CN101456341A - 多模态仿生两栖机器人 - Google Patents
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Abstract
一种多模态仿生两栖机器人，包括头部、可替换轮桨/鳍肢机构、推进单元和尾柄复合驱动机构。在水中，推进单元和尾柄复合驱动机构往复摆动在水平面内仿鱼推进，转体机构将推进单元和尾柄复合驱动机构旋转90°，将仿鱼推进换成仿海豚式游动；鳍肢机构协助尾部推进完成前进、后退、转弯和俯仰，轮桨机构协助机器人转弯；在陆地，鳍肢机构连续旋转使机器人在地面爬行，其连续转动时，仿轮式机构的运动，提高运动速度，并有越障能力，且被动轮减小陆地活动时的阻力。分别位于头部和推进单元的两个液位传感器使机器人实时感应自身所处环境，当水陆环境变化时，主控制板根据液位传感器信息，采用相应运动策略，完成陆地和水中运动模式之间的智能切换。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，是一种多模态仿生两栖机器人。
背景技术
两栖动物作为最原始的陆生脊椎动物，经历了漫长的自然选择，是脊椎动物进化史上由水生到陆生的过渡类型，既有从鱼类祖先继承下来的适应水生生活的性状，又有适应陆地生活的新性状。在地球上，除了南极和格陵兰岛以外，其它任何地区都有两栖动物，因此具有很强的环境适应能力。
近年来，计算机***的发展推动了机器人技术的进步，机器人的种类不断增加，除了主要用于制造业的工业机器人外，还出现了应用于航天(如美国的勇气号和机遇号火星车)、航海(如深海作业机器人)、医疗护理(如手术机器人)、服务(如机器人保姆)、军事(如排雷机器人)等领域的机器人。但是，大多数机器人只能在单一环境下活动，例如陆地移动机器人由于没有水中推进机构或不具备防水功能，不能进行水下活动，而水下机器人大多不具备或没有足够的陆地运动能力。受两栖类动物的启发，人们对既能适应陆地和近海滩涂的多变地形，又能适应复杂水环境的两栖机器人产生了浓厚的兴趣，自然界中具有良好两栖适应性的蟹、龟、蛙、鳄鱼、企鹅、蝾螈等动物为两栖机器人设计提供了生物原型。目前，国内外对于水陆两栖机器人的研究尚处于起步阶段，和其它类型的机器人相比，研究成果相对较少。
根据运动方式不同，目前的两栖机器人大致可以分为两类：腿式两栖机器人和蛇形两栖机器人。
腿式两栖机器人：
美国凯斯西储大学(CWRU)和美国海军研究院(NPS)的研究人员提出了一种具有全地形适应性的仿蟑螂两栖机器人设计方案，称作“Whegs IV”，它采用简化的三辐轮腿机构实现蟑螂腿的功能，每个轮腿机构都采用柔性机构设计，相邻***有60°的相位差，Whegs IV在陆地或水底正常行进时可实现三角步态，轮腿机构的轮辐采用传统螺旋状设计，旋转时推动Whegs IV在水下运动，并通过体关节的正负转动实现机器人上升和下潜。
美国东北大学海洋科学中心的J Ayers基于龙虾和小龙虾的神经控制研究成果相继开发了三代机器龙虾(Lobster robot)，它采用八条三自由度的腿推进，每条腿采用以镍钛诺合金为材料的人工肌肉为驱动器，并采用基于神经元电路的控制器来实现机器龙虾的各种行为。
IS Robotics和Rockwell International于1996年推出了一种六腿仿螃蟹机器人，名为ALUV(Autonomous Legged Underwater Vehicle)，它采用两段式腿部设计，每条腿的两段可以独立旋转，且旋转轴共面，实现了和实际螃蟹“横行”相同的步态。
国内哈尔滨工程大学机电工程学院研制了一种两栖仿生机器蟹，能够按照双四足步态在平坦的地面上实现前进、后退、横行、左右转弯等动作，将机器蟹整体放入根据其外形定制的柔性皮套内可以实现在水中的运动。
Nekton Research公司和Vassar College研制了一种名为Madeleine的两栖机器人装置，身体两侧各有两个平行的鳍作为驱动装置，能在海底和海滩爬行。
上海交通大学机器人研究所的研究人员提出了一种四足两栖机器龟的设计方案，能够在水中游动和陆上爬行。
在美国国防高级研究计划局(DARPA)的资助下，加拿大麦吉尔大学、密歇根大学、加州大学伯克利分校、卡内基梅隆大学等机构于1999至2004年间联合研制了一系列腿式机器人，名为RHex。其中Shelly-RHex和Rugged-RHex具有防水能力，可在陆地和水面活动，也可称为两栖机器人。
在RHex系列陆地机器人的基础上，麦吉尔大学等研制了一种两栖机器人AQUA，游动时，AQUA利用6个桨的拍动控制自身速度和姿态；在陆地活动时，AQUA把桨用作腿走动。
蛇形两栖机器人：
东京工业大学机器人实验室研制了一种两栖蛇形机器人ACM-R5，不仅能在陆地爬行，还能在水中游动，它由一系列关节组成，每个关节有两个自由度，为了使关节防水，每个关节都由伸缩膜覆盖，关节连接处用O型圈密封。
