(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号CN103043201A (43)申请公布日2013.04.17 (21)申请号201110308967.2 (22)申请日2011.10.13 (71)申请人中国科学院合肥物质科学研究院 地址230031安徽省合肥市蜀山湖路350号 (72)发明人徐林森徐峰李冰施云高 胡晓娟吴益靓 (74)专利代理机构常州佰业腾飞专利代理事务 所（普通合伙）32231 代理人朱小杰 (51)1nt.cl. B63H1900(2006.01) B63B3800(2006.01) 权利要求书1页说明书3页附图2页 (54)发明名称 仿生双足水上行走机器人 (57)摘要 本发明公开了一种仿生双足水上行走机器 人。其行走机构为设在支撑体两侧的曲柄连杆 机构，由驱动电机驱动，曲柄连杆机构包括第一连 21 杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆和第五连杆，第 一连杆与支撑体后部转动连接，第二连与第一连 31 2 杆一端转动连接，第三连杆与第二连杆一端转动 31 连接，第四连杆的两端分别与第三连杆一端和第 一连杆转动连接，第五连杆一端与驱动电机的输 出端耦接，另一端与第二连杆转动连接：其平衡 装置为陀螺仪，位于支撑体后部。本发明主要模拟 蛇怪蜥蜴水上行走各关节轨迹，实现双足机器人 在水上稳定行走，具有体积小，重量轻，控制灵活 等特点，在环境检测、军事侦查、水中污染物和有 毒元素检测、湿地探测等领域具有广泛用途。 10650901
CN103043201A 权利要求书 1/1页 1.一种仿生双足水上行走机器人包括支撑体(3)、行走机构、平衡装置(4)和用来驱 动行走机构的固定在支撑体上的驱动电机(2)，其特征在于：上述行走机构为设在支撑体 两侧的曲柄连杆机构(1)，曲柄连杆机构(1)包括第一连杆(11)、第二连杆(12)、第三连杆 (13)、第四连杆(14)、和第五连杆(15)，第一连杆与支撑体后部转动连接，第二连与第一连 杆一端转动连接，第三连杆与第二连杆一端转动连接，第四连杆的两端分别与第三连杆一 端和第一连杆转动连接，第五连杆一端与驱动电机的输出端耦接，另一端与第二连杆转动 连接；上述平衡装置为陀螺仪(4)，位于支撑体后部，包括陀螺仪支架(41)和陀螺仪转子 (42),转子下端设有齿轮(43)，与陀螺仪支架传动连接。 2.根据权利要求1所述的仿生双足水上行走机器人，其特征在于：上述支撑体末端设 有尾部连杆（⑤），尾部连杆（⑤）与水平面夹角为15~25度，且尾部连杆末端设有尾部垫圈 (51)。 3.根据权利要求1所述的仿生双足水上行走机器人，其特征在于：上述行走机构的第 三连杆(13)底面设有脚掌(16)，且脚掌(16)由橡胶软垫制成，为圆形或椭圆形。 4.根据权利要求1所述的仿生双足水上行走机器人，其特征在于：上述驱动电机(2) 通过支座(21)与支撑体固定连接
CN103043201A 说明书 1/3页 仿生双足水上行走机器人 技术领域 [0001]本发明涉及一种行走机器人，特别的属于仿生双足水上机器人领域。 背景技术 [0002]目前在地面上运动和在水面下游动的机器人非常多，但真正能在水面上行走的机 器人并不多见，水上行走机器人因其特殊的运动方式，对地形适应力好，机动性强，因此用 于洪水和沼泽地环境下的探测，搜寻和营救工作，水质勘测等领域。 [0003]关于水上机器人的研究，中国专利“水上漂浮仿生水黾机器人”（公开号： CN100404371C,公开日：2008年7月23日)中提出了一种体积小，重量轻的仿生水黾机器 人，该机器人主要通过水面的张力提供浮力，通过桨状腿划动来运动，该机器人有效载荷 低，不能在起伏较大的水面上行走，不能抵御波浪的能力。 [0004]中国专利“遥控电动水上行走机器人”（公开号：CN101817395A,公开日：2010年9 月1日)中提出了一种能够通过表面张力实现水面站立的，驱动腿在水表面划动产生动力， 外形仿生水黾的可自由转向的水上行走机器人。该机器人的浮力主要通过水面张力提供， 载荷小，若要增大载重余量，则需要多条支撑腿。 发明内容 [0005]本发明的目的在于提出一种体积小，重量轻能够在水面上快速行走的双足机器 人，采用单电机驱动，控制简单，更主要的是机器人不是通过水面的张力来提供浮力，而是 模仿蛇怪蜥蜴水上行走的三维动力学机理，克服自身重力，提供向上的浮力和向前的驱动 力，实现机器人高速，高载荷，高机动性地水上行走。 [0006]通过研究蛇怪蜥蜴水上行走的运动特点，分析其水上行走步伐周期中膝盖，脚踝， 脚掌的运动轨迹，保持蜥蜴能够在水上行走的四个主要因素：身体重量：腿部连杆机构的 长度：奔跑速度：脚掌的形状和面积。本发明运用曲柄连杆机构，来实现机器人腿部运动结 构，根据这个四个因素，通过调节曲柄连杆机构各个连杆长度来优化拟合蛇怪蜥蜴水上行 走腿部运动轨迹。