轮足-尾鳍混合驱动的仿生水陆两栖机器人的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及水陆两栖机器人，具体地说一种轮足-尾鳍混合驱动的仿生水陆两栖机器人，包括艏部、躯干、艉部、轮足及尾鳍，艏部主要搭载有轮足驱动控制器、轮足驱动单元以及由轮足驱动单元所驱动的轮足；躯干主要搭载有前摆动关节、舵机、主控制单元、电池组及其管理模块和后摆动关节；艉部主要搭载有尾鳍、轮足驱动控制器、轮足驱动单元以及由轮足驱动单元所驱动的轮足；艏部与躯干的机械连接和固定通过前摆动关节实现，电气连接通过水密电缆实现；艉部与躯干的机械连接和固定通过后摆动关节实现，电气连接通过水密电缆实现。本实用新型具有结构紧凑、运动灵活、稳定性好、水陆运动模式自行切换、环境适应能力强等特点。
【专利说明】轮足-尾鳍混合驱动的仿生水陆两栖机器人
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及水陆两栖机器人，具体地说一种轮足-尾鳍混合驱动的仿生水陆两栖机器人。
【背景技术】
[0002]近年来，随着世界各海洋强国对海洋科学研究和海洋开发战略的深化和发展，海洋与陆地衔接的极浅水、碎浪带、拍岸浪区和滩涂地带成为近年来科学研究、环境监测、调查取样及军事领域等方面应用和关注的重点区域之一。水陆两栖机器人是一种能够在陆地和水中实现特定运动或作业的特种移动机器人，可以实现现有的水下机器人和陆地机器人所无法完成的作业任务。受水陆两栖动物运动机理和运动模式的启发，研究具有适应水陆两栖综合运动和作业能力的特种仿生机器人，成为当今复杂的水陆两栖环境下移动机器人技术研究和发展的一个热点。为了拓展机器人技术的应用领域，满足机器人在极浅水、碎浪区和滩涂等非结构环境下的作业、调查和监测等的应用需求，从仿生学的角度研究具有浅海、滩涂作业能力的水陆两栖机器人，对研究新型的机器人仿生运动机理和驱动机制具有重要的理论价值和实用意义。
实用新型内容
[0003]为了克服现有的两栖机器人在两栖环境下运动模式单一、运动能力较弱以及快速性、机动性和稳定性等方面存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种既可以在陆地爬行又能够实现水中浮游的轮足-尾鳍混合驱动的仿生水陆两栖机器人。该仿生水陆两栖机器人借鉴典型两栖动物大鲵的形体构成及运动特点，采用轮足-尾鳍混合驱动、结构紧凑、具有爬行和浮游多运动模式和良好的综合运动性能，为近海岸的海洋开发和利用提供一种有效的技术手段。
[0004]本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的:
[0005]本实用新型包括艏部、躯干、艉部、轮足及尾鳍，其中躯干的两端分别通过前摆动关节及后摆动关节与艏部、艉部相连，所述艏部和艉部分别通过前摆动关节及后摆动关节驱动摆动，所述尾鳍安装在艉部上，随该艉部摆动；所述艏部及艉部的两侧分别安装有轮足，艏部两侧的轮足和艉部两侧的轮足分别通过安装在艏部内的轮足驱动单元及安装在艉部内的轮足驱动单元驱动转动；所述前摆动关节及后摆动关节结构相同，均包括舵机、连杆机构及摆动轴，所述舵机安装在躯干内，该舵机的输出端通过所述连杆机构与摆动轴相连，所述摆动轴转动安装在躯干上，所述艏部及艉部分别与前、后摆动关节中的摆动轴相连，由前、后摆动关节中的舵机驱动摆动。
