仿生水陸兩棲機(jī)器人彈簧式輪足爬行裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及機(jī)器人的爬行裝置，具體地說(shuō)是一種仿生水陸兩棲機(jī)器人彈簧式輪足爬行裝置，包括輪足、鎖緊螺母、套筒、壓縮彈簧及轉(zhuǎn)動(dòng)軸，其中轉(zhuǎn)動(dòng)軸的一端與安裝在所述仿生水陸兩棲機(jī)器人內(nèi)的驅(qū)動(dòng)單元相連、由該驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，所述套筒的一端與轉(zhuǎn)動(dòng)軸的另一端相連、由轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，所述套筒的另一端與輪足通過(guò)鎖緊螺母相連，且輪足相對(duì)于套筒往復(fù)滑動(dòng)；所述套筒內(nèi)容置有起減震作用的壓縮彈簧，該壓縮彈簧的兩端分別抵接于套筒筒壁及所述輪足插設(shè)于套筒內(nèi)的一端。本實(shí)用新型具有運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好、爬行能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、靈活可控、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】仿生水陸兩棲機(jī)器人彈簧式輪足爬行裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及機(jī)器人的爬行裝置，具體地說(shuō)是一種仿生水陸兩棲機(jī)器人彈簧式輪足爬行裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類對(duì)海洋認(rèn)識(shí)的深入，海洋與陸地銜接的極淺水、碎浪帶、拍岸浪區(qū)和灘涂地帶成為近年來(lái)科學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測(cè)、調(diào)查取樣及軍事領(lǐng)域等方面應(yīng)用和關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域之一。水陸兩棲機(jī)器人是一種能夠在陸地和水中實(shí)現(xiàn)特定運(yùn)動(dòng)或作業(yè)的特種移動(dòng)機(jī)器人，它可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的水下機(jī)器人和陸地機(jī)器人所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的兩棲作業(yè)任務(wù)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式的不同，現(xiàn)有的兩棲機(jī)器人大致可以分為單一驅(qū)動(dòng)型和復(fù)合驅(qū)動(dòng)型兩大類。單一驅(qū)動(dòng)方式的兩棲機(jī)器人，無(wú)論是多足式、波動(dòng)式、輪式、履帶式等，都很難完全滿足機(jī)器人在水中或者在陸地上的速度、越障、機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性等方面的要求。為了實(shí)現(xiàn)兩棲機(jī)器人分別在水中和陸地上多種模式下的高性能運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)器人對(duì)兩棲復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力，開(kāi)發(fā)研制基于新型驅(qū)動(dòng)裝置的兩棲機(jī)器人成為近年來(lái)兩棲機(jī)器人的重要研究方向和發(fā)展趨勢(shì)之一 O
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]為了克服現(xiàn)有的兩棲機(jī)器人在兩棲環(huán)境下陸地運(yùn)動(dòng)能力較弱，快速性、機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性等方面存在的不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種仿生水陸兩棲機(jī)器人彈簧式輪足爬行裝置。該為仿生水陸兩棲機(jī)器人提供的彈簧式輪足爬行裝置具有運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好、爬行能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、靈活可控、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，結(jié)合兩棲機(jī)器人的仿生運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方法，可有效提升水陸兩棲機(jī)器人的陸地爬行運(yùn)動(dòng)性能。