该机构结构简单，直接由电机驱动。 [0007] 我们通过以下步骤的制备实现上述目的： [000]一种仿生双足水上行走机器人包括支撑体、行走机构、平衡装置和用来驱动行走 机构的固定在支撑体上的驱动电机，其特征在于：上述行走机构为设在支撑体两侧的曲柄 连杆机构，曲柄连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、和第五连杆，第一 连杆与支撑体后部转动连接，第二连与第一连杆一端转动连接，第三连杆与第二连杆一端 转动连接，第四连杆的两端分别与第三连杆一端和第一连杆转动连接，第五连杆一端与驱 动电机的输出端耦接，另一端与第二连杆转动连接：上述平衡装置为陀螺仪，位于支撑体后 部，包括陀螺仪支架和陀螺仪转子，转子下端设有齿轮，与陀螺仪支架传动连接。 [0009]所述支撑体末端设有尾部连杆，尾部连杆与水平面夹角为15~25度，且尾部连杆 末端设有尾部垫圈
CN103043201A 说明书 2/3页 [0010] 所述行走机构的第三连杆底面设有脚掌，且脚掌由橡胶软垫制成，为圆形或椭圆 形。 [0011] 所述驱动电机通过支座与支撑体固定连接。 [0012]本发明提出的仿生双足水上行走机器人，通过曲柄连杆机构的各连杆作用，可模 拟蛇怪蜥蜴水上行走机理：该机器人设有驱动结构和尾部支撑连杆，结构简单，体积小，能 够实现水上快速行走；此外，该机器人的脚掌由橡胶软垫制成，减轻重量的同时也能减少脚 掌拍击水面时的噪音，亦能增大载重余量。本发明可用于相关机器人水上行走技术的理论 研究和试验平台。 附图说明 [0013]图1机器人总体主视图： [0014]图2机器人总体俯视图： [0015] 图3平衡装置陀螺仪侧视图； [0016] 图4机器人尾巴结构主视图。 [0017]图1-图4中：1-曲柄连杆机构，11-第一连杆，12-第二连杆，13-第三连杆，14-第 四连杆，15-第五连杆，16-脚掌，2-驱动电机，21-支座，3-支撑体，31-固定销，4-陀螺仪， 41-陀螺仪外支架，42-陀螺仪转子，43-齿轮，5-尾部连杆，51-尾部垫圈。 具体实施方式 [0018]下面结合附图说明本发明的具体实施方式。 [0019] 本发明仿生双足水上行走机器人总体结构如图1，图2所示，包括支撑体3、作为行 走机构的曲柄连杆机构1、作为平衡装置的陀螺仪4和驱动电机2，上述曲柄连杆机构设在 支撑体两侧。 [0020]上述曲柄连杆机构1包括第一连杆11、第二连杆12、第三连杆13、第四连杆14、和 第五连杆15，第一连杆与支撑体后部通过固定销31转动连接，第二连与第一连杆一端转动 连接，第三连杆与第二连杆一端转动连接，第四连杆的两端分别与第三连杆一端和第一连 杆转动连接，第五连杆一端与驱动电机2的输出端耦接，另一端与第二连杆转动连接。当驱 动电机转动，驱动第五连杆15转动时，通过各个连杆之间的联动，将驱使第三连杆13周期 性运动，模仿出动物行走状。 [0021]见图3，上述支撑体后部设有槽，槽里安装陀螺仪4，陀螺仪由小型直流电机带动， 包括陀螺仪支架41、陀螺仪转子42和齿轮43，齿轮设在陀螺仪转子下端，陀螺仪转子能够 沿着陀螺仪支架旋转。在本发明机器人行走过程中，调整自身重心位置，保持平衡。陀螺仪 4可以采用普通的塑料材料，减轻整个机器人的重量。 [0022]上述曲柄连杆机构1的第三连杆13底面设有脚掌16，且脚掌由橡胶软垫制成，呈 圆形或者椭圆形。上述驱动电机2通过支座21与支撑体连接，机器人脚掌16在驱动电机 2驱动下拍击水面，向水面下运动，形成一个气穴，这样水面对脚掌16产生向上的支撑力和 向前的推力，在气穴消失前，脚掌16要离开水面，然后再拍击，这样循环运动，从而实现在 水面上行走。 [0023]见图4，上述支撑体末端设有尾部连杆5，尾部连杆末端设有尾部垫圈51。尾部连
CN103043201A 说明书 3/3页 杆5与水平面成20°夹角，尾部垫圈51用橡胶软垫制成。 [0024]本发明机器人所有杆件和支撑体由聚碳酸酯材料制成，来减轻身体的重量。使用 时，将机器人驱动电机2启动，轻轻放在水面上，驱动电机将驱动曲柄连杆机构1运转，第三 连杆13连同脚掌16拍打水面，机器人便可以在水上行走，同时陀螺仪4和尾部连杆5都可 以起到平衡作用，使得机器人的行走更加平稳。 [0025]显然，本发明的上述具体实施方式仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非 是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还 可以容易的做出其它形式上的变化或者替代，而这些改变或者替代也将包含在本发明确定 的保护范围之内
CN103043201A 说明 书附图 1/2页 1,15 1,12 1,14 1,11 5 16 1.13 g 图1 6 4 3 21 51 2 31 图2
CN103043201A 说明书 附图 2/2页 41 42 ⊙ 43 图3 51 图4