CN113997738A - 一种球形两栖机器人平台 - Google Patents

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    • B64C27/20—Rotorcraft characterised by having shrouded rotors, e.g. flying platforms

Abstract

本发明提供了一种球形两栖机器人平台，涉及机器人技术领域，该球形两栖机器人平台，包括壳体，壳体内转动设置有至少两条动量轮，与动量轮连接有动量轮驱动件，与动量轮连接的还有可变惯量调节组件，可变惯量调节组件用于调节动量轮的转动的惯量，壳体两侧均铰接有旋翼升力组件；本发明机器人结合了轮式与旋翼的结构，既能应对高速的陆地行驶，还能应对垂直方向的运动，最少使用一对旋翼与一对动量轮实现了两种运动模式，且在陆地和飞行模式下都具有较高的运动速度；陆地模式下由于其几乎只有地面摩擦与电机效率损失，所以运行效率较高且对于续航有益；相较等大的轮式机器人，本发明的球形机器人，对于坑洼的通过性也有帮助。

Description

一种球形两栖机器人平台
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种球形两栖机器人平台。
背景技术
在军用侦察领域，需要侦察器具有隐蔽性、机动性、适应性、生存能力等要求。现有的侦察平台多是基于单一驱动类型的，如地面轮式、履带式、足式，空中旋翼式、固定翼式，水下拖曳式、螺旋桨式等等。但是在狭小、有高低纵深的环境(如管道内)，不论是单一的履带、轮式还是旋翼式都不能完全覆盖应用场景，工作效率低。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种球形两栖机器人平台。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种球形两栖机器人平台，包括壳体，所述壳体内转动设置有至少两条动量轮，与所述动量轮连接有动量轮驱动件，与所述动量轮连接的还有可变惯量调节组件，可变惯量调节组件用于调节动量轮的转动惯量，所述壳体两侧均铰接有旋翼升力组件。
进一步的，所述可变惯量调节组件包括设置在动量轮转动轴线上的旋转件以及设置在动量轮内的若干个质量块，所述旋转件调节若干个质量块至动量轮转动轴线的间距。
进一步的，所述旋转件转动端延伸至动量轮内，所述质量块靠近动量轮内壁一端固定有弹性件，所述弹性件另一端与动量轮内壁连接，所述动量轮靠近旋转件一端连接有曳引绳，所述曳引绳另一端与旋转件转动端固定。
进一步的，所述动量轮驱动件为动量轮驱动电机，所述旋转件为惯量控制电机。
进一步的，所述动量轮内设置有与质量块位置相对应的限制条，所述限制条一端与动量轮内壁固定，相邻设置的限制条另一端交汇于动量轮转动轴线处，且相互固定；所述旋转件固定贯穿相邻设置的限制条连接处，所述限制条表面开设有可供质量块滑动的凹槽，所述质量块在动量轮内的移动轨迹始终垂直于动量轮的转动轴线。
进一步的，所述旋翼升力组件的数量至少为两个，其对称设置在壳体的两侧，动量轮对称设置在壳体内。
进一步的，所述壳体包括外表面为圆弧形的承载架，所述承载架内部中空且两侧开口，所述承载架两侧开口处固定有罩壳，所述承载架内设置有支架，所述支架两端均与承载架内壁固定，所述动量轮驱动件与支架固定。
进一步的，所述壳体表面开设有安装槽，所述安装槽内嵌入有传感器。
进一步的，所述旋翼升力组件包括旋翼罩壳，所述旋翼罩壳一侧外沿与罩壳铰接，所述旋翼罩壳内固定有旋翼电机，所述旋翼电机转动端固定有旋翼。
