多自由度兩棲球形機器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種機器人，具體涉及一種兩棲球形機器人。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著海洋開發(fā)活動越來越頻繁和深入，對海洋探測技術(shù)和設(shè)備的需求也越來越 高。搭載多種傳感器和儀器設(shè)備實現(xiàn)水下長時間自動作業(yè)的水下自主航行器/機器人，具 有運行成本低、活動范圍廣、功能豐富等諸多優(yōu)點，已成為開展海洋勘探、環(huán)境檢測、科學(xué)研 宄的重要裝備之一，在勘測海底礦產(chǎn)資源、發(fā)現(xiàn)新物種等領(lǐng)域具有廣闊的前景和重要應(yīng)用 價值。
[0003] 現(xiàn)有水下自主航行器/機器人和球形機器人存在以下問題：
[0004] (1)現(xiàn)有水下自主航行器/機器人多采用流線形結(jié)構(gòu)和螺旋槳推進，其單向運動 速度較高，但由于體型和轉(zhuǎn)向半徑較大，無法實現(xiàn)水下狹窄復(fù)雜環(huán)境（如珊瑚礁、管道內(nèi)、 巖石夾縫等）下的靈活運動和精密作業(yè)。同時，其巨大的外形和和動力系統(tǒng)在作業(yè)時對環(huán) 境造成了較大的擾動，不適用于高隱蔽性和生物親和性的應(yīng)用，如偵查、生物樣本采集、環(huán) 境監(jiān)測等。
[0005] (2)現(xiàn)有的球形機器人在陸地上的驅(qū)動方式多采用滾動式，一定程度上利用了球 形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，具有很高的抗傾倒性和運行效率，由于增加了轉(zhuǎn)子，其外形普遍較大，對環(huán) 境地形要求高，不適應(yīng)于非結(jié)構(gòu)環(huán)境和某些特性的結(jié)構(gòu)環(huán)境。
[0006] (3)現(xiàn)有的球形機器人在水下多采用螺旋槳推進，這種推進方式的缺點是螺旋槳 暴露在機器人軀體外，容易損壞，還容易產(chǎn)生湍流，效率低，對水生物環(huán)境破壞大。且只可實 現(xiàn)水下螺旋槳推進，無法在淺水、沼澤、灘涂等近水環(huán)境下工作，其活動作業(yè)范圍和生存能 力有限。 【實用新型內(nèi)容】
[0007] 本實用新型的目的是：為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種多自由度兩棲球形機器 人，將陸地推進、水下推進與球形的外形結(jié)構(gòu)有效復(fù)合，使其同時具備陸地、水中以及過渡 環(huán)境的高機動能力。
[0008] 本實用新型的技術(shù)方案是：多自由度兩棲球形機器人，它包括球形殼體、四條機械 腿以及控制驅(qū)動系統(tǒng)；
[0009] 球形殼體包括：半球形上蓋、兩個四分之一球殼以及圓形隔板；圓形隔板安裝在 半球形上蓋的底部開放端將其封閉，半球形上蓋的封閉空間內(nèi)設(shè)有兩個開蓋伺服舵機，兩 個開蓋伺服舵機的擺臂分別與兩個四分之一球殼連接，當球形殼體下半部開啟時，四條機 械腿暴露在外；當球形殼體下半部關(guān)閉時，形成封閉的球形殼體；四分之一球殼上設(shè)有噴 水口；
[0010] 四條機械腿以90°間隔對稱的安裝在圓形隔板的底面；每個機械腿包括：防水伺 服舵機A、水平支架、垂直支架、防水伺服舵機B以及直流噴水電機；防水伺服舵機A的轉(zhuǎn)軸 一端與水平支架固定連接，另一端通過軸承安裝于圓形隔板的底面；水平支架與垂直支架 固定連接；防水伺服舵機B通過其轉(zhuǎn)軸安裝在垂直支架上，并與直流噴水電機固定連接；當 球形殼體下半部閉合時，啟動直流噴水電機將水流從四分之一球殼的噴水口噴出；
[0011] 控制驅(qū)動系統(tǒng)安裝在半球形上蓋內(nèi)，并通過防水內(nèi)殼實現(xiàn)密封。有益效果：
[0012] (1)本實用新型有效實現(xiàn)水中四自由度巡航和兩棲步行運動。一方面，有效繼承球 形結(jié)構(gòu)動力學(xué)穩(wěn)定、運動靈活、環(huán)境擾動小、隱蔽性和生物親和性高的優(yōu)點。另一方面，通過 多個機械腿噴水電機的噴水運動矢量合成，實現(xiàn)機器人在水下零旋轉(zhuǎn)半徑的多自由度靈活 運動。此外，機器人的推進機構(gòu)可以根據(jù)介質(zhì)環(huán)境以及任務(wù)特點的不同，進行主動或被動的 形態(tài)與結(jié)構(gòu)變化，對變化的環(huán)境介質(zhì)和任務(wù)特點做出響應(yīng)，可以極大的改善兩棲機器人的 通過能力和推進效率，從而提高其在兩棲環(huán)境中的適應(yīng)性，大幅擴展其應(yīng)用范圍和活動空 間。
