本实用新型属于水下机器人技术领域，具体涉及一种用于两栖球形机器人的轮腿式复合驱动机构。
背景技术：
伴随着人类认识海洋、开发海洋、利用海洋资源和保护海洋资源的进程，水下机器人作为一种在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主遥控方式、使用机械或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的装置，在海洋开发和利用中扮演者重要的角色。
近些年，水下机器人成为了国外研究的热点。美国麻省理工学院、美国海军研究局(ONR)和美国蓝鳍机器人公司(Bluefin Robotics)联合研发的第三代悬停无人水下自主航行器(HAUV 3)能够检测到军舰底部的水雷，HAUV 3的外形类似于一种水下飞碟。日本东京大学的URA实验室开发了多种功能不同的AUV，如“Twin Burger AUV”。日本三菱重工开发成功的“AUV-EX1”，可在最深3500米的深海进行勘探工作。德国基尔大学的科学家研制出新型深水机器人“ROV KIEL 6000”，能够下探到6000米深的海底，寻找神秘的深水生物和“白色黄金”可燃冰。国内对于自主机器人的研究基本上围绕两个中心，一是中科院沈阳自动化为中心，研制开发了R-01型/CR-02型(6000m)无人无缆水下机器人，能适应深海底平坦地形的多金属结核矿区工作环境，其探测内容只限于声学、光学和水文测量；二是以哈尔滨工程大学为中心，研制出“智水I”、“智水II”、“智水III”和“智水IV”等军用智能水下机器人。这类水下机器人采用鱼雷状流线型结构设计，具有体积大、转弯半径大、隐蔽性差等缺点，无法完成在狭小区域的任务。其运动采用的螺旋桨，容易产生噪声，不适合隐蔽和生物亲和性。
与鱼雷状的水下机器人相比，球形机器人有较多优点，对称性好，控制较为简单。国内对水下球形机器人的研究单位主要包括哈尔滨工程大学、北京邮电大学等。2007年，哈尔滨工程大学仿生微机器人实验室所研制的一款球形水下潜器，其球体直径为0.22m，空气中质量为5.6kg，采用两个喷水电机作为驱动装置，并设有两个入水口和两个出水口。该球形水下潜器采用姿态传感器信号反馈调整的控制方法对自身的运动控制，但由于其动力系统设计相对粗放，运动灵活性有限，机动性较差。2010北京邮电大学的孙汉旭教授和兰晓娟博士等人也对球形水下机器人进行了相关的研究。兰晓娟博士等人发表了一些相关论文介绍了内置姿态调节机构的球形水下机器人BYSQ-2的结构构型、工作原理和性能参数，其球体直径为0.54m，空气中质量约为80kg。该球形水下机器人是通过其内部的双驱动转向机构与螺旋桨推进器的配合来实现六个自由度的水下运动。但该设计的体型较大，在浅水、沼泽、滩涂等环境下的生存能力有限。
传统的水下机器人只适合在水下环境，对濒海两栖环境的应用价值较小，所以对于两栖机器人的研究有重要意义。美国IS机器人公司研制了水下自主行走机器人ALUV，有六条腿，每条腿有两个自由度，具有两栖运动功能，但是其只能进行爬行运动，只适合水底运动，且运动距离较近。2005年麦吉尔大学研制了一种仿蟑螂的两栖机器人Whegs，推进机构采用了三辐轮桨腿式设计，近似轮子，能够实现高性能和平稳推进。在此基础上，Georgiades C等人研制了两栖六足机器人AQUA，AQUA在陆地上运动时采用弧形腿推进，利用弧形腿机动性能高和通用性好的特点，可以实现多种陆地环境的高速推进；在水下，利用六个桨的拍动推进，AQUA能够实现巡航、升降、纵荡、转向、翻滚等运动。由于AQUA在陆地山和水下采用的不同的推进机构，在进行转换时，需要人工更换驱动机构。日本东京冬夜大学研制的ACM-R5的两栖机器蛇，该机器蛇由多个关节组成，每个关节具有两个自由度，能实现俯仰和偏航运动。在陆地上运动时，ACM-R5依靠身体的蜿蜒运动推进，也能实现翻滚运动；在水下运动时，ACM-R5采用仿鳗鲡式的波动推进，运动较慢。
因此，现有水陆两栖机器人及两栖球形机器人的存在以下问题：
