一种可伸缩动蹼式明轮驱动的水陆两栖机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种可伸缩动蹼式明轮驱动的水陆两栖机器人。

背景技术

水陆两栖机器人技术是近年来机器人研究领域的重要分支，其旨在开发能够在陆地和水上环境均能自如运动的机器人；水陆两栖机器人技术可以应用于环境保护、资源调查、水文勘察、海岸科考、渔政执勤、休闲娱乐、军事侦察等领域。

在现有技术中，水陆两栖机器人的结构大多采用两种推进系统相结合的设计，陆上推进系统(如轮式、履带式)与水域推进系统(如螺旋桨式、喷射流式)独立运行，这种方案结构复杂、能源效率低、制造成本高。

部分水陆两栖机器人采用轮腿式或可折叠轮腿式设计，在陆地上可以代替轮子或变形为轮子移动并具备一定的越障性能，在水域中也可保持一定机动性；但是，其结构在陆地上行驶时刚度不足，且水中推进的效率不高。

因此，现有技术还有待改进和发展。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术方案结构复杂、能源效率低、制造成本高；或者在陆地上行驶时刚度不足，且水中推进的效率不高。

要找到与所描述的水陆两栖机器人技术方案最接近的现有技术，并分析其存在的问题，我们需要考虑水陆两栖机器人领域的关键技术。目前，最接近的现有技术是传统的水陆两栖车辆或机器人设计，它们通常结合了轮式或履带式陆地行驶机制和水中划桨或螺旋桨式推进机制。

现有技术：传统水陆两栖车辆或机器人

1)设计特点：这些系统通常采用固定的轮式或履带式机构用于陆地行驶，以及固定的桨式或螺旋桨推进机构用于水中行驶。

2)结构配置：在水中，它们依赖于螺旋桨或类似的机构进行推进，而在陆地上，它们切换到轮子或履带行驶。

现有技术存在的技术问题：

1)切换效率：在水陆两栖环境中切换时，传统设计通常需要复杂的机械变换过程，这导致操作效率低下。

2)结构复杂性：由于需要两套不同的推进系统(陆地和水中)，这些机器人的设计往往更加复杂和笨重。

3)能耗问题：在水中使用螺旋桨推进时，尤其是在低速操作时，传统的水陆两栖机器人会遇到效率低和能源消耗高的问题。

4)适应性和灵活性局限：这些系统在特定环境(如泥泞地面或浅水区域)中的适应性和灵活性受限。

5)维护和耐用性问题：由于设计复杂，这类机器人需要更频繁的维护，且部分组件容易因频繁使用而快速磨损。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可伸缩动蹼式明轮驱动的水陆两栖机器人，通过采用单一动力驱动系统与可伸缩动蹼式明轮结构相结合的设计，实现陆地上行驶时保证轮毂的刚度和灵活度，水上航行时又能提高能源利用效率。

本发明是这样实现的，一种可伸缩动蹼式明轮驱动的水陆两栖机器人，包括壳体，所述壳体转动连接四个车轮轴，分布于壳体的左右两侧；壳体内设置有四个独立的驱动机构，四个驱动机构分别与四个车轮轴连接以驱动车轮独立转动；车轮机构内包含可伸缩的动蹼式明轮机构；可伸缩动蹼式明轮包含车轮、一个独立的小轮体、数片桨板、可伸缩机构；可伸缩机构用于明轮桨板的伸缩，使得明轮桨板可以收缩于车轮内、并与车轮形成一个整体，或展开成一个动蹼式明轮机构、可用于划水。

进一步，动蹼式明轮机构包含车轮、独立的小轮体、桨板，所述车轮上需要加工孔状和板状的中空结构，用于和桨板之间的铰链、以及桨板缩进时的存放，孔状结构沿圆周均匀分布(圆的直径为D)；独立的小轮体上对应存在沿圆周均匀分布的孔状结构(圆的直径也为D)，用于与桨板铰链；桨板上存在两个轴，两个轴的中心线共面且距离为L，分别与车轮、独立的小轮体铰链；车轮轴心线与独立的小轮体的轴心线之间的距离也为L；当车轮和独立的小轮体绕各自的轴心做圆周运动时，桨板在不发生自转的前提下，围绕车轮轴心与小轮体轴心的中间位置做圆周运动；当桨板平面垂直于水面时，可以保证其入水角度永远垂直于水面方向，大大减少入水水花，并提高了明轮驱动的效率。