[0013] (2)本實用新型采用密閉上半球和可開合下半球構(gòu)成球形結(jié)構(gòu)，采用帶直流噴水 電機的機械腿為運動單元，可實現(xiàn)水下、潛水、灘涂、陸上等多種環(huán)境下的運動和作業(yè)。
[0014] (3)本實用新型可實現(xiàn)兩棲步行/爬行兩種運動模式，通過調(diào)整步態(tài)，滿足對不同 步行/爬行速率、穩(wěn)定性、地形適應(yīng)性的需求；在水下矢量噴水推進模式下，可實現(xiàn)四自由 度的靈活運動和零半徑轉(zhuǎn)向。
[0015] (4)本實用新型中可作為母機器人，運載若干采用記憶合金、高分子聚合物等設(shè)計 的仿生微型子機器人，構(gòu)成子母系統(tǒng)，實現(xiàn)水下狹窄環(huán)境下的精細作業(yè)。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本實用新型下半部開啟時的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2為本實用新型下半部閉合時的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖3為本實用新型中球形殼體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖4為本實用新型中機械腿的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖5為本實用新型中搭載仿生微型子機器人的運載平臺及鎖定機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0021] 圖6為本實用新型中單個機械腿的一個運動周期；
[0022] 圖7為本實用新型四足爬行時的步態(tài)占空比；
[0023] 圖8為本實用新型機械腿中直流噴水電機內(nèi)部流場分析圖；
[0024] 圖9為本實用新型在水中水平、垂向運動時的機械腿運動狀態(tài)示意圖；
[0025] 圖10為本實用新型在水中直行、轉(zhuǎn)向運動時的機械腿運動狀態(tài)示意圖；
[0026] 其中，1-1半球形上蓋、1-2四分之一球殼、1-3圓形隔板、1-4開蓋伺服舵機、1-5密 封圈、1-6鎖定機構(gòu)、1-7運載平臺、1-8搭載仿生微型子機器人、2-1防水伺服舵機A、2-2水 平支架、2-3垂直支架、2-4防水伺服舵機B、2-5直流噴水電機、3-控制驅(qū)動系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖和實施例，對本實用新型作進一步的詳細說明。
[0028] 參見附圖1、2,多自由度兩棲球形機器人，它包括球形殼體、四條機械腿以及控制 驅(qū)動系統(tǒng)3 ;
[0029] 參見附圖3,球形殼體包括：半球形上蓋1-1、兩個四分之一球殼1-2以及圓形隔板 1-3 ;圓形隔板1-3安裝在半球形上蓋1-1的底部，并通過密封圈1-5密封，半球形上蓋1-1 內(nèi)設(shè)有兩個開蓋伺服舵機1-4,兩個開蓋伺服舵機1-4的擺臂分別與兩個四分之一球殼1-2 連接，以實現(xiàn)球形殼體下半部的開啟與閉合；四分之一球殼1-2上設(shè)有噴水口；
[0030] 參見附圖4,四條機械腿以90°為間隔對稱的安裝在圓形隔板1-3的底面；每個機 械腿均包括：防水伺服舵機A2-1、水平支架2-2、垂直支架2-3、防水伺服舵機B2-4以及直 流噴水電機2-5 ;防水伺服舵機A2-1的轉(zhuǎn)軸一方面與水平支架2-2固定連接，另一方面通 過軸承安裝于圓形隔板1-3的底面；水平支架2-2與垂直支架2-3固定連接；防水伺服舵機 B2-4 -方面通過其轉(zhuǎn)軸安裝在垂直支架2-3上，另一方面與直流噴水電機2-5固定連接； 當球形殼體下半部閉合時，直流噴水電機2-5的水流從四分之一球殼1-2的噴水口噴出；
[0031] 控制驅(qū)動系統(tǒng)3安裝在半球形上蓋1-1內(nèi)，并通過防水內(nèi)殼實現(xiàn)密封。
