一种基于齿轮式传动的水陆两栖机器人的制作方法

[0001]
本发明涉及机器人技术领域，更具体的说，尤其涉及一种基于齿轮式传动的新型水陆两栖机器人。


背景技术：

[0002]
近年来，机器人技术在各领域的应用得到不断地发展。操作式机器人可代替人员进行各种复杂的作业；移动式机器人可在陆地上进行地形勘察、地震救灾、运输物资等工作；水下机器人可在水中完成一系列作业。
[0003]
水陆两栖机器人则是结合了移动式机器人与水下机器人，既可在陆地上行走又可在水中游动，能够实现在两种不同环境的快速切换，可达到持续地工作。
[0004]
申请号为201510157435.1的中国发明专利公开了一种可变形结构的水陆两栖机器人，通过舵机的转向来实现两种模式的切换，并且在车轮上内嵌螺旋桨为机器人在水面航行提供推力；申请号为201310480381.3的中国发明专利公开了新型水陆两栖行走机构，利用离合器装置来使车轮内的螺旋叶片伸出展开，实现水陆的切换；申请号为200910222487.7中国发明专利公开了一种基于轮桨-足板混合驱动的水陆两栖机器人，可切换使用轮桨驱动和足板驱动这两种不同运动机理的驱动装置来实现水陆环境中的工作。但是，上述这些现有技术均采用水中螺旋桨推动的方式，导致推力不高，且易被水中杂质缠住而损坏机体；而且也存在着切换操作复杂等问题。
[0005]
针对上述不足，需要设计和开发一种新的水陆两栖机器人，能够补足上述不足。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的在于解决现有的水陆两栖机器人切换模式复杂，水中推力效率低等问题，提出了一种基于齿轮式传动的水陆两栖机器人，通过脚链既可在陆地上行走，又可在水中摆动而产生推力，从而达到快速切换模式，在水陆两种环境中持续稳定地工作。
[0007]
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于齿轮式传动的水陆两栖机器人，包括机器人外壳、腿机构、齿轮传动装置和内部基座，所述齿轮传动机构和内部基座设置在机器人外壳内部，腿机构包括分布在机器人外壳两侧的四条行走腿，四条行走腿分别两条前侧腿和两条后侧腿，齿轮传动机构连接腿机构的四条行走腿并驱动四条行走腿的运动；
[0008]
所述机器人外壳包括前侧板、后侧板、左侧板、右侧板、上底板和下底板，前侧板、后侧板、左侧板、右侧板、上底板和下底板共同构成密封的机器人外壳；
[0009]
所述内部基座包括第一中间板、第二中间板和控制板，第一中间板和第二中间板固定在下底板上；所述控制板固定在下底板上；
[0010]
所述齿轮传动装置包括电机、第一轴承座、第二轴承座、第一直齿轮、第二直齿轮、第一锥齿轮、第二锥齿轮、第三锥齿轮、第四锥齿轮、蜗杆、齿条块、竖向轴、横向轴、导轨、导轨座和第三轴承座，所述第一轴承座固定在第一中间板上，电机和第二轴承座均固定在第
二中间板上；所述蜗杆水平设置且蜗杆通过第二轴承座支撑在第二中间板上，电机连接所述蜗杆的一端并驱动所述蜗杆转动；所述竖向轴通过第三轴承座竖直安装在第二中间板上，第一锥齿轮和第一直齿轮从上至下依次固定在所述竖向轴上，所述蜗杆与第一直齿轮啮合；所述横向轴通过第一轴承座支撑在第一中间板上，第三锥齿轮和第二锥齿轮分别固定在所述横向轴的两端，所述第二锥齿轮与所述第一锥齿轮啮合，所述第三锥齿轮与所述第四锥齿轮啮合；所述导轨通过导轨座固定在所述下底板上，齿条块底部设置有与所述导轨相配合的导向槽，齿条块套装在所述导轨上，所述齿条块的侧面设置有侧齿，齿条块的顶面设置有顶齿，齿条块的侧齿与第一直齿轮啮合，齿条块的顶齿与第二直齿轮啮合；
[0011]
所述齿轮传动装置设置有左右对称设置的一对，两个齿轮传动机构的第二直齿轮分别固定在两条前侧腿的旋转轴上，两个齿轮传动机构的第四锥齿轮分别固定在两条后侧腿的旋转轴上；
