多自由度两栖球形机器人.pdf

本发明涉及一种机器人，具体涉及一种两栖球形机器人。该多自由度两栖球形机器人包括球形壳体、四条机械腿以及控制驱动系统，其技术方案是：所述球形壳体包括：半球形上盖、两个四分之一球壳以及圆形隔板；所述四条机械腿以90°为间隔对称的安装在所述圆形隔板的底面；所述控制驱动系统安装在所述半球形上盖内，并通过防水内壳实现密封。本发明将陆地推进、水下推进与球形的外形结构有效复合，使水下机器人同时具备陆地、水中以及过渡环境的高机动能力。

权利要求书
1.  多自由度两栖球形机器人，包括球形壳体、四条机械腿以及控制驱动系统(3)， 其特征在于：
所述球形壳体包括：半球形上盖(1-1)、两个四分之一球壳(1-2)以及圆形隔板(1-3)； 所述圆形隔板(1-3)安装在所述半球形上盖(1-1)的底部开放端将其封闭，所述半球形 上盖(1-1)的封闭空间内设有两个开盖伺服舵机(1-4)，两个所述开盖伺服舵机(1-4) 的摆臂分别与两个所述四分之一球壳(1-2)连接，当所述球形壳体下半部开启时，所述四 条机械腿暴露在外；当所述球形壳体下半部关闭时，形成封闭的球形壳体；所述四分之一 球壳(1-2)上设有喷水口；
所述四条机械腿以90°间隔对称的安装在所述圆形隔板(1-3)的底面；每个所述机 械腿包括：防水伺服舵机A(2-1)、水平支架(2-2)、垂直支架(2-3)、防水伺服舵机 B(2-4)以及直流喷水电机(2-5)；所述防水伺服舵机A(2-1)的转轴一端与所述水平 支架(2-2)固定连接，另一端通过轴承安装于所述圆形隔板(1-3)的底面；所述水平支 架(2-2)与所述垂直支架(2-3)固定连接；所述防水伺服舵机B(2-4)通过其转轴安装 在所述垂直支架(2-3)上，并与所述直流喷水电机(2-5)固定连接；当所述球形壳体下 半部闭合时，启动所述直流喷水电机(2-5)将水流从所述四分之一球壳(1-2)的喷水口 喷出；
所述控制驱动系统(3)安装在所述半球形上盖(1-1)内，并通过防水内壳实现密封。

2.  如权利要求1所述的多自由度两栖球形机器人，其特征在于，所述圆形隔板(1-3) 的底面还设有运载平台(1-7)及锁定机构(1-6)。

3.  如权利要求2所述的多自由度两栖球形机器人，其特征在于，在所述运载平台及锁 定机构(1-6)上搭载仿生微型子机器人(1-8)，通过无线通信，与所述多自由度两栖球 形机器人构成子母机器人系统。

