一种蛇形两栖机器人浮力调节装置及两栖机器人的制作方法

本发明涉及机器人领域，特别是一种蛇形两栖机器人浮力调节装置及两栖机器人。

背景技术：

当今社会，机器人技术高速发展，机器人已经可以代替人类在很多高危场合作业，也可以在一些场合代替人类探索未知的世界。蛇形水下机器人就是这类机器人的典型代表，不仅可以像传统的水下机器人一样，在水中灵活运动，还可以灵活的在水下环境及陆地环境切换，能够很好的适应各种复杂环境。

蛇形机器人具有稳定性好、横截面小、柔性等特点，能在各种粗糙、陡峭、崎岖的复杂地形上行走，并可攀爬障碍物，在水中游动，这是以轮子或腿作为行走工具的机器人难以做到的。在目前已有的蛇形机器人中，绝大多数都是应用于陆地环境，这类蛇形机器人不适用于水陆两栖环境。

蛇形水下机器人可以在水中灵活运动，探索寻常水下潜器无法到达的复杂水下地形，也可以在海难时执行水下搜救任务，保护人民的生命和财产安全。

然而，由于蛇形机器人由于自身体积限制，无法携带过多的能源，造成了其活动范围有限的缺点，浮力调节装置可以作为蛇形水下机器人的辅助动力，扩大机器人的活动范围，提升续航力。

有鉴于此，本发明的目的在于提供有种新的技术方案以解决现存的技术缺陷。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种蛇形两栖机器人浮力调节装置，解决了现有机器人无法携带大量能源完成上浮、下沉等动作的技术缺陷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种蛇形两栖机器人浮力调节装置，包括两关节外壳和设置在所述两关节外壳上的连接座，所述两关节外壳之间设置有防水弹性外皮，所述两连接座相向的一侧面上设置有剪型机构固定件，所述两连接座上的剪型机构固定件之间设置有具有伸缩功能的剪型机构，所述两连接座中的一个设置有伸缩驱动装置，所述两连接座之间设置有可驱动所述剪型机构伸、缩并由所述伸缩驱动装置驱动的伸缩连接杆。

作为上述技术方案的改进，所述设置在连接座上的剪型机构固定件铰接在剪型机构两端，所述剪型机构固定件包括具有圆形铰接孔的固定件及具有腰型活动孔的固定件，所述剪型机构一端的两个连接部分别通过所述铰接孔及腰型活动孔活动连接，

作为上述技术方案的进一步改进，所述剪型机构具有两组，两组剪型机构之间连接有连接销。

作为上述技术方案的一种实施改进，所述伸缩驱动机构为驱动电机，所述伸缩连接杆为由所述驱动电机驱动的正反螺纹连杆。

作为上述技术方案的进一步改进，所述两连接座的中央位置设置有配合所述正反螺纹连杆的螺纹孔，所述正反螺纹连杆的正反螺纹交接处位于所述两连接座的中心连线的中点上。

作为上述技术方案的第二种实施改进改进，所述伸缩驱动机构为驱动液压缸，所述伸缩连接杆为所述驱动液压缸的输出活塞杆。

作为上述技术方案的进一步改进，所述驱动液压缸为双行程液压缸，驱动液压缸固定在两连接座中的一个，驱动液压缸的第一行程输出端连接到两连接座中的另一个，所述驱动液压缸的第二行程输出端连接有由所述驱动液压缸驱动并可外伸到关节外壳外部空间的浮力翼。

作为上述技术方案的进一步改进，所述安装有浮力翼的关节外壳上开设有配合所述浮力翼的滑槽，所述浮力翼可在所述滑槽内滑动并完成外伸或内收浮力翼的动作，所述浮力翼上铰接有浮力翼连杆，所述浮力翼连杆的自由端铰接在所述驱动液压缸第二行程输出端的端部。

本发明还提供一种蛇形两栖机器人，包括上述的浮力调节装置，还包括多个通用模块，所述多个通用模块首尾串联连接，活动连接的两相邻通用模块中的一个通用模块可相对另一个通用模块俯仰运动或/和偏航运动。

