CN204846312U - 一种具有模式转换功能的防风防浪型仿生水黾机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有模式转换功能的防风防浪型仿生水黾机器人，包括布置在主体底板周围的四条支撑腿，每条支撑腿包括：横向支撑腿，一端与主体底板横向转动铰接；纵向支撑腿，一端与横向支撑腿的自由端纵向转动铰接；漂浮支撑腿，顶部与纵向支撑腿的自由端连接；所述仿生水黾机器人还包括保持主体底板、横向支撑腿和纵向支撑腿之间相对位置的保持部件，以及用于驱动横向支撑腿相对主体底板横向转动、驱动纵向支撑腿相对横向支撑腿转动的第一驱动部件；本实用新型通过调整支撑腿的位置和形态，从而改变机器人的姿态和模式，可以更好的适应自然环境；在风浪较大时，调整成平稳模式，抵御风浪的侵袭；在风浪较小时，调整成前进模式，行进阻力小、运动灵活。

Description

一种具有模式转换功能的防风防浪型仿生水黾机器人

技术领域

本实用新型涉及仿生水黾机器人，特别涉及一种具有模式转换功能的防风防浪型仿生水黾机器人。

背景技术

水黾可以利用腿部的疏水特性在水面快速的行进和跳跃，并且对水面的干扰比较小。受水黾的启发，近几年仿生水黾机器人的发展得到很多方面的关注。由于仿生水黾机器人的机械效率高、在水面的行进快速、对水面的干扰比较小、轻便以及噪音小的优势，使得仿生水黾机器人在军事侦察、水质监测、环境数据监测、管道内壁的探查方面得到了广泛的应用。目前，仿生水黾机器人的研究主要停留在对水黾的运动仿真，然而对于自然界实际情况的应对存在较大问题，比如对风浪的适应性很弱，导致行驶稳定性不高。

例如公布号为CN104176223A的专利文献公开了一种能够在水面上滑行以及连续跳跃的仿生水黾机器人，这种机器人利用复杂的齿轮传动结构从而实现了模仿水黾在水上的运动情况，但是这种机器人自身比较笨重，无法携带更多的设备实现其他方面的作用。

公布号为CN102556318A的专利文献公开了一种仿生水黾机器人，包括机架、对称安装在机架上的前后四条支撑腿和中间左右两条划水腿、舵机组件和控制电路，所述划水腿包括划水腿划水机构和划水腿抬腿机构，所述舵机组件包括划水舵机组件和抬腿舵机组件；所述支撑腿包括依次连接的上连接杆、中连接杆和漂浮支撑腿，上连接杆与机架连接；所述划水腿划水机构为四杆机构；所述划水腿抬腿机构为平行四边形机构；所述划水腿划水机构与所述划水腿抬腿机构串联安装，并通过控制机构相互配合运动。上述机器人的能较好的实现水黾的划水效果，但是它的缺点在于效率不高，自身震动较大，并且没有应对风浪的能力。

公开号CN203318656U的专利文献公开了一种腿部有储备浮力作用的新型仿生水黾机器人，由四条支撑腿、两条左右对称布置的划水腿、主体框架、舵机部件等部分组成，依靠设计的具有小水线面特点的浮力支撑腿支撑机器人漂浮于水面，在遇到小波浪时小水线面特点的浮力支撑腿可减少机器人的运动响应，提高稳定性。

上述这种机器人通过腿部的细长流线型支柱能在波浪小的时候增加机体的动力学特性，能在小波浪的时候储备浮力，具有一定的耐波特性，但对于风浪较大的情况仍无法稳定运行。

实用新型内容

本实用新型提供了一种具有模式转换功能的防风防浪型仿生水黾机器人，可以针对水体的状态对运动模式进行调节，在风浪较大地时候仍保持平稳，且运行阻力小、运动灵活。

一种具有模式转换功能的防风防浪型仿生水黾机器人，包括主体底板以及安装在主体底板上的支撑组件和划水组件，所述支撑组件包括布置在主体底板周围的四条支撑腿，

每条支撑腿包括：

横向支撑腿，一端与主体底板横向转动铰接；

纵向支撑腿，一端与横向支撑腿的自由端纵向转动铰接；

漂浮支撑腿，顶部与纵向支撑腿的自由端连接；

所述仿生水黾机器人还包括保持主体底板、横向支撑腿和纵向支撑腿之间相对位置的保持部件，以及用于驱动横向支撑腿相对主体底板横向转动、驱动纵向支撑腿相对横向支撑腿转动的第一驱动部件；

