一种用于两栖球形机器人的轮腿式复合驱动机构制造技术

本实用新型专利技术公开了一种用于两栖球形机器人的轮腿式复合驱动机构，属于水下机器人技术领域，包括：沿球形机器人底部周向分布的两个以上机械腿和位于球形机器人底部中心的可升降滑动关节；所述可升降滑动关节上升时，其底部的万向滚轮不与路面接触，落下时，其底部的万向滚轮与路面接触，并将球形机器人抬高到设定高度；四个机械腿能够沿球形机器人周向移动，配合处于落下状态的可升降滑动关节，实现球形机器人的滑行，此外配合处于上升状态的可升降滑动关节，实现球形机器人的爬行；本实用新型专利技术能够针对在不同的地形采用不同的运动模式，实现在水下环境的运动、崎岖路面的爬行及在平坦路面上的滑行。

A wheel leg composite driving mechanism for amphibious spherical robots

The utility model discloses a wheel-leg type compound driving mechanism for an amphibious spherical robot, belonging to the technical field of an underwater vehicle, which comprises two or more mechanical legs distributed along the circumferential direction of the bottom of the spherical robot and a liftable sliding joint located at the bottom center of the spherical robot; and when the liftable sliding joint rises, The universal roller at the bottom of the robot does not contact the road surface. When it falls, the universal roller at the bottom of the robot contacts the road surface and raises the spherical robot to a set height. The four mechanical legs can move along the circumferential direction of the spherical robot, cooperating with the lifting and sliding joint in the falling state, so as to realize the sliding of the spherical robot. The liftable sliding joint in the ascending state realizes the climbing of the spherical robot; the utility model can adopt different motion modes according to different terrain, realize the movement of the underwater environment, the climbing of the rugged road surface and the sliding on the flat road surface.