进一步，可伸缩机构包含直线导轨、驱动电机、螺纹杆、伸缩杆、曲轴，用于动蹼式明轮机构的收缩和展开；驱动电机与直线导轨一起固定于壳体上，螺纹杆一端固定于电机转动轴上，做旋转运动；螺纹杆与伸缩杆之间采用螺旋传动，伸缩杆限定于直线导轨上做直线运动；伸缩杆与曲轴的一端采用花键连接；曲轴另一端与小轮体铰链；当机构伸展时，车轮和小轮体分别沿各自的轴心线自转，于桨板组成动蹼式明轮机构；可伸缩机构需要在特定的位置完成收缩，以方便桨板进入车轮上的中空槽内；当曲轴的一端也进入车轮轴端的卡槽内，伸缩轴继续回收、与曲轴分离；车轮、桨板、小轮体、曲轴形成一个整体，沿车轮的轴心线做旋转运动。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，路上行驶时，动蹼式明轮机构处于收缩状态，与车轮组合为一体结构，满足高强度的陆地行驶需求，同时减小了横向宽度，减小了风阻系数、并增加了路上行驶时的可通过性；水上行驶时，采用动蹼式明轮机构驱动，有效地增加了驱动效率，由于桨板始终与水面保持垂直，有效减少了桨板入水和出水时的浪花，增加了隐蔽性。

本发明通过紧凑的结构设计提高了水陆两栖机器人在陆地和水中的驱动性能；采用单一动力系统与可伸缩明轮机构相结合的方式，很大程度地优化了系统结构、减轻了整体重量、保证了陆地行驶时的性能、提高了水上行驶的效率、增加了设备使用航程。

第二，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明的设计方案简单而巧妙，结构紧凑、性能完善，适用于军民多种领域，如环境保护、资源调查、水文勘察、海岸科考、渔政执勤、休闲娱乐、军事侦察等，具有广阔的市场前景，量产后可以为军民领域提供高性能、高附加值的水陆两栖机器人。

本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：本发明首次提出了应用于水陆两栖机器人的可伸缩动蹼式明轮驱动结构；相较于仅用于水上航行的动蹼式明轮结构，本发明的结构更紧凑，并同时适用于水上和陆地环境；相较于水陆两种推进系统相结合的设计，本发明结构简单、重量轻、能源效率高；相较于现有的可伸缩轮桨结构和可变形轮腿式结构，本发明的驱动效率更高、陆地行驶时轮毂的刚度更强；本发明通过紧凑而巧妙的结构设计，同时获得了陆地高强度轮毂与水上动蹼式明轮结构的优势，填补了高性能水陆两栖驱动方面的技术空白。

本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：水陆两栖机器人需要兼顾陆地和水上行驶的性能，难以同时满足水陆性能优良、结构简单、制造成本低、能源效率高；目前的方案中只能满足一部分要求，当采用陆上推进系统与水域推进系统独立运行时，结构复杂、能源效率低、制造成本高，当采用轮腿式或可折叠轮腿式设计时，其结构在陆地上行驶时刚度不足、且水中推进的效率不高；本发明通过采用一种动力系统和可伸缩动蹼式明轮结构组合的方式，同时保证了水陆两栖机器人在陆地和水上的行驶性能，其结构紧凑、制造成本低、能源效率高。

本发明的技术方案克服了技术偏见：水陆两栖机器人难以采用简单结构，同时获得陆地和水上两种环境下的高效率驱动，现有技术必然会牺牲一部分性能要求；本发明通过采用一种动力系统和可伸缩动蹼式明轮结构组合的方式，实现了水陆两栖机器人在紧凑的结构下，仍然保持陆地和水上的高性能驱动。

第三，本发明提供的水陆两栖机器人的技术方案，每个结构部件在技术上取得的显著进步可以分别概述如下：

1)可伸缩动蹼式明轮机构

技术进步：传统水陆两栖机器人使用固定的推进机制，而这一新型结构能够根据环境自动调整，实现更高的效率和适应性。在水中，它展开成动蹼，提供强劲的推力；在陆地上，它收缩，减少阻力和体积，提升陆地行驶效率。

