專利名稱：一種基于可變形足-蹼復(fù)合推進機構(gòu)的水陸兩棲機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水陸兩棲機器人，具體地說是ー種基于可變形足-蹼復(fù)合推進機構(gòu)的水陸兩棲機器人。
背景技術(shù)：
隨著人類對海洋資源的開發(fā)利用和海洋科學(xué)相關(guān)研究的深化與發(fā)展，海洋與陸地交界的過渡地帶成為近年來科學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)控、調(diào)查分析 及軍事偵察等方面應(yīng)用和關(guān)注的重點區(qū)域之一。水陸兩棲機器人作為ー種能夠在陸地、水中及水陸過渡地帶開展各種作業(yè)任務(wù)的有效技術(shù)手段，正吸引著全世界越來越多國家科技人員的研究和探索。但是現(xiàn)有兩棲機器人的性能還遠達不到單一功能的陸地或者水下機器人，而且能夠真正實現(xiàn)水陸過渡環(huán)境的有效切換的更是少之又少。究其原因主要有兩點一、陸地和水中分離的驅(qū)動和執(zhí)行機構(gòu)，使得機器人的效率極其低下；ニ、水陸過渡環(huán)境隨著介質(zhì)形式的多種多祥，對水陸兩棲機器人的推進機構(gòu)和控制策略都提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，水陸兩棲機器人需要陸地和水下推進的有效復(fù)合，設(shè)計出既能夠適應(yīng)陸地復(fù)雜多變地形，又能在水下高效推進的復(fù)合驅(qū)動和執(zhí)行機構(gòu)。為了實現(xiàn)水陸兩棲機器人既能夠在水中和陸地環(huán)境高機動能力，又能在水陸過渡地帯具有良好的通過性和適應(yīng)性，開發(fā)研制基于新型復(fù)合驅(qū)動機構(gòu)的水陸兩棲機器人成為近年來兩棲機器人的重要研究方向和發(fā)展趨勢之一。本發(fā)明的目的在于提供一種基于可變形足-蹼復(fù)合推進機構(gòu)的水陸兩棲機器人，解決了現(xiàn)有水陸兩棲機器人大多需要兩套相互獨立的陸地和水中推進機構(gòu)，且在復(fù)雜水陸過渡環(huán)境下通過能力差、效率低的不足，為近海海洋資源開發(fā)利用、兩棲探險與救援提供一種有效的聞技術(shù)手段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的本發(fā)明提供的一種基于可變形足-蹼復(fù)合推進機構(gòu)的水陸兩棲機器人包括水陸兩棲機器人密封殼體、密封蓋板、前/后蓋板、控制電路、電池、通訊天線、復(fù)合推進驅(qū)動模塊、可變形足-蹼模塊，所述密封殼體兩側(cè)板對稱設(shè)有多個復(fù)合推進驅(qū)動模塊，每個復(fù)合推進驅(qū)動模塊的輸出軸上安裝有可變形足-蹼模塊。其中可變形足-蹼模塊由首節(jié)、中節(jié)和末節(jié)三部分組成，各節(jié)之間用一塊整體的弾性薄板串聯(lián)，末節(jié)固定有無伸縮性軟繩，無伸縮性軟繩從中間各節(jié)中穿過，并最終由首節(jié)穿出，接入兩棲機器人的復(fù)合推進驅(qū)動模塊，由復(fù)合推進驅(qū)動模塊中的收線電機控制無伸縮性軟繩的伸縮。當(dāng)兩棲機器人在水中推進時，無伸縮性軟繩為松弛狀態(tài)，各節(jié)在彈性薄板的作用下自然伸直，可變形足-蹼模塊呈展平狀態(tài)，在復(fù)合推進驅(qū)動模塊的驅(qū)動下繞輸出軸往復(fù)擺動，像蹼ー樣拍動推迸。當(dāng)兩棲機器人在陸地上行走吋，收線電機將鋼絲收緊，由于鋼絲與彈簧鋼板之間有一定的間隔以及相鄰節(jié)板之間成一定角度的斜面，故在無伸縮性軟繩的拉動作用下，可變形足-蹼模塊呈彎曲狀態(tài)并依靠驅(qū)動模塊中的絲杠螺母機構(gòu)鎖住，在驅(qū)動模塊的驅(qū)動下繞電機輸出軸做旋轉(zhuǎn)運動，可完成平地行進，翻越障礙等動作。