一种多模态移动机器人

1.本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种可水下游动和蠕动的多模态移动机器人。


背景技术：

2.传统单一模式的腿式、轮式机器人不能很好地工作在在受限空间或危险环境，如无法有效地在细长的管道中进行异物的检测和清理，也不能进入人体胃肠道进行疾病的检测和治疗，而爬行机器人可以在这些环境中有效地移动从而完成工作。目前，爬行机器人的研究方向主要集中在形态学特征和运动学机理。例如，蚯蚓是一种典型的爬行无脊椎动物，由于其多节段结构和分区域的移动机制，具有很强的移动能力。基于这些原因，仿蚯蚓移动器人吸引了众多学者对其结构设计、模型建立和分析等方面进行研究。
3.随着研究的深入和期望值的不断提高，仿蚯蚓移动机器人的前景和潜力也在不断地被发掘。然而，同时也暴露了该类型机器人在不同环境下的局限性。目前，仿蚯蚓移动机器人的移动模式相对单一，应用环境局限于地面和管道中，例如，机器人可以在管道中移动，但并不意味着机器人可以在水下管道中移动，目前尚无能够同时可以在管道和水中移动的仿蚯蚓移动机器人。而且，仿蚯蚓移动机器人在非管道环境中的移动效率较低，不能满足需要。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多模态移动机器人。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种多模态移动机器人，包括控制模块以及头部减阻帽、双单元蠕动模块、垂直游动驱动模块、单单元蠕动模块、水平游动驱动模块和尾部减阻帽，相邻的两个模块之间通过连接模块相连；控制模块与双单元蠕动模块、垂直游动驱动模块、单单元蠕动模块和水平游动驱动模块通信连接。
7.优选的，所述连接模块包括布基胶带和多个轧带，所述布基胶带缠绕在相邻两个模块的连接处，所述轧带套设压紧在布基胶带外。
8.优选的，所述垂直游动驱动模块包括垂直游动驱动架、直流电机和螺旋桨，所述直流电机的底座安装在垂直驱动架内，所述直流电机的输出轴与螺旋桨连接。
9.优选的，所述水平游动驱动模块包括水平游动驱动架、驱动杆件控制舵机、第一驱动杆件、第二驱动杆件、第三驱动杆件、第四驱动杆件、第五驱动杆件、第六驱动杆件、第一直流电机、第一螺旋桨、第二直流电机和第二螺旋桨；所述驱动杆件控制舵机安装在水平游动驱动架内，所述第一驱动杆件、第二驱动杆件、第三驱动杆件和第四驱动杆件组成四连杆机构，所述第一驱动杆件、第二驱动杆件、第五驱动杆件和第六驱动杆件组成四连杆机构，驱动杆件控制舵机的转轴与第一驱动杆件相连，所述驱动杆件控制舵机的转动控制两个四
连杆机构的展开和收缩，所述第一直流电机和第二直流电机分别安装在两个四连杆机构上，其输出轴分别与第一螺旋桨和第二螺旋桨相连。
10.优选的，所述单单元蠕动模块包括主体结构、头部套筒、尾部套筒、单单元防水蒙皮和密封盖；所述头部套筒和尾部套筒分别安装在主体结构的头部和尾部，所述单单元防水蒙皮套设在头部套筒-主体结构-尾部套筒上，所述密封盖的数量为两个，分别套设在单单元防水蒙皮的两端，用于封堵单单元防水蒙皮的端部。
11.优选的，所述双单元蠕动模块包括主体结构、中部套筒、头部套筒、双单元防水蒙皮和密封盖；所述主体结构的数量为两个，两个主体结构的尾部通过中部套筒连接，头部套筒的数量为两个，分别安装在两个主体结构的头部，所述双单元防水蒙皮套设在头部套筒-主体结构-中部套筒-主体结构-头部套筒上，所述密封盖的数量为两个，分别套设在双单元防水蒙皮的两端，用于封堵双单元防水蒙皮的端部。