影响：这种设计大幅提高了机器人在不同环境下的操作效率和灵活性，同时也减少了能源消耗。

2)壳体与车轮轴的连接设计

技术进步：这种设计使得车轮轴可以在壳体上灵活转动，增强了机器人的操控性和通过性。相比于传统设计，这种连接方式使机器人更适合复杂和多变的地形。

影响：提升了机器人在复杂地形中的可靠性和安全性，特别是在地形变化频繁的环境中。

3)独立驱动机构

技术进步：每个车轮的独立驱动允许精准的动力控制和更好的操控性。这在复杂地形和紧急情况下尤其有用，可以提供更精确的响应。

影响：增强了机器人的机动性和适应性，尤其是在需要快速反应和高精度控制的场合。

4)车轮的孔状和板状中空结构

技术进步：这种结构设计既为收缩的桨板提供了存放空间，又保持了车轮的结构强度。它使得机器人在陆地行驶时更为紧凑和稳定。

影响：这种设计提高了机器人在不同模式切换时的效率和稳定性，同时也减少了机器人的总体重量。

5)可伸缩机构的设计(包括直线导轨、驱动电机等)

技术进步：通过精密的机械控制，可伸缩机构能够精确地控制动蹼式明轮的展开和收缩，提供了优秀的动力传输和转换能力。

影响：这种设计增加了机器人的适应性，使其能够在多种不同的环境中高效运行，同时降低了维护需求和故障率。

这些技术进步整体上提高了水陆两栖机器人的性能，使其更加适应多变的环境，同时提高了能效和操作灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的可伸缩动蹼式明轮驱动的水陆两栖机器人的整体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的可伸缩动蹼式明轮机构的爆炸视图；

图3是本发明实施例提供的可伸缩动蹼式明轮机构两种状态示意图；其中，(a)收缩状态，(b)伸展状态；

图4是本发明实施例提供的可伸缩动蹼式明轮机构的收缩、伸展状态示意图；其中，(a)收缩状态剖面图，(b)伸展状态剖面图，(c)收缩状态俯视图，(d)伸展状态俯视图；

图5是本发明实施例提供的可伸缩动蹼式明轮驱动的水陆两栖机器人陆地行驶时的使用状态参考图；

图6是本发明实施例提供的可伸缩动蹼式明轮驱动的水陆两栖机器人水上航行时的使用状态参考图；

图中：1、壳体；21、驱动电机；22、驱动齿轮；23、车轮；3、动蹼式明轮机构；31、直线导轨；32、驱动电机；33、螺纹杆；34、伸缩杆；35、永磁铁；36、曲轴；37、桨板；38、小轮体；4、电池包；5、电路板；6、盖体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出的水陆两栖机器人的设计，我将提供两个具体的实施例，以及各自的具体实现方案：