说明书多自由度两栖球形机器人
技术领域
本发明涉及一种机器人，具体涉及一种两栖球形机器人。
背景技术
随着海洋开发活动越来越频繁和深入，对海洋探测技术和设备的需求也越来越高。 搭载多种传感器和仪器设备实现水下长时间自动作业的水下自主航行器/机器人，具有 运行成本低、活动范围广、功能丰富等诸多优点，已成为开展海洋勘探、环境检测、科 学研究的重要装备之一，在勘测海底矿产资源、发现新物种等领域具有广阔的前景和重 要应用价值。
现有水下自主航行器/机器人和球形机器人存在以下问题：
(1)现有水下自主航行器/机器人多采用流线形结构和螺旋桨推进，其单向运动速 度较高，但由于体型和转向半径较大，无法实现水下狭窄复杂环境(如珊瑚礁、管道内、 岩石夹缝等)下的灵活运动和精密作业。同时，其巨大的外形和和动力系统在作业时对 环境造成了较大的扰动，不适用于高隐蔽性和生物亲和性的应用，如侦查、生物样本采 集、环境监测等。
(2)现有的球形机器人在陆地上的驱动方式多采用滚动式，一定程度上利用了球 形结构的优点，具有很高的抗倾倒性和运行效率，由于增加了转子，其外形普遍较大， 对环境地形要求高，不适应于非结构环境和某些特性的结构环境。
(3)现有的球形机器人在水下多采用螺旋桨推进，这种推进方式的缺点是螺旋桨 暴露在机器人躯体外，容易损坏，还容易产生湍流，效率低，对水生物环境破坏大。且 只可实现水下螺旋桨推进，无法在浅水、沼泽、滩涂等近水环境下工作，其活动作业范 围和生存能力有限。
发明内容
本发明的目的是：为克服现有技术的不足，提出一种多自由度两栖球形机器人，将 陆地推进、水下推进与球形的外形结构有效复合，使其同时具备陆地、水中以及过渡环 境的高机动能力。
本发明的技术方案是：多自由度两栖球形机器人，它包括球形壳体、四条机械腿以及控 制驱动系统；
球形壳体包括：半球形上盖、两个四分之一球壳以及圆形隔板；圆形隔板安装在半球形 上盖的底部开放端将其封闭，半球形上盖的封闭空间内设有两个开盖伺服舵机，两个开盖伺 服舵机的摆臂分别与两个四分之一球壳连接，当球形壳体下半部开启时，四条机械腿暴露在 外；当球形壳体下半部关闭时，形成封闭的球形壳体；四分之一球壳上设有喷水口；
四条机械腿以90°间隔对称的安装在圆形隔板的底面；每个机械腿包括：防水伺服舵机 A、水平支架、垂直支架、防水伺服舵机B以及直流喷水电机；防水伺服舵机A的转轴一端 与水平支架固定连接，另一端通过轴承安装于圆形隔板的底面；水平支架与垂直支架固定连 接；防水伺服舵机B通过其转轴安装在垂直支架上，并与直流喷水电机固定连接；当球形壳 体下半部闭合时，启动直流喷水电机将水流从四分之一球壳的喷水口喷出；
控制驱动系统安装在半球形上盖内，并通过防水内壳实现密封。有益效果：
(1)本发明有效实现水中四自由度巡航和两栖步行运动。一方面，有效继承球形结构 动力学稳定、运动灵活、环境扰动小、隐蔽性和生物亲和性高的优点。另一方面，通过多个 机械腿喷水电机的喷水运动矢量合成，实现机器人在水下零旋转半径的多自由度灵活运动。 此外，机器人的推进机构可以根据介质环境以及任务特点的不同，进行主动或被动的形态与 结构变化，对变化的环境介质和任务特点做出响应，可以极大的改善两栖机器人的通过能力 和推进效率，从而提高其在两栖环境中的适应性，大幅扩展其应用范围和活动空间。
(2)本发明采用密闭上半球和可开合下半球构成球形结构，采用带直流喷水电机的机 械腿为运动单元，可实现水下、潜水、滩涂、陆上等多种环境下的运动和作业。
(3)本发明可实现两栖步行/爬行两种运动模式，通过调整步态，满足对不同步行/爬 行速率、稳定性、地形适应性的需求；在水下矢量喷水推进模式下，可实现四自由度的灵活 运动和零半径转向。
(4)本发明中可作为母机器人，运载若干采用记忆合金、高分子聚合物等设计的仿生 微型子机器人，构成子母系统，实现水下狭窄环境下的精细作业。
附图说明
图1为本发明下半部开启时的结构示意图；
图2为本发明下半部闭合时的结构示意图；
图3为本发明中球形壳体的结构示意图；
图4为本发明中机械腿的结构示意图；
图5为本发明中搭载仿生微型子机器人的运载平台及锁定机构的结构示意图；
图6为本发明中单个机械腿的一个运动周期；
图7为本发明四足爬行时的步态占空比；
图8为本发明机械腿中直流喷水电机内部流场分析图；
图9为本发明在水中水平、垂向运动时的机械腿运动状态示意图；
图10为本发明在水中直行、转向运动时的机械腿运动状态示意图；
其中，1-1半球形上盖、1-2四分之一球壳、1-3圆形隔板、1-4开盖伺服舵机、1-5 密封圈、1-6锁定机构、1-7运载平台、1-8搭载仿生微型子机器人、2-1防水伺服舵机 A、2-2水平支架、2-3垂直支架、2-4防水伺服舵机B、2-5直流喷水电机、3-控制驱动 系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细说明。
参见附图1、2，多自由度两栖球形机器人，它包括球形壳体、四条机械腿以及控制驱动 系统3；
参见附图3，球形壳体包括：半球形上盖1-1、两个四分之一球壳1-2以及圆形隔板1-3； 圆形隔板1-3安装在半球形上盖1-1的底部，并通过密封圈1-5密封，半球形上盖1-1内设 有两个开盖伺服舵机1-4，两个开盖伺服舵机1-4的摆臂分别与两个四分之一球壳1-2连接， 以实现球形壳体下半部的开启与闭合；四分之一球壳1-2上设有喷水口；
参见附图4，四条机械腿以90°为间隔对称的安装在圆形隔板1-3的底面；每个机械腿 均包括：防水伺服舵机A2-1、水平支架2-2、垂直支架2-3、防水伺服舵机B2-4以及直流喷 水电机2-5；防水伺服舵机A2-1的转轴一方面与水平支架2-2固定连接，另一方面通过轴承 安装于圆形隔板1-3的底面；水平支架2-2与垂直支架2-3固定连接；防水伺服舵机B2-4一 方面通过其转轴安装在垂直支架2-3上，另一方面与直流喷水电机2-5固定连接；当球形壳 体下半部闭合时，直流喷水电机2-5的水流从四分之一球壳1-2的喷水口喷出；
控制驱动系统3安装在半球形上盖1-1内，并通过防水内壳实现密封。
参见附图6、7，在陆上、浅滩、水底等环境下，本发明可打开两个四分之一球壳1-2， 利用其4个机械腿，以直流喷水电机2-5的喷管为支撑，进行灵活的步行/爬行。在爬行中， 4条腿的动作过程是一样的，只是具有不同的相位差。图6列出了一个步行周期内1条腿的 动作过程，包含抬腿，向前摆，落腿，接触地面后向后摆等，其步态占空比(即 )越高(大于0.75)，机械腿接触地面时间越长(同一时刻 至少有3条腿与地面接触，图7中的黑色条带即为某一机械腿接触地面的时间，白色条带为 某一机械腿悬空的时间)，机器人爬行就越稳定，爬行速率则会随之越低，适用于崎岖的地 形环境；其步态占空比越低(小于0.75)，机械腿接触地面的时间越短(爬行过程中部分时 刻仅两条腿与地面接触)，机器人爬行速率越快，但其稳定性越差，适用于平坦的地形环境。 根据不同的步行/爬行速率、步态稳定性、地形适应性需求，控制系统内的程序可通过调整水 平/垂直防水伺服电机的旋转角度和速度，实现对步态占空比的控制，最终完成对其步态的灵 活调整。
四足爬行步态如下表所示：

