多自由度两栖球形机器人的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种机器人，具体涉及一种两栖球形机器人。
【背景技术】
[0002] 随着海洋开发活动越来越频繁和深入，对海洋探测技术和设备的需求也越来越 高。搭载多种传感器和仪器设备实现水下长时间自动作业的水下自主航行器/机器人，具 有运行成本低、活动范围广、功能丰富等诸多优点，已成为开展海洋勘探、环境检测、科学研 宄的重要装备之一，在勘测海底矿产资源、发现新物种等领域具有广阔的前景和重要应用 价值。
[0003] 现有水下自主航行器/机器人和球形机器人存在以下问题：
[0004] (1)现有水下自主航行器/机器人多采用流线形结构和螺旋桨推进，其单向运动 速度较高，但由于体型和转向半径较大，无法实现水下狭窄复杂环境（如珊瑚礁、管道内、 岩石夹缝等）下的灵活运动和精密作业。同时，其巨大的外形和和动力系统在作业时对环 境造成了较大的扰动，不适用于高隐蔽性和生物亲和性的应用，如侦查、生物样本采集、环 境监测等。
[0005] (2)现有的球形机器人在陆地上的驱动方式多采用滚动式，一定程度上利用了球 形结构的优点，具有很高的抗倾倒性和运行效率，由于增加了转子，其外形普遍较大，对环 境地形要求高，不适应于非结构环境和某些特性的结构环境。
[0006] (3)现有的球形机器人在水下多采用螺旋桨推进，这种推进方式的缺点是螺旋桨 暴露在机器人躯体外，容易损坏，还容易产生湍流，效率低，对水生物环境破坏大。且只可实 现水下螺旋桨推进，无法在浅水、沼泽、滩涂等近水环境下工作，其活动作业范围和生存能 力有限。 【实用新型内容】
[0007] 本实用新型的目的是：为克服现有技术的不足，提出一种多自由度两栖球形机器 人，将陆地推进、水下推进与球形的外形结构有效复合，使其同时具备陆地、水中以及过渡 环境的高机动能力。
[0008] 本实用新型的技术方案是：多自由度两栖球形机器人，它包括球形壳体、四条机械 腿以及控制驱动系统；
[0009] 球形壳体包括：半球形上盖、两个四分之一球壳以及圆形隔板；圆形隔板安装在 半球形上盖的底部开放端将其封闭，半球形上盖的封闭空间内设有两个开盖伺服舵机，两 个开盖伺服舵机的摆臂分别与两个四分之一球壳连接，当球形壳体下半部开启时，四条机 械腿暴露在外；当球形壳体下半部关闭时，形成封闭的球形壳体；四分之一球壳上设有喷 水口；
[0010] 四条机械腿以90°间隔对称的安装在圆形隔板的底面；每个机械腿包括：防水伺 服舵机A、水平支架、垂直支架、防水伺服舵机B以及直流喷水电机；防水伺服舵机A的转轴 一端与水平支架固定连接，另一端通过轴承安装于圆形隔板的底面；水平支架与垂直支架 固定连接；防水伺服舵机B通过其转轴安装在垂直支架上，并与直流喷水电机固定连接；当 球形壳体下半部闭合时，启动直流喷水电机将水流从四分之一球壳的喷水口喷出；
[0011] 控制驱动系统安装在半球形上盖内，并通过防水内壳实现密封。有益效果：
[0012] (1)本实用新型有效实现水中四自由度巡航和两栖步行运动。一方面，有效继承球 形结构动力学稳定、运动灵活、环境扰动小、隐蔽性和生物亲和性高的优点。另一方面，通过 多个机械腿喷水电机的喷水运动矢量合成，实现机器人在水下零旋转半径的多自由度灵活 运动。此外，机器人的推进机构可以根据介质环境以及任务特点的不同，进行主动或被动的 形态与结构变化，对变化的环境介质和任务特点做出响应，可以极大的改善两栖机器人的 通过能力和推进效率，从而提高其在两栖环境中的适应性，大幅扩展其应用范围和活动空 间。