[0032] 參見附圖6、7,在陸上、淺灘、水底等環(huán)境下，本實用新型可打開兩個四分之一球 殼1-2,利用其4個機械腿，以直流噴水電機2-5的噴管為支撐，進行靈活的步行/爬行。 在爬行中，4條腿的動作過程是一樣的，只是具有不同的相位差。圖6列出了一個步行周 期內(nèi)1條腿的動作過程，包含抬腿，向前擺，落腿，接觸地面后向后擺等，其步態(tài)占空比（即 _腿接=懸空時間)越高(大于〇· 75)，機械腿接觸地面時間越長(同-日寸 刻至少有3條腿與地面接觸，圖7中的黑色條帶即為某一機械腿接觸地面的時間，白色條帶 為某一機械腿懸空的時間），機器人爬行就越穩(wěn)定，爬行速率則會隨之越低，適用于崎嶇的 地形環(huán)境；其步態(tài)占空比越低（小于0.75)，機械腿接觸地面的時間越短（爬行過程中部分 時刻僅兩條腿與地面接觸），機器人爬行速率越快，但其穩(wěn)定性越差，適用于平坦的地形環(huán) 境。根據(jù)不同的步行/爬行速率、步態(tài)穩(wěn)定性、地形適應(yīng)性需求，控制系統(tǒng)內(nèi)的程序可通過 調(diào)整水平/垂直防水伺服電機的旋轉(zhuǎn)角度和速度，實現(xiàn)對步態(tài)占空比的控制，最終完成對 其步態(tài)的靈活調(diào)整。
[0033] 四足爬行步態(tài)如下表所示：
[0034]
【主權(quán)項】
1. 多自由度兩棲球形機器人，包括球形殼體、四條機械腿以及控制驅(qū)動系統(tǒng)（3)，其特 征在于： 所述球形殼體包括：半球形上蓋（1-1)、兩個四分之一球殼（1-2)以及圓形隔板（1-3); 所述圓形隔板（1-3)安裝在所述半球形上蓋（1-1)的底部開放端將其封閉，所述半球形上 蓋（1-1)的封閉空間內(nèi)設(shè)有兩個開蓋伺服舵機（1-4)，兩個所述開蓋伺服舵機（1-4)的擺 臂分別與兩個所述四分之一球殼（1-2)連接，當所述球形殼體下半部開啟時，所述四條機 械腿暴露在外；當所述球形殼體下半部關(guān)閉時，形成封閉的球形殼體；所述四分之一球殼 (1-2)上設(shè)有噴水口； 所述四條機械腿以90°間隔對稱的安裝在所述圓形隔板（1-3)的底面；每個所述機械 腿包括：防水伺服舵機A(2-1)、水平支架（2-2)、垂直支架（2-3)、防水伺服舵機B(2-4)以 及直流噴水電機（2-5);所述防水伺服舵機A(2-l)的轉(zhuǎn)軸一端與所述水平支架（2-2)固定 連接，另一端通過軸承安裝于所述圓形隔板（1-3)的底面；所述水平支架（2-2)與所述垂 直支架（2-3)固定連接；所述防水伺服舵機B(2-4)通過其轉(zhuǎn)軸安裝在所述垂直支架（2-3) 上，并與所述直流噴水電機（2-5)固定連接；當所述球形殼體下半部閉合時，啟動所述直流 噴水電機（2-5)將水流從所述四分之一球殼（1-2)的噴水口噴出； 所述控制驅(qū)動系統(tǒng)（3)安裝在所述半球形上蓋（1-1)內(nèi)，并通過防水內(nèi)殼實現(xiàn)密封。
2. 如權(quán)利要求1所述的多自由度兩棲球形機器人，其特征在于，所述圓形隔板（1-3)的 底面還設(shè)有運載平臺（1-7)及鎖定機構(gòu)（1-6)。
3. 如權(quán)利要求2所述的多自由度兩棲球形機器人，其特征在于，在所述運載平臺及鎖 定機構(gòu)（1-6)上搭載仿生微型子機器人（1-8)，通過無線通信，與所述多自由度兩棲球形機 器人構(gòu)成子母機器人系統(tǒng)。
【專利摘要】本實用新型涉及一種機器人，具體涉及一種多自由度兩棲球形機器人。該多自由度兩棲球形機器人包括球形殼體、四條機械腿以及控制驅(qū)動系統(tǒng)，其技術(shù)方案是：所述球形殼體包括：半球形上蓋、兩個四分之一球殼以及圓形隔板；所述四條機械腿以90°為間隔對稱的安裝在所述圓形隔板的底面；所述控制驅(qū)動系統(tǒng)安裝在所述半球形上蓋內(nèi)，并通過防水內(nèi)殼實現(xiàn)密封。本實用新型將陸地推進、水下推進與球形的外形結(jié)構(gòu)有效復(fù)合，使水下機器人同時具備陸地、水中以及過渡環(huán)境的高機動能力。
【IPC分類】B60F3-00, B62D57-032
【公開號】CN204472470
【申請?zhí)枴緾N201520075856
【發(fā)明人】郭書祥, 石立偉, 潘邵武, 何彥霖, 肖瑞, 王哲
【申請人】北京理工大學(xué)
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年2月3日