一种多地形适应的水陆两栖六足带腰多功能机器人

本发明涉及足式机器人领域，具体为一种多地形适应的水陆两栖六足带腰多功能机器人。

背景技术：

机器人按照其在地面的行走方式，可以分为三类：足式机器人、履带式机器人和轮式机器人。三类机器人由于其各自的结构特点，各有优缺点以及不同的适用场景。足式机器人具有运动性能好、地形适应能力强等特点，可以适应较多的地形，但负载能力较差。轮式机器人在平整地面上的运动速度快，但地形适应能力差。履带式机器人的地形适应能力比轮式机器人强而弱于足式机器人，运动速度慢于轮式机器人但快于足式机器人，且负载能力较强。六足机器人相较于四足机器人，其稳定性较强。而为了使六足机器人具备较强的地形适应能力，可以将多种运动方式组合起来。同时给机器人附加更多的功能，可以扩大机器人的适用场景。

随着人类逐渐将目光投向海洋资源，利用机器人进行水下作业成为了机器人领域的热点。水下足式机器人是陆地足式机器人的变种，水陆两栖机器人则将两者的优点和应用场景结合起来，可增强人类利用和探索海洋资源的能力。然而水下和陆地的地形特征不同，水下地形环境也更加复杂和多样化，而目前的六足机器人的运动模式较为单一，地形适应力差，运动灵活性不足，功能少，不能满足水下挖掘、采集或捕捞等需求。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种足部结构可切换，足的数量可在四足和六足之间转换的六足机器人，以适应不同类型的地形，同时使机器人的部分腿足可在水下执行挖掘、捕捞或采集等工作，拓宽机器人的适用场景。此外，本发明还进一步改善机器人的运动灵活性。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案包括：

一种多地形适应的水陆两栖六足带腰多功能机器人，该机器人包括机体平台和6条腿足；所述机体平台包括前段机体平台、中段机体平台及后段机体平台，前段机体平台和中段机体平台之间、中段机体平台和后段机体平台之间均采用万向节铰链连接；所述6条腿足包括设于前段机体平台的两条腿足、中段机体平台的两条腿足和后段机体平台的两条腿足；所述6条腿足的部分或全部腿足具有两种或两种以上的可切换结构，从而根据地形切换不同的腿足结构以实现相应运动模式；所述6条腿足中至少两条腿足还能执行挖掘、捕捞或采集动作；和/或所述6条腿足中至少两条腿足能够翻折到机体平台上部，使六足机器人切换为四足机器人。

根据本发明的较佳实施例，所述前段机体平台和中段机体平台间的连接结构形成机器人的腰部关节，所述中段机体平台和后段机体平台间的连接结构形成机器人的腰部关节；所述两组腰部关节其中之一或全部能在运动时转向和调整高度。

根据本发明的较佳实施例，所述前段机体平台和中段机体平台间采用十字轴万向节铰链连接，所述中段机体平台和后段机体平台间采用十字轴万向节铰链连接。

优选地，所述前段机体平台和中段机体平台以各自的几何对称轴重合的方式采用十字轴万向节铰链连接，所述中段机体平台和后段机体平台以各自的几何对称轴重合的方式采用十字轴万向节铰链连接。

根据本发明的较佳实施例，所述6条腿足的大腿部为相同结构，其包括依次连接的第一转动副及驱动装置、第二转动副及驱动装置、丝杠电机、丝杠、丝杠套筒和第三转动副及驱动装置；所述第一转动副及驱动装置一端与机体平台连接，第三转动副及驱动装置与一个u字形接耳连接，该u字形接耳设有一组穿孔，该穿孔供与各条腿足的小腿部连接；

第一转动副及驱动装置的转轴与第二转动副及驱动装置的转轴以相互垂直的方式组装连接，第一转动副及驱动装置使大腿部能够相对机体平台前后旋转，第二转动副及驱动装置使大腿部能够相对机体平台上下旋转，所述电机、丝杠和丝杠套筒使大腿部能够伸长或缩短；第三转动副及驱动装置使各小腿部改变其相对丝杠或丝杠套筒的夹角。

根据本发明的较佳实施例，连接在前段机体平台上的两条腿足与连接在后段机体平台上的两条腿足的小腿部为相同结构，其包括第四转动副及驱动装置、腿柱、第五转动副及驱动装置和多足形切换装置；所述腿柱的上端连接所述第四转动副及驱动装置，所述多足形切换装置通过第五转动副及驱动装置结合在所述腿柱下方“冂”字形缺口内；所述多足形切换装置至少包括一个平底足端、一个尖足端和一个滚轮及其驱动端；所述第五转动副及驱动装置能够驱动该多足形切换装置在该“冂”字形缺口内翻转切换，以不同的端接触地面；所述第四转动副及驱动装置与所述大腿部的u字形接耳轴接。

