CN104494818B - 四旋翼两栖机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四旋翼两栖机器人，属于机器人领域。包括旋翼飞行器机构、控制机构、地面行走机构和信息采集机构，其中飞行器机构是由旋翼、电机a、b、c、d和机架组成；控制机构包括一个控制盒，内部装有高蓄能电池、小型PLC控制系统及模拟量模块；信息采集机构是由机载部分和无线传输系统组成，机载部分包括微型摄像头及视频发射器；地面行走机构通过四个足部两段化设计，实现快速平移和转向；照明设备由两个钠灯组成。优点在于：载重大，材质轻，体积小，成本较低，不易发现。智能强度高，多功能，多用途，两栖操作性强。可以使每一个行走结构都自由进行旋转和驱动，地面行走结构更加快速有效，有利于地面快速行动。实用性强。

Description

四旋翼两栖机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别涉及一种四旋翼两栖机器人。可以应用于紧急时刻的救援搜索，以及在不便于人出没的地方进行勘探等地质工作。例如在有积水的坍塌矿洞，陆空两栖明显成为了首选，特别适合在有毒有害气体、核物质泄漏等特殊场合应用。而在人质救援中，异常明显的空中侦察又显得过于显眼，所以飞到特定位置，进行地面图像传输无疑是最好的选择。

背景技术

当前国内四旋翼飞行器刚刚起步，发展比较缓慢，目前已有四旋翼飞行器还是以玩具为主，无实际应用价值，载重小，质量大，所以多功能、多用途的新型四旋翼机器人在该领域有很大发展空间，四旋翼飞行器发展了近一个世纪，从原来机械时代直径十几米长、几米高的庞然大物，到当今电子时代直径几十厘米甚至更小的微型 “碟形”飞行器。其实用性也从原来单纯的运载工具，发展为现在集军用、商用、民用多位一体的无人驾驶工具。目前，国内的四旋翼飞行器的发展还处于初级发展阶段，缺乏独自的核心技术，能应用于专业领域的相关产品未大批量生产。国外的四旋翼因拥有悠久的科学文化历史和研发团体机构，加快了多旋翼飞行器发展。欧美发达国家四旋翼飞行器已投入了商业、军事领域，获得了显著的效果。

目前四旋翼飞行器在军事，救援，勘测等方面确有独特优越性，所以，大力发展多旋翼飞行器将会在未来成为趋势，在如人质救援，矿洞勘测等危险环境，又急需多功能、多用途、体积小，载重大的新型两栖四旋翼机器人。目前市场前景乐观，是国内外军方，科研以及其他团队研究热点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种四旋翼两栖机器人，解决了现有四旋翼飞行器无实际应用价值，载重小，质量大等问题。用于一些不便人类直接操作、劳动强度大、工作繁琐、危险性大、工作质量差等情况。基于Catia和ADAMS的联合仿真技术的新型四旋翼机器人拥有载重大，材质轻，体积小，两栖操作性强的特点并且具有图像传输等多功能用途，这无疑将使之成为一大优势，其涵盖了巨大经济和社会意义，具有很好的应用推广前景。四旋翼飞行器是一种布局形式比较新颖的飞行器，其结构较为紧凑。本发明主要是通过改变4个电机的转速来调节螺旋浆转速，由旋翼升力的变化实现对飞行器的控制。由于能够垂直起降，自由悬停，可适应于各种速度及各种飞行剖面航路的飞行状况。这些优势决定了本发明的广泛的应用范围，可以实现在紧急时刻的救援搜索，在不便于人出没的地方进行勘探等地质工作。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

四旋翼两栖机器人，包括旋翼飞行器机构、控制机构、地面行走机构和信息采集机构，其中飞行器机构是由旋翼5、电机a、b、c、d1、2、3、4和机架7组成；控制机构包括一个控制盒6，内部装有高蓄能电池17、小型PLC控制系统15及模拟量模块16；信息采集机构是由机载部分和无线传输系统组成，所述机载部分包括微型摄像头8及视频发射器14，无线传输系统采用集成度高、耗电低的电子元器件实现微型化；地面行走机构通过四个足部19两段化设计，实现快速平移和转向；照明设备由两个小型高聚光、远照程的钠灯18组成。

所述的机架7采用纳米碳纤维材料制成，其外面包覆薄合金铝，四个角为圆环形的镂空结构，其直径为旋翼5的最大长度的1.1~1.2倍，在每个圆环中间分别设有电机安装凹槽，电机a、b、c、d1、2、3、4分别安装在机架四角的圆环中心凹槽内，四个旋翼5分别安装在四个电机轴上。