12.优选的，所述主体结构包括首部支撑板、尾部支撑板、牵引绳、弹簧片、舵机和舵盘，所述牵引绳的一端连接至尾部支撑板，一端系在舵盘上，所述弹簧片的两端分别连接首部支撑板和尾部支撑板，所述舵机安装在首部支撑板上，与舵盘相连，在舵机的作用下所述舵盘发生转动并拉动牵引绳以改变首部支撑板和尾部支撑板之间的距离，弹簧片随之变形。
13.优选的，首部支撑板和尾部支撑板为圆形，所述牵引绳的数量为4个，沿首部支撑板和尾部支撑板的周向均匀设置，所述弹簧片的数量为8个，沿首部支撑板和尾部支撑板的周向均匀设置。
14.优选的，所述密封盖上设有至少一个线束通孔，用于穿过线束。
15.优选的，所述头部减阻帽包括头部锥形结构，所述尾部减阻帽包括相连的尾部锥形结构和尾部圆柱结构，所述控制模块安装在尾部圆柱结构内。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
17.(1)通过单单元蠕动模块和双单元蠕动模块使得机器人可以在水下管道内蠕动，通过水平游动驱动模块和垂直游动驱动模块使得机器人可以在水下广阔的水域高效的游动，解决了现有的机器人只能适应工作环境单一的问题，可以大大提高海底管道检修和资源探测等工作的效率。
18.(2)通过六个驱动杆件组成两个四连杆机构，由舵机转轴的转动控制四连杆机构的展开和收缩，从而将螺旋桨伸出或缩回水平游动驱动架，可以缩小占地空间适用于狭窄的工作环境。
19.(3)单单元蠕动模块和双单元蠕动模块的主体结构包括两个支撑板以及牵引绳和弹簧片，通过防水蒙皮和密封盖保证蠕动模块具有优异的防水密封性能，由舵机带动舵盘转动拉动牵引绳改变两个支撑板的间距，从而实现主体结构的放松和压缩，实现蠕动，结构巧妙，蠕动效果好。
附图说明
20.图1为本发明的结构示意图；
21.图2为连接模块的结构示意图；
22.图3为垂直游动驱动模块的结构示意图；
23.图4为水平游动驱动模块展开时的结构示意图；
24.图5为水平游动驱动模块收缩时的结构示意图；
25.图6为单单元蠕动模块放松时的结构示意图；
26.图7为单单元蠕动模块压缩时的结构示意图；
27.图8为单单元蠕动模块中主体结构的示意图；
28.图9为单单元蠕动模块中头部套筒-主体结构-尾部套筒的结构示意图；
29.图10为单单元防水蒙皮的结构示意图；
30.图11为密封盖的结构示意图；
31.图12为双单元蠕动模块的结构示意图；
32.图13为双单元蠕动模块中头部套筒-主体结构-中部套筒主体结构-头部套筒的结构示意图；
33.附图标记：1、头部减阻帽，2、连接模块，3、第一双单元蠕动模块，4、第一垂直游动驱动模块，5、第一单单元蠕动模块，6、水平游动驱动模块，7、第二单单元蠕动模块，8、第二垂直游动驱动模块，9、第二双单元蠕动模块，10、尾部减阻帽；
34.201、布基胶带，202、第一轧带，203、第二轧带；
35.301、中部套筒，302、双单元防水蒙皮；
36.401、垂直游动驱动架，402、直流电机，403、螺旋桨；
37.501、单单元防水蒙皮，502、第一密封盖，503、第二密封盖，504、舵机，505、舵盘，506、牵引绳，507、首部支撑板，508、尾部支撑板，509、弹簧片，510、头部套筒，511、尾部套筒，512、第一线束通孔，513、第二线束通孔，514、第三线束通孔；
38.601、水平游动驱动架，602、驱动杆件控制舵机，603、第一驱动杆件，604、第二驱动杆件，605、第三驱动杆件，606、第四驱动杆件，607、第一直流电机，608、第一螺旋桨，609、第五驱动杆件，610、第六驱动杆件，611、第二直流电机，612、第二螺旋桨。
具体实施方式
39.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
