本發(fā)明屬于移動機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種雙向限位的柔性鰭-腿推進(jìn)裝置，裝有該柔性鰭-腿推進(jìn)裝置的兩棲機(jī)器人在水中以柔性鰭形進(jìn)行擺動推進(jìn)，在陸地或者松軟地面上以柔性腿進(jìn)行推進(jìn)運(yùn)動。

背景技術(shù)：

水陸兩棲機(jī)器人的工況環(huán)境十分復(fù)雜，具體表現(xiàn)在：(1)復(fù)雜的三維水下環(huán)境，例如珊瑚、沉船、水草、水洞等；(2)多樣的地面環(huán)境例如瓦礫、山地、林地、雪地等；(3)水下陸地過渡地帶的泥沙等松軟介質(zhì)復(fù)雜環(huán)境。這些復(fù)雜多樣的環(huán)境要求兩棲機(jī)器人在這些環(huán)境中都能完成有效、穩(wěn)定地推進(jìn)。

要達(dá)到以上要求，除了對機(jī)器人的驅(qū)動以及能源進(jìn)行優(yōu)化，更主要在于機(jī)器人推進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)。輪式、履帶式推進(jìn)方式對復(fù)雜環(huán)境崎嶇地面適應(yīng)能力較差，容易打滑；而足式推進(jìn)機(jī)構(gòu)增加了機(jī)械設(shè)計(jì)以及控制的復(fù)雜程度，并且在兩棲過渡環(huán)境松軟介質(zhì)中，足式推進(jìn)容易下陷。在兩棲地面環(huán)境中，弧形腿式結(jié)構(gòu)由于兼具輪式和足式移動機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，具有通過性高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。水下環(huán)境推進(jìn)的方式也有很多，如螺旋槳式、仿生波動/擺動式等。螺旋槳式的推進(jìn)方式雖然產(chǎn)生的推進(jìn)力較大，但是推進(jìn)效率低下，而且噪聲較大；仿生波動/擺動的推進(jìn)方式既能產(chǎn)生較大的推進(jìn)力，同時又能兼顧推進(jìn)效率，所產(chǎn)生的噪音也非常小，是一種具有高推進(jìn)性能、高隱蔽性的推進(jìn)方式。因此，一個能夠在多種復(fù)雜環(huán)境下尤其是水陸兩棲環(huán)境下保持良好推進(jìn)性能且便于機(jī)械設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)控制的推進(jìn)結(jié)構(gòu)將給兩棲機(jī)器人的推進(jìn)性能帶來很大提升。推進(jìn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)還能夠簡化機(jī)器人整體的設(shè)計(jì)、拓展兩棲機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用范圍，對兩棲機(jī)器人走向?qū)嵱镁哂兄匾饬x。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，使我們設(shè)計(jì)的推進(jìn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)水陸等多種復(fù)雜環(huán)境下的推進(jìn)運(yùn)動，并且不需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)和控制，從而能夠有效地提高機(jī)器人的推進(jìn)性能。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種雙向限位的柔性鰭-腿推進(jìn)裝置，該裝置包括驅(qū)動聯(lián)接模塊、限位塊和彈性板，其中：

所述驅(qū)動聯(lián)接模塊，用于聯(lián)接驅(qū)動和柔性腿部結(jié)構(gòu)；

所述限位塊，用于在運(yùn)動過程中對結(jié)構(gòu)進(jìn)行限位以確定柔性腿的最終彎曲形態(tài)、構(gòu)成柔性腿主體、提高柔性腿的負(fù)載能力；

