[發(fā)明專利]基于可變形浮游腿的水陸兩棲四足機(jī)器人及其驅(qū)動(dòng)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110831394.5
• 申請(qǐng)日: 2021-07-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113459738B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-07-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 史艷國(guó);葉鑫;鄭宸;劉陽(yáng);陳英杰;夏超然;連鑫棟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 燕山大學(xué)
• 主分類號(hào): B60F3/00
• 分類號(hào): B60F3/00;B62D57/032
• 代理公司: 北京孚睿灣知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11474
• 代理人: 王冬杰

1.一種基于可變形浮游腿的水陸兩棲四足機(jī)器人，其特征在于，其包括支撐架、密封殼體、浮游腿、足蹼柔性驅(qū)動(dòng)模塊和電控組件；

所述支撐架上套設(shè)有所述密封殼體，所述密封殼體的兩端部上設(shè)有密封蓋板；

所述浮游腿以相對(duì)于密封殼體的中心對(duì)稱方式設(shè)置在所述密封殼體上，每條所述浮游腿分別包括髖關(guān)節(jié)電機(jī)、肩關(guān)節(jié)電機(jī)、膝關(guān)節(jié)電機(jī)、大腿組件、連桿、小腿組件和足尖，所述肩關(guān)節(jié)電機(jī)設(shè)置在密封蓋板上，髖關(guān)節(jié)電機(jī)通過(guò)角連接件設(shè)置在肩關(guān)節(jié)電機(jī)上，膝關(guān)節(jié)電機(jī)設(shè)置在大腿組件的大腿外殼的電機(jī)安裝槽中；髖關(guān)節(jié)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸線和肩關(guān)節(jié)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸線垂直，髖關(guān)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸和大腿外殼固定；所述大腿組件的大腿外殼的膝端與小腿組件的小腿桿膝端銷孔通過(guò)鉸鏈連接，形成旋轉(zhuǎn)副；小腿組件的小腿原動(dòng)桿設(shè)置在髖關(guān)節(jié)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸處，連桿的第一端連接在小腿原動(dòng)桿上，連桿的第二端從設(shè)置在大腿外殼上的一段凹槽中穿出，連接在小腿組件的小腿連架段的小腿連架段銷孔處，小腿連架段銷孔到小腿組件的小腿桿膝端銷孔的距離等于小腿原動(dòng)桿的長(zhǎng)度；大腿外殼、小腿原動(dòng)桿、連桿和小腿連架段構(gòu)成平行四連桿機(jī)構(gòu)；

所述足蹼柔性驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)置在浮游腿的小腿組件上，其包括足蹼驅(qū)動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)繩、肩髖線管、膝部線管、柔性蹼翼套和一對(duì)蹼翼?xiàng)U；所述足蹼驅(qū)動(dòng)裝置固定在支撐架上，包括電機(jī)基座、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和繞線輥，驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在電機(jī)基座上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸上設(shè)有繞線輥，繞線輥通過(guò)軸承設(shè)置在繞線輥外殼中，繞線輥外殼與電機(jī)基座連接，軸承蓋與繞線輥通過(guò)連接件固定；驅(qū)動(dòng)繩纏繞在繞線輥上，驅(qū)動(dòng)繩穿過(guò)繞線輥外殼，進(jìn)入肩髖線管中，再由肩髖線管的第二端穿出，在膝部線管的單口端與足蹼繩連接；蹼翼?xiàng)U的第一端與小腿桿連接，形成旋轉(zhuǎn)副；蹼翼?xiàng)U的中間設(shè)有過(guò)線孔，足蹼繩的末端固定在過(guò)線孔上，足蹼繩的首端進(jìn)入膝部線管的雙口端，由膝部線管的單口端穿出，并與驅(qū)動(dòng)繩連接在一起；所述柔性蹼翼套穿設(shè)在小腿桿和蹼翼?xiàng)U上，所述足尖設(shè)置在小腿桿的末端；

