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申请/专利权人：浙江大学

摘要：本发明公开了一种重心自适应调节的防倾覆性水黾机器人，属于水面机器人技术领域，包括主体、设于主体两侧的划水桨和均匀设于主体周围的支撑腿，还包括：升降单元，设置在主体上，驱动划水桨上下移动；水平摆动单元，设置在升降单元上，划水桨安装在水平摆动单元的输出端；和竖直摆动单元，设置在主体上，包括多连杆机构和推动多连杆机构的输入端上下摆动的推杆电机，支撑腿固定在所述多连杆机构的输出端，多连杆机构上设有与主体相连接的铰轴。通过竖直摆动单元控制支撑腿上下移动，从而控制支撑腿的浮心的移动，在遇到波浪颠簸时，使机器人重心低于支撑腿的浮心，进而提高机器人的防倾覆能力。

主权项：1.一种重心自适应调节的防倾覆性水黾机器人，包括主体、设于所述主体两侧的划水桨和均匀设于所述主体周围的支撑腿，其特征在于，还包括：升降单元，设置在所述主体上，驱动所述划水桨上下移动；水平摆动单元，设置在所述升降单元上，所述划水桨安装在所述水平摆动单元的输出端；和竖直摆动单元，设置在所述主体上，包括多连杆机构和推动所述多连杆机构的输入杆上下摆动的推杆电机，所述支撑腿固定在所述多连杆机构的输出杆，所述多连杆机构上设有与所述主体相连接的铰轴；所述的升降单元和所述的水平摆动单元分别连接在一双轴电机的两个输出端；所述的升降单元包括固定在所述主体上的竖直齿条以及设置在所述双轴电机的第一输出端且与所述竖直齿条啮合的齿轮；所述的水平摆动单元包括拥有部分齿的竖直不完全锥齿轮、上下布置且可与所述竖直不完全锥齿轮啮合的两个水平锥齿轮，以及连接在所述双轴电机的第二输出端且与所述竖直不完全锥齿轮相连的传动机构；所述两个水平锥齿轮转轴固定在同一垂直线上，转轴之间通过柔性联轴器连接，所述的划水桨安装在低位水平锥齿轮转轴的端部。

全文数据：一种重心自适应调节的防倾覆性水黾机器人技术领域本发明涉及水面机器人技术领域，具体地说，涉及一种重心自适应调节的防倾覆性水黾机器人。背景技术水黾是一种在湖水、池塘中常见的小型水生昆虫。它质量轻，拥有特殊的身体结构，身体能够分成躯干、支撑腿和划水腿三部分。水黾能够在水面上站立，快速滑行并且跳跃。水黾机动性强、稳定性高、对水面干扰小，这些优点引起了国内外许多研究者的注意。仿生水黾机器人是基于水黾昆虫能够在水面上漂浮和滑行的基本原理，模仿水黾腿部的疏水特性及运动，能够在远程水域、狭窄水域等特殊环境下进行独立自主作业。随着微型电子元件及微细加工的发展，能够搭载摄像头实现侦察、探测的工作，从而使水黾机器人成为一种低成本、高效率、高隐蔽性的探测机器人，具有很高的潜在应用价值。目前国内外研究中主要有两种仿生水黾机器人：一种是基于水面张力研制的水黾机器人，该机器人的腿部经过疏水材料或者超疏水材料的处理，利用水面张力来支撑机器人。另一种是基于水体浮力支持的水黾机器人，该机器人的支撑腿一般由浮球组成，利用浮球排开水体体积产生的浮力来支撑机器人。基于水面张力支持的水黾机器人，一般体型小，质量轻，仿生效果好，但负载载能力差，难以用在实际应用中。基于浮力支撑的水黾机器人一般体型较大，负载能力强，实用性强。目前基于浮力支撑的水黾机器人的划水腿大部分使用四连杆机构，小型电机提供动力。但四连杆机构不易传递高速运动，影响机器人的划水速度，对划水腿速度的调整不够灵活。并且该种划水腿的划水动作基本是由两个电机控制，一个电机控制浆进入水体，另一个电机控制浆划动水体，两个电机的划水腿对于机器人控制及其机器人小型化是不利的。