CN108583177A - 一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人 - Google Patents

一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人 Download PDF

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Abstract

一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人，本发明的目的在于实现海陆空三栖，综合陆地、水中、空中无人设备的功能，为实现上述设计目的，本发明由球形机壳、涵道风扇、内部环形齿轮、叉形旋转架、滚转驱动电机、滚转齿轮、控制配电组件、平移驱动电机、条形齿轮、平移驱动齿轮组成。当需要在地面运动时，实现球形机壳在一维运动的同时因为重心的左右偏移实现转向，即实现球形机壳的二维方向上的运动控制。当需要在水中运动时，此时的球形机器人控制类似一个双螺旋桨的船，通过两个涵道风扇的配合实现球形机器人的前进、后退、转向功能。当需要飞行时，此时的球形机器人起飞与四轴飞行器类似，通过控制四台涵道风扇的运动实现球形机器人的飞行。

Description

一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人
技术领域
本发明属于一种利用控制重心实现运动控制的球形机器人，尤其属于一种利用控制重心改变球壳相对位置实现海陆空三栖的球形机器人。
背景技术
目前，无人侦察设备的大量使用，陆地有无人巡逻小车，水中有无人船，空中有各种无人机，这些无人智能设备的应用，给我们生活、工作、任务的完成提供了便利的条件，尤其在军事领域更是被大量应用，很多国家单兵配备了侦察设备，以完成更加艰巨的任务，而在使用中发现，一次任务往往需要携带多种设备，以应对不同的使用环境，同时，这些设备也各有优缺点，轮式巡逻小车对路况的要求较为苛刻，履带式巡逻小车对路况的适应能力较强，但依然不及无人机灵活，而无人机的功耗过大，滞空时间有限，而且使用过程中目标特征明显，不易隐蔽，水中应用的无人船同样面对只能在水文环境良好的场景使用，而结合了水路功能的无人设备在水路交接点则经常发生设备被困问题，所以，需要一种设备，综合上述三种无人设备的优点，互为补充，使得单次任务只用携带一个设备即可完成上述三种设备的功能要求。
发明内容
本发明的目的在于实现海陆空三栖，综合陆地、水中、空中无人设备的功能，为实现上述设计目的，本发明由球形机壳、涵道风扇、内部环形齿轮、叉形旋转架、滚转驱动电机、滚转齿轮、控制配电组件、平移驱动电机、条形齿轮、平移驱动齿轮组成。
进一步的球形机壳由两个半球形机壳合并而成，以两个半球形机壳的贴合面为参考面，地面为水平面，这里称同时垂直于参考面与水平面同时是半球形机壳对称面的面为垂直面，对称于垂直面有两个管道，用于安装涵道风扇，管道远离参考面一定距离，垂直于水平面，管道内有支架，用于固定涵道风扇电机，从参考面所在平面半球形机壳内部掏空，参考面位置有一垂直于参考面的柱形空腔，用于安装内部环形齿轮。
进一步的内部环形齿轮是一个内侧有齿的环状结构，环的厚度为半球形机壳的柱形空腔的深度的二倍，内部环形齿轮的外径与柱形空腔的内径相同，内部环形齿轮的内侧齿轮用于与滚转齿轮啮合。
进一步的内部旋转架主体为两片通过中间轴连接的三叉形结构，三叉的顶端有开孔，用于与滚转驱动电机的轴紧配合，内部旋转架下部有挂接板，挂接板水平与三叉中的任意一个两叉相接合，挂接板下连接限位板，限位板在垂直参考面与挂接板接合，限位板下方有凸块，用于卡住控制配电组件，挂接板与限位板的连接处有条形齿轮。
进一步的控制配电组件为一中心有安装孔的矩形块，安装孔的内径与平移驱动电机的外径相匹配，控制配电组件集中了系统的主要大质量部件，用于重心控制。
进一步的球形机壳的尺寸大小应当满足排水量的大小是重量的两倍以上。
