CN108638773A - 一种三旋翼轮式水陆空三栖机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三旋翼轮式水陆空三栖机器人。该机器人包括旋转翼组件、驱动轮组件、本体、调节翼组件、调压组件、万向轮、控制系统及传感器；所述旋转翼组件、调节翼组件均安装在本体上；驱动轮组件安装在本体左右两侧；调压组件安装在本体底部，通过控制本体体积的变化调节浮力大小；万向轮设置在本体末端；所述控制系统及各种传感器安装在本体上，用于多栖机器人的环境采集及控制；地面模式时三旋翼的两个旋翼自动折叠，另一个旋翼通过变结构提供地面辅助牵引力；水中模式时通过调压组件和其中两个旋翼控制潜水深度；空中模式时通过三个旋翼和两个舵机实现空中飞行。本发明能够在空中、地面以及水中不同栖息环境中运动，并能够实现跨域环境的过渡。
Description
技术领域
本发明涉及多栖机器人技术领域，特别是一种三旋翼轮式水陆空三栖机器人。
背景技术
各类单栖机器人，都有各自的优势和局限性，尤其是在战争环境或者自然灾害现场，地面常常受到严重破坏，地面机器人越障能力有限，移动速度很可能因为地形而受到限制，但在执行任务时稳定性最好；空中机器人移动速度快,但能耗较高,续航能力有限,安全性差；水下机器人隐蔽性更佳，但水声信号噪声大，水声传感器普遍精度较差，不适用精度要求较高的作业。因此，设计和研发具备上述多种能力的多栖平台逐渐成为研究热点。
近年来陆空两栖机器人系统也出现各种创新的平台：如伊利诺理工大学的ArashKalantari等人于2013年提出的混合型陆空飞行器；2014年法国发布的Parrot RollingSpider；美国明尼苏达大学的分布式机器人中心于2009年提出的同轴双桨式陆空混合机器人，及受自然界动物的启发，研究者设计出生物多功能飞行行走机器人和微型陆空无人机(MALV)等。
水空两栖机器人也有相应的研究：美国奥克兰大学研发的水空两栖无人机Loon，其整体机械结构仿照四旋翼飞机，当Loon落在水面上，可以通过桨叶的转动直接悬停或在水面上滑行；进入潜水模式时，将内置的浮箱蓄水使机身下沉入水，再倾斜机身，通过螺旋桨的拉力实现水中航行；当Loon需要浮出水面时，只需放掉浮箱中的蓄水即可，从而实现了水陆两栖模式之间的切换。
目前，以上陆空、水空两栖机器人依然存在运动局限性，机动能力和作业能力差，无法同时满足水、陆、空的多栖要求，存在续航时间短、运动范围小的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够适应在空中、地面以及水中三种环境运动并实现跨域过程的三旋翼轮式水陆空三栖机器人。
实现本发明目的的技术方案为：一种三旋翼轮式水陆空三栖机器人，包括旋转翼组件、驱动轮组件、本体、调节翼组件、调压组件、万向轮、控制系统及传感器；
所述旋转翼组件、调节翼组件均安装在所述本体上；所述驱动轮组件安装在所述本体左右两侧；所述调压组件安装在所述本体底部，通过控制本体体积的变化调节浮力大小；万向轮设置在本体末端；所述控制系统及各种传感器安装在所述本体上，用于多栖机器人的环境采集及控制。
进一步地，包括地面模式、水中模式、空中模式，具体如下：
地面模式时，采用两轮驱动提供主牵引力，两个旋翼自动折叠，另一个尾旋翼通过变结构提供地面辅助牵引力；
水中模式时，通过调压组件和两个旋翼控制潜水深度，该两个旋翼通过反扭来控制方向，另一个旋翼变结构后提供水下牵引力航行；
空中模式时，采用三旋翼飞行原理，通过三个旋翼和舵机实现空中飞行；