[0004]本實(shí)用新型的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
[0005]本實(shí)用新型包括輪足、鎖緊螺母、套筒、壓縮彈簧及轉(zhuǎn)動(dòng)軸，其中轉(zhuǎn)動(dòng)軸的一端與安裝在所述仿生水陸兩棲機(jī)器人內(nèi)的驅(qū)動(dòng)單元相連、由該驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，所述套筒的一端與轉(zhuǎn)動(dòng)軸的另一端相連、由轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，所述套筒的另一端與輪足通過(guò)鎖緊螺母相連，且輪足相對(duì)于套筒往復(fù)滑動(dòng)；所述套筒內(nèi)容置有起減震作用的壓縮彈簧，該壓縮彈簧的兩端分別抵接于套筒筒壁及所述輪足插設(shè)于套筒內(nèi)的一端。
[0006]其中:所述鎖緊螺母包括外鎖緊螺母及內(nèi)鎖緊螺母，該外鎖緊螺母螺紋連接于所述套筒的另一端，輪足由所述外鎖緊螺母穿過(guò)、插入套筒內(nèi)；所述內(nèi)鎖緊螺母位于套筒內(nèi)，插入套筒內(nèi)的輪足與所述內(nèi)鎖緊螺母螺紋連接；所述輪足包括足板及滑動(dòng)桿，其中滑動(dòng)桿由所述外鎖緊螺母的內(nèi)徑穿過(guò)，所述滑動(dòng)桿位于套筒內(nèi)的一端與所述內(nèi)鎖緊螺母的內(nèi)徑螺紋連接，且與所述壓縮彈簧抵接，所述滑動(dòng)桿位于套筒外的另一端設(shè)有與地面接觸的足板；所述滑動(dòng)桿與外鎖緊螺母的內(nèi)徑之間及內(nèi)鎖緊螺母的外徑與套筒的筒壁之間均為間隙配合；所述外鎖緊螺母的下端面與套筒另一端的端面共面，所述內(nèi)鎖緊螺母的上端面與滑動(dòng)桿的一端端面共面；所述外鎖緊螺母、套筒、內(nèi)鎖緊螺母、滑動(dòng)桿及足板同軸設(shè)置；所述套筒的一端開(kāi)有固定孔，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的另一端帶有螺紋孔，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的另一端由所述固定孔穿過(guò)，并通過(guò)連接鍵及鎖緊螺釘與所述套筒固連。
[0007]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)與積極效果為:
[0008]1.本實(shí)用新型的彈簧式輪足爬行裝置可有效提升四足兩棲機(jī)器人爬行運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性:彈簧式輪足爬行裝置中的壓縮彈簧可以有效地緩解輪足與地面接觸過(guò)程中的沖擊，減小機(jī)器人重心在垂向的變化量，保證機(jī)器人的整體穩(wěn)定性。
[0009]2.本實(shí)用新型的彈簧式輪足爬行裝置可有效提高兩棲機(jī)器人的爬行能力:在同等穩(wěn)定性要求和同等驅(qū)動(dòng)條件下，本實(shí)用新型的彈簧式輪足在爬行過(guò)程中為一個(gè)回轉(zhuǎn)半徑可變的裝置，體現(xiàn)出更好的越障性能；同時(shí)與回轉(zhuǎn)半徑固定的剛性輪足相比，本實(shí)用新型可有效增加輪足足板與地面的接觸時(shí)間，增大機(jī)器人在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的爬行距離。
[0010]3.本實(shí)用新型的彈簧式輪足爬行裝置在結(jié)構(gòu)上采用一體化的設(shè)計(jì)方法，操作維護(hù)方便，結(jié)構(gòu)緊湊，減輕了機(jī)器人載體的重量，有利于仿生水陸兩棲機(jī)器人整體的小型化發(fā)展。
[0011]4.本實(shí)用新型的彈簧式輪足爬行裝置兼有輪式和腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，具有可控性能好，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為本實(shí)用新型的彈簧式輪足爬行裝置在仿生兩棲機(jī)器人上的布局結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2為本實(shí)用新型的主視剖視圖；