[0006]其中:所述艏部包括艏部舱体、艏部舱盖及轮足驱动单元，该艏部舱盖与艏部舱体密封连接，且与所述前摆动关节中的摆动轴连接；所述轮足驱动单元容置于由艏部舱盖与艏部舱体围成的密闭空间内，包括驱动电机及回转轴，所述驱动电机安装在艏部舱体内，艏部两侧的轮足分别通过回转轴与驱动电机相连，由一台驱动电机同时驱动两侧的轮足同步转动；所述艏部舱体的两侧内壁上分别安装有支撑套，每根回转轴的一端分别与所述驱动电机相连，每根回转轴的另一端由支撑套穿过、并穿出所述艏部舱体的侧壁，与所述轮足连接；所述支撑套内安装有套设在回转轴上的滚动轴承；所述驱动电机通过电机支架安装在艏部舱体上，该驱动电机为两端出轴形式、分别通过两个联轴器与两根回转轴的一端相连，所述联轴器上设有实现联轴器与回转轴和驱动电机输出轴径向定位的紧定螺钉；所述回转轴与艏部舱体侧壁之间通过O形密封圈实现动密封；所述艏部舱盖与艏部舱体之间设有用于静密封的艏部密封垫；
[0007]所述躯干包括躯干舱体、躯干舱盖、及前、后摆动关节，该躯干舱盖与躯干舱体密封连接，所述前、后摆动关节分别安装在躯干舱体内；所述连杆机构包括舵机曲柄、连杆及摆轴曲柄，其中舵机曲柄与舵机的驱动轴相连，所述连杆的一端与舵机曲柄连接，另一端与摆轴曲柄相连，所述摆轴曲柄与摆动轴固接；所述摆动轴的上下两端分别通过轴套与躯干舱体连接，并通过卡在所述摆动轴卡槽内的限位挡圈实现所述轴套的轴向定位；所述摆动轴与躯干舱体之间通过O形密封圈实现动密封，该摆动轴的上端由躯干舱体穿出、与艏部或艉部相连；所述躯干舱盖与躯干舱体之间设有用于静密封的躯干密封垫；
[0008]所述艉部包括艉部舱体、艉部舱盖及轮足驱动单元，该艉部舱盖与艉部舱体密封连接，且与所述后摆动关节中的摆动轴连接；所述轮足驱动单元容置于由艉部舱盖与艉部舱体围成的密闭空间内，包括驱动电机及回转轴，所述驱动电机安装在艉部舱体内，艉部两侧的轮足分别通过回转轴与驱动电机相连，由一台驱动电机同时驱动两侧的轮足同步转动；所述尾鳍安装在艉部舱体上，与艉部连动；所述艉部舱体的两侧内壁上分别安装有支撑套，每根回转轴的一端分别与所述驱动电机相连，每根回转轴的另一端由支撑套穿过、并穿出所述艉部舱体的侧壁，与所述轮足连接；所述支撑套内安装有套设在回转轴上的滚动轴承；所述尾鳍及艉部舱体连接的一端分别设有止口、孔槽，尾鳍的止口端镶嵌在艉部舱体的所述孔槽内，并通过紧固铆钉固接；所述驱动电机通过电机支架安装在艉部舱体上，该驱动电机为两端出轴形式、分别通过两个联轴器与两根回转轴的一端相连，所述联轴器上设有实现联轴器与回转轴和驱动电机输出轴径向定位的紧定螺钉；所述回转轴与艉部舱体侧壁之间通过O形密封圈实现动密封；所述艉部舱盖与艉部舱体之间设有用于静密封的艉部密封垫；
[0009]所述艏部两侧轮足之间的相位差及艉部两侧轮足之间的相位差均为90°，且艏部左侧轮足与艉部右侧轮足的相位相同，艏部右侧轮足与艉部左侧轮足的相位相同。
[0010]本实用新型的优点与积极效果为:
[0011]1.本实用新型的水陆两栖机器人采用基于轮足一尾鳍混合驱动的一体化总体结构形式，结合仿生学运动控制与实现方法，满足机器人在水陆两栖条件下的爬行和浮游多运动模式的需求，同时保障了系统结构的紧凑性和机器人整体的小型化。
[0012]2.本实用新型的水陆两栖机器人采用轮足驱动机构和尾鳍推进机构两种不同运动机理的驱动装置，从其工作原理角度均可视为具有多种功效的复合式移动机构，使机器人在具备多样化的运动形式的同时，保障了机器人运动的稳定性、快速性和协调性。
