一種可變結(jié)構(gòu)的新型球形兩棲機器人的制作方法
【專利說明】
(一)技術(shù)領(lǐng)域:
[0001]本實用新型涉及一種機器人，尤其是一種可在水陸兩種環(huán)境中運動并根據(jù)環(huán)境的變化自主切換運動方式的球形兩棲機器人。
(二)【背景技術(shù)】:
[0002]機器人是一種具有高度靈活性的自動化機器，可以代替人類去做繁重或者精細的工作。兩棲機器人因其能實現(xiàn)水中和陸地的兩種領(lǐng)域運動，使得該類型機器人具有廣泛的應(yīng)用前景，包括在生活、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域。雖然現(xiàn)在機器人的能力還是有限的，但它處于迅速發(fā)展的態(tài)勢，并開始對整個工業(yè)生產(chǎn)、太空和海洋探索以及人類生活的各方面產(chǎn)生巨大的積極影響，維護國家權(quán)益。
[0003]目前國內(nèi)、外有眾多的團隊和學者從事著球形機器人以及兩棲機器人的研宄。其中國外的研宄起步較早，發(fā)達國家已走在世界的前列，相關(guān)研宄的成果較多。我國在國家自然科學基金委、國防科工委和863高技術(shù)研宄發(fā)展計劃等的大力資助下，哈爾濱工程大學、電子科技大學、北京郵電大學、北京理工大學、南京航空航天大學等也都對球型機器人以及兩棲機器人開展了研宄并取得了一些進展，但與國外相比仍有較大差距。這與我國微電子、機械制造工業(yè)的整體發(fā)展水平不高密切相關(guān)。
[0004](I)國外研宄現(xiàn)狀
[0005]2012年，英國，曼切斯特大學研制出一種小型的球形機器人，該機器人只能夠在水里移動，不能實現(xiàn)在水陸兩棲。該機器人直徑小，能適應(yīng)狹窄的環(huán)境作業(yè)，但由于其采用螺旋槳驅(qū)動，噪聲較大。2010年，美國，麻省理工學院利用康達效應(yīng)的原理，提出泵一流量閥的概念，開發(fā)了一種類似鴨蛋的水下機器人。研制了驅(qū)動機器人水中運動的裝置，該機器人采用對稱結(jié)構(gòu)，無纜線控制，沒有附屬物，體積小，能有效避免水中外在環(huán)境的干擾，適用于水下核管道的檢測，但是對機器人難以實現(xiàn)準確控制。2013年，加拿大，麥吉爾大學，開發(fā)了一種兩棲機器人，該機器人利用輪子的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)其在水陸兩棲的運動。
[0006](2)國內(nèi)研宄現(xiàn)狀
[0007]哈爾濱工程大學研發(fā)了基于矢量推進的球形機器人，它能實現(xiàn)水中3自由度的運動，但是體積過大。北京郵電大學一直致力于陸地中的球形機器人的研宄，先后研制了 4代機器人，包括帶有機械臂抓取功能的球形機器人，該機器人利用質(zhì)量塊重心的偏移實現(xiàn)機器人的滾動。北京理工大學近年也在研制球形機器人，他們通過控制伺服舵機的角度，帶動輪子，來實現(xiàn)其多自由度的滾動。
[0008]雖然國內(nèi)外研宄團隊在球形機器人方面已經(jīng)取得重大的突破，但仍然存在一些問題:1)多數(shù)球形機器人的幾何尺寸普遍偏大，不利于其在狹窄的空間運動；2)機器人水下運動多采用螺旋槳驅(qū)動，噪聲大、隱蔽性差；3) —些球形機器人只能在單一領(lǐng)域下運動，不能實現(xiàn)水陸兩棲，不能適應(yīng)復雜的環(huán)境。
(三)【實用新型內(nèi)容】:
[0009]本實用新型目的設(shè)計一種可變結(jié)構(gòu)的新型球形兩棲機器人，它能夠解決現(xiàn)有球形機器人的問題，具有環(huán)境適應(yīng)性強、尺寸小、活動范圍大、噪聲低、使用方便的優(yōu)點，在海洋、荒島的開發(fā)和利用中發(fā)揮的重要作用。
[0010]本實用新型的技術(shù)方案:一種可變結(jié)構(gòu)的新型球形兩棲機器人，其特征在于它包括上、下兩部分，其中上半部分包括半圓球殼和圓盤，下半部分包括至少3組驅(qū)動裝置和攝像頭；所述半圓球殼和圓盤連接構(gòu)成殼體，所述殼體內(nèi)部有安裝供電電池、控制裝置和液位傳感器，所述液位傳感器鑲嵌在圓盤上；所述圓盤上安裝驅(qū)動裝置和用于采集周圍環(huán)境信息的攝像頭；所述驅(qū)動裝置、攝像頭、供電電池、液位傳感器均與控制裝置連接。
[0011]所述至少3組驅(qū)動裝置呈中心對稱分布在圓盤上，所述攝像頭安裝在圓盤的中心位置。
[0012]所述每組驅(qū)動裝置包括防水伺服舵機1、防水伺服舵機I1、噴水電機、噴管、直流電機以及車輪；所述防水伺服舵機1、防水伺服舵機II在空間上垂直擺放；所述防水伺服舵機I與圓盤連接，所述防水伺服舵機II安裝于多功能舵機支架上；
[0013]所述直流電機與噴水電機安裝在防水殼中，防水殼通過L形支架固定在多功能舵機支架上；
[0014]所述車輪與直流電機連接；所述噴管與噴水電機連接；
[0015]所述防水伺服舵機1、防水伺服舵機I1、噴水電機及直流電機均與控制裝置連接。
[0016]所述防水伺服舵機I通過垂直安裝的一字型舵機支架和長U形舵機支架與防水伺服舵機II連接。
