CN113085459A - 三栖变体机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明三栖变体机器人，包括基体，所述基体顶部设置有多自由度机械臂且周向布置有若干个行走轮组件，所述行走轮组件包括双动力模块、斜面变体机构，所述双动力模块与斜面变体机构之间面接触且能够相对于所述斜面变体机构旋转360°。其目的是为了提供一种运动模式转换方便、灵活且结构、控制简单的三栖变体机器人。

Description

三栖变体机器人
技术领域
本发明涉及可在不同介质上或介质中行驶的车辆，特别是涉及一种三栖变体机器人。
背景技术
在现有机器人领域，开拓机器人的任务适应性、完成需求不同的各项作业功能、实现复杂环境下的自主作业功能是研究重点、难点。运动空间单一的机器人难以满足复杂环境对速度、越障、机动性能、稳定性等方面的要求。水陆空三栖机器人具有同时在空中、陆地和水中运动的能力，具有较强的环境适应性。但是，现有常见的三栖机器人不同运动模式之间的转换复杂、控制系统和结构系统设计难度大且执行的任务简单，适应性较差。例如：
公布号为CN 108819631 A的中国发明专利申请中公开了一种两旋翼平衡车水陆空多栖机器人及其控制方法，该发明的技术方案为：一种两旋翼平衡车水陆空多栖机器人，包括旋翼轮组件、转动旋翼组件和本体，左右2个旋翼轮组件分别通过转动旋翼组件与本体连接，且旋翼轮组件通过转动旋翼组件在本体上转动；所述旋翼轮组件中的旋翼嵌入在轮中，用于实现轮模式和旋翼模式；所述转动旋翼组件用于切换地面工作模式、空中工作模式、水面工作模式下旋翼轮组件的转动，以及在空中工作模式、水面工作模式下旋翼轮组件的俯仰运动；所述本体用于连接旋翼轮组件和转动旋翼组件，并提供运动的控制命令。该方案中的转动旋翼轮组件较复杂，不适合多模式(水、陆、空)高效率自动控制调整。
公布号为CN 107866083 A的中国发明专利申请中公开了一种变形机器人，由螺旋桨、信号接受器、底盘、电动伸缩杆、传动轴、传感陀螺仪、电动机、遥控器、三叶轮浆、球型外壳组成，螺旋桨在球型外壳内、电动机部分带有蓄电池，底部由三片叶轮桨片组成，在陆地行走时，三片叶轮桨片组成圆轮式；在水中游行时，转换成叶轮浆式，从而实现三栖功能。轮子由叶轮浆式转变到圆轮式过程中，电动机相反方向转动，带动弧形杆轮边缘向外运动，运动到一定角度停止，形成圆轮式轮子，在陆地上行走，具有一定厚度的圆轮，有效承压。该方案的不足之处在于：整体体积小，执行任务能力差，多模式之间的转换也很复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种运动模式转换方便、灵活且结构、控制简单的三栖变体机器人。
本发明三栖变体机器人，包括基体，所述基体顶部设置有多自由度机械臂且周向布置有若干个行走轮组件，所述行走轮组件包括双动力模块、斜面变体机构，所述双动力模块与斜面变体机构之间面接触且能够相对于所述斜面变体机构旋转360°。
本发明三栖变体机器人，其中所述斜面变体机构包括支架盘，所述支架盘的一端固定在基体上，另一端为传动端且端面为斜面，所述双动力模块包括底盘，所述底盘与所述传动端面接触且二者之间通过传动机构连接。
本发明三栖变体机器人，其中所述传动机构包括内齿轮、直齿轮、万向轴，所述内齿轮位于所述传动端内，所述直齿轮位于所述底盘内且沿轴向的一端与所述内齿轮啮合形成齿轮副。
本发明三栖变体机器人，其中所述万向轴同轴装设在所述齿轮副上，所述底座两端各设一连接杆，所述连接杆一端与所述万向轴连接，另一端设有小滚轮，所述双动力模块还包括车轮，所述车轮夹持在两个小滚轮之间。
本发明三栖变体机器人，其中所述双动力模块还包括设于底座上的电机，所述电机的输出轴与位于所述车轮内的螺旋桨连接，所述车轮与所述输出轴之间通过连接件连接。
本发明三栖变体机器人，其中所述连接件包括底板、竖板，所述底板固定在所述车轮的内壁上，所述竖板一端固定于所述底板上，另一端与所述电机的输出轴连接。
本发明三栖变体机器人，其中所述多自由度机械臂包括固定于所述基体上的安装座，所述安装座上转动连接有大臂，所述大臂的另一端转动连接有小臂。
本发明三栖变体机器人，其中所述行走轮组件的数量为6个且在所述基体的首部、中部、尾部两侧对称布置。
