CN110077183A - 一种三栖机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三栖机器人，包括本体、信号接收单元、飞行单元、第一移动单元和第二移动单元，所述信号接收单元、飞行单元、第一移动单元和第二移动单元均设置在所述本体上；所述信号接收单元，用于接收来自终端的控制信号，并将所述控制信号传输到所述飞行单元、第一移动单元和第二移动单元；所述飞行单元，根据所述控制信号带动所述本体执行飞行动作。本发明在飞行的基础上兼具行走和爬壁的能力，可以实现室内、室外、窄巷的探测，功能更全面，应用场合更广泛；扑翼式飞行结构具有速度快、灵活、可以依靠较少的能量进行长时间飞行、以及不使用高速转动的机翼从而不会发出很响亮的声音以降噪的优点。
Description
技术领域
本发明属于智能机器人领域，尤其涉及一种三栖机器人。
背景技术
近年来，随着社会的发展，对机器人的应用越来越多，如用来探测、救援、特种作业等。常见的机器人有飞行机器人、爬壁机器人和地面行走机器人等。但现今社会上还没有出现将飞行、行走及爬壁相结合的三栖机器人。
例如，中国专利公开号为CN104648516A一种飞行爬壁机器人中公开了“本爬壁机器人结合了旋翼飞行器与爬壁机器人的特点，具有飞行、爬壁、栖息三种状态；可以在三种状态下灵活、快速切换，能够适应不同空间壁面，稳定性高；同时克服了爬壁机器人移动缓慢、功耗高以及四旋翼飞行器续航能力差、无法贴近壁面自由移动的缺点；适用范围广，具有良好的使用前景”。该飞行爬壁机器人虽然具有飞行和爬壁的功能，但是不具有行走功能，而且还存在体型较大、结构复杂和成本高的不足之处。
再如，中国专利公开号为CN101491898A一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人中公开了“机器人在飞行中具有稳定性高、体积小等优点；机器人在爬壁中具有壁面适应性强、越障能力强、适用范围广等优点”。该多旋翼腿轮式多功能空中机器人虽然具有飞行和爬壁的功能，但是同样不具有行走功能，也还是存在体型较大、结构复杂和成本高的不足之处。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于还没有将飞行、行走及爬壁相结合的设计，且现有的具有飞行和爬壁功能的机器人存在体型较大、结构复杂和成本高的不足之处。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的，一种三栖机器人，包括本体、信号接收单元、飞行单元、第一移动单元和第二移动单元，所述信号接收单元、飞行单元、第一移动单元和第二移动单元均设置在所述本体上；
所述信号接收单元，用于接收来自终端的控制信号，并将所述控制信号传输到所述飞行单元、第一移动单元和第二移动单元；
所述飞行单元，根据所述控制信号带动所述本体执行飞行动作；
所述第一移动单元，设置在所述本体的前端，包括相对于所述本体的中轴线对称设置的相同的两个第一移动件，所述第一移动件包括前大腿、前小腿和爪脚，所述前大腿的一端连接在所述本体上，所述前小腿和所述爪脚均铰接在所述前大腿的另一端上；
所述第二移动单元，设置在所述本体的后端，包括相对于所述本体的中轴线对称设置的相同的两个第二移动件，所述第二移动件包括后大腿和后小腿，所述后大腿的一端连接在所述本体上，所述后大腿的另一端与所述后小腿铰接；
两个所述爪脚根据所述控制信号缩起，且两个所述前小腿和两个所述后小腿根据所述控制信号伸开，则两个所述前小腿、两个所述后小腿形成四足行走结构，所述本体在所述四足行走结构执行行走动作时跟随移动；
两个所述爪脚根据所述控制信号伸开，且两个所述前小腿和两个所述后小腿根据所述控制信号缩起，则两个爪脚形成两爪爬壁结构，所述本体在所述两爪爬壁结构执行爬壁动作时跟随移动。
本发明中的三栖机器人可以执行飞行、行走及爬壁动作，且整机体型小、结构简单和成本低。
进一步地，所述前大腿的另一端设置有一转轴，所述前小腿和所述爪脚均铰接在所述转轴上。将所述前小腿和所述爪脚铰接在同一根转轴上，具有结构简单且能把整机体型做更小的优点，从而更好的进行探测。
