水陆两栖仿生机器水禽制造技术

本发明专利技术公开一种水陆两栖仿生机器水禽，采用水禽为仿生模板设计，采用多种运动模式转换，环境适应力更强，灵活性更高。包括：壳体、头部单元、腿部单元和髋关节；其中头部单元采用三自由度控制和绳驱动控制，可以实现头部多自由度旋转和灵活伸缩，用于维持平衡和下潜运动。腿部单元包括辅助腿和动力腿，辅助腿用于机器水禽在不平稳环境下的辅助支撑。骻关节的曲柄连杆结构和动力腿的蜗轮蜗杆结构可以实现腿部持续、大摆角范围、高扭矩的运动，侧面弹簧‑直线轴承结构用于腿部跳跃和减震。

Amphibious bionic machine waterfowl

The invention discloses an amphibian bionic machine waterfowl, which adopts waterfowl as a bionic template design and adopts a variety of motion mode conversion, thus having stronger environmental adaptability and higher flexibility. Including: shell, head unit, leg unit and hip joint; the head unit adopts three degrees of freedom control and rope drive control, can achieve multi-degree of freedom head rotation and flexible expansion, used to maintain balance and dive movement. Leg units include auxiliary legs and power legs, which are used to support machine waterfowls in unstable environments. The crank-connecting rod structure of condylar joint and the worm gear-worm structure of power leg can realize the movement of leg continuity, large swing angle range and high torque. The side spring linear bearing structure is used for leg jumping and shock absorption.

【技术实现步骤摘要】
水陆两栖仿生机器水禽
本专利技术涉及一种仿生水禽，具体涉及一种水陆两栖仿生水禽。
技术介绍
仿生学诞生于20世纪60年代，是生物科学与工程技术相结合的一门前沿学科，经过数十年的发展，现代仿生学已经延伸到很多领域，机器人学是其主要的结合和应用领域之一。机器人仿生学是从仿生的角度对机器人进行研究，是机器人领域的重要分支。这方面的研究引起各国相关人员和专家的极大兴趣和关注，并取得了大量成果和积极进展。然而，国内外对只适应于水中活动或陆地上爬行的单一环境的仿生机器人研究的比较多，在水陆两栖仿生机器人方面研究的比较少。随着人类认识海洋、开发海洋、利用海洋资源和保护海洋资源的进程，常规的水下机器人在濒海两栖环境中无法满足工作需要，因此对水陆两栖机器人的研究有着重要意义。近些年，美国IS机器人公司研制了水下自主行走机器人ALUV，该机器人有六条腿，每条腿有两个自由度，具有两栖运动功能，但是其只能进行爬行运动，只适合水底运动，且运动距离较近。2005年麦吉尔大学研制了一种仿蟑螂的两栖机器人Whegs，推进机构采用了三辐轮桨腿式设计，近似轮子，能够实现高性能和平稳推进。