CN109649095B - 一种仿生鳄鱼两栖机器人 - Google Patents

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    • B60F3/00—Amphibious vehicles, i.e. vehicles capable of travelling both on land and on water; Land vehicles capable of travelling under water
    • B60F3/0007—Arrangement of propulsion or steering means on amphibious vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

本发明涉及一种仿生鳄鱼两栖机器人，包括躯干、设置于躯干前端的头部、两两对称设置于躯干两侧的四肢以及设置于躯干后端的尾部，四肢为四个可实现轮、腿和桨形状变化的轮子结构，其中，轮子结构包括一个内侧轮辐、一个外侧轮辐和六个圆弧叶片，内侧轮辐与外侧轮辐的中心活动安装于同一根连接轴上，每两个圆弧叶片为一组，每组圆弧叶片的两个自由端分别铰接于内侧轮辐和外侧轮辐端部，内侧轮辐与外侧轮辐分别位于不同的平面，六个圆弧叶片位于同一个平面，每组圆弧叶片之间通过可开合的连接结构连接，连接结构打开后，可形成抓手。与现有技术相比，本发明可实现在复杂的水陆环境中抓取、游动、变换腿形的多样化复杂的功能转换。

Description

一种仿生鳄鱼两栖机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种仿生鳄鱼两栖机器人。
背景技术
水陆两栖机器人能够在水陆两种环境下工作，具有较强的环境适应性，同时能够执行类似侦查和搜索等较为复杂和多样任务的能力。对于该类型机器人的研究重点在于研发水陆推进装置。
当前国内外在设计大型水陆两栖装置时，对于推进装置的设计主要是推进结构的简单复合，即将陆地行进和水中行进两种装置的简单叠加安装。《水陆两栖蛇形机器人的研制及其陆地和水下步态》(刊登在《机械工程学报》2012年5月刊)，这篇文献介绍了由中国科学院发明的仿生水陆两栖蛇形机器人探查者Ⅲ，其通过改变两个电机转动方向和转动速度来实现俯仰和偏航运动的复合，从而实现三维步态。专利CN104773042A公开了一种可变形结构的水陆两栖机器人，其拥有六足结构，通过改变纵横向摆动舵机和U型架的角度变化，实现水陆行进。但是由于体积过大、结构元件(如：电机、线路等)过多、切换较耗时等缺点，其设计无法直接应用于小型的水陆两栖机器人。因此，对于小型水陆两栖机器人的推进装置的设计仍需有所创新。
在已发表的文献中，王田苗、仲启亮、孟刚等人以鳄鱼作为仿生对象进行两栖机器人的设计与优化，该仿生鳄鱼两栖机器人模型的腰部柔性从动关节A是整个模型的主驱动关节，而腿部的运动则简化为只有抬腿运动。爬行时机器人通过往复扭动身体，并且控制对应脚的着地与悬空实现前进；游动时以脊椎曲线带动它所包络的流体向后喷出，产生推力。该机器人可以实现水陆两种环境中推进机构的复合，然而其行进方式单一，不能灵活应对环境的复杂性和多变性。
此外，对于水陆两栖机器人的推进装置，专利CN 102303492A运用内外侧两侧轮辐，在四组切换装置和四个可变轮桨的结构下，通过改变内外两侧轮辐的不同夹角角度实现轮、腿、桨不同运动形态的变化。通过一系列的角度变化，使得推进装置能够适应多种复杂的水陆环境，在面对不同环境时能自由切换行进方式，然而该专利仍然存在推进装置单一，无法进行抓取等不足。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种仿生鳄鱼两栖机器人，其可在平坦或崎岖地面、滩涂、水底等多种复杂水陆环境中切换行进方式以及抓取目标。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种仿生鳄鱼两栖机器人，包括躯干、设置于所述躯干前端的头部、两两对称设置于躯干两侧的四肢以及设置于躯干后端的尾部，所述四肢为四个可实现轮、腿和桨形状变化的轮子结构，其中，所述轮子结构包括一个内侧轮辐、一个外侧轮辐和六个圆弧叶片，所述内侧轮辐与外侧轮辐的中心活动安装于同一根连接轴上，每两个圆弧叶片为一组，每组圆弧叶片的两个自由端分别铰接于内侧轮辐和外侧轮辐端部，所述内侧轮辐与外侧轮辐分别位于不同的平面，六个圆弧叶片位于同一个平面，每组圆弧叶片之间通过可开合的连接结构连接，连接结构打开后，可形成抓手。