实施例1：城市水域环境监测机器人

1)设计目的：用于城市水域(如河流、湖泊)的环境监测，包括水质检测、生态监测等。

2)车轮轴设计：采用轻质合金材料，提高机器人的机动性和耐用性。

3)动蹼式明轮机构：在水中时，动蹼式结构展开以提供高效的水中推进；在陆地上，动蹼式结构收缩以减少阻力和体积，便于在城市水岸边行驶。

4)传感器集成：装备多种水质检测传感器和环境监测设备，以收集关键数据。

5)自动控制系统：结合GPS和自动导航系统，确保机器人能自动在预定路线上巡航，同时进行实时数据收集和传输。

实施例2：海岸线搜救机器人

1)设计目的：用于海岸线救援，包括搜救遇险人员、运送救援物资等。

2)结构和材料：使用耐腐蚀、高强度的材料，以适应海水环境。车轮轴和壳体设计更为坚固，以抵御海浪的冲击。

3)动蹼式明轮机构：动蹼式结构在水中提供强大的推进力，确保机器人在海浪中稳定行驶；在沙滩或岩石等地形上，动蹼收缩以便在不同地形上高效移动。

4)救援装备：装备生命探测器、紧急医疗包、通讯设备等救援设备。

5)高级导航和通信系统：结合卫星导航、无线通信和自主决策算法，使机器人能够在复杂环境中自主导航，并与救援团队保持实时通信。

本发明提供的两个实施例分别针对不同的应用场景，展示了水陆两栖机器人在环境监测和紧急救援方面的潜在应用。每个实施例都具体考虑了所需的功能、环境适应性和必要的技术配置。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可伸缩动蹼式明轮驱动的水陆两栖机器人，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明提供的水陆两栖机器人，包括一个壳体，该壳体转动连接四个车轮轴，这些车轮轴分布于壳体的左右两侧。壳体设计结实且轻质，以适应多种地形环境。车轮轴内包含的可伸缩动蹼式明轮机构，通过特殊设计，能够在水中和陆地上提供有效的推进力，使机器人能够平稳过渡和操作于不同环境。

每个车轮轴连接一个独立的驱动机构，使得每个车轮可以独立转动。这种设计增强了机器人的操控性和适应性，能够在复杂地形中实现更精准的方向控制和更强的通过性。

每个车轮包括一个独立的小轮体和数片可伸缩的桨板。这些桨板能够根据环境需要，智能伸缩，以优化水下推进效率和陆地行驶性能。在水中时，桨板展开形成动蹼，提供强劲的划水动力；在陆地上，桨板收缩，确保机器人的行驶平稳性。

车轮具有孔状和板状的中空结构，用于存放收缩的桨板。这种结构设计不仅提高了车轮的结构强度，还确保了机器人在陆地行驶时的紧凑性和稳定性，同时方便桨板的伸缩和存放。

独立的小轮体上存在与桨板铰接的孔状结构。这种设计使得桨板在展开或收缩时能够精准对齐，确保机器人在不同模式间切换时的高效传动和稳定运行。

具有直线导轨、驱动电机、螺纹杆、伸缩杆和曲轴组成的可伸缩机构。这个机构能够精确控制动蹼式明轮机构的展开和收缩，从而适应不同的行驶条件和环境。

曲轴的一端与伸缩杆通过花键连接，另一端与小轮体铰链。这种连接方式不仅确保了桨板的同步运动，还增强了整体结构的稳定性和耐用性，使机器人能夔于多种复杂环境。

当机器人在水中时，桨板平面能够垂直于水面。这种设计确保了入水角度的最佳化，从而减少入水水花并提高明轮驱动的效率。这个特征使得机器人在水中行驶时更为高效和节能，同时减少了对水生生态系统的干扰。

本发明提供一种可伸缩动蹼式明轮驱动的水陆两栖机器人，如图1所示，所述可伸缩动蹼式明轮驱动的水陆两栖机器人包括壳体1，所述壳体1转动连接四个车轮23，分布于壳体1的左右两侧；壳体1内设置有四组独立运行的驱动机构，包括驱动电机21和驱动齿轮22，所述四个驱动机构分别驱动四个车轮轴独立转动；车轮机构内包含可伸缩的动蹼式明轮机构3；所有机构都由电路板5控制，电池包4提供驱动能源；由盖体6进行密封，防尘防水。

如图2、图3、图4所示，所述可伸缩动蹼式明轮，包含动蹼式明轮机构和伸缩机构；所述动蹼式明轮机构包含车轮23、一个独立的小轮体38、数片桨板37；所述桨板37上存在两个轴，两个轴的中心线共面且距离为L，分别与车轮23、独立的小轮体38铰链；所述车轮23上存在孔状和板状的中空结构，尺寸较大的孔状中空结构用于车轮23和桨板37的一个轴之间的铰链，尺寸较薄的板状中空结构用于存放缩进时的桨板37，孔状结构沿圆周均匀分布(圆周的直径为D)；独立的小轮体38上对应存在沿圆周均匀分布的孔状结构(圆周的直径也为D)，用于与桨板37另一轴的铰链；车轮23轴心线与小轮体38轴心线之间的距离也为L。

所述伸缩机构，包含直线导轨31、驱动电机32、螺纹杆33、伸缩杆34、车轮23、曲轴36，用于动蹼式明轮机构的收缩和展开；驱动电机32与直线导轨32固定于壳体1上，螺纹杆33一端固定于电机32的转动轴上，做旋转运动；螺纹杆33与伸缩杆34之间采用螺旋传动，伸缩杆34限定在直线导轨上，做直线运动；伸缩杆34另一端呈方形，内有永磁铁35；曲轴36一端为方形，另一端与小轮体38铰链。

