CN106541795A - 旋翼气动式精确转向陆空移动机器人装置 - Google Patents

Abstract

旋翼气动式精确转向陆空移动机器人装置，属于机器人技术领域，包括车体、推进组件、至少四个车轮组件、至少四个升空组件、转向电机和传动机构等。该装置实现了陆空移动功能：该装置可以实现地面移动，移动速度快；还可以实现飞行；地面移动时可以适应复杂地形，实现转向，转向角度精确，飞行中可以灵活调整飞行方向；同时该装置结构紧凑，体积小，易于通过一些狭窄的管道或洞穴，重量轻，由于结合路面行进，同样的电池电量可以抵达更远的地方，能耗低，成本低。

Description

旋翼气动式精确转向陆空移动机器人装置

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种旋翼气动式精确转向陆空移动机器人装置的结构设计。

背景技术

各国运用多旋翼飞行技术，开发了多种形态各异的飞行器。当前这种旋翼式飞行器主要分为单旋翼直升机、双旋翼直升机以及多旋翼飞行器等，比如德国Microdrones公司、中国大疆创新公司(DJI)的旋翼飞行器、加拿大Draganflyer公司的四旋翼飞行器等。单旋翼直升机需要尾桨来消除旋翼对机体产生的扭力，四旋翼飞行器通过对角线上正反旋翼消除对机体产生的扭力。续航能力是飞行机器人的重要指标，当前的电池技术存在瓶颈，电池续航能力低，持续飞行时间短。传统的旋翼式飞行器的不足在于：一般均不具备在路面行进的能力，或者不适合快速在路面上移动。

针对现有轮式移动机器人进行增加旋翼可以带来较好的陆空两栖运动功能，一方面可以在路面上快速，另一方面还能在路面条件不好的情况下升空飞行，在路面情况好的时候落地移动，从而带来较大距离的移动，同时在一些充电场所需要落地并小范围移动到准确位置，弥补了飞行定位不够准确的不足。同时在地面上的工作和在空中的任务均能兼顾，从而是非常有前景的一类多栖移动机器人。

一种飞行车轮系统以及运用飞行车轮系统的飞行车，如中国发明专利CN103213466B，设计了一种飞行车轮系统，将风扇和驱动电机安装在车轮中，并且风扇的转动中心线与车轮的中心线重合，通过转向机构将车轮从地面移动的竖直状态转动到适合旋翼升空飞行的水平状态，从而实现飞行。其不足在于：1)车轮、风扇和转向机构复杂；2)将车轮从竖直状态转动到水平状态时的能耗非常大；3)为了实现地面移动与飞行的顺利切换，需要在飞行车的底部安装额外的主动支撑双滑板，增加了重量，不利于飞行时降低能耗的要求；4)在地面移动状态到飞行状态的转换过程较复杂，而且非常耗时；5)维护不便，成本高。

一种空心轮及飞行车系统，如中国发明专利CN104309403A，提供了一种圆轨式空心轮及飞行车系统，它将传统车轮中间的支撑部件去除，并将螺旋桨安装在车轮的中部，并利用第一电机和传动机构实现车轮的主动转动，利用第二电机实现螺旋桨的独立转动，其螺旋桨的转动中心线与车轮的中心线垂直。其不足在于：1)该车轮结构复杂，重量大，不利于飞行；2)车轮转速与螺旋桨转速是不同的，各自采用不同的电机驱动，由于车轮数量较多，独立驱动与控制的电机数量多，重量大，能耗大，不利于增加飞行的续航能力。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足之处，提供了一种旋翼气动式精确转向陆空移动机器人装置。该装置可以实现地面移动，速度快，地面移动时可以实现转向，转向角度精确；还可以实现飞行，飞行中可以调整飞行方向，同时该装置结构紧凑，体积小，易于通过一些狭窄的管道或洞穴，重量轻，能耗低，成本低。

本发明技术方案如下：

本发明设计的旋翼气动式精确转向陆空移动机器人装置，其特征在于：包括车体、推进组件、N个车轮组件、N个升空组件、转向电机和传动机构；所述车轮组件包括连接件、内圈和外圈，所述连接件与车体相连，所述内圈与连接件固接，所述外圈活动套接在内圈上；所述推进组件包括第一电机、转盘轴、转盘、第二电机和第一螺旋桨；所述第一电机与车体固接，所述转盘轴套设在车体中，所述转盘套接在转盘轴上，所述第一电机的输出轴与转盘相连；所述第二电机与转盘固接，所述第一螺旋桨套固在第二电机的输出轴上；所述升空组件包括第三电机和第二螺旋桨；所述第二螺旋桨套固在第三电机的输出轴上；所述第i个升空组件中的第三电机与第i个车轮组件中的连接件固接；所述转向电机与车体固接，所述转向电机的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的两个输出端分别与两个车轮组件中的连接件相连；所述第一螺旋桨的转动中心线与转盘轴的中心线相互垂直；所述第i个车轮组件中的外圈的中心线与第i个升空组件中的第二螺旋桨的转动中心线相互垂直且相交；所有所述第二螺旋桨的转动中心线相互平行，每个所述第二螺旋桨的转动中心线均与转盘轴的中心线垂直；其中，N为大于3的自然数，i为1、2、3……N。

