一种可重构空潜两栖机器人
阅读说明：本技术 一种可重构空潜两栖机器人 (Reconfigurable air-submersible amphibious robot ) 是由 陈延礼 白桂强 杜卫康 彭淦 施宇 黄钊波 罗松松 于 2019-11-29 设计创作，主要内容包括：一种可重构空潜两栖机器人属于空间两栖航行器技术领域,目的在于解决现有技术存在的不能实现矢量推进及重构的问题。本发明包括：电控模块,电控模块包括四个结构相同的外轮廓为方体的电控单元,四个电控单元两排两列排列,相邻两个电控单元可拆卸连接；任意相邻的两个电控单元作为一组,每组中的两个电控单元靠近四组电控单元中心线的一侧边通过一组机器人关节连接并绕该侧边转动配合；以及四组空潜两栖矢量推进器单元,每组空潜两栖矢量推进器单元分别通过一组机器人关节和一个电控单元转动配合,和同一组的两个电控单元配合的两组空潜两栖矢量推进器单元绕外侧相邻的两个侧边转动；通过四组空潜两栖矢量推进器单元提供空中飞及水下动力。(A reconfigurable air-submersible amphibious robot belongs to the technical field of space amphibious aircrafts and aims to solve the problem that vector propulsion and reconfiguration cannot be achieved in the prior art. The invention comprises the following steps: the electronic control module comprises four electronic control units with the same structure and a square outer contour, the four electronic control units are arranged in two rows and two columns, and two adjacent electronic control units are detachably connected; any two adjacent electric control units are used as a group, one side edge of each two electric control units in each group, which is close to the central line of the four groups of electric control units, is connected through a group of robot joints and is matched with the side edge in a rotating mode; the system comprises a robot joint, an electric control unit, four groups of air-submersible amphibious vector propeller units, four groups of electric control units and four groups of air-submersible amphibious vector propeller units, wherein each group of air-submersible amphibious vector propeller units are respectively in rotating fit with one electric control unit through one group of robot joints, and two groups of air-submersible amphibious vector propeller units matched with two electric control units in the same group rotate around two; the aerial flying and underwater power is provided by four groups of aerial and underwater amphibious vector propeller units.)