进一步地，所述连接结构由两个半圆柱形电磁铁组成，所述半圆柱形电磁铁分别连接于圆弧叶片的端部，利用电磁性质，在通断电的情况下实现连接于打开。
进一步地，所述半圆柱形电磁铁通过可拉伸的连接带与圆弧叶片端部连接，所述连接带一端与圆弧叶片端部固接，另一端与半圆柱形电磁铁黏贴。
进一步地，所述圆弧叶片内部设有导线，所述半圆柱形电磁铁通过导线与外部电源连接。
进一步地，所述轮子结构通过可进行转动的连接杆安装于所述机器人的躯干上，从而实现轮子结构全方位的转动，而不是仅仅只有横躺式这种形态。
进一步地，所述连接杆为电动控制的球头连接杆。机器人外部安装外部环境感知***(识别平地、山地、滩涂、水体几种地形)，通过该感知***向安装在机器人身体内部的总控制台传输信号，控制台转换信号后通过所述球状装置内部的电线操控连接杆的全方位转向。
进一步地，所述躯干通过设置于躯干内部的腰部柔性从动关节进行主驱动，所述尾部通过设置于尾部内侧的尾部关节进行驱动。
进一步地，所述头部设有上下开合的抓手，实现抓取物件以及携带功能。
进一步地，所述圆弧叶片的两个自由端通过销钉铰接于内侧轮辐和外侧轮辐端部。
进一步地，所述机器人设有激光雷达、红外线测距传感器以及视觉传感器。
本发明充分利用鳄鱼两栖机器人各部分空间，鳄鱼头部以及轮子叶片可以变换成抓手，实现较好的抓取效果；通过变换机器腿的形状和通过可进行转动的连接杆，改变腿部角度，适应平原、坡地、滩涂等多种地形，尤其是在爬坡以及于崎岖不平的地面上行进方面更具优势。
与现有的水陆两栖机器人模型相比，本发明具有以下优点：
(1)可实现在复杂的水陆环境中同时进行行进和抓取捕获的功能。
(2)工作环境多样，隐蔽效果好，在工作时一旦被侦查到，可将脚部变成平躺的轮子，模拟鳄鱼的走动模式来掩护自身。
(3)使用复合的水陆两栖推进结构，在水下环境该机器人不仅可以采用尾部波动推进的方法进行游动，还可以将脚部变换成桨，游动方式灵活。
(4)多功能与较大的空间相适应，功能与空间的比例合适。本发明的机器人本身空间就足够大，可以承载抓取、游动、变换腿形的多样化复杂的功能。
附图说明
图1为本发明仿生鳄鱼两栖机器的整体结构示意图；
图2为本发明仿生鳄鱼两栖机器人的轮子结构示意图；
图3为图2的局部放大结构示意图；
图4为本发明连接杆的结构示意图；
图5、6为本发明连接杆不同状态的结构示意图；
图7、8、9分别为轮子结构作为轮、腿、桨的结构示意图；
图中：躯干1、头部2、尾部3、轮子结构4、连接杆5、半圆柱形电磁铁6、连接带7、外侧轮辐41、内侧轮辐42、圆弧叶片43。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种仿生鳄鱼两栖机器人，如图1，包括躯干1、设置于躯干1前端的头部2、两两对称设置于躯干1两侧的四肢以及设置于躯干1后端的尾部3，躯干1通过设置于躯干1内部的腰部柔性从动关节进行主驱动，尾部3通过设置于尾部3内侧的尾部3关节进行驱动，头部2设有上下开合的抓手。四肢为四个可实现轮、腿和桨形状变化的轮子结构4。
如图2、3所示，轮子结构4包括一个内侧轮辐42、一个外侧轮辐41和六个圆弧叶片43，内侧轮辐42与外侧轮辐41的中心活动安装于同一根连接轴上，每两个圆弧叶片43为一组，每组圆弧叶片43的两个自由端分别通过销钉铰接于内侧轮辐42和外侧轮辐41端部，内侧轮辐42与外侧轮辐41分别位于不同的平面，六个圆弧叶片43位于同一个平面，每组圆弧叶片43之间通过可开合的连接结构连接。连接结构由两个半圆柱形电磁铁6组成，半圆柱形电磁铁6分别连接于圆弧叶片43的端部。半圆柱形电磁铁6通过可拉伸的连接带7与圆弧叶片43端部连接，连接带7一端与圆弧叶片43端部固接，另一端与半圆柱形电磁铁6黏贴。圆弧叶片43内部设有导线，半圆柱形电磁铁6通过导线与外部电源连接。如图4-6，轮子结构4通过可进行转动的连接杆5安装于机器人的躯干1上。连接杆5为电动控制的球头连接杆，如可采用南京耐思特机电设备有限公司的球头万向节。