本发明所述的旋翼气动式精确转向陆空移动机器人装置，其特征在于：所述传动机构包括齿轮、第一齿条、第二齿条、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第六轴、第七轴、第八轴、第九轴、第十轴、第四连杆、第五连杆和第六连杆；所述齿轮套固在转向电机的输出轴上，所述第一齿条、第二齿条分别与齿轮啮合，所述第一齿条、第二齿条分别滑动镶嵌在车体中，所述第一齿条与第二齿条的滑动方向平行，所述第一齿条与第二齿条位于齿轮的两侧；所述第一齿条上设有第一滑槽，所述第一滑槽的滑动方向与第一齿条在车体上的滑动方向垂直，所述第一轴滑动镶嵌在第一滑槽上；所述第一连杆的一端套接在第一轴上，第一连杆的另一端套接在第三轴；所述第二轴套设在第一连杆的中部；所述第二连杆的一端套接在第二轴上，第二连杆的另一端套接在第五轴上；所述第三连杆的一端套接在第三轴上，第三连杆的另一端套接在第四轴上；所述第四轴、第五轴分别套设在车体中；所述第二齿条上设有第二滑槽，所述第二滑槽的滑动方向与第二齿条在车体上的滑动方向垂直，所述第六轴滑动镶嵌在第二滑槽上；所述第四连杆的一端套接在第六轴上，第四连杆的另一端套接在第八轴；所述第七轴套设在第四连杆的中部；所述第五连杆的一端套接在第七轴上，第五连杆的另一端套接在第十轴上；所述第六连杆的一端套接在第八轴上，第六连杆的另一端套接在第九轴上；所述第九轴、第十轴分别套设在车体中；设第一轴的中心点为A，第二轴的中心点为B，第三轴的中心点为C，第四轴的中心点为D，第五轴的中心点为E，第六轴的中心点为F，第七轴的中心点为G，第八轴的中心点为H，第九轴的中心点为I，第十轴的中心点为J；线段DE的长度为线段CD的长度的2倍，线段BE的长度为线段CD的长度的2.5倍，线段CB的长度与线段BE的长度相等，线段CB的长度与线段BA的长度相等；线段IJ的长度为线段IH的长度的2倍，线段GJ的长度为线段IH的长度的2.5倍，线段GH的长度与线段GJ的长度相等，线段GH的长度与线段FG的长度相等；所述第一个车轮组件中的连接件套接在第四轴上，所述第一个车轮组件中的连接件与第三连杆固接；所述第二个车轮组件中的连接件套接在第九轴上，所述第二个车轮组件中的连接件与第六连杆固接。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置采用推进组件、升空组件、转向电机、传动机构和车轮组件等综合实现了陆空移动功能：该装置可以实现地面移动，移动速度快；还可以实现飞行；地面移动时可以适应复杂地形，轻松实现转向，转向角度精确，飞行中可以灵活调整飞行方向；采用切比雪夫连杆机构，转向精确，重量轻，能耗小，适用于飞行；同时该装置结构紧凑，体积小，易于通过一些狭窄的管道或洞穴，重量轻，由于结合路面行进，同样的电池电量可以抵达更远的地方，能耗低，成本低。

