一种两栖仿生龟机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种两栖仿生龟机器人，它具有四条相同结构的腿模块单元，十六个独立可控关节通过冗余驱动可同时实现陆地及水中运动，具有很强的环境适应性。陆地运动步态以髋关节、俯仰关节和膝关节为驱动关节，旋转关节冗余；水下运动步态则以髋关节、俯仰关节和旋转关节为驱动关节，膝关节冗余。机器人还配备浮力调节系统，能够自由控制整机在水中的上浮下潜。机器人系统的动力系统和控制系统放置在机身密封舱内进行保护，关键部件的防水密封则采用浸油密封与接缝处涂抹密封胶的方法。本发明专利技术具有运动形式丰富，承载能力强、关节回转角度大，机动性、灵活性好等优点，在不同环境中的特定运动方式均具有很高的运动效率，机器人能够适应多介质环境。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器人
，具体涉及一种适应多介质环境的两栖仿生龟机器 人。
技术介绍
随着国家海洋开发战略和军事战略的发展，获得海洋及滨海地区的技术优势和军 事优势成为国家安全防御问题专家和国防技术研究人员关注的焦点。具有高度机动能力、 能够携带有效载荷的两栖机器人能完成海军登陆作战中的两栖侦查、排雷、爆破、通讯中继 等恶劣环境下的作战任务；又能完成复杂海洋环境下的海底测量、石油开采、水下打捞、抢 险救灾、反恐防暴等不适合由人来承担的任务。因此，研究运用无机元器件和有机功能体相 配合所组建起来的在运动机理、行为方式、感知模式、信息处理和控制协调等多方面具有高 级生命形态特征且能在多介质环境下灵活运动的两栖仿生机器人具有重要的应用价值和 社会效益。在近几年，两栖机器人的技术研究得到了迅猛发展。不少学者研制出了两栖机器 人的机械系统或其试验模型。如日本东京工业大学的Hirose教授研制了一系列蛇形机器 人样机，可以实现直接单元驱动、侧面滚动、螺旋运动、S曲线空间运动等各种运动形式。美 国海军研究部门设计的仿生鳗以海洋中的七星鳗为原型，采用模块化设计，能够实现长途 洄游，主要应用于海洋军事探测。瑞士联邦技术学院研制的蛇形仿生机器人AmphiBot- I， 以蛇和鳗等长体型脊椎动物为原型，它既可以像海蛇和鳗那样在水中进行鳗状游动，也可 像蛇那样在陆地上侧向波动爬行。国内上海交通大学、中国科学院沈阳自动化所、国防科技 大学等单位相继研制出了蛇形机器人样机。美国DARPA和iRobot机器人公司共同研制的 扫雷机器人Ariel，以螃蟹为仿生原型。该机器人已经在美国海军作战中心进行了演示，分 别在陆地和浅水中模拟了扫雷任务，实验取得了成功。国内哈尔滨工程大学、燕山大学、哈 尔滨理工大学也开展了两栖仿生蟹的研究，上海交通大学对两栖仿生龟的运动机理作了探 讨。美国Massa Products公司研制了仿生虾机器人，能在波涛汹涌并含有浅滩的海域中， 平稳地搜索危险的爆炸物，探测海底的表面，探污等。综上可见，目前在两栖仿生机器人领 域的研究中，主要以蛇、鳗、蟹、虾等海洋环境中的生物为仿生原型，并且已经实现了一定程 度上的两栖运动功能，但普遍存在如下不足运动形式单一，如仿生蟹在陆上爬行时具有很好的运动性能，但入水后依然采用 爬行的运动形式，不仅受介质环境影响变得很难控制，而且运动效率也急剧降低。机构的驱 动方式缺乏多样性和灵活性，现有的仿生机器人虽然在结构上普遍采用了仿生设计，但大 多数机构都采用单一的冗余驱动方式或欠驱动方式。不适宜作为工作平台，具体表现在仿 生鳗、仿生蛇机器人的身体很难加载工作臂，仿生虾承载能力不够，而仿生蟹则由于无法在 水中稳定可靠的运动，亦不适于作为海洋环境中的合适的工作平台。