一种两栖机器人腿摆动机构

1.本发明涉及两栖机器人领域，具体地涉及一种两栖机器人腿摆动机构。


背景技术：

2.随着对海洋资源的重视，人们对海洋探测技术和设备有更高的需求。针对浅滩过渡环境下的监视跟踪两栖目标、监测珊瑚礁内生物、采集海底岩缝矿物等任务，专利申请cn108859637a公开提出了一种具有高机动性、高隐蔽性、高位置精度、支持多模式灵活运动的小型两栖球形机器人。机器人具有两种运动模式，水下采用喷水推进器实现三维空间的运动，陆地上采用腿式驱动机构，实现不同步态的爬行。但是其也有不足之处，具体是，机器人腿摆动机构的驱动完全直接加载在水平舵机上，造成水平舵机负载大，易损坏。


技术实现要素：

3.基于以上问题，为实现机器人腿摆动机构在水平面内的稳定、精准控制，提高机器人腿摆动机构的耐用性，本发明采用如下的技术方案。
4.一方面，本发明提供了一种两栖机器人腿摆动机构，所述摆动机构包括：滑轨、水平支架、水平舵机、齿轮组，所述滑轨内侧带有导轨内齿；
5.所述滑轨固定连接于两栖机器人主体下方；
6.所述水平支架一端转动连接于两栖机器人主体下方近机器人的中心轴位置，另一端滑动连接于所述滑轨上，且其另一端的末端与机器人腿部固定连接；
7.所述水平舵机与所述水平支架固定连接，且其输出作用于所述齿轮组；
8.所述齿轮组与所述导轨内齿啮合。
9.进一步的，所述滑轨通过第一凸台安装孔与隔板固定连接，并保持第一预定高度；
10.所述水平支架通过第二凸台安装孔与隔板转动连接，并保持第二预定高度；
11.所述第二凸台安装孔相对于所述第一凸台安装孔更靠近机器人中心轴设置，且第一预定高度大于第二预定高度，从而所述水平支架平行设置于所述隔板与所述滑轨之间。
12.进一步的，所述水平支架设有导轨滑轮，所述导轨滑轮包括固定部和滑轮部；
13.所述固定部用于将所述导轨滑轮固定连接于所述水平支架；
14.所述滑轨上设有滑轨凸起边缘；
15.所述滑轮部包括与所述滑轨凸起边缘匹配接触的槽，以使所述导轨滑轮沿所述滑轨滑动。
16.进一步的，对应于每一个所述滑轨，所述导轨滑轮至少设有两组，并分别设置于所述滑轨内外两侧，通过所述导轨滑轮夹持所述滑轨，以使所述水平支架与所述滑轨滑动连接。
17.进一步的，所述水平支架开设有滑轮固定孔，所述滑轮固定孔内设有第一轴肩；
18.第一轴承与所述第一轴肩上表面接触，嵌入所述水平支架；
19.第二轴承与所述第一轴肩下表面接触，嵌入所述水平支架；
20.所述导轨滑轮上表面与所述第二轴承接触；
21.所述导轨滑轮的上端为所述固定部；
22.所述固定部的轴端螺纹穿过所述滑轮固定孔，并通过螺母抵接所述第一轴承上表面，以将所述导轨滑轮固定于所述水平支架上。
23.进一步的，所述水平舵机与所述水平支架固定连接；
24.所述水平舵机的舵机输出轴与舵机齿轮固定连接；
25.所述齿轮组与所述水平支架转动连接，所述舵机齿轮与所述齿轮组啮合。
26.进一步的，所述齿轮组包括第一齿轮、第二齿轮；
27.所述第一齿轮与所述舵机齿轮啮合，所述第二齿轮与所述滑轨的导轨内齿啮合；
28.其中，所述水平舵机驱动所述舵机齿轮带动与之啮合的所述第一齿轮转动，所述第一齿轮将驱动传递至所述第二齿轮，所述第二齿轮在所述滑轨内转动，以实现所述水平舵机带动所述水平支架绕水平支架固定转轴转动。
29.进一步的，所述第一齿轮和所述第二齿轮共轴。
30.进一步的，所述水平支架下侧还设置有润滑装置，所述润滑装置设有润滑槽，所述润滑槽与所述滑轨凸起边缘接触，以起到对所述滑轨的润滑作用。
31.另一方面，本发明还提供了一种两栖机器人，所述两栖机器人包括壳体、隔板、腿部，所述壳体与所述隔板形成密封舱，所述腿部与所述隔板通过如上述的任一种摆动机构连接。
32.本发明通过将水平舵机远离机器人的中心轴设置，可以进一步提高水平舵机作用于机器人腿部的输出；并且，采用齿轮滑轨式摆动机构，通过齿轮啮合的传动方式，可提高机器人腿摆动输出的稳定性，并避免舵机损坏；最后，通过水平舵机与齿轮组、齿轮组自身以及齿轮组与导轨内齿之间的传动比可提高水平舵机作用于机器人腿部的输出力矩。根据以上设计，本发明可大大提高两栖机器人在近滩环境的爬行能力。
附图说明
33.图1为机器人的正视图；
34.图2为机器人的仰视图；
35.图3为机器人的正视爆炸图；
