CN112498034B - 一种轮桨一体的陆空两栖机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轮桨一体的陆空两栖机器人，包括齿轮传动变形机构、4个桨叶轮组件、控制器和机体，4个桨叶轮组件分别通过4个齿轮传动变形机构与机体相连接，且桨叶轮组件通过齿轮传动变形机构的传动改变相对于机体的位置，实现地面模式与空中模式的切换。本发明中，齿轮传动变形机构通过直齿轮和锥齿轮啮合传递运动来改变桨叶轮组件位置，具有传动稳定和传动效率高的特点。
Description
技术领域
本发明属于多栖机器人领域，具体为一种轮桨一体的陆空两栖机器人。
背景技术
相较于普通无人机，陆空两栖机器人具有续航时间长、适应复杂地形、适应狭窄空间等优点。但目前的陆空两栖机器人多为各自作业的轮桨分离结构，使得整体结构冗余，需分别考虑桨叶与车轮的联接；且分离结构下由于桨叶的直径较大，地面模式时的陆空两栖机器人宽度过宽，不利于狭窄地形的行进。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种轮桨一体的陆空两栖机器人。
实现本发明目的的技术方案为：一种轮桨一体的陆空两栖机器人，包括齿轮传动变形机构、4个桨叶轮组件、控制器和机体，4个桨叶轮组件分别通过4个齿轮传动变形机构与机体相连接，且桨叶轮组件通过齿轮传动变形机构的传动改变相对于机体的位置，实现地面模式与空中模式的切换。
优选地，所述齿轮传动变形机构包括太阳轴、行星轴、水平轴、太阳轮、行星轮、行星轴锥齿轮、水平轴锥齿轮、行星架、轴承座、角接触轴承、舵机、舵机连接座、舵机连接片以及垂直两通管夹，所述太阳轮、行星轮和行星架构成行星轮系，所述太阳轮设置在太阳轴的一端，所述太阳轴的另一端与机体固连，所述行星轮设置在行星轴的一端，所述行星架与太阳轴通过两个角接触轴承构成转动副，所述行星架与行星轴通过深沟球轴承构成转动副；所述行星轴锥齿轮固定在行星轴的另一端，所述行星轴的另一端同时通过深沟球轴承与轴承座构成转动副；所述舵机设置在行星架上，所述舵机连接片的一端与舵机固连，另一端与轴承座固连；所述水平轴的一端通过舵机连接座与舵机输出轴连接，中间段与轴承座通过两个深沟球轴承构成互为虚约束的两个转动副，同时设置有水平轴锥齿轮，所述水平轴锥齿轮与行星轴锥齿轮相互啮合，另一端与垂直两通管夹的一端固连。
优选地，通过调整垫片的数量对水平轴锥齿轮与行星轴锥齿轮的轴向位置进行调整以提高齿轮的啮合精度。
优选地，所述太阳轮的一端通过平键周向定位和套筒轴向定位与太阳轴固连。
优选地，所述行星轮通过平键周向定位和套筒轴向定位与行星轴固连。
优选地，所述太阳轴、行星轴、水平轴均为阶梯轴。
优选地，所述桨叶轮组件包括穿线杆、轮子、桨叶、小齿轮、大齿轮、直流减速电机座板、直流减速电机、小齿轮轴、桨叶电机，所述穿线杆的一端与齿轮传动变形机构的垂直两通管夹固连，另一端与桨叶电机固连，所述桨叶电机用于驱动桨叶转动；
所述直流减速电机座板设置在穿线杆上，所述直流减速电机设置在直流减速电机座板上；
所述小齿轮轴的一端与直流减速电机的输出轴固连，另一端设置有小齿轮；所述大齿轮设置在轮子上，且小齿轮与大齿轮之间相互啮合；所述大齿轮与穿线杆之间通过深沟球轴承构成转动副。
优选地，通过套筒定位深沟球轴承在穿线杆上的轴向位置并通过孔用挡圈限制深沟球轴承的轴向移动。
优选地，所述穿线杆为空心轴。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1、本发明中，齿轮传动变形机构通过直齿轮和锥齿轮啮合传递运动来改变桨叶轮组件位置，具有传动稳定和传动效率高的特点；2、本发明中，齿轮传动变形机构只有单个自由度，因此仅需要一个舵机驱动，成本低且控制难度低；3、本发明中，桨叶轮组件结构简单且紧凑，为多栖机器人的轮浆一体化提供了思路。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为轮桨一体的陆空两栖机器人的组成示意图。