所述的电机a、b、c、d1、2、3、4均采用相同的高精度无刷直流电机，通过调整电机的转速关系，实现机体垂直、俯仰、滚转、偏航、前后、侧向的运动。

所述的旋翼5是由两个互成角度的金属片，通过一个短圆柱轴连接而成；该旋翼5采用耐磨轻质合金材料制成，其表面经过耐高温处理。

所述的飞行器机构的机架7底面与控制机构的控制盒6的上端面通过固连在一起，对角两个旋翼的连线与控制盒6的两个侧面分别平行；信息采集机构安装在控制盒6的内部，微型摄像头8安装在控制盒6的底面外侧；钠灯18安装在控制盒6的前侧面上，与机器人的主运动方向一致。

所述的地面行走机构的足部19包括四条相同的腿，每条腿都是由腿支架和足组成，所述腿支架采用两段化设计，简化并模仿螃蟹的足部结构，是由大腿支架9、小腿支架10和微型销轴电机组成，所述大腿支架9与控制盒6通过固连在一起，大腿支架9和小腿支架10通过通过微型销轴电机连接在一起，微型销轴电机的磁极焊接在小腿支架10下端的孔内，微型销轴电机的线圈绕在大腿支架9的中心轴上；旋翼5上下设有垫片，通过螺栓螺母连接在机架四角。

所述的足是由支座11，无刷轮毂电机和小轮12组成，所述支座11上端是与小腿支架9下端等直径的圆柱，其下端是扁平状的结构，在下端中部钻有圆形的轴承座孔；四条腿上分别在机架内部焊接有无刷轮毂电机，通过控制系统实现不同方向的旋转。

所述的支座11下端扁平状结构外表面上固定有圆环形磁极，小轮12是短圆柱形状，内侧开有圆环槽，其中心主轴上绕有轮毂电机的线圈；深沟球轴承13安装在支座11下端中心圆形的轴承座孔内；小轮12的中心轴安装在深沟球轴承13孔内，支座11与小轮12组成无刷直驱轮毂电机，足通过支座11与小腿支架10下端固连在一起。

所述的旋翼飞行器机构、控制机构、地面行走机构和信息采集机构均安装有传感器，小型PLC控制系统15采集各传感器的信息，利用闭环信息反馈调节方式，与发出指令进行比较处理，然后再作出相应指令，直到执行部件达到预设位置。

所述的照明设备处安装有光传感器，通过微型摄像头8拍摄地面的情况，并由视频发射器14将视频信号实时发送回地面。

本发明采用PLC控制各执行部件，在本发明各个执行部件处均安装有传感器，PLC实时采集各传感器的信息，通过利用闭环信息反馈调节方式，与发出指令进行比较处理作出，然后再作出相应指令，直到执行部件达到预设位置，这样大大提高了飞行器飞行时的准确度和可靠度。

当PLC接受到开始指令时，机器人便以设定的功能实现陆地爬行或空中飞行。于此同时，信息采集机构也开启，并将采集信息时时传达给通讯中心。当机器人在陆地爬行时，其旋翼5停止旋转。地面行走机构开始运行，由于机器人四条腿上分别安装有轮毂电机，并且能够通过控制系统实现不同方向的旋转，当其在行走过程时遇到简单障碍时，安装于该机器人上的传感器会将信息传达给控制系统，进而控制系统会通过控制微型销轴电机的旋转，来弯曲机器人的腿部结构使其越过障碍。因此机器人能够在复杂地形里实现任意方向快速转向。由于该机器人在照明设备处安装有光传感器，当飞行到黑暗地方时，会将信号反馈给控制系统，进而照明设备被开启，保障了信息采集的顺利进行。当机器人在空中执行飞行指令时，能够按照控制系统的制定目标进行飞行，并将飞行速度，飞行距离及飞行方向时时传达给控制系统，通过闭环反馈调节控制方式，时时控制四个电机的转速实现机器人的垂直运动，俯仰运动，滚转运动，偏航运动，前后运动和侧向运动。从而实现机器人准确无误地到达指定位置。

与现有技术相比本发明的有益效果在于：

1.载重大，材质轻，体积小，成本较低，不易发现等特点。

2.智能强度高，较原有单一四旋翼飞行器具有多功能，多用途。腿部采用两段设计，综合运用仿生学原理，两栖操作性强。

3.并能够实时与通讯中心进行无线通讯，将采集到的画面准确无误传达给通讯中心。

4.机器人腿部和足部采用轮毂电机设计，可以使每一个行走结构都自由进行旋转和驱动，地面行走结构更加快速有效，有利于地面快速行动。实用性强。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的俯视结构示意图；