瑞士联邦工学院的A Crespi研制了蛇形机器人AmphiBot，每个关节有一个旋转自由度，可以在地面和水面活动。
可以看出，国内外关于两栖机器人的研究多集中于推进机构的探索性研究，虽然取得了一定的研究进展，但是和仿生对象相比，实际性能比如速度、机动性、地形适应性等相对较差，两栖活动能力不能同时得到保障。为了解决目前两栖机器人存在的一些问题，提高两栖机器人的综合活动能力，中国科学院自动化研究所在国家高技术研究发展计划的支持下，深入研究了适用于陆地和水中的驱动机构以及相应的控制策略和方法，发明了能够在水中和陆地自由活动的两栖机器人。
发明内容
本发明的目的是，为了解决现有两栖机器人两栖活动能力有限且不能同时得到保障，智能化程度不高的问题，以仿鱼推进为基础，辅以轮浆/鳍肢复合推进机构，提供了一种多模态仿生两栖机器人。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种多模态仿生两栖机器人，包括头部、驱动单元组、尾柄复合驱动机构；其中，头部内腔中有机器人的控制、通讯部件，头部壳体两侧水平伸出直流电机输出轴的两端，两端头分别固接有轮桨机构或鳍肢机构，头部壳体后端纵向伸出转体机构的输出轴；驱动单元组由多个仿鱼推进单元组成，头部壳体后端通过转体机构的四爪输出轴与第一仿鱼推进单元外壳前端的连接盘连接，其余仿鱼推进单元外壳头尾顺序通过连杆相连，最后的仿鱼推进单元外壳底面下方设有一对被动轮；尾柄复合驱动机构由尾柄、尾鳍、同步带轮机构组成，尾柄设有尾架，弓形尾架的上自由端与最后的仿鱼推进单元外壳顶面伸出的与第二舵机动连接的第二输出轴固接，下自由端与最后的仿鱼推进单元外壳底面伸出的与第一舵机动连接的第一输出轴动连接；最后的仿鱼推进单元外壳底面伸出的第一输出轴经同步带轮机构与尾鳍动连接；
在陆地上，多模态仿生两栖机器人的轮桨或鳍肢机构连续旋转，驱动机器人前进、后退；在水中，多模态仿生两栖机器人依靠仿鱼推进单元和尾柄复合驱动机构的往复摆动推动机器人前进，实现仿鱼游动，转体机构将仿鱼游动转换为仿海豚式游动，实现在垂直平面内的活动；机器人可以根据传感器信息识别自身所在水陆环境，自动切换运动模式。
所述的多模态仿生两栖机器人，其所述头部，头部壳体包括上下前后侧壁构成的框架和两侧的端盖，内部为一容腔；壳体上侧壁上开有编程孔，当机器人调试时，JTAG接口线从编程孔伸出，和仿真器连接，实现机器人调试和程序下载，调试下载完成后，将端盖封在编程孔上；两L形直流电机定位架轴向固定在壳体内底侧，两直流电机的一端分别固定在定位架上，其各电机轴穿过定位架的一端安装有定位码盘和锥齿轮；输出轴定位架固定在壳体内底侧，位于两直流电机定位架之间，其定位孔上安装轴承，另两个锥齿轮分别通过轴销固定在直流电机输出轴上，位于安装轴承两侧，两组锥齿轮分别相互啮合，输出轴的中部和轴承配合，两端各穿过一机械密封套件伸出端盖外，两机械密封套件由螺钉固定在两侧端盖上，从而，直流电机轴转动带动两组锥齿轮转动，又带动直流电机输出轴转动，电机输出轴带动轮桨机构或鳍肢机构，实现动力输出；对射式红外传感器安装在壳体内底侧，当定位码盘跟随直流电机输出轴转动到传感器的槽***置时，对射式红外传感器将会动作，将TTL电平传送至竖直安装在壳体内后侧壁上的直流电机控制器，实现轮桨机构或鳍肢机构上电时的初始位置定位；左右直流电机的安装、控制、输出具有对称结构，输出轴定位架保证了左右输出的同轴性；
头部舵机定位架固定在壳体内底侧，位于两直流电机之间，舵机一端的凸台卡在定位架的定位盲孔中，轴向设置，另一端通过连轴器和四爪输出轴的一端相连，四爪输出轴穿过机械密封套件伸出壳体后侧，与第一仿鱼推进单元外壳前端的连接盘连接，舵机在±90°内旋转，实现机器人转体；液位传感器、压力传感器、反射式红外传感器和开关由胶固定、密封在壳体上，锂聚合物充电电池粘在直流电机下方，位于直流电机和直流电机定位架中间，端盖由胶及法兰固定在壳体两侧，头部和后面的走线都通过走线孔，走线孔通过胶固定和密封。
所述的多模态仿生两栖机器人，其所述多个仿鱼推进单元为三个，其中，
第一仿鱼推进单元、第二仿鱼推进单元的结构是，壳体包括上下前后侧壁构成的框架和两侧的端盖，框架两侧端以法兰口与端盖密封固接，内部为一容腔；舵机的凸台卡在壳体内底侧的盲孔中，舵机的前侧通过定位孔固定在定位架上，定位架的下部卡在壳体底侧的方形凸台上，舵机转轴通过连轴器和四爪输出轴连接，四爪输出轴穿过机械密封套件伸出壳体上侧与连杆固连，实现动力输出；二块锂聚合物充电电池用胶固定在壳体内前侧，充电头、充气孔位于上侧前部，充电头、充气孔由胶固定在壳体上，走线通过走线孔，走线孔通过胶固定和密封；
