一种基于混联机构的仿蛙式水陆两栖机器人

摘要

本发明公开了一种基于混联机构的水陆两栖机器人，包括机械驱动组件、电机驱动组件以及外壳组件；其中机械驱动组件分左右两组机械驱动机构，每组均包括脚掌部分和由上下两组平面六杆机构组成的二自由度空间混联机构；电机驱动组件包括伺服电机、电机控制板和无线传输模块，电机控制每组机械驱动机构协同运动，模拟蛙类的两栖运动步态：通过起步以及摆腿两个阶段实现机器人在陆地环境爬行，通过拍击、滑行以及回复三个阶段实现机器人水下游动；外壳组件电机驱动组件包覆在其壳内，起到密封保护和减小阻力作用；本机器人用少量驱动实现蛙式仿生运动，集成度和运动效率高、操作简便、稳定性好，可用于两栖仿生机理研究以及水陆勘探。

说明书

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其涉及一种仿蛙式的水陆两栖机器人。

背景技术

近年来，水陆两栖环境作为一种典型地形特征，在试样采集、环境监测、军事探索等科研领域中愈发受到重视，因此水陆两栖机器人的作用愈发重要。青蛙作为一种典型的两栖生物，其生物学结构非常灵巧，是水陆两栖运动的良好参照物。作为一种能够在陆地和水中实现特定运动或作业要求的移动机器人，水陆两栖机器人受环境的影响较大，因此采用足式更有利于适应复杂环境，而简化机器人的机构和驱动，通过运动仿生的手段提高机器人运动效率，降低机器人重量和体积，对于机器人性能提升具有重要意义，也一直是该领域的研究热点。

检索现有技术文献发现，中国实用新型专利授权号CN212290080U，名称为一种四足行走式仿生设计装置，该专利通过一系列连杆机构和三角板连接组成机器人腿部结构，具有质量轻，结构简单的特点。但是，其单电机驱动的控制方法导致其每一步行程短，行走效率不高；中国发明专利授权号CN104828168B，名称为一种两栖蛙板机器人的双摆臂运动机构，该专利将蛙式滑板车与青蛙游泳这种双摆臂的运动方式结合起来，该设计在游动时产生推力大，运动可靠性高。但是其仿生程度不足，仅仅借鉴了青蛙游动时尾蹼的摆动动作，忽略了腿部的蹬踏，因此在运动精度和运动效率上均不够高；且该设计同时采用连杆和曲柄滑块机构，机构复杂度较高。

可见，目前的足式水陆两栖机器人，或因机构过于简单导致性能不佳，或因仿生程度较低导致运动效率较低，或设计过于复杂。少有兼具驱动数量少、运动效率高、集成度高的水陆两栖机器人，仍有很大改进和创新空间。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能够仿蛙式的水陆两栖机器人，其腿部是由两组平面六杆机构组成的二自由度空间混联机构，集成度高，操作简便，可实现高效仿生运动。

本发明的具体实施方案如下：

一种基于混联机构的仿蛙式水陆两栖机器人，包括外壳组件、机械驱动组件和电机驱动组件，所述外壳组件包括万向轮、驱动机构连接件、安装基座、上壳体、下壳体和壳体密封圈，所述机械驱动组件分为左右两组机械驱动机构，均由上下两组平面六杆机构和脚掌部分组成；脚掌部分包括弹性脚掌、脚掌承载件和球铰，上下两组平面六杆机构中的每一组均包括驱动连杆、基座连接杆、仿胫骨连杆、仿腓骨连杆、脚掌连接杆，连杆间通过推力轴承连接组成转动副，除此之外，上部的连杆机构还包含基座连接件，球铰和连杆；上部平面六杆机构的连杆和下部平面六杆机构的驱动连杆上安装有转动轴密封圈；所述电机驱动组件的电机控制版安装在安装基座上，后部的伺服电机安装在外壳组件中的定位孔中，前部的伺服电机与上部平面六杆机构的连杆联接；在陆地环境中通过起步和摆腿两个阶段形成直行和转弯两种步态，在水下环境中通过拍击、滑行以及回复三个阶段形成水下直线游动和转弯两种步态；机器人的密封通过外壳组件中的壳体密封圈和机械驱动组件中的转动轴密封圈实现。

优选结构为，所述机械驱动组件中，每组机械驱动机构各部分之间以及与伺服电机的装配关系为，后部伺服电机的输出轴与下部平面六杆机构的驱动连杆直接联接，带动驱动连杆运动，驱动连杆和基座连接杆配合，带动仿胫骨连杆和仿腓骨连杆运动，推动脚掌连接杆，通关球铰带动脚掌承载件，使得弹性脚掌向后蹬踏；前部伺服电机通过连杆和球铰带动基座连接件，通过基座连接件带动驱动连杆和基座连接杆，最终实现弹性脚掌翻转；弹性脚掌的蹬踏和翻转相互配合，实现上述起步、摆腿、拍击、滑行以及回复各个阶段。