图2为本发明的仰视结构示意图；

图3为本发明的地面行走机构的结构示意图；

图4为本发明的旋翼的结构示意图；

图5为本发明的控制机构内部结构示意图；

图6为本发明的足部的内部结构示意图；

图7为本发明的照明设备结构示意图；

图8为本发明的机架结构示意图；

图9为本发明的腿部连接的结构示意图；

图10为本发明的垂直运动的飞行动作原理示意图；

图11为本发明的俯仰运动的飞行动作原理示意图；

图12为本发明的滚转运动的飞行动作原理示意图；

图13为本发明的偏航运动的飞行动作原理示意图；

图14为本发明的前后运动的飞行动作原理示意图；

图15为本发明的侧向运动的飞行动作原理示意图。

图中：1、电机a；2、电机b；3、电机c；4、电机d；5、旋翼；6、控制盒；7、机架；8、微型摄像头；9、大腿支架；10、小腿支架；11、支座；12、小轮；13、深沟球轴承；14、视频发射器；15、小型PLC控制系统；16、模拟量模块；17、高蓄能电池；18、钠灯；19、足部。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图4所示，本发明的四旋翼两栖机器人，包括四旋翼飞行器机构，控制机构，地面行走机构和信息采集机构。

参见图1及图2所示，所述四旋翼飞行器机构是由旋翼5，电机a、b、c、d1、2、3、4和机架7组成。参阅图4，所述旋翼5是由两个互成角度的金属片，通过一个短圆柱轴连接而成。该旋翼采用耐磨轻质合金材料制成，大大减轻自身重量。其表面经过耐高温处理，在空中高速旋转与空气极速摩擦时能够承受高温。电机a、b、c、d1、2、3、4均采用相同的高精度无刷直流电机，能够精确地按照控制系统发出的信息带动旋翼5按指定旋向旋转。所述机架7采用纳米碳纤维材料制成，其外面包薄合金铝，能有效减少飞行载重。

参阅图8，机架7四个角为圆环形的镂空结构，其直径比旋翼5的最大长度稍大，在每个圆环中间有电机安装凹槽。电机a、b、c、d1、2、3、4分别安装在机架四角的圆环中心凹槽内。四个旋翼5分别安装在四个电机轴上。

参阅图2和图5,所述控制机构是本发明的控制系统，其外观是一个控制盒6，内部装有高蓄能电池17，小型PLC控制系统15及各种模拟量模块16。

参阅图2,所述信息采集机构是由机载部分和无线传输系统组成。其中,机载部分包括微型摄像头8及视频发射器14。与传统的摄像及传输系统相比，本发明机载部分采用了集成度高、耗电低的电子元器件,并实现了微型化。通过微型摄像头8拍摄地面的情况,并由视频发射器14将视频信号实时发送回地面,从而实现对机器人所飞过地区的实时监视。

参阅图3及图9，所述地面行走机构是四旋翼两栖机器人用来在陆地行走时实现快速平移和转向的机构。它是由四条相同的腿组成，每条腿都是由腿支架和足组成。参阅图9，所述腿支架采用两段化设计，简化并模仿螃蟹的足部结构，该支架是由大腿支架9，小腿支架10和微型销轴电机组成。大腿支架9和小腿支架10通过是通过微型销轴电机连接在一起。参阅图9，微型销轴电机的磁极固定在小腿支架10下端的孔内，微型销轴电机的线圈绕在大腿支架9的中心轴上，这样就组成小腿支架直驱式的微型销轴电机。

参阅图6和图3,所述足是由支座11，无刷轮毂电机和小轮12组成。支座11上端是与小腿支架10下端等直径的圆柱，其下端是扁平状的结构，在下端中部钻有圆形的轴承座孔。参阅图6,在支架11下端扁平状结构外表面上固定有圆环形磁极。所述小轮12是短圆柱形状，内侧开有圆环槽，其中心主轴上绕有轮毂电机的线圈。深沟球轴承13安装在支座11下端中心圆形的轴承座孔内。小轮12的中心轴安装在深沟球轴承13孔内。这样支座11与小轮12组成无刷直驱轮毂电机。该结构大大消除了传动式的损耗。为减轻该机器人的重量，本发明不采用直接安装机械制动系统的方式，而是通过反转电流方向达到快速制动的效果，或改变线圈接法而为电源充电从而达到缓慢减速及能量回收的目的。每个轮毂电机直接受控于控制系统的闭环反馈调节控制。所述足通过支架11与小腿支架10下端固连在一起。