作为上述技术方案的改进，所述蛇形两栖机器人的第一个通用模块和最后一个通用模块分别设置有首部保护壳和尾部保护壳，所述首部保护壳呈圆柱形，所述尾部保护壳呈类圆锥形。

作为上述技术方案的进一步改进，所述两相邻的通用模块之间设置有可伸缩的防水波纹护套，所述防水波纹护套两端连接在相邻的两通用模块对应的端部。

作为上述技术方案的进一步改进，所述通用模块包括两端部外壳和连接在所述两端部外壳之间的连接壳，所述端部外壳和连接壳合围而成一个中空的筒体结构，所述筒体结构内部安装有两舵机及配套所述舵机应用的传动齿轮组件，所述两通用模块之间连接有万向节组件。

作为上述技术方案的进一步改进，所述同一通用模块内的两个舵机在平行平面中相互错开90°设置，相邻的两个通用模块中靠近的两个舵机在平行平面中相互错开90°设置。

作为上述技术方案的进一步改进，所述端部外壳与连接壳采用嵌入式结构相互连接，所述连接壳两端具有嵌入阶梯位，所述端部外壳的一端嵌入在所述嵌入阶梯位上，所述嵌入阶梯位上设置有O型圈安装槽，所述O型圈安装槽安装有O型圈，所述O型圈外沿抵靠到端部外壳的内壁面并使得端部外壳与连接壳相互密封连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述连接壳为一体成型的中空构件，连接壳内部具有向着连接壳圆柱中心线方向延伸的内凸加强棱。

作为上述技术方案的进一步改进，所述通用模块外侧部设置有侧翼，通用模块两端设置有密封法兰，所述侧翼的两端固定在密封法兰上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述通用模块具有俯仰和偏航两个自由度，可在±45°范围内自由运动。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括浮力调节装置，所述浮力调节装置包括两关节外壳和设置在所述两关节外壳上的连接座，所述两关节外壳之间设置有防水弹性外皮，所述两连接座相向的一侧面上设置有剪型机构固定件，所述两连接座上的，剪型机构固定件之间设置有具有伸缩功能的剪型机构，所述两连接座中的一个设置有伸缩驱动装置，所述两连接座之间设置有可驱动所述剪型机构伸、缩并由所述伸缩驱动装置驱动的伸缩连接杆。

作为上述技术方案的进一步改进，所述设置在连接座上的剪型机构固定件铰接在剪型机构两端，所述剪型机构固定件包括具有圆形铰接孔的固定件及具有腰型活动孔的固定件，所述剪型机构一端的两个连接部分别通过所述铰接孔及腰型活动孔活动连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述剪型机构具有两组，两组剪型机构之间连接有连接销。

作为上述技术方案的一种实施改进，所述伸缩驱动机构为驱动电机，所述伸缩连接杆为由所述驱动电机驱动的正反螺纹连杆。

作为上述技术方案的进一步改进，所述两连接座的中央位置设置有配合所述正反螺纹连杆的螺纹孔，所述正反螺纹连杆的正反螺纹交接处位于所述两连接座的中心连线的中点上。

作为上述技术方案的第二种实施改进，所述伸缩驱动机构为驱动液压缸，所述伸缩连接杆为所述驱动液压缸的输出活塞杆。

作为上述技术方案的进一步改进，所述驱动液压缸为双行程液压缸，驱动液压缸固定在两连接座中的一个，驱动液压缸的第一行程输出端连接到两连接座中的另一个，所述驱动液压缸的第二行程输出端连接有由所述驱动液压缸驱动并可外伸到关节外壳外部空间的浮力翼。

作为上述技术方案的进一步改进，所述安装有浮力翼的关节外壳上开设有配合所述浮力翼的滑槽，所述浮力翼可在所述滑槽内滑动并完成外伸或内收浮力翼的动作，所述浮力翼上铰接有浮力翼连杆，所述浮力翼连杆的自由端铰接在所述驱动液压缸第二行程输出端的端部

本发明的有益效果是：本发明提供了一种蛇形两栖机器人浮力调节装置，所述浮力调节装置通过伸缩驱动装置驱动剪型机构完成伸缩、延伸功能，完成调节装置的排水体积的变化，从而调节整个机器人的浮力，轻松实现机器人的上浮、下沉等动作，节省能源，占用空间体积小、方便实施。该种蛇形两栖机器人浮力调节装置解决了现有机器人无法携带大量能源完成上浮、下沉等动作的技术缺陷。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明中两栖机器人的结构示意图；

