CN114368255B - 一种水陆空多栖机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水陆空多栖机器人，它包括支撑臂、起落架、外壳、底座、轮翼机构和控制系统。每个支撑臂包括大臂、小臂、腕部三个关节，通过双连杆结构进行限位，关节处安装舵机提供运动动力；起落架包括支撑体和电机推杆，电机推杆直线运动完成支撑体的展开和复位；轮翼机构包括轮子和螺旋翼；底座和外壳作为机器人主体起到支撑作用；控制系统控制机器人支撑臂的形态，便可实现机器人实现水陆空多栖功能。

Description

一种水陆空多栖机器人

技术领域

本发明涉及一种多栖机器人，特别是涉及一种水陆空多栖机器人。

背景技术

当今机器人技术的不断发展与进步，向着着领域专业化和智能化方向不断前进。机器人满足不同需求的功能越来越丰富，动作越来越迅速和安全。在生活服务领域、工业生产实践领域、军用领域、医疗服务领域等机器人的应用越来越重要。一般来说，在空中工作的机器人在陆地上会收到很大的限制，而在地面运动的机器人往往不能在空中运动，这是因为一般的机器人换了一种环境缺少相应结构来实现运动，即仅能在一种环境下的运动而不是实现复杂环境的工作。因此，如果机器人工作周围的环境是多栖环境交汇影响，而如果机器人不能适应环境进行工作状态切换，那么这些机器人往往不能满足人们在生产实践中的需要。而多栖机器人可以在一个单独环境下工作，也可以实现从一个工作环境到另一个或者多种环境的工作条件转移，机器人活动范围将会受到很大的提高，比单一运动空间机器人更具有优势，性能更突出，效率更高。因此，研究多栖机器人具有很大的意义。

目前，国内外对多栖机器人已经做了大量的研究。比如我国哈工大研究的仿生机械蟹，外形如其名，结构似一只螃蟹，运动姿态主要由主体部分两侧各有的四条细肢控制，可以在平地向螃蟹一样平移，当然也能实现螃蟹做不到的前后运动和旋转。通过定制的防水保护橡胶处理之后，该机械蟹能够在水中运动，因此它是两栖机器人。

美国奥克兰大学研发机器人Loon Copter是一种可以飞行和潜水的水陆无人机。Loon Copter看着只是比一般的四轴飞行器机身稍长了一点，但是却能在三种不同条件下进行工作，它可不仅具有普通无人机在空中飞行的能力，还有像船一样在水面行驶的能力，甚至能像潜水艇一样潜入水下作业。从空中轻松的落到水面后，它可以靠着支架和机身上的旋翼在水中保持稳定，并且能任意调整前进方向。但开发的重点可不是让它变成船，LoonCopter的杀手锏是水下巡航能力，而位于机身下方的压载系统，就是它下潜的关键所在。在准备潜入水下时，Loon Copter四个旋转翼会停止工作，开始向圆筒形浮桶中泵水，于是，机身向一侧慢慢下沉，这样，螺旋翼的方向就由朝上变为朝后，借此来推动无人机的移动，而且只要预先输入目的地的GPS坐标及水深，它就会跟随预设航线收集数据、拍摄影像了。要是再想回到空中的话，只需排空浮箱中的水即可。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术和研究，提供一种能够实现水陆空三栖的机器人，使其能够在多种环境影响下进行自主工作。

本发明公开了一种水陆空多栖机器人，它包括支撑臂、起落架、外壳、底座、轮翼结构、控制系统；四个对称分布的支撑臂，每个支撑臂包括大臂、小臂、腕部三个关节，大臂与底座连接处通过双连杆结构进行限位，大臂与小臂连接处安装舵机提供运动动力，通过控制舵机旋转直接控制关节运动状态；起落架包括起落架支撑体和电机推杆，电机推杆直线运动完成起落架支撑体的展开和复位；轮翼结构包括轮子和螺旋翼；底座和外壳作为机器人主体起到支撑作用；控制系统控制整个机器人的运动。利用机器人的控制系统，改变支撑臂的工作状态，控制电机转速，实现机器人水陆空多栖功能。在空中时，使用电机带动螺旋翼飞速旋转产生升力，通过控制四个螺旋翼的转速实现机器人空中运动的要求；在水中时，螺旋翼通过支撑臂改变转轴方向，获得在水中前进的动力；在陆地上时，电机带动轮子使机器人运动。

进一步的，大臂旋转角度范围为0°~90°，可从水平状态向下转变为竖直状态；小臂可相对于大臂向上或向下各旋转90°，旋转角度范围共180°，腕部旋转角度为360°。

进一步的，所述的双连杆结构，包括连杆AB、连杆BC和连杆CD，连杆AB的一端铰接在底座上，连杆AB的另一端与连杆BC的一端铰接，连杆BC的另一端与连杆CD铰接，所述的大臂侧边与连杆CD连接固定为一体，大臂跟随双连杆结构同步运动，该连接的连杆CD轴线与大臂轴线夹角固定，底座上安装的限位装置，限制连杆AB的运动轨迹，致使与双连杆一起运动的大臂，上升的极限位置为水平位置。