復(fù)合推進驅(qū)動模塊是由推進驅(qū)動軸通過連接平面和緊定螺釘與可變形足-蹼模塊首節(jié)相連，將主驅(qū)動電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩傳遞給兩棲機器人的可變形足-蹼模塊，實現(xiàn)陸地行走、水下拍動等機動動作。推進驅(qū)動軸沿軸向中心有ー貫穿孔，可以穿過驅(qū)動可變形足-蹼模塊變形的無伸縮性軟繩，無伸縮性軟繩、滑塊、連接桿、雙軸承、套筒、絲杠螺母機構(gòu)沿軸向依次連接，最終通過收線齒輪與收線電機相連，由收線電機控制無伸縮性軟繩的拉動，以驅(qū)動可變形足-蹼模塊變形。雙軸承的作用是將推進驅(qū)動軸的回轉(zhuǎn)運動與無伸縮性軟繩在推進驅(qū)動軸內(nèi)部的軸向動作隔離開，以防止無伸縮性軟繩在可變形足-蹼模塊旋轉(zhuǎn)時自身纏繞。推進驅(qū)動軸上還安裝有光電零位檢測裝置，用以反饋可變形足-蹼模塊的絕對位置。本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果為I.本發(fā)明采用的可變形足-蹼復(fù)合推進機構(gòu)有效地將陸地足式推進方式和水中·蹼式推進方式融合在一起，陸地和水中推進所需的主驅(qū)動電機和執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)了功能復(fù)用，滿足了機器人在水陸兩棲條件的行進和游動多運動模式的需求，同時保證了機器人運動的平穩(wěn)性、快速性和協(xié)調(diào)性。2.本發(fā)明機器人的可變形足-蹼復(fù)合推進機構(gòu)采用模塊化設(shè)計，彼此之間互不干擾，便于維護和更換。3.本發(fā)明運動方式靈活，水陸環(huán)境適應(yīng)能力強。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為本發(fā)明中可變形足-蹼復(fù)合推進機構(gòu)的蹼狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明中可變形足-蹼復(fù)合推進機構(gòu)的腿狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖；圖4為可變形足-蹼模塊結(jié)構(gòu)圖；圖5為圖4的剖視圖；圖6a為本發(fā)明在陸地行走時的三角步態(tài)實現(xiàn)原理圖；圖6b為本發(fā)明在翻越障礙物時同步步態(tài)實現(xiàn)原理圖；圖7a為本發(fā)明水中正向巡游實現(xiàn)原理圖；圖7b為本發(fā)明水中反向巡游實現(xiàn)原理圖；圖7c為本發(fā)明水中轉(zhuǎn)向游動實現(xiàn)原理圖；圖7d為本發(fā)明水中原地自旋游動實現(xiàn)原理圖；圖7e為本發(fā)明水中緊急制動實現(xiàn)原理圖；圖7f為本發(fā)明上升游動運動實現(xiàn)原理圖；圖7g為本發(fā)明下潛游動運動實現(xiàn)原理圖；其中1為密封蓋板,2為復(fù)合推進驅(qū)動模塊,3為控制電路,4為電池,5為通訊天線，6為密封殼體,7為可變形足-踐模塊,8為前/后蓋板,9為首節(jié)蓋板,10為中節(jié)，11為末節(jié)，12為無伸縮性軟繩壓片，13為無伸縮性軟繩夾頭，14為無伸縮性軟繩，15為彈性薄板，16為首節(jié)基板,17為主驅(qū)動電機,18為驅(qū)動模塊框架蓋板,19為驅(qū)動模塊框架,20為零位檢測盤，21為槽形光電開關(guān)，22為主驅(qū)動電機支架，23為軸承座，24為收線電機，25為螺母套筒,26為第二收線齒輪,27為第一收線齒輪,28為第一驅(qū)動齒輪,29為第二驅(qū)動齒輪,30為O型密封圏，31為密封腔螺釘，32為傳動空心軸第一軸承，33為密封腔軸承端蓋，34為傳動空心軸，35為軸用擋圈，36為無伸縮性軟繩連接塊，37為第一連接桿，38為傳動空心軸第二軸承，39為連接銷,40為第一連接桿軸承,41為第二連接桿,42為第二連接桿軸承,43為絲桿第一軸承，44為直線軸承,45為螺母,46為光軸,47為套筒端蓋,48為絲桿,49為絲桿第ニ軸承，50為絲桿軸承端蓋。