CN107856856A - 一种飞行球形机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种飞行球形机器人，该飞行球形机器人针对传统旋翼无人机飞行能量损耗大，旋翼暴露在外容易发生安全问题。球形机器人受地形限制比较严重，遇到障碍则无法通行，不能实现越障功能等问题。提出了一种结构新颖、可折叠飞行球形机器人；将地面球形机器人的运动特点与飞行器的灵活特点结合起来，使得球形飞行机器人能够根据周围环境和工作需求选择最优的运动方式。该飞行球形机器人包括两个机臂，一个机身，以及球壳内的驱动装置。该飞行球形机器人飞行时能够实现垂直飞行、空中悬停、转向飞行，能够较好的实现飞行功能；滚动时能够实现左右翻滚、前后翻滚等，能够实现较好的滚动功能。
Description
技术领域
本发明涉及机器人和航空系统领域，特别是涉及飞行球形机器人。
背景技术
球形机器人已经广泛应用与工业、国防和农业等领域，因为运动灵活、效率高等特点受到很多人的青睐。但是球形机器人受地形限制比较严重，遇到障碍则无法通行，不能实现越障功能。
无人机尤其是旋翼无人机具有飞行速度快，垂直起降等优点，也受到各个国家的重视。但是当前的旋翼无人机飞行能量损耗大，旋翼暴露在外容易发生安全问题。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种结构新颖的飞行球形机器人；将地面球形机器人的运动特点与飞行器的灵活特点结合起来，使得球形飞行机器人能够根据周围环境和工作需求选择最优的运动方式。同时这种飞行球形机器人可以避免旋翼的叶片暴露，进而发生危险事故。
本发明采用以下技术方案：
一种飞行球形机器人，包含两个机臂，包含机身、第一至第二机臂、一组舵面、第一至第四舵机和第一至第三旋翼模块；
所述机身呈空心球体，其两侧设有用于安装第一机臂、第二机臂的空缺；
所述第一机臂、第二机臂均呈弧面，其上端均设有转轴；
所述第一机臂、第二机臂通过其上端的转轴分别和机身两侧铰接，使得第一机臂、第二机臂能够绕其转轴相对所述机身自由转动；
所述第一舵机、第二舵机对称设置在机身两侧，其中，所述第一舵机的输出端和所述第一机臂上的转轴固连，用于控制所述第一机臂和机身之间的开合程度；所述第二舵机的输出端和所述第二机臂上的转轴固连，用于控制所述第二机臂和机身之间的开合程度；
所述第一机臂、第二机臂和机身完全合拢时，形成完整的空心球体；
所述第一至第三旋翼模块均包含螺旋桨和无刷电机，其中，无刷电机的输出端和旋翼的转轴固定相连；
所述第一至第三旋翼模块分别设置在第一机臂内壁中心、第二机臂内壁中心、机身内壁的顶点，均用于提供升力；
所述一组舵面包含第一舵面和第二舵面，所述第一舵面和第二舵面为对称翼型；
所述第三舵机、第四舵机均设置在第三旋翼模块下，其输出端分别和第一舵面、第二舵面固连，分别用于控制第一舵面、第二舵面进行偏转。
作为本发明一种飞行球形机器人进一步的优化方案，所述第一机臂、第二机臂、机身由3D打印整体制造，3D打印材料为光固化树脂。
作为本发明一种飞行球形机器人进一步的优化方案，所述机身内设有设有电源模块和飞控模块；
所述电源模块与飞控模块相连，用于提供电力；
所述飞控模块包括陀螺仪、加速计、磁力计、气压传感器、GPS单元、第一至第三电气调速器和控制单元；
所述陀螺仪用于感应飞行球形机器人的转动角速度速度，并将其传递给所述控制模单元；