附图说明

图1是旋翼气动式精确转向陆空移动机器人装置的一种实施例的立体外观图。

图2是图1所示实施例的俯视图(未画出部分零件)。

图3是图1所示实施例的爆炸视图(未画出部分零件)。

图4是图1所示实施例的转向电机转动时的实施例转向示意图(未画出部分零件)。

图5是图1所示实施例的向左转的示意图(未画出部分零件)。

图6是图1所示实施例的向右转的示意图(未画出部分零件)。

图7是图1所示实施例在初始状态时，转盘的位置示意图，图中的箭头代表转盘的一个转动方向。

图8是图1所示实施例的转盘位置示意图，此时，转盘转动到向前推进的状态。

图9是图1所示实施例的地面前进示意图。

图10是图1所示实施例的地面后退示意图。

图11是图1所示实施例的车轮组件的正视图。

图12是图11的Q-Q剖视图。

图13是图1所示实施例的传动机构中的左半部分多个连杆动作原理示意图。

图14是图1所示实施例的传动机构中的右半部分多个连杆动作原理示意图。

在图1至图14中：

1－车体， 2－推进组件， 3－车轮组件， 4－升空组件，

5－转向电机， 6－传动机构， 21－第一电机， 22－转盘轴，

23－转盘， 24－第二电机， 25－第一螺旋桨， 31－连接件，

32－内圈， 33－外圈， 41－第三电机， 42－第二螺旋桨，

61－第一齿条， 611－第一滑槽， 62－第二齿条， 621－第二滑槽，

63－齿轮， 71－第一轴， 72－第二轴， 73－第三轴，

74－第四轴， 75－第五轴， 76－第六轴， 77－第七轴，

78－第八轴， 79－第九轴， 80－第十轴， 81－第一连杆，

82－第二连杆， 83－第三连杆， 84－第四连杆， 85－第五连杆，

86－第六连杆。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步介绍本发明的具体结构、工作原理的内容。

本发明设计的旋翼气动式精确转向陆空移动机器人装置的一种实施例，如图1至图3所示，包括车体1、推进组件2、N个车轮组件3、N个升空组件4、转向电机5和传动机构6；所述车轮组件包括连接件31、内圈32和外圈33，所述连接件32与车体1相连，所述内圈32与连接件32固接，所述外圈33活动套接在内圈32上；所述推进组件2包括第一电机21、转盘轴22、转盘23、第二电机24和第一螺旋桨25；所述第一电机21与车体1固接，所述转盘轴22套设在车体1中，所述转盘23套接在转盘轴22上，所述第一电机21的输出轴与转盘23相连；所述第二电机24与转盘23固接，所述第一螺旋桨25套固在第二电机24的输出轴上；所述升空组件4包括第三电机41和第二螺旋桨42；所述第二螺旋桨42套固在第三电机41的输出轴上；所述第i个升空组件4中的第三电机41与第i个车轮组件3中的连接件31固接；所述转向电机5与车体1固接，所述转向电机5的输出轴与传动机构6的输入端相连，所述传动机构6的两个输出端分别与两个车轮组件3中的连接件31相连；所述第一螺旋桨25的转动中心线与转盘轴22的中心线相互垂直；所述第i个车轮组件3中的外圈33的中心线与第i个升空组件4中的第二螺旋桨42的转动中心线相互垂直且相交；所有所述第二螺旋桨42的转动中心线相互平行，每个所述第二螺旋桨42的转动中心线均与转盘轴22的中心线垂直；其中，N为大于3的自然数，i为1、2、3……N。

本实施例中，N＝4。

本实施例中，所述传动机构6包括齿轮63、第一齿条61、第二齿条62、第一轴71、第二轴72、第三轴73、第四轴74、第五轴75、第一连杆81、第二连杆82、第三连杆83、第六轴76、第七轴77、第八轴78、第九轴79、第十轴80、第四连杆84、第五连杆85和第六连杆86；所述齿轮63套固在转向电机5的输出轴上，所述第一齿条61、第二齿条62分别与齿轮63啮合，所述第一齿条61、第二齿条62分别滑动镶嵌在车体1中，所述第一齿条61与第二齿条62的滑动方向平行，所述第一齿条61与第二齿条62位于齿轮63的两侧；所述第一齿条61上设有第一滑槽611，所述第一滑槽611的滑动方向与第一齿条61在车体1上的滑动方向垂直，所述第一轴71滑动镶嵌在第一滑槽611上；所述第一连杆81的一端套接在第一轴上71，第一连杆81的另一端套接在第三轴73；所述第二轴72套设在第一连杆81的中部；所述第二连杆82的一端套接在第二轴72上，第二连杆82的另一端套接在第五轴75上；所述第三连杆83的一端套接在第三轴73上，第三连杆83的另一端套接在第四轴74上；所述第四轴74、第五轴75分别套设在车体1中；所述第二齿条62上设有第二滑槽621，所述第二滑槽621的滑动方向与第二齿条62在车体1上的滑动方向垂直，所述第六轴76滑动镶嵌在第二滑槽621上；所述第四连杆84的一端套接在第六轴76上，第四连杆84的另一端套接在第八轴78；所述第七轴77套设在第四连杆84的中部；所述第五连杆85的一端套接在第七轴77上，第五连杆85的另一端套接在第十轴80上；所述第六连杆86的一端套接在第八轴78上，第六连杆86的另一端套接在第九轴79上；所述第九轴79、第十轴80分别套设在车体1中。