本发明三栖变体机器人，其中所述基体中部的支架盘的长度小于首尾支架盘的长度。
本发明三栖变体机器人，其中所述基体的底部为平面，上部为隆起且光滑的曲面。
与现有技术相比，本发明三栖变体机器人至少具有以下有益效果：
本发明三栖变体机器人采用斜面变换原理，使机器人具有更加稳定、快速的姿态转换能力，通过这种变体结构，适应多空间任务，具备水、陆、空多栖任务执行能力，而且具有灵巧、简单的变体结构，能够完成稳定且快速的位姿转换。同时，基体内部及螺旋桨、机械臂处各配备独立电机，车轮和螺旋桨、机械臂的动力系统互不干扰，有效降低了控制算法的复杂程度，利于各个运动模式下的速度的任意调节，更适合在不同环境下执行不同任务。
下面结合附图对本发明的三栖变体机器人作进一步说明。
附图说明
图1为本发明三栖变体机器人的结构示意图；
图2为图1中I处的局部放大图；
图3为本发明三栖变体机器人的俯视图；
图4为本发明三栖变体机器人中内齿轮、直齿轮、万向轴的配合状态示意图；
图5为本发明三栖变体机器人处于陆地行走模式时双动力模块、斜面变体机构的配合状态示意图；
图6为本发明三栖变体机器人处于空中飞行模式时双动力模块、斜面变体机构的配合状态示意图；
图7为本发明三栖变体机器人处于水下作业模式时双动力模块、斜面变体机构的配合状态示意图；
图8为本发明三栖变体机器人的传动原理示意图。
具体实施方式
如图1至图8所示：
本发明三栖变体机器人包括基体7，该基体7呈椭圆形，同时，为减小空气或水流阻力，提高运动速度，基体7的底部为平面，上部为隆起且光滑的曲面。
基体7的周向布置有若干个行走轮组件，本实施例中，行走轮组件的数量为6个且在基体7的首部、中部、尾部前后两侧对称布置。本实施例仅以6个行走轮组件为例进行说明，实际应用时可根据需求成对增减，此处不一一列举。行走轮组件包括双动力模块10、斜面变体机构9，6个双动力模块10结构完全相同，下文仅以其中一个为例对其结构进行说明，其余不赘述。同理，6个斜面变体机构9的结构也相同，区别仅在于基体7中部的支架盘14的长度小于首部、尾部支架盘14的长度。
斜面变体机构9包括支架盘14，支架盘14的一端固定在基体7上，另一端为传动端且端面为斜面，该斜面上边缘靠近基体7，下边缘远离基体7。双动力模块10包括底盘15、车轮16、螺旋桨11、电机12、小滚轮13，底盘15的底面与传动端的端面面接触。电机12的输出轴与位于车轮16内的螺旋桨11连接并为其提供动力。
支架盘14与底盘15之间通过传动机构连接。传动机构包括内齿轮17、直齿轮18、万向轴19，内齿轮17位于支架盘14的传动端内，直齿轮18位于底盘15内，直齿轮18与内齿轮17同轴布置且直齿轮18沿轴向的一端与内齿轮17啮合形成齿轮副，基体7内部的控制机构驱动内齿轮17转动，便可通过直齿轮18带动整个双动力模块10相对于支架盘14的传动端旋转360°，通过上述控制机构对双动力模块10的旋转角度进行调整，即可方便、快捷地使机器人进行变体，调整工作模式，保证变体后的形态满足水陆空环境作业需求。
万向轴19同轴穿过内齿轮17、直齿轮18后，位于支架盘14内的一端与基体7内的驱动电机连接并受其驱动。底座15两端各设一连接杆151，两个连接杆151成倒“八”字形布置，即两个连接杆151的下端均与万向轴19位于底盘15内的一端连接，两个连接杆151的上端则设有一个小滚轮13，车轮16夹持在两个小滚轮13之间，两个小滚轮13均与该车轮16面接触并抵紧。基体7内的驱动电机带动万向轴19运动，进而通过连接杆151带动两个小滚轮13自转滚动，在小滚轮13与车轮16之间摩擦力的作用下，车轮16被带着转动，这样的传动方式简单、高效、可靠。
优选的，车轮16与电机12的输出轴之间通过连接件161连接，对车轮16起良好支撑作用，保证其稳定性。连接件161包括底板162、竖板163，底板162呈与车轮16内壁形状适配的弧形，以便固定在车轮16的内壁上，竖板163一端固定于底板162上，另一端与电机12的输出轴连接，而且，竖板163、螺旋桨11、输出轴三者同轴连接，有利于保证结构的稳定性及传动效果。