同时大多数水黾机器人未考虑机器人的稳定性问题，在面对波浪颠簸的情况下，容易倾覆。发明内容本发明的目的为提供一种重心自适应调节的防倾覆性水黾机器人，该机器人遇到波浪颠簸时，通过自动调节重心的位置，使机器人重心低于支撑腿的浮心，提高了机器人的防倾覆能力。为了实现上述目的，本发明提供的重心自适应调节的防倾覆性水黾机器人包括主体、设于主体两侧的划水桨和均匀设于主体周围的支撑腿，还包括：升降单元，设置在主体上，驱动划水桨上下移动；水平摆动单元，设置在升降单元上，划水桨安装在水平摆动单元的输出端；和竖直摆动单元，设置在主体上，包括多连杆机构和推动多连杆机构的输入杆上下摆动的推杆电机，支撑腿固定在所述多连杆机构的输出杆，多连杆机构上设有与主体相连接的铰轴。上述技术方案中，通过升降单元和水平摆动单元驱动划水桨划水，从而控制机器人在水面上前进；通过竖直摆动单元控制支撑腿上下移动，从而控制支撑腿的浮心的移动，在遇到波浪颠簸时，使机器人重心低于支撑腿的浮心，进而提高机器人的防倾覆能力。多连杆机构的输入端通过推杆电机控制在竖直方向运动。为了使多连杆机构的输出杆一直处于竖直姿态，从而使机器人的支撑腿一直处于水平姿态，作为优选，多连杆机构包括由七根连杆构成的两个共边平行四连杆机构，且远离主体的平行四连杆机构的一条连杆延伸并通过第八根连杆与靠近主体的平行四连杆机构的输入杆铰接。作为优选，靠近主体的平行四连杆机构的一条连杆上设有一摇块，铰轴设置在该摇块上。作为优选，主体上设有用于固定推杆电机的电机座，推杆电机的输出端为一推杆，该推杆与多连杆机构输入杆相连。作为优选，支撑腿为椭圆形的浮球。作为优选，升降单元和所述的水平摆动单元分别连接在一双轴电机的两个输出端。采用一个电机对划水腿进行控制，简化了机器人控制系统，减小了升降单元和水平摆动单元的体积。作为优选，升降单元包括固定在主体上的竖直齿条以及设置在双轴电机的第一输出端且与竖直齿条啮合的齿轮。作为优选，水平摆动单元包括拥有部分齿的竖直不完全锥齿轮、上下布置且可与竖直不完全锥齿轮啮合的两个水平锥齿轮以及连接在双轴电机的第二输出端且与竖直锥齿轮相连的传动机构；两个水平锥齿轮转轴固定在同一垂直线上，转轴之间通过柔性联轴器连接，所述的划水桨安装在低位水平锥齿轮转轴的端部。作为优选，传动机构为齿轮传动机构。作为优选，转轴的端部设有一带卡槽的转盘，划水桨胶接在卡槽内。与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的重心自适应调节的防倾覆性水黾机器人在遇到波浪颠簸时，通过自动调节重心的位置，使机器人重心低于支撑腿的浮心，提高了机器人的防倾覆能力。采用同一个电机对划水浆进行控制，简化了机器人控制系统，减小了升降单元和水平摆动单元的体积。附图说明图1为本发明实施例的防倾覆性水黾机器人的结构示意图；图2为本发明实施例中基板和密封舱的结构示意图；图3为本发明实施例中基板的结构示意图；图4为本发明实施例中扩展板的结构示意图；图5为本发明实施例中升降单元，水平摆动单元和划水浆的结构示意图，其中12分别为不同角度的结构示意图；图6为本发明实施例中第一连接件的结构示意图；图7为本发明实施例中底板的结构示意图；图8为本发明实施例中滑块的结构示意图；图9为本发明实施例中水平摆动单元的结构示意图；图10为本发明实施例中底座的结构示意图；图11为本发明实施例中竖直摆动单元和支撑腿的结构示意图；图12为本发明实施例中第二连接件的结构示意图；图13为本发明实施例中电机机座的结构示意图；图14为本发明实施例中多连杆机构的结构示意图；图15为本发明实施例中划水桨工作时的初始状态示意图；图16为本发明实施例中划水桨工作时的四分之一周期的状态示意图；图17为本发明实施例中划水桨工作时的四分之二周期的状态示意图；图18为本发明实施例中划水桨工作时的四分之三周期的状态示意图；图19为本发明实施例中主体下沉进入水中的状态示意图。