跨域过渡过程，即机器人在地面、水中及空中三种模式的切换过渡过程，通过两侧旋转翼组件和尾翼调节翼组件变结构来实现。
进一步地，所述旋转翼组件包括第一旋转座、第一舵机座、桨叶旋转轴、第一舵机、轴连接套、第一连接杆、第一桨叶、第一电机座、第一电机、编码器；
所述第一旋转座安装在本体上，第一舵机通过第一舵机座与本体相连接，第一舵机的输出轴与桨叶旋转轴固定，轴连接套与桨叶旋转轴固定，第一连接杆嵌入轴连接套中，轴连接套的另外一端与第一电机座相连，第一电机安装在第一电机座上方，编码器安装在第一电机座下方，编码器与第一电机输出轴固定，第一桨叶安装在第一电机上方输出轴上；
所述第一舵机带动第一连接杆、第一桨叶、第一电机绕桨叶旋转轴实现桨叶的回收和释放。
进一步地，所述驱动轮组件包括第二舵机、第二舵机座、轮子、轮旋转座、轮旋转轴；
所述轮旋转座安装在本体上，第二舵机通过第二舵机座与轮旋转座相连接，第二舵机的输出轴与轮旋转轴相固定，轮旋转轴与轮子相连接，第二舵机带动轮子旋转。
进一步地，所述调节翼组件包括固定块、第三连接杆、第三舵机、第四舵机、第三舵机座、水平调整轴、水平旋转固定座、第四舵机座、竖直旋转座、竖直旋转轴、第三电机座、第三电机、第三桨叶；
所述固定块与本体相固定，第三连接杆一端嵌入固定块中、另一端与水平旋转固定座相固定；第三舵机通过第三舵机座与水平旋转固定座相连，第三舵机的输出轴与水平调整轴一端相连接，水平调整轴的另一端与竖直旋转座固定；第四舵机通过第四舵机座与竖直旋转座相连接，第四舵机的输出轴与竖直旋转轴相固定，同时，第三电机座也与竖直旋转轴相固定，第三电机安装在第三电机座上，第三电机的输出轴与第三桨叶相固定；
所述第三舵机带动竖直旋转座、第四舵机、第三电机、第三桨叶绕与第三连接杆平行的水平调整轴旋转；所述第四舵机带动第三电机座、第三电机、第三桨叶绕竖直旋转轴旋转。
进一步地，所述调压组件包括第四电机、第四电机座、第四旋转座、旋转轴、绞盘、钢丝绳、弹簧、伸缩膜；
所述第四旋转座安装在本体上，第四电机通过第四电机座与第四旋转座相连接，第四电机的输出轴与旋转轴相固定，绞盘安装在旋转轴上，通过钢丝绳带动伸缩膜；弹簧两端分别固定在伸缩膜和本体上；
调压组件通过改变体积来改变浮力控制深度：自由状态下，在弹簧的作用下，伸缩膜展开成最大的体积，提供最大的浮力；通过控制第四电机转动拉动钢丝绳带动伸缩膜收缩来控制体积，进而控制浮力。
进一步地，所述控制系统及各种传感器，包括设置于本体的激光雷达、上层控制板、GPS、IMU、下层控制板、电池、测距雷达，还包括设置于调节翼组件上的相机，所述激光雷达、GPS、IMU、测距雷达、相机产生的数据均输出至上层控制板进行处理，然后输出至下层控制板，下层控制板输出控制信号。GPS、IMU也输出至下层控制板。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)具有地面、空中及水下三栖工作模式、体积小、可变结构的特点，克服了单栖机器人的局限性；(2)能够在空中、地面以及水中等不同栖息环境运动，并实现跨域环境的过渡。
附图说明
图1是本发明三旋翼轮式水陆空三栖机器人的结构示意图。
图2是本发明的旋转翼组件结构图。
图3是本发明的驱动轮组件结构图。
图4是本发明的调节翼组件结构图。
图5是本发明的调压组件结构图。
图6是本发明的控制系统及各种传感器的示意图。
图7是本发明的地面模式的示意图。
图8是本发明的空中模式的示意图。
图9是本发明的控制位姿调节的示意图。