在一个具体实施方式中，所述大臂，小臂和腕部，都预先设有安装孔和连接处。采用铰接的连接方式，使大臂一端连接底座，另一端连接小臂，利用对锁螺钉将其相互连接的关节锁紧。保证四个支撑臂相互对称。

作为优选，大臂与底座之间的双连杆结构，通过对锁螺钉铰接。使大臂能在限位块的范围内运动。所述的小臂，包括小臂转动连接部和舵机，舵机的回转轴通过舵机轴连接部实现与大臂铰接，舵机安装在小臂转动连接部内，组成小臂关节，小臂转动连接部为中空设计，一端的内部安装有舵机，另一端与腕部进行连接。

作为优选，所述的腕部，也就是电机安装架，与小臂同一轴线连接，末端安装无刷直流伺服电机，该电机为双轴电机，电机轴上安装轮翼结构。

进一步的，使所述的控制系统硬件和电源，固定在底座上。在电机安装架上安装轮子和螺旋翼，使轮子和螺旋翼能够自由转动并且不脱落，轮子和螺旋翼分别安装在双轴电机的两侧，由同一个电机驱动，二者不会同时工作。

进一步的，所述的起落架包括起落架支撑体、起落架连杆、电机推杆和起落架安装盒，起落架安装盒通过卡扣安装在机器人底座上的预留位置，双起落架支撑体通过螺钉安装在起落架支撑体的收纳位置，活动范围有0°~90°，可从水平状态变为竖直状态，起落架连杆一端连接电机推杆，另一端连接起落架支撑体，电机推杆安装在机器人底座上，作为起落架降下和收起的动力源，电机推杆伸出时，带动起落架连杆向下运动；起落架连杆运动带动起落架支撑体绕轴运动，实现起落架的展开；反之，起落架降下。

进一步的，所述的底座，形状为多边形盒装，内部中空，作为支撑臂的主体构架，对整个机体起到支撑作用，用来搭载控制系统与电源等结构，底座材料选用复合结构材料，内外两层为碳纤维材料，中间防水夹层，碳纤维层可以作为机体支撑，在外界负载的作用下保证机体强度，保护内部元器件以及防水夹层的稳定性，防水夹层主要起防水作用，而碳纤维疏松不吸水，那么机体脱离水环境后可以快速脱水。

进一步的，所述的外壳，材料选用与底座相同，形状采用流线型弧线，提高机器在运行时的稳定性，减小受到的阻力，保护系统控制结构不受外界环境的干扰和破坏。

最后外壳与底座相互连接，并且进行密封处理。

本发明在使用时，在空中飞行状态时，如图1所示：通过控制四旋翼的转速调节运动的位置和姿态,可以得到任意范围内的转速，实现机器人的垂直运动；通过控制相邻一对螺旋翼的转速增加或减少来实现机器人的俯仰运动(前后飞行)；将一对相邻的旋翼的转速增加或减少来实现翻滚运动(左右飞行)；通过控制不相邻的两个螺旋翼的转速减少并且要转速大小相同，使之小于另两个相同转速的螺旋翼实现机器人的偏航运动(左右转向)。

潜入水中时，如图4所示：机器人由四旋翼驱动，驱动力相同保证平稳，四旋翼支持结构可绕Z轴偏转来导向，在旋转90°状态可以让机器人直接左右移动而不需要转弯。如图5所示：当机器人需要从水中升降时，将旋翼转到XY平面内，实现驱动力方向的变化。

在陆地上运动时，机器人以轮式结构运动并且有两种不同的状态：如图6所示主体部分比较贴近地面，有利于提高运动速度和平稳性。如图7所示，当需要躲避障碍物或者通过较窄通道时，四条腿中间部分支撑抬高主体。

在陆地上，机器人利用电机驱动轮式机构运动，在空中飞行和水中运动则通过利用旋翼结构。轮子和螺旋翼分别安装在四臂末端的电机架双轴电机的两侧，电机轴直接控制控制螺旋翼或者轮的转动来提供动力，当螺旋翼或轮子工作时，电机切换不同转速，在水中或者在空中时电机的转速高，在陆地上时，由于速度较低，电机的转速较慢。

在从飞行状态转换为陆地运动状态时，机器人逐渐减速接近地面同时主体底部的支撑架逐渐摆出接触地面进行支撑，然后旋翼转到竖直内，此时轮子处于悬空状态，支撑架逐渐缩回底部同时轮下降接触地面支撑，电机驱动动力提供给轮子转动。

从陆地状态转换到空中飞状态则是起落支撑架逐渐下降支撑起机体轮浆复合结构旋转到水平面内，螺旋翼旋转升空后支撑架快速收回主体底部。

机器人飞行模式和机器人水下模式切换，机器人可以向潜艇一样潜入水下悬停在水中某一位置，也可以自由左右上下移动。飞行模式下机器人可以上升下降、悬停在空中、翻滚和偏航等运动动作。在空中飞行时如上图所示相同飞行时，旋翼在水平面内且驱动力相同时可以实现上升和下降。旋翼偏转角度来控制转向。