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。实施例参见图1至图19，本实施例的重心自适应调节的防倾覆性水黾机器人包括：主体1，两个划水桨2以及四个支撑腿3。两个划水桨2和四个支撑腿3对称地分布在主体1的两侧，如图1所示。主体1由基板11，密封舱12，升降单元13，水平摆动单元14和竖直摆动单元15组成。如图2所示，密封舱12通过螺栓连接到基板11的中心位置。密封舱12的舱盖121上安装有两个密封圈122，并通过螺栓固定在舱体123上，对密封舱12进行防水密封。扩展板124通过六角铜柱螺栓安装在舱盖121上。如图4所示，扩展板124的隔板1241安装在两个法兰盘1242中部卡槽上，两个法兰盘1242可通过六角铜柱螺栓进行固定。控制电路板1243通过螺栓固定在隔板1241的一侧，电源1244可通过扎带或者胶带绑定在隔板1241的另一侧。控制电路板1243上有角度传感器，对整个机器人的倾斜角进行监控。控制电路板1243及电源1244的连接线可通过舱盖121上的水密插件125实现对外部设备的控制和能量传递。参见图5，划水浆2的驱动机构为升降单元13及水平摆动单元14组成的耦合机构。升降单元13控制安装在上面的水平摆动单元14及划水桨2在垂直面上进出水体，水平摆动单元14控制划水桨2在水平面上转动，为机器人提供推进力。升降单元13通过第一连接件131如图6所示固定在基板11两侧，升降单元13还包括底板132如图7所示、两个滑杆133、竖直齿条134、滑块135如图8所示以及双轴电机136。两个滑杆133为两个铁棒，安装在底板132上面的孔洞中，可通过胶水进行固定。竖直齿条134通过螺栓连接安装在底板132的侧边上。滑块135两侧具有U型滑道并通过该滑道安装在滑杆133上。双轴电机136通过螺栓安装在滑块135的侧边上，并通过第一输出轴1361上的第一齿轮1362与竖直齿条134进行啮合连接。底板132通过螺栓连接到第一连接件131，进而固定在基板11上，同时底板132上有一排多个螺栓孔，用于调节升降单元13的高度。为了便于对后面机构进行描述，竖直齿条134的模数设置成0.8，第一齿轮1362的模数设置成0.8，齿数设置成5，滑块135在双轴电机136驱动下的最大位移可设置成75.4mm，即双轴电机136输出轴转动6圈。双轴电机136通过第二输出轴1363上的第二齿轮1364将运动和力传递给水平摆动单元14。参见图9，水平摆动单元14的底座1401通过螺栓安装在滑块135上。第三齿轮1402和第四齿轮1403固定在第一转轴1404上并安装在底座1401如图10所示的轴座上，第三齿轮1402跨过底座1401的上边的槽位与第二齿轮1364啮合连接，接受双轴电机136传递的运动和力。第五齿轮1405和竖直锥齿轮1406固定在第二转轴1407上，并安装在底座1401对应的轴座上。第五齿轮1405和第四齿轮1403通过轮齿啮合连接。竖直锥齿轮1406为拥有半数齿轮的不完全锥齿轮，第一水平锥齿轮1408固定在第三转轴1409上，并与竖直锥齿轮1406成90°安装在底座1401上。