一种带倾转轴的水陆两栖机器人及控制方法技术

本发明专利技术属于水陆两栖机器人领域，公开了一种带倾转轴的水陆两栖机器人及控制方法，包括外壳、浆轮、倾转轴模块、和控制系统，两个所述倾转轴模块对称分布在外壳左右两侧，所述倾转轴模块两端从外壳内向外壳外延伸出外壳，所述浆轮安装在倾转轴模块两端，所述浆轮轮轴方向与倾转轴轴线方向垂直，所述控制系统安装在外壳内，所述倾转轴模块与控制系统电连接，所述控制系统控制倾转轴模块转动，从而改变浆轮的方向。本发明专利技术利用单一的倾转机构同时满足了陆地、水面和水下三种环境所需的驱动方式，减少了整机重量，所有驱动模式均由单一机构的变形实现，结构简单紧凑，实现了机器人的轻量化和小型化。小型化。小型化。

【技术实现步骤摘要】
一种带倾转轴的水陆两栖机器人及控制方法


[0001]本专利技术属于水陆两栖机器人领域，尤其涉及一种带倾转轴的水陆两栖机器人及控制方法。

技术介绍

[0002]两栖机器人具有在水陆不同环境运动的能力，能够担任在水陆环境下的多种任务。研究能够适应多种地形环境的两栖机器人，对经济发展、环境监测、资源勘探、军事任务等方面具有重大意义。
[0003]现有的两栖机器人从陆地上运动机构上划分主要分为轮式、腿式、类蛇式等，轮式的行走机构结构简单，能量效率好，运动速度快但是其运动形式较为单一，越障能力和多地形通过能力差；腿式两栖机器人凭借其多自由度的关节腿可以轻松实现越障，拥有复杂地形通过能力，但是其速度慢控制复杂，并且能量利用率低；类蛇式水陆两栖机器人运动空间要求低，能通过狭窄的地形，可用于特殊环境下的救灾抢险，但是其在恶劣环境下易出现故障。水陆两栖机器人在水下常见的推进方式有仿鱼式摆动式推进、喷水式推进、螺旋桨式推进等。仿鱼式水陆机器人结构复杂且效率较低；喷水式推进不易精确控制其参数；螺旋桨式推进结构简单但是在水中灵活性较差。
[0004]中科院沈白所曾将水中推进用的螺旋桨和在陆地上常用的轮式结构组合到一起研制出一种轮浆式水陆两栖机器人，该机器人轮子外缘部分成非连续结构，在陆地上起到腿部的行进效果，在海洋环境中，轮桨腿能为该机器人提供足够的推力来实现该机器人，通过在机器人中部设置导流板实现机器人的浮潜；专利号202010893885.8公开了一种桨腿式可变形水陆两栖六足机器人,六个桨腿对称分布在底盘的前部、中部和后部,沿周向驱动即可作为陆上柔顺腿式驱动机构, 沿轴向驱动作为在水下螺旋桨式推进器。
[0005]上述类型的两栖机器人虽然采用一体化的结构结合了各类型的优势，但难以利用简单机构使两栖机器人同时拥有实现陆地，水面和水下三种环境运动能力。针对上述不足，需要设计和开发一款结构简单且在陆地、水面和水下均具有较好运动性能的水陆两栖机器人。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的在于提供一种带倾转轴的水陆两栖机器人及控制方法，以解决上述的技术问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术的一种带倾转轴的水陆两栖机器人及控制方法的具体技术方案如下：一种带倾转轴的水陆两栖机器人，包括外壳、浆轮、倾转轴模块、和控制系统，两个所述倾转轴模块对称分布在外壳左右两侧，所述倾转轴模块两端从外壳内向外壳外延伸出外壳，所述浆轮安装在倾转轴模块两端，所述浆轮轮轴方向与倾转轴轴线方向垂直，所述控制系统安装在外壳内，所述倾转轴模块与控制系统电连接，所述控制系统控制倾转轴模块
转动，从而改变浆轮的方向。