设第一轴71的中心点为A，第二轴72的中心点为B，第三轴73的中心点为C，第四轴74的中心点为D，第五轴75的中心点为E，如图13所示；第六轴76的中心点为F，第七轴77的中心点为G，第八轴78的中心点为H，第九轴79的中心点为I，第十轴80的中心点为J，如图14所示。

线段DE的长度为线段CD的长度的2倍，线段BE的长度为线段CD的长度的2.5倍，线段CB的长度与线段BE的长度相等，线段CB的长度与线段BA的长度相等；线段IJ的长度为线段IH的长度的2倍，线段GJ的长度为线段IH的长度的2.5倍，线段GH的长度与线段GJ的长度相等，线段GH的长度与线段FG的长度相等；所述第一个车轮组件3中的连接件31套接在第四轴74上，所述第一个车轮组件3中的连接件31与第三连杆83固接；所述第二个车轮组件3中的连接件套接在第九轴79上，所述第二个车轮组件3中的连接件31与第六连杆86固接。

根据切比雪夫连杆机构原理，当A点沿近似直线(图13中的虚直线)下移时，通过四连杆机构(分别对应线段AC、BE、CD、DE)，会带动线段CD绕D点顺时针转动，当A点达到A’点时，B点到达B’点，C点到达C’点，如图13所示。当F点沿近似直线(图14中的虚直线)上移时，通过四连杆机构(分别对应线段FH、GJ、HI、IJ)，会带动线段HI绕I点顺时针转动，当F点达到F’点时，G点到达G’点，H点到达H’点，如图14所示。由于A点和F点移动的直线为近似直线，因此，在第一齿条61、第二齿条62上分别有第一滑槽611和第二滑槽621，保证机构实现正常运转。

图11、图12为本实施例的车轮组件3及其剖视图，在内圈32与外圈33之间为了减小摩擦，采用多个滚珠相隔，结构与深沟球轴承类似。

结合附图介绍本发明的工作原理如下：

需要地面移动时，进入地面移动状态：旋翼气动式精确转向陆空移动机器人装置(简称该装置)放置在地面上时，最初状态如图7所示，此时，第一螺旋桨25的转动中心线是竖直的；第一电机21转动，带动转盘轴22转动，转盘23转动一个角度，第一螺旋桨25的转动中心线与地面平行或者与地面存在一个小夹角，如图8所示；此时，第二电机24转动，于是第一螺旋桨25转动，产生向前的空气动力，推动该装置前进，如图9所示；如果需要后退，则第一电机21转动180°，第二电机24转动，第一螺旋桨25转动，产生向后的空气动力，推动该装置后退，如图10所示。

需要进入飞行状态时，停止第一电机21和第二电机24的转动，所有升空组件4中的第三电机41同时转动，从而带动所有升空组件4中的第二螺旋桨42同时转动，从而产生向上的空气动力，克服重力作用，实现该装置的升空飞行，所有第二螺旋桨42采用不同的速度转动，可以产生不同的飞行姿态，从而达到该装置空中飞行的目的。

当飞行中需要落地时，所有升空组件4中的第三电机41同时逐渐停转，从而带动升空组件4中的第二螺旋桨42同时逐渐停转，从而使得向上的空气动力逐渐减小，在重力作用下，实现该装置的落地，之后变为地面移动状态。

在地面移动时，如果需要向左转向，则转向电机5转动，带动齿轮63顺时针转动(如图4所示)，第一齿条61向上滑动，第一轴71跟随向上滑动，通过第一连杆81、第二连杆82、第三连杆83所构成的切比雪夫连杆机构的传动，带动第三连杆83逆时针转动，从而带动第一车轮组件3中的连接件31逆时针转动，第一车轮组件3的内圈32与外圈33绕第四轴74逆时针转动一个角度，同理，第二车轮组件3中的连接件31也逆时针转动了一个相同的角度，达到了该装置向左转向的目的，如图5所示。

如果该装置需要向右转向，则转向电机5反向转动，带动齿轮63逆时针转动，第一齿条61向下滑动，第一轴71跟随向下滑动，通过第一连杆81、第二连杆82、第三连杆83所构成的切比雪夫连杆机构的传动，带动第三连杆83顺时针转动，从而带动第一车轮组件3中的连接件31顺时针转动，第一车轮组件3的内圈32与外圈33绕第四轴74顺时针转动一个角度，同理，第二车轮组件3中的连接件31也顺时针转动了一个相同的角度，达到了该装置向右转向的目的，如图6所示。