第二水平锥齿轮1410固定在第四转轴1411上，并与竖直锥齿轮1406成90°安装在底座1401上，与第一水平锥齿轮二1408成平行对立放置。第三转轴1409与第四转轴1411的轴线在同一垂线上，之间通过柔性联轴器1412连接。在竖直锥齿轮1406转动时，齿轮的有齿部分会先后分别与第一水平锥齿轮1408和第二水平锥齿轮1410进行啮合连接。柔性联轴器1412可以缓解竖直锥齿轮1406在与第一水平锥齿轮1408和第二水平锥齿轮1410交换啮合对象过渡时所产生的冲击。上盖1413通过螺钉连接到底座1401，对内部齿轮进行密封。第三转轴1409的另一侧通过刚性联轴器1414连接到防水编码器1415的转轴上，编码器1415可通过螺栓连接到底座1401和上盖1413上。编码器1415可检测第三转轴1409的位置，进而间接监测划水桨2的位置，并将位置信息传递控制电路板1243，控制电路板1243将对双轴电机136的转向和速度进行控制。第四转轴1411的另一侧通过刚性联轴器1416接到第五转轴1417，第五转轴1417加工有螺纹，转盘1418通过螺栓连接固定在第五转轴1417底部。划水浆2通过胶接的方法固定在圆转盘1418的卡槽中。第二齿轮1364，第三齿轮1402，第四齿轮1403，第五齿轮1405，竖直锥齿轮1406，第一水平锥齿轮1408和第二水平锥齿轮1410的模数都设置为2，齿数分别设置为5，10，5，15，5，20和20。其中竖直锥齿轮1406为不完全齿轮，原来的齿数为10，经切除一半的齿制作而成。从双轴电机136传递到划水桨2的传动比为12：1。本实施例中，除电机，电路板，电池，密封舱等常见部件以外，其余部分一般为金属、碳纤维、树脂、聚合物复合材料等。第一齿轮1362、第二齿轮1364、第三齿轮1402、第四齿轮1403和第五齿轮1405均为直齿齿轮。参见图11，本实施例的支撑腿3为椭球形的浮球。竖直摆动单元15通过第二连接件151如图12所示固定在基板11的四个角落上，与机器人前进方向或基板11长边成30°。竖直摆动单元15主要由电机机座152如图13所示、推杆电机153和多连杆机构154如图14所示组成。推杆电机153通过螺栓垂直安装在电机机座154上，电机机座152通过螺栓垂直连接到第二连接件151上，并固定在基板11上。多连杆机构154可看成两个平行四连杆机构的串联机构。连杆一15401、连杆二15402、连杆三15403和连杆四15404组成第一个平行四连杆机构，杆头通过销轴连接。连杆三15403、连杆五15405、连杆六15406和连杆七15407组成第二个平行四连杆机构，杆头通过销轴连接。连杆一15401、连杆三15403和连杆六15406长度相等。连杆二15402、连杆四15404、连杆五15405的对应边和连杆七15407的长度相等。连杆五15405的另一边通过销轴连接到连杆八15408，连杆八15408通过套筒15409连接在连杆一15401与连杆二15402的销轴上。连杆二15402的杆身穿过摇块15410的滑道。摇块15410的转轴通过螺纹连接限制在电机机座152伸出臂的孔中，孔中装有轴套，摇块15410的转轴可在孔中转动。连杆机构154的自由度为一，连杆一15401是输入杆，连杆六15406是输出杆。连杆一15401通过螺栓连接固定在推杆电机153的推杆1531上。支架15411通过螺栓连接到连杆六15406，支撑腿3通过螺栓固定在支架15411上。支撑腿3的长轴与多连杆机构154成30°，与机器人前进方向平行。