所述彈性板，用于產(chǎn)生彈性恢復(fù)力，使得柔性腿能夠在被動地產(chǎn)生形變后可以恢復(fù)其初始狀態(tài)。

其中，所述限位塊兩邊存在倒角，倒角角度的調(diào)整以及限位塊數(shù)量的調(diào)整可以取得不同的最終彎曲形態(tài)的弧形腿。

其中，彈性板的剛度可以決定柔性腿的剛度，調(diào)節(jié)柔性腿的剛度可以取得不同的推進(jìn)效果。

本發(fā)明的原理在于：本發(fā)明提出的一種雙向限位的柔性鰭-腿推進(jìn)裝置，該裝置包括：驅(qū)動聯(lián)接模塊、限位塊、彈性板，其中：所述驅(qū)動聯(lián)接模塊的作用是聯(lián)接驅(qū)動例(如：電機(jī)等)和柔性腿結(jié)構(gòu)；所述限位塊有兩個作用，第一是由限位塊組成柔性腿的主體部分；第二是在推進(jìn)過程中起到限位的作用，同時增加機(jī)器人的負(fù)載能力。不同數(shù)量的限位塊以及限位塊上不同的倒角角度可以獲得不同最終彎曲形態(tài)的弧形腿；所述彈性板的作用是在推進(jìn)過程中提供彈性恢復(fù)力，使柔性腿脫離地面時恢復(fù)初始的直板狀態(tài)，通過改變彈性板的剛度可以調(diào)節(jié)柔性腿的剛度。進(jìn)一步的，所述推進(jìn)裝置的驅(qū)動聯(lián)接模塊起到聯(lián)接作用。其連接方式可為鉚接，螺釘連接等多種方式。所述限位塊呈立方形，但不限于立方體，可為長方體，梯形體等多種形狀。其固定在彈性板上的方式可為螺釘緊定，粘貼等多種方式。模塊兩邊有倒角，相鄰模塊嚙合起到限位作用。也可根據(jù)預(yù)設(shè)的最終彎曲程度的不同相應(yīng)地改變兩邊倒角的度數(shù)，以取得不同的推進(jìn)效果。所述彈性板聯(lián)接限位塊和驅(qū)動聯(lián)接模塊?？筛鶕?jù)需要調(diào)整限位塊的數(shù)量，不局限于圖示個數(shù)，來取得不同的最終彎曲形態(tài)的弧形腿。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

本發(fā)明提出的雙向限位柔性鰭-腿推進(jìn)裝置，能夠在兩棲機(jī)器人行進(jìn)過程中被動地改變腿部的形態(tài)結(jié)構(gòu)以適應(yīng)不同的復(fù)雜的地形。在陸地上、松軟介質(zhì)中推進(jìn)時，柔性腿受力而被動變形，加上限位塊的限位作用，柔性腿在推進(jìn)過程中的大部分時間可以以預(yù)先設(shè)定的弧形腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行推進(jìn)，并且增加了其負(fù)載能力。在水下環(huán)境推進(jìn)時，由于彈性板彈性勢能作用，柔性腿保持鰭形形態(tài)進(jìn)行推進(jìn)。此外，由于該柔性腿采用了雙向限位的巧妙設(shè)計(jì)，柔性腿在前進(jìn)和后退兩個方向上都能夠進(jìn)行限位變形，這使得機(jī)器人能夠完成簡單迅速的后退動作。同時，彈性板上下兩側(cè)的限位塊，其兩邊的倒角角度可以設(shè)計(jì)為不同，即在兩個方向上能夠形成兩種不同的最終彎曲形態(tài)的弧形腿，以取得多種推進(jìn)效果。此外，改變?nèi)嵝酝鹊膭偠?，能獲得不同的推進(jìn)效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明雙向限位柔性鰭-腿推進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2a為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的雙向限位柔性鰭-腿推進(jìn)裝置的受力形態(tài)示意圖，箭頭表示腿部轉(zhuǎn)動的方向；

圖2b為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的雙向限位柔性鰭-腿推進(jìn)裝置的受力形態(tài)示意圖，箭頭表示腿部轉(zhuǎn)動的方向；

圖3為本發(fā)明雙向限位柔性鰭-腿推進(jìn)裝置在水下推進(jìn)時的示意圖，箭頭表示腿部擺動的方向，圖示為初始狀態(tài)，擺動過程中會產(chǎn)生柔性變形。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1為本發(fā)明雙向限位柔性鰭-腿推進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，所述雙向限位柔性鰭-腿推進(jìn)裝置包括：驅(qū)動聯(lián)接模塊1、限位塊2、彈性板3，其中：

