一种仿生水陆两栖机器人弹簧式轮足爬行装置.pdf

本发明涉及机器人的爬行装置，具体地说是一种仿生水陆两栖机器人弹簧式轮足爬行装置，包括轮足、锁紧螺母、套筒、压缩弹簧及转动轴，其中转动轴的一端与安装在所述仿生水陆两栖机器人内的驱动单元相连、由该驱动单元驱动旋转，所述套筒的一端与转动轴的另一端相连、由转动轴带动旋转，所述套筒的另一端与轮足通过锁紧螺母相连，且轮足相对于套筒往复滑动；所述套筒内容置有起减震作用的压缩弹簧，该压缩弹簧的两端分别抵接于套筒筒壁及所述轮足插设于套筒内的一端。本发明具有运动稳定性好、爬行能力强、结构紧凑、灵活可控、环境适应能力强等特点。

权利要求书
1.  一种仿生水陆两栖机器人弹簧式轮足爬行装置，其特征在于：包括轮足（6）、锁紧螺母、套筒（8）、压缩弹簧（10）及转动轴（13），其中转动轴（13）的一端与安装在所述仿生水陆两栖机器人内的驱动单元相连、由该驱动单元驱动旋转，所述套筒（8）的一端与转动轴（13）的另一端相连、由转动轴（13）带动旋转，所述套筒（8）的另一端与轮足（6）通过锁紧螺母相连，且轮足（6）相对于套筒（8）往复滑动；所述套筒（8）内容置有起减震作用的压缩弹簧（10），该压缩弹簧（10）的两端分别抵接于套筒（8）筒壁及所述轮足（6）插设于套筒（8）内的一端。

2.  按权利要求1所述的仿生水陆两栖机器人弹簧式轮足爬行装置，其特征在于：所述锁紧螺母包括外锁紧螺母（7）及内锁紧螺母（9），该外锁紧螺母（7）螺纹连接于所述套筒（8）的另一端，轮足（6）由所述外锁紧螺母（7）穿过、插入套筒（8）内；所述内锁紧螺母（9）位于套筒（8）内，插入套筒（8）内的轮足（6）与所述内锁紧螺母（9）螺纹连接。

3.  按权利要求2所述的仿生水陆两栖机器人弹簧式轮足爬行装置，其特征在于：所述轮足（6）包括足板（14）及滑动杆（15），其中滑动杆（15）由所述外锁紧螺母（7）的内径穿过，所述滑动杆（15）位于套筒（8）内的一端与所述内锁紧螺母（9）的内径螺纹连接，且与所述压缩弹簧（10）抵接，所述滑动杆（15）位于套筒（8）外的另一端设有与地面接触的足板（14）。

4.  按权利要求3所述的仿生水陆两栖机器人弹簧式轮足爬行装置，其特征在于：所述滑动杆（15）与外锁紧螺母（7）的内径之间及内锁紧螺母（9）的外径与套筒（8）的筒壁之间均为间隙配合。

5.  按权利要求3所述的仿生水陆两栖机器人弹簧式轮足爬行装置，其特征在于：所述外锁紧螺母（7）的下端面与套筒（8）另一端的端面共面，所述内锁紧螺母（9）的上端面与滑动杆（15）的一端端面共面。

6.  按权利要求3所述的仿生水陆两栖机器人弹簧式轮足爬行装置，其特征在于：所述外锁紧螺母（7）、套筒（8）、内锁紧螺母（9）、滑动杆（15）及足板（14）同轴设置。

7.  按权利要求1至6任一权利要求所述的仿生水陆两栖机器人弹簧式轮足爬行装置，其特征在于：所述套筒（8）的一端开有固定 孔，转动轴（13）的另一端带有螺纹孔，转动轴（13）的另一端由所述固定孔穿过，并通过连接键（11）及锁紧螺钉（12）与所述套筒（8）固连。

