一种带倾转轴的水陆两栖机器人及控制方法

技术领域

本发明属于水陆两栖机器人领域，尤其涉及一种带倾转轴的水陆两栖机器人及控制方法。

背景技术

两栖机器人具有在水陆不同环境运动的能力，能够担任在水陆环境下的多种任务。研究能够适应多种地形环境的两栖机器人，对经济发展、环境监测、资源勘探、军事任务等方面具有重大意义。

现有的两栖机器人从陆地上运动机构上划分主要分为轮式、腿式、类蛇式等，轮式的行走机构结构简单，能量效率好，运动速度快但是其运动形式较为单一，越障能力和多地形通过能力差；腿式两栖机器人凭借其多自由度的关节腿可以轻松实现越障，拥有复杂地形通过能力，但是其速度慢控制复杂，并且能量利用率低；类蛇式水陆两栖机器人运动空间要求低，能通过狭窄的地形，可用于特殊环境下的救灾抢险，但是其在恶劣环境下易出现故障。水陆两栖机器人在水下常见的推进方式有仿鱼式摆动式推进、喷水式推进、螺旋桨式推进等。仿鱼式水陆机器人结构复杂且效率较低；喷水式推进不易精确控制其参数；螺旋桨式推进结构简单但是在水中灵活性较差。

中科院沈白所曾将水中推进用的螺旋桨和在陆地上常用的轮式结构组合到一起研制出一种轮浆式水陆两栖机器人，该机器人轮子外缘部分成非连续结构，在陆地上起到腿部的行进效果，在海洋环境中，轮桨腿能为该机器人提供足够的推力来实现该机器人，通过在机器人中部设置导流板实现机器人的浮潜；专利号202010893885.8公开了一种桨腿式可变形水陆两栖六足机器人,六个桨腿对称分布在底盘的前部、中部和后部,沿周向驱动即可作为陆上柔顺腿式驱动机构, 沿轴向驱动作为在水下螺旋桨式推进器。

上述类型的两栖机器人虽然采用一体化的结构结合了各类型的优势，但难以利用简单机构使两栖机器人同时拥有实现陆地，水面和水下三种环境运动能力。针对上述不足，需要设计和开发一款结构简单且在陆地、水面和水下均具有较好运动性能的水陆两栖机器人。

发明内容

本发明目的在于提供一种带倾转轴的水陆两栖机器人及控制方法，以解决上述的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的一种带倾转轴的水陆两栖机器人及控制方法的具体技术方案如下：

一种带倾转轴的水陆两栖机器人，包括外壳、浆轮、倾转轴模块、和控制系统，两个所述倾转轴模块对称分布在外壳左右两侧，所述倾转轴模块两端从外壳内向外壳外延伸出外壳，所述浆轮安装在倾转轴模块两端，所述浆轮轮轴方向与倾转轴轴线方向垂直，所述控制系统安装在外壳内，所述倾转轴模块与控制系统电连接，所述控制系统控制倾转轴模块转动，从而改变浆轮的方向。

进一步的，所述外壳包括壳体和壳体上方的密封盖，所述壳体四角处具有供倾转轴模块通过的轴孔，四个所述轴孔大小形状完全相同，所述轴孔内壁设置有密封圆形沟槽，所述密封圆形沟槽内具有O型橡胶圈。

进一步的，所述轴孔内壁具有两层密封圆形沟槽，所述密封圆形沟槽内具有O型橡胶圈，形成两层密封圈结构。

进一步的，所述壳体上侧开口处具有两层圆角四边形沟槽，所述圆角四边形沟槽内具有橡胶圈。

进一步的，所述倾转轴模块包括外转子电机、倾转轴、蜗轮、蜗杆34、联轴器、步进电机、步进电机支架和步进电机盖板；两个所述步进电机支架固定安装在壳体底部左右两侧，所述步进电机盖板和步进电机支架共同固定步进电机，所述步进电机通过联轴器连接蜗杆，所述蜗杆位于蜗轮上方并与蜗轮机械配合，所述蜗轮通过顶丝固定安装在倾转轴的中部，所述倾转轴两端从壳体的轴孔延伸出壳体，所述倾转轴和壳体不直接接触，所述倾转轴和轴孔之间通过O型橡胶圈动密封，所述倾转轴两端与外转子电机固定连接，所述外转子电机与控制系统信号连接。