球形机壳的两个半球形机壳通过胶合或者螺丝固定连接在一起，内部环形齿轮被两个半球形机壳的柱形空腔约束在球形的机壳的对称面位置，滚转齿轮套在滚转驱动电机上，滚转驱动电机的轴与内部旋转架的顶端开孔固定连接，内部旋转架通过滚转驱动电机、滚转齿轮被约束在内部环形齿轮内，条形齿轮固定在内部旋转架挂接板与限位板的连接处，平移驱动电机安装于控制配电组件的安装孔内，平移驱动电机轴连接平移驱动齿轮，当控制配电组件安装于内部旋转架的挂接板下时，平移驱动齿轮与条形齿轮恰好啮合，通过平移驱动电机的转动实现控制配电组件的平移，以实现重心的平移控制。
当需要在地面运动时，通过滚转驱动电机的旋转，加上控制配电组件的重量，使得重心始终向下，滚转驱动电机的转动使得球形机壳与地面发生转动，实现球形机壳在一维方向上的运动，通过平移驱动电机的转动，加上控制配电组件的重量，使得重心发生左右的平移运动，实现球形机壳在一维运动的同时因为重心的左右偏移实现转向，即实现球形机壳的二维方向上的运动控制。由上可知，本发明的一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人可以实现地面上的二维运动控制。
当需要在水中运动时，由于球形机壳的排水量的大小是自身重量的两倍以上，所以当球形机壳在水中时，一半以上露出水面，所以此时控制滚转驱动电机转动，使得其中两个涵道风扇没入水中，此时的球形机器人控制类似一个双螺旋桨的船，通过两个涵道风扇的配合实现球形机器人的前进、后退、转向功能。
当需要飞行时，由于球形机壳的排水量的大小是自身重量的两倍以上，所以当球形机壳在水中时，一半以上露出水面，通过滚转驱动电机的运动使得球形机器人的涵道风扇垂直向上，在球形机器人的涵道风扇垂直水面向上时，此时的涵道风扇的螺旋桨在水面之上，所以无论在水中还是陆地，此时的球形机器人起飞与四轴飞行器类似，通过控制四台涵道风扇的运动实现球形机器人的飞行。
采用上述设计方案以后，实现了集合海陆空三栖功能的目的，在使用过程中可以随时转换，无需改变外部轮廓，提高了设计的可靠性。
附图说明
图1是本发明一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人的球形机壳其中一个半球形的三维图。
图2是本发明一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人的球形机壳其中一个半球形第二个视角的三维图。
图3是本发明一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人的环形齿轮的三维图。
图4是本发明一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人的内部旋转架的三维图。
图5是本发明一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人的略去其中一个半球形的装配图。
图6是本发明一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人的略去球形外壳的装配图。
图7是本发明一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人的控制配电组件平移驱动部分的组件装配体。
图8是本发明一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人的控制配电组件平移驱动部分的组件侧视图及A-A剖视图。
图9是本发明一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人的总装图。
其中，上述附图包括以下附图标记：1、半球形机壳；2、柱形空腔；3、管道；4、安装支架；5、环形齿轮；6、内部旋转架；7、中间轴；8、孔；9、挂接板；10、限位板；11、滚转驱动电机；12、凸块；13、涵道风扇；14、控制配电组件；15、条形齿轮；16、安装孔；18、平移驱动电机；19、滚转电机；20、平移驱动电机。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明由球形机壳、涵道风扇、内部环形齿轮、叉形旋转架、滚转驱动电机、滚转齿轮、控制配电组件、平移驱动电机、条形齿轮、平移驱动齿轮组成。