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能克服上述缺陷的以生物龟为仿生原型的两栖仿生 龟机器人，该机器人有可独立控制的16个驱动关节，可同时实现陆地运动步态和水中运动 步态，具有良好的环境适应性。本专利技术提供的一种两栖仿生龟机器人，其特征在于，该机器人包括第一至第四腿 模块单元，浮力装置及机身舱体；第一至第四腿模块单元具有相同结构；每个腿模块单元均包括第一至第四驱动模 块，髋关节连接模块，小腿模块，以及第一、第二 L型架，舵盘连接件，第一、第二连接板；第一至第四驱动模块具有相同的结构；每个驱动模块均包括尾轴、U型主支架、驱 动单元和圆舵盘，驱动单元固定在U型主支架上，尾轴卡在U型主支架上，尾轴与驱动单元 的输出轴同轴，圆舵盘与驱动单元的输出轴相连；髋关节连接模块包括髋关节连接件和固定连接在髋关节连接件四周的第三至第 六连接板；其中，第三、第五连接板平行且方向相同，第四、第六连接板平行且方向相同，且 第三连接板与第四连接板的方向相反，且相位相差90° ；小腿模块包括迎水板、虎克铰、旋转足端和防滑底座；迎水板的下端安装有虎克 铰，旋转足端安装在虎克铰的下端，防滑底座固定在旋转足端的下部；小腿模块通过迎水板 上端与第四驱动模块的U型主支架固定连接；第一至第四腿模块单元均通过各自的第一、第二 L型架与机身相连，L型架及L型 架分别与第一驱动模块中的U型主支架的两侧相连；第一驱动模块的圆舵盘与髋关节连接 模块中的第五连接板相连，用于输出转动扭矩；第一驱动模块底部有尾轴架在髋关节连接 模块中的第三连接板上；髋关节连接模块中的第四连接板与第二驱动模块的圆舵盘相连， 髋关节连接模块中的第六连接板与第二驱动模块的尾轴相连；第二驱动模块通过其U型主支 架与舵盘连接件相连，舵盘连接件与第三驱动模块的圆舵盘相连；第一、第二连接板分别与第 三驱动模块中的U型主支架在两侧相连；第一连接板与第四驱动模块的圆舵盘相连，第二连接 板与第四驱动模块的尾轴相连；小腿模块通过迎水板安装在第四驱动模块的U型主支架上。本专利技术通过冗余驱动变拓扑结构即可同时实现陆地运动步态和水中运动步态，与 现有技术相比，本专利技术有以下优点1)运动形式丰富。其具有冗余驱动和变拓扑结构的腿 模块单元使其在不同的环境介质下可以采用不同的运动形式，如在陆地上的爬行方式、水 面上的浮游方式、水中的类似于鳍的滑游、水底行走等，这些在不同环境中的特定运动方式 均具有很高的运动效率，使机器人能够适应更为复杂的环境。2)该机器人承载能力强。由 于仿生龟的形体特征和运动特征，它具有承载能力大的优点。其腿模块单元既可以作为运 动器官完成步行、划水等运动，又可以作为机械臂完成样品采集、捕捉、检测等操作。附图说明图1为本专利技术提供的两栖仿生龟机器人的整体结构示意图；图2为图1中机器人腿模块单元的结构示意图；图3为图2中驱动模块的结构示意图；图4为图2中髋关节连接模块的结构示意图；图5为图2中小腿模块单元的结构示意4图6为图1中机身舱体内部的结构示意图；图7为图1中浮力装置的结构示意图；图8为该两栖仿生龟机器人的腿模块单元在其进行爬行运动与进行水中游动时 不同的拓扑结构示意图；图9为该两栖仿生龟机器人陆地爬行时的步态动作示意图；图10为该两栖仿生龟机器人水中游动时的步态动作示意图。具体实施例方式下面通过借助实施例和附图更加详细地说明本专利技术，但以下实施例仅是说明性 的，本专利技术的保护范围并不受这些实施例的限制。