40.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。
41.实施例1：
42.一种多模态移动机器人，包括控制模块以及头部减阻帽1、双单元蠕动模块、垂直游动驱动模块、单单元蠕动模块、水平游动驱动模块和尾部减阻帽10，其中，水平游动驱动模块的数量至少为1个，垂直游动驱动模块的数量至少为2个，双单元蠕动模块和单单元蠕动模块的数量至少为1个，相邻的两个模块之间通过连接模块2相连；控制模块通过线束等与双单元蠕动模块、垂直游动驱动模块、单单元蠕动模块和水平游动驱动模块通信连接。
43.如图1所示，本实施例中，设计了两个双单元蠕动模块：第一双单元蠕动模块3、第二双单元蠕动模块9，两个垂直游动驱动模块：第一垂直游动驱动模块4、第二垂直游动驱动
模块8，两个单单元蠕动模块：第一单单元蠕动模块5、第二单单元蠕动模块7，一个水平游动驱动模块：水平游动驱动模块6。组装顺序为：头部减阻帽1、第一双单元蠕动模块3、第一垂直游动驱动模块4、第一单单元蠕动模块5、水平游动驱动模块6、第二单单元蠕动模块7、第二垂直游动驱动模块8、第二双单元蠕动模块9和尾部减阻帽10依次相连。其他实施方式中，可以根据需要改变模块的数量以及模块的连接顺序。
44.其中，头部减阻帽1包括头部锥形结构，尾部减阻帽10包括相连的尾部锥形结构和尾部圆柱结构，尾部圆柱结构用于安装控制模块。当然，在其他实施方式中，也可以适应性的进行其他结构改进，合理设计控制模块的安装位置。
45.如图2所示，连接模块2包括布基胶带201和多个轧带，数量为8个，设置在第一双单元蠕动模块3两端，第一单单元蠕动模块5两端，第二单单元蠕动模块7两端，以及第二双单元蠕动模块9两端。其中，布基胶带201缠绕在相邻两个模块的连接处，轧带套设压紧在圆柱状缠绕的布基胶带201外。本实施例中，轧带的数量为2根，布基胶带201的两端分别套设第一轧带202和第二轧带203，通过第一轧带202和第二轧带203的压紧使得各个模块之间处于连接的状态。
46.第一垂直游动驱动模块4和第二垂直游动驱动模块8的结构相同，用于实现机器人在垂直面内的游动功能。以第一垂直游动驱动模块4为例，如图3所示，包括垂直游动驱动架401、直流电机402和螺旋桨403，直流电机402的底座安装在垂直驱动架401内，直流电机402的输出轴与螺旋桨403连接。
47.垂直游动驱动架401为圆柱形结构，圆柱形结构的两端连接单单元蠕动模块和双单元蠕动模块，在圆柱形结构内，直流电机402的底部通过螺栓等结构安装在垂直游动驱动架401的圆柱面底部上，圆柱面的两侧设有多个进水孔，作用是增加螺旋桨403周围的水流从而产生足够大的推力使机器人向上或向下运动，圆柱面的顶部设有直流电机402的安装孔，该孔主要用于固定安装有螺旋桨403的直流电机402。
48.水平游动驱动模块6位于机器人的正中央，实现机器人在水平面内的游动功能，展开状态和收缩状态下的水平游动驱动模块6如图4、图5所示，包括水平游动驱动架601、驱动杆件控制舵机602、第一驱动杆件603、第二驱动杆件604、第三驱动杆件605、第四驱动杆件606、第五驱动杆件609、第六驱动杆件610、第一直流电机607、第一螺旋桨608、第二直流电机611和第二螺旋桨612；
49.驱动杆件控制舵机602安装在水平游动驱动架内，第一驱动杆件603、第二驱动杆件604、第三驱动杆件605和第四驱动杆件606组成四连杆机构，第一驱动杆件603、第二驱动杆件604、第五驱动杆件609和第六驱动杆件610组成四连杆机构，驱动杆件控制舵机602的转轴与第一驱动杆件603相连，驱动杆件控制舵机602的转动控制两个四连杆机构的展开和收缩，第一直流电机607和第二直流电机611分别安装在两个四连杆机构上，其输出轴分别与第一螺旋桨608和第二螺旋桨612相连。