36.图4为机器人的仰视局部爆炸图；
37.图5为机器人腿的安装示意图；
38.图6为滑轨结构示意图；
39.图7为滑轨安装仰视图；
40.图8为滑轨安装爆炸图；
41.图9为水平支架结构示意图；
42.图10为机器人腿的结构示意图；
43.图11为齿轮组的结构示意图；
44.图12为齿轮组的爆炸图。
具体实施方式
45.下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。
46.本实施例提供一种面向过渡两栖环境，适合狭窄环境作业，具有高机动性、高隐蔽性、多运动模式、续航时间长、承载能力强、可回收的球形两栖机器人。
47.如图1-3所示，为了使该球形两栖机器人更智能、更自主、更便捷地完成两栖环境下的任务，该球形两栖机器人采用了减轻水平舵机负载的齿轮滑轨式摆动机构。具体为，该球形两栖机器人包括：半球壳1、隔板2、腿部3，以及将腿部3与隔板2连接的齿轮滑轨式摆动机构。其中，半球壳1和隔板2形成球形两栖机器人的半球形密封舱，在其内部可设置有需要防水的控制部件和能源部件，如控制板、电源等。沿机器人主体周向，腿部3至少设有三组，连接于两栖机器人主体下方。进一步的，腿部3的末端设置有喷水电机4；腿部3具有至少一个垂直转动关节，一方面，在水下环境中，机器人可通过垂直转动关节实现对喷水电机4输出角度的调节，从而调整推进方向，另一方面，在陆地和近滩环境中，机器人可通过垂直转动关节实现抬腿动作(喷水电机可视为末端腿)，从而与摆动机构协同以完成爬行动作。在本技术实施例中，腿部3设置有四组，且均匀设置于两栖机器人主体的四个方向，每组腿部3包括至少两个垂直方向的转动关节，从而为喷水电机4提供更大的调节角度。
48.以前水下机器人的腿部完全由水平舵机直接驱动，水平舵机的位置靠近机器人的中心轴，其水平舵机的输出完全直接作用于机器人腿，力臂较长，导致水平舵机负载大且在机器人腿末端的输出能力不足，容易损坏；此外，专利申请公开cn108859637a虽然增加了滑轨设计，但其滑轨设计简单，仅能起到减小水平舵机承重的效果，无法解决水平舵机输出不稳定的问题，仍容易造成水平舵机损坏。
49.如图4-图6所示，本实施例的齿轮滑轨式摆动机构包括滑轨501、水平支架502、水平舵机503、齿轮组504。其中，滑轨501呈弧形，其内侧带有导轨内齿5011，滑轨501固定连接于两栖机器人主体下方；水平支架502一端转动连接于两栖机器人主体下方近机器人的中心轴位置，另一端滑动连接于滑轨501上，且其另一端的末端与机器人腿部3固定连接；水平舵机503与水平支架502固定连接，且其输出作用于齿轮组504；齿轮组504与导轨内齿5011啮合。由此设计，通过水平舵机503与齿轮组504、齿轮组504自身以及齿轮组504与导轨内齿5011之间的传动比可提高水平舵机503作用于机器人腿部3的输出力矩；同时，水平舵机503远离机器人的中心轴设置，可以进一步提高水平舵机503作用于腿部3的输出；进一步的，采用齿轮啮合的传动方式，可提高输出的稳定性，以避免舵机损坏。
50.关于滑轨501的安装，如图7-8所示，滑轨501通过位于其两端的侧边安装孔5013分别与隔板2上对应设置的第一凸台安装孔201固定连接，并通过该凸台结构与隔板2下表面保持第一预定高度。在本技术实施例中，与四组腿部3相对应，共设置有四个结构形式相同的滑轨501，四个滑轨501依次首尾相连形成花瓣形；每个腿部3与一个滑轨501配合，能够沿着与之对应的滑轨501滑动。
51.关于水平支架502的安装，如图4-5所示，水平支架502通过位于其一端的水平支架固定转轴5021与隔板2上对应设置的第二凸台安装孔202转动连接，并通过该凸台结构与隔板2下表面保持第二预定高度。其中，第二凸台安装孔202相对于第一凸台安装孔201更靠近
机器人的中心轴设置，且第二凸台安装孔202的高度低于第一凸台安装孔201，从而可以满足水平支架502平行设置于隔板2与滑轨501之间。如图10所示，水平支架502另一端通过腿部固定件5022与腿部3固定连接。如图10-12所示，在水平支架502上，还安装有导轨滑轮5023；其中，导轨滑轮5023包括固定部和滑轮部。