进一步的，所述旋翼罩壳与壳体构成一球形结构。
本发明的有益效果：
本发明机器人结合了轮式与旋翼的结构，既能应对高速的陆地行驶，还能应对垂直方向的运动，其结构紧凑，空间利用率高，最少使用一对旋翼与一对动量轮实现了两种运动模式，且在陆地和飞行模式下都具有较高的运动速度；陆地模式下由于其几乎只有地面摩擦与电机效率损失，所以运行效率较高且对于续航有益；相较等大的轮式机器人，本发明的球形机器人，对于坑洼的通过性也有帮助；如在通风管道等狭小且有高低落差的空间，机动性、适应性与生存性明显优于履带、轮式或旋翼等单一结构；同时扫描传感器布置于球形壳体上，如二维激光测距传感器，在机器人行进过程中配合滚转方向能产生第三维扫描，从而可以实现快速的边走边扫，生成扫描数据，工作高效高。
附图说明
图1为本发明的机器人剖面结构示意图；
图2为本发明的机器人立体结构示意图；
图3为本发明的机器人飞行状态示意图；
图4为本发明的可变惯量调节组件结构示意图一；
图5为本发明的可变惯量调节组件结构示意图二；
图6为本发明的机器人俯视结构示意图；
图7为本发明的机器人在滚动中受力示意图。
图中：1、壳体；11、承载架；12、罩壳；2、旋翼升力组件；21、旋翼罩壳；22、旋翼电机；23、旋翼；3、动量轮驱动件；4、动量轮；5、传动组件；51、齿轮；52、外齿圈；6、支架；7、可变惯量调节组件；71、旋转件；72、曳引绳；73、质量块；74、弹性件；75、限制条；8、传感器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
实施例
请参阅图1所示，本实施例所述一种球形两栖机器人平台，包括壳体1、旋翼升力组件2，壳体1外表面设置为圆弧型，方便其在陆地上高速行走，壳体1内转动连接有至少两条对称设置的动量轮4，与动量轮4连接有动量轮驱动件3，动量轮驱动件3用于驱动动量轮4在壳体1内转动，本实施例动量轮驱动件3为动量轮驱动电机；
与动量轮4连接的还有可变惯量调节组件7，可变惯量调节组件7用于调节动量轮4的转动惯量。
请参阅图1与图2所示，壳体1两侧均铰接有旋翼升力组件2，旋翼升力组件2的数量至少为两个，对称设置在壳体1的两侧，当机器人处于飞行状态时，设置在壳体1两侧旋翼升力组件2展开，如图3所示，由旋翼升力组件2产生升力，并通过通过动量轮4与可变惯量调节组件7耦合控制机器人的飞行姿态。
其中，壳体1包括外表面为圆弧形的承载架11，承载架11内部中空且两侧开口，承载架11两侧开口处固定有罩壳12，罩壳12呈镂空状，方便机器人运行时，内部热量散出；承载架11内设置有支架6，支架6两端均与承载架11内壁固定，动量轮驱动件3与支架6固定，如图1所示，提升动量轮驱动件3与动量轮4的连接稳定性，同时设置在承载架11内部的支架6，还可以提升承载架11的结构强度。
壳体1表面开设有安装槽，安装槽内嵌入有传感器8，如图2所示，传感器8可以用双目摄像头、激光雷达、红外摄像头、霍尔等各种传感器替代，还可以用麦克风、扬声器、路由器等组件替代；可以实现应用于勘探、安防、扫描构建、消防救灾、人员引导、军事侦测等一系列场景。
请参阅图1所示，动量轮驱动件3与动量轮4之间设置有传动组件5，动量轮驱动件3通过传动组件5对动量轮4进行驱动，传动组件5包括固定在动量轮驱动件3转动端的齿轮51，动量轮4靠近动量轮驱动件3一侧固定有外齿圈52，齿轮51与外齿圈52啮合；使用时，动量轮驱动件3通过齿轮51驱动外齿圈52转动，由外齿圈52带动动量轮4在机器人内部转动。