基体7顶部设置有用于抓取物体的多自由度机械臂8，该多自由度机械臂8选用市场现有产品UR机械臂，其自带与内部控制系统连接的独立电机，实现独立驱动，以便和机器人高效配合。多自由度机械臂8包括固定于基体7上的安装座81，安装座81上转动连接有大臂82，大臂82的另一端转动连接有小臂83，多自由度机械臂8的具体结构及安装方式可参见上述现有产品，此处不赘述。
本发明三栖变体机器人具有空中六旋翼飞行、陆地轮式移动以及水下螺旋桨推进等三种运动模式，在基体7内置的内部控制系统的控制下，通过双动力模块10、斜面变体机构9、齿轮副、万向轴19的协同配合，在360°范围内调整旋转角度以调整车轮16的位姿，当车轮16及其内的六个螺旋桨11转换为水平状态时，机器人进入空中飞行模式，电机12为螺旋桨11提供动力；将六个螺旋桨11调整旋转角度转换为与地面垂直时，便进入陆地行走模式，此时机器人的行走不再由螺旋桨11进行驱动，而是由车轮16提供驱动力；同理，水下作业模式也使用螺旋桨11驱动，但具体的驱动配置状态可依据流体作业环境实时调整上述旋转角度以适应水下作业环境，例如，垂直下潜和上升时，六个螺旋桨11位姿为水平状态，这样可以充分发挥螺旋桨11的功能，使机器人以较快的速度实现垂直下潜和上升。
总之，本发明三栖变体机器人巧妙地利用斜面变换原理对双动力模块10的状态进行调整，使得车轮16可以进行多角度转动以适应不同作业模式，相比于采用球面并联机构或柔性臂结构实现机器人变体的方式，本发明在大大简化机器人结构的基础上显著降低了运动模式转换控制的复杂程度。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种三栖变体机器人，包括基体(7)，其特征在于：所述基体(7)顶部设置有多自由度机械臂(8)且周向布置有若干个行走轮组件，所述行走轮组件包括双动力模块(10)、斜面变体机构(9)，所述双动力模块(10)与斜面变体机构(9)之间面接触且能够相对于所述斜面变体机构(9)旋转360°。
2.根据权利要求1所述的三栖变体机器人，其特征在于：所述斜面变体机构(9)包括支架盘(14)，所述支架盘(14)的一端固定在基体(7)上，另一端为传动端且端面为斜面，所述双动力模块(10)包括底盘(15)，所述底盘(15)与所述传动端面接触且二者之间通过传动机构连接。
3.根据权利要求2所述的三栖变体机器人，其特征在于：所述传动机构包括内齿轮(17)、直齿轮(18)、万向轴(19)，所述内齿轮(17)位于所述传动端内，所述直齿轮(18)位于所述底盘(15)内且沿轴向的一端与所述内齿轮(17)啮合形成齿轮副。
4.根据权利要求3所述的三栖变体机器人，其特征在于：所述万向轴(19)同轴装设在所述齿轮副上，所述底座(15)两端各设一连接杆(151)，所述连接杆(151)一端与所述万向轴(19)连接，另一端设有小滚轮(13)，所述双动力模块(10)还包括车轮(16)，所述车轮(16)夹持在两个小滚轮(13)之间。
5.根据权利要求4所述的三栖变体机器人，其特征在于：所述双动力模块(10)还包括设于底座(15)上的电机(12)，所述电机(12)的输出轴与位于所述车轮(16)内的螺旋桨(11)连接，所述车轮(16)与所述输出轴之间通过连接件(161)连接。
6.根据权利要求5所述的三栖变体机器人，其特征在于：所述连接件(161)包括底板(162)、竖板(163)，所述底板(162)固定在所述车轮(16)的内壁上，所述竖板(163)一端固定于所述底板(162)上，另一端与所述电机(12)的输出轴连接。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的三栖变体机器人，其特征在于：所述多自由度机械臂(8)包括固定于所述基体(7)上的安装座(81)，所述安装座(81)上转动连接有大臂(82)，所述大臂(82)的另一端转动连接有小臂(83)。
8.根据权利要求7所述的三栖变体机器人，其特征在于：所述行走轮组件的数量为6个且在所述基体(7)的首部、中部、尾部两侧对称布置。
9.根据权利要求8所述的三栖变体机器人，其特征在于：所述基体(7)中部的支架盘(14)的长度小于首尾支架盘(14)的长度。
10.根据权利要求9所述的三栖变体机器人，其特征在于：所述基体(7)的底部为平面，上部为隆起且光滑的曲面。
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