【技术实现步骤摘要】
一种用于两栖球形机器人的轮腿式复合驱动机构
本技术属于水下机器人
，具体涉及一种用于两栖球形机器人的轮腿式复合驱动机构。
技术介绍
伴随着人类认识海洋、开发海洋、利用海洋资源和保护海洋资源的进程，水下机器人作为一种在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主遥控方式、使用机械或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的装置，在海洋开发和利用中扮演者重要的角色。近些年，水下机器人成为了国外研究的热点。美国麻省理工学院、美国海军研究局(ONR)和美国蓝鳍机器人公司(BluefinRobotics)联合研发的第三代悬停无人水下自主航行器(HAUV3)能够检测到军舰底部的水雷，HAUV3的外形类似于一种水下飞碟。日本东京大学的URA实验室开发了多种功能不同的AUV，如“TwinBurgerAUV”。日本三菱重工开发成功的“AUV-EX1”，可在最深3500米的深海进行勘探工作。德国基尔大学的科学家研制出新型深水机器人“ROVKIEL6000”，能够下探到6000米深的海底，寻找神秘的深水生物和“白色黄金”可燃冰。国内对于自主机器人的研究基本上围绕两个中心，一是中科院沈阳自动化为中心，研制开发了R-01型/CR-02型(6000m)无人无缆水下机器人，能适应深海底平坦地形的多金属结核矿区工作环境，其探测内容只限于声学、光学和水文测量；二是以哈尔滨工程大学为中心，研制出“智水I”、“智水II”、“智水III”和“智水IV”等军用智能水下机器人。这类水下机器人采用鱼雷状流线型结构设计，具有体积大、转弯半径大、隐蔽性差等缺点，无法完成在狭小区域的任务。其运动采用的螺旋桨，容易产生噪声，不适合隐蔽和生物亲和性。与鱼雷状的水下机器人相比，球形机器人有较多优点，对称性好，控制较为简单。国内对水下球形机器人的研究单位主要包括哈尔滨工程大学、北京邮电大学等。2007年，哈尔滨工程大学仿生微机器人实验室所研制的一款球形水下潜器，其球体直径为0.22m，空气中质量为5.6kg，采用两个喷水电机作为驱动装置，并设有两个入水口和两个出水口。该球形水下潜器采用姿态传感器信号反馈调整的控制方法对自身的运动控制，但由于其动力系统设计相对粗放，运动灵活性有限，机动性较差。2010北京邮电大学的孙汉旭教授和兰晓娟博士等人也对球形水下机器人进行了相关的研究。兰晓娟博士等人发表了一些相关论文介绍了内置姿态调节机构的球形水下机器人BYSQ-2的结构构型、工作原理和性能参数，其球体直径为0.54m，空气中质量约为80kg。该球形水下机器人是通过其内部的双驱动转向机构与螺旋桨推进器的配合来实现六个自由度的水下运动。但该设计的体型较大，在浅水、沼泽、滩涂等环境下的生存能力有限。传统的水下机器人只适合在水下环境，对濒海两栖环境的应用价值较小，所以对于两栖机器人的研究有重要意义。美国IS机器人公司研制了水下自主行走机器人ALUV，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，运动较慢。因此，现有水陆两栖机器人及两栖球形机器人的存在以下问题：1目前的两栖机器人普遍采用了仿生学的原理设计，如仿生蟑螂和蛇等，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。2之前设计的两栖球形机器人，质量轻，对于腿部的压力较小，仅采用四条机械腿就可以实现爬行，但是搭载传感器的能力较小。为了提高机器人的智能化，所以需要机器人具有更多的传感手段，从而需要加大机器人尺寸。随着机器人重量的增加，仅靠四条腿很难满足长时间的运动，且由于搭载传感器数目的增加，导致机器人重量较大，机器人腿部伺服舵机承重增加，增加了机器人伺服舵机的损耗。现有球形机器人采用步态前行，驱动结构伺服舵机的数目较多，能量消耗多，并且在不同的地形采用同一种运动模式，不能实现节能的目的。
技术实现思路
有鉴于此，本技术的目的是提供一种用于两栖球形机器人的轮腿式复合驱动机构，能够针对在不同的地形采用不同的运动模式，实现在水下环境的运动、崎岖路面的爬行及在平坦路面上的滑行。本技术是通过下述技术方案实现的：一种用于两栖球形机器人的轮腿式复合驱动机构，包括：沿球形机器人底部周向分布的两个以上机械腿和位于球形机器人底部中心的可升降滑动关节；所述可升降滑动关节上升时，其底部的万向滚轮不与路面接触，落下时，其底部的万向滚轮与路面接触，并将球形机器人抬高到设定高度；四个机械腿能够沿球形机器人周向移动，配合处于落下状态的可升降滑动关节，实现球形机器人的旋转；四个机械腿的底部设有能够进行俯仰运动的喷水电机，当球形机器人在水下运动且不接触到水底时，通过喷水提供水下运动动力；当球形机器人在崎岖路面运动时，喷水电机底部接触路面，可升降滑动关节底部的万向滚轮不与路面接触，通过摆动机械腿，实现球形机器人的爬行前进或后退；当球形机器人在平坦路面运动时，可升降滑动关节底部的万向滚轮与路面接触，配合机械腿的摆动实现球形机器人的滑行前进或后退。进一步的，所述机械腿还包括：下支架、第一舵机、舵盘、轴承、第二舵机及上支板；所述下支架为由底板和两个相对侧板组成的U型架；第二舵机安装在上支板的一端，且其输出轴穿过上支板后，固定在球形机器人的中间板上；上支板的另一端与下支架的底板固定连接；喷水电机一侧通过轴承安装在下支架的相对应的侧板上，另一侧喷水电机通过舵盘与下支架外侧的第一舵机固定，第一舵机再与下支架固定，在舵盘与第一舵机输出轴采用螺丝固定；第二舵机工作时，能够带动整个机械腿沿球形机器人的周向转动；第一舵机工作时，能够控制喷水电机以舵机输出轴与轴承的轴线为转动中心进行转动。进一步的，所述机械腿还包括万向轮，两个万向轮2-1安装在下支架的底板上，当球形机器人行走时，万向轮与球形机器人的中间板底面相接触。进一步的，所述机械腿沿球形机器人周向移动的角度为0°～90°。进一步的，所述可升降滑动关节，其特征在于，包括：舵机、移动平台、支撑腿、可升降滑动关节固定杆、上横梁、下横梁、固定导向杆及丝杠；所述移动平台上安装有用于与固定导向杆滑动配合的导向套以及用于与丝杠配合的内螺纹套；上横梁通过可升降滑动关节固定杆固定在球形机器人的中间板上，其下表面通过两个以上固定导向杆与下横梁固定连接为一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于两栖球形机器人的轮腿式复合驱动机构，其特征在于，包括：沿球形机器人底部周向分布的两个以上机械腿(1‑2)和位于球形机器人底部中心的可升降滑动关节(1‑1)；所述可升降滑动关节(1‑1)上升时，其底部的万向滚轮不与路面接触，落下时，其底部的万向滚轮与路面接触，并将球形机器人抬高到设定高度；四个机械腿(1‑2)能够沿球形机器人周向移动，配合处于落下状态的升降滑动关节(1‑1)，实现球形机器人的旋转；四个机械腿(1‑2)的底部设有能够进行俯仰运动的喷水电机(2‑5)，当球形机器人在水下运动且不接触到水底时，通过喷水提供水下运动动力；当球形机器人在崎岖路面运动时，喷水电机(2‑5)底部接触路面，升降滑动关节(1‑1)底部的万向滚轮不与路面接触，通过摆动喷水电机(2‑5)，实现球形机器人的爬行前进或后退；当球形机器人在平坦路面运动时，可升降滑动关节(1‑1)底部的万向滚轮与路面接触，配合喷水电机(2‑5)的摆动实现球形机器人的滑行前进或后退。