[0008]进一步的，所述外壳包括壳体和壳体上方的密封盖，所述壳体四角处具有供倾转轴模块通过的轴孔，四个所述轴孔大小形状完全相同，所述轴孔内壁设置有密封圆形沟槽，所述密封圆形沟槽内具有O型橡胶圈。
[0009]进一步的，所述轴孔内壁具有两层密封圆形沟槽，所述密封圆形沟槽内具有O型橡胶圈，形成两层密封圈结构。
[0010]进一步的，所述壳体上侧开口处具有两层圆角四边形沟槽，所述圆角四边形沟槽内具有橡胶圈。
[0011]进一步的，所述倾转轴模块包括外转子电机、倾转轴、蜗轮、蜗杆34、联轴器、步进电机、步进电机支架和步进电机盖板；两个所述步进电机支架固定安装在壳体底部左右两侧，所述步进电机盖板和步进电机支架共同固定步进电机，所述步进电机通过联轴器连接蜗杆，所述蜗杆位于蜗轮上方并与蜗轮机械配合，所述蜗轮通过顶丝固定安装在倾转轴的中部，所述倾转轴两端从壳体的轴孔延伸出壳体，所述倾转轴和壳体不直接接触，所述倾转轴和轴孔之间通过O型橡胶圈动密封，所述倾转轴两端与外转子电机固定连接，所述外转子电机与控制系统信号连接。
[0012]进一步的，所述外转子电机自带角位移传感器，角位移传感器与控制系统5信号连接。控制系统通过PID对外传子电机进行控制。
[0013]进一步的，所述倾转轴包括蜗轮轴、光轴和电机固定轴，所述蜗轮轴两端与光轴固定连接，所述光轴与电机固定轴固定连接，所述电机固定轴与外转子电机固定连接，所述外转子电机的转子与浆轮固定连接，所述电机固定轴内中空可供导线穿过，所述光轴上具有供导线穿出的引线通孔。
[0014]进一步的，所述铜环碳刷装置包括铜环、绝缘环、铜销、碳刷支架、碳刷盖板、碳棒、弹簧和导电铜片；所述铜环套在光轴外与光轴固定连接，所述铜环内壁具有突起的铜销，所述碳刷支架上具有限位槽，所述限位槽内由外到内依次安装有碳棒、弹簧和导电铜片，所述碳棒与铜环相切紧密接触，所述弹簧安装在碳棒和导电铜片之间，所述导电铜片和碳棒通过导线相接，所述导电铜片与控制系统电连接，所述碳刷盖板固定安装在碳刷支架上，所述外转子电机的导线穿入电机固定轴内由光轴上的通孔穿出与铜环内的铜销固定连接。
[0015]进一步的，所述浆轮包括第一浆轮、第二浆轮、第三浆轮和第四浆轮，所述第一浆轮和第二浆轮的轮辐为右旋螺旋桨叶，所述第三浆轮和第四浆轮轮辐为左旋螺旋桨叶，每个所述浆轮的轮轴为圆柱形盒体，所述浆轮外缘部分为非连续结构，每个浆轮的桨叶末端轮缘宽40mm。
[0016]本专利技术还公开了一种带倾转轴的水陆两栖机器人的控制方法，包括如下步骤：步骤1：第一浆轮、第二浆轮首先入水，机器人处于负浮力状态；步骤2：浆轮逐渐浸于水中至完全浸没时，控制系统通过控制步进电机的旋转从而控制倾转轴倾转，使两侧倾转轴同时向外倾转；此时浆轮旋转桨叶产生推力斜向上，推力沿竖直向上的分力使机器人悬浮在水中，延水平方向的分力因为浆轮桨叶螺旋方向相反而导致产生的水平分力方向相反，最终四个浆轮产生的力矩使机器人逆时针旋转；步骤3：当机体旋转90度时，控制系统控制第三浆轮和第四浆轮的外转子电机反转，机器人前进运动方向与外壳长边共线。
[0017]本专利技术的一种带倾转轴的水陆两栖机器人及控制方法具有以下优点：本专利技术的水陆两栖机器人进入水中后处于负浮力状态，浆轮桨叶末端宽阔的轮缘能为其在进入海洋与陆地交界区域时提供足够的摩擦力，不至于被海浪拍回陆地。
[0018]本专利技术进入浅滩后，先后入水的两组浆轮由于螺旋桨旋向相反，因此产生相反方向的侧向推动力，机器人受力矩作用自动旋转机体，使机体长边作为前进方向，由此完成入水动作。
[0019]本专利技术在水下时，机器人通过倾转轴的倾转改变浆轮产生的推力的方向，能够轻松地在三维空间内向各个方向运动，并且具有很高的灵活性。