根据本发明的较佳实施例，连接在中段机体平台上的两条腿足的小腿部包括依次连接的第六转动副及驱动装置、臂杆和挖掘组件；所述第六转动副及驱动装置与所述大腿部的u字形接耳轴接；所述挖掘组件包括两块安装板片，其结合于臂杆下端，所述两个安装板片之间设有一对夹块，所述夹块的一端通过驱动及固定装置活动组合到所述安装板片上，所述夹块的另一端为自由端，所述驱动及固定装置能够驱动该对夹块的自由端相互远离或靠近，使该对夹块执行展开和夹持的功能。

根据本发明的较佳实施例，所述前段机体平台的端面或后段机体平台的端面设有至少一个端部推进器。所述端部推进器的数量为2个，在所述前段机体平台的端面或后段机体平台的端面对称设置。此外，端部推进器的数量不限于2个，可为4，6、8个等偶数个均可，只要能满足对称设置即可。

根据本发明的较佳实施例，所述机体平台的底面上安装有至少一个底部推进器。优选地，所述底部推进器的数量为四个，在前段机体平台底面和后段机体平台底面各设置两个；当所述前段、中段、后段机体平台保持在一个平面上时，所述四个底部推进器在所述机体平台底面为均匀分布。此外，底部推进器的数量不限于四个，可为6、8个等偶数个均可。

底部推进器可以用于机器人在水下实现升降运动以及调整机器人的姿态，端部推进器用于为机器人在水下前进/后退过程中提供前进/后退方向的辅助动力。优选地，各推进器均可以独立工作。

本发明的技术效果在于：

(1)本发明的水陆两栖六足带腰多功能机器人，包括三个万向节铰链连接的前段机体平台、中段机体平台、后段机体平台；三段机体平台之间的铰链连接结构可在运动时辅助转向和调整高度，使机器人能够稳定地爬坡或作出跨台阶等动作，大大增加该六足机器人的运动灵活性。此外，借助三段机体平台之间的万向节铰链连接结构，可使两段机体平台间相对铺展或收折，从而使机器人整体的宽度变窄以便于通过狭窄通道。

(2)本发明的水陆两栖六足带腰多功能机器人，其部分腿足设有多足形切换装置，可以根据实际的地形切换不同的腿足结构以实现相应运动模式，如平底足、尖足或滚轮等，分别能够适应不同类型的地形，增强机器人的地形适应能力，增加该机器人的适用范围。

(3)本发明的水陆两栖六足带腰多功能机器人，所述6条腿足中至少两条腿足还能执行挖掘、捕捞或采集动作，可应用到水下捕捞、采集、打捞、探测等场景，能极大地丰富当下水下机器人的形式，有效地增强人类利用海洋资源、探索海洋的能力。

(4)本发明的水陆两栖六足带腰多功能机器人，所述6条腿足中至少两条腿足能翻折到机体平台上部，使六足机器人切换为四足机器人，大大增加该六足机器人的运动灵活性和适应的地形。

(5)本发明的水陆两栖六足带腰多功能机器人，在端部设有端部推进器，可为机器人在水下前进/后退过程中提供前进方向的辅助动力；在机体平台底部设有底部推进器，用于机器人在水下实现升降运动以及调整机器人姿态，或者升高后跨过水下较高的障碍物或海沟。