图10是本发明的水中模式的示意图。
图11是本发明的控制潜水深度的示意图。
图12是本发明的跨域过渡过程示意图的示意图。
图13是本发明的空中到地面的切换过程的示意图。
图14是本发明的空中到水中的切换过程的示意图。
具体实施方式
结合图1，本发明的三旋翼轮式水陆空三栖机器人包括旋转翼组件1、驱动轮组件2、本体3、调节翼组件4、调压组件5、万向轮6、控制系统及传感器；
结合图2，所述旋转翼组件1、调节翼组件4均安装在所述本体3上；所述驱动轮组件2安装在所述本体3左右两侧；所述调压组件5安装在所述本体3底部，通过控制本体3体积的变化调节浮力大小；万向轮6设置在本体3末端；所述控制系统及各种传感器安装在所述本体3上，用于多栖机器人的环境采集及控制。
所述旋转翼组件1包括第一旋转座7、第一舵机座8、桨叶旋转轴9、第一舵机10、轴连接套11、第一连接杆12、第一桨叶13、第一电机座14、第一电机15、编码器16；
所述第一旋转座7安装在本体3上，第一舵机10通过第一舵机座8与本体3相连接，第一舵机10的输出轴与桨叶旋转轴9固定，轴连接套11与桨叶旋转轴9固定，第一连接杆12嵌入轴连接套11中，轴连接套11的另外一端与第一电机座14相连，第一电机15安装在第一电机座14上方，编码器16安装在第一电机座14下方，编码器16与第一电机15输出轴固定，第一桨叶13安装在第一电机15上方输出轴上；
所述第一舵机10带动第一连接杆12、第一桨叶13、第一电机15绕桨叶旋转轴9实现桨叶的回收和释放。
本发明的三旋翼轮式水陆空三栖机器人，包括地面模式、水中模式、空中模式，具体如下：
地面模式时，采用两轮驱动提供主牵引力，两个旋翼自动折叠，另一个尾旋翼通过变结构提供地面辅助牵引力；
水中模式时，通过调压组件5和两个旋翼控制潜水深度，该两个旋翼通过反扭来控制方向，另一个旋翼变结构后提供水下牵引力航行；
空中模式时，采用三旋翼飞行原理，通过三个旋翼和舵机实现空中飞行；
跨域过渡过程，即机器人在地面、水中及空中三种模式的切换过渡过程，通过两侧旋转翼组件1和尾翼调节翼组件4变结构来实现。
结合图3，所述驱动轮组件2安装在本体3左右两侧，用于提供地面驱动力，所述驱动轮组件2包括第二舵机17、第二舵机座18、轮子19、轮旋转座20、轮旋转轴21；
所述轮旋转座20安装在本体3上，第二舵机17通过第二舵机座18与轮旋转座20相连接，第二舵机17的输出轴与轮旋转轴21相固定，轮旋转轴21与轮子19相连接，第二舵机17带动轮子19旋转。
结合图4，调节翼组件4安装在本体3上，用于实现具有2个自由度调节的旋翼，所述调节翼组件4包括固定块22、第三连接杆23、第三舵机24、第四舵机25、第三舵机座26、水平调整轴27、水平旋转固定座28、第四舵机座29、竖直旋转座30、竖直旋转轴31、第三电机座32、第三电机33、第三桨叶34；
所述固定块22与本体3相固定，第三连接杆23一端嵌入固定块22中、另一端与水平旋转固定座28相固定；第三舵机24通过第三舵机座26与水平旋转固定座28相连，第三舵机24的输出轴与水平调整轴27一端相连接，水平调整轴27的另一端与竖直旋转座30固定；第四舵机25通过第四舵机座29与竖直旋转座30相连接，第四舵机25的输出轴与竖直旋转轴31相固定，同时，第三电机座32也与竖直旋转轴31相固定，第三电机33安装在第三电机座32上，第三电机33的输出轴与第三桨叶34相固定；
所述第三舵机24带动竖直旋转座30、第四舵机25、第三电机33、第三桨叶34绕与第三连接杆23平行的水平调整轴27旋转；所述第四舵机25带动第三电机座32、第三电机33、第三桨叶34绕竖直旋转轴31旋转。
