(19)中华人民共和国国家知识产权局 回▣ (12)发明专利申请 (10)申请公布号CN104773042A (43)申请公布日2015.07.15 (21)申请号201510157435.1 (22)申请日2015.04.03 (71)申请人西北工业大学 地址710072陕西省西安市友谊西路127号 (72)发明人孙斌徐念王世丰崔航 赵海瑞 其他发明人请求不公开姓名 (74)专利代理机构西北工业大学专利中心 61204 代理人陈星 (51)nt.Cl. B60F3/00(2006.01) B62D57028(2006.01) 权利要求书1页说明书4页附图4页 (54)发明名称 “种可变形结构的水陆两栖机器人 (57)摘要 本发明公开了一种可变形结构的水陆两栖机 器人，采用六足可变形结构，使机器人运动方式灵 活多变，实现轮式快速移动、仿生爬行运动以及水 面航行运动的功能，三种功能分别适用于平整路 面、崎岖路面和水面航行条件：水陆两栖机器人 环境适应能力强，实现在水陆环境中的平稳过渡， 并且满足水陆两栖环境对于机器人陆上运动和水 面中运动的多运动模式连续变换的需求，保证了 机器人运动的快速性和协调性。水陆两栖机器人 采用嵌入式螺旋桨轮，解决了机器人从陆地到水 面转换过程中动力转换问题，既能在陆地运动中 有效保护螺旋桨桨叶，又能够为机器人的水中运 动提供动力，避免增加额外的水下推进设备，实现 在水陆变换介质中持续稳定工作。 750922250 石
CN104773042A 权利要求书 1/1页 1.一种可变形结构的水陆两栖机器人，其特征在于：包括壳体、轮腿机构、上盖板、天 线、视镜、LED灯，轮腿机构位于壳体的两侧对称安装，天线固连在壳体的后盖板上，壳体前 端部有视镜，两个LED灯位于视镜的两侧，上盖板与壳体的发兰盘固连：所述轮腿机构包 括左前腿、左中腿、左后腿、右后腿、右中腿、右前腿，六个轮腿分别由腿部机构和轮部机构 组成，六个腿部机构相同，轮部机构分为普通轮机构和内嵌螺旋桨轮机构，其中，两个中腿 的轮部为内嵌螺旋桨轮机构：所述腿部包括第一U型架、横向摆动舵机、舵盘、第二U型架、 第三U型架、第一纵向摆动舵机、第四U型架、第五U型架、第二纵向摆动舵机、第六U型架、 舵机支架、横向旋转舵机，第一U型架与横向摆动舵机固连，第二U型架与两个舵盘连接，且 与横向摆动舵机连接，横向摆动舵机与第一纵向摆动舵机通过第二U型架与第三U型架固 连，两个U型架的安装角度为90°：第一纵向摆动舵机与第二纵向摆动舵机通过第四U型 架与第五U型架固连，两个U型架的安装角度为0°：第二纵向摆动舵机与横向旋转舵机通 过第六U型架与舵机支架固连，两个U型架的安装角度为90°； 所述普通轮机构包括减速电机、普通轮、联轴器、紧定螺钉、爬行足，减速电机与爬行足 连接，减速电机轴与普通轮通过联轴器连接，普通轮与联轴器通过紧定螺钉固连； 所述内嵌螺旋桨轮机构包括螺旋桨轮、螺旋桨、直流电机、轴套、挡圈、螺旋桨轴、固定 螺母、套筒联轴器，螺旋桨轮作为从动轮通过挡圈和固定螺母安装在轴套上，直流电机、爬 行足与轴套通过螺栓连接，直流电机输出轴与螺旋桨轴通过套筒联轴器连接。 2.根据权利要求1所述的可变形结构的水陆两栖机器人，其特征在于：所述壳体为八 边棱形结构，上表面与底面、前端面与后端面、左侧面与右侧面分别平行，上表面有法兰盘， 法兰盘上端面靠近內缘处有圆形沟槽，沟槽内放置0型圈，法兰盘与盖板通过螺栓固连。 2
CN104773042A 说明书 1/4页 一种可变形结构的水陆两栖机器人 技术领域 [0001]本发明涉及机器人技术领域，具体地说，涉及一种可变形结构的水陆两栖机器人。 背景技术 [0002] 随着机器人技术的不断发展，现代生活中机器人技术的应用日益增多。在民用领 域中，灾难救援、环境监测、管线架设和检修以及更换等工作中，机器人可代替操作人员进 行作业：在军用领域中，可在战场上用于隐蔽侦查和物资运送等任务。现有的移动机器人主 要采用轮式、履带式和腿式三种运动方式。轮式机器人具有高速高效的特点，技术成熟，但 其越障能力差，不能适应复杂地形环境。