图2为轮桨一体的陆空两栖机器人的地面工作模式示意图。
图3为轮桨一体的陆空两栖机器人的空中工作模式示意图。
图4为轮桨一体的陆空两栖机器人的地面-空中-地面切换过程示意图。
图5为轮桨一体的陆空两栖机器人转换过程示意图。
图6为轮桨一体的陆空两栖机器人的齿轮传动变形机构示意图，其中，图6(a)为主视图，图6(b)为剖视图。
图7为轮桨一体的陆空两栖机器人的桨叶轮组件示意图，其中，图7(a)为主视图，图7(b)为剖视图。
具体实施方式
一种轮桨一体的陆空两栖机器人，地面采用四驱动轮模式，空中采用四旋翼无人机模式，通过齿轮传动变形机构实现地面模式与空中模式的切换。
如图1所示，一种轮桨一体的陆空两栖机器人，包括齿轮传动变形机构1、桨叶轮组件2、控制器和机体3，四个桨叶轮组件2分别通过4个齿轮传动变形机构1与机体3相连接，且桨叶轮组件2通过齿轮传动变形机构1的传动改变相对于机体3的位置，通过所述齿轮传动变形机构1切换地面模式与空中模式，并使两种模式下的位置布局更加合理。当桨叶轮组件通过齿轮传动变形机构将位置变为轮桨面垂直于地面时，为地面模式，如图2所示；当桨叶轮组件通过齿轮传动变形机构将位置变为轮桨面水平于地面时，为空中模式，如图3所示。
控制器放置于机体上，控制器采用通用的单片机系统，发出控制命令给电机和舵机等电器件。
所述桨叶轮组件2的轮、桨同轴，实现旋翼模式与车轮模式。
所述机体3上还设置电池、电调和主控芯片等电器件，并提供运动的控制命令。
如图6所示，作为一种具体示例，所述齿轮传动变形机构1包括太阳轴4、行星轴5、水平轴6、太阳轮7、行星轮8、行星轴锥齿轮9、水平轴锥齿轮10、行星架11、轴承座12、角接触轴承15、舵机21、舵机连接座22、舵机连接片23以及垂直两通管夹24，所述太阳轮7、行星轮8和行星架11构成行星轮系，轮系中太阳轮7固定不动，行星架11约束着行星轮8绕太阳轮7周转，太阳轮7和行星轮8的啮合使行星轮8自转。其中，所述太阳轮7设置在太阳轴4的一端，所述太阳轴4的另一端与机体3固连，所述行星轮8设置在行星轴5的一端。太阳轮7的上方，行星架11与太阳轴4之间通过两个角接触轴承15构成转动副。行星轮8的上方，行星架11与行星轴5之间通过深沟球轴承构成转动副。
所述行星轴5下端固连着行星轮8作为行星轮系部分，而上端，行星轴锥齿轮9通过紧定螺钉固连在其上，顶端则与轴承座12通过以深沟球轴承构成转动副此转动副跟行星架11与行星轴5构成的转动副互为虚约束。所述行星架11与舵机21的底部通过螺纹联接固连，舵机连接片23的一端与舵机21的顶部通过螺纹联接固连而另一端与轴承座12通过螺纹联接固连，由此行星架11、舵机21、舵机连接片23、轴承座12固连成整体作为行星轮系的“行星架”。
所述水平轴6一端通过螺纹联接与舵机连接座22固连，中间段与轴承座12通过两个深沟球轴承构成互为虚约束的两个转动副，水平轴锥齿轮10亦通过紧定螺钉固定在中间段并与行星轴锥齿轮9相互啮合，尾端则通过锥销与垂直两通管夹24的一端固连。
进一步的实施例中，通过调整垫片18的数量对水平轴锥齿轮10与行星轴锥齿轮9的轴向位置进行调整以提高齿轮的啮合精度。
所述舵机21为动力输出，舵机输出轴与舵机连接座22通过螺纹联接固连。
进一步的实施例中，所述太阳轴、行星轴和水平轴皆为阶梯轴。
进一步的实施例中，所述机体由碳纤维板构成，连接四个齿轮传动变形机构和桨叶轮组件。
进一步的实施例中，所述太阳轮7的一端通过平键周向定位和套筒轴向定位与太阳轴4固连。
进一步的实施例中，所述行星轮8通过平键周向定位和套筒轴向定位与行星轴5固连。