第三仿鱼推进单元的壳体与第一仿鱼推进单元、第二仿鱼推进单元的壳体结构相近，其内腔有两个舵机，两L形定位架固定在壳体内上侧，第一、二舵机上侧的凸台分别卡在定位架的盲孔内，前侧的定位孔分别固定在定位架上；第一舵机下侧转轴上的齿轮和第一输出轴上部的齿轮啮合，第二舵机上侧转轴上的齿轮和第二输出轴下部的齿轮啮合，第一、二输出轴共一轴线，第一输出轴上端、第二输出轴下端固接于定位架孔内的上下叠置的两轴承内孔内，使得两个舵机的输出同轴运动；第一输出轴下端伸出壳体下方，第二输出轴上端伸出壳体上方，第一、二输出轴的外端分别与尾柄复合驱动机构动连接；
液位传感器由胶固定、密封在壳体底部；充电头、充气孔由胶固定、密封在壳体上侧壁；锂聚合物电池用胶粘在壳体前侧壁内侧。
所述的多模态仿生两栖机器人，其所述第三仿鱼推进单元内的定位架为条状，其外端固接于壳体后侧内壁，内端的定位孔中安装有两轴承，两轴承在孔内上下叠置。
所述的多模态仿生两栖机器人，其所述第一、二输出轴的外端分别与尾柄复合驱动机构动连接，其中，尾柄复合驱动机构的尾柄包括尾架、尾夹、尾鳍、同步带轮机构，同步带轮机构包括两同步带轮、同步带，同步带绕两同步带轮设置；尾架由两个反向弓形架固接而成，前弓架上端固接于第二输出轴上端，下端可活动式套接于第一输出轴下部外周圆，第一输出轴下端固接一同步带轮，该同步带轮位于前弓架下端外侧，后弓架两端与传动轴动连接，另一同步带轮固接于传动轴下端，位于后弓架下端外侧，尾夹位于后弓架两端内侧，套固于传动轴外周圆，尾鳍前端固接于尾夹后侧面。
所述的多模态仿生两栖机器人，其所述机械密封套件，为所有动力输出的动密封件，该机械密封套件结构如下：法兰套中有两个台阶孔，两个轴承分别和这两个台阶孔过盈配合，安装轴承后，法兰套中间形成一个腔体，腔体内填充密封介质黄油，四爪输出轴通过轴承、腔体穿出法兰套，由于黄油的存在，当四爪输出轴转动时，腔体将保持密封；直径等于或小于法兰套外径的O型圈套在法兰套外部，当机械密封套件由螺钉压合在壳体上时，O型圈将发生变形，保持整个机械密封套件外部的密封性。
所述的多模态仿生两栖机器人，其所述连接盘，由螺钉固定在第一仿鱼推进单元的壳体前外侧上；连杆一端和前一仿鱼推进单元的输出轴连接，另一端和后一仿鱼推进单元的壳体固连。
所述的多模态仿生两栖机器人，其所述连轴器，其底部和舵机输出端连接，连轴器的四个凹槽分别和四爪输出轴上的四个爪配合，实现动力输出。
所述的多模态仿生两栖机器人，其所述头部内腔中有机器人的控制、通讯部件，其电气结构上包括：主控制板、直流电机控制器、通讯模块、反射式红外传感器、对射式红外传感器、液位传感器、压力传感器；
其中，直流电机控制器和主控制板通过串行接口连接，接收主控制板的命令，实现直流电机运动控制；
通讯模块通过无线方式接收上次控制器的命令，返回自身信息，数据通过串行接口和主控制板交互，通讯波特率可调；
位于头部壳体前部和两侧的反射式红外传感器的信号线和主控制板相连，根据其前面的障碍物信息输出TTL电平，传送到主控制板，作为决策依据，障碍物探测距离可调；
对射式红外传感器的信号线和直流电机控制器相连，为上电时工作在Homing模式的直流电机控制器提供触发信号；
位于头部壳体前端弧形处的液位传感器和位于最后的仿鱼推进单元壳体下部的液位传感器和主控制板相连，输出TTL电平，为机器人所处环境判断提供决策依据。
位于头部壳体底部的压力传感器输出模拟信号，和主控制板的AD转换模块相连，AD转换模块通过SPI接口将转换结果传送至微处理器。
所述的多模态仿生两栖机器人，其所述控制、通讯部件的工作过程是：当机器人由胸鳍机构爬行或轮桨机构驱动进入水中时，由于机器人整体设计为中性浮力，机器人浮在水面上，此时，位于头部的液位传感器输出由高电平变为低电平，主控制板感知环境变化，将胸鳍/轮桨机构的陆地运动模式切换到划水运动模式，机器人逐渐进入水中，当尾部进入水中时，光电液位传感器输出由高电平变为低电平，主控制板使仿鱼推进单元组及尾柄动作，实现仿鱼的快速游动；当机器人由水环境回到陆地环境时，头部液位传感器输出由低电平变为高电平，主控制板将胸鳍/轮桨机构由划水运动模式切换到爬行运动模式，产生向前的牵引力，机器人完全上岸后，液位传感器由低电平变为高电平，主控制板将仿鱼推进单元和尾柄复合驱动机构恢复到中间位置。
本发明多模态仿生两栖机器人，不仅能在水中以仿鳍科鱼类和仿海豚两种模态游动，还能在陆地上以爬行或改进轮式运动，且能够自动识别本身所处环境，并根据传感信号自动决策，选择相应运动模态。
附图说明
图1本发明的总体结构图；
图2本发明的头部结构(一)示意图；
图3本发明的头部结构(二)示意图，其中，图3B为头部内部结构示意图，图3A为细部放大图；
图4本发明的模块化设计的仿鱼推进单元结构示意图；
图5本发明的第三仿鱼推进单元和尾柄复合驱动机构示意图，其中，图5A为第三仿鱼推进单元和尾柄复合驱动机构组合图，图5B为图5A的细部放大图；
图6本发明所使用的机械密封结构示意图；
图7本发明的可互换的轮桨/鳍肢机构示意图，其中，图7A为轮桨机构A12结构图，图7B为鳍肢机构A14结构图；
