CN108583182B - 一种空陆两栖球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明是一种空陆两栖球形机器人，由球形外框、机架、连接装置、动力系统、控制系统和电源系统组成，兼具球形机器人和多轴飞行器的特性。通过控制两组横列旋翼提供的升力大小和方向，实现机器人在地面上的直线运动、原地转向和在空中的起飞降落、空中机动等运动形式。使用者可以通过手控器与机器人通信，实时监测机器人的运行情况，并由主控板控制其运动。该机器人内部有较大空间，可以安装多种扩展功能组件，完成多种任务。该机器人还可以通过配备不同的末端装置执行不同类型的作业。该机器人结构精简、运动灵活，具备独特的环境适应性，可以在三维复杂环境中运动。

Description

一种空陆两栖球形机器人

技术领域

本发明属于机器人技术和自动化领域，涉及一种球形机器人，具体涉及一种空陆两栖球形机器人。

背景技术

近年来，多轴飞行器迅速发展，无人机风潮席卷世界，传统的球形机器人也不断推陈出新，持续发挥着其各自的影响力。无人机和球形机器人在反恐排爆、抢险救灾等环境下有出色的表现。但是两种设备都有其较难应对的特殊环境，在不擅长的环境下就可能会产生不必要的损失。若将两者有机地结合起来，将双方的优势集合在一起，就能实现完成三维复杂环境下特种任务的目标，因此空陆两栖球形机器人有重要应用价值。

球形机器人重点在于驱动方式，现有驱动方式主要有轮驱动、移动质量块驱动、偏心质量块驱动等。轮驱动依靠滚轮与球壳内壁的摩擦从内部提供动力，使球体沿滚轮摆动方向运动；移动质量块驱动通过改变球壳内部的配重块位置调节重心，使球体向重心方向运动；偏心质量块驱动通过内部非对称安装的配重块的运动产生惯性力使球体运动。其可行性在实践中均得到了验证。然而对于两栖球形机器人，上述驱动方式无法提供升力，因此均不适用。另一方面，多轴飞行器采用螺旋桨提供动力，显然适合空中环境。

目前，国内外在空陆两栖球形机器人领域已有初步研究。加拿大Concordia大学与Quanser公司共同研制了Q-Ball X4无人机，该无人机将一个典型的四旋翼飞行器通过轴承安装在球形网格架中，以确保飞行安全，本质仍属于飞行器，没有球形机器人的功能；伊利诺伊大学研制了HyTAQ混合运动机器人，是将四旋翼飞行器安装在圆柱笼中，在地面也可以完成滚动。此外，国内北京邮电大学也研制了一种飞行球形机器人，同时具备螺旋桨和重摆，可以实现陆地运动和空中飞行功能，但空陆运动未能实现结合。

专利申请方面，申请号为201110262699.5的中国专利公开了一种飞行球形机器人，该机器人分别采用重摆和螺旋桨实现地面和空中运动；申请号为201711193778.9的中国专利公开了一种飞行球形机器人，该机器人采用可变式机构，使用三组螺旋桨实现地面和空中运动。

发明内容

本发明的目的是：针对球形机器人和多轴飞行器在复杂环境下工作能力的局限性，设计一种具备空陆两栖能力的飞行球形机器人，实现对三维复杂环境的探测，为未来灾难救援提供一种新型的辅助侦察装置。

本发明的技术方案是这样实现的：空陆两栖球形机器人主要由球形外框、机架、连接装置、动力系统、控制系统和电源系统组成。球形外框为机器人提供支撑和维持形状，同时辅助完成球形机器人地面运动。机架安装在球形外框的水平直径上，为动力系统、控制系统、通信模块和电源系统提供安装位置。球形外框与机架通过连接装置连接在一起。动力系统通过改变推力的大小和方向，带动机器人整体运动。控制系统通过惯性测量单元获得机器人当前的位姿，并通过通信模块与手控器通信，上传状态数据，接收控制指令，完成对动力系统的控制。电源系统为动力系统和控制系统提供能源。

球形外框由导轨环(一)、导轨环(二)和连接环组成。导轨环(一)和导轨环(二)共轴且平行，两环所在平面间隔一定距离。连接环位于导轨环(一)、导轨环(二)的内侧，与导轨环(一)、导轨环(二)均垂直，且所在平面经过导轨环(一)、导轨环(二)的圆心连线。连接环与导轨环(一)、导轨环(二)在交点处固连，共同组成球形外框，形成地面运动轨道，并起到保护作用。

机架由机臂(一)、基板和机臂(二)组成，为内部其余组件提供安装位置。机臂(一)和机臂(二)关于基板对称分布，机臂(一)与基板固连，基板与机臂(二)固连，机臂(一)、基板和机臂(二)质心共线，安装在球形外框内部，与球形外框的水平直径重合。

