CN103522854A - 具有飞行与渡水能力的类轮式移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有飞行与渡水能力的类轮式移动机器人，包括机体，在机体上设有对称布置的旋翼，每个旋翼均由一电机驱动，电机安装在机体上；同侧相邻设置的两个旋翼的旋向相反，异侧相邻设置的两个旋翼的旋向相同；在机体的前方和后方各设有一车轮架，车轮架通过轴线与其垂直的转动副与机体连接，在车轮架的两端对称安装有类轮结构，每个类轮结构设有转动轮轴座、周向均布固定在转动轮轴座上的3～5个轮辐和对应固定在每个轮辐外端的轮缘段，相邻的两个轮缘段之间设有跨距；所有轮辐采用螺旋桨桨叶结构。本发明构简单紧凑，机动性较好，可快速行进于较为崎岖的路面，可低空飞越难以攀越的障碍物，可游动前行于河流、湖泊等涉水环境。

Description

具有飞行与渡水能力的类轮式移动机器人

技术领域

本发明涉及移动机器人领域，具体是一种具有飞行与渡水能力的类轮式越障机器人。

背景技术

移动机器人因具有较强的环境适应与感知、动态决策与规划、行为控制与执行等能力而在军事侦察、扫雷排险、防核化污染等危险与恶劣环境以及民用物料搬运上具有广阔的应用前景。目前，移动机器人主要有轮式、履带式、腿式、蠕动式、跳跃式和复合式六大类。

轮式移动机器人的速度快、效率高、运动噪声低，但其地形适应能力较差，对崎岖度大的复杂地形无能为力，基本无越障能力。如申请号201110177875.5名称为“一种全方位轮式移动机器人”的发明专利，使车轮轮体呈空心结构并放置轴向旋转电机的形式，通过改变车轮的旋转方向使移动机器人实现3自由度全方位回转，然而该移动机器人只适用于平坦地面，无法应对崎岖地形，更无越障能力。

履带式移动机器人越障能力与地形适应能力强，履带与地面接触面积大，运动较平稳，但缺陷是速度相对较小、效率低、机动性差，不能处理高度落差较大的地形，且崎岖地面对履带磨损较大。如申请号201010535194.7名称为“机器人履带运动模块”的发明专利，采用齿向向外的同步带作为履带，具备转弯和障碍检测功能，但在越障过程中同步带易磨损甚至磨断、寿命低。

腿式移动机器人虽能够适应复杂的地形，机动性及能效性高，但由于其结构自由度多、机构复杂，导致控制困难、移动速度慢、功耗大。如申请号200580001117.0名称为“腿式移动机器人”的发明专利，在脚部设置地面反作用力探测器及弹簧构件以减小惯性力和高速运动时的冲击影响，然而机器人结构布置与控制系统复杂，成本增加。

蛇行式和跳跃式移动机器人在复杂环境适应性方面具有优越性，但其承载能力较差，运动平稳性不高。如申请号201210041454.4名称为“一种多功能蛇形机器人”的发明专利，具有跨越沟槽与台阶、爬杆等功能，地形适应能力较强，然而该机器人由多个基本接通过具有三转动能力的接头连接而成，结构较为复杂，越障时由接头转动抬起基本节，需要较大的转动力矩，承载能力与运动稳定性较差。

复合式移动机器人由上述五类移动机器人组合而成，如复合轮式、轮-腿式、轮-腿-履带式等。复合式移动机器人虽结合了各类机器人的优势，但也继承了各类机器人的缺陷，结构与控制复杂。如申请号201310205386.5名称为“一种可跳跃的移动机器人”将轮式与跳跃式装置组合，通过自平衡系统控制轮式移动装置的平移运动，由锁定释放装置控制跳跃机构的跳跃运动，为应对机器人本体跳跃落地时的冲击影响还设置了落地缓冲和姿态调整机构，机器人的构成较复杂，各机构间的协调控制难度较大。