[0013]3.本实用新型的水陆两栖机器人轮足驱动机构具有轮式和腿式移动机构的特点，结合前后摆动关节的辅助，可保证本实用新型的两栖机器人具有运动灵活，环境适应能力强等特点。【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本实用新型的整体结构示意图；
[0015]图2A为本实用新型直线爬行运动的实现原理图；
[0016]图2B为本实用新型转向爬行运动的实现原理图；
[0017]图2C为本实用新型直航浮游运动的实现原理图；
[0018]图2D为本实用新型转向浮游运动的实现原理图；
[0019]图3为本实用新型的结构主视图；
[0020]图4为本实用新型的俯视剖视图；
[0021]图5为本实用新型轮足驱动单元的结构示意图；
[0022]图6为本实用新型前、后摆动关节的结构示意图；
[0023]图7为本实用新型尾鳍与艉部连接的结构示意图；
[0024]其中:1为艏部，2为躯干，3为艉部，4为轮足，5为前摆动关节，6为后摆动关节，7为尾鳍,8为轮足驱动控制器,9为轮足驱动单元，10为水密电缆，11为舵机，12为主控制单元，13为电池组及其管理模块,14为回转轴，15为O形密封圈，16为滚动轴承，17为支撑套，18为轴用弹性挡圈，19为联轴器，20为紧定螺钉，21为电机支架，22为驱动电机，23为艏部舱体，24为艏部舱盖，25为艏部密封垫，26为躯干舱体，27为躯干密封垫，28为躯干舱盖，29为摆动轴，30为O形密封圈，31为大轴套，32为限位挡圈，33为舵机支架，34为锁紧螺母，35为舵机曲柄，36为连杆，37为摆轴曲柄，38为小轴套，39为锁紧螺钉，40为艉部舱盖，41为艉部密封垫，42为艉部舱体，43为紧固铆钉。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本实用新型作进一步详述。
[0026]如图1、图3及图4所示，本实用新型的仿生水陆两栖机器人采用基于轮足一尾鳍混合驱动的一体化总体结构形式，包括艏部1、躯干2、艉部3、轮足4及尾鳍7，其中艏部I通过密封连接的艏部舱体23及艏部舱盖24形成密闭空间，并在该密闭空间内搭载有轮足驱动控制器8，轮足驱动单元9 ;艏部I的两侧安装有可连续回转的轮足4，两侧的轮足4由同一轮足驱动单元9驱动。艉部3通过密封连接的艉部舱体42及艉部舱盖40形成密闭空间，并在该密闭空间内搭载有轮足驱动控制器8，轮足驱动单元9 ;艉部3的两侧安装有可连续回转的轮足4，两侧的轮足4由同一轮足驱动单元9驱动，艉部3的后端连接尾鳍7。
[0027]躯干2通过密封连接的躯干舱体26及躯干舱盖28形成密闭空间，并在该密闭空间内的前后两端搭载了前摆动关节5、后摆动关节6、主控制单元12和电池组及其管理模块13。艏部I及艉部3内的轮足驱动单元9由各自的轮足驱动控制器8控制，艏部I及艉部3内的轮足驱动控制器8分别通过水密电缆10与躯干2内的主控制单元12电连接，电池组及其管理模块13为水陆两栖机器人提供动力。
[0028]本实用新型的艏部I与躯干2的机械连接和固定通过前摆动关节5实现，电气连接通过水密电缆10实现；艉部3与躯干2的机械连接和固定通过后摆动关节6实现，电气连接通过水密电缆10实现。