说明书一种仿生水陆两栖机器人弹簧式轮足爬行装置
技术领域
本发明涉及机器人的爬行装置，具体地说是一种仿生水陆两栖机器人弹簧式轮足爬行装置。
背景技术
随着人类对海洋认识的深入，海洋与陆地衔接的极浅水、碎浪带、拍岸浪区和滩涂地带成为近年来科学研究、环境监测、调查取样及军事领域等方面应用和关注的重点区域之一。水陆两栖机器人是一种能够在陆地和水中实现特定运动或作业的特种移动机器人，它可以实现现有的水下机器人和陆地机器人所无法实现的两栖作业任务。根据驱动机构和运动形式的不同，现有的两栖机器人大致可以分为单一驱动型和复合驱动型两大类。单一驱动方式的两栖机器人，无论是多足式、波动式、轮式、履带式等，都很难完全满足机器人在水中或者在陆地上的速度、越障、机动性、稳定性等方面的要求。为了实现两栖机器人分别在水中和陆地上多种模式下的高性能运动，提高机器人对两栖复杂环境的适应能力，开发研制基于新型驱动装置的两栖机器人成为近年来两栖机器人的重要研究方向和发展趋势之一。
发明内容
为了克服现有的两栖机器人在两栖环境下陆地运动能力较弱，快速性、机动性和稳定性等方面存在的不足，本发明的目的在于提供一种仿生水陆两栖机器人弹簧式轮足爬行装置。该为仿生水陆两栖机器人提供的弹簧式轮足爬行装置具有运动稳定性好、爬行能力强、结构紧凑、灵活可控、环境适应能力强的特点，结合两栖机器人的仿生运动实现方法，可有效提升水陆两栖机器人的陆地爬行运动性能。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明包括轮足、锁紧螺母、套筒、压缩弹簧及转动轴，其中转动轴的一端与安装在所述仿生水陆两栖机器人内的驱动单元相连、由该驱动单元驱动旋转，所述套筒的一端与转动轴的另一端相连、由转动轴带动旋转，所述套筒的另一端与轮足通过锁紧螺母相连，且轮足相对于套筒往复滑动；所述套筒内容置有起减震作用的压缩弹簧，该压缩弹簧的两端分别抵接于套筒筒壁及所述轮足插设于套筒内的一端。
其中：所述锁紧螺母包括外锁紧螺母及内锁紧螺母，该外锁紧螺母螺纹连接于所述套筒的另一端，轮足由所述外锁紧螺母穿过、插入套筒内；所述内锁紧螺母位于套筒内，插入套筒内的轮足与所述内锁紧螺母螺纹连接；所述轮足包括足板及滑动杆，其中滑动杆由所述外锁紧螺母的内径穿过，所述滑动杆位于套筒内的一端与所述内锁紧螺母的内径螺纹连接，且与所述压缩弹簧抵接，所述滑动杆位于套筒外的另一端设有与地面接触的足板；所述滑动杆与外锁紧螺母的内径之间及内锁紧螺母的外径与套筒的筒壁之间均为间隙配合；所述外锁紧螺母的下端面与套筒另一端的端面共面，所述内锁紧螺母的上端面与滑动杆的一端端面共面；所述外锁紧螺母、套筒、内锁紧螺母、滑动杆及足板同轴设置；所述套筒的一端开有固定孔，转动轴的另一端带有螺纹孔，转动轴的另一端由所述固定孔穿过，并通过连接键及锁紧螺钉与所述套筒固连。
本发明的优点与积极效果为：
1．本发明的弹簧式轮足爬行装置可有效提升四足两栖机器人爬行运动的稳定性：弹簧式轮足爬行装置中的压缩弹簧可以有效地缓解轮足与地面接触过程中的冲击，减小机器人重心在垂向的变化量，保证机器人的整体稳定性。