图2是本发明中通用模块的结构示意图；

图3是本发明中通用模块另一角度的结构示意图；

图4是图3中A-A方向的剖视图；

图5是本发明中连接壳的结构示意图；

图6是本发明实施例1中浮力调节装置的结构示意图；

图7是本发明实施例1中浮力调节装置第二角度的结构示意图；

图8是图7中B-B方向的剖视图；

图9是本发明实施例1中浮力调节装置去掉两关节外壳及防水弹性外皮后的结构示意图；

图10是本发明实施例1中浮力调节装置与蛇形机器人的连接结构示意图；

图11是本发明中实施例2中浮力调节装置的结构示意图；

图12是本发明实施例2中浮力调节装置第二角度的结构示意图；

图13是图12中C-C方向的剖视图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。参照图1-13。

实施例1：参照图1-10。

具体参照图1-5，一种模块化关节的蛇形两栖机器人，包括多个通用模块1，所述多个通用模块1首尾串联连接，所述蛇形两栖机器人的第一个通用模块1和最后一个通用模块1分别设置有首部保护壳3和尾部保护壳4，在本实施例中，所述首部保护壳3呈圆柱形，所述尾部保护壳4呈类圆锥形，在实际实施本发明过程中，实施者可根据实施条件选择合适的首部保护壳3及尾部保护壳4的外形，所述两相邻的通用模块1之间设置有可伸缩的防水波纹护套2，所述防水波纹护套2两端连接在相邻的两通用模块1对应的端部，所述防水波纹护套2一方面具备防水性能，另一方面也具有配合机器人上相邻的通用模块1活动时所需的伸缩功能。

上述活动连接的两相邻通用模块1中的一个通用模块1可相对另一个通用模块1俯仰运动或/和偏航运动，所述实现活动连接功能的结构为设置在两通用模块之间的万向节组件15。优选地，所述通用模块1包括两端部外壳11和连接在所述两端部外壳11之间的连接壳12，所述端部外壳11和连接壳12合围而成一个中空的筒体结构，所述筒体结构内部安装有两舵机13及配套所述舵机13应用的传动齿轮组件14，所述两通用模块1之间连接有万向节组件15。

优选地，所述通用模块1包括两端部外壳11和连接在所述两端部外壳11之间的连接壳12，优选地，所述端部外壳11与连接壳12采用嵌入式结构相互连接，所述连接壳12两端具有嵌入阶梯位121，所述端部外壳11的一端嵌入在所述嵌入阶梯位121上，所述嵌入阶梯位121上设置有O型圈安装槽122，所述O型圈安装槽122安装有O型圈，所述O型圈外沿抵靠到端部外壳11的内壁面并使得端部外壳11与连接壳12相互密封连接。

本实施例中，所述两舵机13为俯仰舵机及偏航舵机，在具体实施结构上，所述万向节组件15包括由通用模块1端部延伸出来的两个万向节连接杆和安装在所述万向节连接杆上的万向节主体。

在传动齿轮组件14及万向节主体的圆柱形固定连接件均安装有轴承，所述轴承可保证传动齿轮组件14和万向节组件15的平稳运行。每个关节具有八个轴承，其中，万向节主体处四个，与万向节主体连接的传动齿轮组件14四个。

所述端部外壳11及万向节主体的中间位置开设有大小不一的孔。该种开孔结构一来在保证结构强度的同时也可以减重，减少机器人的重量、降低材料成本；二来可以辅助走线，相邻通用模块1的舵机之间的信号线和电源线可以穿过这些孔相互连接。

所述每一通用模块1都具有俯仰和偏航两个自由度，可在±45°范围内自由运动，当两栖机器人的通用模块1的数量增加时，两栖机器人的自由度数量会对应增加，整个两栖机器人的活动的灵活程度非常高，可适应的环境也更加多。

优选地，所述同一通用模块1内的两个舵机13在平行平面中相互错开90°布置，相邻的两个通用模块1中靠近的两个舵机13在平行平面中相互错开90°布置，使得每一通用模块1具有俯仰和偏航的功能。

优选地，所述连接壳12为一体成型的中空构件，连接壳12内部具有向着连接壳12圆柱中心线方向延伸的内凸加强棱123。所述内凸加强棱123既可以增加机器人的强度，同时也在其上开了螺纹孔，所开螺纹孔不钻透，不会造成漏水，保证了连接壳的密封性。