所述第一驱动部件通过驱动横向支撑腿和纵向支撑腿使所述仿生水黾机器人在四条支撑腿在相互平行且与前进方向平行、整体重心处于高位的前进模式和四条支撑腿在相互成90°夹角、整体重心处于低位的平稳模式之间转换。

本实用新型中，支撑仿生水黾机器人(以下简称机器人)的四条支撑腿的各段可以进行调整，分别是横向支撑腿可以相对主体底板横向转动，纵向支撑腿可以相对横向支撑腿纵向转动；并且还设有有保持部件将支撑腿保持在某个状态和位置，以及调整支撑腿状态和位置的驱动机构，从而通过第一驱动机构实现所述仿生水黾机器人在前进模式和平稳模式之间转换。

驱动横向支撑腿相对主体底板横向转动对应调整的是四条支撑腿之间的位置关系，在相互平行且与前进方向平行或是相互成90°夹角之间转换，通过第一驱动部件的调节可以实现相互转换。

驱动纵向支撑腿相对横向支撑腿转动对应调整的是每条支撑腿中纵向支撑腿相对横向支撑腿的位置关系，这个位置关系会影响整体重心的变化，将水表面作为水平面，横向支撑腿相对水平面角度是保持不变的，此时调整纵向支撑腿相对横向支撑腿转动，则调整了纵向支撑腿相对水平面的角度，纵向支撑腿相对水平面角度较大时，整体重心处于高位；纵向支撑腿相对水平面角度较小时，整体重心处于低位；

所述前进模式是指机器人处于四条支撑腿在相互平行且与前进方向平行、整体重心处于高位的状态；此时机器人在水面上成自然朝前伸直，对前进阻力较小，所述的高位是相对于平稳模式时整体重心处于低位而言，由于驱动部件的作用，驱动纵向支撑腿相对横向支撑腿转动，从而改变整体重心来实现整体重心的变化。

所述平稳模式是指机器人处于四条支撑腿在相互成90°夹角、整体重心处于低位的状态；此时即使风浪较大，机器人仍可以保持平稳，转换到该模式可以对应大风浪的情况。

本实用新型的机器人可以根据当前水面的状况进行姿势的调整，当水面相对平静时，适合行进，此时机器人的姿势处于四条支撑腿在相互平行且与前进方向平行、整体重心处于高位的前进模式；而当水面具有较大波浪时，通过第一驱动机构的驱动，机器人改变姿势，此时机器人的姿势处于四条支撑腿在相互成90°夹角、整体重心处于低位的平稳模式，该模式可以在较大的风浪情况下，仍保持平稳。

所述保持机构和驱动机构是配合使用的，驱动机构向保持机构提供动力，从而改变保持机构的状态从而实现四条支撑腿形态和位置的改变。

较为简单的方法是，所述保持机构和驱动机构是一体的，即每一个纵向支撑腿和横向支撑腿的运动通过单个电机控制；或者使用其他机械结构，例如曲柄连杆，丝杠等结构来实现保持和驱动。