结合图5，调压组件5安装在本体3上，通过控制本体3体积的变化调节浮力大小，所述调压组件5包括第四电机35、第四电机座36、第四旋转座37、旋转轴38、绞盘39、钢丝绳40、弹簧41、伸缩膜42；
所述第四旋转座37安装在本体3上，第四电机35通过第四电机座36与第四旋转座37相连接，第四电机35的输出轴与旋转轴38相固定，绞盘39安装在旋转轴38上，通过钢丝绳40带动伸缩膜42；弹簧41两端分别固定在伸缩膜42和本体3上；
调压组件5通过改变体积来改变浮力控制深度：自由状态下，在弹簧41的作用下，伸缩膜42展开成最大的体积，提供最大的浮力；通过控制第四电机35转动拉动钢丝绳40带动伸缩膜42收缩来控制体积，进而控制浮力。
结合图6，本体3上安装有控制系统及各种传感器，实现多栖机器人的控制，所述控制系统及各种传感器，包括设置于本体3的激光雷达43、上层控制板45、GPS46、IMU47、下层控制板48、电池49、测距雷达50，还包括设置于调节翼组件4上的相机44，所述激光雷达43、GPS46、IMU47、测距雷达50、相机44产生的数据均输出至上层控制板45进行处理，然后输出至下层控制板48，下层控制板48输出控制信号。GPS46、IMU47也输出至下层控制板48。
结合图7-图14，本发明三旋翼轮式水陆空三栖机器人多栖模式(地面、空中、水中)以及跨域过渡过程的实现方法如下：
结合图7，地面模式，采用两轮驱动原理通过驱动轮组件提供地面主牵引力，驱动轮组件2上的第二舵机17通过轮旋转轴21带动轮子19绕轮旋轴座20旋转，实现轮子的驱动。三旋翼的两个旋翼通过旋转翼组件1自动折叠减少体积和阻力，调节翼组件4上的第三桨叶34简称为尾翼，尾翼通过调节翼组件4变结构提供地面辅助牵引力，解决地面打滑或者砂石等复杂环境导致的牵引力不足问题。
空中模式，采用三旋翼飞行原理，通过三个旋翼和两个舵机实现空中飞行。结合图8，三个旋翼呈等边三角形分布，旋转翼组件1上的第一电机15带动第一桨叶13旋转，调节翼组件4上的第三电机33带动第三桨叶34旋转，提供三旋翼的升力。结合图4和图9，尾翼通过调节翼组件4的第三舵机24通过水平调整轴27带动竖直旋转座30绕水平旋转固定座28旋转，第四舵机25通过第四舵机座固定在竖直旋转座30上，第三桨叶34和第三电机33通过第三电机座32和竖直旋转轴31连接到竖直旋转座30上，从而实现第三桨叶34左右摆动，调整三旋翼本体的姿态。
水中模式，三个旋翼和舵机控制水中航向和本体姿态，其中尾翼通过调节翼组件变结构后提供水中牵引力航行，通过调压组件和其中两个旋翼控制潜水深度。
结合图10，调节翼组件4第三的桨叶34从朝上方转为朝前方，结合图4，调节翼组件4的第三电机33、第三桨叶34向下旋转，提供牵引力，当需要转向时，第三舵机24通过水平调整轴27带动竖直旋转座30绕水平旋转固定座28旋转，第四舵机25通过第四舵机座固定在竖直旋转座30上，第三桨叶34和第三电机33通过第三电机座32和竖直旋转轴31连接到竖直旋转座30上，从而实现第三桨叶34左右摆动，从而使本体实现左右转向。
结合图11，控制潜水深度通过调压组件5改变机器人本体的体积，调压组件5的第四电机35通过旋转轴38带动绞盘39回收钢丝绳40，从而压缩弹簧41,并保持住，此时伸缩膜42被压缩，密封体积减小，从而实现下沉；当第四电机35释放绞盘39，在弹簧41的作用下，绳索膜弹开，增大密封体积，从而实现上浮。同时，也可以通过旋转翼组件1的第一电机15带动第一桨叶13旋转提供浮力。
