专利名称：水陆两栖机器人机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可在水陆两种环境中行进、避障，并根据环境的变化自主切换自身姿态及行进方式的两栖机器人机构。
背景技术：
20世纪水下机器人技术作为人类探索海洋的最主要手段，深海探测机器人受到了人们的普遍关注。可是，此类水下机器人结构功能复杂、体积大、质量大，其研发技术难、耗资多、研制周期长，对于江河湖海等环境不适用。
对于江河海湖水资源的探测、开发、利用，大中型水电站、大坝的修建等需要迫切要求一种能够在浅滩、湖泊等环境中水陆两栖穿行的小型机器人，该机器人必须具备有结构紧凑、体积小、质量轻等特点。
为此，本发明中的创作人凭借其多年从事相关行业的经验与实践，研发出一台仅采用两个驱动实现以上需求，基于仿生学角度的水陆两栖机器人。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种结构紧凑、简洁的自主式水陆两栖机器人机构，利用该水陆两栖机器人机构可以实现机器人自主在水陆两种不同环境中的行进、避障以及由水到陆地和由陆地到水中自身姿态和运动方式的切换等功能。
本发明中的水陆两栖机器人机构，包括有壳体，该壳体分为上下两部分，在上壳体中间部分方开有一正方形窥视孔，以便于调试、维修机器人；固定设置在壳体内部的一底板；
固定设置在底板上的两块高能电池、两个电机；地面推进装置，通过前后四组轮子的转动实现两栖机器人在陆地上的行进；水中推进装置，该装置为三个截面为L型的扇环构成，分别将其一端铰链在机器人的前面轮子上，另一端与连杆铰接，在陆地上，桨叶闭合成一个圆，在水中时，桨叶成张开状态拨水，推动机器人在水中行进；传动装置，所叙述的两个电机分别驱动前面的两组轮子转动，前面两组轮子通过同步齿型带及带轮带动后面的两组轮子转动；控制部分，在机器人的壳体上安装有一电源开关，通电后，机器人通过壳体前后镶嵌的两个液位传感器判断自身所处的环境，反馈到上位机，自主完成自身姿态的切换；通过安装在壳体上的一个摄像头及八个红外传感器判断周围的环境，实现自主避障。
本发明中的两栖机器人机构与目前国内外相关研究中普遍所采用的腿式或蠕动式结构相比，其足部采用了轮式结构，仅仅依靠两个驱动，就同时实行了机器人在水、陆两种环境中的运动，这使得两栖机器人结构大大简化，操作简易。我们知道，两栖动物是通过感觉不同的环境信号接通或切断不同的神经控制信号以改变躯体的运动姿态，由此出发，该两栖机器人机构的设计则是通过液位传感器感觉检测其所处的环境的变化，达到实现自身姿态及运动方式的切换的目的。
图1是本发明中水陆两栖机器人机构在地面的立体示意图；图2是本发明中水陆两栖机器人机构在水中的立体示意图；图3是本发明中水陆两栖机器人机构的主视示意图；图4是本发明中水陆两栖机器人机构的俯视示意图；图5是本发明中水陆两栖机器人机构的左视示意图；图6是本发明中水陆两栖机器人内部机构立体示意图；
图7是本发明中水陆两栖机器人机构内部传动原理示意图；图8是本发明中足部轮式结构在水中拔水的立体示意图；具体实施方式
如图1至图6所示，本发明中用于在水、陆两种环境中的自主行进、避障的水陆两栖机器人机构包括有壳体部分1和2、底板24、固定在底板上的两组高能电池23、两个电机12、地面推进装置、水中推进装置、传动装置、控制装置。
如图1至图5所示，壳体1上安装一个电源开关19、一个全球定位系统18、用于采集周围环境信息的一个摄像头28、八个红外传感器17，壳体2上安装有两个判断机器人所处环境的液位传感器27，壳体2内部安装有底板24；如图6所示，两组高能电池23固定在底板24上、两个电机12通过支架25固定在底板24上；如图7所示，机器人前两组轮子28安装在与轴套7相连的法兰32上，后面两组轮子25安装在轴9的输出端上，其输入端安装有一带轮10；如图8所示，机器人前部的两个轮子28上分别安装有三个桨叶29，桨叶29是由圆环切割出来扇环，其截面为L型；如图7所示，电机12输出端安装有一齿轮11，与其啮合的另一齿轮16安装在轴套7上，轴套7与离合器15一部分通过螺钉连接，离合器15的另一部分通过平键安装在轴6上，此外，轴上还安装有一制动器14、带轮13，带轮与带轮通过同步齿型带26连接。