如图4(b)所示，当伸缩机构伸展时，伸缩杆34含有永磁体35的一端，插入曲轴36的方形孔内，进而推动整个动蹼式明轮机构展开，如图3右图所示；车轮23由驱动电机21驱动运转，然后车轮23带动桨板37转动，进而带动小轮体38转动；曲轴36固定于伸缩杆34上，小轮体38沿与曲轴铰链的中心线转动；桨板37沿车轮23轴心线和小轮体38轴心线的中间位置做圆周运动，且本身不发生自转；因此，当设定桨板37的初始状态为与水面垂直时，桨板37可以一直与水面保持垂直，进而可以保证其入水/出水角度永远垂直于水面方向，大大减少入水/出水时的水花，并提高了明轮机构的工作效率。

当可伸缩动蹼式明轮驱动的两栖机器人由水中行驶到陆地时，需要在桨板37与车轮23的中空结构对齐时开始回收伸缩杆34；此时，伸缩杆34与曲轴36之间的连接靠永磁体35与曲轴36之间的磁场吸引力维持；当动蹼式明轮机构完全收缩后，桨板37完全固定于车轮23的中空结构中，曲轴36的一端也固定于车轮23轴端的方形卡槽内，动蹼式明轮结构与车轮23形成了一个整体；继续收回伸缩杆34，由于螺纹传动产生的拉力远大于永磁体35的磁场吸引力，使得伸缩杆34与曲轴36分离，启动驱动电机21便可以正常驱动车轮23在陆地行驶。

图5、图6分别为可伸缩动蹼式明轮驱动的两栖机器人在陆地上行驶与水中航行时的状态图。可以看出，车轮的结构始终保持完整性，具有较高的刚度，当动蹼式明轮结构收缩到车轮23之中时，车体宽度变窄，具有更强的环境通过性；当本发明所述可伸缩动蹼式明轮驱动的两栖机器人由陆地行驶到水中时，动蹼式明轮机构展开，依靠同一电机系统驱动明轮结构旋转，通过桨板划水提供水上航行时的动力，在此过程中，由于桨板始终与水面垂直，可以获得更高的明轮驱动效率，并大幅减少桨板出入水时的水花、提高了隐蔽性。

本发明采用单一动力系统，可以有效提高能源效率，增加各种应用场景中的可使用时长；采用可伸缩结构设计，使两栖机器人具有更好的灵活通过性，应用于科研观测、或者军事侦查时，有助于扩大活动范围。

为了应对各种任务需求，本发明具有良好的可扩展性能；通过采用创新结构，节省了基本运动模块所需要的空间，进而可以根据需求增加其他的观测模块，提高两栖机器人的信息获取能力。

本发明可应用于河湖沿岸、沼泽等地的水文生态环境考察，由于水上航行采用动蹼式明轮结构，保证了出入水的角度，大幅减少了航行浪花及噪音，可以大大减少对观察对象的影响，更好地完成科考任务。本发明也可用于娱乐休闲设备，由于本发明技术方案设计简单、结构紧凑、制造成本低、可扩展性强，本身具有很好地观赏性，也可以应用于休闲娱乐设备，如水陆两用的儿童玩具、水陆两栖游乐船。

与现有技术采用水陆两种推动系统相比，本发明采用一套驱动系统与可伸缩动蹼式明轮结构相结合的方式，同时实现了紧凑结构、重量轻、能源效率高、陆地高性能行驶、水上高效航行。

陆地行驶时，可伸缩动蹼式明轮结构处于收缩状态，可以减少曲轴36、浆板37、小轮体38的转动，不仅增加了陆上行驶的平稳性，还减少了风阻、提高了狭窄环境中的通过性；可以提高军事应用时的陆地上的侦查质量和侦查范围、扩展民事应用的使用场景。水上航行时，可伸缩动蹼式明轮结构处于展开状态，依靠明轮转动，动蹼式桨板拨水，推进水上航行；该动蹼式明轮转动时，浆板始终垂直于水面，相比于固定式明轮结构，大大减少了降板入水/出水时产生的浪花；在用于军事侦查时，可以大大提高水陆两栖机器人的隐蔽性。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。