技术领域
本发明属于空间两栖航行器技术领域，具体涉及一种可重构空潜两栖机器人。
背景技术
随着未来军事需求，单一机器人在一些特殊场合很难完成任务，空潜两栖机器人可将水下机器人与无人机优点结合，使其能够完成单一空间机器人所不能完成的任务，因此空潜两栖机器人在军事领域具有很大应用潜力，在海洋学、地球物理化学等科研领域，空潜两栖机器人也具有很大应用价值。
目前空潜两栖机器人较少，公开号为CN105151301A的中国专利公开了一项名称为空潜两栖机器人及方法的技术方案，该空潜两栖机器人一方面实现水中潜航，另外一方面，又可以实现空中飞行，水中潜航与空中的飞行过程中，通过随时针对本身的质量改变来增加使用的效率，进行质量切换的时候，采用了带孔的舱门这种设置，这种设置使得在水中的时候，舱内与舱外自然的形成一体，增加其质量，且不需要特别复杂的结构，而在升空的时候，又能通过打开舱门，实现快速的质量改变，实现升空的效率，而对应的，其空气圈内设置有相应的初级密封与次级密封，通过这些设置，可以快速的实现水中运动与空中运动的相互切换，该两栖机器人实现了空潜两种运动状态的切换，但其不能实现矢量推进，导致机器人运动灵活性较差，该专利水下机器人不具备重构功能，任何一个推进器发生故障机器人将停止工作。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可重构空潜两栖机器人，解决现有技术存在的不能实现机器人水空推进器一体化矢量推进及两栖机器人不能实现重构的问题。
为实现上述目的，本发明的一种可重构空潜两栖机器人包括：
电控模块，所述电控模块包括四个结构相同的外轮廓为方体的电控单元，四个所述电控单元两排两列排列，相邻两个电控单元可拆卸连接；任意相邻的两个电控单元作为一组，另外两个电控单元作为另一组，每组中的两个电控单元靠近四组电控单元中心线的一侧边通过一组机器人关节连接并绕该侧边转动配合；每个所述电控单元内包括电池和控制器，所述电池和对应电控单元上的控制器及机器人关节连接供电，所述控制器和对应电控单元上的机器人关节连接控制动作；
以及四组空潜两栖矢量推进器单元，每组所述空潜两栖矢量推进器单元分别通过一组机器人关节和一个电控单元转动配合，和同一组的两个电控单元配合的两组空潜两栖矢量推进器单元绕外侧相邻的两个侧边转动；通过四组空潜两栖矢量推进器单元提供空中飞行动力及水下潜航动力。
所述空潜两栖机器人还包括设置在每个电控单元上表面上的太阳能电池板，每个所述太阳能电池板和对应电控单元上的电池连接充电。
所述机器人关节包括：
驱动电机，所述驱动电机固定在一个固定结构上
和所述驱动电机的驱动轴形成棘轮配合的转动结构，驱动电机带动转动结构绕驱动轴轴线转动；所述转动结构上设置有通孔，所述通孔上圆周均布多个沿轴向的凹槽；
和所述通孔同轴设置的永磁铁导向套筒，所述永磁铁导向套筒固定在另一个固定结构上；
和所述通孔同轴设置的锁紧电磁铁，所述锁紧电磁铁固定在另一个固定结构上，所述锁紧电磁铁和所在的电控单元上的电池以及控制器电连接及信号传输，通过控制器控制锁紧电磁铁通断电；
以及和所述永磁铁导向套筒滑动配合的锁紧永磁铁，所述锁紧永磁铁一端和锁紧电磁铁吸合或松开，另一端靠近端部的外圆周均布多个和转动结构的通孔内的凹槽滑动配合的凸台。
每个所述空潜两栖矢量推进器单元包括：
推进器外壳，所述推进器外壳包括螺纹连接的上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体配合处形成球形槽，所述推进器外壳的下壳和对应的电控单元通过一组机器人关节转动配合；