2．本发明的弹簧式轮足爬行装置可有效提高两栖机器人的爬行能力：在同等稳定性要求和同等驱动条件下，本发明的弹簧式轮足在爬行过程中为一个回转半径可变的装置，体现出更好的越障性能；同时与回转半径固定的刚性轮足相比，本发明可有效增加轮足足板与地面的接触时间，增大机器人在一个运动周期内的爬行距离。
3．本发明的弹簧式轮足爬行装置在结构上采用一体化的设计方法，操作维护方便，结构紧凑，减轻了机器人载体的重量，有利于仿生水陆两栖机器人整体的小型化发展。
4．本发明的弹簧式轮足爬行装置兼有轮式和腿式移动机构的运动特点，具有可控性能好，环境适应能力强等特点。
附图说明
图1为本发明的弹簧式轮足爬行装置在仿生两栖机器人上的布局结构示意图；
图2为本发明的主视剖视图；
图3为本发明的左视图；
图4为本发明的立体结构示意图；
图5为安装了本发明弹簧式轮足爬行装置的仿生两栖机器人的工作过程原理图；
其中：1为弹簧式轮足爬行装置，2为艏部，3为躯干，4为艉部，5为仿生尾鳍，6为轮足，7为外锁紧螺母，8为套筒，9为内锁紧螺母，10为压缩弹簧，11为连接键，12为锁紧螺钉，13为转动轴，14为足板，15为滑动杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图2～4所示，本发明包括包括轮足6、锁紧螺母、套筒8、压缩弹簧10、连接键11、锁紧螺钉12及转动轴13，其中锁紧螺母包括外锁紧螺母7及内锁紧螺母9，轮足6包括足板14及滑动杆15。
转动轴13的一端与安装在仿生水陆两栖机器人内的驱动单元相连、由该驱动单元驱动弹簧式轮足爬行装置1产生绕转动轴13的转动，套筒8的一端开有固定孔，转动轴13的另一端带有螺纹孔，转动轴13的另一端由所述固定孔穿过，并通过连接键11及锁紧螺钉12与套筒8固连，套筒8由转动轴13带动旋转；其中连接键11用于实现套筒8与转动轴13之间的周向定位、不发生相对转动，锁紧螺钉12用于实现套筒8与转动轴13之间的轴向定位。套筒8的另一端为开口端，该开口端的端部螺纹连接有外锁紧螺母7，内锁紧螺母9容置在套筒8的内部空腔中，该外锁紧螺母7的下端面与套筒8另一端的端面共面，内锁紧螺母9的外径与套筒8内部空腔的侧壁为滑动顺畅的间隙配合。
滑动杆15由外锁紧螺母7的内径穿过、插入套筒8的空腔中，滑动杆15与外锁紧螺母7的内径之间为滑动顺畅的间隙配合。滑动杆15位于套筒8空腔内的一端与内锁紧螺母9的内径螺纹连接，内锁紧螺母9的上端面与滑动杆15的一端端面共面，滑动杆15位于套筒8外的另一端设有与地面接触的足板14。外锁紧螺母7、套筒8、内锁紧螺母9、滑动杆15及足板14同轴设置。
套筒8的空腔内容置有起减震作用的压缩弹簧10，该压缩弹簧10的外径小于套筒8的空腔直径；压缩弹簧10的一端抵接于套筒8空腔的顶壁，压缩弹簧10的另一端抵接于滑动杆15插设于套筒8内的一端。
本发明的工作原理为：
本发明的弹簧式轮足爬行装置兼有轮式和腿式移动机构的运动特点，下面结合图1及图4对其爬行工作原理进行详细说明：
结合仿生学研究分析结果，本发明的弹簧式轮足爬行装置在仿生两栖机器人载体上的分布采用如图1所示的形式，模拟水陆两栖动物四足爬行的特点，机器人载体上配备两对（共四组）弹簧式轮足爬行 装置1，其中一对弹簧式轮足爬行装置1左右对称地安装在仿生水陆两栖机器人的艏部2上，另一对弹簧式轮足爬行装置1左右对称地安装在仿生水陆两栖机器人的艉部4上；艏部2和艉部4通过各自的回转关节连接在躯干3上；为了实现仿生水陆两栖机器人的水下游动，艉部4上安装有用于水下摆动推进的仿生尾鳍5。