本实用新型为了简化整体的结构，减少动力源的设置，优选的，所述保持部件包括对应安装在四条支撑腿上的四组，每组包括：

第一弹簧，安装在横向支撑腿与主体底板之间，用于保持横向支撑腿和主体底板的相对位置；

第一拉绳，连接横向支撑腿与主体底板，拉紧时压缩第一弹簧保持横向支撑腿和主体底板的相对位置；

第二弹簧，安装在横向支撑腿与纵向支撑腿之间，用于保持横向支撑腿和纵向支撑腿的相对位置；

第二拉绳，连接纵向支撑腿与主体底板，拉紧时压缩第二弹簧保持横向支撑腿和纵向支撑腿的相对位置；

所述第一驱动部件安装在主体底板上，用于拉紧和放松第一拉绳实现驱动横向支撑腿相对主体底板横向转动，用于拉紧和放松第二拉绳实现驱动纵向支撑腿相对横向支撑腿纵向转动。

通过设置拉绳和弹簧实现各横向支撑腿和纵向支撑腿的运动，所述拉绳可以通过第一驱动部件拉紧和放松，例如所述第一拉绳处于拉紧状态，此时第一弹簧储蓄能量，当第一驱动部件放松第一拉绳时，第一弹簧释放能量，从而改变横向支撑腿相对主体底板的位置；

所述第二拉绳处于放松状态，此时第二弹簧处于自由状态，保持横向支撑腿与纵向支撑腿相对位置，当第一驱动部件拉紧二拉绳时，第二弹簧储存能量，从而改变横向支撑腿相对主体底板的位置；

本实用新型中使用的保持部件和第一驱动部件结构简单，实现方便，可以只采用一个第一驱动部件，例如电机来收放所有拉绳，从而在同一时间实现各支撑腿的位置和形态的改变。

所述第一弹簧和第二弹簧可以采用扭簧或者其他种类的弹簧，优选的，所述第一弹簧为两端分别铰接在横向支撑腿与主体底板上的第一空气弹簧；

所述第二弹簧为两端分别铰接在横向支撑腿与纵向支撑腿上的第二空气弹簧。

空气弹簧具有变刚度特性，容易得到较低的固有振动频率，可提高机器人运动时的平顺性，且使用寿命长，质量小，特别适合应用在本实用新型中。

为了进一步简化结构，同时延长第一驱动部件的受力平衡，延长使用寿命，优选的，所述第一驱动部件为驱动电机，该驱动电机的输出轴上固定有收放第一拉绳和第二拉绳的轴套。使用同一驱动电机实现对所有支撑腿的控制，实现所有支撑腿的联动，模式转换迅速，应急能力强；并且各支撑腿施加在驱动电机上的力矩相互抵消，可以减小驱动电机输出轴的压力，延长使用寿命。

优选的，所述漂浮支撑腿与纵向支撑腿纵向转动铰接。这样可以使得漂浮支撑腿与纵向支撑腿之间的角度随着水面的变化而变化，从而使本实用新型的机器人获得更好的水面适应性。

为了减小机器人在前进模式下的前进阻力，同时又增加平稳模式下的平稳性，优选的，所述漂浮支撑腿的长度方向和纵向支撑腿的长度方向在同一平面内延伸。上述设置使机器人在前进模式时，所有漂浮支撑腿在长度方向上平行，进一步减小前进阻力；机器人在平稳模式时，各漂浮支撑腿在长度方向上成90度的夹角，进一步提高稳定性。

为了进一步减小前进阻力，优选的，所述漂浮支撑腿为流线型。所述漂浮支撑腿采用泡沫塑料制成，用来提供机器人在水面上的浮力，使其拥有较好的水动力特性。

为了提高本实用新型的动力性，优选的，所述划水组件包括至少一对对称布置在主体底板两侧的划水部件，每个划水部件包括：

划水腿，一端与主体底板纵向转动铰接；

第二驱动机构，安装在主体底板上，驱动划水腿相对主体底板上下摆动；

划水板，相对水平面垂直安装，划水板是由泡沫塑料制成，可以产生一定的浮力，从而保持机器人侧面的稳定，防止行进中侧翻发生。

第三驱动机构，安装在划水腿上，输出轴连接划水板驱动划水板前后转动以进行划水；

所述划水组件实现划水过程包括以下步骤：

(1)所述划水板伸入水面且垂直前进方向，所述第三驱动机构驱动划水板向后转动划水；

(2)待划水板完成一个划水动作后，所述第二驱动机构驱动划水腿相对主体底板向上摆动以使划水板脱离水面；第二驱动机构驱动的旋转角度可以是45°，这里也可以是其他角度，例如30°、60°，目的是为了使划水板脱离水面；