附图说明

图1为本发明一个优选实施例的立体示意图。

图2为机器人支撑臂的放大示意图

图3为本实施中起落架工作时的状态示意图

图4为本实施中机器人在水中前进时的状态示意图

图5为本实施中机器人在水中上升时的状态示意图

图6为本实施中机器人在陆地上切近地面运动的状态示意图

图7为本实施中机器人在陆地上抬高底座运动的状态示意图

图示序号：

1—水陆空多栖机器人，11—外壳，12—底座，13—连杆AB，14—连杆BC，15—连杆CD，16—轮子，17—螺旋翼

2—机器人支撑臂，21—大臂，22—舵机轴连接部，23—舵机，24—小臂转动连接部，25—腕部(电机安装架)

3—机器人起落架，31—起落架安装盒，32—电机推杆，33—起落架连杆，34—起落架支撑体

具体实施方式

如图1所示：一本实施例提供的水陆空多栖机器人，它包括支撑臂2、起落架3、外壳11、底座12、轮翼结构、控制系统。

如图2所示，大臂21、小臂转动连接部24和腕部25，都预先设有安装孔和连接处。舵机23安装在小臂转动连接部24内，组成小臂关节。利用对锁螺钉将其相互连接的关节锁紧，保证四个支撑臂相互对称。

如图1所示，大臂与底座之间的双连杆结构，通过对锁螺钉铰接。使大臂能在限位块的范围内运动。控制系统硬件和电源，固定在底座12上。在电机安装架上安装轮子16和螺旋翼17，使轮子和螺旋翼能够自由转动并且不脱落。最后外壳11与底座12相互连接，并且进行密封处理。

Claims (4)

1.一种水陆空多栖机器人，其特征在于：包括支撑臂、起落架、外壳、底座、轮翼结构、控制系统；四个对称分布的支撑臂，每条支撑臂包括大臂、小臂、腕部三个关节，大臂旋转角度范围为0°~90°，可从水平状态向下转变为竖直状态；小臂可相对于大臂向上或向下各旋转90°，腕部旋转角度为360°，大臂与底座连接处有一个双连杆结构，起到连接和限位作用，所述的双连杆结构，包括连杆AB、连杆BC和连杆CD，连杆AB的一端铰接在底座上，连杆AB的另一端与连杆BC的一端铰接，连杆BC的另一端与连杆CD铰接，所述的大臂侧边与连杆CD连接固定为一体，大臂跟随双连杆结构同步运动，该连接的连杆CD轴线与大臂轴线夹角固定，底座上安装的限位装置，限制连杆AB的运动轨迹，致使与双连杆一起运动的大臂，上升的极限位置为水平位置，大臂与小臂连接处采用舵机连接与驱动，通过控制舵机旋转直接控制关节运动状态；采用铰接的连接方式，使大臂一端连接底座，另一端连接小臂，整条支撑臂采用对锁螺钉进行连接；所述的小臂，包括小臂转动连接部和舵机，舵机的回转轴通过舵机轴连接部实现与大臂铰接，小臂转动连接部为中空设计，一端的内部安装有舵机，另一端与腕部进行连接；所述的腕部，与小臂同一轴线连接，末端安装无刷直流伺服电机，该电机为双轴电机，电机轴上安装轮翼结构，所述的轮翼结构，包括轮子和螺旋翼，分别安装在双轴电机的两侧，由同一个电机驱动，二者不会同时工作；起落架包括起落架支撑体和电机推杆，电机推杆直线运动完成起落架支撑体的展开和复位；底座和外壳作为机器人主体起到支撑作用；控制系统控制整个机器人的运动，利用机器人的控制系统，改变支撑臂的工作状态，控制电机转速，实现机器人水陆空多栖功能。

2.如权利要求1所述的水陆空多栖机器人，其特征在于：所述的起落架包括起落架支撑体、起落架连杆、电机推杆和起落架安装盒，起落架安装盒通过卡扣安装在机器人底座上的预留位置，双起落架支撑体通过螺钉安装在起落架支撑体的收纳位置，活动范围有0°~90°，可从水平状态变为竖直状态，起落架连杆一端连接电机推杆，另一端连接起落架支撑体，电机推杆安装在机器人底座上，作为起落架降下和收起的动力源，电机推杆伸出时，带动起落架连杆向下运动；起落架连杆运动带动起落架支撑体绕轴运动，实现起落架的展开；反之，起落架降下。

3.如权利要求2所述的水陆空多栖机器人，其特征在于：所述的底座，形状为多边形盒装，内部中空，作为支撑臂的主体构架，对整个机体起到支撑作用，用来搭载控制系统与电源等结构，底座材料选用复合结构材料，内外两层为碳纤维材料，中间防水夹层，碳纤维层可以作为机体支撑，在外界负载的作用下保证机体强度，保护内部元器件以及防水夹层的稳定性，防水夹层主要起防水作用，而碳纤维疏松不吸水，那么机体脱离水环境后可以快速脱水。

4.如权利要求3所述的水陆空多栖机器人，其特征在于：所述的外壳，材料选用与底座相同，形状采用流线型弧线，提高机器在运行时的稳定性，减小受到的阻力，保护系统控制结构不受外界环境的干扰和破坏。