经过比较发现，上述六类移动机器人中，轮式移动机器人虽然越障能力不强，但由于其具有自重轻、承载大、机构简单、驱动与控制方便、行走速度快、机动性好、工作效率高等优点，应用最为广泛。如何结合轮式移动机器人的优势，提高其越障能力成为移动机器人研究的一个新方向。

发明内容

本发明的目的在于克服现有移动机器人的不足，结合轮式移动机器人的优势，提供一种具有移动、飞行、渡水三种运动功能，越障能力较强的机器人。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种具有飞行与渡水能力的类轮式移动机器人，包括机体，在所述机体上设有对称布置的旋翼，每个所述旋翼均由一电机驱动，所述电机安装在所述机体上；同侧相邻设置的两个所述旋翼的旋向相反，异侧相邻设置的两个所述旋翼的旋向相同；在所述机体的前方和后方各设有一车轮架，所述车轮架通过轴线与其垂直的转动副与所述机体连接，在所述车轮架的两端对称安装有类轮结构，每个所述类轮结构设有转动轮轴座、周向均布固定在所述转动轮轴座上的3～5个轮辐和对应固定在每个所述轮辐外端的轮缘段，相邻的两个所述轮缘段之间设有跨距；所有所述轮辐采用螺旋桨桨叶结构。

在行进过程中，至少有三个不同侧的所述轮缘段与地面接触。

本发明具有的优点和积极效果是：

1）越障能力强；类轮式结构的轮缘为同一圆周的对称弧段，具有轮式装置灵活快速实现平面内的直线移动与转弯的能力，轮缘间存在跨距，可越过正常车轮无法跨越的障碍。

2）具有飞行与渡水能力；若地形崎岖度大，仅靠类轮结构无法攀越，旋翼装置可通过气流作用为移动机器人提供升力，实现飞行越障，若遇到河流、湖泊等涉水环境，旋翼装置可通过水流作用为移动机器人提供升力，类轮式装置通过轮辐旋转为移动机器人提供前进推力。

3）结构简单，机动性好，运动平稳性高；若行进过程移动机器人不慎失稳，对称布置结构可保证其机体180°翻转后仍可继续前行。

综上，本发明结构简单紧凑，机动性较好，可快速行进于较为崎岖的路面，可低空飞越难以攀越的障碍物，可游动前行于河流、湖泊等涉水环境。

附图说明

图1是本发明的具有飞行与渡水能力的类轮式移动机器人的整体结构图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明的类轮结构示意图。

图中：101-前车轮架、102-机体、103-后车轮架、104-第一转动副、105-第二转动副、201-第一旋翼、202-第二旋翼、203-第三旋翼、204-第四旋翼、205-第一驱动电机、206-第二驱动电机、207-第三驱动电机、208-第四驱动电机、301-第一类轮结构、302-第二类轮结构、303-第三类轮结构、304-第四类轮结构、305-转动轮轴座、306-轮辐、307-轮缘段。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图3，一种具有飞行与渡水能力的类轮式移动机器人，包括机体102，在机体102上设有对称布置的旋翼，每个旋翼均由一电机驱动，电机安装在机体102上；同侧相邻设置的两个旋翼的旋向相反，异侧相邻设置的两个旋翼的旋向相同；在机体102的前方和后方各设有一车轮架，车轮架通过轴线与其垂直的转动副与机体102连接，在车轮架的两端对称安装有类轮结构，每个类轮结构设有转动轮轴座305、周向均布固定在转动轮轴座305上的3～5个轮辐306和对应固定在每个轮辐306外端的轮缘段307，相邻的两个轮缘段307之间设有跨距；所有轮辐306采用螺旋桨桨叶结构。

