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一種基于可變形足-蹼復合推進機構的水陸兩棲機器人的制作方法

文檔序號:3852815閱讀:278來源:國知局
專利名稱:一種基于可變形足-蹼復合推進機構的水陸兩棲機器人的制作方法
技術領域
本發明涉及水陸兩棲機器人,具體地說是ー種基于可變形足-蹼復合推進機構的水陸兩棲機器人。
背景技術
隨著人類對海洋資源的開發利用和海洋科學相關研究的深化與發展,海洋與陸地交界的過渡地帶成為近年來科學研究、環境監控、調查分析 及軍事偵察等方面應用和關注的重點區域之一。水陸兩棲機器人作為ー種能夠在陸地、水中及水陸過渡地帶開展各種作業任務的有效技術手段,正吸引著全世界越來越多國家科技人員的研究和探索。但是現有兩棲機器人的性能還遠達不到單一功能的陸地或者水下機器人,而且能夠真正實現水陸過渡環境的有效切換的更是少之又少。究其原因主要有兩點一、陸地和水中分離的驅動和執行機構,使得機器人的效率極其低下;ニ、水陸過渡環境隨著介質形式的多種多祥,對水陸兩棲機器人的推進機構和控制策略都提出了嚴峻的挑戰。因此,水陸兩棲機器人需要陸地和水下推進的有效復合,設計出既能夠適應陸地復雜多變地形,又能在水下高效推進的復合驅動和執行機構。為了實現水陸兩棲機器人既能夠在水中和陸地環境高機動能力,又能在水陸過渡地帯具有良好的通過性和適應性,開發研制基于新型復合驅動機構的水陸兩棲機器人成為近年來兩棲機器人的重要研究方向和發展趨勢之一。本發明的目的在于提供一種基于可變形足-蹼復合推進機構的水陸兩棲機器人,解決了現有水陸兩棲機器人大多需要兩套相互獨立的陸地和水中推進機構,且在復雜水陸過渡環境下通過能力差、效率低的不足,為近海海洋資源開發利用、兩棲探險與救援提供一種有效的聞技術手段。

發明內容
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的本發明提供的一種基于可變形足-蹼復合推進機構的水陸兩棲機器人包括水陸兩棲機器人密封殼體、密封蓋板、前/后蓋板、控制電路、電池、通訊天線、復合推進驅動模塊、可變形足-蹼模塊,所述密封殼體兩側板對稱設有多個復合推進驅動模塊,每個復合推進驅動模塊的輸出軸上安裝有可變形足-蹼模塊。其中可變形足-蹼模塊由首節、中節和末節三部分組成,各節之間用一塊整體的弾性薄板串聯,末節固定有無伸縮性軟繩,無伸縮性軟繩從中間各節中穿過,并最終由首節穿出,接入兩棲機器人的復合推進驅動模塊,由復合推進驅動模塊中的收線電機控制無伸縮性軟繩的伸縮。當兩棲機器人在水中推進時,無伸縮性軟繩為松弛狀態,各節在彈性薄板的作用下自然伸直,可變形足-蹼模塊呈展平狀態,在復合推進驅動模塊的驅動下繞輸出軸往復擺動,像蹼ー樣拍動推迸。當兩棲機器人在陸地上行走吋,收線電機將鋼絲收緊,由于鋼絲與彈簧鋼板之間有一定的間隔以及相鄰節板之間成一定角度的斜面,故在無伸縮性軟繩的拉動作用下,可變形足-蹼模塊呈彎曲狀態并依靠驅動模塊中的絲杠螺母機構鎖住,在驅動模塊的驅動下繞電機輸出軸做旋轉運動,可完成平地行進,翻越障礙等動作。復合推進驅動模塊是由推進驅動軸通過連接平面和緊定螺釘與可變形足-蹼模塊首節相連,將主驅動電機的驅動轉矩傳遞給兩棲機器人的可變形足-蹼模塊,實現陸地行走、水下拍動等機動動作。推進驅動軸沿軸向中心有ー貫穿孔,可以穿過驅動可變形足-蹼模塊變形的無伸縮性軟繩,無伸縮性軟繩、滑塊、連接桿、雙軸承、套筒、絲杠螺母機構沿軸向依次連接,最終通過收線齒輪與收線電機相連,由收線電機控制無伸縮性軟繩的拉動,以驅動可變形足-蹼模塊變形。雙軸承的作用是將推進驅動軸的回轉運動與無伸縮性軟繩在推進驅動軸內部的軸向動作隔離開,以防止無伸縮性軟繩在可變形足-蹼模塊旋轉時自身纏繞。推進驅動軸上還安裝有光電零位檢測裝置,用以反饋可變形足-蹼模塊的絕對位置。本發明的優點和積極效果為I.本發明采用的可變形足-蹼復合推進機構有效地將陸地足式推進方式和水中·蹼式推進方式融合在一起,陸地和水中推進所需的主驅動電機和執行機構實現了功能復用,滿足了機器人在水陸兩棲條件的行進和游動多運動模式的需求,同時保證了機器人運動的平穩性、快速性和協調性。2.本發明機器人的可變形足-蹼復合推進機構采用模塊化設計,彼此之間互不干擾,便于維護和更換。3.本發明運動方式靈活,水陸環境適應能力強。