更进一步地，所述爪脚具有一套接部，通过该套接部套设以铰接在所述转轴上，所述前小腿具有一U形连接部，所述U形连接部相对的两端开设供转轴穿过的通孔，所述爪脚的所述套接部适配容纳在所述前小腿的所述U形连接部的内部。
更进一步地，所述前小腿和所述爪脚的缩起方向相反。这样，就可以让所述前小腿和所述爪脚的运行空间错开，便于操控且能很好地避免干涉。
进一步地，所述前小腿的远离所述前大腿端设置有前足，所述后小腿的远离所述后大腿端设置有后足。
进一步地，所述本体在所述四足行走结构执行行走动作跟随移动过程中，则所述飞行单元根据所述控制信号折叠收缩。所述本体在所述四足行走结构执行行走动作时，飞行单元的折叠收缩可以让其体型变小，从而能够进入较小空间去执行探测任务，同时前行时受到的阻力也会变小。
进一步地，所述飞行单元，根据所述控制信号执行飞行动作带动所述本体移动过程中，则所述前小腿和所述后小腿根据所述控制信号缩起，所述爪脚根据所述控制信号伸开。所述三栖机器人在该状态下，因为爪脚伸开，所以可以选择性地执行飞行动作或者爬壁动作，还具有在执行完飞行动作时能够马上将该三栖机器人挂在壁上的功能。前小腿和后小腿在伸开状态下，相比于爪脚伸开状态，机器人的纵向长度会更长，使得该三栖机器人在飞行时更容易触碰到下方障碍物，所以在飞行单元根据所述控制信号执行飞行动作带动所述本体移动过程中，特将所述前小腿和所述后小腿缩起。
进一步地，所述飞行单元为扑翼式飞行结构。扑翼式飞行结构具有速度快、灵活、可以依靠较少的能量进行长时间飞行、以及不使用高速转动的机翼从而不会发出很响亮的声音以降噪的优点。
更进一步地，所述飞行单元包括芯片、传感器、扑翼和无刷直流电机，所述传感器根据所述控制信号实时监测所述扑翼的拍打角度，并将实时监测到的信息传输到所述芯片中，所述信号接收单元将接收到的所述控制信号传输到所述芯片中，所述芯片根据所述监测到的信息和所述控制信号对所述无刷直流电机进行控制，所述无刷直流电机驱动所述扑翼进行上下运动。
更进一步地，所述扑翼包括骨架和安装在所述骨架上的翅膀，所述骨架包括相对于所述本体的中轴线对称设置的两部分，这两部分均包括上臂段、前臂段和指段，所述指段和所述上臂段的连接处为腕部，所述上臂段和所述前臂段的连接处为肘部，所述前臂段通过肩部和后肢部与所述本体连接。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明在飞行的基础上兼具行走和爬壁的能力，可以实现室内、室外、窄巷的探测，功能更全面，应用场合更广泛。飞行功能克服了爬壁机器人行动不灵活、越障困难的问题，能在空间内自由飞行，并飞行到指定位置降落；行走实现了机器人在陆地行走的需要，可快速移动和越障；而壁面爬行的能力使得机器人可以进行探测、传输、稳定拍摄等工作。扑翼式飞行结构具有速度快、灵活、可以依靠较少的能量进行长时间飞行、以及不使用高速转动的机翼从而不会发出很响亮的声音以降噪的优点。
附图说明
图1是本发明实施例1状态图。
图2是本发明实施例2状态图。
在附图中，各附图标记表示：
10、本体；11、飞行单元；12、第一移动单元；13、第二移动单元；110、上臂段；111、前臂段；112、指段；113、腕部；114、肘部；115、肩部；116、后肢部；121、第一移动件；131、第二移动件；1210、前大腿；1211、前小腿； 1212、爪脚；1213、转轴；1214、前足；1310、后大腿；1311、后小腿；1312、后足。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1：
如图1所示，一种三栖机器人，包括本体10、信号接收单元、飞行单元11、第一移动单元12和第二移动单元13，所述信号接收单元、飞行单元11、第一移动单元12和第二移动单元13均设置在所述本体10上；
所述信号接收单元，用于接收来自终端的控制信号，并将所述控制信号传输到所述飞行单元11、第一移动单元12和第二移动单元13；本实施例中的终端可以是手机或电脑等设备，但不局限于此，在此不再详述；
所述飞行单元11，根据所述控制信号带动所述本体10执行飞行动作；