本发明的移动机器人结构对称，若行进过程不慎翻转仍可按该翻转后的形态继续前进。

下面结合每一幅图对本发明的实施例做进一步说明：

请参阅图1～图3，一种具有飞行与渡水能力的类轮式移动机器人，包括机体102和两个与其通过转动副连接的车轮架，两个车轮架分别是：前车轮架101和后车轮架103，前车轮架101通过轴线与其垂直的第一转动副104与机体102的前端连接，后车轮架103通过轴线与其垂直的第二转动副105与机体102的端端连接。机体102内部包含运动控制计算器和感知探测设备等装置，若类轮结构在地面移动行进过程中失稳，第一转动副104和第二转动副105可迅速调整前车轮架101和后车轮架103的姿态，使类轮结构与地面稳定接触，从而保证移动运动平稳性。

在机体102上设有对称布置的旋翼，每个旋翼均由一电机驱动，电机安装在机体102上；在本实施例中，旋翼共有4个，分别为：第一旋翼201、第二旋翼202、第三旋翼203和第四旋翼204，对应的驱动电机分别是第一驱动电机205、第二驱动电机206、第三驱动电机207和第四驱动电机208。第一驱动电机205、第二驱动电机206、第三驱动电机207和第四驱动电机208对称安装在机体102上，分别驱动第一旋翼201、第二旋翼202、第三旋翼203和第四旋翼204旋转。如图1和图2所示，第一驱动电机205驱动第一旋翼201逆时针旋转，第三驱动电机207驱动第三旋翼203逆时针旋转，第一旋翼201和第三旋翼203均为右旋设置；第二驱动电机206驱动第二旋翼202顺时针旋转，第四驱动电机208驱动第四旋翼204顺时针旋转，第二旋翼202和第四旋翼204均为左旋设置。反之，第一驱动电机205的电机轴和第三驱动电机207的电机轴顺时针旋转时，第一旋翼201和第三旋翼203为左旋设置，第二驱动电机206的电机轴和第四驱动电机208的电机轴逆时针旋转时，第二旋翼202和第四旋翼204为右旋设置。第一旋翼201、第二旋翼202、第三旋翼203和第四旋翼204位于同一高度平面，均具有相同的结构尺寸。第一旋翼201、第二旋翼202、第三旋翼203、第四旋翼204在空中或水中旋转时，由气流或水流作用产生与驱动电机轴线平行的升力以及阻止旋翼旋转的力矩，由该升力带动移动机器人飞行或渡水。如图2所示，第一驱动电机205和第三驱动电机207分别驱动第一旋翼201和第三旋翼203逆时针旋转，第二驱动电机206和第四驱动电机208分别驱动第二旋翼202和第四旋翼204顺时针旋转，则移动机器人平衡飞行或渡水时，陀螺效应与空气或水流动力扭矩效应均被抵消，且所有旋翼对机体的反扭矩得到平衡。调节第一驱动电机205、第二驱动电机206、第三驱动电机207和第四驱动电机208的转速，可实现升力的变化，从而控制移动机器人在空中或水中的位置和姿态。

在车轮架的两端分别安装一类轮结构，前后两个车轮架，共有四个类轮结构，分别是：第一类轮结构301、第二类轮结构302、第三类轮结构303和第四类轮结构304。第一类轮结构301和第四类轮架304构对称安装于前车轮架101的两端，第二类轮结构302和第三类轮结构303对称安装于后车轮架103的两端。第一类轮结构301、第二类轮结构302、第三类轮结构303和第四类轮结构304具有相同的结构尺寸，均包括转动轮轴座305、轮辐306和轮缘段307，如图3所示。转动轮轴座305在驱动装置的驱动下，可相对于相应的车轮架转动；在转动轮轴座305上均布固定安装三至五个轮辐306，每一轮辐306的外端固定安装一轮缘段307，轮缘段307呈圆弧形且同一类轮结构的轮缘段为同一圆周上的弧段，类轮结构可在平地上如正常轮式结构一般滚动前行。轮缘段307采用压花等工艺手段增大摩擦系数，能够防止类轮结构在陆地上移动时打滑。轮辐306采用螺旋桨桨叶结构，如图1和图2所示，四个类轮结构均为右旋设置，也可采用左旋设置或一侧为左旋设置另一侧为右旋设置等形式。在水中旋转时，可产生平行于转动轮轴座305轴线方向的分力和阻止类轮结构旋转的力矩，平行于轮轴座305轴线方向的分力作为推进力使移动机器人在水中游动。