履带式机器人适应能力强，结构紧凑，具有良好的 环境适应性，但存在重量大、摩擦阻力较大、能耗较高的缺点。腿式机器人机动性好、越障能 力强，但是自主控制复杂。 [0003]水陆两栖机器人是将陆地移动机器人与水中机器人的特征相结合，具有陆地移动 机器人对地形适应性强和水中机器人运行稳定、速度快的双重优势，实现在水陆变换介质 中持续稳定工作。 [0004] 在发明专利CN102050162A中公开了“一种轮桨腿一体化驱动的水陆两栖机器 人”。该机器人采用三组对称分布的轮桨腿驱动模块，满足机器人在水陆两栖环境的爬行和 浮游运动模式需求，但机器人的轮桨腿复合结构中腿的功能依靠桨叶外缘固接轮缘实现， 在陆地运动过程中，细条状物体或杂草容易缠绕在桨叶上，致使运动的效率降低：而且与 爬行机器人相比，对不同地形的适应能力较弱。 发明内容 [0005]为了避免现有技术存在的不足，克服机器人对不同地形环境适应能力差的问题， 本发明提出一种可变形结构的水陆两栖机器人，通过变形结构的设计使机器人具备快速轮 式运动、仿生爬行运动以及水面航行运动三种运动模式，具有较强的环境适应性。通过内嵌 螺旋桨轮机构为机器人水面航行提供稳定推力，且在陆地运动中使螺旋桨桨叶得到有效保 护：实现在水陆变换介质中持续稳定工作。 [0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括壳体、轮腿机构、上盖板、天 线、视镜、LED灯，轮腿机构位于壳体的两侧对称安装，天线固连在壳体的后盖板上，壳体前 端部有视镜，两个LED灯位于视镜的两侧，上盖板与壳体的发兰盘固连：所述轮腿机构包 括左前腿、左中腿、左后腿、右后腿、右中腿、右前腿，六个轮腿分别由腿部机构和轮部机构 组成，六个腿部机构相同，轮部机构分为普通轮机构和内嵌螺旋桨轮机构，其中，两个中腿 的轮部为内嵌螺旋桨轮机构：所述腿部包括第一U型架、横向摆动舵机、舵盘、第二U型架、 第三U型架、第一纵向摆动舵机、第四U型架、第五U型架、第二纵向摆动舵机、第六U型架、 舵机支架、横向旋转舵机，第一U型架与横向摆动舵机固连，第二U型架与两个舵盘连接，且 与横向摆动舵机连接，横向摆动舵机与第一纵向摆动舵机通过第二U型架与第三U型架固 连，两个U型架的安装角度为90°；第一纵向摆动舵机与第二纵向摆动舵机通过第四U型 3
CN104773042A 说明书 2/4页 架与第五U型架固连，两个U型架的安装角度为0°：第二纵向摆动舵机与横向旋转舵机通 过第六U型架与舵机支架固连，两个U型架的安装角度为90° [0007]所述普通轮机构包括减速电机、普通轮、联轴器、紧定螺钉、爬行足，减速电机与爬 行足连接，减速电机轴与普通轮通过联轴器连接，普通轮与联轴器通过紧定螺钉固连； [0008] 所述内嵌螺旋桨轮机构包括螺旋桨轮、螺旋桨、直流电机、轴套、挡圈、螺旋桨轴、 固定螺母、套筒联轴器，螺旋桨轮作为从动轮通过挡圈和固定螺母安装在轴套上，直流电 机、爬行足与轴套通过螺栓连接，直流电机输出轴与螺旋桨轴通过套筒联轴器连接： [0009]所述壳体为八边棱形结构，上表面与底面、前端面与后端面、左侧面与右侧面分别 平行，上表面有法兰盘，法兰盘上端面靠近内缘处有圆形沟槽，沟槽内放置0型圈，法兰盘 与盖板通过螺栓固连。 [0010]有益效果 [0011]本发明提出的一种可变形结构的水陆两栖机器人，采用六足可变形结构，使机器 人运动方式灵活多变，实现轮式快速移动、仿生爬行运动以及水面航行运动的功能，三种功 能分别适用于平整路面、崎岖路面和水面航行条件，水陆两栖机器人环境适应能力强，实现 在水陆环境中的平稳过渡，并且满足水陆两栖环境对于机器人陆上运动和水面中运动的多 运动模式连续变换的需求，保证了机器人运动的快速性和协调性。 [0012]本发明采用嵌入式螺旋桨轮，很好的解决了机器人从陆地到水面转换过程中动力 转换问题，既能在陆地运动中有效保护螺旋桨桨叶，又能够为机器人的水中运动提供动力， 避免增加额外的水下推进设备，有效地节省能源，提高续航能力。实现在水陆变换介质中持 续稳定工作。 附图说明 [0013] 下面结合附图和实施方式对本发明一种可变形结构的水陆两栖机器人作进一步 详细说明。 [0014] 图1为本发明可变形结构的水陆两栖机器人结构示意图。 [0015] 图2为本发明水陆两栖机器人的腿部结构示意图。 [0016] 图3为本发明水陆两栖机器人的舵机安装部位示意图。 [0017] 图4为本发明水陆两栖机器人通过狭窄环境时的状态图。 [0018] 图5为本发明水陆两栖机器人的陆地爬行状态图。 [0019] 图6为本发明水陆两栖机器人的水下运动螺旋桨推进状态图。 [0020] 图7为本发明水陆两栖机器人的水下运动螺旋桨推进模式轴测图。 [0021] 图8为本发明水陆两栖机器人的内嵌螺旋桨机构示意图。 [0022] 图9为本发明水陆两栖机器人的普通轮机构示意图。 [0023]图中： [0024]1.壳体2.上盖板3.天线4.左前腿5.左中腿6.左后腿7.右后腿 8.右中腿9.右前腿10.视镜11.LED灯12.第一U型架13.横向摆动舵机14.舵 盘15.第二U型架16.第三U型架17.第一纵向摆动舵机18.第四U型架19.第五U型 架20.第二纵向摆动舵机21.第六U型架22.舵机支架23.横向旋转舵机24.螺旋 桨轮25.螺旋桨26.直流电机27.爬行足28.轴套29.挡圈30.螺旋桨轴31.固 4
CN104773042A 说明书 3/4页 定螺母32.套筒联轴器 33.减速电机34.普通轮35.联轴器36.紧定螺钉 具体实施方式 [0025] 本实施例是一种可变形结构的水陆两栖机器人。 [0026] 参阅图1~图9，可变形结构的水陆两栖机器人由壳体、轮腿机构、上盖板、天线、 视镜、LED灯组成：轮腿机构固定在壳体1的两侧对称安装，天线3固连在壳体的后盖板 上，壳体1前端部有视镜10，两个LED灯11安装在视镜10的两侧，上盖板2与壳体的发 兰盘固连。 [0027刀轮腿机构包括左前腿4、左中腿5、左后腿6、右后腿7、右中腿8、右前腿9，六个轮 腿分别由腿部机构和轮部机构组成，六个腿部机构相同，轮部机构分为普通轮机构和内嵌 螺旋桨轮机构，其中，两个中腿的轮部为内嵌螺旋桨轮机构：腿部机构包括第一U型架12、 横向摆动舵机13、舵盘14、第二U型架15、第三U型架16、第一纵向摆动舵机17、第四U型 架18、第五U型架19、第二纵向摆动舵机20、第六U型架21、舵机支架22、横向旋转舵机23： 其中，横向摆动舵机13、第一纵向摆动舵机17与第二纵向摆动舵机20结构相同，舵机与U 型架之间连接相同。现就横向摆动舵机13说明，第一U型架12与横向摆动舵机13通过8 个螺钉固定连接，第二U型架15与两个舵盘14通过8个安装螺栓连接，再与横向摆动舵机 13之间通过固定螺栓连接。舵机之间的连接利用U型架上的安装孔通过螺栓固定连接。其 中，横向摆动舵机13与第一纵向摆动舵机17之间通过第二U型架15与第三U型架16固 连，两个U型架的安装角度为90°：第一纵向摆动舵机17与第二纵向摆动舵机20之间通 过第四U型架18与第五U型架19固连，两个U型架的安装角度为0°：第二纵向摆动舵机 20与横向旋转舵机23之间通过第六U型架21与舵机支架22固连，两个U型架的安装角度 为90°。 [0028]普通轮机构包括减速电机33、普通轮34、联轴器35、紧定螺钉36、爬行足27，减速 电机33与爬行足27连接，减速电机轴与普通轮34通过联轴器35连接，普通轮34与联轴 器35通过紧定螺钉36固连： [0029] 内嵌螺旋桨轮机构包括螺旋桨轮24、螺旋桨25、直流电机26、轴套28、挡圈29、螺 旋桨轴30、固定螺母31、套筒联轴器32，螺旋桨轮24作为从动轮通过挡圈29和固定螺母 31安装在轴套28上，直流电机26、爬行足27与轴套28通过螺栓连接，直流电机26输出轴 与螺旋桨轴通过套筒联轴器32连接。 [0030] 壳体为八边棱形结构，上表面与底面、前端面与后端面、左侧面与右侧面分别平行 安装，上表面固连有法兰盘，法兰盘上端面靠近内缘处有圆形沟槽，沟槽内放置0型圈，法 兰盘与盖板通过螺栓固连。 [0031] 可变形结构的水陆两栖机器人运动模式： [0032] 本实例机器人可实现陆地轮式快速移动、陆地仿生爬行、水面航行三种运动模式。 [0033] 陆地轮式移动模式： [0034]当机器人的腿部机构在程序控制作用下，左前腿4，左中腿5，左后腿6，右后腿7， 右中腿8，右前腿9六个轮子的轮面与平整地面相切的状态。此时，横向摆动舵机13与第 二U型架15之间呈180°，第一纵向摆动舵机17与第四U型架18之间呈45°，第二纵向 摆动舵机20与第六U型架21之间呈135°，横向旋转舵机23的输出轴与地面垂直，各个电 5