进一步优选，所述机械驱动组件，对于每组机械驱动机构中的上下两组平面六杆机构，设基座连接杆基座固定轴连接处中心线到基座连接杆与仿胫骨连杆连接处中心线的距离为a，设基座连接杆与仿胫骨连杆连接处中心线到仿胫骨连杆与驱动连杆连接处中心线的距离为b，设仿胫骨连杆与驱动连杆连接处中心线到驱动连杆与仿腓骨连杆连接处中心线的距离为c，设驱动连杆与仿腓骨连杆连接处中心线到仿腓骨连杆与脚掌连接杆连接处中心线的距离为d，设仿胫骨连杆与驱动连杆连接处中心线到仿胫骨连杆与脚掌连接杆连接处中心线的距离为e，设仿胫骨连杆与脚掌连接杆连接处中心线到仿腓骨连杆与脚掌连接杆连接处中心线的距离为f，设基座连接件与驱动连杆连接处中心线到基座连接件与连杆的铰接点的距离为g，设基座连接件与基座连接杆连接处中心线到基座连接件与连杆的铰接点的距离为h，设基座连接件与连杆的铰接点到连杆与伺服电机连接处中心线的距离为i，则有a∶b∶c∶d∶e∶f∶g∶h∶i＝1.51∶1∶1.13∶1.29∶1.52∶1.22∶2.71∶1.86∶1.91，各部分长度在±5％幅度内变化均可实现运动效果。

进一步优选，所述连杆机构的末端输出位置由伺服电机(13)和伺服电机(17)的转动角度决定，通过控制电机的转动角度关系可规划连杆机构的末端位置随时间的变化从而实现特定步态；所述陆地直行和转弯步态，分为起步以及摆腿两个阶段；在起步阶段，电机驱动弹性脚掌完全贴合至陆地介质，压缩状态下的弹性脚掌使得机器人获得足够的最大静摩擦力；在直行步态中，两侧的伺服电机交替运动，使得与之相连的左右两侧机械驱动机构随之交替运动，推动机器人向前运动；在转弯步态中，通过非对称步态控制，使左右两侧产生转矩，机械驱动机构输出转动，使得机器人转向，转弯速度大小由步态频率的高低控制；在摆腿阶段，电机驱动弹性脚掌离开陆地介质，松弛状态下的弹性脚掌随着另一测处于起步阶段中机械驱动机构的运动而随动；

进一步优选，所述陆地直行和转弯步态，由每组平面连杆机构在驱动杆的定轴转动下输出的平面运动产生，在第一种模式中，转动轴输入角度范围为0-24°，实现直行步态；在第二种模式中，转动轴的输入角度范围为24°-140.5°，实现转弯步态。

进一步优选，所述水下直线游动和转弯步态分为拍击、滑行以及回复三个阶段；在拍击阶段中，电机首先使得脚掌垂直于机器人的前进方向，之后电机转动使得脚掌快速向后摆动，机器人主体获得最大化的向前推力；在滑行阶段，电机均保持不动，机器人主体低功耗地向前滑行；在回复阶段中，电机转动使得脚掌平行于机器人前进方向，最小化回复阶段中脚掌缩回产生的阻力，之后电机反向运动，脚掌恢复至初始位置，使下一运动周期中摆动角度最大化。

进一步优选，在水下环境中两组机械驱动机构之间通过电机转动产生90°的相位差，形成巡航模式下的直线游动步态；两组机械驱动机构同步运动，无相位差，形成快速脱离模式下的直线游动步态；通过调整两侧机械驱动机构的相位差，实现转弯步态。

进一步优选，所述电机驱动组件指令通过无线模块发出，为无线信号。

进一步优选，所述外壳组件呈纺锤型。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

1.本发明的机械驱动机构采用二自由度空间混联机构，每个自由度均由一个电机控制。两电机协同工作，可灵活控制机器人脚掌位姿，且混联机构搭配大面积的弹性脚掌，无需通过添加末端转动机构实现脚掌的投影面积变化，在减震缓冲的同时，可有效增大机器人足部运动空间，增大单步行程，提高行走效率。