参见图1-图2，本发明的球形机壳由两个半球形机壳1合并而成，以两个半球形机壳1的贴合面为参考面，地面为水平面，这里称同时垂直于参考面与水平面同时是半球形机壳1对称面的面为垂直面，对称于垂直面有两个管道3，用于安装涵道风扇13，管道3远离参考面一定距离，垂直于水平面，管道3内有支架，用于固定涵道风扇13电机，从参考面所在平面半球形机壳1内部掏空，参考面位置有一垂直于参考面的柱形空腔2，用于安装内部环形齿轮5。
参见图3本发明的内部环形齿轮5是一个内侧有齿的环状结构，环的厚度为半球形机壳1的柱形空腔2的深度的二倍，内部环形齿轮5的外径与柱形空腔的内径相同，内部环形齿轮5的内侧齿轮用于与滚转齿轮19啮合。
参见图4本发明的内部旋转架6主体为两片通过中间轴7连接的三叉形结构，三叉的顶端有开孔8，用于与滚转驱动电机11的轴紧配合，内部旋转架6下部有挂接板9，挂接板9水平与三叉中的任意一个两叉相接合，挂接板9下连接限位板10，限位板10在垂直参考面与挂接板9接合，限位板10下方有凸块12，用于卡住控制配电组件14，挂接板9与限位板10的连接处有条形齿轮15。
本发明的控制配电组件14为一中心有安装孔的矩形块，安装孔的内径与平移驱动电机18的外径相匹配，控制配电组件14集中了系统的主要大质量部件，用于重心控制。
本发明的球形机壳的尺寸大小应当满足排水量的大小是重量的两倍以上。
参见图5-图9，本发明的球形机壳的两个半球形机壳2通过胶合或者螺丝固定连接在一起，内部环形齿轮5被两个半球形机壳1的柱形空腔2约束在球形机壳的对称面位置，滚转齿轮19套在滚转驱动电机11上，滚转驱动电机11的轴与内部旋转架6的顶端开孔8固定连接，内部旋转架6通过滚转驱动电机11、滚转齿轮19被约束在内部环形齿轮5内，条形齿轮15固定在内部旋转架6挂接板9与限位板10的连接处，平移驱动电机18安装于控制配电组件14的安装孔内，平移驱动电机18轴连接平移驱动齿轮20，当控制配电组件14安装于内部旋转架6的挂接板9下时，平移驱动齿轮20与条形齿轮15恰好啮合，通过平移驱动电机18的转动实现控制配电组件14的平移，以实现重心的平移控制。
当需要在地面运动时，通过滚转驱动电机11的旋转，加上控制配电组件14的重量，使得重心始终向下，滚转驱动电机11的转动使得球形机壳与地面发生转动，实现球形机壳在一维方向上的运动，通过平移驱动电机18的转动，加上控制配电组件14的重量，使得重心发生左右的平移运动，实现球形机壳在一维运动的同时因为重心的左右偏移实现转向，即实现球形机壳的二维方向上的运动控制。由上可知，本发明的一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人可以实现地面上的二维运动控制。
当需要在水中运动时，由于球形机壳的排水量的大小是自身重量的两倍以上，所以当球形机壳在水中时，一半以上露出水面，所以此时控制滚转驱动电机11转动，使得其中两个涵道风扇13没入水中，此时的球形机器人控制类似一个双螺旋桨的船，通过两个涵道风扇13的配合实现球形机器人的前进、后退、转向功能。
当需要飞行时，由于球形机壳的排水量的大小是自身重量的两倍以上，所以当球形机壳在水中时，一半以上露出水面，通过滚转驱动电机11的运动使得球形机器人的涵道风扇13垂直向上，在球形机器人的涵道风扇13垂直水面向上时，此时的涵道风扇13的螺旋桨在水面之上，所以无论在水中还是陆地，此时的球形机器人起飞与四轴飞行器类似，通过控制四台涵道风扇的运动实现球形机器人的飞行。
以上仅为本发明的优选实施例而已，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。凡在本发明的精神和原则之内，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)

1.一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人，其特征在于：由球形机壳、涵道风扇、内部环形齿轮、叉形旋转架、滚转驱动电机、滚转齿轮、控制配电组件、平移驱动电机、条形齿轮、平移驱动齿轮组成；球形机壳由两个半球形机壳合并而成，以两个半球形机壳的贴合面为参考面，地面为水平面，这里称同时垂直于参考面与水平面同时是半球形机壳对称面的面为垂直面，对称于垂直面有两个管道，用于安装涵道风扇，管道远离参考面一定距离，垂直于水平面，管道内有支架，用于固定涵道风扇电机，从参考面所在平面半球形机壳内部掏空，参考面位置有一垂直于参考面的柱形空腔，用于安装内部环形齿轮。