[0014]圖3為本實(shí)用新型的左視圖；
[0015]圖4為本實(shí)用新型的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖5為安裝了本實(shí)用新型彈簧式輪足爬行裝置的仿生兩棲機(jī)器人的工作過(guò)程原理圖；
[0017]其中:1為彈簧式輪足爬行裝置，2為艏部，3為軀干，4為艉部，5為仿生尾鰭，6為輪足，7為外鎖緊螺母，8為套筒，9為內(nèi)鎖緊螺母，10為壓縮彈簧，11為連接鍵，12為鎖緊螺釘，13為轉(zhuǎn)動(dòng)軸，14為足板,15為滑動(dòng)桿。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳述。
[0019]如圖2?4所示，本實(shí)用新型包括包括輪足6、鎖緊螺母、套筒8、壓縮彈簧10、連接鍵11、鎖緊螺釘12及轉(zhuǎn)動(dòng)軸13，其中鎖緊螺母包括外鎖緊螺母7及內(nèi)鎖緊螺母9，輪足6包括足板14及滑動(dòng)桿15。
[0020]轉(zhuǎn)動(dòng)軸13的一端與安裝在仿生水陸兩棲機(jī)器人內(nèi)的驅(qū)動(dòng)單元相連、由該驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)彈簧式輪足爬行裝置I產(chǎn)生繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸13的轉(zhuǎn)動(dòng)，套筒8的一端開(kāi)有固定孔，轉(zhuǎn)動(dòng)軸13的另一端帶有螺紋孔，轉(zhuǎn)動(dòng)軸13的另一端由所述固定孔穿過(guò)，并通過(guò)連接鍵11及鎖緊螺釘12與套筒8固連，套筒8由轉(zhuǎn)動(dòng)軸13帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)；其中連接鍵11用于實(shí)現(xiàn)套筒8與轉(zhuǎn)動(dòng)軸13之間的周向定位、不發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，鎖緊螺釘12用于實(shí)現(xiàn)套筒8與轉(zhuǎn)動(dòng)軸13之間的軸向定位。套筒8的另一端為開(kāi)口端，該開(kāi)口端的端部螺紋連接有外鎖緊螺母7，內(nèi)鎖緊螺母9容置在套筒8的內(nèi)部空腔中，該外鎖緊螺母7的下端面與套筒8另一端的端面共面，內(nèi)鎖緊螺母9的外徑與套筒8內(nèi)部空腔的側(cè)壁為滑動(dòng)順暢的間隙配合。
[0021]滑動(dòng)桿15由外鎖緊螺母7的內(nèi)徑穿過(guò)、插入套筒8的空腔中，滑動(dòng)桿15與外鎖緊螺母7的內(nèi)徑之間為滑動(dòng)順暢的間隙配合?；瑒?dòng)桿15位于套筒8空腔內(nèi)的一端與內(nèi)鎖緊螺母9的內(nèi)徑螺紋連接，內(nèi)鎖緊螺母9的上端面與滑動(dòng)桿15的一端端面共面，滑動(dòng)桿15位于套筒8外的另一端設(shè)有與地面接觸的足板14。外鎖緊螺母7、套筒8、內(nèi)鎖緊螺母9、滑動(dòng)桿15及足板14同軸設(shè)置。
[0022]套筒8的空腔內(nèi)容置有起減震作用的壓縮彈簧10，該壓縮彈簧10的外徑小于套筒8的空腔直徑；壓縮彈簧10的一端抵接于套筒8空腔的頂壁，壓縮彈簧10的另一端抵接于滑動(dòng)桿15插設(shè)于套筒8內(nèi)的一端。
[0023]本實(shí)用新型的工作原理為:
[0024]本實(shí)用新型的彈簧式輪足爬行裝置兼有輪式和腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，下面結(jié)合圖1及圖4對(duì)其爬行工作原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明:
[0025]結(jié)合仿生學(xué)研究分析結(jié)果，本實(shí)用新型的彈簧式輪足爬行裝置在仿生兩棲機(jī)器人載體上的分布采用如圖1所示的形式，模擬水陸兩棲動(dòng)物四足爬行的特點(diǎn)，機(jī)器人載體上配備兩對(duì)(共四組)彈簧式輪足爬行裝置1，其中一對(duì)彈簧式輪足爬行裝置I左右對(duì)稱地安裝在仿生水陸兩棲機(jī)器人的艏部2上，另一對(duì)彈簧式輪足爬行裝置I左右對(duì)稱地安裝在仿生水陸兩棲機(jī)器人的艉部4上；艏部2和艉部4通過(guò)各自的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接在軀干3上；為了實(shí)現(xiàn)仿生水陸兩棲機(jī)器人的水下游動(dòng)，艉部4上安裝有用于水下擺動(dòng)推進(jìn)的仿生尾鰭5。