52.具体的，水平支架502上开设有滑轮固定孔5024，在滑轮固定孔5024内设有第一轴肩5025；角推力球轴承5026与第一轴肩5025上表面接触，嵌入水平支架502；平面球轴承5027与第一轴肩5025下表面接触，嵌入水平支架502。导轨滑轮5023上表面与平面球轴承5027接触；导轨滑轮5023的上端为固定部，固定部的轴端螺纹穿过滑轮固定孔5024，并通过螺母抵接角推力球轴承5026上表面，从而可将导轨滑轮5023固定于水平支架502上。进一步的，滑轨501上还设有滑轨凸起边缘5012，滑轨凸起边缘5012位于导轨内齿5011上侧。滑轮5023的下端为滑轮部，滑轮部包括与滑轨凸起边缘5012匹配接触的槽5028。对应于一个滑轨501，导轨滑轮5023至少设有两组，分别设置于滑轨501内外两侧，由此，可通过导轨滑轮5023夹持滑轨501，以使水平支架502与滑轨501滑动连接。在本实施例中，导轨滑轮5023设置有四组，滑轨凸起边缘5012与四个导轨滑轮5023的槽5028紧密接触，由此可保证水平支架502在滑轨501上不易倾斜和上下偏移，以满足稳定滑动的要求。
53.如图9-12所示，在本实施例中，水平舵机503与水平支架502固定连接，其舵机输出轴5031与舵机齿轮5032固定连接；齿轮组504与水平支架502转动连接，舵机齿轮5032与齿轮组504啮合。齿轮组504包括第一齿轮5041、第二齿轮5042，其中第一齿轮5041与舵机齿轮5032啮合，第二齿轮5042与滑轨501的导轨内齿5011啮合。从而，由水平舵机503驱动，舵机齿轮5032带动与之啮合的第一齿轮5041转动，第一齿轮5041将驱动传递至第二齿轮5042，进一步的，第二齿轮5042在滑轨501内转动，由此实现水平舵机503带动水平支架502绕水平支架固定转轴5021转动。在本实施例中，第一齿轮5041与第二齿轮5042共轴；舵机齿轮5032、第一齿轮5041、第二齿轮5042、内齿5011传动比为5-10，因此输出扭矩变大，水平舵机503以较小额定扭矩也能带动腿部3，且齿轮传动的方式，确保了摆动机构在水平面内运动的精度，也减小了抖动。在本实施例中，舵机齿轮5032齿数a1为8至15个，第一齿轮5041齿数a2为0.5*a1至0.8*a1个，第二齿轮5042齿数a3为1*a1至1.25*a1个，内齿5011齿数a4为5*a1至8*a1个。舵机齿轮5032齿数a1大于第一齿轮5041齿数a2，第二齿轮5042齿数a3大于且第一齿轮5041齿数a2，可以使齿轮组504与舵机齿轮5032配合的更为紧凑，以节省空间。
54.关于齿轮组504的安装，如图9-12所示，水平支架502上开设有齿轮固定孔5026，在齿轮固定孔5026内设有第二轴肩5027。平面球轴承5043与第二轴肩5027上表面接触，嵌入水平支架502；角推力球轴承5044与第二轴肩5027下表面接触，嵌入水平支架502。齿轮转轴5045的一端有止挡部，另一端可设有螺纹，齿轮转轴5045插入平面球轴承5043和角推力球轴承5044的通孔，其止挡部与平面球轴承5043上表面接触。齿轮转轴5045轴向的不同位置，还开设有第一键槽5046、第二键槽5047；由此通过第一齿轮键5048与第一键槽5046将第一齿轮5041固定于齿轮转轴5045，通过第二齿轮键5049与第二键槽5047将第二齿轮5042固定于齿轮转轴5045。在第一齿轮5041与第二齿轮5042之间的位置，齿轮转轴5045上还套设有第一轴套5050，第一轴套5050上表面与第二齿轮5042下表面接触，第一轴套5050下表面与第一齿轮5041上表面接触。在齿轮转轴5045另一端，还设有第二轴套5051，第二轴套5051上表面与第一齿轮5041下表面接触，并由轴端挡圈5052压紧第二轴套5051以完成轴上零件的
固定。在本实施例中，齿轮转轴5045另一端设有螺纹，可通过螺母与轴端挡圈5052抵接以固定。
55.在本实施例中，在水平支架502下侧还设置有润滑装置505，润滑装置505通过固定孔5029固定于水平支架502上。润滑装置505设有一润滑槽5051，润滑槽5051与滑轨凸起边缘5012接触，以起到对滑轨501的润滑作用。
56.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