如图1所示，机器人包括第一至第四腿模块单元001，002，003，004，浮力装置005 及机身舱体006。腿模块单元001、002、003、004具有相同结构。如图2所示，每个腿模块单元均包 括第一至第四驱动模块007、009、010、011，髋关节连接模块008，小腿模块012，以及第一、 第二 L型架1、2，舵盘连接件3，第一、第二连接板4、5 ；四个驱动模块007、009、010、011具有完全相同的结构。如图3所示，机器人驱动模块的结构为驱动单元8固定在U型主支架7上，尾轴6卡在U型主支架7上，尾轴6与 驱动单元8的输出轴同轴，圆舵盘9与驱动单元8的输出轴相连，起输出转动力矩及连接固 定的作用。驱动单元8的形式不限，可以为舵机、直流电机等各种运动部件。如图4所示，髋关节连接模块008起着连接机器人的髋关节与俯仰关节的作用，髋 关节连接件13的四周均固定连接有第三至第六连接板10、11、12和14，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两栖仿生龟机器人，其特征在于，该机器人包括第一至第四腿模块单元，浮力装置及机身舱体；第一至第四腿模块单元具有相同结构；每个腿模块单元均包括第一至第四驱动模块，髋关节连接模块，小腿模块，以及第一、第二Ｌ型架（１、２），舵盘连接件（３），第一、第二连接板（４、５）；第一至第四驱动模块具有相同的结构；每个驱动模块均包括尾轴（６）、Ｕ型主支架（７）、驱动单元（８）和圆舵盘（９），驱动单元固定在Ｕ型主支架上，尾轴卡在Ｕ型主支架上，尾轴与驱动单元（８）的输出轴同轴，圆舵盘（９）与驱动单元（８）的输出轴相连；髋关节连接模块包括：髋关节连接件（１３）和固定连接在髋关节连接件四周的第三至第六连接板（１０、１１、１２、１４）；其中，第三、第五连接板（１０、１２）平行且方向相同，第四、第六连接板（１１、１４）平行且方向相同，且第三连接板（１０）与第四连接板（１１）的方向相反，且相位相差９０°；小腿模块包括迎水板（１５）、虎克铰（１６）、旋转足端（１７）和防滑底座（１８）；迎水板（１５）的下端安装有虎克铰（１６），旋转足端（１７）安装在虎克铰（１６）的下端，防滑底座（１８）固定在旋转足端（１７）的下部；小腿模块通过迎水板（１５）上端与第四驱动模块的Ｕ型主支架（７）固定连接；第一至第四腿模块单元均通过各自的第一、第二Ｌ型架（１、２）与机身相连，Ｌ型架（１）及Ｌ型架（２）分别与第一驱动模块中的Ｕ型主支架（７）的两侧相连；第一驱动模块的圆舵盘（９）与髋关节连接模块中的第五连接板（１２）相连，用于输出转动扭矩；第一驱动模块底部有尾轴（６）架在髋关节连接模块中的第三连接板（１０）上；髋关节连接模块中的第四连接板（１１）与第二驱动模块的圆舵盘（９）相连，髋关节连接模块中的第六连接板（１４）与第二驱动模块的尾轴（６）相连；第二驱动模块通过其Ｕ型主支架（７）与舵盘连接件（３）相连，舵盘连接件（３）与第三驱动模块的圆舵盘（９）相连；第一、第二连接板（４、５）分别与第三驱动模块中的Ｕ型主支架（７）在两侧相连；第一连接板（４）与第四驱动模块的圆舵盘（９）相连，第二连接板（５）与第四驱动模块的尾轴（６）相连；小腿模块通过迎水板（１５）安装在第四驱动模块的Ｕ型主支架（７）上。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈学东，韩斌，李小清，黄显智，李云喆，王希路，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]