[發(fā)明專利]一種新型球形兩棲機(jī)器人及其工作方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410817125.3
• 申請日: 2014-12-24
• 公開（公告）號: CN104527352A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭書祥;李利國;郭健;魏巍;畢霖
• 申請（專利權(quán)）人: 天津理工大學(xué)
• 主分類號: B60F3/00
• 分類號: B60F3/00;B60K7/00;B62D57/028;B63H11/02
• 代理公司: 天津天麓律師事務(wù)所 12212
• 代理人: 王里歌

(一)技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種機(jī)器人，尤其是一種可在水陸兩種環(huán)境中運(yùn)動(dòng)并根據(jù)環(huán)境的變化自主切換運(yùn)動(dòng)方式的球形兩棲機(jī)器人。

(二)背景技術(shù)：

機(jī)器人是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器，可以代替人類去做繁重或者精細(xì)的工作。兩棲機(jī)器人因其能實(shí)現(xiàn)水中和陸地的兩種領(lǐng)域運(yùn)動(dòng)，使得該類型機(jī)器人具有廣泛的應(yīng)用前景,包括在生活、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域。雖然現(xiàn)在機(jī)器人的能力還是有限的，但它處于迅速發(fā)展的態(tài)勢，并開始對整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)、太空和海洋探索以及人類生活的各方面產(chǎn)生巨大的積極影響，維護(hù)國家權(quán)益。

目前國內(nèi)、外有眾多的團(tuán)隊(duì)和學(xué)者從事著球形機(jī)器人以及兩棲機(jī)器人的研究。其中國外的研究起步較早，發(fā)達(dá)國家已走在世界的前列，相關(guān)研究的成果較多。我國在國家自然科學(xué)基金委、國防科工委和863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃等的大力資助下，哈爾濱工程大學(xué)、電子科技大學(xué)、北京郵電大學(xué)、北京理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等也都對球型機(jī)器人以及兩棲機(jī)器人開展了研究并取得了一些進(jìn)展，但與國外相比仍有較大差距。這與我國微電子、機(jī)械制造工業(yè)的整體發(fā)展水平不高密切相關(guān)。

(1)國外研究現(xiàn)狀

2012年，英國，曼切斯特大學(xué)研制出一種小型的球形機(jī)器人，該機(jī)器人只能夠在水里移動(dòng)，不能實(shí)現(xiàn)在水陸兩棲。該機(jī)器人直徑小，能適應(yīng)狹窄的環(huán)境作業(yè)，但由于其采用螺旋槳驅(qū)動(dòng)，噪聲較大。2010年，美國，麻省理工學(xué)院利用康達(dá)效應(yīng)的原理，提出泵—流量閥的概念，開發(fā)了一種類似鴨蛋的水下機(jī)器人。研制了驅(qū)動(dòng)機(jī)器人水中運(yùn)動(dòng)的裝置，該機(jī)器人采用對稱結(jié)構(gòu)，無纜線控制，沒有附屬物，體積小，能有效避免水中外在環(huán)境的干擾，適用于水下核管道的檢測，但是對機(jī)器人難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制。2013年，加拿大，麥吉爾大學(xué)，開發(fā)了一種兩棲機(jī)器人，該機(jī)器人利用輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)其在水陸兩棲的運(yùn)動(dòng)。

(2)國內(nèi)研究現(xiàn)狀

哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)了基于矢量推進(jìn)的球形機(jī)器人，它能實(shí)現(xiàn)水中3自由度的運(yùn)動(dòng)，但是體積過大。北京郵電大學(xué)一直致力于陸地中的球形機(jī)器人的研究，先后研制了4代機(jī)器人，包括帶有機(jī)械臂抓取功能的球形機(jī)器人，該機(jī)器人利用質(zhì)量塊重心的偏移實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的滾動(dòng)。北京理工大學(xué)近年也在研制球形機(jī)器人，他們通過控制伺服舵機(jī)的角度，帶動(dòng)輪子，來實(shí)現(xiàn)其多自由度的滾動(dòng)。