推杆电机153通过移动推杆1531控制多连杆机构154带动支撑腿3上升或者下降，进而控制机器人主体1的下降和上升。多连杆机构154在推杆1531运动中，输出杆一直保持竖直状态，进而保证了支撑腿3一直处于初始水平的姿态。当机器人遇见波浪时，机器人控制电路板1243上角度传感器监测到机器人在波浪中颠簸倾角过大时，机器人推杆1531收缩，支撑腿3上升，主躯干1下降，沉入水中。此时机器人重心下降，机器人上的密封舱12等构件会额外增大机器人的浮力，同时机器人重心位置低于支撑腿3浮心位置，有利于机器人抗波浪稳定性。多连杆机构154在竖直摆动单元15中的作用一是为了增大机器人在水面上的伸展面积提高机器人的稳定性，二是放大推杆电机153的推杆1531的行程，使机器人的主躯干1能够顺利沉入水中，同时保证支撑腿一直处于水平的姿态。本实施例的机器人在运动之前，机器人的初始位置为推杆电机153将推杆1531推出，支撑起机器人。划水桨2位于机器人中部，与机器人前进方向垂直，水平摆动单元14内部的竖直锥齿轮1406的有齿部分刚开始与第一水平锥齿轮1408接触啮合，滑块135位于底板132上侧，如图15所示。在机器人运动时，划水桨2的划水动作在一个划水周期内可划分成四部分：一、第一输出轴1361上的第一齿轮1362与竖直齿条134啮合运动，滑块135向下滑动，同时，第二输出轴1363上的第二齿轮1364与第三齿轮1402啮合运动。水平摆动单元14内部的竖直锥齿轮1406的有齿部分与第一水平锥齿轮1408进行啮合运动，划水桨2随第一水平锥齿轮1408转动，朝机器人前端转动。编码器1415监测第一水平锥齿轮1408及划水桨2的转角位置。当划水桨2达到四分之一的周期时，双轴电机136的两输出轴转动了3圈，第一水平锥齿轮1408转动了90°。划水桨2转动了90°并抵达机器人前端，且与机器人前进方向平行。滑块135和划水桨2下降了37.7mm，划水桨2底部与水面接触，如图16所示；二、当划水桨2超过四分之一的周期时，竖直锥齿轮1406的有齿部分结束与第一水平锥齿轮1408啮合，开始与第二水平锥齿轮1410进行啮合运动。滑块135和划水桨2继续下降，划水桨2改变转向，由机器人前端朝中部位置转动，拨打水体为机器人提供动力。当划水桨2达到四分之二的周期时，双轴电机136的两输出轴共转动了6圈。第二水平锥齿轮1410转动了90°，划水桨2朝机器人中部转动了90°并抵达机器人中部，且与机器人前进方向垂直。滑块135和划桨2下降了75.4mm，划水桨2底部到达最低水位，如图17所示。此时编码器1415监控到划水桨2回到中部，将位置信息传递给控制电路板1243，控制电路板1243控制双轴电机136反转，滑块135准备上升；三、当划水桨2超过四分之二的周期时，双轴电机136反转。竖直锥齿轮1406的有齿部分开始与第一水平锥齿轮1408进行啮合运动，划水桨2按照原来的转向从机器人中部朝机器人后端转动，同时拨打水体为机器人提供动力。滑块135向上滑动。当划水桨2达到四分之三的周期时，双轴电机136的两输出轴反向转动3圈。划水桨2抵达机器人后端，且与机器人前进方向平行。滑块136和划水桨2上升了37.7mm，划水桨2底部抵达水面，如图18所示；四、当划水桨2超过四分之三的周期时，竖直锥齿轮1406的有齿部分与第二水平锥齿轮1410啮合运动，划水桨2离开机器人后端朝机器人中部转动，滑块135继续向上滑动，划水桨2底部离开水面。当划水桨2达到一个周期时，双轴电机136的两输出轴共反向转动了6圈，第二水平锥齿轮1310转动了90°，划水桨2抵达机器人中部且与机器人前进方向垂直。