所述第一移动单元12，设置在所述本体10的前端，包括相对于所述本体 10的中轴线对称设置的相同的两个第一移动件121，所述第一移动件121包括前大腿1210、前小腿1211和爪脚1212，所述前大腿1210的一端(上端)连接在所述本体10上，所述前小腿1211和所述爪脚1212均铰接在所述前大腿1210 的另一端(下端)上。本实施例中，所述前大腿1210的一端(上端)可转动连接在所述本体10上，更加便于调整前小腿1211和前足1214的位置，但不局限于此，在其它实施例中，所述前大腿1210的一端(上端)还可以是固定连接在所述本体10上，为常规技术手段，在此不再详述。
所述第二移动单元13，设置在所述本体10的后端(这里所提到的后端是与上面提到的前端相对应的)，包括相对于所述本体10的中轴线左右对称设置的相同的两个第二移动件131，所述第二移动件131包括后大腿1310和后小腿 1311，所述后大腿1310的一端(上端)连接在所述本体10上，所述后大腿1310 的另一端(下端)与所述后小腿1311铰接。本实施例中，所述后大腿1310的一端(上端)可转动连接在所述本体10上，更加便于调整后小腿1311的位置，但不局限于此，在其它实施例中，所述后大腿1310的一端(上端)还可以是固定连接在所述本体10上，为常规技术手段，在此不再详述。
两个所述爪脚1212根据所述控制信号伸开(在这里指所述爪脚1212外露的意思)，且两个所述前小腿1211和两个所述后小腿1311根据所述控制信号缩起(在这里指两个所述前小腿1211和两个所述后小腿1311折叠而不外露的意思)，则两个所述爪脚1212形成两爪爬壁结构，所述本体10在所述两爪爬壁结构执行爬壁动作时跟随移动。当然，本发明中的三栖机器人，还可以通过所述两爪爬壁结构直接挂在墙壁上。
本发明中的三栖机器人可以执行飞行、行走及爬壁动作，且整机体型小、结构简单和成本低。
如图1所示，所述前大腿1210的另一端(下端)设置有一转轴1213，所述前小腿1211和所述爪脚1212均铰接在所述转轴1213上。将所述前小腿1211 和所述爪脚1212铰接在同一根转轴1213上，具有结构简单且能把整机体型做更小的优点，从而更好的进行探测。
本实施例中，所述爪脚1212具有一套接部，通过该套接部套设以铰接在所述转轴1213上，所述前小腿1211具有一U形连接部，所述U形连接部相对的两端开设供转轴1213穿过的通孔，所述爪脚1212的所述套接部适配容纳在所述前小腿1211的所述U形连接部的内部，这种装配方式进一步减小了整机体型。
如图1所示，所述前小腿1211和所述爪脚1212的缩起方向相反。本实施例中，所述前小腿1211在伸开状态下由控制信号通过转轴1213或曲柄连杆等机构控制，进行逆时针转动实现缩起，所述爪脚1212在伸开状态下由控制信号通过转轴1213或曲柄连杆等机构控制，进行顺时针转动实现缩起。这样，就可以让所述前小腿1211和所述爪脚1212的运行空间错开，便于操控且能很好地避免干涉。
本实施例中，所述飞行单元11，根据所述控制信号带动所述本体10执行飞行动作，则所述前小腿1211和所述后小腿1311根据所述控制信号缩起，所述爪脚1212根据所述控制信号伸开。所述三栖机器人在该状态下，可以选择性的执行飞行动作或者爬壁动作，还具有在执行完飞行动作时能够马上将该机器人挂在壁上的功能。前小腿和后小腿在伸开状态下，相比于爪脚伸开状态，机器人的纵向长度会更长，使得该三栖机器人在飞行时更容易触碰到下方障碍物，所以在飞行单元根据所述控制信号执行飞行动作带动所述本体移动过程中，特将所述前小腿和所述后小腿缩起。
本实施例中，所述飞行单元11为扑翼式飞行结构。扑翼式飞行结构具有速度快、灵活、可以依靠较少的能量进行长时间飞行、以及不使用高速转动的机翼从而不会发出很响亮的声音以降噪的优点。
本实施例中，所述飞行单元11包括芯片、传感器、扑翼和无刷直流电机，所述传感器根据所述控制信号实时监测所述扑翼的拍打角度，并将实时监测到的信息传输到所述芯片中，若方向有所偏离则进行调整，所述信号接收单元将接收到的所述控制信号传输到所述芯片中，所述芯片根据所述监测到的信息和所述控制信号对所述无刷直流电机进行控制，所述无刷直流电机驱动所述扑翼进行上下运动。所述芯片型号为STM31F429Zi，所述传感器(包括惯性测量装置和五个位于左肘、右肘、左腿、右腿和翅膀关节处的磁霍尔编码器及安全数字卡存储)，脉冲宽度调制控制的四个无刷直流电机。