(3)待划水板脱离水面后，所述第三驱动机构驱动划水板向前转动恢复到垂直前进方向；

(4)待划水板恢复到垂直前进方向，所述第二驱动机构驱动划水腿相对主体底板向下摆动以使划水板伸入水面；

(5)重复步骤(1)～(4)。

控制模块可以控制底板两侧的划水部件的进行步骤(1)～(4)的周期，当两侧划水部件的周期相同时机器人保持直线前进，当两侧划水部件的周期不同时，机器人两侧受到的推进力大小不同，从而改变机器人的行进方向。

为了减小前进的阻力，优选的，步骤(1)中所述第三驱动机构驱动划水板向后转动划水和步骤(4)中所述第二驱动机构驱动划水腿相对主体底板向下摆动以使划水板伸入水面同步进行，由于在前进时，如果划水板以垂直前进方向的位置入水，则会产生多余的阻力，因此，上述所述第三驱动机构驱动划水板向后转动划水和所述第二驱动机构驱动划水腿相对主体底板向下摆动以使划水板伸入水面的两个动作同时进行可以减小前进阻力。

为了进一步减小前进阻力，优选的，步骤(1)中，所述第三驱动机构驱动划水板向后转动至所述划水板平行前进方向。待划水板平行前进方向后再抬腿，可以减小抬腿所需的动力，同时还减小前进阻力。

本实用新型的有益效果：

本实用新型通过调整支撑腿的位置和形态，从而改变机器人的姿态和模式，可以更好的适应自然环境；在风浪较大时，调整成平稳模式，抵御风浪的侵袭；在风浪较小时，调整成前进模式，行进阻力小、运动灵活；本实用新型可以根据环境的变化调整自身的姿态，调整成适应环境的模式，有效抵抗风浪。

附图说明

图1为本实用新型的立体结构示意图。

图2为本实用新型处于前进模式时的结构示意图。

图3为图2的仰视图。

图4为图3的左视图。

图5为本实用新型处于平稳模式时的结构示意图。

图6为本实用新型的局部放大示意图。

图7为本实用新型的另一个局部放大示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的具有模式转换功能的防风防浪型仿生水黾机器人包括主体底板4，安装在主体底板4上的支撑组件和划水组件，以及由保持部件和驱动部件组成的姿态控制系统；

支撑组件包括布置在主体底板周围的四条支撑腿，

每条支撑腿包括：

横向支撑腿3，一端与主体底板4横向转动铰接；

纵向支撑腿2，一端与横向支撑腿3的自由端纵向转动铰接；

漂浮支撑腿，本实施例中，漂浮支撑腿为流线型浮块1，顶部与纵向支撑腿2的自由端连接。

如图5和6所示，本实施例中，姿态控制系统的保持部件包括纵向支撑且两端分别铰接在横向支撑腿3和纵向支撑腿2上的空气弹簧5，横向支撑且两端分别铰接在横向支撑腿3和主体底板4上的空气弹簧6，拉紧以控制横向支撑腿3位置的尼龙绳16以及拉紧以控制纵向支撑腿2位置的尼龙绳17；

姿态控制系统的驱动部件为步进电机9，步进电机9的输出端连接轴套15，尼龙绳16一端缠绕在步进电机9的轴套15上，另一端固接在横向支撑腿3上，尼龙绳17一端缠绕在步进电机9的轴套15上，另一端固接在纵向支撑腿2上，当步进电机15正反转时，尼龙绳16和尼龙绳17会收紧(放松)从而改变横向支撑腿3和纵向支撑腿2上的载荷，从而改变横向支撑腿3和纵向支撑腿2的位置。