[0017]所述防水伺服舵機1、防水伺服舵機I1、直流電機以及車輪構(gòu)成陸地運動時采用的輪式結(jié)構(gòu)；所述防水伺服舵機1、防水伺服舵機I1、噴水電機及噴管構(gòu)成陸地運動時采用的腿式結(jié)構(gòu)以及水下運動時采用的噴水推進結(jié)構(gòu)。
[0018]所述防水伺服電機I通過銅柱和螺絲II固定在圓盤上。
[0019]所述伺服舵機I與一字型舵機支架通過金屬舵盤II連接；所述防水伺服舵機II通過軸承與金屬舵盤I與長U形支架連接；所述長U形支架與一字型舵機支架通過螺絲III連接。
[0020]所述車輪通過軸安裝在直流電機的一側(cè)。
[0021]所述驅(qū)動裝置為呈中心對稱分布在圓盤上的4組。
[0022]所述半圓球殼與圓盤通過螺絲I固定在一起構(gòu)成密閉的殼體。
[0023]所述半圓球殼與圓盤通過防水膠進行防水密封。
[0024]所述圓盤上設(shè)置用于穿過各個器件與控制裝置相連所用導線的圓孔。
[0025]所述圓盤為起固定作用的圓盤。
[0026]所述半圓球殼采用3D打印機打印，所述防水殼采用3D打印機打印。
[0027]所述控制裝置采用型號為aTmega2560的單片機。
[0028]本實用新型的工作方法:
[0029](I)控制裝置通電后，機器人通過殼體內(nèi)部鑲嵌在圓盤上的液位傳感器判斷自身所處的環(huán)境，反饋到控制裝置，自主完成水陸自身姿態(tài)的切換；
[0030](2)經(jīng)液位傳感器判斷在陸地上時，通過安裝在圓盤上的攝像頭判斷周圍的環(huán)境，根據(jù)地形的狀況選擇輪式結(jié)構(gòu)運動或是腿式結(jié)構(gòu)運動:
[0031]①選擇采用輪式結(jié)構(gòu)運動時，控制裝置控制每組驅(qū)動裝置中的防水伺服舵機1、防水伺服舵機II空間上保持垂直狀態(tài)并且使得每組驅(qū)動裝置中的車輪保持與地面成垂直狀態(tài)；通過每組直流電機分別驅(qū)動每組車輪的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)兩棲機器人在陸地上的運動，提高其在平坦地形下的運動速度；
[0032]②選擇采用腿式結(jié)構(gòu)運動時，通過控制裝置調(diào)節(jié)每組驅(qū)動裝置中噴水電機和噴管的方向與角度偏轉(zhuǎn)以及控制每組噴水電機和噴管的運動順序來改變球形兩棲機器人在陸地上的運動狀態(tài)以及調(diào)節(jié)機器人的行走速度，提高了機器人的環(huán)境適應(yīng)能力；
[0033](3)經(jīng)液位傳感器判斷在水下運動時，采用噴水推進結(jié)構(gòu)運動，通過調(diào)節(jié)噴水電機噴水推力的大小以及噴水方向?qū)崿F(xiàn)機器人在水中的運動狀態(tài)；
[0034](4)通過控制每組驅(qū)動裝置中防水伺服舵機I和防水伺服舵機II的偏轉(zhuǎn)角度改變機器人的運動姿態(tài)。
[0035]所述步驟(2)在陸地上運動時，經(jīng)攝像頭判斷處于平坦地形時選擇采用輪式結(jié)構(gòu)運動，經(jīng)攝像頭判斷處于陸地地形較為嚴苛的情況時選擇采用腿式結(jié)構(gòu)運動。
[0036]所述步驟(2)中選擇采用輪式結(jié)構(gòu)運動時，機器人的轉(zhuǎn)向通過改變每組直流電機輸出的不同轉(zhuǎn)速，利用車輪之間的轉(zhuǎn)速差來實現(xiàn)；
[0037]選擇采用腿式結(jié)構(gòu)運動時，控制裝置通過控制每組驅(qū)動裝置中防水伺服舵機I和防水伺服舵機II的角度的偏轉(zhuǎn)帶動每組噴水電機和噴管的方向與角度偏轉(zhuǎn)，進而實現(xiàn)機器人的運動。
[0038]所述步驟(3)中當機器人在水下運動時，實現(xiàn)水平前進或后退運動的方法為:控制裝置控制每組驅(qū)動裝置中的防水伺服舵機1、防水伺服舵機II空間上保持垂直狀態(tài)并且使得每組驅(qū)動裝置中的噴管保持與水面成水平狀態(tài)；機器人采用后側(cè)或前側(cè)噴水電機中噴水產(chǎn)生的推進力來實現(xiàn)其水平前進或后退運動；
[0039]實現(xiàn)垂直上升或下潛運動的方法為:控制裝置控制每組驅(qū)動裝置中的防水伺服舵機1、防水伺服舵機II空間上保持垂直狀態(tài)并且使得每組驅(qū)動裝置中的噴管保持與水面成垂直狀態(tài)；控制裝置通過改變每組驅(qū)動裝置中噴水電機噴水量來實現(xiàn)其垂直上升或下潛運動；
[0040]實現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)運動的方法為:通過控制裝置改變每組驅(qū)動裝置中噴水電機噴水產(chǎn)生的推進力，利用推進力的差值來實現(xiàn)。
[0041]所述機器人從地面進入水中或者從水中進入地面時，機器人采用直流電機驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動的方式實現(xiàn)水陸的切換，以提高其切換的平穩(wěn)性。
[0042]所述控制裝置控制驅(qū)動裝置中防水伺服舵機I和防水