如图1所示，所述扑翼包括骨架和安装在所述骨架上的翅膀，所述骨架包括相对于所述本体10的中轴线对称设置的两部分，这两部分均包括上臂段110、前臂段111和指段112，所述指段112和所述上臂段110的连接处为腕部113，所述上臂段110和所述前臂段111的连接处为肘部114，所述前臂段111通过肩部115和后肢部116与所述本体10连接。
如图1所示，所述飞行单元11只有9个关节连接处，其骨架是用碳素纤维制成的，翼膜采用了硅基碳纤维加强膜。一共有这9个生物意义的自由度，通过机械耦合等物理约束，其中4个自由度被耦合，剩下5个机构(右肘部、左肘部、右腿、左腿、拍打角度)，分别有磁霍尔效应传感器进行检测。每个翅膀激活单个执行器，可产生3个自由度(其中2个被机械耦合)。四个无刷直流电机分别位于两个翅膀和两个腿部，直流无刷电机驱动左右翼进行扑翼飞行。而余下自由度的调整也通过电机来执行。在5个关节处放置的霍尔编码器以监测关节的运动角度，利用惯性测量装置来监测飞行的姿态信息(欧拉角)。整个唤醒机器人通过DSM2接收机和蓝牙与地面基站通信，可达到10Hz的扑翼频率，还采用了机载定制电子部件，导航和控制算法在主控板上实时运行，而处理传感器数据和控制制动器用的则是单独的数据采集器。
实施例2：
如图2所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：两个所述爪脚1212 根据所述控制信号缩起，且两个所述前小腿1211和两个所述后小腿1311根据所述控制信号伸开，则两个所述前小腿1211、两个所述后小腿1311形成四足行走结构，所述本体10在所述四足行走结构执行行走动作时跟随移动。
优选地，所述本体10在所述四足行走结构下执行行走动作，则所述飞行单元11根据所述控制信号折叠收缩。所述本体10在所述四足行走结构下执行行走动作时，飞行单元11的折叠收缩可以让其体型变小，从而能够进入较小空间去执行探测任务，同时前行时受到的阻力也会变小。当然，所述本体10在所述四足行走结构下执行行走动作，所述飞行单元11也可以是张开的，此时可以选择性地执行飞行动作或者行走动作。
优选地，所述前小腿1211的远离所述前大腿1210端设置有前足1214，所述后小腿1311的远离所述后大腿1310端设置有后足1312，所述三栖机器人行走时，通过前足1214和后足1312间隙性地行走于接触面上来实现行走。
工作原理：
1.所述三栖机器人需要执行行走动作时，终端发送两个所述前小腿1211 和两个所述后小腿1311伸开、以及两个所述爪脚1212缩起的信号，当然，最好同时发送飞行单元11的扑翼折叠收缩的信号。之后，第一移动单元12和第二移动单元13根据所述控制信号在地面或其它接触面上执行行走动作。
2.所述三栖机器人需要从行走状态切换到飞行状态时，终端发送飞行单元 11的扑翼张开的信号，当然，最好同时发送两个所述前小腿1211和两个所述后小腿1311缩起、以及两个所述爪脚1212伸开的信号。之后，扑翼根据所述控制信号进行上下运动以带动所述本体10飞行。
3.所述三栖机器人需要从飞行状态切换到爬壁状态时，终端发送两个所述爪脚1212伸开、两个所述前小腿1211和两个所述后小腿1311缩起的信号，当然，最好同时发送飞行单元11的扑翼折叠收缩的信号。之后，两个所述爪脚 1212根据所述控制信号在墙壁上爬行或者直接挂在墙壁上。
4.所述三栖机器人在行走、飞行和爬壁这三种状态间的切换不局限于上述顺序，还可以是执行完行走动作后切换到执行爬壁动作、执行完飞行动作后切换到执行行走动作、执行完爬壁动作后执行飞行或行走动作，上述三种状态间的切换根据实际需求来定，再通过发送相应的控制信号来实现。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种三栖机器人，其特征在于，包括本体(10)、信号接收单元、飞行单元(11)、第一移动单元(12)和第二移动单元(13)，所述信号接收单元、飞行单元(11)、第一移动单元(12)和第二移动单元(13)均设置在所述本体(10)上；