[0029]轮足驱动单元9的主要功能是驱动轮足4，实现本实用新型水陆两栖机器人的爬行运动。本实用新型的水陆两栖机器人采用两对轮足4，分别位于艏部I和艉部3的左右两侧，艏部I两侧轮足4之间的相位差及艉部I两侧轮足4之间的相位差均为90°，且艏部I左侧轮足与艉部3右侧轮足的相位相同，艏部I右侧轮足与艉部3左侧轮足的相位相同。艏部I上的一对轮足4及艉部3上的一对轮足4均采用结构和组成相同的轮足驱动单元9作为驱动方式，以艏部I上的轮足驱动单元为例进行说明，如图5所示,轮足驱动机构4的连续转动是通过驱动电机22 (市购件,购置于瑞士 Maxon公司、型号为EC_i40)驱动回转轴14实现的，驱动电机22为两端出轴形式，可同步驱动左右两个轮足4 ;驱动电机22固定在电机支架21上，电机支架21通过螺钉实现与艏部舱体23的固连；每个轮足4均通过一根回转轴14与驱动电机22连接,每根回转轴14的一端与驱动电机22的输出轴通过联轴器19实现连接，联轴器19与回转轴14和驱动电机22输出轴的径向定位通过设置在联轴器19上的紧定螺钉20实现；艏部舱体23的两侧内壁上分别通过螺钉固接有支撑套17，每根回转轴14的另一端由支撑套17穿过、并穿出艏部舱体23的侧壁，与轮足4连接；回转轴14由位于支撑套17内的两个套在回转轴14上的滚动轴承16支撑，并实现回转轴14的相对转动；轴用弹性挡圈18卡在回转轴14的卡槽内，借助滚动轴承16的端面实现对回转轴14的轴向定位；回转轴14与艏部舱体23之间的动密封通过O形密封圈15实现；艏部舱体23与艏部舱盖24之间装有用于静密封的艏部密封垫25，通过螺钉连接可实现艏部舱盖24、艏部密封垫25在艏部舱体23上的固定，并密封形成水密的密封舱形式，保证艏部I舱体内搭载的元器件正常工作。
[0030]本实用新型躯干2前后两端的前、后摆动关节5、6采用相同的元器件和结构实现方式，以前摆动关节5为例进行说明，如图6所示，舵机11通过由舵机曲柄35、连杆36和摆轴曲柄37所构成的连杆机构驱动摆动轴29，实现关节的摆动功能；舵机11通过螺钉固定在舵机支架33上，舵机支架33通过螺钉固定在躯干舱体26的内壁上；舵机曲柄35通过螺钉固定在舵机11的驱动轴上，连杆36的一端穿过舵机曲柄35上的光孔，并通过锁紧螺母34实现连接和限位；连杆36的另一端穿过摆轴曲柄37上的光孔，并通过锁紧螺母34实现连接和限位；摆轴曲柄37通过锁紧螺钉39实现与摆动轴29的固连；摆动轴29的下端套装在小轴套38内，小轴套38镶嵌在躯干舱体26的底部光孔内，并利用卡在摆动轴29卡槽内的限位挡圈32实现轴向的定位；摆动轴29的上部套装在大轴套31内，大轴套31镶嵌在躯干舱体26的顶部光孔内，并利用卡在摆动轴29卡槽内的限位挡圈32实现轴向的定位；摆动轴29的上部由躯干舱体26穿出，与艏部舱盖24连接，进而通过舵机11带动艏部I进行摆动；摆动轴29与躯干舱体26之间的动密封通过O形密封圈30来实现；躯干舱体26与躯干舱盖28之间装有用于静密封的躯干密封垫27，通过螺钉连接可实现躯干舱盖28、躯干密封垫27在躯干舱体26上的固定，并密封形成水密的密封舱形式，保证躯干2舱体内搭载的元器件正常工作。
[0031]如图7所示，尾鳍7可在后摆动关节6的驱动下，随艉部3 —起摆动，实现本实用新型的水陆两栖机器人在水中的浮游运动。尾鳍7的止口端镶嵌在艉部舱体42后部的孔槽内，并利用四个紧固铆钉43实现两者的固连；艉部舱体42与艉部舱盖40之间装有用于静密封的艉部密封垫41，通过螺钉连接可实现艉部舱盖40、艉部密封垫41在艉部舱体42上的固定，并密封形成水密的密封舱形式，保证艉部3舱体内搭载的元器件正常工作。
