[发明专利]一种新型球形两栖机器人及其工作方法

说明书

(一)技术领域：

本发明涉及一种机器人，尤其是一种可在水陆两种环境中运动并根据环境的变化自主切换运动方式的球形两栖机器人。

(二)背景技术：

机器人是一种具有高度灵活性的自动化机器，可以代替人类去做繁重或者精细的工作。两栖机器人因其能实现水中和陆地的两种领域运动，使得该类型机器人具有广泛的应用前景,包括在生活、工业、军事等领域。虽然现在机器人的能力还是有限的，但它处于迅速发展的态势，并开始对整个工业生产、太空和海洋探索以及人类生活的各方面产生巨大的积极影响，维护国家权益。

目前国内、外有众多的团队和学者从事着球形机器人以及两栖机器人的研究。其中国外的研究起步较早，发达国家已走在世界的前列，相关研究的成果较多。我国在国家自然科学基金委、国防科工委和863高技术研究发展计划等的大力资助下，哈尔滨工程大学、电子科技大学、北京邮电大学、北京理工大学、南京航空航天大学等也都对球型机器人以及两栖机器人开展了研究并取得了一些进展，但与国外相比仍有较大差距。这与我国微电子、机械制造工业的整体发展水平不高密切相关。

(1)国外研究现状

2012年，英国，曼切斯特大学研制出一种小型的球形机器人，该机器人只能够在水里移动，不能实现在水陆两栖。该机器人直径小，能适应狭窄的环境作业，但由于其采用螺旋桨驱动，噪声较大。2010年，美国，麻省理工学院利用康达效应的原理，提出泵—流量阀的概念，开发了一种类似鸭蛋的水下机器人。研制了驱动机器人水中运动的装置，该机器人采用对称结构，无缆线控制，没有附属物，体积小，能有效避免水中外在环境的干扰，适用于水下核管道的检测，但是对机器人难以实现准确控制。2013年，加拿大，麦吉尔大学，开发了一种两栖机器人，该机器人利用轮子的转动实现其在水陆两栖的运动。

(2)国内研究现状

哈尔滨工程大学研发了基于矢量推进的球形机器人，它能实现水中3自由度的运动，但是体积过大。北京邮电大学一直致力于陆地中的球形机器人的研究，先后研制了4代机器人，包括带有机械臂抓取功能的球形机器人，该机器人利用质量块重心的偏移实现机器人的滚动。北京理工大学近年也在研制球形机器人，他们通过控制伺服舵机的角度，带动轮子，来实现其多自由度的滚动。

虽然国内外研究团队在球形机器人方面已经取得重大的突破，但仍然存在一些问题：1)多数球形机器人的几何尺寸普遍偏大，不利于其在狭窄的空间运动；2)机器人水下运动多采用螺旋桨驱动，噪声大、隐蔽性差；3)一些球形机器人只能在单一领域下运动，不能实现水陆两栖，不能适应复杂的环境。

(三)发明内容：

本发明目的设计一种新型球形两栖机器人，它能够解决现有球形机器人的问题，具有环境适应性强、尺寸小、活动范围大、噪声低、使用方便的优点，在海洋、荒岛的开发和利用中发挥的重要作用。

本发明的技术方案：一种新型球形两栖机器人，其特征在于它包括上、下两部分，其中上半部分包括半圆球壳和圆盘，下半部分包括至少3组驱动装置和摄像头；所述半圆球壳和圆盘连接构成壳体，所述壳体内部有安装供电电池、控制装置和液位传感器，所述液位传感器镶嵌在圆盘上；所述圆盘上安装驱动装置和用于采集周围环境信息的摄像头；所述驱动装置、摄像头、供电电池、液位传感器均与控制装置连接。

所述至少3组驱动装置呈中心对称分布在圆盘上，所述摄像头安装在圆盘的中心位置。

所述每组驱动装置包括防水伺服舵机Ⅰ、防水伺服舵机Ⅱ、喷水电机、喷管、直流电机以及车轮；所述防水伺服舵机Ⅰ、防水伺服舵机Ⅱ在空间上垂直摆放；所述防水伺服舵机Ⅰ与圆盘连接，所述防水伺服舵机Ⅱ安装于多功能舵机支架上；

所述直流电机与喷水电机安装在防水壳中，防水壳通过L形支架固定在多功能舵机支架上；

所述车轮与直流电机连接；所述喷管与喷水电机连接；

所述防水伺服舵机Ⅰ、防水伺服舵机Ⅱ、喷水电机及直流电机均与控制装置连接。

所述防水伺服舵机Ⅰ通过垂直安装的一字型舵机支架和长U形舵机支架与防水伺服舵机Ⅱ连接。

所述防水伺服舵机Ⅰ、防水伺服舵机Ⅱ、直流电机以及车轮构成陆地运动时采用的轮式结构；所述防水伺服舵机Ⅰ、防水伺服舵机Ⅱ、喷水电机及喷管构成陆地运动时采用的腿式结构以及水下运动时采用的喷水推进结构。

所述防水伺服电机Ⅰ通过铜柱和螺丝Ⅱ固定在圆盘上。

所述伺服舵机Ⅰ与一字型舵机支架通过金属舵盘Ⅱ连接；所述防水伺服舵机Ⅱ通过轴承与金属舵盘Ⅰ与长U形支架连接；所述长U形支架与一字型舵机支架通过螺丝Ⅲ连接。