[0012]
所述腿机构的四条行走腿的结构完全相同，所述行走腿包括支撑脚、上下舵机支架、前后舵机支架、旋转轴、腿部轴承座、腿部轴承、腿部连接键、第一舵机、第二舵机和第三舵机，所述上下舵机支架的一端与所述支撑脚通过第一铰接轴铰接且第一铰接轴固定在支撑脚上，所述第一舵机固定在上下舵机支架上且第一舵机的输出轴连接第一铰接轴；所述上下舵机支架的另一端与前后舵机支架的一端通过第二铰接轴铰接且第二铰接轴固定在上下舵机支架上，所述第二舵机固定在前后舵机支架上且第二舵机的输出轴连接第二铰接轴；所述前后舵机支架的另一端与旋转轴的一端通过第三铰接轴铰接且第三铰接轴固定在前后舵机支架上，所述第三舵机固定在旋转轴上且第三舵机的输出轴连接第三铰接轴；所述旋转轴上套装有腿部轴承座，腿部轴承座和旋转轴通过腿部轴承连接，所述腿部轴承座的外侧固定在机器人外壳上；旋转轴的端部设置有用于连接齿轮传动装置的腿部连接键。
[0013]
进一步的，所述上底板和下底板的结构完全相同，上底板和下底板平行设置，前侧板的上下两端分别固定在上底板和下底板的前侧，后侧板的上下两端分别固定在上底板和下底板的后侧，左侧板的上下两端分别固定在上底板和下底板的左侧，右侧板的上下两端分别固定在上底板和下底板的右侧；所述前侧板、后侧板、左侧板、右侧板均垂直于上底板和下底板安装。前侧板、后侧板、左侧板、右侧板与上底板和下底板的连接方式采用卡槽加螺栓的连接方式，并在连接处设置密封圈用于整体的密封；也可以采用除去上底板后一体成型的方式。
[0014]
进一步的，所述左侧板和右侧板均呈阶梯状，呈阶梯状的左侧板和右侧板都具有两个相互平行的侧板上，左侧板和右侧板的两块平行的侧板上均设置有一个轴承座固定孔，四条行走腿的腿部轴承座分别固定在左侧板和右侧板的轴承座固定孔内。
[0015]
进一步的，所述第一中间板和第二中间板均通过底部均匀布置的铜柱固定在下底板上，第一中间板和第二中间板通过螺栓固定在铜柱上。
[0016]
进一步的，第一中间板呈长方形状，第一中间板底部的铜柱有四根；所述第二中间板呈t型，第二中间板底部的铜柱有三根。
[0017]
进一步的，所述第一舵机与第二舵机的轴线相互平行，第三舵机的轴线同时垂直于第一舵机和第二舵机的轴线。
[0018]
进一步的，所述齿轮传动装置上的蜗杆与第一直齿轮的啮合点、第一直齿轮与齿条块的啮合点以及齿条块与第二直齿轮的啮合点均在同一平面上；所述齿轮传动装置上的
横向轴的轴线同时垂直于竖向轴的轴线和腿机构上的旋转轴的轴线；所述齿轮传动装置上的第二直齿轮、第二锥齿轮、第三锥齿轮以及第四锥齿轮的轴线在同一平面内。
[0019]
本发明的有益效果在于：
[0020]
1、本发明采用腿机构两用方式，既可在陆地上行走，又可在水中摆动提供推力，使机器人在水陆两种环境下在实现快速的切换，又很好地解决了采用螺旋桨在水中易损坏的问题，无须过多的水下推进设备，工作适应性强、效率高，能够实现水陆环境的持续稳定工作。
[0021]
2、本发明陆地行走模式时采用安装在支撑脚上的舵机进行驱动，水中游动模式时采用安装在机体内部的电机进行驱动，两种控制模式分工明确，不易耦合。
[0022]
3、本发明通过蜗轮蜗杆和锥齿轮的组合传动，就能驱动同一侧的2个行走腿在一定范围内上下摆动，进而控制机器人在水中的前进速度，整体机构工作可靠、传递效率高、使用寿命长。
[0023]
4、本发明采用两个电机分别控制两侧的2个行走腿，通过控制两个电机的转速，使两侧的支撑脚摆动形成速度差，进而控制机器人在水中的转向。
附图说明
[0024]
图1是本发明一种基于齿轮式传动的水陆两栖机器人的整体结构示意图。
[0025]
图2是本发明一种基于齿轮式传动的水陆两栖机器人在水中的姿态。
[0026]
图3是本发明一种基于齿轮式传动的水陆两栖机器人内部结构图。