工作时，舵机输出的运动和力通过舵机连接座22传递到水平轴6，使得水平轴6转动；水平轴6将运动和力通过水平轴锥齿轮10和行星轴锥齿轮9的啮合传递到行星轴5，使得行星轴5转动；行星轴5将运动和力通过太阳轮7和行星轮8的啮合传递到行星架11，使得行星架11带动着行星轮8绕太阳轮7周转。因此，齿轮传动变形机构1工作时，一方面，水平轴9所连垂直两通管夹24直接通过舵机21输出而改变端口的朝向，另一方面，行星架11的转动使舵机21的位置绕太阳轴转动从而水平轴9所连垂直两通管夹24亦整体绕太阳轴转动。所述垂直两通管夹24的另一端与桨叶轮组件2固连，垂直两通管夹24的端口朝向转动改变桨叶轮组件2的垂直或水平状态，垂直两通管夹24绕太阳轴4转动的位置变化使桨叶轮组件2亦绕太阳轮转动改变相对位置。
作为一种具体示例，如图7所示，所述桨叶轮组件2包括穿线杆25、轮子26、桨叶27、小齿轮28、大齿轮29、直流减速电机座板30、直流减速电机31、小齿轮轴32、桨叶电机33；所述穿线杆25的一端与齿轮传动变形机构1的垂直两通管夹24相固连，另一端与桨叶电机33通过螺纹联接固连，且桨叶电机33直接驱动桨叶转动。
所述直流减速电机31通过螺纹联接固连在直流减速电机座板30上。直流减速电机座板30通过夹紧穿线杆25将直流减速电机31、直流减速电机座板30和穿线杆25固连成一个整体。小齿轮轴32的一端与直流减速电机31的输出轴通过螺纹联接相固连，另一端通过平键和轴用挡圈37将小齿轮28固连在轴上。大齿轮29与轮子26通过螺纹联接固连成一体，小齿轮28与大齿轮29之间相互啮合将直流减速电机的运动和力传递给轮子26。
所述大齿轮29与穿线杆25之间通过深沟球轴承34构成转动副，通过套筒定位深沟球轴承34在穿线杆25上的轴向位置并通过孔用挡圈35限制深沟球轴承的轴向移动。
进一步的实施例中，所述穿线杆25为空心轴，便于走线。
地面模式时，机体3控制直流减速电机31输出转动带动小齿轮轴32转动，小齿轮轴32上的小齿轮28与大齿轮29啮合从而带动轮子26绕穿线杆25转动。空中模式时，机体3控制桨叶电机31带动桨叶27转动产生升力。桨叶轮组件上的桨叶构成飞行模式下的旋翼，桨叶轮的轮子构成地面模式下的车轮。当地面不适合行进时，控制器发出命令给齿轮传动变形结构的舵机，舵机带动齿轮传动转换为空中模式然后起飞；当地面再次适合行进时，控制器先发送命令使旋翼电机减速，机器人降落，然后发送命令给齿轮传动变形结构的舵机，舵机带动齿轮传动转换为地面模式。
如图2～5所示，对本发明一种轮桨一体的陆空两栖机器人实现地面模式、空中模式以及两种模式之间的切换进行说明。
地面模式下，将齿轮传动变形机构1对称的安装在机体3的四个位置，通过齿轮传动进行转动使桨叶轮组件2的轮子垂直于地面，呈四轮小车模式。机体3基于四轮驱动小车的原理分别控制四个桨叶轮组件2上的电机实现地面运动控制。
空中模式下通过齿轮传动变形机构1的舵机驱动机构运动进而带动桨叶轮组件2，使桨叶和轮子水平于地面，同时改变水平位置使四个桨叶轮组件均匀分布于机体3中心的四周，满足四旋翼无人机的飞行要求。机体3基于四旋翼无人机的控制原理分别控制桨叶轮组件2上的电机实现空中运动控制。
所述模式切换指在地面模式下行进遇到障碍无法继续在地面上行进的情况时，机体发送控制命令给齿轮传动变形机构1上的舵机，舵机转动带动齿轮传动变形机构1传递运动将桨叶轮组件2转变为空中模式下的空间位置。当地面上再次适合地面运动时，机体控制陆空两栖机器人降落并发送控制命令给齿轮传动变形机构1上的舵机，舵机转动通过齿轮传动变形机构1传递运动将桨叶轮转变为地面模式下的空间位置。
在地面模式下行进遇到障碍、水坑等无法继续在地面上行进的情况时，机体3发送控制命令给齿轮传动变形机构1上的舵机，舵机转动带动齿轮传动变形机构1传递运动将桨叶轮组件2的转变为空中模式下的空间位置。当地面上再次适合地面运动时，机体3控制陆空两栖机器人降落并发送控制命令给齿轮传动变形机构1上的舵机，舵机转动通过齿轮传动变形机构1传递运动将桨叶轮2转变为地面模式下的空间位置。