在本实用新型的机器人处于前进模式时，各支撑腿相互平行，且与前进方向平行，如图2所示，各支撑腿自然朝前伸直，以减少水对机器人的阻力。当机器人受到风浪时，通过步进电机9调节各支撑腿部产生变形，达到如图5所示的平稳模式，自前进模式向平稳模式转换的具体过程为：

步进电机9正转，放松尼龙绳16，使得横向支撑腿3与底板之间的空气弹簧6受力减小，空气弹簧6驱动横向支撑腿3转动，使机器人的四肢受到力向外旋转，使得四个支撑腿之间的角度为90°，尼龙绳16连线情况如图7所示；

步进电机9同时收紧尼龙绳17，纵向支撑腿2和横向支撑腿3之间的空气弹簧5受力增大，机器人的纵向支撑腿2与横向支撑腿3之间的角度变小，从而使得机器人的整体重心降低，尼龙绳17连线情况如图6所示。纵向支撑腿2与流线型浮块1纵向转动连接，使得机器人更加平稳地站在水面上，水面有波动时，流线型浮块1相对纵向支撑腿2转动，从而使机器人保持平稳。

当步进电机9反转时，又可以自平稳模式向前进模式转换。

上述各模式下或者模式转变过程中，总有4个空气弹簧受到压力，4个空气弹簧受到拉力，利用几何关系，对称布置各支撑脚，使得控制空气弹簧的尼龙绳对步进电机9上的转矩相抵消。

横向支撑腿3的一端依靠旋转副连接在主体底板4上，使得横向支撑腿3可以在主体底板4的平面上小范围的水平旋转，所述旋转副采用轴承制作而成。横向支撑腿3的另一端与纵向支撑腿2通过旋转副连接，该旋转副由销轴制作而成。流线型浮块1与纵向支撑腿2也通过销轴制作的旋转副连接，这样可以使得流线型浮块1与纵向支撑腿2之间的角度随着水面的变化而变化，从而获得更好的水面适应性。

如图3和图4所示，划水组件主要包括划水步进电机13(第三驱动机构)、抬腿步进电机7(第二驱动机构)、电机支架8、由抬腿杆10、11、12组装而成的划水腿以及划水板14。

其中电机支架8用螺栓固定在主体底板4上，划水步进电机13胶结或用螺栓固定在电机支架8上，电机支架8可以采用碳素纤维制作，抬腿步进电机7可以采用微型步进电机以减轻整体的重量。

抬腿杆10、11、12相互固接在一起，抬腿杆11通过中心的孔铰接在电机支架8上。划水步进电机13胶接在抬腿杆12上，划水板14通过联轴器连接划水步进电机13，提供前进的动力。

以图3为起始位置，设置的控制模块控制划水步进电机13，通过联轴器驱动划水板14向后旋转90°，产生向前的推进力，机器人向前行进，由于划水板14转过90°后，划水板14平行于机器人的前进方向，所以不会产生额外的阻力，提高机器人的动力。

抬腿步进电机7由电机支架8固定在主体底板4上，动力输出轴固定住抬腿杆11的中心轴，使得中心轴与抬腿步进电机7的轴心相平行。抬腿步进电机7带动抬腿杆11沿着中心轴旋转45°，这里也可以是其他角度，例如30°、60°，目的是为了划水板14脱离水面，抬腿杆11与抬腿杆10和抬腿杆12是固定在一起的，所以杆11带动杆12同时旋转45°，使得划水板14被抬起离开水面；之后控制模块控制划水步进电机13，通过联轴器驱动划水板14反向旋转90°，使得划水板14回复原位，然后控制模块控制抬腿步进电机7带动抬腿杆11沿着中心轴反向旋转45°，使得划水板进入水中，恢复到图3的初始位置。

由于在前进时，如果划水板14以垂直前进方向的位置入水，则会产生多余的阻力，本实施例中，采用划水板14向后划水和抬腿步进电机7向下将划水板14放入水中的操作同步进行，从而有效减小前进过程中的阻力。

控制模块可以控制主体底板4两侧的划水组件的周期，当两侧划水周期相同时机器人保持直线前进，当两侧划水周期不同时机器人两侧受到的推进力大小不同，从而改变机器人的行进方向，使得机器人可以灵活的转弯。