和所述推进器外壳上形成的球形槽形成球面副的密封壳；
设置在所述密封壳内的推进器电机，所述推进器电机和对应的电控单元上的控制器电连接；
同轴设置在所述密封壳内的水下螺旋桨，所述推进器电机带动所述水下螺旋桨转动，所述水下螺旋桨下端面设置有棘爪；
设置在所述推进器外壳的上壳体内的矢量控制模块，通过所述矢量控制模块推动所述密封壳在所述球形槽内绕密封壳球心转动；
设置在所述上壳体内的空中螺旋桨模块，所述空中螺旋桨模块包括和所述水下螺旋桨同轴设置的螺旋桨桨轴、固定在螺旋桨桨轴一端的空中螺旋桨桨叶以及固定在螺旋桨桨轴另一端的限位结构，所述螺旋桨桨轴另一端穿过水下螺旋桨后和限位结构固定连接，所述限位结构上端面设置和水下螺旋桨下端面的棘爪配合的棘爪；
以及两栖切换模块，通过两栖切换模块带动所述螺旋桨桨轴沿轴向运动，带动空中螺旋桨桨叶相对推进器外壳的上壳体伸出或缩回，当空中螺旋桨桨叶相对推进器外壳的上壳体伸出时，螺旋桨另一端的限位结构和水下螺旋桨上的棘爪配合。
所述密封壳包括：
和所述球形槽配合的外表面为球状的外壳；
通过支撑轴承和所述外壳转动配合的内壳，所述内壳内表面为筒状结构，延伸至推进器壳体的下壳体的下表面，所述水下螺旋桨和所述内壳内表面固定连接，通过推进器电机带动内壳及水下螺旋桨相对所述外壳转动；
以及设置在所述内壳轴肩处和外壳之间的O型密封圈。
所述推进器电机包括：
外壁面和所述密封壳的外壳内壁面固定连接的电机外圈；
和所述密封壳的内壳的外壁面固定连接的内转子；
烧接与所述内转子的内壁面的永磁极；
以及安装在所述电机外圈的内壁面的绕组。
所述矢量控制模块包括四组圆周均布的驱动体，每组驱动体包括设置在所述推进器外壳的上壳体内并和螺旋桨桨轴成45°角的直线电机以及固定在所述密封壳的外壳外表面的球铰，直线电机轴端的球形和所述球铰形成球面副配合。
所述两栖切换模块包括对称设置的两组，每组包括：
通过固定结构件固定在所述推进器外壳的上壳体上的伺服电机；
安装在所述伺服电机的轴端的球齿轮；
一端和所述球齿轮形成齿轮传动的第一连杆，通过所述伺服电机驱动带动所述第一连杆绕电机轴转动；
一端和所述第一连杆的另一端通过圆柱销连接的第二连杆；
和所第二连杆的另一端通过圆柱销连接的轴承卡环；
以及陶瓷轴承，所述陶瓷轴承的外圈和所述轴承卡环固定连接，所述陶瓷轴承的内圈和螺旋桨桨轴过盈连接。
所述推进器外壳的上壳体和下壳体形成的球形槽内表面开有注油槽。
相邻两个电控单元可拆卸连接具体指：任意相邻的两个电控单元接触面通过连接电磁铁连接；所述连接电磁铁和所述电池及控制电路板连接，控制电路板控制连接电磁铁的通断电。
本发明的有益效果为：本发明的一种可重构空潜两栖机器人的四个空潜两栖矢量推进器单元及电控模块均为独立单元，采用连接电磁铁及机器人关节可快速实现机器人重构；当一个空潜两栖矢量推进器单元出现故障，可快速实现脱离，剩余一组的电控模块在机器人关节的连接下实现快速重构；加装太阳能电池板可有效提升机器人续航能力。采用所设计的机器人关节及空潜两栖切换模块，可简单地实现水下模式与空中模式切换，并且切换速度快，空中推进时水下螺旋桨与螺旋桨桨轴限位结构接触端面的棘爪相互配合，可有效避免电机空转。采用四个直线电机与推进器形成球铰副配合，组成推进器矢量控制单元，结构简单，控制方便，并且矢量控制单元可同时用于机器人水下及空中推进的矢量推进控制。本发明结构简单，体积小，机器人运动灵活。
附图说明
图1为本发明中空中模式时主体轴侧图；
图2为本发明中水下模式时主体轴侧图；
图3为本发明中水下模式时剖视图；
图4为本发明中机器人关节剖视图；
图5为本发明中机器人关节***图；
图6为本发明中空潜两栖矢量推进器单元对角线剖视图；
图7为本发明中空潜两栖矢量推进器单元主视图剖视图图；
图8为本发明中空中模式时空潜两栖矢量推进器单元主视剖视图；
图9为本发明中空潜两栖矢量推进器单元俯视图；
图10为本发明中矢量控制模块剖视图；
图11为本发明中矢量控制模块轴侧图；
图12为本发明中两栖切换模块***图；
图13为本发明中机器人推进器棘爪结构局部图；