50.具体的，驱动杆件控制舵机602的驱动轴通过螺钉与第一驱动杆件603的中部固连并与第二驱动杆件604的中部用螺钉连接，第二驱动杆件604与水平游动驱动架601是一个整体，第一驱动杆件603的两端分别与第四驱动杆件606的一端和第六驱动杆件610的一端通过螺钉连接，第四驱动杆件606的另一端与第三驱动杆件605的一端用螺钉连接，第三驱动杆件605的另一端与第二驱动杆件604的一端用螺钉连接，第六驱动杆件610的另一端与
第五驱动杆件609的一端用螺钉连接，第五驱动杆件609的另一端与第二驱动杆件604的另一端用螺钉连接，此外第四驱动杆件606和第六驱动杆件610的一端设有底座，用于安装第一直流电机607和第二直流电机611。
51.第一直流电机607和第二直流电机611分别安装在两个四连杆机构上，通过驱动杆件控制舵机602的转动可带动第一驱动杆件603绕中部转动，从而带动第四驱动杆件606和第六驱动杆件610移动，从而又带动第三驱动杆件605和第五驱动杆件609的转动，此机构可看作两个并联四杆机构，第一个四杆机构由第一驱动杆件603的一半、第二驱动杆件604的一半、第三驱动杆件605和第四驱动杆件606组成，第二个四杆机构由第一驱动杆件603的另一半、第二驱动杆件604的另一半、第五驱动杆件609和第六驱动杆件610组成。通过驱动杆件控制舵机602以及六个驱动杆件，可以切换展开和收缩状态。
52.第一单单元蠕动模块5和第二单单元蠕动模块7结构相同，以第一单单元蠕动模块5为例，如图6至图11所示，单单元蠕动模块包括主体结构、头部套筒510、尾部套筒511、单单元防水蒙皮501和密封盖；头部套筒510和尾部套筒511分别安装在主体结构的头部和尾部，单单元防水蒙皮501套设在头部套筒510-主体结构-尾部套筒511上，密封盖的数量为两个，记为第一密封盖502和第二密封盖503，分别套设在单单元防水蒙皮501的两端，用于封堵单单元防水蒙皮501的端部。
53.其中，如图8所示，主体结构包括首部支撑板507、尾部支撑板508、牵引绳506、弹簧片509、舵机504和舵盘505，首部支撑板507和尾部支撑板508为圆形，材质为亚克力板，牵引绳506的一端连接至尾部支撑板508，一端系在舵盘505上，弹簧片509的两端分别连接首部支撑板507和尾部支撑板508，舵机504安装在首部支撑板507上，与舵盘505相连，在舵机504的作用下舵盘505发生转动并拉动牵引绳506以改变首部支撑板507和尾部支撑板508之间的距离，弹簧片509随之变形。因此，通过控制舵机504的转轴转动，就可以控制单单元蠕动模块处于压缩状态和放松状态，放松状态和压缩状态下的单单元蠕动模块如图6、图7所示。
54.牵引绳506的数量为4个，在支撑板的边缘处开设有四组开孔，牵引绳506穿过开孔，4根牵引绳506沿首部支撑板507和尾部支撑板508的周向均匀设置，舵盘拉动或放出牵引绳506从而缩放首部支撑板507和尾部支撑板508之间的距离；弹簧片509为具有弹性的弹簧钢片，数量为8个，通过螺栓等结构连接到首部支撑板507和尾部支撑板508的边缘处，8片弹簧片509沿首部支撑板507和尾部支撑板508的周向均匀设置，弹簧片509随牵引绳506的拉动和放出而弯曲和复原，弯曲变形的弹簧片509作为支撑件，支撑整个主体结构、单单元防水蒙皮501。