进一步的，所述外转子电机自带角位移传感器，角位移传感器与控制系统5信号连接。控制系统通过PID对外传子电机进行控制。

进一步的，所述倾转轴包括蜗轮轴、光轴和电机固定轴，所述蜗轮轴两端与光轴固定连接，所述光轴与电机固定轴固定连接，所述电机固定轴与外转子电机固定连接，所述外转子电机的转子与浆轮固定连接，所述电机固定轴内中空可供导线穿过，所述光轴上具有供导线穿出的引线通孔。

进一步的，所述铜环碳刷装置包括铜环、绝缘环、铜销、碳刷支架、碳刷盖板、碳棒、弹簧和导电铜片；所述铜环套在光轴外与光轴固定连接，所述铜环内壁具有突起的铜销，所述碳刷支架上具有限位槽，所述限位槽内由外到内依次安装有碳棒、弹簧和导电铜片，所述碳棒与铜环相切紧密接触，所述弹簧安装在碳棒和导电铜片之间，所述导电铜片和碳棒通过导线相接，所述导电铜片与控制系统电连接，所述碳刷盖板固定安装在碳刷支架上，所述外转子电机的导线穿入电机固定轴内由光轴上的通孔穿出与铜环内的铜销固定连接。

进一步的，所述浆轮包括第一浆轮、第二浆轮、第三浆轮和第四浆轮，所述第一浆轮和第二浆轮的轮辐为右旋螺旋桨叶，所述第三浆轮和第四浆轮轮辐为左旋螺旋桨叶，每个所述浆轮的轮轴为圆柱形盒体，所述浆轮外缘部分为非连续结构，每个浆轮的桨叶末端轮缘宽40mm。

本发明还公开了一种带倾转轴的水陆两栖机器人的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：第一浆轮、第二浆轮首先入水，机器人处于负浮力状态；

步骤2：浆轮逐渐浸于水中至完全浸没时，控制系统通过控制步进电机的旋转从而控制倾转轴倾转，使两侧倾转轴同时向外倾转；此时浆轮旋转桨叶产生推力斜向上，推力沿竖直向上的分力使机器人悬浮在水中，延水平方向的分力因为浆轮桨叶螺旋方向相反而导致产生的水平分力方向相反，最终四个浆轮产生的力矩使机器人逆时针旋转；

步骤3：当机体旋转90度时，控制系统控制第三浆轮和第四浆轮的外转子电机反转，机器人前进运动方向与外壳长边共线。

本发明的一种带倾转轴的水陆两栖机器人及控制方法具有以下优点：

本发明的水陆两栖机器人进入水中后处于负浮力状态，浆轮桨叶末端宽阔的轮缘能为其在进入海洋与陆地交界区域时提供足够的摩擦力，不至于被海浪拍回陆地。

本发明进入浅滩后，先后入水的两组浆轮由于螺旋桨旋向相反，因此产生相反方向的侧向推动力，机器人受力矩作用自动旋转机体，使机体长边作为前进方向，由此完成入水动作。

本发明在水下时，机器人通过倾转轴的倾转改变浆轮产生的推力的方向，能够轻松地在三维空间内向各个方向运动，并且具有很高的灵活性。

本发明将外转子电机的导线从倾转轴中穿过引入到壳体内，配合铜环碳刷装置解决了倾转模块倾转时电线缠绕的问题。

本发明利用单一的倾转机构同时满足了陆地、水面和水下三种环境所需的驱动方式，减少了整机重量，所有驱动模式均由单一机构的变形实现，结构简单紧凑，实现了机器人的轻量化和小型化。