附图说明

图1为本发明机器人的整体装配的顶面示意图。

图2为连接机器人三段机体平台的十字轴万向节铰链结构示意图。

图3为本发明机器人六条腿足的大腿部结构示意图。

图4为本发明机器人前段机体平台和后段机体平台所设腿足的小腿部结构示意图。

图5为本发明机器人中段机体平台所设腿足的小腿部结构示意图。

图6为本发明机器人的整体装配的底部示意图(含底部推进器)。

图7为本发明机器人的整体装配的示意图(含尾部推进器)。

图8为本发明机器人的大腿部伸长时的结构示意图(整体尺寸最大)。

图9为本发明机器人的大腿部回缩时的结构示意图(整体尺寸最小)。

图10为本发明机器人中间两条腿足收折到机体平台上方变成四足机器人的示意图。

附图符号说明：

1-前段机体平台，2-中段机体平台，3-后段机体平台，4-第一转动副及驱动装置，5-第二转动副及驱动装置，27-第三转动副及驱动装置，271-u字形接耳，6-丝杆电机，7-丝杆，8-丝杆套筒，9-第四转动副及驱动装置，10-腿柱，11-第五转动副及驱动装置，110-多足形切换装置，12-轮足及驱动装置端，13-平足端，14-尖足端，28-第六转动副及驱动装置，29-臂杆，30-挖掘组件，31-安装板片，25、26-驱动及固定装置，15-夹块，16-机身前铰链(十字轴万向节铰链)，17-机身后铰链(十字轴万向节铰链)，18、19-尾部推进器，20-视觉装置，21、22、23、24-底部推进器。

具体实施方式

如图1所示，为一种多地形适应的水陆两栖六足带腰多功能机器人的整体结构示意图。该机器人包括机体平台和6条腿足。机体平台具体是由前段机体平台1、中段机体平台2及后段机体平台3连接组成。6条腿足则设置在机体平台上，具体地，前段机体平台1连接两条腿足，中段机体平台2连接两条腿足，后段机体平台3连接两条腿足。前段机体平台1和后段机体平台3的表面形状相同，为梯形；中段机体平台2的的表面形状为矩形。6条腿足中，前段机体平台1的两条腿足和后段机体平台3的两条腿足的结构相同，中段机体平台2的两条腿足的结构比较特殊，不同于其他腿足。中段机体平台2的两条腿足可以充当挖掘臂的作用，还能够反向翻折到中段机体平台2的顶面，将六足机器人变为四足机器人。

其中，前段机体平台1与中段机体平台2的中间部位以几何对称轴重合的方式采用十字轴万向节铰链16连接，中段机体平台2与后段机体平台3的中间部位以几何对称轴重合的方式采用十字轴万向节铰链17连接。

参见图2所示，为十字轴万向节铰链16(17)的结构示意图。该十字轴万向节铰链16(17)的两端通过安装基座与相邻两个机体平台(前段机体平台1与中段机体平台2；或中段机体平台2与后段机体平台3)连接，安装基座位于相对机体平台连接面的中心位置。该十字轴万向节铰链16(17)包含一个十字轴万向节，构成两个转动副(即机器人的腰关节)，使一个机体平台可以绕与之连接的另一个机体平台的中轴线转动，在机器人转向或调整机体高度与角度时提供辅助作用。

参见图3所示，为本发明机器人六条腿足的大腿部结构示意图。如图1所示，机器人的6条腿足分别包括串联的大腿部和小腿部，其中6条腿足的大腿部结构均相同，只有中段机体平台2的两条腿足的小腿部与其他四条机器人腿足的小腿部不同。如图3所示，各大腿部包括依次连接的第一转动副及驱动装置4、第二转动副及驱动装置5、丝杠电机6、丝杠7、丝杠套筒8和第三转动副及驱动装置27。第一转动副及驱动装置4的一端与相应的机体平台侧面的中间部位连接，第二转动副及驱动装置5的转轴以垂直于第一转动副及驱动装置4转轴的方式与第一转动副及驱动装置4连接。第三转动副及驱动装置27与一个u字形接耳271连接，该u字形接耳271设有一组穿孔，该穿孔供与各条腿足的小腿部连接。如图3所示，第一转动副及驱动装置4使大腿部能够相对机体平台前后旋转(x轴方向)，第二转动副及驱动装置5使大腿部能够相对机体平台上下旋转(z轴方向)，所述丝杠电机6、丝杠7和丝杠套筒8使大腿部能够伸长或缩短(沿y轴运动)。借此，大腿部可在三维方向任意调整。第三转动副及驱动装置27使各小腿部能相对丝杠6或丝杠套筒7开合收折。