1目前的两栖机器人普遍采用了仿生学的原理设计，如仿生蟑螂和蛇等，仿生蟑螂机器人在水下和陆地采用了不同的驱动结构，在水下和陆地运动切换时，需要人工更换驱动结构。仿生蛇机器人采用关节式设计，其陆上和水下运动较慢，仅能达到0.4m/s。
2之前设计的两栖球形机器人，质量轻，对于腿部的压力较小，仅采用四条机械腿就可以实现爬行，但是搭载传感器的能力较小。为了提高机器人的智能化，所以需要机器人具有更多的传感手段，从而需要加大机器人尺寸。随着机器人重量的增加，仅靠四条腿很难满足长时间的运动，且由于搭载传感器数目的增加，导致机器人重量较大，机器人腿部伺服舵机承重增加，增加了机器人伺服舵机的损耗。现有球形机器人采用步态前行，驱动结构伺服舵机的数目较多，能量消耗多，并且在不同的地形采用同一种运动模式，不能实现节能的目的。
技术实现要素：
有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种用于两栖球形机器人的轮腿式复合驱动机构，能够针对在不同的地形采用不同的运动模式，实现在水下环境的运动、崎岖路面的爬行及在平坦路面上的滑行。
本实用新型是通过下述技术方案实现的：
一种用于两栖球形机器人的轮腿式复合驱动机构，包括：沿球形机器人底部周向分布的两个以上机械腿和位于球形机器人底部中心的可升降滑动关节；
所述可升降滑动关节上升时，其底部的万向滚轮不与路面接触，落下时，其底部的万向滚轮与路面接触，并将球形机器人抬高到设定高度；
四个机械腿能够沿球形机器人周向移动，配合处于落下状态的可升降滑动关节，实现球形机器人的旋转；
四个机械腿的底部设有能够进行俯仰运动的喷水电机，当球形机器人在水下运动且不接触到水底时，通过喷水提供水下运动动力；当球形机器人在崎岖路面运动时，喷水电机底部接触路面，可升降滑动关节底部的万向滚轮不与路面接触，通过摆动机械腿，实现球形机器人的爬行前进或后退；当球形机器人在平坦路面运动时，可升降滑动关节底部的万向滚轮与路面接触，配合机械腿的摆动实现球形机器人的滑行前进或后退。
进一步的，所述机械腿还包括：下支架、第一舵机、舵盘、轴承、第二舵机及上支板；
所述下支架为由底板和两个相对侧板组成的U型架；
第二舵机安装在上支板的一端，且其输出轴穿过上支板后，固定在球形机器人的中间板上；上支板的另一端与下支架的底板固定连接；喷水电机一侧通过轴承安装在下支架的相对应的侧板上，另一侧喷水电机通过舵盘与下支架外侧的第一舵机固定，第一舵机再与下支架固定，在舵盘与第一舵机输出轴采用螺丝固定；第二舵机工作时，能够带动整个机械腿沿球形机器人的周向转动；第一舵机工作时，能够控制喷水电机以舵机输出轴与轴承的轴线为转动中心进行转动。
进一步的，所述机械腿还包括万向轮，两个万向轮2-1安装在下支架的底板上，当球形机器人行走时，万向轮与球形机器人的中间板底面相接触。
进一步的，所述机械腿沿球形机器人周向移动的角度为0°～90°。
进一步的，所述可升降滑动关节，其特征在于，包括：舵机、移动平台、支撑腿、可升降滑动关节固定杆、上横梁、下横梁、固定导向杆及丝杠；
所述移动平台上安装有用于与固定导向杆滑动配合的导向套以及用于与丝杠配合的内螺纹套；
上横梁通过可升降滑动关节固定杆固定在球形机器人的中间板上，其下表面通过两个以上固定导向杆与下横梁固定连接为一体；
移动平台位于上横梁与下横梁之间，两个以上所述固定导向杆中的一个以上穿过移动平台上的导向套，用于对移动平台的上下移动起导向作用；移动平台的下端面安装有两个以上支撑腿，且两个以上支撑腿均位于下横梁的外侧，支撑腿的底部安装有万向滚轮；当移动平台下移至支撑腿接触平坦路面时，通过该支撑腿给球形机器人提供支撑和辅助滑行；
用于带动丝杠转动的舵机固定在可升降滑动关节固定杆上；丝杠穿过移动平台的内螺纹套并与所述内螺纹套螺纹连接后，其一端安装在下横梁上，另一端穿过上横梁后与舵机的输出轴同轴连接。
进一步的，所述球形机器人在平坦路面进行滑行前进或后退时，设四个机械腿分别为左前腿LF、左后腿LH、右前腿RF、右后腿RH，所述左前腿LF和右后腿RH为对角位置；