附图说明

图1为本发明的带倾转轴的水陆两栖机器人整体结构图；

图2为本发明的倾转轴模块、铜环碳刷装置和控制系统位置图；

图3为本发明的外壳结构图；

图4为本发明的浆轮相对外壳的相对位置图；

图5为本发明的倾转轴模块结构图；

图6为本发明的倾转轴结构图；

图7为本发明的铜环碳刷装置图；

图8为本发明的两倾转轴倾转状态图；

图中标记说明：1、外壳；11、壳体；111、轴孔；112、密封圆形沟槽；113、圆角四边形沟槽；12、密封盖；2、浆轮；3、倾转轴模块；31、外转子电机；32、倾转轴；321、蜗轮轴；322、光轴；323、电机固定轴；322、光轴；3221、左光轴；32211、左光轴凸台一；32212、左光轴凸台二；3222、右光轴；323、电机固定轴；3231、左电机固定轴；3232、右电机固定轴；32221、右光轴凸台一；32222、右光轴凸台二；324、引线通孔； 33、蜗轮；34、蜗杆；35、联轴器；36、步进电机；步37、进电机支架；38、步进电机盖板；4、铜环碳刷装置；41、铜环；42、绝缘环；43、铜销；44、碳刷支架；45、碳刷盖板；46、碳棒；47、弹簧；48、导电铜片；5、控制系统。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种带倾转轴的水陆两栖机器人及控制方法做进一步详细的描述。

如图1、图2所示，本发明的一种带倾转轴的水陆两栖机器人，包括外壳1、浆轮2、倾转轴模块3、铜环碳刷装置4和控制系统5，两个倾转轴模块3对称分布在外壳1左右两侧，通过螺钉安装在外壳1内，倾转轴模块3两端从外壳1内向外壳1外延伸出外壳1，浆轮2安装在倾转轴模块3两端，且浆轮2轮轴方向与倾转轴32轴线方向垂直，控制系统5安装在外壳1中部，四个铜环碳刷装置4安装在倾转轴模块3上，且位于外壳1四角处。倾转轴模块3和铜环碳刷装置4与控制系统5电连接。控制系统5用于控制倾转轴模块3工作。

如图3所示，外壳1包括壳体11和壳体上方的密封盖12，壳体11四角处具有供倾转轴模块3通过的轴孔111，四个轴孔111大小形状完全相同，轴孔内壁设置有两层密封圆形沟槽112，密封圆形沟槽112内安装O型橡胶圈13，形成两层密封圈结构，两层密封圈结构加强了密封效果。为了方便密封盖12的安装和拆卸，同时加强密封效果，壳体11上侧开口处设置两层圆角四边形沟槽113，圆角四边形沟槽113内安装橡胶圈进行静密封；密封盖12与壳体11之间用六颗沉头螺栓固定其相对位置；O型橡胶圈13材料选自硅胶、丁晴、氟及其他耐磨耐腐蚀材料。

如图5所示，倾转轴模块3包括外转子电机31、倾转轴32、蜗轮33、蜗杆34、联轴器35、步进电机36、步进电机支架37和步进电机盖板38；两个步进电机支架37通过螺丝安装在壳体11底部左右两侧，步进电机盖板38和步进电机支架37共同固定步进电机36，步进电机36通过联轴器35连接蜗杆34，蜗杆34位于蜗轮33上方并与蜗轮33机械配合，蜗轮33通过顶丝固定安装在倾转轴32的中部。倾转轴32两端从壳体11的轴孔111延伸出壳体11，倾转轴32和壳体11不直接接触，倾转轴32和轴孔111之间通过O型橡胶圈13动密封。倾转轴32两端与外转子电机31固定连接。 外转子电机31自带角位移传感器，角位移传感器与控制系统5信号连接。控制系统5通过PID对外传子电机31进行控制。