[0027]
图4是本发明腿机构的结构示意图。
[0028]
图5是本发明齿轮传动机构的结构示意图。
[0029]
图6是本发明陆地行走结构图。
[0030]
图7是本发明水中游动结构图。
[0031]
图中，1-上底板、2-前侧板、3-左侧板、4-腿机构、5-右侧板、6-后侧板、7-第一中间板、8-控制板、9-电机、10-第一轴承座、11-齿轮传动装置、12-下底板、13-第二轴承座、14-第二中间板、15-导轨、16-导轨座、17-支撑脚、18-第一舵机、19-第二舵机、20-第三舵机、21-腿部轴承座、22-旋转轴、23-上下舵机支架、24-前后舵机支架、25-腿部轴承、26-腿部连接键、27-第四锥齿轮、28-第三锥齿轮、29-横向轴、30-第二锥齿轮、31-竖向轴、32-第二直齿轮、33-蜗杆、34-第三轴承座、35-第一直齿轮、36-齿条块。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0033]
如图1～7所示，一种基于齿轮式传动的水陆两栖机器人，包括机器人外壳、腿机构4、齿轮传动装置11和内部基座，所述齿轮传动机构和内部基座设置在机器人外壳内部，腿机构4包括分布在机器人外壳两侧的四条行走腿，四条行走腿分别两条前侧腿和两条后侧腿，齿轮传动机构连接腿机构4的四条行走腿并驱动四条行走腿的运动；
[0034]
所述机器人外壳包括前侧板2、后侧板6、左侧板3、右侧板5、上底板1和下底板12，前侧板2、后侧板6、左侧板3、右侧板5、上底板1和下底板12共同构成密封的机器人外壳。
[0035]
所述内部基座包括第一中间板7、第二中间板14和控制板8，第一中间板7和第二中
间板14固定在下底板12上；所述控制板8固定在下底板12上。
[0036]
所述齿轮传动装置11包括电机9、第一轴承座10、第二轴承座13、第一直齿轮35、第二直齿轮32、第一锥齿轮、第二锥齿轮30、第三锥齿轮28、第四锥齿轮27、蜗杆33、齿条块36、竖向轴31、横向轴29、导轨15、导轨座16和第三轴承座34，所述第一轴承座10固定在第一中间板7上，电机9和第二轴承座13均固定在第二中间板14上；所述蜗杆33水平设置且蜗杆33通过第二轴承座13支撑在第二中间板14上，电机9连接所述蜗杆33的一端并驱动所述蜗杆33转动；所述竖向轴31通过第三轴承座34竖直安装在第二中间板14上，第一锥齿轮和第一直齿轮35从上至下依次固定在所述竖向轴31上，所述蜗杆33与第一直齿轮35啮合；所述横向轴29通过第一轴承座10支撑在第一中间板7上，第三锥齿轮28和第二锥齿轮30分别固定在所述横向轴29的两端，所述第二锥齿轮30与所述第一锥齿轮啮合，所述第三锥齿轮28与所述第四锥齿轮27啮合；所述导轨15通过导轨座16固定在所述下底板12上，齿条块36底部设置有与所述导轨15相配合的导向槽，齿条块36套装在所述导轨15上，所述齿条块36的侧面设置有侧齿，齿条块36的顶面设置有顶齿，齿条块36的侧齿与第一直齿轮35啮合，齿条块36的顶齿与第二直齿轮32啮合。
[0037]
所述齿轮传动装置11设置有左右对称设置的一对，两个齿轮传动机构的第二直齿轮32分别固定在两条前侧腿的旋转轴22上，两个齿轮传动机构的第四锥齿轮27分别固定在两条后侧腿的旋转轴22上。
[0038]