圖I為本發明的結構原理圖;圖2為本發明中可變形足-蹼復合推進機構的蹼狀態結構圖;圖3為本發明中可變形足-蹼復合推進機構的腿狀態結構圖;圖4為可變形足-蹼模塊結構圖;圖5為圖4的剖視圖;圖6a為本發明在陸地行走時的三角步態實現原理圖;圖6b為本發明在翻越障礙物時同步步態實現原理圖;圖7a為本發明水中正向巡游實現原理圖;圖7b為本發明水中反向巡游實現原理圖;圖7c為本發明水中轉向游動實現原理圖;圖7d為本發明水中原地自旋游動實現原理圖;圖7e為本發明水中緊急制動實現原理圖;圖7f為本發明上升游動運動實現原理圖;圖7g為本發明下潛游動運動實現原理圖;其中1為密封蓋板,2為復合推進驅動模塊,3為控制電路,4為電池,5為通訊天線,6為密封殼體,7為可變形足-踐模塊,8為前/后蓋板,9為首節蓋板,10為中節,11為末節,12為無伸縮性軟繩壓片,13為無伸縮性軟繩夾頭,14為無伸縮性軟繩,15為彈性薄板,16為首節基板,17為主驅動電機,18為驅動模塊框架蓋板,19為驅動模塊框架,20為零位檢測盤,21為槽形光電開關,22為主驅動電機支架,23為軸承座,24為收線電機,25為螺母套筒,26為第二收線齒輪,27為第一收線齒輪,28為第一驅動齒輪,29為第二驅動齒輪,30為O型密封圏,31為密封腔螺釘,32為傳動空心軸第一軸承,33為密封腔軸承端蓋,34為傳動空心軸,35為軸用擋圈,36為無伸縮性軟繩連接塊,37為第一連接桿,38為傳動空心軸第二軸承,39為連接銷,40為第一連接桿軸承,41為第二連接桿,42為第二連接桿軸承,43為絲桿第一軸承,44為直線軸承,45為螺母,46為光軸,47為套筒端蓋,48為絲桿,49為絲桿第ニ軸承,50為絲桿軸承端蓋。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進ー步詳述。如圖I所示,本發明的機器人包括密封蓋板I、復合推進驅動模塊2、控制電路3、電池4、通訊天線5、密封殼體6、可變形足-蹼模塊7、前/后蓋板8,其中密封蓋板I和密封殼體6之間的接合面由密封條和密封膠密封后通過螺釘進行連接,前/后蓋板8分別粘接于密封殼體6的前、后兩個側面,控制電路3和電池4由螺釘固定在密封殼體6內,通訊天線·5固定在密封蓋板I上,其信號傳輸線纜與控制電路3相連;在密封殼體6的兩側對稱設有多個復合推進驅動模塊2,每個復合推進驅動模塊2的輸出軸端連接可變形足-蹼模塊7。本實施例的復合推進驅動模塊2共三對、六個,對稱分布于密封殼體6的前部、中部和后部,三對、六個可變形足-蹼模塊7通過緊定螺釘分別固接于每個復合推進驅動模塊2的輸出軸端。如圖2所示,可變形足-蹼模塊7包括首節基板16,首節蓋板9,多個中節10,末節11,彈性薄板15,無伸縮性軟繩14,無伸縮性軟繩壓片12和無伸縮性軟繩夾頭13。本實施例中中節為5個。首節基板16,5個中節10,末節11依次通過螺釘固定在彈性薄板15上,無伸縮性軟繩14通過首節基板16,5個中節10,末節11上的通孔后折回并由無伸縮性軟繩夾頭13夾緊,并用無伸縮性軟繩壓片12壓住防止脫落。首節蓋板9和首節基板16通過螺釘固接。圖2為可變形足-蹼模塊7在無伸縮性軟繩松弛狀態下成為類似于蹼的水中驅動機構,圖3為可變形足-蹼模塊7在無伸縮性軟繩收緊狀態下成為類似于足的陸地驅動機構。