图14为本发明中重构后机器人轴测图；
其中：1、电控模块，101、第一电控单元，102、第二电控单元，103、第三电控单元，104、第四电控单元，105、电池，106、控制器，2、空潜两栖矢量推进器单元，201、推进器外壳，202、上壳体，203、下壳体，204、密封壳，205、外壳，206、支撑轴承，207、内壳，208、O型密封圈，209、推进器电机，210、电机外圈，211、内转子，212、永磁极，213、绕组，214、水下螺旋桨，215、矢量控制模块，216、直线电机，217、球铰，218、两栖切换模块，219、伺服电机，220、固定结构件，221、球齿轮，222、第一连杆，223、第二连杆，224、圆柱销，225、轴承卡环，226、陶瓷轴承，227、空中螺旋桨模块，228、螺旋桨桨轴，229、空中螺旋桨桨叶，230、限位结构，3、机器人关节，301、驱动电机，302、转动结构，303、凹槽，304、永磁铁导向套筒，305、锁紧电磁铁，306、锁紧永磁铁，307、凸台，4、太阳能电池板，5、连接电磁铁。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
参见附图1-附图3，本发明的一种可重构空潜两栖机器人包括：
电控模块1，所述电控模块1包括四个结构相同的外轮廓为方体的电控单元，四个所述电控单元两排两列排列，相邻两个电控单元可拆卸连接；任意相邻的两个电控单元作为一组，另外两个电控单元作为另一组，每组中的两个电控单元靠近四组电控单元中心线的一侧边通过一组机器人关节3连接并绕该侧边转动配合；每个所述电控单元内包括电池105和控制器106，所述电池105和对应电控单元上的控制器106及机器人关节3连接供电，所述控制器106和对应电控单元上的机器人关节3连接控制动作；若机器人发生损坏或者根据任务需求，机器人可在电磁铁及机器人关节3作用下快速重构，并能继续工作；
以及四组空潜两栖矢量推进器单元2，每组所述空潜两栖矢量推进器单元2分别通过一组机器人关节3和一个电控单元转动配合，和同一组的两个电控单元配合的两组空潜两栖矢量推进器单元2绕外侧相邻的两个侧边转动；通过四组空潜两栖矢量推进器单元2提供空中飞行动力及水下潜航动力。
所述空潜两栖机器人还包括设置在每个电控单元上表面上的太阳能电池板4，每个所述太阳能电池板4和对应电控单元上的电池105连接充电。
参见附图4和附图5，所述机器人关节3包括：
驱动电机301，所述驱动电机301固定在一个固定结构上；若是设置在电控单元和一个空潜两栖矢量推进器单元2之间的机器人关节3，一个固定结构具体指电控单元；若是设置在一组中的两个电控单元之间的机器人关节3，一个固定结构具体指其中一个电控单元；
和所述驱动电机301的驱动轴形成棘轮配合的转动结构302，驱动电机301带动转动结构302绕驱动轴轴线转动；所述转动结构302上设置有通孔，所述通孔上圆周均布多个沿轴向的凹槽303；
和所述通孔同轴设置的永磁铁导向套筒304，所述永磁铁导向套筒304固定在另一个固定结构上；若是设置在电控单元和一个空潜两栖矢量推进器单元2之间的机器人关节3，另一个固定结构具体指空潜两栖矢量推进器单元2；若是设置在一组中的两个电控单元之间的机器人关节3，一个固定结构具体指其中另一个电控单元；
和所述通孔同轴设置的锁紧电磁铁305，所述锁紧电磁铁305固定在另一个固定结构上，所述锁紧电磁铁305和所在的电控单元上的电池105以及控制器106电连接及信号传输，通过控制器106控制锁紧电磁铁305通断电；
以及和所述永磁铁导向套筒304滑动配合的锁紧永磁铁306，所述锁紧永磁铁306一端和锁紧电磁铁305吸合或松开，另一端靠近端部的外圆周均布多个和转动结构302的通孔内的凹槽303滑动配合的凸台307。