55.主体结构的两端是首部支撑板507和尾部支撑板508，考虑到亚克力上还有舵机504、舵盘505、螺栓等部件，为了使得单单元蠕动模块的两端能够方便地连接垂直游动驱动模块和水平游动驱动模块6，如图9所示，在首部支撑板507和尾部支撑板508上安装了头部套筒510和尾部套筒511，可以通过螺栓等结构安装，也可以通过卡扣、螺纹等方式相连。尾部套筒511设计为圆柱形、圆筒形均可，考虑到舵机504、舵盘505的设置，头部套筒510包括圆柱形侧壁以及多边镂空的端盖。本发明通过舵机-弹簧片的复合结构实现了机器人在轴向上的变形，降低了制作工艺的复杂程度，简化了控制系统。
56.单单元防水蒙皮501的结构如图10所示，主体为适配主体结构的鼓形，两端为适配头部套筒510的圆筒形以及适配尾部套筒511的圆筒形，从而能够贴合套在主体结构以及头
部套筒510和尾部套筒511外，主要的作用是防水。密封盖如图11所示，单单元防水蒙皮501套在头部套筒510和尾部套筒511上，密封盖再套在单单元防水蒙皮501的端部，从而实现良好的密封，以免单单元蠕动单元内部进水。考虑到线束的穿绕，密封盖上设有至少一个线束通孔，用于穿过线束，本实施例中，密封盖上设有三个线束通孔：第一线束通孔512、第二线束通孔513和第三线束通孔514。
57.第一双单元蠕动模块3和第二双单元蠕动模块9的结构相同，以第一双单元蠕动模块3为例，如图12、图13所示，包括主体结构、中部套筒301、头部套筒、双单元防水蒙皮302和密封盖；主体结构的数量为两个，两个主体结构的尾部通过中部套筒301连接，头部套筒的数量为两个，分别安装在两个主体结构的头部，双单元防水蒙皮302套设在头部套筒-主体结构-中部套筒301-主体结构-头部套筒上，密封盖的数量为两个，分别套设在双单元防水蒙皮302的两端，用于封堵双单元防水蒙皮302的端部。
58.中部套筒301为圆柱结构，通过螺栓连接、螺纹连接、卡扣连接等方式将两个主体结构的尾部支撑板连接在一起，两个主体结构的首部支撑板安装头部套筒，双单元防水蒙皮302包括两个适配主体结构的鼓形，鼓形之间通过适配中部套筒301的圆筒形相连，两端为适配头部套筒的圆筒形，从而能够贴合套设在两个主体结构以及中部套筒301和头部套筒外，主要的作用是防水。此外，双单元蠕动模块中，主体结构、头部套筒、密封盖的设计与单单元蠕动模块的设计相同，不再赘述。
59.本发明的设计中，单单元蠕动模块和双单元蠕动模块具有优异的防水性能，可在水下环境进行工作，利用各个蠕动模块之间的配合来实现机器人的向前蠕动。水平游动驱动模块可以通过两个螺旋桨驱动机器人在水平面内进行游动，同时具有结构收缩与展开的能力，在需要水平游动时展开，在不需要水平游动时收缩以减少占地面积，可以跟随机器人进入狭小的环境，还可以减少阻力。垂直游动驱动模块可以驱动机器人在垂直面内进行游动，从而改变机器人所处水中的深度。
60.建议进行一些补充：
61.本发明提供的多模态移动机器人可以在水下管道、广阔水域、以及水下管道和广阔水域交叉环境下移动，其运动的方式为：
62.在水下管道蠕动，具体为：水平游动驱动模块收缩，垂直游动驱动模块不工作，单单元蠕动模块和双单元蠕动模块相互配合实现收缩锚固与放松向前推动，从而产生向前的蠕动；
63.在广阔水域中游动，具体为：蠕动模块不工作，保持放松状态，由水平游动驱动模块控制机器人在水平面内游动，由垂直游动驱动模块控制机器人在垂直面内游；
64.在水下管道和广阔水域交叉环境下移动，具体为：当机器人在管道中时可以通过上述的蠕动方式进行蠕动，当出了管道之后水平游动驱动模块则展开，机器人可由蠕动模式切换到游动模式下，驱动机器人在广阔的水域中游动。
65.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。