连接装置由侧板、侧板固定板和侧板横轴组成，起到连接球形外框和机臂的作用。侧板位于球形外框内部，通过轴承与侧板横轴连接。侧板固定板位于球形外框外部，与侧板和连接环分别固连。

动力系统由电子调速器、电机、螺旋桨、螺旋桨夹、舵机和舵机架组成。螺旋桨安装在电机轴上，由电机带动螺旋桨同步转动，螺旋桨夹固定螺旋桨于电机轴。电机安装在舵机架上，由舵机带动舵机架以及其上安装的电机、螺旋桨同步转动。电子调速器与电机连接，控制电机的转动。动力系统共存在两组，分别对称安装在机臂(一)和机臂(二)上。

控制系统由主控板、惯性测量单元、通信模块、手控器组成。主控板、惯性测量单元、通信模块均安装在基板上，主控板分别与惯性测量单元、通信模块连接。惯性测量单元测量机器人的位姿信息，传输给主控板。控制程序运行在主控板上，主控板通过通信模块与手控器通信。手控器可以通过自带的图形交互界面实现系统设置、运行状态监测功能。主控板与舵机、电子调速器通过信号线连接，发送控制指令。

电源系统由电池、开关和转接板组成。电池为电子调速器直接供电，电子调速器自带的电路通过转接板为主控板和舵机供电。使用一个总开关控制电路的通断。

本发明的空陆两栖球形机器人的优点是：该机器人的机臂安装轴线与球形外框的水平直径所在直线重合，舵机安装在机臂上，安装轴线与球形外框的水平直径所在直线平行，电机安装在舵机架上，安装轴线与球形外框的水平直径所在直线垂直，整体结构精简、对称性高；该机器人在地面通过螺旋桨提供推力，在空中通过螺旋桨提供升力，统一了驱动方式，能量效率高，动力系统复用性高，改善了以往两栖机器人集成多种驱动方式，导致结构复杂，控制困难的不足之处；该机器人通过控制两组升力的大小和方向，能够完成球形机器人在地面的直线运动和转动，以及多轴飞行器的起飞、降落和空中运动，是实现空陆两栖不同运动形式的最简构型；该机器人通过手控器遥控，主控板运行控制程序直接控制，控制程序用户界面友好，可以实时监测运行情况，控制方式全面且直观；该机器人机身结构体积小，球形外框内部富余空间多，可以安装图像模块、机械臂模块等附加组件，具有良好的扩展性。总体而言，该机器人兼具球形机器人和多轴飞行器的优点，结构精简、运动灵活，具备独有的环境适应性，可以在三维复杂环境下完成探测。

附图说明

本发明的具体结构由以下实施例及附图给出。

图1是本发明的空陆两栖球形机器人的结构示意图。

图2是本发明的球形外框的结构示意图。

图3是本发明的连接装置的结构示意图。

图4是本发明的球形外框内部的结构示意图。

图5是本发明可采用的二环外框的结构示意图。

图6是本发明可采用的四环外框的结构示意图。

图7是本发明可采用的经纬环外框的结构示意图。

图8是本发明可采用的多边形环外框的结构示意图。

下面结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8对本发明进行详细说明。

图中：1、导轨环(一)，2、导轨环(二)，3、连接环，4、机臂(一)，5、基板，6、机臂(二)，7、侧板(一)，8、侧板(二)，9、侧板固定板(一)，10、侧板固定板(二)，11、侧板横轴(一)，12、侧板横轴(二)，13、电子调速器(一)，14、电子调速器(二)，15、舵机(一)，16、舵机(二)，17、舵机架(一)，18、舵机架(二)，19、直流电机(一)，20、直流电机(二)，21、螺旋桨夹(一)，22、螺旋桨夹(二)，23、螺旋桨(正)，24、螺旋桨(反)，25、主控板，26、电池

具体实施方式

如图1所示：导轨环(一)1、导轨环(二)2与连接环3在交点处分别焊接，形成球形外框；侧板固定板(一)9与连接环3相切且平行于中垂面，侧板(一)7与连接环3紧固，与侧板固定板(一)9平行；侧板(一)7与侧板固定板(一)9固连，形成连接装置，另一侧结构与之对称；机臂(一)4与基板5固连，另一侧结构与之对称；主控板25固连在基板5顶面中心，代表控制系统；电池26固连在基板5底面中心，代表电源系统。

如图2所示：导轨环(一)1、导轨环(二)2与连接环3分别存在两处相交，交点处分别焊接固定，球形外框结构关于过球心的空间坐标轴平面均对称。

如图3所示：侧板固定板(一)9与连接环3的外侧相切，基准面与地面垂直；侧板(一)7在保证与侧板固定板(一)9平行的前提下，紧贴于连接环3的内侧；侧板(一)7与侧板固定板(一)9固连并紧固在连接环3上；侧板横轴(一)11与侧板(一)7所带有的轴承内孔通过过盈配合紧固；侧板(一)7、侧板固定板(一)9、侧板横轴(一)11形成一组连接装置，对称位置侧板(二)8、侧板固定板(二)10、侧板横轴(二)12形成另一组连接装置，两组连接装置共轴，且轴线与连接环3的水平直径重合。