【技术特征摘要】
1.一种用于两栖球形机器人的轮腿式复合驱动机构，其特征在于，包括：沿球形机器人底部周向分布的两个以上机械腿(1-2)和位于球形机器人底部中心的可升降滑动关节(1-1)；所述可升降滑动关节(1-1)上升时，其底部的万向滚轮不与路面接触，落下时，其底部的万向滚轮与路面接触，并将球形机器人抬高到设定高度；四个机械腿(1-2)能够沿球形机器人周向移动，配合处于落下状态的升降滑动关节(1-1)，实现球形机器人的旋转；四个机械腿(1-2)的底部设有能够进行俯仰运动的喷水电机(2-5)，当球形机器人在水下运动且不接触到水底时，通过喷水提供水下运动动力；当球形机器人在崎岖路面运动时，喷水电机(2-5)底部接触路面，升降滑动关节(1-1)底部的万向滚轮不与路面接触，通过摆动喷水电机(2-5)，实现球形机器人的爬行前进或后退；当球形机器人在平坦路面运动时，可升降滑动关节(1-1)底部的万向滚轮与路面接触，配合喷水电机(2-5)的摆动实现球形机器人的滑行前进或后退。2.如权利要求1所述的一种用于两栖球形机器人的轮腿式复合驱动机构，其特征在于，所述机械腿(1-2)还包括：下支架(2-2)、第一舵机(2-3)、舵盘(2-4)、轴承(2-6)、第二舵机(2-8)及上支板(2-9)；所述下支架(2-2)为由底板和两个相对侧板组成的U型架；第二舵机(2-8)安装在上支板(2-9)的一端，且其输出轴穿过上支板(2-9)后，固定在球形机器人底部的中间板上；上支板(2-9)的另一端与下支架(2-2)的底板固定连接；喷水电机(2-5)一侧通过圆盘2-7和轴承2-6安装在下支架的相对应的侧板上，另一侧喷水电机(2-5)通过舵盘(2-4)与下支架(2-2)外侧的第一舵机(2-3)固定，第一舵机(2-3)再与下支架2-2固定，在舵盘2-4与第一舵机2-3输出轴采用螺丝固定；第二舵机(2-8)工作时，能够带动整个机械腿(1-2)沿球形机器人的周向转动；第一舵机(2-3)工作时，能够控制喷水电机(2-5)以第一舵机(2-3)与轴承(2-6)的轴线为转动中心进行转动。3.如权利要求2所述的一种用于两栖球形机器人的轮腿式复合驱动机构，其特征在于，所述机械腿(1-2)还包括万向轮(2-1)，两个万向轮(2-1)安装在下支架(2-2)的底板上，当球形机器人行走时，万向轮(2-1)与球形机器人的中间板底面相接触。4.如权利要求1所述的一种用于两栖球形机器人的轮腿式复合驱动机构，其特征在于，所述机械腿(1-2)沿球形机器人周向移动的角度为0°～90°。5.如权利要求1所述的一种用于两栖球形机器人的轮腿式复合驱动机构，其特征在于，所述可升降滑动关节1-1包括：舵机(4-1)、移动平台(4-2)、支撑腿(4-3)、可升降滑动关节固定杆(3-1)、上横梁(3-2)、下横梁(3-8)、固定导向杆(3-5)及丝杠(3-6)；所述移动平台(4-2)上安装有用于与固定导向杆(3-5)滑动配合的导向套(3-12)以及用于与丝杠(3-6)配合的内螺纹套(3-7)；支撑腿(4-3)的底部安装有万向滚轮(4-4)；上横梁(3-2)通过可升降滑动关节固定杆(3-1)固定在球形机器人底部的中间板上，其下表面通过两个以上固定导向杆(3-5)与下横梁(3...

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