2.本发明在水下推进时采用仿生步态，充分考虑青蛙在游动时腿部的蹬踏动作，采用连杆机构进行仿生，符合生物运动规律，仿生程度高，运行效率高。

3.本发明只需采用两条仿生后腿作为推进，前端采用双万向轮作为辅助而不需要主动驱动力，相比于双足机器人，稳定性有很大提升，相比于四足、多足的仿生机器人，大大简化了结构复杂度和控制复杂度，整体结构更紧凑，兼具驱动数量少、运动效率高、集成度高的特点。

4.本发明采用无线方式进行信号传输，便于机器人控制和防水设计；外壳组件设计为纺锤型，可有效减小水下运动中的流体产生的阻力。

附图说明

图1为机器人整体示意图

图2为机器人内部结构示意图

图3为机械和电机驱动组件安装台示意图

图4为机械驱动机构整体示意图

图5为机械驱动机构上部连杆机构示意图

图6为机械驱动机构下部连杆机构示意图

图7为弹性脚掌部分示意图

图8为机器人陆地环境中起步阶段脚掌位置示意图

图9为机器人陆地环境中摆腿阶段脚掌位置示意图

图10为机器人水下环境中拍击和回复阶段脚掌位置示意图

图11为机器人水下环境中滑行阶段脚掌位置示意图

其中：1-万向轮；2-驱动机构连接件；3-安装基座；4-壳体；5-转动轴密封圈；6-电机控制板；7-驱动连杆；8-基座连接杆；9-仿胫骨连杆；10-仿腓骨连杆；11-脚掌连接杆；12-推力轴承；13-前部伺服电机；14-基座连接件；15-球铰；16-连杆；17-后部伺服电机；18-弹性脚掌；19-脚掌承载件；20-足部球铰。

具体实施方式：

下面结合附图详细阐述本发明优选的实施方式。

如图1、图2所示，机器人外壳组件(III)由万向轮(1)、驱动机构连接件(2)、安装基座(3)和壳体(4)组成，万向轮(1)位于机器人前端，起辅助运动功能，驱动机构连接件(2)位于机器人壳体(4)内部，用于承载电机驱动组件(II)，该部分由电路控制板(6)、前部伺服电机(13)和后部伺服电机(17)组成，伺服电机(17)的电机轴朝向机器人侧方，伺服电机(13)的电机轴朝向机器人下方；机械驱动组件(I)分为两组机械驱动机构，对称地置于机器人左右两侧，由左右两侧的伺服电机驱动。机身处由密封圈进行密封，电机转轴处通过转动轴密封圈(5)密封。

如图3所示，为机械驱动组件(I)和电机驱动组件(II)的安装和固定部分，由驱动机构连接件(2)和安装基座(3)组成。驱动机构连接件(2)用于连接机器人前方的万向轮(1)和后方的机械驱动组件(I)，使之形成整体；驱动机构连接件(2)上方装有安装基座(3)，安装基座(3)用于固定电机驱动组件(II)中的电机控制板(6)。

如图4所示，为机械驱动组件(I)中一侧的机械驱动机构，整体为空间二自由度驱动机构，由上下两组平面六杆机构和脚掌部分组成。上下两组平面机构相同的部分包括驱动连杆(7)、基座连接杆(8)、仿胫骨连杆(9)、仿腓骨连杆(10)和脚掌连接杆(11)，各部分通过推力轴承(12)连接；除此之外，上部的平面机构还包括基座连接件(14)，球铰(15)以及连杆(16)；脚掌部分包括弹性脚掌(18)，脚掌承载件(19)和球铰(20)，与上下两组平面机构连接在一起。另一侧的械驱动机构与之相同。设基座连接杆(8)与基座固定轴连接处中心线到基座连接杆(8)与仿胫骨连杆(9)连接处中心线的距离为a，设基座连接杆(8)与仿胫骨连杆(9)连接处中心线到仿胫骨连杆(9)与驱动连杆(7)连接处中心线的距离为b，设仿胫骨连杆(9)与驱动连杆(7)连接处中心线到驱动连杆(7)与仿腓骨连杆(10)连接处中心线的距离为c，设驱动连杆(7)与仿腓骨连杆(10)连接处中心线到仿腓骨连杆(10)与脚掌连接杆(11)连接处中心线的距离为d，设仿胫骨连杆(9)与驱动连杆(7)连接处中心线到仿胫骨连杆(9)与脚掌连接杆(11)连接处中心线的距离为e，设仿胫骨连杆(9)与脚掌连接杆(11)连接处中心线到仿腓骨连杆(10)与脚掌连接杆(11)连接处中心线的距离为f，设基座连接件(14)与驱动连杆(7)连接处中心线到基座连接件(14)与连杆(16)的铰接点的距离为g，设基座连接件(14)与基座连接杆(8)连接处中心线到基座连接件(14)与连杆(16)的铰接点的距离为h，设基座连接件(14)与连杆(16)的铰接点到连杆(16)与伺服电机(17)连接处中心线的距离为i，则有a∶b∶c∶d∶e∶f∶g∶h∶i＝1.51∶1∶1.13∶1.29∶1.52∶1.22∶2.71∶1.86∶1.91，各部分长度在±5％幅度内变化均可实现运动效果。