[0026]四組彈簧式輪足爬行裝置I分別采用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)，且其爬行時(shí)按照如下的步態(tài)規(guī)劃:左前與右后的彈簧式輪足爬行裝置具有相同的相位A，右前與左后的彈簧式輪足爬行裝置具有相同的相位B，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)軸13的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，相位A、B不斷在懸空相和支撐相之間切換。所謂懸空相是指在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中輪足6未與地面進(jìn)行接觸時(shí)的相位；支撐相是指在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中輪足6與地面進(jìn)行接觸，并對(duì)機(jī)器人本體形成支撐時(shí)的相位。其中相位A與相位B滿足如下運(yùn)動(dòng)規(guī)劃條件:當(dāng)相位A由懸空相切換至支撐相時(shí)，相位B則剛好由支撐相切換至懸空相；而當(dāng)相位A由支撐相切換至懸空相時(shí)，相位B則剛好由懸空相切換至支撐相。
[0027]以左前彈簧式輪足爬行裝置的運(yùn)動(dòng)過(guò)程為例分析本實(shí)用新型的裝置在爬行運(yùn)動(dòng)時(shí)的特點(diǎn):在驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)動(dòng)軸13產(chǎn)生繞其軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，彈簧式輪足爬行裝置I由懸空相切換至支撐相，此時(shí)輪足6的足板14接觸地面，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)軸13的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，輪足6受到地面的接觸摩擦力，從而推動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生前進(jìn)的動(dòng)力；同時(shí)在垂向，由于受到機(jī)器人本體的重力影響，輪足6連同內(nèi)鎖緊螺母9形成對(duì)壓縮彈簧10的壓縮，壓縮彈簧10縮短，輪足6連同內(nèi)鎖緊螺母9嵌入套筒8空腔的部分增加，使得彈簧式輪足爬行裝置I繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸13的回轉(zhuǎn)半徑減小，從而緩解兩棲機(jī)器人載體重心在垂向的變化，壓縮彈簧10起到減震的作用；當(dāng)輪足6的軸線與地面垂直時(shí)，彈簧式輪足爬行裝置I的壓縮彈簧10處于最大壓縮狀態(tài)。隨著轉(zhuǎn)動(dòng)軸13的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，輪足6的軸線與地面不再垂直，機(jī)器人重力在輪足6軸線方向的分力逐步減小，壓縮彈簧10開(kāi)始反彈，輪足6連同內(nèi)鎖緊螺母9嵌入套筒8空腔的部分逐步縮小，使得彈簧式輪足爬行裝置I繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸13的回轉(zhuǎn)半徑逐步增加，從而再次緩解兩棲機(jī)器人載體重心在垂向的變化，壓縮彈簧10同樣起到減震的作用。隨著轉(zhuǎn)動(dòng)軸13的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，輪足6的足板14離開(kāi)地面，彈簧式輪足爬行裝置I切換至懸空相，進(jìn)入下一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期。
[0028]本實(shí)用新型的彈簧式輪足爬行裝置I裝配流程如下:首先，將外鎖緊螺母7從輪足6的滑動(dòng)桿15 —端端部穿過(guò)，并套在輪足6的滑動(dòng)桿15上；然后將內(nèi)鎖緊螺母9通過(guò)螺紋與輪足6固連，旋緊至與輪足6的滑動(dòng)桿15 —端端面平齊；為防止螺紋松動(dòng)，可在旋緊前在內(nèi)鎖緊螺母9的螺紋上涂抹螺紋鎖固劑(外購(gòu)，型號(hào)為L(zhǎng)0CTITE243)。將壓縮彈簧10放置于套筒8的空腔內(nèi)，此時(shí)壓縮彈簧10處于自由狀態(tài)；接著將輪足6、連同外鎖緊螺母7和內(nèi)鎖緊螺母9 一并導(dǎo)入套筒8的空腔內(nèi)，利用外鎖緊螺母7的外螺紋，旋緊在套筒8上，旋緊至外鎖緊螺母7和套筒8的端面平齊；同理，為防止螺紋松動(dòng)，可在旋緊前在外鎖緊螺母7的螺紋上涂抹螺紋鎖固劑(外購(gòu)，型號(hào)為L(zhǎng)0CTITE243);至此，輪足6、外鎖緊螺母7、套筒
