[发明专利]一种水陆两栖球形探察机器人

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用于陆地、水域或者水陆交界环境下执行探察任务的球形机器人系统。

背景技术

人类对自然界的改造必然伴随着对未知环境的观察和探测，目前人类的脚步已经涉及到了深海和太空两大领域，并且越来越多地面对着高核辐射区和有毒有害物质污染区等特殊环境。在这些复杂的环境下，隐藏着众多不可预知的危险，可能威胁到作业人员的安全，因此研制能够执行特殊环境下探察任务的机器人系统就具有了重要的实用价值。

目前常见的机器人系统按照运动形式分类可以分为轮式运动机器人、履带式运动机器人和足式机器人几种。球形机器人则是一种具有新颖的运动形式的机器人系统。

球形机器人或球形机构是指一类将运动执行机构、传感器、控制器安装在一球形壳体内的系统的总称。相比于传统的轮式、履带式和足式机器人，球形机器人有众多的优点。球形机器人可以实现全方位运动，机动性能优于轮式和履带式机器人，移动速度比足式机器人快。它和地面是单点接触，属于纯滚动摩擦，阻力小，能量利用效率高，携带等量能源时工作时间更长。它具有很强的路面适应能力，较高的承载能力，能越过一定高度的障碍，爬上一定角度的斜坡。

如果采取了良好的密封措施，使球体即使放入水中也不会有液体浸入球壳内，球形机器人就可以用作水面探测机器人，实现真正意义上的水陆两栖运动。此外，球形机器人还能在沙漠、沼泽、海滩等极端环境下使用，具有很强的环境适应性。

Viktor Kaznov.Mattisa Seeman.Outdoor Navigation with a Spherical Amphibious Robot[C].The2010IEEE/RSJ International Conference onIntelligent Robots and Systems，Taipei，AZ，Taiwan，2010：5113-5118.介绍了Viktor Kaznov等人设计的一种两栖球形机器人，该球形机器人采用重心偏移原理实现直线运动和转向运动，可以在陆地、水域和雪地等复杂环境下开展探测任务；Xichuan Lin，Shuxing Guo.Development of a Spherical Underwater Robot Equipped with Multiple Vectored Water-Jet-Based Thrusters[J].Journal of Intel l igent and Robotic Systems，2012，V67：307-321.介绍了Lin等研制的一个基于喷水矢量推进器的水下球形机器人；兰晓娟，孙汉旭，贾庆轩.水下球形机器人BYSQ-2的原理与动力学分析[J].北京邮电大学学报，2010，V33(3)：20-23.介绍了兰晓娟等研制的利用螺旋桨进行推进的水下球形机器人。

发明内容

本发明的目的是：设计一种水陆两栖球形机器人，其在陆地和水面共用一套驱动装置，可以完成陆地和水面的探察任务，并且可以在陆地和水面两种环境间实现自然过渡。

本发明的技术解决方案是：一种水陆两栖球形探察机器人，包括球壳、桨叶、内驱动机构组件和连接件，其特征在于：球壳由左半球壳和右半球壳两部分组成，将内驱动机构组件和连接件包容在球壳内部。

在左半球壳外部，有N(N＞1)个桨叶与其固连，桨叶均为轻质薄板，形状近似为三角形，其最长边有一定弧度，曲率半径和球壳曲率半径相同，最长边长度小于1.57倍球壳半径，桨叶垂直于球壳外表面安装，最长边与球壳外表面贴合。这些桨叶关于球壳横向中心线呈均匀放射性分布，任意两个桨叶间角度为360/N度，且靠近横向中心线与球壳相交点。右半球壳桨叶的布置同左半球壳。固连在左半球壳和右半球壳上的桨叶呈对称分布。水陆两栖球形机器人在陆地运动时，桨叶任意部分都高于地面，不会和地面发生碰撞，在水面运动时，水陆两栖球形机器人下方的桨叶会浸入水中一定深度。

内驱动机构组件由一个直线运动驱动电机、一个转向运动驱动电机、配重块和支撑部分(含矩形框、配重支撑架、环形支撑架、中空短轴、配重支撑轴、底部推力球轴承、底部推力球轴承座)组成，其中矩形框底部和环形支撑架上部固定在一起，构成了内驱动机构组件的支撑框架。矩形框是一个薄壁槽状长方体结构件，槽开口向上。矩形框沿横向中心线安置，左侧与中空短轴固连，右侧与右侧轴承座固连，直线运动驱动电机定子部分和转向运动驱动电机定子部分均固定在矩形框上。矩形框上可以安置摄像头，摄像头透过透明球壳能采集所处环境的图像信息，实施环境探察任务。