结合图12，从陆地模式到空中模式，再到水中模式，回到空中模式及又到陆地模式的跨域过渡过程示意图，其实现方法是通过两侧翼通过旋转翼组件和尾翼通过调节翼组件变结构，典型切换过程具体描述如下：
结合图13，空中到地面的切换过程，两个旋翼通过旋转翼组件1自动折叠，再结合图2，旋转翼组件1上的第一舵机10通过桨叶旋转轴9带动轴连接套11、第一连接杆12、第一电机座14绕第一舵机座旋转，第一电机15、第一桨叶13以及编码器15固定在第一电机座14上，从而跟着旋转，达到收放旋转翼组件1的目的；在转动过程中编码器16反馈第一桨叶13的位置信号给第一电机15,以控制第一桨叶13的位置；地面模式到空中模式旋转翼组件展开是空中到地面的切换过程的逆过程。
结合图14，空中到水中的切换过程，结合图4，调节翼组件4的第三桨叶34从朝上方转为朝前方，调节翼组件4的第四舵机25通过竖直旋转轴31带动第三电机33、第三桨叶34向下旋转至第三桨叶34正前方状态；水中模式到空中模式是空中到水中的切换过程的逆过程。
综上所述，本发明三旋翼轮式水陆空三栖机器人，具有地面、空中及水下三栖工作模式、体积小、可变结构的特点，克服了单栖机器人的局限性；能够在空中、地面以及水中等不同栖息环境运动，并实现跨域环境的过渡。
Claims (7)
1.一种三旋翼轮式水陆空三栖机器人，其特征在于，包括旋转翼组件(1)、驱动轮组件(2)、本体(3)、调节翼组件(4)、调压组件(5)、万向轮(6)、控制系统及传感器；
所述旋转翼组件(1)、调节翼组件(4)均安装在所述本体(3)上；所述驱动轮组件(2)安装在所述本体(3)左右两侧；所述调压组件(5)安装在所述本体(3)底部，通过控制本体体积的变化调节浮力大小；万向轮(6)设置在本体(3)末端；所述控制系统及各种传感器安装在所述本体(3)上，用于多栖机器人的环境采集及控制。
2.根据权利要求1所述的三旋翼轮式水陆空三栖机器人，其特征在于，包括地面模式、水中模式、空中模式，具体如下：
地面模式时，采用两轮驱动提供主牵引力，两个旋翼自动折叠，另一个尾旋翼通过变结构提供地面辅助牵引力；
水中模式时，通过调压组件(5)和两个旋翼控制潜水深度，该两个旋翼通过反扭来控制方向，另一个旋翼变结构后提供水下牵引力航行；
空中模式时，采用三旋翼飞行原理，通过三个旋翼和舵机实现空中飞行；
跨域过渡过程，即机器人在地面、水中及空中三种模式的切换过渡过程，通过两侧旋转翼组件(1)和尾翼调节翼组件(4)变结构来实现。
3.根据权利要求1或2所述的三旋翼轮式水陆空三栖机器人，其特征在于，所述旋转翼组件(1)包括第一旋转座(7)、第一舵机座(8)、桨叶旋转轴(9)、第一舵机(10)、轴连接套(11)、第一连接杆(12)、第一桨叶(13)、第一电机座(14)、第一电机(15)、编码器(16)；
所述第一旋转座(7)安装在本体(3)上，第一舵机(10)通过第一舵机座(8)与本体(3)相连接，第一舵机(10)的输出轴与桨叶旋转轴(9)固定，轴连接套(11)与桨叶旋转轴(9)固定，第一连接杆(12)嵌入轴连接套(11)中，轴连接套(11)的另外一端与第一电机座(14)相连，第一电机(15)安装在第一电机座(14)上方，编码器(16)安装在第一电机座(14)下方，编码器(16)与第一电机(15)输出轴固定，第一桨叶(13)安装在第一电机(15)上方输出轴上；
所述第一舵机(10)带动第一连接杆(12)、第一桨叶(13)、第一电机(15)绕桨叶旋转轴(9)实现桨叶的回收和释放。