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進ー步詳述。如圖I所示，本發(fā)明的機器人包括密封蓋板I、復(fù)合推進驅(qū)動模塊2、控制電路3、電池4、通訊天線5、密封殼體6、可變形足-蹼模塊7、前/后蓋板8，其中密封蓋板I和密封殼體6之間的接合面由密封條和密封膠密封后通過螺釘進行連接，前/后蓋板8分別粘接于密封殼體6的前、后兩個側(cè)面，控制電路3和電池4由螺釘固定在密封殼體6內(nèi)，通訊天線·5固定在密封蓋板I上，其信號傳輸線纜與控制電路3相連；在密封殼體6的兩側(cè)對稱設(shè)有多個復(fù)合推進驅(qū)動模塊2，每個復(fù)合推進驅(qū)動模塊2的輸出軸端連接可變形足-蹼模塊7。本實施例的復(fù)合推進驅(qū)動模塊2共三對、六個，對稱分布于密封殼體6的前部、中部和后部，三對、六個可變形足-蹼模塊7通過緊定螺釘分別固接于每個復(fù)合推進驅(qū)動模塊2的輸出軸端。如圖2所示，可變形足-蹼模塊7包括首節(jié)基板16，首節(jié)蓋板9，多個中節(jié)10，末節(jié)11，彈性薄板15，無伸縮性軟繩14，無伸縮性軟繩壓片12和無伸縮性軟繩夾頭13。本實施例中中節(jié)為5個。首節(jié)基板16，5個中節(jié)10，末節(jié)11依次通過螺釘固定在彈性薄板15上，無伸縮性軟繩14通過首節(jié)基板16，5個中節(jié)10，末節(jié)11上的通孔后折回并由無伸縮性軟繩夾頭13夾緊，并用無伸縮性軟繩壓片12壓住防止脫落。首節(jié)蓋板9和首節(jié)基板16通過螺釘固接。圖2為可變形足-蹼模塊7在無伸縮性軟繩松弛狀態(tài)下成為類似于蹼的水中驅(qū)動機構(gòu)，圖3為可變形足-蹼模塊7在無伸縮性軟繩收緊狀態(tài)下成為類似于足的陸地驅(qū)動機構(gòu)。如圖4和圖5所示，復(fù)合推進驅(qū)動模塊2包括主驅(qū)動電機17，驅(qū)動模塊框架蓋板18，驅(qū)動模塊框架19，零位檢測盤20，槽形光電開關(guān)21，主驅(qū)動電機支架22，軸承座23，收線電機24，螺母套筒25，第二收線齒輪26，第一收線齒輪27，第一驅(qū)動齒輪28，第二驅(qū)動齒輪29，O型密封圈30，密封腔螺釘31，傳動空心軸第一軸承32，密封腔軸承端蓋33，傳動空心軸34，軸用擋圈35，無伸縮性軟繩連接塊36，第一連接桿37，傳動空心軸第二軸承38，連接銷39，第一連接桿軸承40，第二連接桿41，第二連接桿軸承42，絲桿第一軸承43，直線軸承44，螺母45，光軸46，套筒端蓋47，絲桿48，絲桿第二軸承49，絲桿軸承端蓋50。主驅(qū)動電機17為市購產(chǎn)品，購置于蘇州鈞和伺服科技有限公司(生產(chǎn)商瑞士 Maxon公司)、型號為Maxon RE 30，通過螺釘固定于主驅(qū)動電機支架22上。傳動空心軸34由傳動空心軸第一軸承32和傳動空心軸第二軸承38支承，安裝于驅(qū)動模塊框架19和主驅(qū)動電機支架22，驅(qū)動模塊框架19和主驅(qū)動電機支架22通過螺釘固接成為一體。主驅(qū)動電機17的輸出軸通過緊定螺釘連接第一驅(qū)動齒輪28，與第一驅(qū)動齒輪28相嚙合傳動的第二驅(qū)動齒輪29通過平鍵和軸用擋圈35固定在傳動空心軸34上。傳動空心軸34的中軸線上開有直徑約I. 5mm的通孔，無伸縮性軟繩14可在通孔內(nèi)滑動。收線電機24通過第一收線齒輪27和第二收線齒輪26嚙合傳動后，驅(qū)動絲桿48轉(zhuǎn)動，絲桿48與螺母45構(gòu)成螺旋傳動使固接在螺母45上的螺母套筒25能夠在傳動空心軸34的軸線方向上產(chǎn)生直線位移，從而經(jīng)過第一連接桿軸承40、第二連接桿軸承42、第二連接桿41、第一連接桿37和無伸縮性軟繩連接塊36的一系列傳動使無伸縮性軟繩14產(chǎn)生同步的直線位移。直線軸承44和光軸46用來導(dǎo)向螺母套筒25的直線運動，防止其旋轉(zhuǎn)。