四个机械腿分别按周期性的抬腿、向前摆腿、落腿和与地面接触后的后摆腿的步骤前进或后退，其中，抬腿、向前摆腿、落腿为机械腿不与平坦路面接触的阶段，与地面接触后的后摆腿为与平坦路面接触的阶段；
球形机器人为对角滑行步态运动时，左前腿LF和右后腿RH为一组进行同步动作，左后腿LH和右前腿RF为另一组进行同步动作，两组分别间隔与平坦路面接触；在球形机器人的运动过程中始终有两个机械腿与平坦路面接触，与中间的可升降滑动关节一起共有三个点支撑，且三个支撑点在一条线上；
球形机器人为三角滑行步态运动时，左前腿LF、右后腿RH、右前腿RF、左后腿LH依次不与平坦路面接触，在球形机器人的运动过程中始终有三个机械腿与平坦路面接触，与中间的可升降滑动关节一起共有四个点支撑；
球形机器人为同步滑行步态运动时，左前腿LF和右前腿RF为一组进行同步动作，左后腿LH和右后腿RH为另一组进行同步动作，两组分别间隔与平坦路面接触；在球形机器人的运动过程中始终有两个机械腿与平坦路面接触，与中间的可升降滑动关节一起共有三个点支撑，且三个支撑点不在一条线上。
进一步的，所述球形机器人在平坦路面进行原地旋转运动时，初始时，球形机器人通过四个机械腿和可升降滑动关节支撑在平坦路面上；
第一步，控制四个机械腿不与平坦路面接触；
第二步，控制四个机械腿沿球形机器人周向同时转动设定角度；
第三步，控制四个机械腿与平坦路面接触；
第四步，控制四个机械腿沿球形机器人周向同时反向转动设定角度，并产生旋转力矩带动球形机器人反向转动设定角度；
第五步，重复第一步到第四步，实现球形机器人的原地旋转。
进一步的，当球形机器人在倾斜的平坦路面上运动时，通过可升降滑动关节落下接触平坦路面，且机械腿不与平坦路面接触，球形机器人通过可升降滑动关节底部的万向滚轮实现沿倾斜的平坦路面的自由下滑。
有益效果：(1)本实用新型通过四条机械腿的喷水电机喷水来提供运动动力，实现球形机器人在水下的运动；通过舵机控制机械腿的摆动，实现球形机器人在多种不同路面的运动；通过第一舵机控制喷水电机转动和第二舵机控制上支板转动，实现机械腿的摆动；在平坦路面，可升降滑动关节将球形机器人抬起，配合机械腿的依次周期性摆动，实现球形机器人在滑行及旋转运动；在崎岖路面，可升降滑动关节将球形机器人落下并且不与地面接触，配合机械腿依次周期性摆动，实现机器人爬行运动；由此，实现针对不同地形采用不同运动模式来节省能量。
(2)本实用新型针对平坦路面时，在可升降滑动关节的辅助下，四条机械腿实现了球形机器人的滑行步态，且当平坦路面为斜面时，通过使机械腿不与地面接触及可升降滑动关节底部的万向滚轮，能够实现球形机器人沿斜面自动滑下，节省电量，减少能源消耗；球形机器人的滑行步态及沿斜面的自动滑下移动速度较快，且能够降低机械结构的磨损，延长使用寿命。
(3)本实用新型通过调节四条机械腿的运动顺序及同时运动的机械腿的数量，可以产生多种步态，适应不同环境下的需求。
附图说明
图1为本实用新型的结构组成图。
图2为本实用新型的机械腿的结构组成图。
图3为本实用新型的可升降滑动关节的结构组成图。
图4为本实用新型的四个机械腿的位置关系俯视图。
图5为本实用新型的对角滑行步态图。
图6为本实用新型的三角滑行步态图。
图7为本实用新型的同步滑行步态图。
图8为本实用新型的原地旋转步态图。
其中，1-1可升降滑动关节，1-2机械腿，2-1万向轮，2-2下支架，2-3第一舵机，2-4舵盘，2-5喷水电机，2-6轴承，2-7圆盘，2-8第二舵机，2-9上支板，3-1可升降滑动关节固定杆，3-2上横梁，3-5固定导向杆，3-6丝杠，3-7内螺纹套，3-8下横梁，3-12导向套，4-1舵机，4-2移动平台，4-3支撑腿，4-4万向滚轮。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。
本实施例提供了一种用于两栖球形机器人的轮腿式复合驱动机构，参见附图1，包括：沿球形机器人底部周向分布的四个机械腿1-2和位于球形机器人底部中心的可升降滑动关节1-1；