8、內(nèi)鎖緊螺母9和壓縮彈簧10裝配為一體。最后，將轉(zhuǎn)動(dòng)軸13帶有螺紋孔的一端穿過(guò)套筒8的固定孔，并通過(guò)連接鍵11和鎖緊螺釘12實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)軸13與套筒8的固連，從而完成整個(gè)彈簧式輪足爬行裝置I的裝配。
[0029]本實(shí)用新型具有運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好、爬行能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、靈活可控、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
【權(quán)利要求】
1.一種仿生水陸兩棲機(jī)器人彈簧式輪足爬行裝置，其特征在于:包括輪足(6)、鎖緊螺母、套筒(8)、壓縮彈簧(10)及轉(zhuǎn)動(dòng)軸(13)，其中轉(zhuǎn)動(dòng)軸(13)的一端與安裝在所述仿生水陸兩棲機(jī)器人內(nèi)的驅(qū)動(dòng)單元相連、由該驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，所述套筒(8)的一端與轉(zhuǎn)動(dòng)軸(13)的另一端相連、由轉(zhuǎn)動(dòng)軸(13)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，所述套筒(8)的另一端與輪足(6)通過(guò)鎖緊螺母相連，且輪足(6)相對(duì)于套筒(8)往復(fù)滑動(dòng)；所述套筒(8)內(nèi)容置有起減震作用的壓縮彈簧(10)，該壓縮彈簧(10)的兩端分別抵接于套筒(8)筒壁及所述輪足(6)插設(shè)于套筒(8)內(nèi)的一端。
2.按權(quán)利要求1所述的仿生水陸兩棲機(jī)器人彈簧式輪足爬行裝置，其特征在于:所述鎖緊螺母包括外鎖緊螺母(7)及內(nèi)鎖緊螺母(9)，該外鎖緊螺母(7)螺紋連接于所述套筒(8)的另一端，輪足(6)由所述外鎖緊螺母(7)穿過(guò)、插入套筒(8)內(nèi)；所述內(nèi)鎖緊螺母(9)位于套筒(8)內(nèi)，插入套筒(8)內(nèi)的輪足(6)與所述內(nèi)鎖緊螺母(9)螺紋連接。
3.按權(quán)利要求2所述的仿生水陸兩棲機(jī)器人彈簧式輪足爬行裝置，其特征在于:所述輪足(6)包括足板(14)及滑動(dòng)桿(15)，其中滑動(dòng)桿(15)由所述外鎖緊螺母(7)的內(nèi)徑穿過(guò)，所述滑動(dòng)桿(15)位于套筒(8)內(nèi)的一端與所述內(nèi)鎖緊螺母(9)的內(nèi)徑螺紋連接，且與所述壓縮彈簧(10)抵接，所述滑動(dòng)桿(15)位于套筒(8)外的另一端設(shè)有與地面接觸的足板(14)。
4.按權(quán)利要求3所述的仿生水陸兩棲機(jī)器人彈簧式輪足爬行裝置，其特征在于:所述滑動(dòng)桿(15)與外鎖緊螺母(7)的內(nèi)徑之間及內(nèi)鎖緊螺母(9)的外徑與套筒(8)的筒壁之間均為間隙配合。
5.按權(quán)利要求3所述的仿生水陸兩棲機(jī)器人彈簧式輪足爬行裝置，其特征在于:所述外鎖緊螺母(7)的下端面與套筒(8)另一端的端面共面，所述內(nèi)鎖緊螺母(9)的上端面與滑動(dòng)桿(15)的一端端面共面。
6.按權(quán)利要求3所述的仿生水陸兩棲機(jī)器人彈簧式輪足爬行裝置，其特征在于:所述外鎖緊螺母(7)、套筒(8)、內(nèi)鎖緊螺母(9)、滑動(dòng)桿(15)及足板(14)同軸設(shè)置。
7.按權(quán)利要求1至6任一權(quán)利要求所述的仿生水陸兩棲機(jī)器人彈簧式輪足爬行裝置，其特征在于:所述套筒(8)的一端開(kāi)有固定孔，轉(zhuǎn)動(dòng)軸(13)的另一端帶有螺紋孔，轉(zhuǎn)動(dòng)軸(13)的另一端由所述固定孔穿過(guò)，并通過(guò)連接鍵(11)及鎖緊螺釘(12)與所述套筒(8)固連。
【文檔編號(hào)】B62D57/02GK203528627SQ201320727815
【公開(kāi)日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月15日
【發(fā)明者】唐元貴, 張艾群 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所