在此基础上，GeorgiadesC等人研制了两栖六足机器人AQUA，AQUA在陆地上运动时采用弧形腿推进，利用弧形腿机动性能高和通用性好的特点，可以实现多种陆地环境的高速推进；在水下，利用六个桨的拍动推进，AQUA能够实现巡航、升降、纵荡、转向、翻滚等运动。由于AQUA在陆地山和水下采用的不同的推进机构，在进行转换时，需要人工更换驱动机构。日本东京冬夜大学研制的ACM-R5的两栖机器蛇，该机器蛇由多个关节组成，每个关节具有两个自由度，能实现俯仰和偏航运动。在陆地上运动时，ACM-R5依靠身体的蜿蜒运动推进，也能实现翻滚运动；在水下运动时，ACM-R5采用仿鳗鲡式的波动推进。但ACM-R5机器人运动较慢，仅能达到0.4m/s。面对水陆复杂空间环境的勘探任务，如海底管道内的检测、珊瑚礁内生物的监测、海底岩缝中矿物勘察等，要求机器人具有高灵活性、高环境适应性。目前，国内外机器人针对应用于水中或陆地单一环境的研究比较多，对于水陆两栖的研究比较少；以螃蟹、龟、蟑螂、蛇等生物模板作为仿生对象的比较多，以水禽为模板做水陆两栖仿生机器人研究的极其少。多种机器人存在运动较慢、运动模式单一、适应环境单一、环境适应力不强，灵活性不高等问题。综上，现有水下自主航行器/机器人及水陆两栖机器人的存在以下问题：(1)多采用鱼雷状设计和螺旋桨推进，其机械结构决定了其进退能产生较大的速度，但是其转弯半径大，不适合在狭小区域作业。另外，其体积大，螺旋桨产生噪声大，功耗大，都降低了隐蔽性能和生物亲和性。(2)普遍采用仿生学的原理设计，如仿生螃蟹、龟、蟑螂、蛇等，仿生螃蟹机器人只能进行陆地和水底的爬行，运动距离较近。仿生龟机器人在下潜、翻转的运动不灵活，阻力大，运动较慢，在陆地只能进行爬行。仿生蟑螂机器人在水下和陆地采用了不同的驱动结构，在水下和陆地运动切换时，需要人工更换驱动结构。仿生蛇机器人采用关节式设计，其陆上和水下运动较慢，仅能达到0.4m/s。多数机器人不能完成有效的下潜运动转换。蛇形机器人虽然可以自由下潜，但速度较慢，运动空间较小，路上运动不灵活。(3)多作为陆地两足运动的仿生模板，在水下及两栖仿生方面有极少研究。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术基于仿生学原理，以水禽为仿生模板，提出一种用于两栖环境、支持多模式灵活转换与运动的水陆两栖仿生机器水禽，环境适应力更强，灵活性更高。所述的水陆两栖仿生机器水禽包括：壳体、头部单元、腿部单元和髋关节；所述头部单元固定在壳体前端面，包括三个关节，分别为头部第一关节、头部第二关节和头部第三关节；所述头部第一关节包括：头部、头部连接件、颈部连接件A和颈部连接件B；所述头部固定在头部连接件上，轴线平行的头部连接件和颈部连接件B分别通过轴承支撑在所述颈部连接件A的两端；所述头部连接件能够带着头部绕头部连接件的轴线转动，所述颈部连接件A能够绕颈部连接件B的轴线转动；所述颈部连接件B与头部第二关节相连；所述头部第二关节用于为头部绕头部连接件的转动以及颈部连接件A绕颈部连接件B的转动提供动力；所述头部第三关节用于带动头部第一关节和头部第二关节整体进行俯仰运动和左右摆动；所述腿部单元包括：两个动力腿部关节，两个所述动力腿部关节对称分布在壳体的左右两侧，所述动力腿部关节包括：动力腿第一关节和动力腿第二关节，其中包括：脚部以及带动脚部运动以改变脚部与地面之间夹角的动力腿第一关节动力及传动机构；所述动力腿第二关节用于带动动力腿第一关节整体前后摆动，实现陆地行走；所述骻关节为两个，对称安装在壳体左右两侧板上，所述动力腿部关节和与之对应侧的骻关节相连，骻关节用于使与之相连的动力腿部关节前后摆动。所述腿部单元还包括辅助腿部关节，所述辅助腿部关节安装在壳体底板前侧，包括：左右两个辅助腿以及带动左右两个辅助腿弯曲/伸展的辅助腿动力及传动机构，当所述辅助腿伸展时通过万向轮与地面接触。