本发明装置采用推进组件、车轮组件、升空组件、转向电机和传动机构等综合实现了陆空移动功能：该装置可以实现地面移动，移动速度快；还可以实现飞行；地面移动时可以适应复杂地形，轻松实现转向，转向角度精确，飞行中可以灵活调整飞行方向；采用切比雪夫连杆机构，转向精确，重量轻，能耗小，适用于飞行；同时该装置结构紧凑，体积小，易于通过一些狭窄的管道或洞穴，重量轻，由于结合路面行进，同样的电池电量可以抵达更远的地方，能耗低，成本低。

Claims (2)

1.一种旋翼气动式精确转向陆空移动机器人装置，其特征在于：包括车体、推进组件、N个车轮组件、N个升空组件、转向电机和传动机构；所述车轮组件包括连接件、内圈和外圈，所述连接件与车体相连，所述内圈与连接件固接，所述外圈活动套接在内圈上；所述推进组件包括第一电机、转盘轴、转盘、第二电机和第一螺旋桨；所述第一电机与车体固接，所述转盘轴套设在车体中，所述转盘套接在转盘轴上，所述第一电机的输出轴与转盘相连；所述第二电机与转盘固接，所述第一螺旋桨套固在第二电机的输出轴上；所述升空组件包括第三电机和第二螺旋桨；所述第二螺旋桨套固在第三电机的输出轴上；所述第i个升空组件中的第三电机与第i个车轮组件中的连接件固接；所述转向电机与车体固接，所述转向电机的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的两个输出端分别与两个车轮组件中的连接件相连；所述第一螺旋桨的转动中心线与转盘轴的中心线相互垂直；所述第i个车轮组件中的外圈的中心线与第i个升空组件中的第二螺旋桨的转动中心线相互垂直且相交；所有所述第二螺旋桨的转动中心线相互平行，每个所述第二螺旋桨的转动中心线均与转盘轴的中心线垂直；其中，N为大于3的自然数，i为1、2、3……N。

2.如权利要求1所述的旋翼气动式精确转向陆空移动机器人装置，其特征在于：所述传动机构包括齿轮、第一齿条、第二齿条、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第六轴、第七轴、第八轴、第九轴、第十轴、第四连杆、第五连杆和第六连杆；所述齿轮套固在转向电机的输出轴上，所述第一齿条、第二齿条分别与齿轮啮合，所述第一齿条、第二齿条分别滑动镶嵌在车体中，所述第一齿条与第二齿条的滑动方向平行，所述第一齿条与第二齿条位于齿轮的两侧；所述第一齿条上设有第一滑槽，所述第一滑槽的滑动方向与第一齿条在车体上的滑动方向垂直，所述第一轴滑动镶嵌在第一滑槽上；所述第一连杆的一端套接在第一轴上，第一连杆的另一端套接在第三轴；所述第二轴套设在第一连杆的中部；所述第二连杆的一端套接在第二轴上，第二连杆的另一端套接在第五轴上；所述第三连杆的一端套接在第三轴上，第三连杆的另一端套接在第四轴上；所述第四轴、第五轴分别套设在车体中；所述第二齿条上设有第二滑槽，所述第二滑槽的滑动方向与第二齿条在车体上的滑动方向垂直，所述第六轴滑动镶嵌在第二滑槽上；所述第四连杆的一端套接在第六轴上，第四连杆的另一端套接在第八轴；所述第七轴套设在第四连杆的中部；所述第五连杆的一端套接在第七轴上，第五连杆的另一端套接在第十轴上；所述第六连杆的一端套接在第八轴上，第六连杆的另一端套接在第九轴上；所述第九轴、第十轴分别套设在车体中；设第一轴的中心点为A，第二轴的中心点为B，第三轴的中心点为C，第四轴的中心点为D，第五轴的中心点为E，第六轴的中心点为F，第七轴的中心点为G，第八轴的中心点为H，第九轴的中心点为I，第十轴的中心点为J；线段DE的长度为线段CD的长度的2倍，线段BE的长度为线段CD的长度的2.5倍，线段CB的长度与线段BE的长度相等，线段CB的长度与线段BA的长度相等；线段IJ的长度为线段IH的长度的2倍，线段GJ的长度为线段IH的长度的2.5倍，线段GH的长度与线段GJ的长度相等，线段GH的长度与线段FG的长度相等；所述第一个车轮组件中的连接件套接在第四轴上，所述第一个车轮组件中的连接件与第三连杆固接；所述第二个车轮组件中的连接件套接在第九轴上，所述第二个车轮组件中的连接件与第六连杆固接。