[0032]本实用新型的工作原理为:[0033]本实用新型的仿生水陆两栖机器人可以实现陆地爬行和水中浮游两种运动模式，且无需更换驱动装置即可实现两种运动模式的自主切换。如图2A及图2B所示，爬行状态下，轮足4由轮足驱动单元9驱动连续回转，主要发挥轮式移动机构的特点，通过轮足4的连续回转，并可在前摆动关节5的辅助下，实现陆地上的直线或转向爬行运动。如图2C及图2D所示，在水中浮游运动时，在后摆动关节6的驱动下，艉部3连同尾鳍7左右摆动，模拟鱼类尾鳍的运动产生前进的推力，并可在前摆动关节5的辅助下，实现水中的直航或转向。
【权利要求】
1.一种轮足-尾鳍混合驱动的仿生水陆两栖机器人，其特征在于:包括艏部(1)、躯干(2)、艉部(3)、轮足(4)及尾鳍(7)，其中躯干(2)的两端分别通过前摆动关节(5)及后摆动关节(6)与艏部(1)、艉部(3)相连，所述艏部(1)和艉部(3)分别通过前摆动关节(5)及后摆动关节(6 )驱动摆动，所述尾鳍(7 )安装在艉部(3 )上，随该艉部(3 )摆动；所述艏部(1)及艉部(3 )的两侧分别安装有轮足(4 )，艏部(1)两侧的轮足(4 )和艉部(3 )两侧的轮足(4 )分别通过安装在艏部(1)内的轮足驱动单元(9)及安装在艉部(3)内的轮足驱动单元(9)驱动转动；所述前摆动关节(5)及后摆动关节(6)结构相同，均包括舵机(11)、连杆机构及摆动轴(29)，所述舵机(11)安装在躯干(2)内，该舵机(11)的输出端通过所述连杆机构与摆动轴(29)相连，所述摆动轴(29)转动安装在躯干(2)上，所述艏部(1)及艉部(3)分别与前、后摆动关节(5、6)中的摆动轴(29)相连，由前、后摆动关节(5、6)中的舵机(11)驱动摆动。
2.按权利要求1所述轮足-尾鳍混合驱动的仿生水陆两栖机器人，其特征在于:所述艏部(1)包括艏部舱体(23)、艏部舱盖(24)及轮足驱动单元(9)，该艏部舱盖(24)与艏部舱体(23)密封连接，且与所述前摆动关节(5)中的摆动轴(29)连接；所述轮足驱动单元(9)容置于由艏部舱盖(24)与艏部舱体(23)围成的密闭空间内，包括驱动电机(22)及回转轴(14)，所述驱动电机(22)安装在艏部舱体(23)内，艏部(1)两侧的轮足(4)分别通过回转轴(14)与驱动电机(22)相连，由一台驱动电机(22)同时驱动两侧的轮足(4)同步转动。
3.按权利要求2所述轮足-尾鳍混合驱动的仿生水陆两栖机器人，其特征在于:所述艏部舱体(23)的两侧内壁上分别安装有支撑套(17)，每根回转轴(14)的一端分别与所述驱动电机(22)相连，每根回转轴(14)的另一端由支撑套(17)穿过、并穿出所述艏部舱体(23)的侧壁，与所述轮足(4)连接；所述支撑套(17)内安装有套设在回转轴(14)上的滚动轴承(16)。
4.按权利要求2或3所述轮足-尾鳍混合驱动的仿生水陆两栖机器人，其特征在于:所述驱动电机(22 )通过电机支架(21)安装在艏部舱体(23 )上，该驱动电机(22 )为两端出轴形式、分别通过两个联轴器(19)与两根回转轴(14)的一端相连，所述联轴器(19)上设有实现联轴器(19)与回转轴(14)和驱动电机(22)输出轴径向定位的紧定螺钉(20);所述回转轴(14)与艏部舱体(23)侧壁之间通过O形密封圈(15)实现动密封；所述艏部舱盖(24)与艏部舱体(23)之间设有用于静密封的艏部密封垫(25)。