CN104773042A 说明书 4/4页 机的输出轴与地面平行。在此模式下，机器人将处于陆地轮式移动模式，机器人的运动速度 取决于电机的转速，该模式适合较平整路面上机器人的快速移动。机器人的前进、倒退功能 通过程序控制每个腿上的电机的正转与反转完成，转向功能由程序根据转弯半径控制每个 腿上的横向旋转舵机23输出轴旋转一定的角度，同时电机旋转实现转弯。 [0035]在该运动模式中，当遇到地面平坦，没有障碍物时，机器人的变形腿部机构处于伺 服状态，不做任何变形动作：当遇到较小的障碍物时，机器人通过人工遥控，腿部机构根据 障碍物大小，横向摆动舵机13，第一纵向摆动舵机17，第二纵向摆动舵机20，横向旋转舵机 23转动一定角度，结构变形通过障碍：当遇到具有一定高度，即机器人腿部变形高度极限 范围内的台阶式的障碍时，通过改变相应腿部变形结构的状态，可爬上台阶，具体变形过程 是：左前腿4和右前腿9首先变形，第一纵向摆动舵机17和第二纵向摆动舵机20各旋转一 定角度，过程中保持电机输出轴与地面平行，当达到台阶高度后，左后腿6、右后腿7电机转 动，机器人向前运动，使机器人两前腿登上台阶，之后通过同样的方式使两条中腿和两条后 腿登上台阶：当遇到比较狭窄的空间时，通过改变相应腿部变形结构的状态，即使横向摆动 舵机13向左或向右旋转90°，将机器人宽度调整为最小，可使机器人通过较狭窄的空间。 [0036]陆地仿生爬行模式： [0037] 当机器人的腿部机构在程序控制作用下，爬行足27接触地面的状态时，机器人实 现陆地仿生爬行模式。横向摆动舵机13与第二U型架15之间呈180°，第一纵向摆动舵 机17与第四U型架18之间呈90°，第二纵向摆动舵机20与第六U型架21之间呈90°， 横向旋转舵机23的输出轴与地面平行，各个电机的输出轴与地面垂直。机器人的运动采用 仿生的三角步态，当机器人运动时，由程序控制横向摆动舵机13、第一纵向摆动舵机17和 第二纵向摆动舵机20联合运动，两个纵向摆动舵机先动作，使腿先抬起来，横向摆动舵机 再向前摆动一定角度，然后两个纵向摆动舵机再动作，使腿放下接触地面，在需要动作的三 条腿的横向摆动舵机摆动时，其余三条腿的横向摆动舵机也需要摆动一定的角度以保证 机器人的中心位置不发生偏移，有三条腿就向前运动了一个步长：该模式适合不平整，障碍 物较多的地面上机器人的运动。机器人的前进、转向、倒退运动功能可通过程序控制六个可 变形腿部机构完成。 [0038]水面航行运动模式： [0039]当机器人的可变形腿部结构在程序控制作用下，螺旋桨25转向机器人运动方向 的状态，机器人的前后四条腿通过变形收起，中间两条腿中横向摆动舵机13与第二U型架 15之间呈180°，第一纵向摆动舵机17与第四U型架18之间呈45°，第二纵向摆动舵机 20与第六U型架21之间呈45°，两台直流电机的输出轴通过横向旋转舵机23旋转指向机 器人运动的反方向，机器人依靠左中腿5、右中腿8中的内嵌螺旋桨旋转提供推力，实现水 面航行模式。通过两侧螺旋桨差速旋转实现水下转向动作，通过横向旋转舵机23的旋转实 现机器人的水面推进动作，机器人水面前进、后退、转弯动作可由两个电机等速正转、等速 反转、差速旋转完成。 6
CN104773042A 说明书附图 1/4页 10 图1 14 15 13 13 16 17 12 12 18 19 0 0 22 图3 2> 26 图2 7
CN104773042A 说明书附图 2/4页 图4 图5 8
CN104773042A 说明书 附图 3/4页 ） 酸淘↓ 图6 图7 28 9 31 25 27 图8 9
CN104773042A 说明书附图 4/4页 33 36 27 图9 10