所述信号接收单元，用于接收来自终端的控制信号，并将所述控制信号传输到所述飞行单元(11)、第一移动单元(12)和第二移动单元(13)；
所述飞行单元(11)，根据所述控制信号带动所述本体(10)执行飞行动作；
所述第一移动单元(12)，设置在所述本体(10)的前端，包括相对于所述本体(10)的中轴线对称设置的相同的两个第一移动件(121)，所述第一移动件(121)包括前大腿(1210)、前小腿(1211)和爪脚(1212)，所述前大腿(1210)的一端连接在所述本体(10)上，所述前小腿(1211)和所述爪脚(1212)均铰接在所述前大腿(1210)的另一端上；
所述第二移动单元(13)，设置在所述本体(10)的后端，包括相对于所述本体(10)的中轴线对称设置的相同的两个第二移动件(131)，所述第二移动件(131)包括后大腿(1310)和后小腿(1311)，所述后大腿(1310)的一端连接在所述本体(10)上，所述后大腿(1310)的另一端与所述后小腿(1311)铰接；
两个所述爪脚(1212)根据所述控制信号缩起，且两个所述前小腿(1211)和两个所述后小腿(1311)根据所述控制信号伸开，则两个所述前小腿(1211)、两个所述后小腿(1311)形成四足行走结构，所述本体(10)在所述四足行走结构执行行走动作时跟随移动；
两个所述爪脚(1212)根据所述控制信号伸开，且两个所述前小腿(1211)和两个所述后小腿(1311)根据所述控制信号缩起，则两个所述爪脚(1212)形成两爪爬壁结构，所述本体(10)在所述两爪爬壁结构执行爬壁动作时跟随移动。
2.如权利要求1所述的三栖机器人，其特征在于，所述前大腿(1210)的另一端设置有一转轴(1213)，所述前小腿(1211)和所述爪脚(1212)均铰接在所述转轴(1213)上。
3.如权利要求2所述的三栖机器人，其特征在于，所述爪脚(1212)具有一套接部，通过该套接部套设以铰接在所述转轴(1213)上，所述前小腿(1211)具有一U形连接部，所述U形连接部相对的两端开设供转轴(1213)穿过的通孔，所述爪脚(1212)的所述套接部适配容纳在所述前小腿(1211)的所述U形连接部的内部。
4.如权利要求1或2或3所述的三栖机器人，其特征在于，所述前小腿(1211)和所述爪脚(1212)的缩起方向相反。
5.如权利要求1所述的三栖机器人，其特征在于，所述前小腿(1211)的远离所述前大腿(1210)端设置有前足(1214)，所述后小腿(1311)的远离所述后大腿(1310)端设置有后足(1312)。
6.如权利要求1所述的三栖机器人，其特征在于，所述本体(10)在所述四足行走结构执行行走动作跟随移动过程中，则所述飞行单元(11)根据所述控制信号折叠收缩。
7.如权利要求1所述的三栖机器人，其特征在于，所述飞行单元(11)，根据所述控制信号执行飞行动作带动所述本体(10)移动过程中，则所述前小腿(1211)和所述后小腿(1311)根据所述控制信号缩起，所述爪脚(1212)根据所述控制信号伸开。
8.如权利要求1所述的三栖机器人，其特征在于，所述飞行单元(11)为扑翼式飞行结构。
9.如权利要求8所述的三栖机器人，其特征在于，所述飞行单元(11)包括芯片、传感器、扑翼和无刷直流电机，所述传感器根据所述控制信号实时监测所述扑翼的拍打角度，并将实时监测到的信息传输到所述芯片中，所述信号接收单元将接收到的所述控制信号传输到所述芯片中，所述芯片根据所述监测到的信息和所述控制信号对所述无刷直流电机进行控制，所述无刷直流电机驱动所述扑翼进行上下运动。
10.如权利要求9所述的三栖机器人，其特征在于，所述扑翼包括骨架和安装在所述骨架上的翅膀，所述骨架包括相对于所述本体(10)的中轴线对称设置的两部分，这两部分均包括上臂段(110)、前臂段(111)和指段(112)，所述指段(112)和所述上臂段(110)的连接处为腕部(113)，所述上臂段(110)和所述前臂段(111)的连接处为肘部(114)，所述前臂段(111)通过肩部(115)和后肢部(116)与所述本体(10)连接。
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