图8本发明的连接件示意图，其中，图8A是连接盘B4结构图，图8B是连杆B5结构图；
图9本发明的***硬件框图；
图10本发明的电源管理、JTAG接口和复位电路原理图；
图11本发明的AT91RM9200及其***电路原理图；
图12本发明的存储器扩展电路原理图；
图13本发明的RS232电平转换、AD转换、基准电源电路原理图；
图14本发明的总线收发器电路原理图；
具体实施方式
本发明的多模态仿生两栖机器人的具体特征如下：
头部构成：为了实现水中减阻和收纳众多机械、电气元件的需要，前部采取弧形设计，后面采用规则的平面形状。头部主要的驱动部件有直流电机和转体舵机。两个直流电机分别沿着机器人身体纵向安装在固定架上，电机的输出经锥齿轮改变90°后，带动头部电机轴旋转，当鳍肢机构安装在电机轴上时，其连续整周旋转可以带动机器人在地面上爬行，其围绕某一中心往复摆动可以实现机器人在水中的前进、倒退、转弯以及俯仰；轮桨机构采用了仿轮式四辐设计，当它和电机轴配合时，其转动可以带动机器人快速移动；转体舵机通过定位架固定在头箱体的底部，其输出轴和纵向平行，直接带动转体轴转动。
驱动单元组：每个单元组都包含舵机和可充电电池。舵机由定位架和壳体连接，电池由胶粘在壳体上。舵机的输出轴和连杆相连，带动后面的机构转动。第一单元通过轴套和头部转体机构的输出轴相连。前两个单元组各有一个舵机，而最后一个单元有两个舵机，其中一个经箱体顶部带动尾架转动，另一个经箱体底部输出，经过同步带轮机构驱动尾鳍转动。
机械密封：由于机器人要在水中运动，因此其防水性能至关重要。本发明设计了一种机械密封套件，并应用于所有动态密封，由于密封要求和设计需要的不同，各个密封套件的参数略有不同，但是原理完全相同。机械密封套件是由密封体、输出轴、O型圈、轴承和密封介质组成。输出轴上安装两个轴承，分别和密封体两端的两个台阶孔过盈配合，密封体中间填充密封介质黄油，这样，当输出轴转动时，由于有黄油的存在，水不可能渗漏；密封体的外侧套O型圈，并由螺钉将密封体和壳体连接，挤压变形后的O型圈确保了密封体外侧的防水。水下长时间的动态测试表明，机械密封套件的防水效果非常优异。
电气构成：本发明的电气构成主要包括主控制板、通讯模块、直流电机控制器、舵机，压力传感器、反射式红外传感器、对射式红外传感器、液位传感器、可充电电池。通讯模块通过无线方式和上层控制平台通讯，接收命令，返回机器人本体数据；直流电机控制器实现电机的Position模式、Velocity模式和Homing模式；舵机接收主控板的PWM控制信号，转动到指定位置，并保持在这一位置，直到下个命令；压力传感器输出0.5～4.5V的模拟信号，经过AD转换后传送到主控板，计算压力，并由此测算机器人在水中的深度；在接近/离开障碍物时，反射式红外传感器输出电平发生变化，并触发中断，实现机器人自主避障；上电时，对射式红外传感器为机器人提供绝对位置信息；液位传感器在陆地和水中会输出不同的电平信号，作为机器人决策的依据；位于头部和每个推进单元组的可充电锂聚合物电池为机器人提供能量；主控板以AT91RM9200为核心，包括电源模块、AD转换模块、RS232模块等，实现机器人的整体控制。
在水中，水下推进单元组在水平面内按照一定规律往复摆动，实现机器人在水平面内的机动活动；转体机构可使除头部以外的整个机器人旋转±90°，将水下推进单元组的水平面运动转换为竖直平面内的运动，实现仿海豚游动；在陆地，鳍肢机构连续旋转可使机器人在地面爬行；为了提高陆地运动速度，可用轮桨机构代替鳍肢机构，这种仿轮式运动既提高了运动速度，又保障了机器人的越障能力；在机器人头部的弧形区域和最后一个推进单元分别安装了液位传感器，通过传感器的液位信息量输出，感应机器人所在的环境，一旦环境发生变化，机器人自动切换到相应运动模态。
机器人的控制基于主控制板以及多传感器***，主控制板以ARM9芯片AT91RM9200为核心，采用嵌入式实时操作***μCOS-II，实现多传感器数据采集、通信、控制算法计算、舵机及直流电机控制等多任务的运行与调度，并做出智能决策，完成两栖机器人的多模态运动控制。
由图1可以看出，多模态两栖仿生机器人包括头部A、驱动单元组B和尾柄复合驱动机构C。其中，头部A壳体1两侧水平伸出直流电机输出轴19的两端，两端头分别固接有轮桨机构A12或者鳍肢机构A14(见图7)，头部A壳体1后端纵向伸出转体机构的输出轴。驱动单元组B由第一仿鱼推进单元B1、第二仿鱼推进单元B2、第三仿鱼推进单元B3组成，头部A壳体1后端通过转体机构的四爪输出轴9(见图2)与第一仿鱼推进单元B1外壳前端的连接盘B4(见图8A)连接，第一仿鱼推进单元B1外壳，第二仿鱼推进单元B2外壳、第三仿鱼推进单元B3外壳头尾顺序通过连杆B5相连。第三仿鱼推进单元B3外壳底面下方设有一对被动轮B6。尾柄复合驱动机构C由尾柄C1、尾鳍50、同步带轮机构C3组成，尾柄C1设有尾架48，弓形尾架48的上自由端与第三仿鱼推进单元B3外壳顶面伸出的第二舵机转轴动固接，下自由端与第三仿鱼推进单元B3外壳底面伸出的第一舵机转轴动连接。第三仿鱼推进单元B3外壳底面伸出的第一舵机转轴经同步带轮机构C3与尾鳍50动连接。