当球形机器人在平坦路面移动时，所述可升降滑动关节1-1能够落下，使其底部设有的两个以上万向滚轮与平坦路面接触，将球形机器人抬高到设定高度，所述万向滚轮通过与平坦路面的接触，能够辅助球形机器人滑行；当球形机器人在崎岖路面上爬行运动时，可升降滑动关节1-1能够上升，使其底部的万向滚轮不与路面接触，即不干涉球形机器人在崎岖路面的运动；当球形机器人在水下运动且不接触到水底时，可升降滑动关节1-1无论上升或者落下都不会干涉球形机器人在水下的运动；
参见附图2，所述机械腿1-2包括：万向轮2-1、下支架2-2、第一舵机2-3、舵盘2-4、喷水电机2-5、轴承2-6、圆盘2-7、第二舵机2-8及上支板2-9；
所述下支架2-2为由底板和两个相对侧板组成的U型架；
第二舵机安装在上支板的一端，且其输出轴穿过上支板后，固定在球形机器人的中间板上；上支板的另一端与下支架的底板固定连接；喷水电机一侧通过圆盘和轴承安装在下支架的相对应的侧板上，另一侧喷水电机通过舵盘与下支架外侧的第一舵机固定，第一舵机再与下支架固定，在舵盘与第一舵机输出轴采用螺丝固定；第二舵机工作时，能够带动整个机械腿沿球形机器人的周向转动；第一舵机工作时，能够控制喷水电机以舵机输出轴与轴承的轴线为转动中心进行转动。
第二舵机2-8安装在上支板2-9的一端，且其输出轴穿过上支板2-9后，固定在球形机器人的中间板上；上支板2-9的另一端通过螺栓与下支架2-2的底板连接；所述底板上安装有两个万向轮2-1，当球形机器人行走时，万向轮2-1与所述中间板的底面相接触，防止上支板2-9受力弯折；喷水电机2-5一侧通过圆盘2-7及轴承2-6安装在下支架2-2的对应侧板上，圆盘2-7固定在喷水电机2-5一侧，圆盘2-7上的转轴与轴承2-6配合后，安装在下支架2-2的相对应侧板上；喷水电机另一侧通过舵盘2-4连接，舵盘2-4与舵机2-3输出轴固定，舵机2-3与下支架2-2另一侧板固定；第一舵机2-3工作时，能够控制喷水电机2-5以轴承2-6和舵机2-3输出轴的轴线为转动中心进行转动，使喷水电机2-5与路面接触或者不与路面接触，当喷水电机2-5不与路面接触时，还能调整喷水方向；其中，当球形机器人在水下运动且不接触到水底时，球形机器人通过喷水电机2-5喷水来提供运动动力；当球形机器人在崎岖路面或平坦路面所述路面包括地面或水底移动时，喷水电机2-5仅作为摆动腿，不进行喷水；在可升降滑动关节1-1落下，且机械腿1-2不与路面接触时，第二舵机2-8工作，能够带动整个机械腿1-2沿球形机器人的周向转动，转动角度范围为0°～90°；
参见附图3，所述可升降滑动关节1-1包括：舵机4-1、移动平台4-2、支撑腿4-3、可升降滑动关节固定杆3-1、上横梁3-2、下横梁3-8、固定导向杆3-5及丝杠3-6；
所述移动平台4-2上安装有用于与固定导向杆3-5滑动配合的导向套3-12以及用于与丝杠3-6配合的内螺纹套3-7；
支撑腿4-3的底部安装有万向滚轮4-4；
上横梁3-2通过可升降滑动关节固定杆3-1固定在球形机器人的中间板上，其下表面通过两个以上固定导向杆3-5与下横梁3-8固定连接为一体；
移动平台4-2位于上横梁3-2与下横梁3-8之间，两个以上所述固定导向杆3-5中的一个以上穿过移动平台4-2上的导向套3-12，用于对移动平台4-2的上下移动起导向作用；移动平台4-2的下端面安装有两个以上支撑腿4-3，且两个以上支撑腿4-3均位于下横梁3-8的外侧；当移动平台4-2下移至支撑腿4-3接触平坦路面时，通过该支撑腿4-3给球形机器人提供支撑；
用于带动丝杠3-6转动的舵机4-1固定在可升降滑动关节固定杆3-1上；丝杠3-6穿过移动平台4-2的内螺纹套3-7并与所述内螺纹套3-7螺纹连接后，其一端安装在下横梁3-8上，另一端穿过上横梁3-2后与舵机4-1的输出轴同轴连接。
工作原理：当球形机器人在水下运动且不接触到水底时，四个机械腿1-2的喷水电机2-5工作，通过喷水来提供运动动力，实现球形机器人的运动。