有益效果：(1)该水陆两栖仿生机器水禽采用水禽为仿生模板设计，采用多种运动模式转换，环境适应力更强，灵活性更高。(2)本专利技术头部采用三自由度控制和绳驱动控制，可以实现头部多自由度旋转和灵活伸缩，用于维持平衡和下潜运动。骻关节的曲柄连杆结构和动力腿的蜗轮蜗杆结构可以实现腿部持续、大摆角范围、高扭矩的运动，侧面弹簧-直线轴承结构用于腿部跳跃和减震；辅助腿用于机器水禽在不平稳环境下的辅助支撑。(3)设置辅助腿，在不平整陆地环境下，通过辅助腿支撑在地面上，保证前进过程中的稳定性。附图说明图1为本专利技术的整体结构图；图2为本专利技术仿生机器水禽的头部轴测图；图3和图4分别为本专利技术仿生机器水禽头部第一关节原图和爆照图；图5和图6分别为本专利技术仿生机器水禽头部第二关节原图和爆照图；图7和图8分别为本专利技术仿生机器水禽头部第三关节原图和爆照图；图9为仿生机器水禽头部第三关节与壳体连接处的局部爆照图；图10和图11分别为本专利技术仿生机器水禽辅助腿部原图和爆照图；图12至图15分别为本专利技术仿生机器水禽动力腿部关节原图和爆照图；图16至图18为本专利技术生机器水禽髋关节局部爆照图。其中：1-1头部、1-2头部固定板、1-3头部连接件、1-6颈部连接件A、1-7线传动圆盘A、1-10颈部连接件B、1-11线传动圆盘B、1-12线驱动转动轮、1-15颈部第一电机连接架、1-16转动轴、1-19线驱动柱、1-23颈部第一电机、1-24颈部第一电机壳、1-25颈部第一电机舵盘、1-26线驱动圆盘、1-27第一电机塞、1-28颈部第二电机连接架、1-29颈部第二电机、1-30颈部第二电机壳、1-31第二电机塞、1-32颈部第二电机舵盘、1-35颈部连接架、1-36颈部第三电机、1-37颈部第三电机壳、1-38第三电机塞、1-39第三电机舵盘、1-42壳体、2-1辅助腿电机、2-2辅助腿电机壳、2-3辅助腿电机塞、2-5辅助腿电机舵盘、2-6电机传动齿轮、2-7杆上轴向齿轮、2-8横向支撑杆、2-13辅助腿部连接支架、2-14竖向支撑杆、2-15圆柱销、2-16万向轮、3-1脚部、3-2第一直杆、3-7动力腿第一电机壳、3-8第一蜗轮、3-9本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.水陆两栖仿生机器水禽，其特征在于：包括：壳体(1‑42)、头部单元、腿部单元和髋关节；所述头部单元固定在壳体(1‑42)前端面，包括三个关节，分别为头部第一关节、头部第二关节和头部第三关节；所述头部第一关节包括：头部(1‑1)、头部连接件(1‑3)、颈部连接件A(1‑6)和颈部连接件B(1‑10)；所述头部(1‑1)固定在头部连接件(1‑3)上，轴线平行的头部连接件(1‑3)和颈部连接件B(1‑10)分别通过轴承支撑在所述颈部连接件A(1‑6)的两端；所述头部连接件(1‑3)能够带着头部(1‑1)绕头部连接件(1‑3)的轴线转动，所述颈部连接件A(1‑6)能够绕颈部连接件B(1‑10)的轴线转动；所述颈部连接件B(1‑10)与头部第二关节相连；所述头部第二关节用于为头部(1‑1)绕头部连接件(1‑3)的转动以及颈部连接件A(1‑6)绕颈部连接件B(1‑10)的转动提供动力；所述头部第三关节用于带动头部第一关节和头部第二关节整体进行俯仰运动和左右摆动；所述腿部单元包括：两个动力腿部关节，两个所述动力腿部关节对称分布在壳体(1‑42)的左右两侧，所述动力腿部关节包括：动力腿第一关节和动力腿第二关节，其中包括：脚部(3‑1)以及带动脚部(3‑1)运动以改变脚部(3‑1)与地面之间夹角的动力腿第一关节动力及传动机构；所述动力腿第二关节用于带动动力腿第一关节整体前后摆动，实现陆地行走；所述骻关节为两个，对称安装在壳体(1‑42)左右两侧板上，所述动力腿部关节和与之对应侧的骻关节相连，骻关节用于使与之相连的动力腿部关节前后摆动。...