如图2、图3所示，头部A壳体1包括上下前后侧壁构成的框架和两侧的端盖6，框架两侧端以法兰口与端盖6密封固接，内部为一容腔。壳体1上侧壁上开有编程孔2，当机器人调试时，JTAG接口线从编程孔2伸出，和仿真器连接，实现机器人调试和程序下载，调试下载完成后，外侧缠绕有聚四氟乙烯生料带的端盖3拧在编程孔2上，起到防水作用；两L形直流电机定位架16轴向固定在壳体1内底侧，两直流电机15的一端分别固定在定位架16上，电机轴穿过定位架16的一端安装有定位码盘17和锥齿轮21；输出轴定位架24固定在壳体1内底侧，位于两直流电机定位架16之间，其定位孔上安装轴承25，另两个锥齿轮22分别通过轴销26固定在直流电机输出轴19上，位于安装轴承25两侧，两锥齿轮21分别和两锥齿轮22啮合，输出轴19的中部和轴承25配合，两端各穿过一机械密封套件28伸出端盖6外，两机械密封套件28由螺钉固定在两侧端盖6上，从而，直流电机轴转动带动两锥齿轮21转动，两锥齿轮22同时转动，又带动直流电机输出轴19转动，电机输出轴19带动轮桨机构A12或者鳍肢机构A14(见图7)实现动力输出；对射式红外传感器18安装在壳体1内底侧，定位码盘17穿过传感器18的槽体，在定位码盘17上开有1mm左右宽的直槽，当定位码盘17跟随直流电机输出轴转动到传感器的槽***置时，对射式红外传感器18将会动作，将TTL电平传送至竖直安装在壳体1内后侧壁上的直流电机控制器29，实现轮桨机构A12或者鳍肢机构A14上电时的初始位置定位(见图7)；左右直流电机15的安装、控制、输出等具有对称结构，输出轴定位架24保证了左右输出的同轴性。头部A舵机定位架14固定在壳体1内底侧，位于两直流电机15之间，舵机一端的凸台卡在定位架14的定位盲孔中，轴向设置，另一端通过连轴器8和四爪输出轴9的一端相连，四爪输出轴9穿过机械密封套件10伸出壳体1后侧，与第一仿鱼推进单元B1外壳前端的连接盘B4连接，舵机在±90°内旋转，实现机器人转体；液位传感器20、压力传感器13、反射式红外传感器23和开关7由AB胶固定、密封在壳体1上，锂聚合物充电电池27粘在直流电机15下方，位于直流电机15和直流电机定位架16中间，端盖6由液态密封胶及法兰固定在壳体1两侧，头部A和后面的走线都通过走线孔11，走线孔11通过强力胶水和AB胶固定和密封。
如图7所示，在直流电机输出轴19上可以安装轮桨机构A12或鳍肢机构A14。轮桨机构A12包括：叶片73、支撑脚72、安装孔74，安装孔74的盲孔与电机输出轴19的端头固接。当轮桨机构A12在陆地上旋转时，可以带动机器人完成仿轮式运动，同时由于其并非完全轮式结构，叶片73外端设有支撑脚72，因此具有一定的越障能力，在水中，轮桨叶片73的形状使得其旋转时可以产生垂至于轮桨平面的推动力，以协助机器人在水中转弯；鳍肢机构A14包括胸鳍75和安装孔76，安装孔76的盲孔与电机输出轴19的端头固接。当鳍肢机构A14在陆地旋转时，机器人实现爬行运动，并且具有较强的越障能力，在水中，其以某一位置为中心的往复转动可以实现机器人前进、倒退和俯仰。轮桨机构A12和鳍肢机构A14两者可互换，根据不同的工作环境和需求，选择不同的机构。在地面，安装于仿鱼推进单元3底面下方的被动轮B6将机器人和地面的滑动摩擦转换为滚动摩擦，摩擦力大大减小，从而提高地面活动速度。
如图4所示，为驱动单元组B的第一仿鱼推进单元B1、第二仿鱼推进单元B2的结构示意图，第一仿鱼推进单元B1、第二仿鱼推进单元B2的壳体30包括上下前后侧壁构成的框架和两侧的端盖39，框架两侧端以法兰口与端盖39密封固接，内部为一容腔。舵机33的凸台卡在壳体30内底侧的盲孔32中，舵机33的前侧通过定位孔固定在定位架35上，定位架35的下部卡在壳体30底侧的方形凸台34上，舵机33转轴通过连轴器42和四爪输出轴40连接，四爪输出轴40穿过机械密封套件41伸出壳体30上侧与连杆B5(参见图8B)固连，实现动力输出；7.4V的锂聚合物充电电池36用胶水固定在壳体30内前侧，充电头37、充气孔38位于上侧前部，充电头37、充气孔38由AB胶固定在壳体30上，端盖39由AB胶及法兰盘固定在壳体30上，走线都通过走线孔31，走线孔31通过强力胶水和AB胶固定和密封。
如图5所示，为驱动单元组B的第三仿鱼推进单元B3和尾柄复合驱动机构C的结构示意图，其中，图5A是第三仿鱼推进单元B3与尾柄复合驱动机构C的组合图；图5B是图5A细部放大图。第三仿鱼推进单元B3的壳体43与第一仿鱼推进单元B1、第二仿鱼推进单元B2的壳体30结构相近。L形定位架60固定在壳体43内上侧，第一舵机59上侧的凸台卡在定位架60的盲孔内，前侧的定位孔固定在定位架60上，其下侧转轴连接齿轮58，齿轮58和齿轮55啮合，减速比为1：1，齿轮55由顶丝固定在输出轴62上部。