参见图4所示，为本发明机器人前段机体平台和后段机体平台所设腿足的小腿部结构示意图。连接在前段机体平台1上的两条腿足与连接在后段机体平台2上的两条腿足的小腿部为相同结构，其包括第四转动副及驱动装置9、腿柱10、第五转动副及驱动装置11和多足形切换装置110。腿柱10的上端连接第四转动副及驱动装置9，第四转动副及驱动装置9的转轴穿接在大腿部的u字形接耳的穿孔中。腿柱10的下方设有“冂”字形缺口，在“冂”字形缺口内组装有多足形切换装置110。多足形切换装置110包括三个端部，呈y字形，两两之间形成120°角，三个端部分别为平底足端13、一个尖足端14和一个滚轮及其驱动端12。滚轮及其驱动端12包括滚轮和驱动装置，该驱动装置可驱动滚轮转动。平底足端13底部与地面接触部位为平板，尖足端14与地面接触部位为尖端。多足形切换装置110在该“冂”字形缺口内转动是依靠第五转动副及驱动装置11实现的，具体地，第五转动副及驱动装置11设有转轴，该转轴串接该“冂”字形缺口的两侧板和多足形切换装置110中央的组装孔，同时第五转动副及驱动装置11还设有驱动装置，可以驱动该多足形切换装置110旋转，从而以不同的端部接触地面，从而可以根据地形切换不同的腿足结构以实现相应运动模式。优选地，平底足端13接地面有橡胶材质的长条状凸起，可以使平底足端13在增大与地面接触面积的同时增加与地面间的摩擦力。可理解地，第五转动副及驱动装置11设有锁止机构，以增加机器人的稳定性。

参见图5所示，为本发明机器人中段机体平台2所设腿足的小腿部结构示意图。连接在中段机体平台2上的两条腿足的小腿部包括依次连接的第六转动副及驱动装置28、臂杆29和挖掘组件30。第六转动副及驱动装置28与大腿部的u字形接耳271轴接(具体是第六转动副及驱动装置28的转轴与u字形接耳271的穿孔组接)。臂杆29下端设有挖掘组件30，挖掘组件30包括两块安装板片31，其结合于臂杆29下端，两个安装板片31相对设置，中间有间距，期间设有一对夹块15，左侧夹块15的一端通过驱动及固定装置25活动组合到安装板片31上，右侧夹板15的一端通过驱动及固定装置26活动组合到安装板片31上。还对夹块15的另一端为自由端。通过驱动及固定装置25(26)能够驱动对夹块的自由端相互远离或靠近，使该对夹块15执行展开和夹持的功能。其中，驱动及固定装置25包括转轴，该转轴穿接该夹块15端部的孔和安装板片31上设置的孔，驱动及固定装置25还包括驱动装置，该驱动装置可以驱动夹块15绕其端部的穿接部位旋转，两块夹块15相向旋转则执行夹持动作。该挖掘组件30可以在水下完成挖掘、捕捞、采集的工作。优选地，在两块夹板15相靠近的侧面上设有相啮合的齿结构，以增加夹持的稳定性和力度。驱动及固定装置25、26还设有锁止功能，使夹块15夹持物体后保持夹紧状态。

在执行挖掘采集动作时，连接在中段机体平台2上的两条腿足的第一转动副及驱动装置4、第二转动副及驱动装置5、丝杆电机6、第六转动副及驱动装置28、挖掘组件30的驱动及固定装置25(26)相互协同配合，可灵活的执行挖掘采集的工作。

参见图6所示，为本发明机器人的整体装配的底部示意图。在机体平台的底面上安装有至少一个底部推进器。优选地，底部推进器的数量为四个，分别底部推进器21、22、23、24，具体地是在前段机体平台1底面和后段机体平台3的底面各设置两个。当所述前段、中段、后段机体平台保持在一个平面上时，所述四个底部推进器在机体平台底面为均匀分布(优选为以机器人重心为中心的对称分布)。此外，底部推进器的数量不限于四个，可为6、8个等偶数个均可，但要满足均匀分布即可。

参见图7所示，为本发明机器人的整体装配的示意图。在前段机体平台1的端面或后段机体平台3的端面设有至少一个端部推进器。如图7所示，端部推进器18、19设于后段机体平台3的端面(尾部)。此外，端部推进器的数量不限于2个，不限于仅设于尾部，还可以设于头端，其总数量4，6、8个等偶数个均可，只要能满足对称设置即可。此外，在前段机体平台1的端面(头端)还设有视觉装置20，其主要作用相当于眼睛，用于感测前方物体。

底部推进器21、22、23、24用于向下喷射水柱或气柱，而端部推进器18、19可水平喷射水柱或气柱。底部推进器可以用于机器人在水下实现升降运动(如跨越高的障碍物或沟壑)以及调整机器人的姿态，端部推进器用于为机器人在水下前进/后退过程中提供前进/后退方向的辅助动力。优选地，各推进器均可以独立工作。

参见图8所示，为机器人的大腿部伸长时的结构示意图，此时尺寸较大；如图9所示，为机器人的大腿部回缩时的结构示意图，此时尺寸较小，后者可用于通过狭窄通道。机器人的大腿部回缩依靠所述丝杠电机6、丝杠7和丝杠套筒8共同配合作用，实现大腿部的伸长或缩短(如图3所示的沿y轴运动)。