所述電控組件設(shè)置在所述支撐架上，通過(guò)遙控或機(jī)載傳感器獲得當(dāng)前地形下運(yùn)動(dòng)的控制時(shí)序信號(hào)，所述髖關(guān)節(jié)電機(jī)、肩關(guān)節(jié)電機(jī)和膝關(guān)節(jié)電機(jī)根據(jù)控制時(shí)序信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，其中，所述肩關(guān)節(jié)電機(jī)帶動(dòng)浮游腿繞肩關(guān)節(jié)坐標(biāo)軸Z₁轉(zhuǎn)動(dòng)，髖關(guān)節(jié)電機(jī)帶動(dòng)浮游腿繞髖關(guān)節(jié)坐標(biāo)軸Z₂轉(zhuǎn)動(dòng)，以及膝關(guān)節(jié)電機(jī)帶動(dòng)小腿組件繞膝關(guān)節(jié)坐標(biāo)軸Z₃轉(zhuǎn)動(dòng)，所述髖關(guān)節(jié)電機(jī)、肩關(guān)節(jié)電機(jī)和膝關(guān)節(jié)電機(jī)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)浮游腿所需的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)調(diào)節(jié)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可變形浮游腿的水陸兩棲四足機(jī)器人，其特征在于，所述肩髖線管的第一端設(shè)置在密封蓋板上，所述肩髖線管的第二端進(jìn)入大腿外殼，經(jīng)過(guò)膝關(guān)節(jié)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)中心后，再穿出大腿外殼。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可變形浮游腿的水陸兩棲四足機(jī)器人，其特征在于，所述膝部線管的雙口端設(shè)置在大腿外殼的膝端的兩側(cè)，并處于膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心；所述膝部線管的單口端設(shè)置在大腿外殼的膝端，并固定于連桿的相對(duì)側(cè)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可變形浮游腿的水陸兩棲四足機(jī)器人，其特征在于，所述柔性蹼翼套上分布有彈性繩，所述彈性繩的首末兩端固定在柔性蹼翼套的小腿包覆層上，彈性繩的中點(diǎn)固定在蹼翼?xiàng)U包覆層的中點(diǎn)處。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可變形浮游腿的水陸兩棲四足機(jī)器人，其特征在于，髖關(guān)節(jié)密封板與大腿外殼之間的接合面由密封條和密封膠密封后通過(guò)連接件進(jìn)行連接。

6.一種根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的基于可變形浮游腿的水陸兩棲四足機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，

所述髖關(guān)節(jié)電機(jī)、肩關(guān)節(jié)電機(jī)和膝關(guān)節(jié)電機(jī)能夠驅(qū)動(dòng)浮游腿實(shí)現(xiàn)陸地足式運(yùn)動(dòng)模式和水下足蹼運(yùn)動(dòng)模式；

陸地足式運(yùn)動(dòng)模式下的驅(qū)動(dòng)方式為：浮游腿上的肩關(guān)節(jié)電機(jī)、髖關(guān)節(jié)電機(jī)和膝關(guān)節(jié)電機(jī)形成的運(yùn)動(dòng)組合實(shí)現(xiàn)四足站立、四足小跑和上下臺(tái)階的陸上步態(tài)；并且，在陸地運(yùn)動(dòng)模式下，足蹼柔性驅(qū)動(dòng)模塊處于待機(jī)狀態(tài)，柔性蹼翼套始終保持收緊狀態(tài)；

水下足蹼運(yùn)動(dòng)模式下的驅(qū)動(dòng)方式為：浮游腿上的肩關(guān)節(jié)電機(jī)、髖關(guān)節(jié)電機(jī)、膝關(guān)節(jié)電機(jī)、以及足蹼柔性驅(qū)動(dòng)模塊的運(yùn)動(dòng)組合實(shí)現(xiàn)自由泳、蛙泳和水下行走的水下步態(tài)；其中，當(dāng)浮游腿向機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向相反的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，足蹼柔性驅(qū)動(dòng)模塊將驅(qū)動(dòng)繩拉緊，與驅(qū)動(dòng)繩固連的足蹼繩帶動(dòng)蹼翼?xiàng)U張開(kāi)，蹼翼?xiàng)U拉伸彈性繩，存儲(chǔ)彈性勢(shì)能，使得柔性蹼翼套張開(kāi)，柔性蹼翼套與水中介質(zhì)的相互作用力使得機(jī)器人向目標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)浮游腿向機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向相同的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，足蹼柔性驅(qū)動(dòng)模塊將驅(qū)動(dòng)繩和其固連的足蹼繩均松弛，彈性繩釋放彈性勢(shì)能，縮至為彈性繩的原長(zhǎng)，并拉動(dòng)蹼翼?xiàng)U收回并緊貼小腿桿，柔性蹼翼套處于收緊狀態(tài)，浮游腿與水中介質(zhì)的相互作用力降低，促進(jìn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。