参阅图7,所述照明设备是由两个小型高聚光，远照程的钠灯18组成。在雾霾天气,其光线有很强的穿透力，该机构配置在机器人运动的主方向上，以用来辅助摄像头8多角度和黑暗作业。

参阅图1,图2和图8,所述四旋翼飞行器机构的机架7底面与控制机构的控制盒6的上端面通过焊接固连在一起。参阅图7，对角两个旋翼的连线与控制盒6的两个侧面分别平行。所述信息采集机构安装在控制盒6的内部，所述微型摄像头8安装在控制盒6的底面外侧。所述地面行走机构的大腿支架9与控制盒6通过焊接固连在一起。所述照明设备18安装在控制盒6的前侧面上，与机器人的主运动方向一致。

本发明机架7采用纳米碳纤维材料，外面包薄合金铝，有效减少飞行载重，通过控制中心的信息传达控制四个电机进行不同方向转向，从而通过旋翼使飞行器在空中进行随意转向并进行高速飞行。机器人的腿部采用两段设计，简化并模仿螃蟹的足部结构，足的弯曲动作通过微型销轴电机控制，以此提升机器人越过简单障碍的能力。机器人的轮子采用电机直驱，磁极与车轮足部连接件相连、车轮通过轴与连接件约束（通过轴承结构来减小滚阻）、车轮通过在轴上的线圈直接驱动以消除传动式的损耗。为减轻重量车轮不会安装机械制动系统，机器人通过反转电流方向达到快速制动的效果。机器人将把足和轮结合，在机器人腿部的末端加装轮子，每个轮子都可以在XY平面内进行独立的旋转，从而达到快速转向和在复杂地形转向的能力。飞行器设计了微型摄像传输装置与无线传输系统，主要分为机载部分和地面部分。机载部分采用了集成度高、耗电低的电子元器件,并实现了微型化。该系统通过装备在微型飞行器上的微型摄像头拍摄地面的情况,并由视频发射机将视频信号实时发送回地面，从而实现对微型飞行器所飞过地区的实时监视。

参见图10至图15所示，本发明的工作过程是:

本发明采用PLC控制各执行部件，在本发明各个执行部件处均安装有传感器，PLC实时采集各传感器的信息，通过利用闭环信息反馈调节方式，与发出指令进行比较处理作出，然后再作出相应指令，直到执行部件达到预设位置，这样大大提高了飞行器飞行时的准确度和可靠度。

当PLC接受到开始指令时，该机器人便以设定的功能实现陆地爬行或空中飞行。于此同时，信息采集机构也开启，并将采集信息时时传达给通讯中心。当机器人在陆地爬行时，其旋翼5停止旋转。地面行走机构开始运行，由于该机器人四条腿上分别安装有轮毂电机，并且能够通过控制系统实现不同方向的旋转，当其在行走过程时遇到简单障碍时，安装于该机器人上的传感器会将信息传达给控制系统，进而控制系统会通过控制微型销轴电机的旋转，来弯曲机器人的腿部结构使其越过障碍。因此机器人够在复杂地形里实现任意方向快速转向。由于该机器人在照明设备处安装有光传感器，当飞行到黑暗地方时，会将信号反馈给控制系统，进而照明设备被开启，保障了信息采集的顺利进行。当机器人在空中执行飞行指令时，能够按照控制系统的制定目标进行飞行，并将飞行速度，飞行距离及飞行方向时时传达给控制系统，通过闭环反馈调节控制方式，时时控制四个电机的转速实现机器人的垂直运动，俯仰运动，滚转运动，偏航运动，前后运动和侧向运动。从而实现机器人准确无误地到达指定位置。

下面结合图10至图15对该机器人飞行时各个动作进行详细的描述：

1、垂直运动的实现(参阅图10)

同时增大或减小4个电机的输出功率,使旋翼产生的升力大于或小于自身重力,实现垂直升降运动,若升力等于重力,则悬停状态。

2、俯仰运动的实现（参阅图11)

电机a 1转速上升,电机c 3转速下降,电机b、d 2,4不变实现俯仰运动。

3、滚转运动的实现（参阅图12）

改变电机b 2和电机d 4的转速，保持电机a 1和电机c 3的转速不变，则可使机身旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。