参见附图8、9、10，在水下环境，本发明中闭合下半球的四分之一球壳1-2，构成完成 的球形结构，利用固定在4个机械腿2上的4个直流喷水电机2-5，通过防水伺服舵机A2-1、 防水伺服舵机B2-4调节推进方向，合成推力矢量，以实现四个自由度的灵活运动。当4个 直流喷水电机2-5垂直方向的矢量合力向上/向下时，可实现机器人的下沉/上浮运动。当4 个直流喷水电机2-5水平方向的矢量合力对称时可实现机器人的水平定向运动；当4个直流 喷水电机2-5水平方向的矢量合力不对称时，形成以垂直方向为轴的扭矩，实现机器人的零 半径水平旋转。
参见附图5，通过在圆形隔板1-3的底面还设有运载平台1-7及锁定机构1-6，可令本发 明作为搭载仿生微型子机器人1-8的母机器人,在运载平台及锁定机构1-6上搭载仿生微型子 机器人1-8(如仿生竹节虫机器人、仿生水母机器人或仿生尺蠖机器人)，通过无线通信， 与多自由度两栖球形机器人构成子母机器人系统。工作时，发明将子机器人载往海底或者河 底的目标区域，然后释放仿生微型子机器人1-8，并为子机器人提供电源及控制信号，在完 成子机器人作业后，母机器人可控制其完成回收操作。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。