条状定位架47外端固接于壳体43后侧内壁，内端的定位孔中安装有两轴承，输出轴62的上端和轴承内孔连接，这样，第一舵机59的转动经舵机输出轴带动齿轮58、55转动，齿轮55带动输出轴62转动，输出轴62穿过机械密封套件57从壳体43底部伸出，实现动力输出；同步带轮机构C3包括同步带轮56、同步带54、同步带轮52，同步带轮56由顶丝固定在从壳体43底部伸出的输出轴62上，输出轴62带动同步带轮56转动，再经由同步带54与同步带轮52动连接，同步带轮52固接于传动轴51下端。
壳体43中第二舵机63的固定方式以及动力传递方式和第一舵机59完全相同，不同的是输出轴46由壳体43上部伸出，动力从壳体43上部输出；输出轴46与输出轴62共一轴线，输出轴46下端、输出轴62上端固接于定位架47孔内的上下叠置的两轴承内孔内，使得两个舵机的输出同轴运动。
尾柄复合驱动机构C的尾柄C1包括尾架48、尾夹49、尾鳍50，尾架48由两个反向弓形架固接而成，前弓架上端固接于输出轴46上端，下端可活动式套接于输出轴62下部外周圆，后弓架两端与传动轴51动连接，同步带轮52固接于传动轴51下端，位于后弓架下端外侧，尾夹49位于后弓架两端内侧，套固于传动轴51外周圆，尾鳍50前端固接于尾夹49后侧面。
充电头44、充气孔45由AB胶固定、密封在壳体43上侧壁；锂聚合物电池61用胶水粘在壳体43前侧壁内侧；两侧端盖由AB胶及法兰固定、密封在壳体43左右侧，形成一密封的内部空腔。
第一舵机59的转动经输出轴62带动同步带轮52、传动轴51转动；传动轴51带动尾夹49、尾鳍50摆动，因此第一舵机59的转动传递到尾鳍50；第二舵机63经输出轴46带动尾架48转动，尾架48下部的转动孔和输出轴62配合，但不固定，传动轴51和尾架48保持相对转动，因此，输出轴46将带动整个尾柄复合驱动机构C转动，但是保持尾架48和尾鳍50相对转动，实现了仿鱼的尾柄功能。
如图6所示，本发明多模态仿生两栖机器人中所有动力输出的动密封采用具有相同结构的机械密封套件，该机械密封结构如下：法兰套66中有两个台阶孔，两个轴承68分别和这两个台阶孔过盈配合，安装轴承后，法兰套66中间形成一个腔体69，腔体69内填充密封介质黄油，动力输出轴(如四爪输出轴9、40)通过轴承68、腔体69穿出法兰套66，由于黄油的存在，当动力输出轴转动时，腔体69将保持密封；直径等于或小于法兰套外径的O型圈67套在法兰套外部，当机械密封套件由螺钉压合在壳体上时，O型圈67将发生变形，保持整个机械密封套件外部的密封性。
在图8中，多模态仿生两栖机器人的主要连接部件包括：连接盘B4、连杆B5，其连接方式为：连接盘B4由螺钉固定在第一仿鱼推进单元B1的壳体30前侧上；连杆B5一端和前一仿鱼推进单元的输出轴连接，另一端和后一仿鱼推进单元的壳体固连。
本发明提供的多模态仿生两栖机器人，***硬件框图如图9所示。头部包含了机器人主要的控制、通讯、驱动等部件，其它仿鱼推进模块中包含了电池和动力单元。
微控制电路，如图11所示***控制由基于ARM9的AT91RM9200的核心电路和其它功能芯片实现，完成多模态仿生两栖机器人的通讯数据收发、舵机控制信号产生、传感器信息处理、直流电机控制等功能。
PWM信号输出：AT91RM9200的5路并行输入输出接口PIOA17~PIOA21被编程为第二外设功能，即定时器/计数器功能，输出周期20ms的PWM信号，连接到转体舵机以及水下驱动单元的4个舵机，驱动舵机转动。
电池输出。头部4块串联的锂聚合物电池输出的14.8V电压除了直接接到直流电机控制器，为直流电机提供动力，还通过芯片LM1084调制提供12V电压，为RS232电平转换芯片MAX3209E提供电源；2块串联输出7.4V除了直接给转体舵机提供动力，还为主控制板提供输入电源。在驱动单元组1、2、3中各有2块锂聚合物充电电池，分别为各自模块的舵机提供动力。所有电池输出的通断由位于头部的开关7控制。
电源管理。机器人有多种电压：14.8V，7.4V，12V，5V，3.3V，1.8V。每块锂聚合物的典型电压为3.7V，因此前两个电压分别为4块、2块锂聚合物电池的典型电压，由电池直接提供。如图10所示，14.8V电压经LM1084后调节为12V电压，7.4V电压经芯片TPS76850调节后输出5V电压，5V经过芯片TPS70251后又输出3.3V和1.8V电压。12V电压驱动芯片MAX3209E，5V为液位传感器、红外传感器、压力传感器、通讯模块、AD转换器提供输入，3.3V和1.8V为AT91RM9200和扩展FLASH、SDRAM供电。
JTAG接口。如图10所示的JTAG电路实现上层仿真软件、仿真器和底层应用的连接，完成程序调试、仿真的下载。