优选地，所述通用模块1外侧部设置有侧翼16，通用模块1两端设置有密封法兰17，所述侧翼16的两端固定在密封法兰17上，所述侧翼16通过螺钉与密封法兰17固定连接。在实际应用过程中，所述侧翼16一方面可有效提升整个两栖机器人在水中运动的稳定性；另一方面，在陆地行走时，可通过一个或两个侧翼16增强行走的稳定性；再有，所述侧翼16与密封法兰17的连接结构可极大增强整个通用模块1及两栖机器人的结构强度，抗冲击能力更佳，使用寿命得到保证。在具体实施本发明时，所述通用模块1外表面垂直设置的侧翼16上可以安装辅助运动的被动轮和鳍桨等设备。

所述端部外壳11与连接壳12可开设孔，上述侧翼16可通过这些开孔固定在端部外壳11与连接壳12上。并且，端部外壳11与连接壳12预留了与侧翼16连接的凸台，保证侧翼16与端部外壳11及连接壳12连接的紧密性。

本实施例中，端部外壳11的开孔为通孔，连接壳12的开孔为螺纹孔。

所述侧翼16中间具有三个孔，侧翼16通过螺钉固定在端部外壳11与连接壳12上。这样可保证侧翼16在首尾端只有单一法兰情况下能够有良好的固定性。

另外，侧翼16的两侧还开设有若干对孔（本实施例为两对孔），可以通过所述孔外挂辅助桨、被动轮等辅助机器人在不同地形运动的设备。

在应用时：

所述俯仰舵机带动与其相连的齿轮传动机构，通过传动齿轮组件14的转动带动万向节组件15上设置的齿轮，完成以万向节组件15为中心的俯仰运动；

所述偏航舵机带动与其相连的传动齿轮组件14带动万向节组件15上设置的齿轮，完成以万向节组件15为中心的偏航运动，偏航舵机与俯仰舵机的在平行平面中相互错开90°布置；

在具体的运动过程中，蛇形两栖机器人可以有多种运动模式，俯仰舵机和偏航舵机以一定的角度差进行运动，带动蛇形两栖机器人各模块化关节，实现S形运动、U形运动、螺旋形运动等二维三维运动，在陆地运动时，主要是依靠机器人与陆地环境间的摩擦力获得动力，在水中运动时，则是各个关节与水接触的部分与水共同作用，从而获得动力。

参照图6-10，该种两栖机器人还包括浮力调节装置5，在实施时，所述浮力调节装置5安装在机器人的首、尾部，所述浮力调节装置5包括两关节外壳51和设置在所述两关节外壳51上的连接座52，所述两关节外壳51之间设置有防水弹性外皮53，所述两连接座52相向的一侧面上设置有剪型机构固定件54，所述两连接座52上的剪型机构固定件54之间设置有具有伸缩功能的剪型机构55，所述两连接座52中的一个设置有伸缩驱动装置，所述两连接座52之间设置有可驱动所述剪型机构55伸、缩并由所述伸缩驱动装置驱动的伸缩连接杆。

优选地，所述设置在连接座52上的剪型机构固定件54铰接在剪型机构55两端，所述剪型机构固定件54包括具有圆形铰接孔的固定件及具有腰型活动孔的固定件，所述剪型机构一端的两个连接部分别通过所述铰接孔及腰型活动孔活动连接，所述剪型机构55具有两组，两组剪型机构55之间连接有连接销56。

本实施例中，所述伸缩驱动机构为驱动液压缸59，所述伸缩连接杆为所述驱动液压缸59的输出活塞杆60。

优选地，所述驱动液压缸59为双行程液压缸，驱动液压缸59固定在两连接座52中的一个，驱动液压缸59的第一行程输出端连接到两连接座52中的另一个，所述驱动液压缸59的第二行程输出端连接有由所述驱动液压缸59驱动并可外伸到关节外壳51外部空间的浮力翼61。

优选地，所述安装有浮力翼61的关节外壳51上开设有配合所述浮力翼61的滑槽，所述浮力翼61可在所述滑槽内滑动并完成外伸或内收浮力翼61的动作，所述浮力翼61上铰接有浮力翼连杆62，所述浮力翼连杆62的自由端铰接在所述驱动液压缸59第二行程输出端的端部。