四组弹簧式轮足爬行装置1分别采用独立的驱动单元驱动，且其爬行时按照如下的步态规划：左前与右后的弹簧式轮足爬行装置具有相同的相位A，右前与左后的弹簧式轮足爬行装置具有相同的相位B，随着转动轴13的连续转动，相位A、B不断在悬空相和支撑相之间切换。所谓悬空相是指在旋转过程中轮足6未与地面进行接触时的相位；支撑相是指在旋转过程中轮足6与地面进行接触，并对机器人本体形成支撑时的相位。其中相位A与相位B满足如下运动规划条件：当相位A由悬空相切换至支撑相时，相位B则刚好由支撑相切换至悬空相；而当相位A由支撑相切换至悬空相时，相位B则刚好由悬空相切换至支撑相。
以左前弹簧式轮足爬行装置的运动过程为例分析本发明的装置在爬行运动时的特点：在驱动单元的驱动下，转动轴13产生绕其轴线的转动，弹簧式轮足爬行装置1由悬空相切换至支撑相，此时轮足6的足板14接触地面，随着转动轴13的继续转动，轮足6受到地面的接触摩擦力，从而推动机器人产生前进的动力；同时在垂向，由于受到机器人本体的重力影响，轮足6连同内锁紧螺母9形成对压缩弹簧10的压缩，压缩弹簧10缩短，轮足6连同内锁紧螺母9嵌入套筒8空腔的部分增加，使得弹簧式轮足爬行装置1绕转动轴13的回转半径减小，从而缓解两栖机器人载体重心在垂向的变化，压缩弹簧10起到减震的作用；当轮足6的轴线与地面垂直时，弹簧式轮足爬行装置1的压缩弹簧10处于最大压缩状态。随着转动轴13的继续转动，轮足6的轴线与地面不再垂直，机器人重力在轮足6轴线方向的分力逐步减小，压缩弹簧10开始反弹，轮足6连同内锁紧螺母9嵌入套筒8空腔的部分逐步缩小，使得弹簧式轮足爬行装置1绕转动轴13的回转半径逐步增加，从而再次缓解两栖机器人载体重心在垂向的变化，压缩弹簧10同样起到减震的作用。随着转动轴13的继续转动，轮足6的足板14离开地面，弹簧式轮足爬行装置1切换至悬空相，进入下一个运动周期。
本发明的弹簧式轮足爬行装置1装配流程如下：首先，将外锁紧螺母7从轮足6的滑动杆15一端端部穿过，并套在轮足6的滑动杆15上；然后将内锁紧螺母9通过螺纹与轮足6固连，旋紧至与轮足6 的滑动杆15一端端面平齐；为防止螺纹松动，可在旋紧前在内锁紧螺母9的螺纹上涂抹螺纹锁固剂(外购，型号为LOCTITE243)。将压缩弹簧10放置于套筒8的空腔内，此时压缩弹簧10处于自由状态；接着将轮足6、连同外锁紧螺母7和内锁紧螺母9一并导入套筒8的空腔内，利用外锁紧螺母7的外螺纹，旋紧在套筒8上，旋紧至外锁紧螺母7和套筒8的端面平齐；同理，为防止螺纹松动，可在旋紧前在外锁紧螺母7的螺纹上涂抹螺纹锁固剂(外购，型号为LOCTITE243)；至此，轮足6、外锁紧螺母7、套筒8、内锁紧螺母9和压缩弹簧10装配为一体。最后，将转动轴13带有螺纹孔的一端穿过套筒8的固定孔，并通过连接键11和锁紧螺钉12实现转动轴13与套筒8的固连，从而完成整个弹簧式轮足爬行装置1的装配。
本发明具有运动稳定性好、爬行能力强、结构紧凑、灵活可控、环境适应能力强等特点。