如图7所示，轴6与轴套7、轴套7支架3、轴9与支架33之间在机器人运动过程中存在相对转动，必需分别安装有两组特殊密封圈5、4、8。
本发明中用于在水、陆两种环境中自主行进、避障的水陆两栖机器人机构的的操作过程如下1.首先接通电源，机器人通过两个液位传感器判断自身所处的环境。
2.机器人位于陆地上时，离合器吸合，制动器断开。轴6与轴套连接，电机输出转速由齿轮传递给齿轮，带动轴6和轴套一起转动，输出为前面轮子的转动，轴6的另一端通过同步齿型带将运动传递给轴9，轴9输出为后轮的转动，机器人在陆地的直线行进得以实现，电机输出转向的变化实现其前行、后退运动。
3.机器人由地面进入水中时，离合器断开，制动器吸合。轴6断开与轴套的连接，与离合器锁紧，因而固定不动，轴套则在电机的驱动下转动一预定角度，轮子随套筒一起转动，通过四连杆机构使得桨叶张开，机器人实现了自身姿态的切换。
4.由陆到水的切换完成后，离合器吸合，制动器断开，桨叶随轮子一起转达，拨水行进。由水到陆的切换同上，只需将电机反向输出一预定角度。
5.当机器人在避障时需要转弯，此时，两个电机将会给前面的两根轴6输出不同的转速，通过左右两边轮子的差速转动实现其避障功能。
权利要求
1.一种能够仅以两个驱动实现其在水、陆两种不同的环境中实现基本的行进、避障功能，并且能够自主识别水、陆两种不同环境并完成由水到陆和由陆到水的过程中自身姿态及运动方式切换的两栖机器人机构，其特征在于包括有一壳体，该壳体分为上下两部分，在上壳体中间部分开有一正方形窥视孔，以便于机器人运行状态的调试及维修；固定设置在壳体内部的一底板；固定设置在底板上的两块高能电池、两个电机、两个电机驱动器；地面推进装置，通过前后四组轮子的转动实现两栖机器人在陆地上的行进；水中推进装置，该装置为六个截面为L型的扇环构成，在陆地上，机器人的每三个桨叶闭合成一个圆，不发挥作用，在水中时，每个桨叶呈张开状态拨水，推动机器人在水中行进；传动装置，所叙述的两个电机分别驱动前面的两组轮子转动，前面两组轮子通过同步齿型带及带轮将运动传递给后面的两组轮子；控制装置，在机器人的壳体上安装有一电源开关，通电后，机器人通过壳体前后镶嵌的两个液位传感器判断自身所处的环境，反馈到上位机，自主完成自身姿态的切换，通过安装在壳体上的一个摄像头及八个红外传感器判断周围的环境，实现自主避障。
2.根据权利要求1中所述的两栖机器人机构，其特征在于所叙述的壳体采用玻璃钢制作，外形类似青蛙。
3.根据权利要求1中所述的两栖机器人机构，其特征在于所叙述的切换机构包括有两个可以相互转动的轴和轴套，在轴和轴套上分别连接有一法兰，所叙述的轮子固定在与轴相连接的法兰上，所叙述的连杆铰接在与轴套相连接的法兰上，所叙述的桨叶一端铰链在机器人的前面的轮子上，另一端与连杆铰接。
4.根据权利要求1和3中所述的两栖机器人机构，其特征在于所叙述的轮子、桨叶、连杆、及连接在轴上的法兰构成一个四连杆机构。
5.根据权利要求1、3和4中所叙述的两栖机器人机构，其特征在于离合器的一部分通过螺钉与轴套连接，另一部分通过平键与轴连接，制动器的一部分通过支架固定在底板上，另一部份通过平键与轴相连。通电时，离合器的两部分吸合，齿轮带动轴与轴套同时转动，桨叶闭合，断电时，离合器的两部分分开，制动器通过键槽抱死轴，此时，只有轴套转动，桨叶张开。
6.动密封装置，根据权利要求1和4所叙述的两栖机器人机构，其特征在于两栖机器人机构处于水中时，所叙述的轴与轴套、轴套与机器人壳体之间采用了两组密封圈解决了其在水中切换和行进时的动密封问题。
全文摘要
本发明公布了一种仅依靠两个驱动在水陆两种环境中自主行进、避障的两栖机器人机构，其中包括机器人外部的壳体、镶嵌在壳体上的一个摄像头、一个全球定位系统、两个液位传感器、八个红外传感器、陆地上行进的推进装置——四个轮子、水中行进的推进装置——两组桨叶以及内部的底板、固定在底板上控制机器人前部的两个轮子及桨叶动作的两组高能电池、两个电机、减速器、传动齿轮、轴、轴套、控制轴和轴套之间相对转动的两个离合器、两个制动器、用于带动后部轮子转动的齿形带、带轮等。
文档编号B60F3/00GK101028786SQ20061001139
公开日2007年9月5日 申请日期2006年3月1日 优先权日2006年3月1日
发明者杨洋, 边宇枢, 周静, 冯巍, 宗光华 申请人:北京航空航天大学