如图5所示，机械驱动机构上部的平面机构，脚掌连接杆(11)一侧与仿腓骨连杆(10)相连，另一侧与仿胫骨连杆(9)相连，仿腓骨连杆(10)和仿胫骨连杆(9)再通过驱动连杆(7)并联，同时仿胫骨连杆(9)通过基座连接杆(8)和基座连接件(14)相连，基座连接件(14)同时与驱动连杆(7)也相连；基座连接件(14)另一端通过球铰(15)和连杆(16)，与驱动电机(17)相连，形成串联部分，从而带动整个机构运动。其中各连杆连接部分除球铰(15)外，其余均采用推力轴承(12)。

如图6所示，机械驱动机构下部的平面机构，在驱动连杆(7)、基座连接杆(8)、仿胫骨连杆(9)、仿腓骨连杆(10)和脚掌连接杆(11)处的连接情况均与图4中上部的平面机构相同，区别在于，驱动连杆(7)直接与驱动电机(13)相连，基座连接杆(8)连接至驱动机构连接件(2)下方的固定轴上。

如图7所示，弹性脚掌(18)上安装有脚掌承载件(19)，脚掌承载件(19)的四端装有球铰(20)，用于连接上下两组平面六杆机构的脚掌连接杆(11)，实现脚掌的随动。

如图8、图9所示，为机器人陆地环境中起步和摆腿阶段示意图。图8为机器人起步阶段，此时伺服电机(17)驱动弹性脚掌(18)完全贴合至陆地介质，并下压，使得机器人获得足够的最大静摩擦力；图9为机器人摆腿阶段，此时右侧弹性脚掌(18)保持下压，左侧弹性脚掌(18)由伺服电机(17)带动抬起，向前运动；左右两侧交替运动，使机器人实现陆地直行或转弯步态。

如图10、图11所示，为机器人在水下环境中的拍击(回复)和滑行阶段示意图。图10为机器人拍击阶段，此时机器人两侧的伺服电机(13)和伺服电机(17)协同工作使得弹性脚掌(18)回收至垂直于机器人前进的方向；图11中伺服电机(13)转动使得弹性脚掌(18)快速向后摆动，产生向前推力，机器人进入滑行阶段；回复阶段时，弹性脚掌(18)恢复至初始位置，即图10所示姿态。

本实例中，在陆地环境，每组机械驱动机构输出的步态分为起步以及摆腿两个阶段；起步阶段分为直行和转弯两种模式；首先，控制单元控制伺服电机(17)通过上下两组平面六杆机构驱动弹性脚掌(18)完全贴合至陆地介质，压缩状态下的弹性脚掌(18)使得机器人获得足够的最大静摩擦力；之后，对于直行步态，再设置伺服电机(13)转动轴的输入角度范围为0-24°，两侧的伺服电机在直行步态中交替运动，使得与之相连的左右两侧机械驱动机构随之交替运动，推动机器人向前运动；对于转弯步态，伺服电机(13)转动轴的输入角度范围设为24°-140.5°，通过非对称步态控制，使左右两侧产生转矩，机械驱动机构输出转动，使得机器人转向，转弯速度大小由步态频率的高低控制；在摆腿阶段，伺服电机(17)通过上下两组平面六杆机构驱动弹性脚掌(18)离开陆地介质，松弛状态下的弹性脚掌(18)随着另一测处于起步阶段的机械驱动机构的运动而随动，实现机器人陆地直行步态下摆腿阶段的动作。

在水下环境，每组机械驱动机构输出的步态分为拍击、滑行以及回复三个阶段；伺服电机(17)通过上下两组平面六杆机构驱动弹性脚掌(18)垂直于机器人的前进方向，之后伺服电机(13)转动使得弹性脚掌(18)快速向后摆动，机器人主体获得最大化的向前推力，实现拍击阶段；之后，伺服电机(13)以及伺服电机(17)保持不动，机器人主体低功耗地向前滑行，实现滑行阶段；最后，电机(17)通过驱动上下两组平面六杆机构转动，使得弹性脚掌(18)平行于机器人前进方向最小化回复阶段中脚掌缩回产生的阻力，电机(13)反向运动，弹性脚掌(18)恢复至初始位置，使下一运动周期中摆动角度最大化，实现回复阶段。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。