4、偏航运动的实现（参阅图13）

旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。当电机a 1和电机c 3 的转速上升，电机b 2 和电机d 4 的转速下降时，与电机a 1和电机c 3相连的两旋翼对机身的反扭矩，大于与电机b 2 和电机d 4相连的两旋翼对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机a 1、电机c 3的转向相反。

5、前后运动的实现（参阅图14）

增加电机c 3转速，使拉力增大，相应减小电机a 1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图11的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。

6、侧向运动的实现(参阅图15)

由于结构对称，所以侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种四旋翼两栖机器人，其特征在于：包括旋翼飞行器机构、控制机构、地面行走机构和信息采集机构，其中飞行器机构是由旋翼（5）、电机a、b、c、d（1、2、3、4）和机架（7）组成；控制机构包括一个控制盒（6），内部装有高蓄能电池（17）、小型PLC控制系统（15）及模拟量模块（16）；信息采集机构是由机载部分和无线传输系统组成，所述机载部分包括微型摄像头（8）及视频发射器（14）；地面行走机构通过四个足部（19）两段化设计，实现快速平移和转向；照明设备由两个钠灯（18）组成；

所述的机架（7）采用纳米碳纤维材料制成，其外面包覆薄合金铝，四个角为圆环形的镂空结构，其直径为旋翼（5）的最大长度的1.1~1.2倍，在每个圆环中间分别设有电机安装凹槽，电机a、b、c、d（1、2、3、4）分别安装在机架四角的圆环中心凹槽内，四个旋翼（5）分别安装在四个电机轴上。

2.根据权利要求1所述的四旋翼两栖机器人，其特征在于：所述的电机a、b、c、d（1、2、3、4）均采用相同的高精度无刷直流电机，通过调整电机的转速关系，实现机体垂直、俯仰、滚转、偏航、前后、侧向的运动。

3.根据权利要求1所述的四旋翼两栖机器人，其特征在于：所述的旋翼（5）是由两个互成角度的金属片，通过一个短圆柱轴连接而成；该旋翼（5）采用耐磨轻质合金材料制成，其表面经过耐高温处理。

4.根据权利要求1所述的四旋翼两栖机器人，其特征在于：所述的飞行器机构的机架（7）底面与控制机构的控制盒（6）的上端面通过固连在一起，对角两个旋翼的连线与控制盒（6）的两个侧面分别平行；信息采集机构安装在控制盒（6）的内部，微型摄像头（8）安装在控制盒（6）的底面外侧；钠灯（18）安装在控制盒（6）的前侧面上，与机器人的主运动方向一致。

5.根据权利要求1所述的四旋翼两栖机器人，其特征在于：所述的地面行走机构的足部（19）包括四条相同的腿，每条腿都是由腿支架和足组成，所述腿支架采用两段化设计，是由大腿支架（9）、小腿支架（10）和微型销轴电机组成，所述大腿支架（9）与控制盒（6）通过固连在一起，大腿支架（9）和小腿支架（10）通过通过微型销轴电机连接在一起，微型销轴电机的磁极焊接在小腿支架（10）下端的孔内，微型销轴电机的线圈绕在大腿支架（9）的中心轴上；旋翼（5）上下设有垫片，通过螺栓螺母连接在机架四角。

6.根据权利要求5所述的四旋翼两栖机器人，其特征在于：所述的足是由支座（11），无刷轮毂电机和小轮（12）组成，所述支座（11）上端是与小腿支架（9）下端等直径的圆柱，其下端是扁平状的结构，在下端中部钻有圆形的轴承座孔；四条腿上分别在机架内部焊接有无刷轮毂电机，通过控制系统实现不同方向的旋转。

7.根据权利要求6所述的四旋翼两栖机器人，其特征在于：所述的支座（11）下端扁平状结构外表面上固定有圆环形磁极，小轮（12）是短圆柱形状，内侧开有圆环槽，其中心主轴上绕有轮毂电机的线圈；深沟球轴承（13）安装在支座（11）下端中心圆形的轴承座孔内；小轮（12）的中心轴安装在深沟球轴承（13）孔内，支座（11）与小轮（12）组成无刷直驱轮毂电机，足通过支座（11）与小腿支架（10）下端固连在一起。

8.根据权利要求1所述的四旋翼两栖机器人，其特征在于：所述的旋翼飞行器机构、控制机构、地面行走机构和信息采集机构均安装有传感器，小型PLC控制系统（15）采集各传感器的信息。

9.根据权利要求1所述的四旋翼两栖机器人，其特征在于：所述的照明设备处安装有光传感器，通过微型摄像头（8）拍摄地面的情况，并由视频发射器（14）将视频信号实时发送回地面。