所述推進(jìn)裝置的驅(qū)動聯(lián)接模塊1可根據(jù)推進(jìn)要求進(jìn)行轉(zhuǎn)動聯(lián)接、擺動聯(lián)接。在陸地以及過渡地帶推進(jìn)時，機(jī)器人采用相應(yīng)的步態(tài)進(jìn)行推進(jìn)，此時要求該模塊實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動聯(lián)接。在水下推進(jìn)時，機(jī)器人采用魚鰭式擺動推進(jìn)，此時要求該模塊實(shí)現(xiàn)擺動聯(lián)接。模塊末端用螺釘將該模塊和彈性板緊固在一起，但是聯(lián)接方式不限于螺釘緊定，還可以采用夾緊等方式，進(jìn)而聯(lián)接整個柔性腿結(jié)構(gòu)。

其中，所述限位塊2是用來構(gòu)成柔性腿的主體結(jié)構(gòu)，所述限位塊2緊固在彈性板上，通過兩邊的倒角與相鄰的限位塊實(shí)現(xiàn)嚙合來達(dá)到限位作用，同時提高柔性腿的負(fù)載能力。倒角的角度可根據(jù)所需弧度來設(shè)定，本發(fā)明中，所有模塊都嚙合時，如圖2a和圖2b所示，整個柔性腿呈弧形。這樣能夠在機(jī)器人行進(jìn)過程中提供支持力，同時提高柔性腿的負(fù)載能力。雙向限位設(shè)計(jì)使柔性腿在前進(jìn)和后退兩個方向上都能夠進(jìn)行限位變形。這樣，可使得機(jī)器人能夠簡單迅速地實(shí)現(xiàn)后退運(yùn)動，減少了機(jī)器人因后退所需的其他轉(zhuǎn)向等動作。同時，彈性板上下兩側(cè)的限位塊，其兩邊的倒角角度可以設(shè)計(jì)為不同，即在兩個方向上能夠形成兩種不同的最終彎曲形態(tài)的弧形腿，以取得多種推進(jìn)效果。

其中，所述彈性板3嵌于柔性腿中間，實(shí)現(xiàn)整個柔性腿的聯(lián)接。在受力過程中，彈性板發(fā)生形變，進(jìn)而使柔性腿產(chǎn)生形變，起到支撐、推進(jìn)作用。在不受力的情況下(實(shí)際運(yùn)動過程中脫離地形的情況)，彈性板釋放儲存的彈性勢能，使柔性腿恢復(fù)為其初始狀態(tài)并準(zhǔn)備開始進(jìn)行下一周期的運(yùn)動。在限位塊的作用下，彈性板的彎曲程度始終被限定在預(yù)設(shè)的弧形范圍之內(nèi)，使得柔性腿能夠保持良好的恢復(fù)性能以適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境。彈性板的剛度可以決定柔性腿的剛度，調(diào)節(jié)柔性腿的剛度可以取得不同的推進(jìn)效果。在水下擺動時，由于彈性板產(chǎn)生柔性的擺動姿態(tài)，相較于普通的剛性鰭形的擺動，擁有更良好的推進(jìn)性能。

圖2a和圖2b示出了柔性腿在兩個相反方向受力發(fā)生形變后的形態(tài)。

總之，所述雙向限位柔性鰭-腿推進(jìn)裝置的工作原理是：通過限位塊、彈性板的作用，使柔性腿能夠被動地實(shí)現(xiàn)不同形態(tài)的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)在多種復(fù)雜環(huán)境下的推進(jìn)運(yùn)動，增強(qiáng)機(jī)器人在不同介質(zhì)復(fù)雜環(huán)境中的推進(jìn)性能，并且增加柔性腿的負(fù)載能力。

綜上，本發(fā)明雙向限位柔性鰭-腿推進(jìn)裝置可以適應(yīng)兩棲復(fù)雜的運(yùn)動環(huán)境，同時設(shè)計(jì)和控制更加簡單有效，能夠提高機(jī)器人在不同環(huán)境下的適應(yīng)能力，改善推進(jìn)性能，并且能夠增加柔性腿的負(fù)載能力。

以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。