4.根据权利要求1或2所述的三旋翼轮式水陆空三栖机器人，其特征在于，所述驱动轮组件(2)包括第二舵机(17)、第二舵机座(18)、轮子(19)、轮旋转座(20)、轮旋转轴(21)；
所述轮旋转座(20)安装在本体(3)上，第二舵机(17)通过第二舵机座(18)与轮旋转座(20)相连接，第二舵机(17)的输出轴与轮旋转轴(21)相固定，轮旋转轴(21)与轮子(19)相连接，第二舵机(17)带动轮子(19)旋转。
5.根据权利要求1或2所述的三旋翼轮式水陆空三栖机器人，其特征在于，所述调节翼组件(4)包括固定块(22)、第三连接杆(23)、第三舵机(24)、第四舵机(25)、第三舵机座(26)、水平调整轴(27)、水平旋转固定座(28)、第四舵机座(29)、竖直旋转座(30)、竖直旋转轴(31)、第三电机座(32)、第三电机(33)、第三桨叶(34)；
所述固定块(22)与本体(3)相固定，第三连接杆(23)一端嵌入固定块(22)中、另一端与水平旋转固定座(28)相固定；第三舵机(24)通过第三舵机座(26)与水平旋转固定座(28)相连，第三舵机(24)的输出轴与水平调整轴(27)一端相连接，水平调整轴(27)的另一端与竖直旋转座(30)固定；第四舵机(25)通过第四舵机座(29)与竖直旋转座(30)相连接，第四舵机(25)的输出轴与竖直旋转轴(31)相固定，同时，第三电机座(32)也与竖直旋转轴(31)相固定，第三电机(33)安装在第三电机座(32)上，第三电机(33)的输出轴与第三桨叶(34)相固定；
所述第三舵机(24)带动竖直旋转座(30)、第四舵机(25)、第三电机(33)、第三桨叶(34)绕与第三连接杆(23)平行的水平调整轴(27)旋转；所述第四舵机(25)带动第三电机座(32)、第三电机(33)、第三桨叶(34)绕竖直旋转轴(31)旋转。
6.根据权利要求1或2所述的三旋翼轮式水陆空三栖机器人，其特征在于，所述调压组件(5)包括第四电机(35)、第四电机座(36)、第四旋转座(37)、旋转轴(38)、绞盘(39)、钢丝绳(40)、弹簧(41)、伸缩膜(42)；
所述第四旋转座(37)安装在本体(3)上，第四电机(35)通过第四电机座(36)与第四旋转座(37)相连接，第四电机(35)的输出轴与旋转轴(38)相固定，绞盘(39)安装在旋转轴(38)上，通过钢丝绳(40)带动伸缩膜(42)；弹簧(41)两端分别固定在伸缩膜(42)和本体(3)上；
调压组件(5)通过改变体积来改变浮力控制深度：自由状态下，在弹簧(41)的作用下，伸缩膜(42)展开成最大的体积，提供最大的浮力；通过控制第四电机(35)转动拉动钢丝绳(40)带动伸缩膜(42)收缩来控制体积，进而控制浮力。
7.根据权利要求1或2所述的三旋翼轮式水陆空三栖机器人，其特征在于，所述控制系统及各种传感器，包括设置于本体(3)的激光雷达(43)、上层控制板(45)、GPS(46)、IMU(47)、下层控制板(48)、电池(49)、测距雷达(50)，还包括设置于调节翼组件(4)上的相机(44)，所述激光雷达(43)、GPS(46)、IMU(47)、测距雷达(50)、相机(44)产生的数据均输出至上层控制板(45)进行处理，然后输出至下层控制板(48)，下层控制板(48)输出控制信号，GPS(46)、IMU(47)也输出至下层控制板(48)。
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