[0020]本专利技术将外转子电机的导线从倾转轴中穿过引入到壳体内，配合铜环碳刷装置解决了倾转模块倾转时电线缠绕的问题。
[0021]本专利技术利用单一的倾转机构同时满足了陆地、水面和水下三种环境所需的驱动方式，减少了整机重量，所有驱动模式均由单一机构的变形实现，结构简单紧凑，实现了机器人的轻量化和小型化。
附图说明
[0022]图1为本专利技术的带倾转轴的水陆两栖机器人整体结构图；图2为本专利技术的倾转轴模块、铜环碳刷装置和控制系统位置图；图3为本专利技术的外壳结构图；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带倾转轴的水陆两栖机器人，包括外壳（1）、浆轮（2）、倾转轴模块（3）、和控制系统（5），其特征在于，两个所述倾转轴模块（3）对称分布在外壳（1）左右两侧，所述倾转轴模块（3）两端从外壳（1）内向外壳（1）外延伸出外壳（1），所述浆轮（2）安装在倾转轴模块（3）两端，所述浆轮（2）轮轴方向与倾转轴（32）轴线方向垂直，所述控制系统（5）安装在外壳（1）内，所述倾转轴模块（3）与控制系统（5）电连接，所述控制系统（5）控制倾转轴模块（3）转动，从而改变浆轮（2）的方向。2.根据权利要求1所述的带倾转轴的水陆两栖机器人，其特征在于，所述外壳（1）包括壳体（11）和壳体上方的密封盖（12），所述壳体（11）四角处具有供倾转轴模块（3）通过的轴孔（111），四个所述轴孔（111）大小形状完全相同，所述轴孔（111）内壁设置有密封圆形沟槽（112），所述密封圆形沟槽（112）内具有O型橡胶圈（13）。3.根据权利要求2所述的带倾转轴的水陆两栖机器人，其特征在于，所述轴孔（111）内壁具有两层密封圆形沟槽（112），所述密封圆形沟槽（112）内具有O型橡胶圈（13），形成两层密封圈结构。4.根据权利要求2所述的带倾转轴的水陆两栖机器人，其特征在于，所述壳体（11）上侧开口处具有两层圆角四边形沟槽（113），所述圆角四边形沟槽（113）内具有橡胶圈。5.根据权利要求2所述的带倾转轴的水陆两栖机器人，其特征在于，所述倾转轴模块（3）包括外转子电机（31）、倾转轴（32）、蜗轮（33）、蜗杆（34）、联轴器（35）、步进电机（36）、步进电机支架（37）和步进电机盖板（38）；两个所述步进电机支架（37）固定安装在壳体（11）底部左右两侧，所述步进电机盖板（38）和步进电机支架（37）共同固定步进电机（36），所述步进电机（36）通过联轴器（35）连接蜗杆（34），所述蜗杆（34）位于蜗轮（33）上方并与蜗轮（33）机械配合，所述蜗轮（33）通过顶丝固定安装在倾转轴（32）的中部，所述倾转轴（32）两端从壳体（11）的轴孔（111）延伸出壳体（11），所述倾转轴（32）和壳体（11）不直接接触，所述倾转轴（32）和轴孔（111）之间通过O型橡胶圈（13）动密封，所述倾转轴（32）两端与外转子电机（31）固定连接，所述外转子电机（31）与控制系统（5）信号连接。6.根据权利要求2所述的带倾转轴的水陆两栖机器人，其特征在于，所述外转子电机（31）自带角位移传感器，角位移传感器与控制系统（5）信号连接。控制系统（5）通过PID对外传子电机（31）进行控制。7.根据权利要求5所述的带倾转轴的水陆两栖机器人，其特征在于，所述倾转轴（32）包括蜗轮轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏婷，徐家明，张涵莹，刘莉莉，柳濠，杨宇伟，黄忠，
申请(专利权)人：海南大学，
类型：发明
国别省市：