当球形机器人在崎岖路面运动时，可升降滑动关节1-1上升到其底部的万向滚轮不与路面接触的位置，四个机械腿1-2的喷水电机2-5不工作，通过控制四个机械腿1-2的第一舵机2-3转动，使喷水电机2-5的底部接触崎岖路面，实现球形机器人的站立；当球形机器人行走过程中，通过控制第一舵机2-3带动喷水电机2-5转动和第二舵机2-8控制上支板2-9，使喷水电机2-5的底部产生与崎岖路面之间摩擦力，实现球形机器人的爬行前进和后退运动。
在球形机器人在平坦路面运动时，落下可升降滑动关节1-1，使其底部的万向滚轮与平坦路面接触；当球形机器人行走过程中，通过控制第一舵机2-3带动喷水电机2-5转动，使喷水电机2-5的底部产生与平坦路面之间摩擦力，在通过控制第二舵机2-8带动上支板2-9转动，并且配合可升降滑动关节1-1，实现球形机器人的滑行前进和后退；当喷水电机2-5与平坦路面接触后，通过控制第二舵机2-8带动机械腿1-2沿球形机器人周向(第二舵机2-8输出轴的轴向)转动，配合可升降滑动关节1-1将球形机器人支撑在平坦路面上，实现球形机器人的旋转运动；其中，当平坦路面为斜面时，通过控制第一舵机2-3带动喷水电机2-5转动，使喷水电机2-5不与平坦路面接触，即可实现球形机器人通过可升降滑动关节1-1底部的万向滚轮沿斜面的自由下滑；
(1)球形机器人的前进或后退滑行运动
四个机械腿1-2分别为左前腿LF、左后腿LH、右前腿RF、右后腿RH，所述左前腿LF和右后腿RH为对角位置，参见附图4；四个机械腿1-2分别按周期性的抬腿、向前摆腿、落腿和与地面接触后的后摆腿的步骤前进或后退，其中，抬腿、向前摆腿、落腿为机械腿1-2不与平坦路面接触的阶段，用附图5-8中的白色条表示，与地面接触后的后摆腿为与平坦路面接触的阶段，用附图5-8中的黑色条表示；
参见附图5，当左前腿LF和右后腿RH为一组进行同步动作，且左后腿LH和右前腿RF为另一组进行同步动作时，两组分别间隔与平坦路面接触时，球形机器人为对角滑行步态；此时，在球形机器人的运动过程中始终有两个机械腿与平坦路面接触，与中间的可升降滑动关节一起共有三个点支撑，且三个支撑点在一条线上，移动速度较快；
参见附图6，当左前腿LF、右后腿RH、右前腿RF、左后腿LH依次不与平坦路面接触，且每个机械腿与平坦路面的接触时间为不与平坦路面接触时间的三倍长时，即第一个机械腿与平坦路面接触的持续时间要一直持续到第四个机械腿刚好落腿，第一个机械腿才可以再次抬腿；此时，球形机器人为三角滑行步态；在球形机器人的运动过程中始终有三个机械腿与平坦路面接触，与中间的可升降滑动关节一起共有四个点支撑，移动比较稳定；
参见附图7，当左前腿LF和右前腿RF为一组进行同步动作，且左后腿LH和右后腿RH为另一组进行同步动作时，两组分别间隔与平坦路面接触时，球形机器人为同步滑行步态；此时，在球形机器人的运动过程中始终有两个机械腿与平坦路面接触，与中间的可升降滑动关节一起共有三个点支撑，且三个支撑点不在一条线上，移动速度较快且移动比较稳定。
(2)球形机器人的原地旋转运动
初始时，球形机器人通过四个机械腿1-2和可升降滑动关节1-1支撑在平坦路面上；
第一步，控制第一舵机2-3带动喷水电机2-5转动，使喷水电机2-5不与平坦路面接触；
第二步，通过控制四个机械腿1-2的第二舵机2-8带动四个机械腿1-2同时向同一个方向转动设定角度小于90°；
第三步，控制第一舵机2-3带动喷水电机2-5与平坦路面接触；
第四步，通过控制四个机械腿1-2的第二舵机2-8带动四个机械腿1-2同时向同一个反向转动设定角度，并产生旋转力矩带动球形机器人反向转动设定角度；
第五步，重复第一步到第四步，实现球形机器人的原地旋转，四个机械腿实现同步动作，同时与平坦路面接触，参见附图8，黑色条表示四个机械腿与平坦路面接触阶段，白色条表示四个机械腿与平坦路面不接触的阶段。
综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。