如图7、8、9，在平坦地面上，内侧轮辐和外侧轮辐在侧面为重合姿态，使可变轮桨呈轮状；在崎岖地面、近海滩涂或水底潜行时，内侧轮辐和外侧轮辐在侧面形成60°夹角，使可变轮桨呈三角形的腿状；在水面漂浮时，内侧轮辐和外侧轮辐在侧面形成95°夹角，使可变轮桨呈桨状。
本发明通过两个半圆柱形磁铁的连接结构，使四肢可以转换成抓手，该圆弧叶片上安装了电磁铁，即通过导线将半圆柱形电磁铁和圆弧叶片连接起来，在进行消磁之后两个半圆柱形磁铁分开，相连的两个圆弧叶片(沿半径方向)上下开合，可形成抓手。两个半圆柱形磁铁通过上下共八条具有伸缩性、可拉伸或收缩的带子安装在两个圆弧叶片中间。连接结构与圆弧叶片相互接触，但相对不固定，两个半圆柱形磁铁各自与四条带子(远离圆弧叶片)的末端相互粘连固定。当机器人的脚部从轮状变换成腿、桨状时，靠近轮心的四条带子收缩，远离轮心的四条带子伸长，以保障脚部形状的变换。
通过在连接脚部轮子与机器人主体的直杆上增加一个可以转动的球形装置，使得轮子几乎可以全方位转动。当连接杆上的环境监测器向机器人控制中心发送信号后，控制中心对电动连接杆内部的电路进行控制性电流输出，带动连接杆转动，从而便于机器人在崎岖不平的山地等地形环境中攀爬、行进，抓取物件也将更加准确。
本发明的机器人为水陆两栖，在轮子的变换下可以实现在多种环境地形中的运行，也带有一定的辅助功能。在水中运动时可以实现水下激光雷达测距与自主导航功能，同时在水下的摄像头可以进行图像采集识别，实现自主抓取，为水中救援与探索提供更大的可能性；在陆地上工作时，机器人也可实现红外探测，成分采集分析。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种仿生鳄鱼两栖机器人，包括躯干(1)、设置于所述躯干(1)前端的头部(2)、两两对称设置于躯干(1)两侧的四肢以及设置于躯干(1)后端的尾部(3)，所述四肢为四个可实现轮、腿和桨形状变化的轮子结构(4)，其中，所述轮子结构(4)包括一个内侧轮辐(42)、一个外侧轮辐(41)和六个圆弧叶片(43)，所述内侧轮辐(42)与外侧轮辐(41)的中心活动安装于同一根连接轴上，每两个圆弧叶片(43)为一组，每组圆弧叶片(43)的两个自由端分别铰接于内侧轮辐(42)和外侧轮辐(41)端部，所述内侧轮辐(42)与外侧轮辐(41)分别位于不同的平面，六个圆弧叶片(43)位于同一个平面，其特征在于，每组圆弧叶片中的两个圆弧叶片(43)之间通过可开合的连接结构连接；
所述连接结构由两个半圆柱形电磁铁(6)组成，所述半圆柱形电磁铁(6)分别连接于圆弧叶片(43)的端部；
所述半圆柱形电磁铁(6)通过可拉伸的连接带(7)与圆弧叶片(43)端部连接，所述连接带(7)一端与圆弧叶片(43)端部固接，另一端与半圆柱形电磁铁(6)黏贴。
2.根据权利要求1所述的一种仿生鳄鱼两栖机器人，其特征在于，所述圆弧叶片(43)内部设有导线，所述半圆柱形电磁铁(6)通过导线与外部电源连接。
3.根据权利要求1所述的一种仿生鳄鱼两栖机器人，其特征在于，所述轮子结构(4)通过可进行转动的连接杆(5)安装于所述机器人的躯干(1)上。
4.根据权利要求3所述的一种仿生鳄鱼两栖机器人，其特征在于，所述连接杆(5)为电动控制的球头连接杆(5)。
5.根据权利要求1所述的一种仿生鳄鱼两栖机器人，其特征在于，所述躯干(1)通过设置于躯干(1)内部的腰部柔性从动关节进行主驱动，所述尾部(3)通过设置于尾部(3)内侧的尾部(3)关节进行驱动。
6.根据权利要求1所述的一种仿生鳄鱼两栖机器人，其特征在于，所述头部(2)设有上下开合的抓手。
7.根据权利要求1所述的一种仿生鳄鱼两栖机器人，其特征在于，所述圆弧叶片(43)的两个自由端通过销钉铰接于内侧轮辐(42)和外侧轮辐(41)端部。
8.根据权利要求1所述的一种仿生鳄鱼两栖机器人，其特征在于，所述机器人设有激光雷达、红外线测距传感器以及视觉传感器。
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