Claims (8)
1.一种轮桨一体的陆空两栖机器人，其特征在于，包括齿轮传动变形机构(1)、4个桨叶轮组件(2)、控制器和机体(3)，4个桨叶轮组件(2)分别通过4个齿轮传动变形机构(1)与机体(3)相连接，且桨叶轮组件(2)通过齿轮传动变形机构(1)的传动改变相对于机体(3)的位置，实现地面模式与空中模式的切换；所述齿轮传动变形机构(1)包括太阳轴(4)、行星轴(5)、水平轴(6)、太阳轮(7)、行星轮(8)、行星轴锥齿轮(9)、水平轴锥齿轮(10)、行星架(11)、轴承座(12)、角接触轴承(15)、舵机(21)、舵机连接座(22)、舵机连接片(23)以及垂直两通管夹(24)，所述太阳轮(7)、行星轮(8)和行星架(11)构成行星轮系，所述太阳轮(7)设置在太阳轴(4)的一端，所述太阳轴(4)的另一端与机体(3)固连，所述行星轮(8)设置在行星轴(5)的一端，所述行星架(11)与太阳轴(4)通过两个角接触轴承(15)构成转动副，所述行星架(11)与行星轴(5)通过深沟球轴承构成转动副；所述行星轴锥齿轮(9)固定在行星轴(5)的另一端，所述行星轴(5)的另一端同时通过深沟球轴承与轴承座(12)构成转动副；所述舵机(21)设置在行星架(11)上，所述舵机连接片(23)的一端与舵机(21)固连，另一端与轴承座(12)固连；所述水平轴(6)的一端通过舵机连接座(22)与舵机(21)输出轴连接，中间段与轴承座(12)通过两个深沟球轴承构成互为虚约束的两个转动副，同时设置有水平轴锥齿轮(10)，所述水平轴锥齿轮(10)与行星轴锥齿轮(9)相互啮合，另一端与垂直两通管夹(24)的一端固连。
2.根据权利要求1所述的轮桨一体的陆空两栖机器人，其特征在于，通过调整垫片(18)的数量对水平轴锥齿轮(10)与行星轴锥齿轮(9)的轴向位置进行调整以提高齿轮的啮合精度。
3.根据权利要求1所述的轮桨一体的陆空两栖机器人，其特征在于，所述太阳轮(7)的一端通过平键周向定位和套筒轴向定位与太阳轴(4)固连。
4.根据权利要求1所述的轮桨一体的陆空两栖机器人，其特征在于，所述行星轮(8)通过平键周向定位和套筒轴向定位与行星轴(5)固连。
5.根据权利要求1所述的轮桨一体的陆空两栖机器人，其特征在于，所述太阳轴(4)、行星轴(5)、水平轴(6)均为阶梯轴。
6.根据权利要求1所述的轮桨一体的陆空两栖机器人，其特征在于，所述桨叶轮组件(2)包括穿线杆(25)、轮子(26)、桨叶(27)、小齿轮(28)、大齿轮(29)、直流减速电机座板(30)、直流减速电机(31)、小齿轮轴(32)、桨叶电机(33)，所述穿线杆(25)的一端与齿轮传动变形机构(1)的垂直两通管夹(24)固连，另一端与桨叶电机(33)固连，所述桨叶电机(33)用于驱动桨叶(27)转动；
所述直流减速电机座板(30)设置在穿线杆(25)上，所述直流减速电机(31)设置在直流减速电机座板(30)上；
所述小齿轮轴(32)的一端与直流减速电机(31)的输出轴固连，另一端设置有小齿轮(28)；所述大齿轮(29)设置在轮子(26)上，且小齿轮(28)与大齿轮(29)之间相互啮合；所述大齿轮(29)与穿线杆(25)之间通过深沟球轴承构成转动副。
7.根据权利要求6所述的轮桨一体的陆空两栖机器人，其特征在于，通过套筒定位深沟球轴承在穿线杆(25)上的轴向位置并通过孔用挡圈(35)限制深沟球轴承(34)的轴向移动。
8.根据权利要求6所述的轮桨一体的陆空两栖机器人，其特征在于，所述穿线杆(25)为空心轴。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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