请参阅图1所示，可变惯量调节组件7包括设置在动量轮4转动轴线上的旋转件71，旋转件71转动端延伸至动量轮4内，动量轮4内设置有若干个质量块73，质量块73数量由本领域技术人员根据实际情况具体设置，在此数量不做限定；本实施例旋转件71选用惯量控制电机、质量块73数量为三个，质量块73等环距分布在动量轮4内，质量块73靠近动量轮4内壁一端固定有弹性件74，弹性件74另一端与动量轮4内壁连接，弹性件74可以弹簧或弹性线，动量轮4靠近旋转件71一端连接有曳引绳72，曳引绳72另一端与旋转件71转动端固定。
由于动量轮4转动时，质量块73在弹性件74的作用下，质量块73会随动量轮4一起转动，这样会导致相邻设置质量块73相互碰撞，以及与质量块73连接的曳引绳72相互缠绕，给质量块73移动带来不便，从而会给动量轮4惯量大小调节带来不便。
我们在动量轮4内设置限制条75，限制条75位置与质量块73位置相对应，限制条75一端与动量轮4内壁固定，相邻设置的限制条75另一端交汇于动量轮4转动轴线处，且相互固定，如图4图5所示，旋转件71固定贯穿相邻设置的限制条75连接处，限制条75表面开设有可供质量块73滑动的凹槽，质量块73在动量轮4内的移动轨迹始终垂直于动量轮4的转动轴线，这样可以精确的同步调节每块质量块73与动量轮4转动轴线的距离，更好的调节动量轮4的惯量。
当需调节质量块73至动量轮4转动轴线的间距，例如：旋转件71顺时针转动时，旋转件71转动不断卷收曳引绳72，由曳引绳72拉动质量块73逐渐靠近动量轮4的转动轴线，即质量块73与动量轮4转动轴线距离减小，同时，由质量块73拉伸弹性件74；旋转件71逆时针转动时，卷收在旋转件71转动端的曳引绳72逐渐放卷，此时，处于拉伸状态的弹性件74，在其弹性作用逐渐复位，拉动质量块73逐渐远离动量轮4转动轴线，即质量块73与动量轮4转动轴线距离增大。
请参阅图1所示，旋翼升力组件2包括外表面为弧型的旋翼罩壳21，旋翼罩壳21、罩壳12以及承载架11构成一球形结构，如图2所示；
旋翼罩壳21一侧外沿与罩壳12铰接，旋翼罩壳21内固定有旋翼电机22，旋翼电机22转动端固定有旋翼23，旋翼罩壳21与罩壳12的铰接方式有很多，均为现有技术，为方便控制旋翼罩壳21展开，我们在旋翼罩壳21外沿向外延伸一块凸块，在罩壳12表面开设有与凸块相适配的安装腔，如图2所示，凸块内固定穿设有转轴，转轴两端贯穿安装腔，转轴一端延伸至罩壳12内与电机连接，电机位于罩壳12内(图中未示出)；通过电机驱动转轴转动，带动旋翼罩壳21展开或与罩壳12闭合，如图2和图3所示。
当机器人处于飞行状态时，旋翼罩壳21处于展开状态，由旋翼电机22驱动旋翼23，产生升力，供机器人升起。
本实施例所述机器人在使用状态下有两种模式，分别是：陆地模式与飞行模式，下面我们对这两种模式根据上述结构和其运行原理，分别作进一步叙述：
陆地模式：
即机器人在陆地上行走，主要使用动量轮驱动件3驱动动量轮4旋转，再通过可变惯量调节组件7调节动量轮4惯量实现，以下称为：变惯量动量轮4，旋翼升力组件2为收起状态，如图2所示。
驱动原理：变惯量动量轮4与其余部分通过角动量守恒原理运作，设变惯量动量轮4惯量为J轮，其余部分为J其他；当机器人无外力作用时，角动量L守恒：
L轮＝L其他
而角动量可以分解为：
L轮＝J轮×ω轮；
L其他＝J其他×ω其他
即，动量轮4与其他部分的角速度关于两者惯量成反比。
密度恒定的绕轴旋转体惯量J定义为：
J＝∫r2dm
其中r为质量块的转动半径，m为质量块73质量惯量。