滑块135和划水桨2上升了75.4mm，机器人到达初始位置，如图15所示。此时编码器1415监控到划水桨2回到机器人中部位置，控制电路板1243控制双轴电机136转动方向改变，准备下一个划水周期。值得注意的是在设计机器人另一侧划水浆2运动的时候，垂直锥齿轮1406应首先与第二水平锥齿轮1410进行啮合运动，运动过程和如上所述类似，两侧划水桨2才能产生同向的推进力。当机器人两侧的划水桨2上的双轴电机136同时工作，机器人可实现前进功能。当机器人转弯时，只需控制一侧的划水桨2动作就可以完成转弯动作。当机器人遇见波浪时，机器人控制电路板1243上角度传感器监测到机器人在水面上的颠覆倾角过大时，待机器人当前划水周期结束后，机器人双轴电机136停止转动，机器人推杆1531收缩，多连杆机构154带动支撑腿3上抬，机器人主体1下降沉入水中，如图19所示。待一定时间后，角度传感器监测到机器人在水中的颠覆倾角不大时，推杆电机153重新将推杆1531推出，多连杆机构154带动支撑腿3下放，机器人主体1浮出水面，继续工作。以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种重心自适应调节的防倾覆性水黾机器人，包括主体、设于所述主体两侧的划水桨和均匀设于所述主体周围的支撑腿，其特征在于，还包括：升降单元，设置在所述主体上，驱动所述划水桨上下移动；水平摆动单元，设置在所述升降单元上，所述划水桨安装在所述水平摆动单元的输出端；和竖直摆动单元，设置在所述主体上，包括多连杆机构和推动所述多连杆机构的输入杆上下摆动的推杆电机，所述支撑腿固定在所述多连杆机构的输出杆，所述多连杆机构上设有与所述主体相连接的铰轴。2.根据权利要求1所述的防倾覆性水黾机器人，其特征在于，所述的多连杆机构包括由七根连杆构成的两个共边平行四连杆机构，且远离所述主体的平行四连杆机构的一条边延伸并通过第八根连杆与靠近所述主体的平行四连杆机构输入杆铰接。3.根据权利要求2所述的防倾覆性水黾机器人，其特征在于，靠近所述主体的平行四连杆机构的一条连杆上设有一摇块，所述的铰轴设置在该摇块上。4.根据权利要求1所述的防倾覆性水黾机器人，其特征在于，所述的主体上设有用于固定所述推杆电机的电机机座，所述推杆电机的输出端为一推杆，该推杆与所述的多连杆机构输入杆相连。5.根据权利要求1所述的防倾覆性水黾机器人，其特征在于，所述的支撑腿为椭圆形的浮球。6.根据权利要求1所述的防倾覆性水黾机器人，其特征在于，所述的升降单元和所述的水平摆动单元分别连接在一双轴电机的两个输出端。7.根据权利要求6所述的防倾覆性水黾机器人，其特征在于，所述的升降单元包括固定在所述主体上的竖直齿条以及设置在所述双轴电机的第一输出端且与所述竖直齿条啮合的齿轮。8.根据权利要求6所述的防倾覆性水黾机器人，其特征在于，所述的水平摆动单元包括拥有部分齿的竖直不完全锥齿轮、上下布置且可与所述竖直不完全锥齿轮啮合的两个水平锥齿轮，以及连接在所述双轴电机的第二输出端且与所述竖直不完全锥齿轮相连的传动机构；所述两个水平锥齿轮转轴固定在同一垂直线上，转轴之间通过柔性联轴器连接，所述的划水桨安装在低位水平锥齿轮转轴的端部。9.根据权利要求8所述的防倾覆性水黾机器人，其特征在于，所述的传动机构为齿轮传动机构。10.根据权利要求8所述的防倾覆性水黾机器人，其特征在于，所述的转轴的端部设有一带卡槽的转盘，所述的划水桨胶接在所述卡槽内。

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