如圖4和圖5所示,復合推進驅動模塊2包括主驅動電機17,驅動模塊框架蓋板18,驅動模塊框架19,零位檢測盤20,槽形光電開關21,主驅動電機支架22,軸承座23,收線電機24,螺母套筒25,第二收線齒輪26,第一收線齒輪27,第一驅動齒輪28,第二驅動齒輪29,O型密封圈30,密封腔螺釘31,傳動空心軸第一軸承32,密封腔軸承端蓋33,傳動空心軸34,軸用擋圈35,無伸縮性軟繩連接塊36,第一連接桿37,傳動空心軸第二軸承38,連接銷39,第一連接桿軸承40,第二連接桿41,第二連接桿軸承42,絲桿第一軸承43,直線軸承44,螺母45,光軸46,套筒端蓋47,絲桿48,絲桿第二軸承49,絲桿軸承端蓋50。主驅動電機17為市購產品,購置于蘇州鈞和伺服科技有限公司(生產商瑞士 Maxon公司)、型號為Maxon RE 30,通過螺釘固定于主驅動電機支架22上。傳動空心軸34由傳動空心軸第一軸承32和傳動空心軸第二軸承38支承,安裝于驅動模塊框架19和主驅動電機支架22,驅動模塊框架19和主驅動電機支架22通過螺釘固接成為一體。主驅動電機17的輸出軸通過緊定螺釘連接第一驅動齒輪28,與第一驅動齒輪28相嚙合傳動的第二驅動齒輪29通過平鍵和軸用擋圈35固定在傳動空心軸34上。傳動空心軸34的中軸線上開有直徑約I. 5mm的通孔,無伸縮性軟繩14可在通孔內滑動。收線電機24通過第一收線齒輪27和第二收線齒輪26嚙合傳動后,驅動絲桿48轉動,絲桿48與螺母45構成螺旋傳動使固接在螺母45上的螺母套筒25能夠在傳動空心軸34的軸線方向上產生直線位移,從而經過第一連接桿軸承40、第二連接桿軸承42、第二連接桿41、第一連接桿37和無伸縮性軟繩連接塊36的一系列傳動使無伸縮性軟繩14產生同步的直線位移。直線軸承44和光軸46用來導向螺母套筒25的直線運動,防止其旋轉。傳動空心軸34上通過緊定螺釘固接零位檢測盤20,和固定在驅動模塊框架19上的槽形光電開關21配合用來檢測轉動的零位。驅動模塊框架19的伸出端和傳動空心軸34形成ー個空腔,通過密封腔螺釘31處的小孔填注粘稠密封劑用來密封防水。驅動模塊框架19通過O型密封圈30與兩棲機器人密封殼體6進行密封防水。本發明的水陸兩棲機器人可以實現水陸兩棲環境下的陸地足式運動和水中蹼式游動兩種運動模式。陸地足式運動模式當可變形足-蹼模塊7在傳動空心軸34的驅動下作回轉運動時,可實現兩棲機器人的陸地行走、翻越障礙等功能。輔以不同的控制時序,可實現兩棲機·器人行走步態上的變化。如圖6a所示,當兩棲機器人在較平坦地面行走時,可采用圖中的三角步態推進方式,即六套可變形足-蹼模塊7分成兩組,每組由呈三角形分布的三套可變形足-蹼模塊7構成,兩組之間存在一定的驅動時序相位差,從而保證了機器人整體在行進過程中的平穩性和快速性。如圖6b所示,當兩棲機器人需要翻越一定高度的障礙時,可采用圖中的同步步態推進方式,即六套可變形足-蹼模塊7分成三組,分別由前、中、后部相對的兩套模塊構成,每組之間存在一定的驅動時序相位差,從而實現了機器人整體在翻越障礙過程中的通過性和協調性。水中蹼式游動模式如圖7a所示,當可變形足-蹼模塊7在平行于機器人身體平面附近作小范圍拍動動作時,機器人可實現正向的游動;如圖7b所示,當可變形足-蹼模塊7在圖7a所示位置旋轉180°后作拍動動作時,機器人可實現反向的游動;如圖7c所示,當機器人一側的可變形足-蹼模塊7作拍動動作時,機器人可實現向左或向右的轉向游動;如圖7d所示,當機器人身體兩側的可變形足-蹼模塊7錯位180°進行拍動動作時,機器人可實現水下的原地自旋游動;如圖7e所示,當可變形足-蹼模塊7位干與機器人身體平面相垂直的位置時,可實現機器人在水下的緊急制動動作;如圖7f和圖7g所示,當可變形足-蹼模塊7在與機器人身體平面成一定夾角的位置作拍動動作時,機器人可實現上浮或下潛游動運動。
權利要求