上述具有飞行与渡水能力的类轮式移动机器人可根据地形的不同状况，采取不同的越障形式，主要有移动、飞行、渡水三种运动功能。

在陆地上行进时，旋翼不起作用，仅靠类轮结构实现平面移动功能。四个类轮结构具有滚动前进能力，同一类轮结构的轮缘段307存在跨距，可跨越正常轮式装置无法攀越的障碍。如图2所示，移动机器人行进方向为A方向。调节四个类轮结构的速度，可实现差动转弯功能。若行进过程中四个类轮结构失稳，第一转动副104或第二转动副105能够自动调整四个类轮结构与地面的接触，保证移动机器人平面移动的稳定性。

若安装于机体102内的感知探测设备观测到前方出现类轮移动装置3无法攀越的障碍，启动旋翼，停止类轮结构的转动。驱动电机驱动旋翼在空气中旋转，由气流作用产生与驱动电机轴线平行的升力以及阻止旋翼旋转的力矩，如图2所示，第一旋翼201和第三旋翼203的旋转方向与第二旋翼202和第四旋翼204的旋转方向相反，则移动机器人平衡飞行时，陀螺效应与空气动力扭矩效应均被抵消，且所有旋翼对机体1的反扭矩得到平衡。调节第一驱动电机205、第二驱动电机206、第三驱动电机207和第四驱动电机208的转速，可实现升力的变化，从而控制移动机器人在空中的位置和姿态。

若安装于机体102内的感知探测设备观测到前方出现河流、湖泊等涉水环境，同时启动旋翼和类轮结构。四个旋翼结构仍按空中飞行模式启动，水流作用为移动机器人提供浮力。类轮结构调整移动机器人的前行方向，四个类轮结构的轮辐306在水中旋转，由水流作用产生与轮轴座305轴线方向平行的分力以及阻止类轮结构旋转的力矩，与轮轴座305轴线方向平行的分力作为推进力使移动机器人游动于水中，如图2所示，四个类轮均为右旋设置时，若四个类轮结构旋转方向均一致，移动机器人在推进力的作用下沿图2所示B方向游动前行。调节旋翼结构或四个类轮结构的旋转速度，可实现水中转弯等游行姿态调整。

值得注意的是，上述运动形式的描述仅仅是示意性的，旋翼与类轮结构单独作用或通过不同组合方式共同作用，可实现本发明的移动机器人空中与水中的不同运动形态，所以，本发明的实施方式并不局限于上述的具体实施方式。类轮装置的类轮结构个数、不同类轮结构或类轮结构的不同安装形式都会导致具体运动实现方式的差异，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，做出其他变化或变型，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种具有飞行与渡水能力的类轮式移动机器人，包括机体，其特征在于，在所述机体上设有对称布置的旋翼，每个所述旋翼均由一电机驱动，所述电机安装在所述机体上；同侧相邻设置的两个所述旋翼的旋向相反，异侧相邻设置的两个所述旋翼的旋向相同；在所述机体的前方和后方各设有一车轮架，所述车轮架通过轴线与其垂直的转动副与所述机体连接，在所述车轮架的两端对称安装有类轮结构，每个所述类轮结构设有转动轮轴座、周向均布固定在所述转动轮轴座上的3～5个轮辐和对应固定在每个所述轮辐外端的轮缘段，相邻的两个所述轮缘段之间设有跨距；所有所述轮辐采用螺旋桨桨叶结构。

2.根据权利要求1所述的具有飞行与渡水能力的类轮式移动机器人，其特征在于，在行进过程中，至少有三个不同侧的所述轮缘段与地面接触。

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