在本实施例中，所述浮力调节装置通过驱动液压缸59及其输出活塞端完成浮力的调节，其原理与实施例2基本相同，另外，在本实施例中，调整浮力具有两个过程：第一阶段，在保证两个关节外壳51的防水伸缩外皮53不损坏的前提下，增加两个关节外壳51的距离，提高排水体积，增加浮力；第二阶段，液压缸输出端继续伸展，带动联动机构（本实施例为浮力翼连杆62将浮力翼61可以是平板翼，也可以是机翼形的翼）伸出关节外壳51，浮力翼62除了可增加排水体积提供浮力以外，还可以提供平衡力，使蛇形两栖机器人在上浮、下潜的过程中更稳定。

参照1、图10，所述浮力调节装置5的关节外壳51一端设有浮力调节装置5的密封连接法兰65，所述密封连接法兰65设有安装壳66，所述安装壳66安装有舵机、传动齿轮组件以及舵机固定装置，连接壳66远离密封连接法兰65的一端设置有第二密封连接法兰67；安装在安装壳66内部的舵机、传动齿轮组件与蛇形两栖机器人的首部或尾部的通用模块1通过上述的万向节组件15活动连接，因此，整个浮力调节装置5可通过其舵机、传动齿轮组件、舵机固定装置和相邻的通用模块1对应的舵机、传动齿轮组件以及所述的万向节组件实现蛇形两栖机器人首、尾部的俯仰运动或/和偏航运动，动作灵活。

浮力调节装置5的一端与蛇形两栖机器人首尾部的通用模块1活动连接，福利调节装置5的另一端安装密封法兰后与首部保护壳3或尾部保护壳4密封连接。

进一步，所述蛇形两栖机器人还可以设置有摄像头模块，所述摄像头模块包括有摄像头，所述摄像头的具体安装位置可以根据具体的实施环境和应用需要决定。

所述摄像头可以将蛇形两栖机器人周围的环境情况记录下来或实时直播，可有效辅助蛇形两栖机器人进行各种科研应用。

另外，可在蛇形两栖机器人上配套设置匹配所述摄像头模块的光源模块，所述光源模块优选地采用LED光源。所述光源模块可在黑暗环境中为蛇形两栖机器人的摄像头模块提供更好的光线条件，提高成像效果。

实施例2：参照图11-13。

本实施例与实施例1基本相同，其不同点在于：

本实施例中，所述伸缩驱动机构为驱动电机57，所述伸缩连接杆为由所述驱动电机57驱动的正反螺纹连杆58。

优选地，所述两连接座52的中央位置设置有配合所述正反螺纹连杆58的螺纹孔，所述正反螺纹连杆58的正反螺纹交接处位于所述两连接座52的中心连线的中点上。

在本实施例中，所述驱动电机为螺纹电机，当驱动电机57正向转动，带动与之相连的正反螺纹连杆58转动，转动方向与驱动电机57转动方向相同。正反螺纹连杆58在两个连接座52上的正反螺纹孔中转动时，连接座52的在正反螺纹连杆58上的位置发生改变，向螺纹杆的外侧运动，导致两个连接座52中间的距离增加，两个连接座52中间有蛇形两栖机器人防水弹性外皮53包覆，由于连接座52之间空间的直径不变，轴向距离变大，所以排开的水的体积增加，浮力也随之增加，浮力调节装置5完成浮力增加的调节。

当驱动电机57反向转动，带动与之相连的正反螺纹连杆58转动，转动方向与驱动电机57转动方向相同。正反螺纹连杆58在两个连接座52上的正反螺纹孔中转动时，连接座52在正反螺纹连杆58上的位置发生改变，向螺纹杆的内侧运动，导致两个连接座中间的距离减小，两个连接座52中间有蛇形两栖机器人防水弹性外皮包覆，由于连接座52之间空间的直径不变，轴向距离变小，所以排开的水的体积减小，浮力也随之减小，浮力调节装置5完成浮力减小的调节。

当机器人的总体浮力与重力相等，所以在水中不受外力时是悬浮状态。当首尾部的浮力调节装置5同时调节到浮力大于重力的状态时，蛇形两栖机器人可以完成上浮运动；当首尾部的浮力调节装置5同时调节到浮力小于重力的状态时，蛇形两栖机器人可以完成下潜运动。

当首部浮力大于重力，尾部浮力等于重力时，可以同时依靠尾部摆动产生的动力及首部的浮力共同完成上浮运动，增加上浮速度的同时，减少能量的消耗；当首部浮力小于重力，尾部浮力等于重力时，可以同时依靠尾部摆动产生的动力及首部的重力共同完成下潜运动，增加下潜速度的同时，减少能量的消耗。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。