傳動空心軸34上通過緊定螺釘固接零位檢測盤20，和固定在驅(qū)動模塊框架19上的槽形光電開關(guān)21配合用來檢測轉(zhuǎn)動的零位。驅(qū)動模塊框架19的伸出端和傳動空心軸34形成ー個空腔，通過密封腔螺釘31處的小孔填注粘稠密封劑用來密封防水。驅(qū)動模塊框架19通過O型密封圈30與兩棲機器人密封殼體6進行密封防水。本發(fā)明的水陸兩棲機器人可以實現(xiàn)水陸兩棲環(huán)境下的陸地足式運動和水中蹼式游動兩種運動模式。陸地足式運動模式當(dāng)可變形足-蹼模塊7在傳動空心軸34的驅(qū)動下作回轉(zhuǎn)運動時，可實現(xiàn)兩棲機器人的陸地行走、翻越障礙等功能。輔以不同的控制時序，可實現(xiàn)兩棲機·器人行走步態(tài)上的變化。如圖6a所示，當(dāng)兩棲機器人在較平坦地面行走時，可采用圖中的三角步態(tài)推進方式，即六套可變形足-蹼模塊7分成兩組，每組由呈三角形分布的三套可變形足-蹼模塊7構(gòu)成，兩組之間存在一定的驅(qū)動時序相位差，從而保證了機器人整體在行進過程中的平穩(wěn)性和快速性。如圖6b所示，當(dāng)兩棲機器人需要翻越一定高度的障礙時，可采用圖中的同步步態(tài)推進方式，即六套可變形足-蹼模塊7分成三組，分別由前、中、后部相對的兩套模塊構(gòu)成，每組之間存在一定的驅(qū)動時序相位差，從而實現(xiàn)了機器人整體在翻越障礙過程中的通過性和協(xié)調(diào)性。水中蹼式游動模式如圖7a所示，當(dāng)可變形足-蹼模塊7在平行于機器人身體平面附近作小范圍拍動動作時，機器人可實現(xiàn)正向的游動；如圖7b所示，當(dāng)可變形足-蹼模塊7在圖7a所示位置旋轉(zhuǎn)180°后作拍動動作時,機器人可實現(xiàn)反向的游動；如圖7c所示，當(dāng)機器人一側(cè)的可變形足-蹼模塊7作拍動動作時，機器人可實現(xiàn)向左或向右的轉(zhuǎn)向游動；如圖7d所示，當(dāng)機器人身體兩側(cè)的可變形足-蹼模塊7錯位180°進行拍動動作時，機器人可實現(xiàn)水下的原地自旋游動；如圖7e所示，當(dāng)可變形足-蹼模塊7位干與機器人身體平面相垂直的位置時，可實現(xiàn)機器人在水下的緊急制動動作；如圖7f和圖7g所示，當(dāng)可變形足-蹼模塊7在與機器人身體平面成一定夾角的位置作拍動動作時，機器人可實現(xiàn)上浮或下潛游動運動。
權(quán)利要求
1.一種基于可變形足-蹼復(fù)合推進機構(gòu)的水陸兩棲機器人，包括水陸兩棲機器人密封殼體、密封蓋板、前/后蓋板、控制電路、電池、通訊天線、復(fù)合推進驅(qū)動模塊、可變形足-蹼模塊，所述密封殼體兩側(cè)板對稱設(shè)有多個復(fù)合推進驅(qū)動模塊，每個復(fù)合推進驅(qū)動模塊的輸出軸上安裝有可變形足-蹼模塊；其特征在于 可變形足-蹼模塊由首節(jié)、中節(jié)和末節(jié)三部分組成，各節(jié)之間用一塊整體的彈性薄板串聯(lián)，末節(jié)固定有無伸縮性軟繩，無伸縮性軟繩從中間各節(jié)中穿過，并最終由首節(jié)穿出，接入兩棲機器人的復(fù)合推進驅(qū)動模塊，由復(fù)合推進驅(qū)動模塊中的收線電機控制無伸縮性軟繩的伸縮；當(dāng)兩棲機器人在水中推進時，無伸縮性軟繩為松弛狀態(tài)，各節(jié)在彈性薄板的作用下自然伸直，可變形足-蹼模塊呈展平狀態(tài)，在復(fù)合推進驅(qū)動模塊的驅(qū)動下繞輸出軸往復(fù)擺動，像蹼一樣拍動推進；當(dāng)兩棲機器人在陸地上行走時，收線電機將鋼絲收緊，由于鋼絲與彈簧鋼板之間有一定的間隔以及相鄰節(jié)板之間成一定角度的斜面，故在無伸縮性軟繩的拉動作用下，可變形足-蹼模塊呈彎曲狀態(tài)并依靠驅(qū)動模塊中的自鎖機構(gòu)鎖住，在復(fù)合推進驅(qū)動模塊的驅(qū)動下繞電機輸出軸做旋轉(zhuǎn)運動，完成平地行進，翻越障礙動作； 