5.按权利要求1所述轮足-尾鳍混合驱动的仿生水陆两栖机器人，其特征在于:所述躯干(2 )包括躯干舱体(26 )、躯干舱盖(28 )、及前、后摆动关节(5、6 )，该躯干舱盖(28 )与躯干舱体(26 )密封连接，所述前、后摆动关节(5、6 )分别安装在躯干舱体(26 )内；所述连杆机构包括舵机曲柄(35)、连杆(36)及摆轴曲柄(37)，其中舵机曲柄(35)与舵机(11)的驱动轴相连，所述连杆(36)的一端与舵机曲柄(35)连接，另一端与摆轴曲柄(37)相连，所述摆轴曲柄(37)与摆动轴(29)固接。
6.按权利要求5所述轮足-尾鳍混合驱动的仿生水陆两栖机器人，其特征在于:所述摆动轴(29)的上下两端分别通过轴套与躯干舱体(26)连接，并通过卡在所述摆动轴(29)卡槽内的限位挡圈(32)实现所述轴套的轴向定位；所述摆动轴(29)与躯干舱体(26)之间通过O形密封圈(30)实现动密封，该摆动轴(29)的上端由躯干舱体(26)穿出、与艏部(1)或艉部(3)相连；所述躯干舱盖(28)与躯干舱体(26)之间设有用于静密封的躯干密封垫(27)。
7.按权利要求1所述轮足-尾鳍混合驱动的仿生水陆两栖机器人，其特征在于:所述艉部(3 )包括艉部舱体(42 )、艉部舱盖(40 )及轮足驱动单元(9 )，该艉部舱盖(40 )与艉部舱体(42)密封连接，且与所述后摆动关节(6)中的摆动轴(29)连接；所述轮足驱动单元(9)容置于由艉部舱盖(40)与艉部舱体(42)围成的密闭空间内，包括驱动电机(22)及回转轴(14)，所述驱动电机(22)安装在艉部舱体(42)内，艉部(3)两侧的轮足(4)分别通过回转轴(14)与驱动电机(22)相连，由一台驱动电机(22)同时驱动两侧的轮足(4)同步转动；所述尾鳍(7 )安装在艉部舱体(42 )上，与艉部(3 )连动。
8.按权利要求7所述轮足-尾鳍混合驱动的仿生水陆两栖机器人，其特征在于:所述艉部舱体(42)的两侧内壁上分别安装有支撑套(17)，每根回转轴(14)的一端分别与所述驱动电机(22)相连，每根回转轴(14)的另一端由支撑套(17)穿过、并穿出所述艉部舱体(42)的侧壁，与所述轮足(4)连接；所述支撑套(17)内安装有套设在回转轴(14)上的滚动轴承(16);所述尾鳍(7)及艉部舱体(42)连接的一端分别设有止口、孔槽，尾鳍(7)的止口端镶嵌在艉部舱体(42)的所述孔槽内，并通过紧固铆钉(43)固接。
9.按权利要求7或8所述轮足-尾鳍混合驱动的仿生水陆两栖机器人，其特征在于:所述驱动电机(22 )通过电机支架(21)安装在艉部舱体(42 )上，该驱动电机(22 )为两端出轴形式、分别通过两个联轴器(19)与两根回转轴(14)的一端相连，所述联轴器(19)上设有实现联轴器(19)与回转轴(14)和驱动电机(22)输出轴径向定位的紧定螺钉(20);所述回转轴(14)与艉部舱体(42)侧壁之间通过O形密封圈(15)实现动密封；所述艉部舱盖(40)与艉部舱体(42 )之间设有用于静密封的艉部密封垫(41)。
10.按权利要求 1所述轮足-尾鳍混合驱动的仿生水陆两栖机器人，其特征在于:所述艏部(I)两侧轮足(4)之间的相位差及艉部(3)两侧轮足(4)之间的相位差均为90°，且艏部(I)左侧轮足与艉部(3)右侧轮足的相位相同，艏部(I)右侧轮足与艉部(3)左侧轮足的相位相同。
【文档编号】B60F3/00GK203557925SQ201320785152
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年11月30日 优先权日:2013年11月30日
【发明者】唐元贵, 张艾群, 俞建成 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所