技术特征：
1.一种两栖机器人腿摆动机构，其特征在于，所述摆动机构包括：滑轨、水平支架、水平舵机、齿轮组，所述滑轨内侧带有导轨内齿；所述滑轨固定连接于两栖机器人主体下方；所述水平支架一端转动连接于两栖机器人主体下方近机器人的中心轴位置，另一端滑动连接于所述滑轨上，且其另一端的末端与机器人腿部固定连接；所述水平舵机与所述水平支架固定连接，且其输出作用于所述齿轮组；所述齿轮组与所述导轨内齿啮合。2.根据权利要求1所述的两栖机器人腿摆动机构，其特征在于，所述滑轨通过第一凸台安装孔与隔板固定连接，并保持第一预定高度；所述水平支架通过第二凸台安装孔与隔板转动连接，并保持第二预定高度；所述第二凸台安装孔相对于所述第一凸台安装孔更靠近机器人中心轴设置，且第一预定高度大于第二预定高度，从而所述水平支架平行设置于所述隔板与所述滑轨之间。3.根据权利要求1所述的两栖机器人腿摆动机构，其特征在于，所述水平支架设有导轨滑轮，所述导轨滑轮包括固定部和滑轮部；所述固定部用于将所述导轨滑轮固定连接于所述水平支架；所述滑轨上设有滑轨凸起边缘；所述滑轮部包括与所述滑轨凸起边缘匹配接触的槽，以使所述导轨滑轮沿所述滑轨滑动。4.根据权利要求3所述的两栖机器人腿摆动机构，其特征在于，对应于每一个所述滑轨，所述导轨滑轮至少设有两组，并分别设置于所述滑轨内外两侧，通过所述导轨滑轮夹持所述滑轨，以使所述水平支架与所述滑轨滑动连接。5.根据权利要求3所述的两栖机器人腿摆动机构，其特征在于，所述水平支架开设有滑轮固定孔，所述滑轮固定孔内设有第一轴肩；第一轴承与所述第一轴肩上表面接触，嵌入所述水平支架；第二轴承与所述第一轴肩下表面接触，嵌入所述水平支架；所述导轨滑轮上表面与所述第二轴承接触；所述导轨滑轮的上端为所述固定部；所述固定部的轴端螺纹穿过所述滑轮固定孔，并通过螺母抵接所述第一轴承上表面，以将所述导轨滑轮固定于所述水平支架上。6.根据权利要求1所述的两栖机器人腿摆动机构，其特征在于，所述水平舵机与所述水平支架固定连接；所述水平舵机的舵机输出轴与舵机齿轮固定连接；所述齿轮组与所述水平支架转动连接，所述舵机齿轮与所述齿轮组啮合。7.根据权利要求6所述的两栖机器人腿摆动机构，其特征在于，所述齿轮组包括第一齿轮、第二齿轮；所述第一齿轮与所述舵机齿轮啮合，所述第二齿轮与所述滑轨的导轨内齿啮合；其中，所述水平舵机驱动所述舵机齿轮带动与之啮合的所述第一齿轮转动，所述第一齿轮将驱动传递至所述第二齿轮，所述第二齿轮在所述滑轨内转动，以实现所述水平舵机带动所述水平支架绕水平支架固定转轴转动。
8.根据权利要求7所述的两栖机器人腿摆动机构，其特征在于，所述第一齿轮和所述第二齿轮共轴。9.根据权利要求3所述的两栖机器人腿摆动机构，其特征在于，所述水平支架下侧还设置有润滑装置，所述润滑装置设有润滑槽，所述润滑槽与所述滑轨凸起边缘接触，以起到对所述滑轨的润滑作用。10.一种两栖机器人，其特征在于，所述两栖机器人包括壳体、隔板、腿部，所述壳体与所述隔板形成密封舱，所述腿部与所述隔板通过如权利要求1至9中任一项所述的摆动机构连接。

技术总结
本发明实施例公开了一种两栖机器人腿摆动机构，所述摆动机构包括：滑轨、水平支架、水平舵机、齿轮组，所述滑轨内侧带有导轨内齿；所述滑轨固定连接于两栖机器人主体下方；所述水平支架一端转动连接于两栖机器人主体下方近机器人的中心轴位置，另一端滑动连接于所述滑轨上，且其另一端的末端与机器人腿部固定连接；所述水平舵机与所述水平支架固定连接，且其输出作用于所述齿轮组；所述齿轮组与所述导轨内齿啮合。本发明采用齿轮滑轨式摆动机构，通过齿轮啮合的传动方式，可提高机器人腿摆动输出的稳定性，并避免舵机损坏，由此可大大提高两栖机器人在近滩环境的爬行能力。高两栖机器人在近滩环境的爬行能力。高两栖机器人在近滩环境的爬行能力。


技术研发人员：刘畅 肖宇杰 黄琮昱 葛庭瑄 王震 邢会明
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/6/27