2.如权利要求1所述的一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人，其特征在于：内部环形齿轮是一个内侧有齿的环状结构，环的厚度为半球形机壳的柱形空腔的深度的二倍，内部环形齿轮的外径与柱形空腔的内径相同，内部环形齿轮的内侧齿轮用于与滚转齿轮啮合。
3.如权利要求1所述的一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人，其特征在于：内部旋转架主体为两片通过中间轴连接的三叉形结构，三叉的顶端有开孔，用于与滚转驱动电机的轴紧配合，内部旋转架下部有挂接板，挂接板水平与三叉中的任意一个两叉相接合，挂接板下连接限位板，限位板在垂直参考面与挂接板接合，限位板下方有凸块，用于卡住控制配电组件，挂接板与限位板的连接处有条形齿轮。
4.如权利要求1所述的一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人，其特征在于：控制配电组件为一中心有安装孔的矩形块，安装孔的内径与平移驱动电机的外径相匹配，控制配电组件集中了系统的主要大质量部件，用于重心控制。
5.如权利要求1所述的一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人，其特征在于：球形机壳的尺寸大小应当满足排水量的大小是重量的两倍以上。
6.如权利要求1所述的一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人，其特征在于：球形机壳的两个半球形机壳通过胶合或者螺丝固定连接在一起，内部环形齿轮被两个半球形机壳的柱形空腔约束在球形的机壳的对称面位置，滚转齿轮套在滚转驱动电机上，滚转驱动电机的轴与内部旋转架的顶端开孔固定连接，内部旋转架通过滚转驱动电机、滚转齿轮被约束在内部环形齿轮内，条形齿轮固定在内部旋转架挂接板与限位板的连接处，平移驱动电机安装于控制配电组件的安装孔内，平移驱动电机轴连接平移驱动齿轮，当控制配电组件安装于内部旋转架的挂接板下时，平移驱动齿轮与条形齿轮恰好啮合，通过平移驱动电机的转动实现控制配电组件的平移，以实现重心的平移控制。
7.如权利要求1所述的一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人，其特征在于：当需要在地面运动时，通过滚转驱动电机的旋转，加上控制配电组件的重量，使得重心始终向下，滚转驱动电机的转动使得球形机壳与地面发生转动，实现球形机壳在一维方向上的运动，通过平移驱动电机的转动，加上控制配电组件的重量，使得重心发生左右的平移运动，实现球形机壳在一维运动的同时因为重心的左右偏移实现转向，即实现球形机壳的二维方向上的运动控制。
8.如权利要求1所述的一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人，其特征在于：当需要在水中运动时，由于球形机壳的排水量的大小是自身重量的两倍以上，所以当球形机壳在水中时，一半以上露出水面，所以此时控制滚转驱动电机转动，使得其中两个涵道风扇没入水中，此时的球形机器人控制类似一个双螺旋桨的船，通过两个涵道风扇的配合实现球形机器人的前进、后退、转向功能。
9.如权利要求1所述的一种基于重心控制的海陆空三栖球形机器人，其特征在于：当需要飞行时，由于球形机壳的排水量的大小是自身重量的两倍以上，所以当球形机壳在水中时，一半以上露出水面，通过滚转驱动电机的运动使得球形机器人的涵道风扇垂直向上，在球形机器人的涵道风扇垂直水面向上时，此时的涵道风扇的螺旋桨在水面之上，所以无论在水中还是陆地，此时的球形机器人起飞与四轴飞行器类似，通过控制四台涵道风扇的运动实现球形机器人的飞行。
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