所述加速计用于感应飞行球形机器人的加速度，并将其传递给所述控制单元；
所述磁力计用于感应飞行球形机器人的方位，并将其传递给所述控制单元；
所述气压传感器感应飞行球形机器人的高度，并将其传递给所述控制单元；
所述GPS单元感应飞行球形机器人的坐标，并将其传递给所述控制单元；
所述控制单元分别和陀螺仪、加速计、磁力计、气压传感器、GPS单元、第一至第四舵机电气相连，所述控制单元还分别通过第一至第三电子调速器和第一至第三旋翼模块中的无刷电机对应电气相连，所述控制单元用于根据陀螺仪、加速计、磁力计、气压传感器、GPS单元的感应信号控制第一至第四舵机、第一至第三电子调速器工作。
作为本发明一种飞行球形机器人进一步的优化方案，所述螺旋桨采用5030二叶全碳纤维螺旋桨。
作为本发明一种飞行球形机器人进一步的优化方案，所述机身、第一机臂、第二机臂均采用对称镂空处理。
作为本发明一种飞行球形机器人进一步的优化方案，所述第一至第三旋翼模块处于同一平面上。
作为本发明一种飞行球形机器人进一步的优化方案，所述第一机臂、第二机臂相对机身的旋转角度范围均为0°到90°。
作为本发明一种飞行球形机器人进一步的优化方案，所述电源模块采用11.1V锂电池。
本发明提供的飞行球形机器人，与现有技术相比，具有以下增益效果：
本发明能够任意转换两种运动形态，当飞行球形机器人在空中坠落时，可以直接控制机身两侧舵机，使机臂旋转90°形成折叠状态，有效的保护机身结构和机载设备，以及防止旋翼暴露在外造成危险。
附图说明
图1为本发明的展开状态的结构示意图；
图2为本发明的折叠状态的结构示意图；
图3为本发明机身中第三旋翼模块、第三至第四舵机、第一至第二舵面的结构示意图；
图4为本发明中第三舵机、第四舵机和第一舵面、第二舵面连接的结构示意图。
图中，1-机身，2-机翼，3-无刷电机，4-螺旋桨，5-第一舵面 ，6-第二舵面，7-第三舵机，8-第四舵机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1、图2所示，本发明公开了一种飞行球形机器人，包含第一至第二机臂，包含机身、第一至第二机臂、一组舵面、第一至第四舵机和第一至第三旋翼模块；
所述机身呈空心球体，其两侧设有用于安装第一机臂、第二机臂的空缺；
所述第一机臂、第二机臂均呈弧面，其上端均设有转轴；
所述第一机臂、第二机臂通过其上端的转轴分别和机身两侧铰接，使得第一机臂、第二机臂能够绕其转轴相对所述机身自由转动；
所述第一舵机、第二舵机对称设置在机身两侧，其中，所述第一舵机的输出端和所述第一机臂上的转轴固连，用于控制所述第一机臂和机身之间的开合程度；所述第二舵机的输出端和所述第二机臂上的转轴固连，用于控制所述第二机臂和机身之间的开合程度；
所述第一机臂、第二机臂和机身完全合拢时，形成完整的空心球体；
如图3所示，所述第一至第三旋翼模块均包含螺旋桨和无刷电机，其中，无刷电机的输出端和旋翼的转轴固定相连；
所述第一至第三旋翼模块分别设置在第一机臂内壁中心、第二机臂内壁中心、机身内壁的顶点，均用于提供升力；
如图4所示，所述一组舵面包含第一舵面和第二舵面，所述第一舵面和第二舵面为对称翼型；
所述第三舵机、第四舵机均设置在第三旋翼模块下，其输出端分别和第一舵面、第二舵面固连，分别用于控制第一舵面、第二舵面进行偏转。
所述机身内设有设有电源模块和飞控模块；
所述电源模块与飞控模块相连，用于提供电力；
所述飞控模块包括陀螺仪、加速计、磁力计、气压传感器、GPS单元、第一至第三电气调速器和控制单元；