综上所述，本实施例的仿生水黾机器人，可以模仿水黾的结构布局和运动机理，并突破性的增加了机器人的模式转化，从而使得本实用新型可以应用在更加恶劣环境下，应用前景更加广阔。

Claims (8)

1.一种具有模式转换功能的防风防浪型仿生水黾机器人，包括主体底板以及安装在主体底板上的支撑组件和划水组件，所述支撑组件包括布置在主体底板周围的四条支撑腿，其特征在于，

每条支撑腿包括：

横向支撑腿，一端与主体底板横向转动铰接；

纵向支撑腿，一端与横向支撑腿的自由端纵向转动铰接；

漂浮支撑腿，顶部与纵向支撑腿的自由端连接；

所述仿生水黾机器人还包括保持主体底板、横向支撑腿和纵向支撑腿之间相对位置的保持部件，以及用于驱动横向支撑腿相对主体底板横向转动、驱动纵向支撑腿相对横向支撑腿转动的第一驱动部件；

所述第一驱动部件通过驱动横向支撑腿和纵向支撑腿使所述仿生水黾机器人在四条支撑腿在相互平行且与前进方向平行、整体重心处于高位的前进模式和四条支撑腿在相互成90°夹角、整体重心处于低位的平稳模式之间转换。

2.如权利要求1所述的具有模式转换功能的防风防浪型仿生水黾机器人，其特征在于，所述保持部件包括对应安装在四条支撑腿上的四组，每组包括：

第一弹簧，安装在横向支撑腿与主体底板之间，用于保持横向支撑腿和主体底板的相对位置；

第一拉绳，连接横向支撑腿与主体底板，拉紧时压缩第一弹簧保持横向支撑腿和主体底板的相对位置；

第二弹簧，安装在横向支撑腿与纵向支撑腿之间，用于保持横向支撑腿和纵向支撑腿的相对位置；

第二拉绳，连接纵向支撑腿与主体底板，拉紧时压缩第二弹簧保持横向支撑腿和纵向支撑腿的相对位置；

所述第一驱动部件安装在主体底板上，用于拉紧和放松第一拉绳实现驱动横向支撑腿相对主体底板横向转动，用于拉紧和放松第二拉绳实现驱动纵向支撑腿相对横向支撑腿纵向转动。

3.如权利要求2所述的具有模式转换功能的防风防浪型仿生水黾机器人，其特征在于，所述第一弹簧为两端分别铰接在横向支撑腿与主体底板上的第一空气弹簧；

所述第二弹簧为两端分别铰接在横向支撑腿与纵向支撑腿上的第二空气弹簧。

4.如权利要求2或3所述的具有模式转换功能的防风防浪型仿生水黾机器人，其特征在于，所述第一驱动部件为驱动电机，该驱动电机的输出轴上固定有收放第一拉绳和第二拉绳的轴套。

5.如权利要求1～3任一权利要求所述的具有模式转换功能的防风防浪型仿生水黾机器人，其特征在于，所述漂浮支撑腿与纵向支撑腿纵向转动铰接。

6.如权利要求5所述的具有模式转换功能的防风防浪型仿生水黾机器人，其特征在于，所述漂浮支撑腿的长度方向和纵向支撑腿的长度方向在同一平面内延伸。

7.如权利要求5所述的具有模式转换功能的防风防浪型仿生水黾机器人，其特征在于，所述漂浮支撑腿为流线型。

8.如权利要求1～3任一权利要求所述的具有模式转换功能的防风防浪型仿生水黾机器人，其特征在于，所述划水组件包括至少一对对称布置在主体底板两侧的划水部件，每个划水部件包括：

划水腿，一端与主体底板纵向转动铰接；

第二驱动机构，安装在主体底板上，驱动划水腿相对主体底板上下摆动；

划水板，相对水平面垂直安装；

第三驱动机构，安装在划水腿上，输出轴连接划水板驱动划水板前后转动以进行划水。