1.一種基于可變形足-蹼復合推進機構的水陸兩棲機器人,包括水陸兩棲機器人密封殼體、密封蓋板、前/后蓋板、控制電路、電池、通訊天線、復合推進驅動模塊、可變形足-蹼模塊,所述密封殼體兩側板對稱設有多個復合推進驅動模塊,每個復合推進驅動模塊的輸出軸上安裝有可變形足-蹼模塊;其特征在于 可變形足-蹼模塊由首節、中節和末節三部分組成,各節之間用一塊整體的彈性薄板串聯,末節固定有無伸縮性軟繩,無伸縮性軟繩從中間各節中穿過,并最終由首節穿出,接入兩棲機器人的復合推進驅動模塊,由復合推進驅動模塊中的收線電機控制無伸縮性軟繩的伸縮;當兩棲機器人在水中推進時,無伸縮性軟繩為松弛狀態,各節在彈性薄板的作用下自然伸直,可變形足-蹼模塊呈展平狀態,在復合推進驅動模塊的驅動下繞輸出軸往復擺動,像蹼一樣拍動推進;當兩棲機器人在陸地上行走時,收線電機將鋼絲收緊,由于鋼絲與彈簧鋼板之間有一定的間隔以及相鄰節板之間成一定角度的斜面,故在無伸縮性軟繩的拉動作用下,可變形足-蹼模塊呈彎曲狀態并依靠驅動模塊中的自鎖機構鎖住,在復合推進驅動模塊的驅動下繞電機輸出軸做旋轉運動,完成平地行進,翻越障礙動作; 復合推進驅動模塊是由推進驅動軸通過連接平面和緊定螺釘與可變形腿首節相連,將主驅動電機的驅動轉矩傳遞給兩棲機器人的可變形足-蹼模塊,實現陸地行走、水下拍動動作;推進驅動軸沿軸向中心有一貫穿孔,能夠穿過驅動可變形足-蹼模塊變形的無伸縮性軟繩,無伸縮性軟繩、滑塊、連接桿、雙軸承、套筒、絲杠螺母機構沿軸向依次連接,最終通過收線齒輪與收線電機相連,由收線電機控制無伸縮性軟繩的拉動,以驅動可變形足-蹼模塊變形;雙軸承的作用是將推進驅動軸的回轉運動與無伸縮性軟繩在推進驅動軸內部的軸向動作隔離開,以防止無伸縮性軟繩在可變形足-蹼模塊旋轉時自身纏繞;推進驅動軸上還安裝有光電零位檢測裝置,用以反饋可變形足-蹼模塊的絕對位置。
2.根據權利要求I所述的水陸兩棲機器人,其特征在于所述水陸兩棲機器人能的運動模式包括兩棲環境下的陸地足式運動和水中蹼式游動兩種運動模式; 陸地足式運動模式為當可變形足-蹼模塊在傳動空心軸的驅動下作回轉運動時,實現兩棲機器人的陸地行走、翻越障礙的功能;輔以不同的控制時序,能實現兩棲機器人行走步態上的變化,當兩棲機器人在較平坦地面行走時,采用三角步態推進方式,即六套可變形足-蹼模塊分成兩組,每組由呈三角形分布的三套可變形足-蹼模塊構成,兩組之間存在一定的驅動時序相位差,從而保證了機器人整體在行進過程中的平穩性和快速性;當兩棲機器人需要翻越一定高度的障礙時,采用同步步態推進方式,即六套可變形足-蹼模塊分成三組,分別由前、中、后部相對的兩套模塊構成,每組之間存在一定的驅動時序相位差,從而實現了機器人整體在翻越障礙過程中的通過性和協調性; 水中蹼式游動模式當可變形足-蹼模塊在平行于機器人身體平面附近作小范圍拍動動作時,機器人實現正向的游動;當可變形足-蹼模塊旋轉180°后作拍動動作時,機器人實現反向的游動;當機器人一側的可變形足-蹼模塊作拍動動作時,機器人可實現向左或向右的轉向游動;當機器人身體兩側的可變形足-蹼模塊錯位180°進行拍動動作時,機器人實現水下的原地自旋游動;當可變形足-蹼模塊位于與機器人身體平面相垂直的位置時,實現機器人在水下的緊急制動動作;當可變形足-蹼模塊在與機器人身體平面成一定夾角的位置作拍動動作時,機器人實現上浮或下潛游動運動。
全文摘要
本發明涉及一種基于可變形足-蹼復合推進機構的水陸兩棲機器人,包括水陸兩棲機器人密封殼體、密封蓋板、前/后蓋板、控制電路、電池、通訊天線、復合推進驅動模塊、可變形足-蹼模塊,所述密封殼體兩側板對稱設有多個復合推進驅動模塊,每個復合推進驅動模塊的輸出軸上安裝有可變形足-蹼模塊;解決了現有水陸兩棲機器人大多需要兩套相互獨立的陸地和水中推進機構,且在復雜水陸過渡環境下通過能力差、效率低的不足,為近海海洋資源開發利用、兩棲探險與救援提供一種有效的高技術手段。
文檔編號B60F3/00GK102785542SQ20121027320
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月2日 優先權日2012年8月2日
發明者任小雙, 劉鵬, 張世武, 徐利超, 楊杰, 梁旭, 許旻 申請人:中國科學技術大學
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