复位电路。如图10所示，复位电路产生AT91RM9200和FLASH芯片的复位信号，覆盖***上电、手动复位所需的过渡状态。
总线驱动。为了方便外设扩展，提供总线驱动能力，采用了4块74ALVCH16245芯片进行总线收发，如图14所示。
FLASH、SDRAM扩展。为了提高存储能力和数据读取速度，***通过2块MT48LC8M16A2芯片和1片AM29LV160DB芯片扩展了8M32位的SDRAM和1M16位的FLASH，如图12所示。
RS232接口、基准电源和AD转换功能电路如图13所示。
RS232接口。AT91RM9200具有4路异步收发器，经过MAX3209E电平转换芯片后，逻辑电平信号被转换为RS232电平，其中2路用于和直流电机控制器通讯，实现直流电机的Homing模式、Velocity模式和Position模式，另外1路用于和通讯模块数据交互，接收上层控制器命令，并返回自身信息。
基准电源。压力传感器40PC015G2A的供电电压为5V，为了确保压力转换的准确性，采用REF195为压力传感器提供5V基准电压。
AD转换。AD7928为8路12位逐次逼近式AD转换器，将压力传感器的0.5V~4.5V模拟输出电压转换为数字信号，通过SPI接口和AT91RM9200通讯。
Claims (10)
1、一种多模态仿生两栖机器人，包括头部、驱动单元组、尾柄复合驱动机构；其特征在于，其中，头部内腔中有机器人的控制、通讯部件，头部壳体两侧水平伸出直流电机输出轴的两端，两端头分别固接有轮桨机构或鳍肢机构，头部壳体后端纵向伸出转体机构的输出轴；驱动单元组由多个仿鱼推进单元组成，头部壳体后端通过转体机构的四爪输出轴与第一仿鱼推进单元外壳前端的连接盘连接，其余仿鱼推进单元外壳头尾顺序通过连杆相连，最后的仿鱼推进单元外壳底面下方设有一对被动轮；尾柄复合驱动机构由尾柄、尾鳍、同步带轮机构组成，尾柄设有弓形尾架，尾架的上自由端与最后的仿鱼推进单元外壳顶面伸出的与第二舵机动连接的第二输出轴固接，下自由端与最后的仿鱼推进单元外壳底面伸出的与第一舵机动连接的第一输出轴动连接；最后的仿鱼推进单元外壳底面伸出的第一输出轴经同步带轮机构与尾鳍动连接；
在陆地上，多模态仿生两栖机器人的轮桨或鳍肢机构连续旋转，驱动机器人前进、后退；在水中，多模态仿生两栖机器人依靠仿鱼推进单元和尾柄复合驱动机构的往复摆动推动机器人前进，实现仿鱼游动，转体机构将仿鱼游动转换为仿海豚式游动，实现在垂直平面内的活动；机器人可以根据传感器信息识别自身所在水陆环境，自动切换运动模式。
2、根据权利要求1所述的多模态仿生两栖机器人，其特征是，所述头部，头部壳体包括上下前后侧壁构成的框架和两侧的端盖，内部为一容腔；壳体上侧壁上开有编程孔，当机器人调试时，JTAG接口线从编程孔伸出，和仿真器连接，实现机器人调试和程序下载，调试下载完成后，将端盖封在编程孔上；两L形直流电机定位架轴向固定在壳体内底侧，两直流电机的一端分别固定在定位架上，其各电机轴穿过定位架的一端安装有定位码盘和锥齿轮；输出轴定位架固定在壳体内底侧，位于两直流电机定位架之间，其定位孔上安装轴承，另两个锥齿轮分别通过轴销固定在直流电机输出轴上，位于安装轴承两侧，两组锥齿轮分别相互啮合，输出轴的中部和轴承配合，两端各穿过一机械密封套件伸出端盖外，两机械密封套件由螺钉固定在两侧端盖上，从而，直流电机轴转动带动两组锥齿轮转动，又带动直流电机输出轴转动，电机输出轴带动轮桨机构或鳍肢机构，实现动力输出；对射式红外传感器安装在壳体内底侧，当定位码盘跟随直流电机输出轴转动到传感器的槽***置时，对射式红外传感器将会动作，将TTL电平传送至竖直安装在壳体内后侧壁上的直流电机控制器，实现轮桨机构或鳍肢机构上电时的初始位置定位；左右直流电机的安装、控制、输出具有对称结构，输出轴定位架保证了左右输出的同轴性；
头部舵机定位架固定在壳体内底侧，位于两直流电机之间，舵机一端的凸台卡在定位架的定位盲孔中，轴向设置，另一端通过连轴器和四爪输出轴的一端相连，四爪输出轴穿过机械密封套件伸出壳体后侧，与第一仿鱼推进单元外壳前端的连接盘连接，舵机在±90°内旋转，实现机器人转体；液位传感器、压力传感器、反射式红外传感器和开关由胶固定、密封在壳体上，锂聚合物充电电池粘在直流电机下方，位于直流电机和直流电机定位架中间，端盖由胶及法兰固定在壳体两侧，头部和后面的走线都通过走线孔，走线孔通过胶固定和密封。
3、根据权利要求1所述的多模态仿生两栖机器人，其特征是，所述多个仿鱼推进单元为三个，其中，
第一仿鱼推进单元、第二仿鱼推进单元的结构是，壳体包括上下前后侧壁构成的框架和两侧的端盖，框架两侧端以法兰口与端盖密封固接，内部为一容腔；舵机的凸台卡在壳体内底侧的盲孔中，舵机的前侧通过定位孔固定在定位架上，定位架的下部卡在壳体底侧的方形凸台上，舵机转轴通过连轴器和四爪输出轴连接，四爪输出轴穿过机械密封套件伸出壳体上侧与连杆固连，实现动力输出；二块锂聚合物充电电池用胶固定在壳体内前侧，充电头、充气孔位于上侧前部，充电头、充气孔由胶固定在壳体上，走线通过走线孔，走线孔通过胶固定和密封；