如图4所示：机臂(二)6作为动力系统的安装基准；电子调速器(二)14固连在机臂(二)6底面；舵机(二)16固连在与电子调速器(二)14相对的机臂(二)6顶面；舵机架(二)18通过螺钉与舵机(二)16固连，可以被舵机(二)16带动同步转动；直流电机(二)20固连在舵机架(二)18上，其转轴位于对称面内；螺旋桨(正)23与直流电机(二)20共轴，螺旋桨夹(二)22将螺旋桨(正)23与直流电机(二)20固定，使螺旋桨夹(二)22、螺旋桨(正)23、直流电机(二)20同步转动；电子调速器(二)14、舵机(二)16、舵机架(二)18、直流电机(二)20、螺旋桨夹(二)22、螺旋桨(正)23形成一组动力系统，对称位置存在另一组动力系统。

如图5所示：本发明的球形外框也可由两条圆环带正交固连构成。

如图6所示：本发明的球形外框也可由两个导轨环和两个连接环正交固连构成。

如图7所示：本发明的球形外框也可由多条经线环和多条纬线环交织固连构成。

如图8所示：本发明的外框的连接环也可由多边形结构构成。

Claims (7)

1.一种空陆两栖球形机器人，其特征在于，包括球形外框、机架、连接装置、动力系统、控制系统和电源系统；

所述球形外框为机器人整体起到支撑作用，并辅助完成机器人在地面上的运动，所述机架通过所述连接装置与所述球形外框固连，位置与所述球形外框的水平直径重合，所述动力系统、所述控制系统、所述电源系统均安装在所述机架上，位于所述球形外框内部；

所述球形外框组件包括导轨环一、导轨环二和连接环，导轨环一和导轨环二直径相等且平行布置，连接环位于导轨环一、导轨环二的内侧，它所在平面经过导轨环一、导轨环二的圆心连线，与导轨环一、导轨环二均垂直，连接环与导轨环一、导轨环二有四处交点，且在交点处焊接固连；

所述机架包括机臂一、基板和机臂二，为内部组件提供安装位置，机臂一和机臂二关于基板对称分布，分别与基板固连，机臂一、基板和机臂二安装在所述球形外框内部，其质心共线且与所述球形外框的水平直径重合；

所述连接装置包括侧板、侧板固定板和侧板横轴，侧板固定板位于连接环的外侧，其法线与连接环的水平直径重合，侧板与侧板固定板平行，紧贴于连接环的内侧，侧板与侧板固定板固连并紧固在连接环上，侧板横轴与侧板带有的轴承内孔通过过盈配合紧固，连接环上的两组连接装置对称安装，分别将所述机架的两端与所述球形外框固连；

所述动力系统包括电子调速器、电机、螺旋桨、螺旋桨夹、舵机和舵机架，螺旋桨夹固定螺旋桨于电机轴上，由电机带动螺旋桨同步转动，电机安装在舵机架上，由舵机带动舵机架以及其上安装的电机、螺旋桨同步转动，电子调速器与电机连接，控制电机的转动，两组动力系统对称安装在所述机架的两侧，形成横列双旋翼布局；所述螺旋桨包括螺旋桨正和螺旋桨反；

所述控制系统包括主控板、惯性测量单元、通信模块、控制程序、手控器，主控板、惯性测量单元；通信模块安装在基板上，控制程序在主控板上运行，手控器具有交互界面，主控板分别与惯性测量单元、通信模块连接，惯性测量单元测量机器人的位姿信息，传输给主控板，主控板通过通信模块与手控器通信，主控板与舵机、电子调速器通过信号线连接，发送控制指令，手控器可以进行系统设置和实时监测机器人的运行状态；

所述电源系统包括电池和开关，电池为电子调速器直接供电，电子调速器自带的电路通过转接板为主控板和舵机供电，使用一个总开关控制电路的通断。

2.根据权利要求1中所述的空陆两栖球形机器人，其特征在于：所述球形外框由两个导轨环和两个连接环正交固连构成。

3.根据权利要求1中所述的空陆两栖球形机器人，其特征在于：所述球形外框由多条经线环和多条纬线环交织固连构成。

4.根据权利要求1中所述的空陆两栖球形机器人，其特征在于：所述球形外框由两条圆环带正交固连构成。

5.根据权利要求1中所述的空陆两栖球形机器人，其特征在于：所述球形外框由两个圆形导轨环和一个多边形连接环正交固连构成。

6.根据权利要求1中所述的空陆两栖球形机器人，其特征在于：所述动力系统中的螺旋桨为涵道风扇。

7.根据权利要求1中所述的空陆两栖球形机器人，其特征在于：所述动力系统中的螺旋桨为变距螺旋桨。

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