【技术特征摘要】
1.水陆两栖仿生机器水禽，其特征在于：包括：壳体(1-42)、头部单元、腿部单元和髋关节；所述头部单元固定在壳体(1-42)前端面，包括三个关节，分别为头部第一关节、头部第二关节和头部第三关节；所述头部第一关节包括：头部(1-1)、头部连接件(1-3)、颈部连接件A(1-6)和颈部连接件B(1-10)；所述头部(1-1)固定在头部连接件(1-3)上，轴线平行的头部连接件(1-3)和颈部连接件B(1-10)分别通过轴承支撑在所述颈部连接件A(1-6)的两端；所述头部连接件(1-3)能够带着头部(1-1)绕头部连接件(1-3)的轴线转动，所述颈部连接件A(1-6)能够绕颈部连接件B(1-10)的轴线转动；所述颈部连接件B(1-10)与头部第二关节相连；所述头部第二关节用于为头部(1-1)绕头部连接件(1-3)的转动以及颈部连接件A(1-6)绕颈部连接件B(1-10)的转动提供动力；所述头部第三关节用于带动头部第一关节和头部第二关节整体进行俯仰运动和左右摆动；所述腿部单元包括：两个动力腿部关节，两个所述动力腿部关节对称分布在壳体(1-42)的左右两侧，所述动力腿部关节包括：动力腿第一关节和动力腿第二关节，其中包括：脚部(3-1)以及带动脚部(3-1)运动以改变脚部(3-1)与地面之间夹角的动力腿第一关节动力及传动机构；所述动力腿第二关节用于带动动力腿第一关节整体前后摆动，实现陆地行走；所述骻关节为两个，对称安装在壳体(1-42)左右两侧板上，所述动力腿部关节和与之对应侧的骻关节相连，骻关节用于使与之相连的动力腿部关节前后摆动。2.如权利要求1所述的水陆两栖仿生机器水禽，其特征在于：所述腿部单元还包括辅助腿部关节，所述辅助腿部关节安装在壳体(1-42)底板前侧，包括：左右两个辅助腿以及带动左右两个辅助腿弯曲/伸展的辅助腿动力及传动机构，当所述辅助腿伸展时通过万向轮(2-16)与地面接触。3.如权利要求1或2所述的水陆两栖仿生机器水禽，其特征在于，所述头部第二关节具有包括：颈部第一电机(1-23)、转动轴(1-16)和绳驱动单元；所述绳驱动单元包括：线驱动柱(1-19)、线驱动圆盘(1-26)、同轴固定在所述头部连接件(1-3)的线传动圆盘A(1-7)、同轴空套在颈部连接件B(1-10)两端与颈部连接件A(1-6)固接的线传动圆盘B(1-11)、同轴空套在连接件B(1-10)两端的线驱动转动轮(1-12)；所述颈部第一电机(1-23)固定在颈部第一电机壳(1-24)内，颈部第一电机连接架(1-15)一端与所述颈部连接件B(1-10)固接，另一端与颈部第一电机壳(1-24)固接；所述转动轴(1-16)的两端分别通过轴承支撑在所述颈部第一电机连接架(1-15)上；所述转动轴(1-16)的两端分别同轴固接有线驱动柱(1-19)；所述线驱动圆盘(1-26)与同轴固接在颈部第一电机(1-23)输出轴上的颈部第一电机舵盘(1-25)同轴固接，所述线驱动圆盘(1-26)通过绳驱动线驱动柱(1-19)，所述线驱动柱(1-19)分别通过绳驱动线传动圆盘B(1-11)和线驱动转动轮(1-12)，所述线驱动转动轮(1-12)通过绳驱动线传动圆盘A(1-7)。4.如权利要求1或2所述的水陆两栖仿生机器水禽，其特征在于，所述头部第三关节具体包括：颈部连接架(1-35)以及固定在颈部第二电机壳(1-30)内的颈部第二电机(1-29)、固定在颈部第三电机壳(1-37)内的颈部第三电机(1-36)；所述颈部第二电机(1-29)的输出轴上同轴固定有颈部第二电机舵盘(1-32)；所述头部第二关节与颈部第二电机连接架(1-28)固接，所述颈部第二电机连接架(1-28)一端与所述颈部第二电机舵盘(1-32)固接，另一端通过轴承支撑在所述颈部第二电机壳(1-30)上，由此通过所述颈部第二电机(1-29)带动头部第一关节和头部第二关节整体进行俯仰运动；所述颈部第三电机(1-36)输出轴沿竖直方向，颈部第三电机舵盘(1-39)同轴固接在所述颈部第三电机(1-36)输出轴上；所述颈部第二电机壳(1-30)与颈部连接架(1-35)固接，所述颈部连接架(1-35)一端与所述颈部第三电机舵盘(1-39)固接，另一端通过轴承支撑在所述颈部第三电机壳(1-37)上，由此通过所述颈部第三电机(1-36)带动头部第一关节和头部第二关节整体进行左右摆动；所述颈部第三电机壳(1-37)固定在壳体(1-42)前端面。5.如权利要求2所述的水陆两栖仿生机器水禽，其特征在于，所述辅助腿动力及传动机构包括：固定在辅助腿电机壳(2-2)内的辅助腿电机(2-1)、电机传动齿...

【专利技术属性】
技术研发人员：石立伟，郭书祥，刘惠康，邢会明，侯夕欢，刘钰，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11