如图6所示，倾转轴32包括蜗轮轴321、光轴322和电机固定轴323，光轴322分为左光轴3221、右光轴3222，电机固定轴323分为左电机固定轴3231和右电机固定轴3232，两个外转子电机31分别固定在左电机固定轴3231和右电机固定轴3232上，电机固定轴323内中空可供导线穿过，左电机固定轴3231的一端和外转子电机31的定子通过螺栓连接，另一端和左光轴3221过盈连接，左光轴3221包括左光轴凸台一32211和左光轴凸台二32212，左光轴凸台一32211安装在壳体11轴孔111内，安装时，为左光轴3221轴肩与轴孔配合处涂抹润滑油。左光轴凸台二32212与蜗轮轴321左端通过销连接。右光轴3222和左光轴3221完全相同，右电机固定轴3232和左电机固定轴3231完全相同，右光轴3222包括右光轴凸台一32221和右光轴凸台二32222，右光轴凸台一32221安装在壳体11轴孔111内，右光轴凸台二32222与蜗轮轴321右端通过销连接。左光轴凸台二32212和右光轴凸台二32222上具有供导线穿出的引线通孔324。

左光轴322和右光轴323由45号钢数控加工而成，表面采用镀铬技术，粗糙度不超过1.5μm，具有高硬度、耐磨和耐腐蚀的特性。

如图7所示，铜环碳刷装置4包括铜环41、绝缘环42、铜销43、碳刷支架44、碳刷盖板45、碳棒46、弹簧47和导电铜片48；每个光轴322上顺次安装有铜环41、绝缘环42、铜环41、绝缘环42和铜环41，铜环41内壁具有突起的铜销43，三个铜环41通过三个铜销43与光轴322固定连接；三个铜环41随光轴322一同旋转。碳刷支架44上设置有三个限位槽，每个限位槽内由外到内依次安装有碳棒46、弹簧47和导电铜片48，碳棒46与铜环41相切紧密接触，弹簧47安装在碳棒46和导电铜片48之间，导电铜片48和碳棒46通过导线相接，导电铜片48与控制系统5电连接。碳刷盖板45通过螺丝安装在碳刷支架44上，固定碳棒46。外转子电机31的导线穿入电机固定轴323内由光轴322上的通孔324穿出与铜环41内的铜销43固定连接，当倾转轴在倾转时，外转子电机31的导线与铜环41连接，铜环41与碳棒46始终接触；碳棒46与导电铜片48连接，导电铜片48与控制系统电连接，铜环碳刷装置4解决了倾转模块倾转时电线缠绕的问题。

进一步地，外转子电机31的导线穿过倾转轴32后，应对倾转轴32内孔和导线之间的空隙涂抹密封胶，达到防水效果。

如图4所示，浆轮2与外转子电机31的转子固定连接，浆轮2包括第一浆轮21、第二浆轮22、第三浆轮23和第四浆轮24，其相对外壳1安装的相对位置如图4所示，第一浆轮21和第二浆轮22的轮辐为右旋螺旋桨叶，第三浆轮23和第四浆轮24轮辐为左旋螺旋桨叶，每个浆轮2的轮轴为圆柱形盒体，外转子电机31的转子通过螺栓安装在浆轮2盒体内部，外转子电机31转子旋转时会带动浆轮2旋转；本发明的浆轮2外缘部分成非连续结构，每个浆轮2的桨叶末端轮缘宽40mm，在陆地上起到腿部的行进效果，能为其在松软海滩、滩涂和海底提供足够的支持力，使机器人不会陷入地形。 而在水面和水下时，旋转的浆轮2能为机器人提供足够的推力来实现该机器人在水中的运动。水下的运动包括空间内各个方向的移动和转动。

本发明进入浅滩时，第一浆轮21、第二浆轮22首先入水，机器人处于负浮力状态，浆轮2逐渐浸于水中至完全浸没时，这时控制系统5通过控制步进电机36的旋转从而控制倾转轴32倾转，使两侧倾转轴32同时向外倾转，如图8所示，此时浆轮2旋转桨叶产生推力斜向上，推力沿竖直向上的分力使机器人悬浮在水中，延水平方向的分力因为浆轮2桨叶螺旋方向相反而导致产生的水平分力方向相反，最终四个浆轮2产生的力矩使机器人逆时针旋转（从密封壳上方向下看），当机体旋转90度时，控制系统5控制第三浆轮23和第四浆轮24的外转子电机31反转，机器人前进运动方向与外壳1长边共线。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。