第三仿鱼推进单元的壳体与第一仿鱼推进单元、第二仿鱼推进单元的壳体结构相近，其内腔有两个舵机，两L形定位架固定在壳体内上侧，第一、二舵机上侧的凸台分别卡在定位架的盲孔内，前侧的定位孔分别固定在定位架上；第一舵机下侧转轴上的齿轮和第一输出轴上部的齿轮啮合，第二舵机上侧转轴上的齿轮和第二输出轴下部的齿轮啮合，第一、二输出轴共一轴线，第一输出轴上端、第二输出轴下端固接于定位架孔内的上下叠置的两轴承内孔内，使得两个舵机的输出同轴运动；第一输出轴下端伸出壳体下方，第二输出轴上端伸出壳体上方，第一、二输出轴的外端分别与尾柄复合驱动机构动连接；
液位传感器由胶固定、密封在壳体底部；充电头、充气孔由胶固定、密封在壳体上侧壁；锂聚合物电池用胶粘在壳体前侧壁内侧。
4、根据权利要求3所述的多模态仿生两栖机器人，其特征是，所述第三仿鱼推进单元内的定位架为条状，其外端固接于壳体后侧内壁，内端的定位孔中安装有两轴承，两轴承在孔内上下叠置。
5、根据权利要求3所述的多模态仿生两栖机器人，其特征是，所述第一、二输出轴的外端分别与尾柄复合驱动机构动连接，其中，尾柄复合驱动机构的尾柄包括尾架、尾夹、尾鳍、同步带轮机构，同步带轮机构包括两同步带轮、同步带，同步带绕两同步带轮设置；尾架由两个反向弓形架固接而成，前弓架上端固接于第二输出轴上端，下端可活动式套接于第一输出轴下部外周圆，第一输出轴下端固接一同步带轮，该同步带轮位于前弓架下端外侧，后弓架两端与传动轴动连接，另一同步带轮固接于传动轴下端，位于后弓架下端外侧，尾夹位于后弓架两端内侧，套固于传动轴外周圆，尾鳍前端固接于尾夹后侧面。
6、根据权利要求2或3所述的多模态仿生两栖机器人，其特征是，所述机械密封套件，为所有动力输出的动密封件，该机械密封套件结构如下：法兰套中有两个台阶孔，两个轴承分别和这两个台阶孔过盈配合，安装轴承后，法兰套中间形成一个腔体，腔体内填充密封介质黄油，四爪输出轴通过轴承、腔体穿出法兰套，由于黄油的存在，当四爪输出轴转动时，腔体将保持密封；直径等于或小于法兰套外径的O型圈套在法兰套外部，当机械密封套件由螺钉压合在壳体上时，O型圈将发生变形，保持整个机械密封套件外部的密封性。
7、根据权利要求1所述的多模态仿生两栖机器人，其特征是，所述连接盘，由螺钉固定在第一仿鱼推进单元的壳体前外侧上；连杆一端和前一仿鱼推进单元的输出轴连接，另一端和后一仿鱼推进单元的壳体固连。
8、根据权利要求2或3所述的多模态仿生两栖机器人，其特征是，所述连轴器，其底部和舵机输出端连接，连轴器的四个凹槽分别和四爪输出轴上的四个爪配合，实现动力输出。
9、根据权利要求1所述的多模态仿生两栖机器人，其特征是，所述头部内腔中有机器人的控制、通讯部件，其电气结构上包括：主控制板、直流电机控制器、通讯模块、反射式红外传感器、对射式红外传感器、液位传感器、压力传感器；
其中，直流电机控制器和主控制板通过串行接口连接，接收主控制板的命令，实现直流电机运动控制；
通讯模块通过无线方式接收上次控制器的命令，返回自身信息，数据通过串行接口和主控制板交互，通讯波特率可调；
位于头部壳体前部和两侧的反射式红外传感器的信号线和主控制板相连，根据其前面的障碍物信息输出TTL电平，传送到主控制板，作为决策依据，障碍物探测距离可调；
对射式红外传感器的信号线和直流电机控制器相连，为上电时工作在Homing模式的直流电机控制器提供触发信号；
位于头部壳体前端弧形处的液位传感器和位于最后的仿鱼推进单元壳体下部的液位传感器和主控制板相连，输出TTL电平，为机器人所处环境判断提供决策依据。
位于头部壳体底部的压力传感器输出模拟信号，和主控制板的AD转换模块相连，AD转换模块通过SPI接口将转换结果传送至微处理器。
10、根据权利要求9所述的多模态仿生两栖机器人，其特征是，所述控制、通讯部件的工作过程是：当机器人由胸鳍机构爬行或轮桨机构驱动进入水中时，由于机器人整体设计为中性浮力，机器人浮在水面上，此时，位于头部的液位传感器输出由高电平变为低电平，主控制板感知环境变化，将胸鳍/轮桨机构的陆地运动模式切换到划水运动模式，机器人逐渐进入水中，当尾部进入水中时，光电液位传感器输出由高电平变为低电平，主控制板使仿鱼推进单元组及尾柄动作，实现仿鱼的快速游动；当机器人由水环境回到陆地环境时，头部液位传感器输出由低电平变为高电平，主控制板将胸鳍/轮桨机构由划水运动模式切换到爬行运动模式，产生向前的牵引力，机器人完全上岸后，液位传感器由低电平变为高电平，主控制板将仿鱼推进单元和尾柄复合驱动机构恢复到中间位置。
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