[0013] (2)本实用新型采用密闭上半球和可开合下半球构成球形结构，采用带直流喷水 电机的机械腿为运动单元，可实现水下、潜水、滩涂、陆上等多种环境下的运动和作业。
[0014] (3)本实用新型可实现两栖步行/爬行两种运动模式，通过调整步态，满足对不同 步行/爬行速率、稳定性、地形适应性的需求；在水下矢量喷水推进模式下，可实现四自由 度的灵活运动和零半径转向。
[0015] (4)本实用新型中可作为母机器人，运载若干采用记忆合金、高分子聚合物等设计 的仿生微型子机器人，构成子母系统，实现水下狭窄环境下的精细作业。
【附图说明】
[0016] 图1为本实用新型下半部开启时的结构示意图；
[0017] 图2为本实用新型下半部闭合时的结构示意图；
[0018] 图3为本实用新型中球形壳体的结构示意图；
[0019] 图4为本实用新型中机械腿的结构示意图；
[0020] 图5为本实用新型中搭载仿生微型子机器人的运载平台及锁定机构的结构示意 图；
[0021] 图6为本实用新型中单个机械腿的一个运动周期；
[0022] 图7为本实用新型四足爬行时的步态占空比；
[0023] 图8为本实用新型机械腿中直流喷水电机内部流场分析图；
[0024] 图9为本实用新型在水中水平、垂向运动时的机械腿运动状态示意图；
[0025] 图10为本实用新型在水中直行、转向运动时的机械腿运动状态示意图；
[0026] 其中，1-1半球形上盖、1-2四分之一球壳、1-3圆形隔板、1-4开盖伺服舵机、1-5密 封圈、1-6锁定机构、1-7运载平台、1-8搭载仿生微型子机器人、2-1防水伺服舵机A、2-2水 平支架、2-3垂直支架、2-4防水伺服舵机B、2-5直流喷水电机、3-控制驱动系统。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图和实施例，对本实用新型作进一步的详细说明。
[0028] 参见附图1、2,多自由度两栖球形机器人，它包括球形壳体、四条机械腿以及控制 驱动系统3 ;
[0029] 参见附图3,球形壳体包括：半球形上盖1-1、两个四分之一球壳1-2以及圆形隔板 1-3 ;圆形隔板1-3安装在半球形上盖1-1的底部，并通过密封圈1-5密封，半球形上盖1-1 内设有两个开盖伺服舵机1-4,两个开盖伺服舵机1-4的摆臂分别与两个四分之一球壳1-2 连接，以实现球形壳体下半部的开启与闭合；四分之一球壳1-2上设有喷水口；
[0030] 参见附图4,四条机械腿以90°为间隔对称的安装在圆形隔板1-3的底面；每个机 械腿均包括：防水伺服舵机A2-1、水平支架2-2、垂直支架2-3、防水伺服舵机B2-4以及直 流喷水电机2-5 ;防水伺服舵机A2-1的转轴一方面与水平支架2-2固定连接，另一方面通 过轴承安装于圆形隔板1-3的底面；水平支架2-2与垂直支架2-3固定连接；防水伺服舵机 B2-4 -方面通过其转轴安装在垂直支架2-3上，另一方面与直流喷水电机2-5固定连接； 当球形壳体下半部闭合时，直流喷水电机2-5的水流从四分之一球壳1-2的喷水口喷出；
[0031] 控制驱动系统3安装在半球形上盖1-1内，并通过防水内壳实现密封。