雖然國內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)在球形機(jī)器人方面已經(jīng)取得重大的突破，但仍然存在一些問題：1)多數(shù)球形機(jī)器人的幾何尺寸普遍偏大，不利于其在狹窄的空間運(yùn)動(dòng)；2)機(jī)器人水下運(yùn)動(dòng)多采用螺旋槳驅(qū)動(dòng)，噪聲大、隱蔽性差；3)一些球形機(jī)器人只能在單一領(lǐng)域下運(yùn)動(dòng)，不能實(shí)現(xiàn)水陸兩棲，不能適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境。

(三)發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明目的設(shè)計(jì)一種新型球形兩棲機(jī)器人，它能夠解決現(xiàn)有球形機(jī)器人的問題，具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、尺寸小、活動(dòng)范圍大、噪聲低、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，在海洋、荒島的開發(fā)和利用中發(fā)揮的重要作用。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種新型球形兩棲機(jī)器人，其特征在于它包括上、下兩部分，其中上半部分包括半圓球殼和圓盤，下半部分包括至少3組驅(qū)動(dòng)裝置和攝像頭；所述半圓球殼和圓盤連接構(gòu)成殼體，所述殼體內(nèi)部有安裝供電電池、控制裝置和液位傳感器，所述液位傳感器鑲嵌在圓盤上；所述圓盤上安裝驅(qū)動(dòng)裝置和用于采集周圍環(huán)境信息的攝像頭；所述驅(qū)動(dòng)裝置、攝像頭、供電電池、液位傳感器均與控制裝置連接。

所述至少3組驅(qū)動(dòng)裝置呈中心對稱分布在圓盤上，所述攝像頭安裝在圓盤的中心位置。

所述每組驅(qū)動(dòng)裝置包括防水伺服舵機(jī)Ⅰ、防水伺服舵機(jī)Ⅱ、噴水電機(jī)、噴管、直流電機(jī)以及車輪；所述防水伺服舵機(jī)Ⅰ、防水伺服舵機(jī)Ⅱ在空間上垂直擺放；所述防水伺服舵機(jī)Ⅰ與圓盤連接，所述防水伺服舵機(jī)Ⅱ安裝于多功能舵機(jī)支架上；

所述直流電機(jī)與噴水電機(jī)安裝在防水殼中，防水殼通過L形支架固定在多功能舵機(jī)支架上；

所述車輪與直流電機(jī)連接；所述噴管與噴水電機(jī)連接；

所述防水伺服舵機(jī)Ⅰ、防水伺服舵機(jī)Ⅱ、噴水電機(jī)及直流電機(jī)均與控制裝置連接。

所述防水伺服舵機(jī)Ⅰ通過垂直安裝的一字型舵機(jī)支架和長U形舵機(jī)支架與防水伺服舵機(jī)Ⅱ連接。

所述防水伺服舵機(jī)Ⅰ、防水伺服舵機(jī)Ⅱ、直流電機(jī)以及車輪構(gòu)成陸地運(yùn)動(dòng)時(shí)采用的輪式結(jié)構(gòu)；所述防水伺服舵機(jī)Ⅰ、防水伺服舵機(jī)Ⅱ、噴水電機(jī)及噴管構(gòu)成陸地運(yùn)動(dòng)時(shí)采用的腿式結(jié)構(gòu)以及水下運(yùn)動(dòng)時(shí)采用的噴水推進(jìn)結(jié)構(gòu)。

所述防水伺服電機(jī)Ⅰ通過銅柱和螺絲Ⅱ固定在圓盤上。

所述伺服舵機(jī)Ⅰ與一字型舵機(jī)支架通過金屬舵盤Ⅱ連接；所述防水伺服舵機(jī)Ⅱ通過軸承與金屬舵盤Ⅰ與長U形支架連接；所述長U形支架與一字型舵機(jī)支架通過螺絲Ⅲ連接。