当地面非常不平整时，可以减少机器人实际着地的腿足数量，如图10所示。此时，将中段机体平台2上连接的两个腿足收折到中段机体平台2上方，将六足机器人切换为四足机器人，此时机器人占地空间进一步缩小。该中段机体平台2的两条腿足的收折，主要是通过第三转动副及驱动装置27、第四转动副及驱动装置9的驱动来来实现。

综上所述，本发明的机器人的运动特点包括：

在转向步态下第一转动副及驱动装置4控制机器人的腿足转动，机身随之牵附而转动的同时，带动十字轴万向节铰链16转动，腰部关节的前万向节叉绕十字轴中的竖直轴旋转，从而增加转向时每个腰关节前段机体平台1的转动角度，起到辅助转向的作用。

十字轴万向节铰链16(17)构成的腰关节还可以在机器人前进中越障时提供辅助。如在前进过程中跨越与机体平台发生干涉的障碍时，前部两个腿足的第二转动副及驱动装置5和第四转动副及驱动装置9、第五转动副及驱动装置11控制前部两条腿足在障碍物上寻找支撑(类似于跨台阶的动作)，此时靠近障碍物一侧的机体平台能够向上转动，十字轴万向节铰链16(17)中十字轴绕横向轴转动，使前中两段机体平台(1、2)之间形成一定角度(由180°变成钝角)，从而增加六足机器人越障时机体平台旋转角度，提高灵活性和稳定性。水下环境中，还可以通过机器人机体平台底部的矢量推进装置21、22、23、24提供辅助动力实现越障功能。

对于单个腿足的运动，第一转动副及驱动装置4控制大腿绕x轴方向转动，可以调整各腿足相对于所在机体平台的位置，以实现六足机器人的转向或运动模式的切换(轮足运动模式需要将四个腿足末端的滚轮调整至与机身前进方向平行的位置)。第四转动副及驱动装置9控制各小腿部在各腿足所在平面内转动，可以实现跨越障碍的功能，在保持6个腿足的末端均和地面稳定接触的情况下，，第二转动副及驱动装置5、第四转动副及驱动装置9控制相应转动副转动且第一转动副及驱动装置4不工作，以及在水下环境时底部推进器21、22、23、24工作，可以实现六足机器人机体高度的调整。

根据具体场景的需要可以选择部分腿足或全部腿足形式的切换。切换主要通过第五转动副及驱动装置11来实现，但仍需第二转动副及驱动装置5和第四转动副及驱动装置9首先配合控制一个腿足抬起离地(抬足)，然后第五转动副及驱动装置11驱动多足形切换装置110转动到需要的足形结构后，之后第二转动副及驱动装置5和第四转动副及驱动装置9控制该腿足平稳落下。全部足端切换运动模式时，将六条腿足中相互间隔的三个腿足组成一组，按照前述方式切换，切换完毕后将切换完成的足形接触站立在地面，再其余三个腿足的足形进行切换。

滚轮运动模式还需要通过各腿的第一转动副及驱动装置4将前段和后段机体平台1、3的四条腿足末端的滚轮调整至与机体运动方向平行的角度，同时将中段平台2上的两条腿足收起。

机器人整体大小调整主要依靠丝杆电机6、丝杠7和丝杠套筒8的伸缩实现。调整过程与运动模式切换相似，可单独一条腿足一条腿足地调整，也可以每次三条腿足为一组进行调整以实现全部腿足的调整。单条腿足调整时，也是依靠第二转动副及驱动装置5、第四转动副及驱动装置9控制一条腿足的末端离地，此时丝杆电机6控制丝杆7在丝杆套筒8中旋转实现直线移动，调整好长度后第二转动副及驱动装置5、第四转动副及驱动装置9控制该条腿足平稳落下，完成单腿的长度调整。

中段机体平台2上的两条腿足用作挖掘臂时，由第一转动副及驱动装置4、第二转动副及驱动装置5、第六转动副及驱动装置28及丝杆电机6、丝杠7调整挖掘臂末端的位置，驱动及固定装置25、26控制夹块15的闭合，完成捕捞或采集等工作。不工作或作为步行足时由驱动及固定装置25、26控制夹块15的保持闭合。需要将挖掘臂折叠时，第二转动副及驱动装置5、第三转动副及驱动装置27、第六转动副及驱动装置28控制中段机体平台2上的两条腿足整体向机器人机体平台中段2上方转动折叠呈如图10所示状态。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。