所述腿机构4的四条行走腿的结构完全相同，所述行走腿包括支撑脚17、上下舵机支架23、前后舵机支架24、旋转轴22、腿部轴承座21、腿部轴承25、腿部连接键26、第一舵机18、第二舵机19和第三舵机20，所述上下舵机支架23的一端与所述支撑脚17通过第一铰接轴铰接且第一铰接轴固定在支撑脚17上，所述第一舵机18固定在上下舵机支架23上且第一舵机18的输出轴连接第一铰接轴；所述上下舵机支架23的另一端与前后舵机支架24的一端通过第二铰接轴铰接且第二铰接轴固定在上下舵机支架23上，所述第二舵机19固定在前后舵机支架24上且第二舵机19的输出轴连接第二铰接轴；所述前后舵机支架24的另一端与旋转轴22的一端通过第三铰接轴铰接且第三铰接轴固定在前后舵机支架24上，所述第三舵机20固定在旋转轴22上且第三舵机20的输出轴连接第三铰接轴；所述旋转轴22上套装有腿部轴承座21，腿部轴承座21和旋转轴22通过腿部轴承25连接，所述腿部轴承座21的外侧固定在机器人外壳上；旋转轴22的端部设置有用于连接齿轮传动装置11的腿部连接键26。
[0039]
第一舵机18工作时驱动支撑脚17绕着第一铰接轴转动，第二舵机19工作时驱动上下舵机支架23、支撑脚17和第一舵机18组成的整体绕着第二铰接轴转动，第三舵机20工作时驱动上下舵机支架23、支撑脚17和第一舵机18和前后舵机支架24组成的整体绕着第三铰接轴转动，由于第一铰接轴和第二铰接轴平行设置，第三铰接轴垂直于第一铰接轴和第二交接轴设置，所以第一舵机18、第二舵机19和第三舵机20同时工作能够驱动支撑脚的前行动作。
[0040]
所述上底板1和下底板12的结构完全相同，上底板1和下底板12平行设置，前侧板2的上下两端分别固定在上底板1和下底板12的前侧，后侧板6的上下两端分别固定在上底板1和下底板12的后侧，左侧板3的上下两端分别固定在上底板1和下底板12的左侧，右侧板5的上下两端分别固定在上底板1和下底板12的右侧；所述前侧板2、后侧板6、左侧板3、右侧板5均垂直于上底板1和下底板12安装。
[0041]
所述左侧板3和右侧板5均呈阶梯状，呈阶梯状的左侧板3和右侧板5都具有两个相互平行的侧板上，左侧板3和右侧板5的两块平行的侧板上均设置有一个轴承座固定孔，四条行走腿的腿部轴承座21分别固定在左侧板3和右侧板5的轴承座固定孔内。
[0042]
所述第一中间板7和第二中间板14均通过底部均匀布置的铜柱固定在下底板12上，第一中间板7和第二中间板14通过螺栓固定在铜柱上。
[0043]
第一中间板7呈长方形状，第一中间板7底部的铜柱有四根；所述第二中间板14呈t型，第二中间板14底部的铜柱有三根。
[0044]
所述第一舵机18与第二舵机19的轴线相互平行，第三舵机20的轴线同时垂直于第一舵机18和第二舵机19的轴线。
[0045]
所述齿轮传动装置11上的蜗杆33与第一直齿轮35的啮合点、第一直齿轮35与齿条块36的啮合点以及齿条块36与第二直齿轮32的啮合点均在同一平面上；所述齿轮传动装置11上的横向轴29的轴线同时垂直于竖向轴31的轴线和腿机构4上的旋转轴22的轴线；所述齿轮传动装置11上的第二直齿轮32、第二锥齿轮30、第三锥齿轮28以及第四锥齿轮27的轴线在同一平面内。
[0046]
本发明有陆地移动模式和水中游动模式两种工作模式，具体移动方法如下：
[0047]
陆地移动模式时，如图6，当机器人腿机构4在程序的控制下，由第一舵机18和第二舵机19控制着机器人身体距离地面的高度同时控制着支撑脚17上下的翻转，第三舵机20的轴线垂直于地面，并控制着机器人前后行走方向。在此模式下，齿轮传动装置11不工作，机器人的行走动力完全来自与每一个腿机构上的三个舵机，由它们控制着速度与方向。
[0048]
水中游动模式：
[0049]
如图7，在此模式下，机器人腿机构4将呈现“l”型，并且内缩，此时三个舵机锁死；电机9开始工作，带动齿轮传动装置11工作，第一直齿轮35的转向与第二直齿轮32的转向相反，第二直齿轮32的转向与第四锥齿轮27的转向相同，齿条块36在导轨15上进行往复运动；这样，四个腿机构4的支撑脚17都在做相同的上下摆动运动，从而产生推力，使机器人在水中游动。
[0050]
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。