所述陀螺仪用于感应飞行球形机器人的转动角速度速度，并将其传递给所述控制模单元；
所述加速计用于感应飞行球形机器人的加速度，并将其传递给所述控制单元；
所述磁力计用于感应飞行球形机器人的方位，并将其传递给所述控制单元；
所述气压传感器感应飞行球形机器人的高度，并将其传递给所述控制单元；
所述GPS单元感应飞行球形机器人的坐标，并将其传递给所述控制单元；
所述控制单元分别和陀螺仪、加速计、磁力计、气压传感器、GPS单元、第一至第四舵机电气相连，所述控制单元还分别通过第一至第三电子调速器和第一至第三旋翼模块中的无刷电机对应电气相连，所述控制单元用于根据陀螺仪、加速计、磁力计、气压传感器、GPS单元的感应信号控制第一至第四舵机、第一至第三电子调速器工作。
所述螺旋桨采用5030二叶全碳纤维螺旋桨。
所述机身、第一机臂、第二机臂均采用对称镂空处理。
所述第一至第三旋翼模块处于同一平面上。
所述第一机臂、第二机臂相对机身的旋转角度范围均为0°到90°。
所述电源模块采用11.1V锂电池。
图1为飞行球形无人机飞行状态示意图，当飞行球形无人机处在折叠状态时，控制第一舵机和第二舵机，使第一机臂、第二机臂机臂旋转90°展开，形成飞行展开状态。所述第一至第三旋翼模块在同一水平面上，第三旋翼模块螺旋桨的旋转方向与第一机臂、第二机臂上的螺旋桨的旋转方向相反以抵消扭矩。控制第一舵面、第二舵面来进行方向的偏转。
具体飞行方式如下：
第三旋翼模块的螺旋桨在无刷电机带动下产生竖直向上的升力，为飞行球形机器人提供向上的动力，从而控制飞行球形机器人的升降运动；与此同时该飞行球形机器人利用第一机臂、第二机臂上的螺旋桨来抵消第三旋翼模块的螺旋桨产生的扭矩力，使飞行球形机器人能够平衡受力。除此之外第一机臂、第二机臂还可以控制自身螺旋桨转速差的方式来控制该飞行球形机器人的飞行方向，调整好方向以后，利用两边螺旋桨提供推力，让飞行球形机器人沿着需要的方向进行飞行。通过各个模块的相互协调配合，使飞行球形机器人能够顺利的完成起飞、空中的各种飞行姿态、安全降落。
图2为飞行球形无人机滚动状态示意图，当飞行球形无人机处在展开状态时，控制第一舵机和第二舵机，使第一机臂、第二机臂旋转90°闭合，形成滚动折叠状态。
具体滚动实施方式如下：
控制飞行球形机器人沿两侧旋翼方向滚动时，第一旋翼模块顺时针（俯视图）旋转，第二旋翼模块顺时针旋转，第三旋翼模块根据飞控系统，做出适应性的保持机身前后平衡的转动，转动方向不定，此时，机身就会有一个向左侧方向的翻转力矩，机身就会向左进行翻滚，翻滚的速度由第一旋翼模块、第二旋翼模块的旋转速度确定。
控制飞行球形机器人沿垂直与两侧旋翼的方向滚动时，飞行球形机器人第三旋翼模块对舵面进行加载，产生的气流，吹动第一舵面和第二舵面，产生动压，依据流体力学伯努利方程，可知偏转第一舵面和第二舵面，可以实现正反面方向反转扭矩的变化。当飞机需要沿前后方向进行翻转时，中心机翼旋转，而后，第一舵面和第二舵面同时向前侧进行偏转，两侧旋翼依据飞控系统发出的信号进行左右平衡性的转动，即可完成球形机体向正前方进行翻滚，滚动的速度由中心旋翼的旋转速度决定。
控制飞行球形机器人沿其他方向滚动时，如左前方，左后方等，将上述两种滚动方法进行组合，而后依据飞控系统发出的信号指令进行调节。