[0032] 参见附图6、7,在陆上、浅滩、水底等环境下，本实用新型可打开两个四分之一球 壳1-2,利用其4个机械腿，以直流喷水电机2-5的喷管为支撑，进行灵活的步行/爬行。 在爬行中，4条腿的动作过程是一样的，只是具有不同的相位差。图6列出了一个步行周 期内1条腿的动作过程，包含抬腿，向前摆，落腿，接触地面后向后摆等，其步态占空比（即 _腿接=悬空时间)越高(大于〇· 75)，机械腿接触地面时间越长(同-日寸 刻至少有3条腿与地面接触，图7中的黑色条带即为某一机械腿接触地面的时间，白色条带 为某一机械腿悬空的时间），机器人爬行就越稳定，爬行速率则会随之越低，适用于崎岖的 地形环境；其步态占空比越低（小于0.75)，机械腿接触地面的时间越短（爬行过程中部分 时刻仅两条腿与地面接触），机器人爬行速率越快，但其稳定性越差，适用于平坦的地形环 境。根据不同的步行/爬行速率、步态稳定性、地形适应性需求，控制系统内的程序可通过 调整水平/垂直防水伺服电机的旋转角度和速度，实现对步态占空比的控制，最终完成对 其步态的灵活调整。
[0033] 四足爬行步态如下表所示：
[0034]
【主权项】
1. 多自由度两栖球形机器人，包括球形壳体、四条机械腿以及控制驱动系统（3)，其特 征在于： 所述球形壳体包括：半球形上盖（1-1)、两个四分之一球壳（1-2)以及圆形隔板（1-3); 所述圆形隔板（1-3)安装在所述半球形上盖（1-1)的底部开放端将其封闭，所述半球形上 盖（1-1)的封闭空间内设有两个开盖伺服舵机（1-4)，两个所述开盖伺服舵机（1-4)的摆 臂分别与两个所述四分之一球壳（1-2)连接，当所述球形壳体下半部开启时，所述四条机 械腿暴露在外；当所述球形壳体下半部关闭时，形成封闭的球形壳体；所述四分之一球壳 (1-2)上设有喷水口； 所述四条机械腿以90°间隔对称的安装在所述圆形隔板（1-3)的底面；每个所述机械 腿包括：防水伺服舵机A(2-1)、水平支架（2-2)、垂直支架（2-3)、防水伺服舵机B(2-4)以 及直流喷水电机（2-5);所述防水伺服舵机A(2-l)的转轴一端与所述水平支架（2-2)固定 连接，另一端通过轴承安装于所述圆形隔板（1-3)的底面；所述水平支架（2-2)与所述垂 直支架（2-3)固定连接；所述防水伺服舵机B(2-4)通过其转轴安装在所述垂直支架（2-3) 上，并与所述直流喷水电机（2-5)固定连接；当所述球形壳体下半部闭合时，启动所述直流 喷水电机（2-5)将水流从所述四分之一球壳（1-2)的喷水口喷出； 所述控制驱动系统（3)安装在所述半球形上盖（1-1)内，并通过防水内壳实现密封。
2. 如权利要求1所述的多自由度两栖球形机器人，其特征在于，所述圆形隔板（1-3)的 底面还设有运载平台（1-7)及锁定机构（1-6)。
3. 如权利要求2所述的多自由度两栖球形机器人，其特征在于，在所述运载平台及锁 定机构（1-6)上搭载仿生微型子机器人（1-8)，通过无线通信，与所述多自由度两栖球形机 器人构成子母机器人系统。
【专利摘要】本实用新型涉及一种机器人，具体涉及一种多自由度两栖球形机器人。该多自由度两栖球形机器人包括球形壳体、四条机械腿以及控制驱动系统，其技术方案是：所述球形壳体包括：半球形上盖、两个四分之一球壳以及圆形隔板；所述四条机械腿以90°为间隔对称的安装在所述圆形隔板的底面；所述控制驱动系统安装在所述半球形上盖内，并通过防水内壳实现密封。本实用新型将陆地推进、水下推进与球形的外形结构有效复合，使水下机器人同时具备陆地、水中以及过渡环境的高机动能力。
【IPC分类】B60F3-00, B62D57-032
【公开号】CN204472470
【申请号】CN201520075856
【发明人】郭书祥, 石立伟, 潘邵武, 何彦霖, 肖瑞, 王哲
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年2月3日