对于无外力机器人，恒定惯量的动量轮4即可完成所有运动功能，但是机器人是在外环境中运行，遇到阻碍机器人运动的力，由于动量轮4存在转速上限电机限制、离心力限制等，恒定惯量动量轮4需要等动量慢慢耗散完才能再次加速产生新的力矩来克服阻力，而可变惯量的动量轮4可以对当前运动状态施加极小的影响，即减小动量轮4的惯量来减少对其它部分动量影响，从而初始化转速来获得新的力矩，因此配备可变惯量的动量轮4。
本实施例可变惯量的动量轮4通过改变动量轮4的质量分布，如图4与图5所示，通过调节质量块73与动量轮4转动轴线的距离，即上式r的大小，来使动量轮4惯量J轮的大小可以改变。
为进一步理解本方案，举例：机器人在滚动中存在一系列阻力，如风阻，假设机器人当前加速完成并以最大速度ω其他max运行，同时机器人壳体1半径为R，动量轮4半径为r，即：
从地面系出发，初始状态为匀速直线运动，ω轮，ω其他均为恒值，此时运行阻力f使机器人减速，如图7所示，阻力矩为：Tf＝f×R；Tf作用于机器人罩壳上，Lf＝Tf×t，t为时间，时间越久机器人角动量L其他越小，即：
相对于地面系ω其他减小，L其他也减小；而动量轮4相对恒速运动于壳体1中，动量轮4相对壳体1的角动量L轮不变，相对于壳体1的ω轮不变；为了克服壳体1受到的阻力，保持壳体1的速度ω其他，需要动量轮4相对壳体1再做加速运动，产出F＝J轮×a/R的动力与阻力f相抵消，但动量轮4已达最大速度，这显然是不可能的。
而可变惯量动量轮4可以通过减小动量轮4的惯量，虽然减小减速时与阻力矩Tf同向的力矩，但是由于J轮变了，所以减速与加速产生的动量不同：设变惯量动量轮两种状态J轮min＜J轮max，加减速时匀角加速度a相同，则可得加减速角动量L＝J轮×a×t，由于J轮min＜J轮max，所以L轮min＜L轮max，即，减小动量轮惯量后减速，再增加动量轮4惯量后加速，加速产生的角动量大于减速产生的角动量；动量轮4对于罩壳的角动量增加了，由于角动量守恒，壳体1的角动量L其他也相较于原来增加了，机器人能够克服阻力f带来的影响继续前进。
飞行模式：
如图3所示，飞行模式下，机器人旋翼23展开，通过旋翼23产生升力来飞行，再通过旋翼23与动量轮4耦合控制飞行姿态。
对于此飞行控制而言，控制矢量类似于常规旋翼式飞行器，由升力的分力产生；通过由于RPY系中，Roll和Pitch为同一个平面中相垂直的两个转轴，所以可以互换，如旋翼差动控制Roll方向力矩、两侧动量轮4同向转动产生Pitch力矩、两侧动量轮4反向转动产生Yaw力矩，或旋翼23差动产生Pitch力矩、两侧动量轮4通向转动产生Roll力矩、动量轮4差动产生Yaw力矩。
旋翼23产生的升力：F＝kL×A×ω×r，其中
kL是旋翼23升力系数，A是旋翼23翼面积，ω是旋翼23角速度，r是旋翼23等效半径；当左右两侧旋翼23ω左和ω右不等时，两侧旋翼23产生的不等力即产生倾覆力矩|F左-F右|×臂长l＝T。
同样，两侧动量轮4产生的力矩T＝J轮×a，通过控制两侧动量轮4角加速度a可以产生同向或反向的力矩来。
由此，机器人能够实现正常旋翼飞行器的全部飞行功能。
综上所述，变惯量动量轮4既是陆地状态动力源，也是飞行状态的控制装置，陆地状态是通过变惯量动量轮4的加减速运动对本体产生反力矩(动量守恒)，从而以滚转的方式前进，同时动量轮4也可差动使机器人原地掉头；飞行状态是通过旋翼23提供升力，通过一对旋翼23与一对动量轮4提供控制；原理上是旋翼23差动提供滚转Roll力矩，动量轮4差动提供偏航Yaw力矩，动量轮4同步转动提供俯仰Pitch力矩，从而实现六自由度完全控制。