復(fù)合推進驅(qū)動模塊是由推進驅(qū)動軸通過連接平面和緊定螺釘與可變形腿首節(jié)相連，將主驅(qū)動電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩傳遞給兩棲機器人的可變形足-蹼模塊，實現(xiàn)陸地行走、水下拍動動作；推進驅(qū)動軸沿軸向中心有一貫穿孔，能夠穿過驅(qū)動可變形足-蹼模塊變形的無伸縮性軟繩，無伸縮性軟繩、滑塊、連接桿、雙軸承、套筒、絲杠螺母機構(gòu)沿軸向依次連接，最終通過收線齒輪與收線電機相連，由收線電機控制無伸縮性軟繩的拉動，以驅(qū)動可變形足-蹼模塊變形；雙軸承的作用是將推進驅(qū)動軸的回轉(zhuǎn)運動與無伸縮性軟繩在推進驅(qū)動軸內(nèi)部的軸向動作隔離開，以防止無伸縮性軟繩在可變形足-蹼模塊旋轉(zhuǎn)時自身纏繞；推進驅(qū)動軸上還安裝有光電零位檢測裝置，用以反饋可變形足-蹼模塊的絕對位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水陸兩棲機器人，其特征在于所述水陸兩棲機器人能的運動模式包括兩棲環(huán)境下的陸地足式運動和水中蹼式游動兩種運動模式； 陸地足式運動模式為當(dāng)可變形足-蹼模塊在傳動空心軸的驅(qū)動下作回轉(zhuǎn)運動時，實現(xiàn)兩棲機器人的陸地行走、翻越障礙的功能；輔以不同的控制時序，能實現(xiàn)兩棲機器人行走步態(tài)上的變化，當(dāng)兩棲機器人在較平坦地面行走時，采用三角步態(tài)推進方式，即六套可變形足-蹼模塊分成兩組，每組由呈三角形分布的三套可變形足-蹼模塊構(gòu)成，兩組之間存在一定的驅(qū)動時序相位差，從而保證了機器人整體在行進過程中的平穩(wěn)性和快速性；當(dāng)兩棲機器人需要翻越一定高度的障礙時，采用同步步態(tài)推進方式，即六套可變形足-蹼模塊分成三組，分別由前、中、后部相對的兩套模塊構(gòu)成，每組之間存在一定的驅(qū)動時序相位差，從而實現(xiàn)了機器人整體在翻越障礙過程中的通過性和協(xié)調(diào)性； 水中蹼式游動模式當(dāng)可變形足-蹼模塊在平行于機器人身體平面附近作小范圍拍動動作時，機器人實現(xiàn)正向的游動；當(dāng)可變形足-蹼模塊旋轉(zhuǎn)180°后作拍動動作時，機器人實現(xiàn)反向的游動；當(dāng)機器人一側(cè)的可變形足-蹼模塊作拍動動作時，機器人可實現(xiàn)向左或向右的轉(zhuǎn)向游動；當(dāng)機器人身體兩側(cè)的可變形足-蹼模塊錯位180°進行拍動動作時，機器人實現(xiàn)水下的原地自旋游動；當(dāng)可變形足-蹼模塊位于與機器人身體平面相垂直的位置時，實現(xiàn)機器人在水下的緊急制動動作；當(dāng)可變形足-蹼模塊在與機器人身體平面成一定夾角的位置作拍動動作時，機器人實現(xiàn)上浮或下潛游動運動。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于可變形足-蹼復(fù)合推進機構(gòu)的水陸兩棲機器人，包括水陸兩棲機器人密封殼體、密封蓋板、前/后蓋板、控制電路、電池、通訊天線、復(fù)合推進驅(qū)動模塊、可變形足-蹼模塊，所述密封殼體兩側(cè)板對稱設(shè)有多個復(fù)合推進驅(qū)動模塊，每個復(fù)合推進驅(qū)動模塊的輸出軸上安裝有可變形足-蹼模塊；解決了現(xiàn)有水陸兩棲機器人大多需要兩套相互獨立的陸地和水中推進機構(gòu)，且在復(fù)雜水陸過渡環(huán)境下通過能力差、效率低的不足，為近海海洋資源開發(fā)利用、兩棲探險與救援提供一種有效的高技術(shù)手段。
文檔編號B60F3/00GK102785542SQ20121027320
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月2日
發(fā)明者任小雙, 劉鵬, 張世武, 徐利超, 楊杰, 梁旭, 許旻 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)