图4为舵面结构示意图，所述第一舵面、第二舵面均设置在第三旋翼模块下方，分别由第三舵机、第四舵机分别控制。所述第一机臂、第二机臂、机身由3D打印整体制造，3D打印材料为光固化树脂。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种飞行球形机器人，其特征在于，包含两个机臂，包含机身、第一至第二机臂、一组舵面、第一至第四舵机和第一至第三旋翼模块；
所述机身呈空心球体，其两侧设有用于安装第一机臂、第二机臂的空缺；
所述第一机臂、第二机臂均呈弧面，其上端均设有转轴；
所述第一机臂、第二机臂通过其上端的转轴分别和机身两侧铰接，使得第一机臂、第二机臂能够绕其转轴相对所述机身自由转动；
所述第一舵机、第二舵机对称设置在机身两侧，其中，所述第一舵机的输出端和所述第一机臂上的转轴固连，用于控制所述第一机臂和机身之间的开合程度；所述第二舵机的输出端和所述第二机臂上的转轴固连，用于控制所述第二机臂和机身之间的开合程度；
所述第一机臂、第二机臂和机身完全合拢时，形成完整的空心球体；
所述第一至第三旋翼模块均包含螺旋桨和无刷电机，其中，无刷电机的输出端和旋翼的转轴固定相连；
所述第一至第三旋翼模块分别设置在第一机臂内壁中心、第二机臂内壁中心、机身内壁的顶点，均用于提供升力；
所述一组舵面包含第一舵面和第二舵面，所述第一舵面和第二舵面为对称翼型；
所述第三舵机、第四舵机均设置在第三旋翼模块下，其输出端分别和第一舵面、第二舵面固连，分别用于控制第一舵面、第二舵面进行偏转。
2.根据权利要求1所述的飞行球形机器人，其特征在于，所述第一机臂、第二机臂、机身由3D打印整体制造，3D打印材料为光固化树脂。
3.根据权利要求1所述的飞行球形机器人，其特征在于，所述机身内设有设有电源模块和飞控模块；
所述电源模块与飞控模块相连，用于提供电力；
所述飞控模块包括陀螺仪、加速计、磁力计、气压传感器、GPS单元、第一至第三电气调速器和控制单元；
所述陀螺仪用于感应飞行球形机器人的转动角速度速度，并将其传递给所述控制模单元；
所述加速计用于感应飞行球形机器人的加速度，并将其传递给所述控制单元；
所述磁力计用于感应飞行球形机器人的方位，并将其传递给所述控制单元；
所述气压传感器感应飞行球形机器人的高度，并将其传递给所述控制单元；
所述GPS单元感应飞行球形机器人的坐标，并将其传递给所述控制单元；
所述控制单元分别和陀螺仪、加速计、磁力计、气压传感器、GPS单元、第一至第四舵机电气相连，所述控制单元还分别通过第一至第三电子调速器和第一至第三旋翼模块中的无刷电机对应电气相连，所述控制单元用于根据陀螺仪、加速计、磁力计、气压传感器、GPS单元的感应信号控制第一至第四舵机、第一至第三电子调速器工作。
4.根据权利要求1所述的飞行球形机器人，其特征在于，所述螺旋桨采用5030二叶全碳纤维螺旋桨。
5.根据权利要求1所述的飞行球形机器人，其特征在于，所述机身、第一机臂、第二机臂均采用对称镂空处理。
6.根据权利要求1所述的飞行球形机器人，其特征在于，所述第一至第三旋翼模块处于同一平面上。
7.根据权利要求1所述的一种飞行球形机器人，其特征在于，所述第一机臂、第二机臂相对机身的旋转角度范围均为0°到90°。
8.根据权利要求3所述的飞行球形机器人，其特征在于，所述电源模块采用11.1V锂电池。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180330 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |