优越的陆地行走能力，能够使用游泳桨和步行足实现水底爬行、水中浮游和足桨耦合驱动“蹬踏-游动”，丰富了两栖机器人的运动方式。运动模式的多样化不仅使得该机器人兼具水下机器人和陆地机器人的特性，而且针对对特殊的的浅滩碎浪带、极浅水、滩涂区域也拥有良好的探索能力。

附图说明

图1所示为仿蟹机器人整体结构侧视图。

图2所示为仿蟹机器人整体结构轴测图。

图3所示为步行足结构正视图。

图4所示为游泳桨结构轴测图。

图5所示为游泳桨曲柄摇摆结构局部剖视图。

图6所示为浮力调节系统结构图。

图7所示为游泳桨关节运动图。

图8所示为机器人前进游动示意图。

图9所示为机器人蹬踏-游动示意图。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本实用新型具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

如图1-2所示，本实用新型提供一种足桨耦合驱动的两栖多足机器人，包括躯干100、游泳桨单元200和步行足单元300；所述躯干100包括上结构板101和下结构板102；所述步行足单元300固定在所述上结构板101与所述下结构板102之间，呈星形分三组对称布置在所述躯干100的两侧；所述游泳桨单元200对称安装在所述下结构板102的末端。

进一步的，所述躯干100还包括连接件103，浮筒104和密封箱体105，所述上结构板101和所述下结构板102使用二者之间均布的所述连接件103固定在一起，所述密封箱体105位于所述躯干100的中央，穿过所述上结构板101，经由固定架106固定在所述下结构板102上；所述密封箱体105的两侧加工有用来放置水密接头109和水泵入口管道的安装孔，所述密封箱体105顶端加工有观察孔和通气设备连接孔，所述浮筒104布置在所述密封箱体105两侧，固定在所述上结构板101上。

进一步的，如图6所示，所述浮力调节系统120包括水泵121，电磁阀122，浮筒104，水囊124和水管125；所述水泵121的一端与外界连通，另一端与电磁阀122连接，所述电 磁阀122的出口连接所述水囊124，所述水囊124密封在所述浮筒104内。

进一步的，如图4-5所示，所述游泳桨单元200包括游泳桨关节驱动电机、游泳桨支架201、摇动传递机构、桁架203、类桁架204、转动机构、长翼片206和尾翼207，各关节依次串联，由所述游泳桨关节驱动电机驱动，所述游泳桨关节驱动电机固定在所述游泳桨支架201上；所述游泳桨关节驱动电机包括：游泳桨第一关节驱动电机211、游泳桨第二关节驱动电机212、游泳桨第三关节驱动电机213及游泳桨第四关节驱动电机214；所述摇动传递机构包括模块片、摇动杆222、固件223、传递件224、滑块225及转动套226，所述模块片的一端与游泳桨第一关节驱动电机211输出端固联在一起，另一端固定着所述滑块225，所述转动套226插入并固定在所述下结构板102上的固件223中，所述转动机构包括所述摇动杆222和所述传递件224；所述摇动杆222和传递件224分别从所述转动套226的两端插入，并连接在一起，所述传递件224固定在所述桁架203上。

进一步的，所述游泳桨第一关节驱动电机211经由所述游泳桨支架201固定在所述下结构板102上；所述游泳桨第二关节驱动电机212输出轴与模块圆盘304相连，并安装在所述桁架203上，另一端则套入轴承行形成转动副；所述游泳桨第三关节驱动电机213和所述游泳桨第二关节驱动电机212的输出轴垂直布置，两者通过各自的游泳桨支架201连接在一起，所述游泳桨第三关节驱动电机213输出端经由所述模块圆盘304和所述类桁架204固连，另一端通过轴承209形成转动副；在所述类桁架204上固定着所述游泳桨第四关节驱动电机214，其输出端和模块臂202固连在一起，所述模块臂202的两端各连接一根连杆227，所述连杆227的另一端与尾翼207形成铰链，所述类桁架204与长翼片206连接在一起，所述长翼片206的末端与所述尾翼207经由插入的轴承209形成转动副。

进一步的，如图2-3所示，所述的步行足单元300包括步行足关节、步行足关节驱动电机、支架301及胫节片302；所述步行足关节驱动电机，步行足支架301和胫节片302固定在一起；所述步行足关节包括步行足第一关节311、步行足第二关节312及步行足第三关节313，并依次串联而成，各关节由所述步行足关节驱动电机驱动；所述步行足关节驱动电机包括步行足第一关节驱动电机321、步行足第二关节驱动电机322及步行足第三关节驱动电机323；所述步行足关节驱动电机均固定在各自的支架301上。

进一步的，所述步行足第一关节驱动电机321通过模块圆盘304与所述上结构板101连接，所述支架301和所述下结构板102之间添加垫片305；所述步行足第二关节驱动电机322输出轴和所述步行足第一关节驱动电机321输出轴垂直布置，二者通过各自的支架301紧密连接在一起；所述步行足第三关节驱动电机323和所述步行足第二关节驱动电机322输出轴平行布置，二者并通过两侧的股节片303连接在一起，所述步行足第三关节驱动电机323的输出端与模块圆盘304固连在一起，所述模块圆盘304与所述股节片303相连。

具体实施例： 

本实用新型的水陆两栖多足机器人可以实现水陆两栖环境下的陆地爬行运动，水中浮游，水底爬行运动或水中蹬踏-游动。

工作时，游泳桨第一关节驱动电机可以211使游泳桨左右翻滚，游泳桨第二关节驱动电机可以212使游泳桨前后摇动，游泳桨第三关节驱动电机213使游泳桨上下拍动，游泳桨第 四关节驱动电机214使尾翼207前后摇动，串联的各关节将运动依次传递，最终产生类似生物海蟹游泳桨拍动的复合运动。通过控制各关节运动的相位差，可以产生不同的水下动力效果。

如图7、8所示，水中浮游：机器人在水中游动前进时，步行足单元300与机体成锥形，减小游动阻力，游泳桨单元200中的四个关节依次实现左右摇动，前后滑动，上下拍动，左右滑动，各个运动耦合，产生的水动力推动机器人向前游动。向前运动时，对称布置的两个游泳桨单元200拍动产生的水动力，推进力分量相互叠加，侧向力分量相互抵消，升力分量一个周期内平均值为零。当腿部骤然向前划动时，可以紧急降速。

如图9所示，水中蹬踏-游动：机器人以蹬踏-游动模式前进，此时重力略大于浮力；初始时刻，腿部关节由最初的弯曲状态迅速伸展，足尖受到地面的反作用力使机器人向上运动，此时游泳桨单元200拍动产生以升力为主的水动力，之后游泳桨单元200改变运动规律，水动力以推进力为主，机器人进入游动状态，步行足单元300关节运动至水平偏后位置，机器人前进；由于重力作用，机器人最终下沉，此时由于浮力的作用，减小机器人落地的冲击，步行足单元300伸展；落地的同时，步行足单元300第二和第三关节由伸展状态逐渐变回弯曲状态，重新蓄势，开始下一个循环。

本实用新型提供的机器人，可以直接切换陆地、水下运动状态，大大提高了其环境适应能力。所独有的游泳桨结构十分接近生物结构原型，能够在较大程度上模仿生物海蟹游泳足的运动规律，达到控制机器人在水下的姿态和运动，解决了以往水下多足机器人只能水底爬行的缺陷，实现了水下三维空间运动。该机器人继承了以往仿蟹机器人优越的陆地行走技能，通过配合使用游泳桨和步行足实现水底爬行、水中游动和足桨耦合驱动“蹬踏-游动”，丰富了两栖机器人的运动方式。运动模式的多样化不仅使得该机器人兼具水下机器人和陆地机器人的特性，而且针对特殊的浅滩碎浪带、极浅水、滩涂区域也拥有良好的探索能力。

本文虽然已经给出了本实用新型的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本实用新型精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本实用新型权利范围的限定。

Claims (7)

1.一种足桨耦合驱动的两栖多足机器人，其特征在于，包括躯干、游泳桨单元和步行足单元；所述躯干包括上结构板和下结构板；所述步行足单元固定在所述上结构板与所述下结构板之间，呈星形分三组对称布置在所述躯干的两侧；所述游泳桨单元对称安装在所述下结构板的末端。

2.如权利要求1所述的一种足桨耦合驱动的两栖多足机器人，其特征在于，所述躯干还包括连接件，浮筒和密封箱体，所述上结构板和所述下结构板使用二者之间均布的所述连接件固定在一起，所述密封箱体位于所述躯干的中央，穿过所述上结构板，经由固定架固定在所述下结构板上；所述密封箱体内含电源系统，控制系统和浮力调节系统及水密接头；所述密封箱体的两侧加工有用来放置水密接头和水泵入口管道的安装孔，所述密封箱体顶端加工有观察孔和通气设备连接孔，所述浮筒布置在密封箱两侧，固定在所述上结构板上。

3.如权利要求2所述的一种足桨耦合驱动的两栖多足机器人，其特征在于，所述浮力调节系统包括水泵，电磁阀，浮筒，水囊和水管；所述水泵的一端与外界连通，另一端与电磁阀连接，所述电磁阀的出口连接所述水囊，所述水囊密封在所述浮筒内。

4.如权利要求1所述的一种足桨耦合驱动的两栖多足机器人，其特征在于，所述游泳桨单元包括游泳桨关节驱动电机、支架、摇动传递机构、桁架、类桁架、转动机构、长翼片和尾翼，各关节依次串联，由所述游泳桨关节驱动电机驱动，所述游泳桨关节驱动电机均固定在各自支架上；所述游泳桨关节驱动电机包括：游泳桨第一关节驱动电机、游泳桨第二关节驱动电机、游泳桨第三关节驱动电机及游泳桨第四关节驱动电机；所述摇动传递机构包括模块片、摇动杆、固件、传递件、滑块及转动套，所述模块片的一端与游泳桨第一关节驱动电机输出端固联在一起，另一端固定着所述滑块，所述转动套插入并固定在所述下结构板上，所述转动机构包括所述摇动杆和传递件；所述摇动杆和所述传递件分别从所述转动套的两端插入，并连接在一起，所述传递件固定在所述桁架上。

5.如权利要求4所述的一种足桨耦合驱动的两栖多足机器人，其特征在于，所述游泳桨第一关节驱动电机经由所述支架固定在所述下结构板上；所述游泳桨第二关节驱动电机的输出轴与模块圆盘固连，并安装在所述桁架上，另一端则套入轴承行形成转动副；所述游泳桨第三关节驱动电机和所述游泳桨第二关节驱动电机的输出轴垂直布置，两者通过各自的支架连接在一起，所述游泳桨第三关节驱动电机输出端经由所述模块圆盘和所述类桁架固连，另一端通过轴承形成转动副；在所述类桁架上固定着所述游泳桨第四关节驱动电机，其输出端和模块臂固连在一起，所述模块臂的两端各连接一根连杆，所述连杆的另一端与尾翼形成铰链，所述类桁架与长翼片连接在一起，所述长翼片的末端与所述尾翼经由插入的轴承形成转动副。

6.如权利要求1所述的一种足桨耦合驱动的两栖多足机器人，其特征在于，所述的步行足单元包括步行足关节、步行足关节驱动电机、支架及胫节片；所述步行足关节驱动电机，支架和胫节片固定在一起；所述步行足关节包括步行足第一关节、步行足第二关节及步行足第三关节，并依次串联而成，各关节由步行足关节驱动电机驱动；所述步行足关节驱动电机包括步行足第一关节驱动电机、步行足第二关节驱动电机及步行足第三关节驱动电机；所述步行足关节驱动电机均固定在各自的支架上。

7.如权利要求6所述的一种足桨耦合驱动的两栖多足机器人，其特征在于，所述步行足第一关节驱动电机通过模块圆盘与所述上结构板连接，所述支架和所述下结构板之间添加垫片；所述步行足第二关节驱动电机输出轴和所述步行足第一关节驱动电机输出轴垂直布置，二者通过各自的支架连接在一起；所述步行足第三关节驱动电机和所述步行足第二关节驱动电机输出轴平行布置，二者并通过两侧的股节片连接在一起，所述步行足第三关节驱动电机的输出端与模块圆盘固连在一起，所述模块圆盘与所述股节片相连。