驱动电机301的驱动轴与转动结构302形成棘轮配合，驱动电机301的驱动轴***转动结构302后，棘轮限制电机轴与转动结构302之间的相对转动，在驱动电机301驱动下，转动结构302绕驱动电机301轴线转动，锁紧电磁铁305及永磁铁导向套筒304固定于空潜两栖矢量推进器内部，锁紧永磁铁306周向分布有四个凸台307，在锁紧电磁铁305驱动下沿永磁铁导向套筒304轴线移动，锁紧永磁铁306***转动结构302凹槽303后，周向分布的四个凸台307与转动结构302凹槽303配合可限制锁紧永磁铁306转动，在驱动电机301驱动下，依靠棘轮及凹槽303与凸台307的配合，可使机器人关节3连同空潜两栖矢量推进器单元2绕驱动电机301驱动轴转动，机器人重构时，锁紧电磁铁305驱动锁紧永磁铁306运动，使锁紧永磁铁306从转动结构302凹槽303退出，驱动电机301驱动转动结构302转动，使转动结构302收入电控模块1内部。
参见附图6-附图9及附图13，每个所述空潜两栖矢量推进器单元2包括：
推进器外壳201，所述推进器外壳201包括螺纹连接的上壳体202和下壳体203，所述上壳体202和下壳体203配合处形成球形槽，所述推进器外壳201的下壳和对应的电控单元通过一组机器人关节3转动配合；
和所述推进器外壳201上形成的球形槽形成球面副的密封壳204；
设置在所述密封壳204内的推进器电机209，所述推进器电机209和对应的电控单元上的控制器106电连接；
同轴设置在所述密封壳204内的水下螺旋桨214，所述推进器电机209带动所述水下螺旋桨214转动，所述水下螺旋桨214下端面设置有棘爪；
设置在所述推进器外壳201的上壳体202内的矢量控制模块215，通过所述矢量控制模块215推动所述密封壳204在所述球形槽内绕密封壳204球心转动；
设置在所述上壳体202内的空中螺旋桨模块227，所述空中螺旋桨模块227包括和所述水下螺旋桨214同轴设置的螺旋桨桨轴228、固定在螺旋桨桨轴228一端的空中螺旋桨桨叶229以及固定在螺旋桨桨轴228另一端的限位结构230，所述螺旋桨桨轴228另一端穿过水下螺旋桨214后和限位结构230固定连接，所述限位结构230上端面设置和水下螺旋桨214下端面的棘爪配合的棘爪；
以及两栖切换模块218，通过两栖切换模块218带动所述螺旋桨桨轴228沿轴向运动，带动空中螺旋桨桨叶229相对推进器外壳201的上壳体202伸出或缩回，当空中螺旋桨桨叶229相对推进器外壳201的上壳体202伸出时，螺旋桨另一端的限位结构230和水下螺旋桨214上的棘爪配合。
推进器外壳201与电控模块1通过机器人关节3连接，推进器外壳201内壁与密封壳204外形均为球形，推进器外壳201内壁与密封壳204构成几何约束，密封壳204可绕其球心在推进器外壳201内部运动，推进器电机209与密封壳204内壁为过盈连接，水下螺旋桨214烧接于密封壳204内部，其中矢量控制模块215一端固定于密封壳204外壁，另一端固定于推进器外壳201内部，所述两栖切换模块218一端通过螺钉固定于推进器外壳201，另一端与空中螺旋桨模块227过盈连接，螺旋桨桨轴228穿过四个水下螺旋桨214构成的轴孔，一端与螺旋桨桨轴228限位结构230螺纹连接，另一端与空中螺旋桨桨叶229螺纹连接。
所述密封壳204包括：
和所述球形槽配合的外表面为球状的外壳205；
通过支撑轴承206和所述外壳205转动配合的内壳207，所述内壳207内表面为筒状结构，延伸至推进器壳体的下壳体203的下表面，所述水下螺旋桨214和所述内壳207内表面固定连接，通过推进器电机209带动内壳207及水下螺旋桨214相对所述外壳205转动；
以及设置在所述内壳207轴肩处和外壳205之间的O型密封圈208。O型密封圈208安装于电机支撑结构5033轴肩凹槽303，起到密封作用。
所述推进器电机209包括：
外壁面和所述密封壳204的外壳205内壁面固定连接的电机外圈210；
和所述密封壳204的内壳207的外壁面固定连接的内转子211；
烧接与所述内转子211的内壁面的永磁极212；
以及安装在所述电机外圈210的内壁面的绕组213。