本发明机器人的结构紧凑，空间利用率高，最少使用一对旋翼23与一对动量轮4实现了两种运动模式，且在陆地和飞行模式下都具有较高的运动速度；陆地模式下由于其几乎只有地面摩擦与电机效率损失，所以运行效率较高且对于续航有益；相较等大的轮式机器人，本发明的球形机器人，对于坑洼的通过性也有帮助。如在通风管道等狭小且有高低落差的空间，机动性、适应性与生存性明显优于履带、轮式或旋翼等单一结构；同时扫描传感器布置于球形壳体1上，如二维激光测距传感器，在机器人行进过程中配合滚转方向能产生第三维扫描，从而可以实现快速的边走边扫，生成扫描数据，如slam建图等。
需要说明的是，在本文中，如若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种球形两栖机器人平台，其特征在于：包括壳体(1)，所述壳体(1)内转动设置有至少两条动量轮(4)，与所述动量轮(4)连接有动量轮驱动件(3)，与所述动量轮(4)连接的还有可变惯量调节组件(7)，可变惯量调节组件(7)用于调节动量轮(4)的转动惯量，所述壳体(1)两侧均铰接有旋翼升力组件(2)。
2.根据权利要求1所述的一种球形两栖机器人平台，其特征在于：所述可变惯量调节组件(7)包括设置在动量轮(4)转动轴线上的旋转件(71)以及设置在动量轮(4)内的若干个质量块(73)，所述旋转件(71)调节若干个质量块(73)至动量轮(4)转动轴线的间距。
3.根据权利要求2所述的一种球形两栖机器人平台，其特征在于：所述旋转件(71)转动端延伸至动量轮(4)内，所述质量块(73)靠近动量轮(4)内壁一端固定有弹性件(74)，所述弹性件(74)另一端与动量轮(4)内壁连接，所述动量轮(4)靠近旋转件(71)一端连接有曳引绳(72)，所述曳引绳(72)另一端与旋转件(71)转动端固定。
4.根据权利要求3所述的一种球形两栖机器人平台，其特征在于：所述动量轮驱动件(3)为动量轮驱动电机，所述旋转件(71)为惯量控制电机。
5.根据权利要求3所述的一种球形两栖机器人平台，其特征在于：所述动量轮(4)内设置有与质量块(73)位置相对应的限制条(75)，所述限制条(75)一端与动量轮(4)内壁固定，相邻设置的限制条(75)另一端交汇于动量轮(4)转动轴线处，且相互固定；所述旋转件(71)固定贯穿相邻设置的限制条(75)连接处，所述限制条(75)表面开设有可供质量块(73)滑动的凹槽，所述质量块(73)在动量轮(4)内的移动轨迹始终垂直于动量轮(4)的转动轴线。
6.根据权利要求1所述的一种球形两栖机器人平台，其特征在于：所述旋翼升力组件(2)的数量至少为两个，其对称设置在壳体(1)的两侧，动量轮(4)对称设置在壳体(1)内。
7.根据权利要求1所述的一种球形两栖机器人平台，其特征在于：所述壳体(1)包括外表面为圆弧形的承载架(11)，所述承载架(11)内部中空且两侧开口，所述承载架(11)两侧开口处固定有罩壳(12)，所述承载架(11)内设置有支架(6)，所述支架(6)两端均与承载架(11)内壁固定，所述动量轮驱动件(3)与支架(6)固定。
8.根据权利要求1所述的一种球形两栖机器人平台，其特征在于：所述壳体(1)表面开设有安装槽，所述安装槽内嵌入有传感器(8)。
9.根据权利要求1所述的一种球形两栖机器人平台，其特征在于：所述旋翼升力组件(2)包括旋翼罩壳(21)，所述旋翼罩壳(21)一侧外沿与罩壳(12)铰接，所述旋翼罩壳(21)内固定有旋翼电机(22)，所述旋翼电机(22)转动端固定有旋翼(23)。
10.根据权利要求9所述的一种球形两栖机器人平台，其特征在于：所述旋翼罩壳(21)与壳体(1)构成一球形结构。
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