推进器电机209运动时，内壳207连同内转子211相对于外壳205转动，永磁极212为四个形状相同永磁铁，烧接于内转子211外壁面，电机外圈210外壁面与密封壳204固连，内壁面安装有绕组213，水下螺旋桨214由四个相同的桨叶组成，均布于内转子211内壁面，电机运动带动水下螺旋桨214转动，实现机器人水下运动。
参见附图10和附图11，所述矢量控制模块215包括四组圆周均布的驱动体，每组驱动体包括设置在所述推进器外壳201的上壳体202内并和螺旋桨桨轴228成45°角的直线电机216以及固定在所述密封壳204的外壳205外表面的球铰217，直线电机216轴端的球形和所述球铰217形成球面副配合。
矢量控制模块215包括四个直线电机216、四个球铰217，其中球铰217相隔90度均布于密封壳204外表面，与密封壳204为固定连接，四个直线电机216相隔90度均布于推进器外壳201的上壳体202内部，直线电机216主轴线与螺旋桨桨轴228夹角为45度，直线电机216轴端为球形，与球铰217形成球面副配合，矢量控制时，四个直线电机216与球铰217相互配合，可使推进器密封壳204相对于推进器外壳201运动，由于螺旋桨桨轴228穿过四个水下螺旋桨214构成的轴孔，因此机器人空中模式时也能实现矢量控制。
参见附图12，所述两栖切换模块218包括对称设置的两组，每组包括：
通过固定结构件220固定在所述推进器外壳201的上壳体202上的伺服电机219；
安装在所述伺服电机219的轴端的球齿轮221；
一端和所述球齿轮221形成齿轮传动的第一连杆222，通过所述伺服电机219驱动带动所述第一连杆222绕电机轴转动；
一端和所述第一连杆222的另一端通过圆柱销224连接的第二连杆223；
和所第二连杆223的另一端通过圆柱销224连接的轴承卡环225；
以及陶瓷轴承226，所述陶瓷轴承226的外圈和所述轴承卡环225固定连接，所述陶瓷轴承226的内圈和螺旋桨桨轴228过盈连接。
两栖切换模块218主体为四杆机构，各部件均为两组且对称分布于推进器外壳201上壳体202内壁，固定结构件220与推进器外壳201的上壳体202为螺纹连接，将伺服电机219固定，伺服电机219轴端安装有球齿轮221，球齿轮221与第一连杆222形成齿轮传动，在机器人矢量控制时球齿轮221可使第一连杆222绕其球心相对于伺服电机219运动，在球齿轮221驱动下第一连杆222可绕伺服电机219轴心转动，第一连杆222与第二连杆223通过圆柱销224连接，第二连杆223通过圆柱销224与轴承卡环225连接，轴承卡环225内表面与陶瓷轴承226外圈固连，陶瓷轴承226内圈与螺旋桨桨轴228为过盈连接，陶瓷轴承226上表面与空中螺旋桨桨叶229下表面接触，机器人空中模式时，伺服电机219驱动连杆机构，使空中螺旋桨模块227连同陶瓷轴承226沿螺旋桨桨轴228轴线方向运动，在推进器电机209作用下，空中螺旋桨模块227连同陶瓷轴承226内圈转动。
所述推进器外壳201的上壳体202和下壳体203形成的球形槽内表面开有注油槽。可贮存润滑脂，在机器人矢量推进时，贮油槽内润滑脂可起润滑作用。
相邻两个电控单元可拆卸连接具体指：任意相邻的两个电控单元接触面通过连接电磁铁5连接；所述连接电磁铁5和所述电池105及控制电路板连接，控制电路板控制连接电磁铁5的通断电。
参见附图1、附图2和附图14，本实施例中电控模块1包括第一电控单元101、第二电控单元102、第三电控单元103和第四电控单元104，其中第一电控单元101、第二电控单元102通过机器人关节3连接作为一组，第三电控单元103和第四电控单元104通过机器人关节3连接作为另一组，第一电控单元101、第二电控单元102、第三电控单元103和第四电控单元104前、后、左、右的外表面均安装有四个连接电磁铁5，所述空潜两栖矢量推进器单元2包括四个相同空潜两栖矢量推进器，四个空潜两栖矢量推进器单元2均通过机器人关节3与电控模块1连接，并可绕对应的机器人关节3的驱动电机301转动，通过与不同位置的机器人关节3配合，空潜两栖矢量推进器单元2可向不同方向转动。当一个空潜两栖矢量推进器单元2出现故障，可快速实现脱离，剩余一组的电控模块1在机器人关节3的连接下实现快速重构。