CN115157947A - 一种陆空两栖变构型机器人 - Google Patents

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Abstract

一种陆空两栖变构型机器人，涉及机器人飞行器技术领域。为解决现有的陆空两栖机器人普遍存在体积大，结构集成度差，地面机动及飞行效率低，无法通过狭窄崎岖地形的问题。机身两端分别设有一个复合运动关节，每个复合运动关节的输出端与陆空变换关节的输入端连接，陆空变换关节的输出端与变形轮的中心孔固定连接，机身的正面由上到下依次设有电源模块和相机，机身的背面中部上端设有支撑尾杆，机身的上表面中部设有控制模块，电源模块用于对复合运动关节、陆空变换关节、变形轮、光流模块、控制模块和相机进行供电。本发明适用于机器人飞行器技术领域。

Description

一种陆空两栖变构型机器人
技术领域
本发明涉及机器人飞行器技术领域，具体涉及一种陆空两栖变构型机器人。
背景技术
目前，在城市、高原等灾难救援任务环境中，涉及平坦路面、崎岖地形、大型障碍等多种复合环境，对移动机器人机动能力提出挑战。现有的地面移动机器人视角和活动能力有限，旋翼无人机能量损耗大，续航能力不足，因此传统单域机器人平台难以满足需求。陆空两栖机器人既能在陆地上长时间执行任务，又能在空中飞行跨越障碍，能够满足复杂灾难救援环境的使用需求，近年来得到了发展。
现有的陆空两栖机器人一般为四旋翼叠加轮式移动平台结构；中国专利，(公开号CN202111077294.4，申请日：2021-09-15)公开了一种陆空两栖多模态运载平台，该平台为三层结构，上层设置为可折叠的四旋翼机，中层设置为支架和俯仰协调机构，下层设置为地面行驶装置，该专利公开的结构复杂，飞行与地面运动机构隔离为不同模块，体积大且笨拙。
中国专利，(公开号：CN201710472290.3，申请日：2017-06-21)公开了一种陆空两栖移动机器人，采用旋翼直接作为陆地行驶轮子使用的技术方案，但该专利地面机动效率低，地面机动越障能力不足。
综上所述，现有的陆空两栖机器人普遍存在体积大，结构集成度差，地面机动及飞行效率低，无法通过狭窄崎岖地形的问题。
发明内容
本发明为解决现有的陆空两栖机器人普遍存在体积大，结构集成度差，地面机动及飞行效率低，无法通过狭窄崎岖地形的问题，而提出一种陆空两栖变构型机器人。
本发明的一种陆空两栖变构型机器人，其具体结构包括机身1、复合运动关节2、陆空变换关节3、变形轮4、光流模块5、支撑尾杆6、控制模块7、相机8和电源模块9；
机身1两端分别设有一个复合运动关节2，每个复合运动关节2的输出端与陆空变换关节3的输入端连接，陆空变换关节3的输出端与变形轮4的中心孔固定连接，机身1的正面由上到下依次设有电源模块9和相机8，机身1的背面中部上端设有支撑尾杆6，机身1的上表面中部设有控制模块7，电源模块9用于对复合运动关节2、陆空变换关节3、变形轮4、光流模块5、控制模块7和相机8进行供电；
进一步的，所述的复合运动关节2包括复合运动关节驱动电机201、齿轮组202、复合运动关节输出轴203、复合运动关节基座204和导电滑环205；
复合运动关节基座204一侧设有齿轮组202，复合运动关节基座204的内部底面设有复合运动关节驱动电机201，复合运动关节驱动电机201的输出轴与齿轮组202其中一个齿轮的中心孔连接，复合运动关节输出轴203的一端穿过齿轮组202中另一个齿轮的中心孔之后，插入导电滑环205；
进一步的，所述的陆空变换关节3包括陆空变换关节右半壳体301、圆形凸台302、陆空变换电机303和陆空变换关节左半壳体304；
陆空变换关节左半壳体304的一端与陆空变换关节右半壳体301的一端铰连接，且陆空变换关节左半壳体304内部两个铰连接点之间设有陆空变换电机303，陆空变换电机303的输出端穿过陆空变换关节左半壳体304之后，与陆空变换关节右半壳体301的内侧连接，陆空变换关节左半壳体304的另一端侧面中部设有圆形凸台302，且该圆形凸台302与变形轮4的中心孔连接，陆空变换关节右半壳体301的另一端通过法兰与复合运动关节输出轴203的另一端连接；
进一步的，所述的控制模块7包括RaspberryPI4B中央控制芯片、ARKGPS传感器和WT931惯性传感器；
RaspberryPI4B中央控制芯片的一号SPI接口与ARKGPS传感器的输出端连接，RaspberryPI4B中央控制芯片的UART-0接口与WT931惯性传感器的输出端连接；
进一步的，所述的变形轮4包括内圈轮毂4-1、变构型电机4-2、驱动卷筒4-3、驱动绳4-4、外圈轮毂4-6、旋翼电机4-7、螺旋桨4-8和三个轮腿构件4-5；内圈轮毂4-1主体为三叉星形结构4-1-1，所述三叉星形结构4-1-1的外围同轴设有圆壳结构4-1-2，所述圆壳结构4-1-2与三叉星形结构4-1-1的三个分叉外沿固定连接；外圈轮毂4-6与内圈轮毂4-1结构相同，外圈轮毂4-6与内圈轮毂4-1平行且对称布置，外圈轮毂4-6的三个分叉外沿分别通过三个轮毂连接件4-1-3与内圈轮毂4-1的三个分叉外沿固定连接并保持固定距离；内圈轮毂4-1与外圈轮毂4-6之间设有旋翼电机4-7和螺旋桨4-8，旋翼电机4-7的壳体与内圈轮毂4-1固定连接，旋翼电机4-7的输出轴与螺旋桨4-8固定连接，内圈轮毂4-1远离螺旋桨4-8的一侧设有变构型电机4-2，所述变构型电机4-2的外壳与内圈轮毂4-1的一支分叉固定连接，变构型电机4-2的输出轴与驱动卷筒4-3固定连接；旋翼电机4-7的输出轴转动带动螺旋桨4-8转动，高速旋转的螺旋桨4-8所形成的气流穿过内圈轮毂4-1产生升力，从而为三模态变形轮及装有该三模态变形轮的机器人提供足够的飞行升力；轮腿构件4-5为圆弧形结构，三个轮腿构件4-5后端分别与连接内圈轮毂4-1与外圈轮毂4-6的三个轮毂连接件4-1-3转动连接，每个轮腿构件4-5的转动连接处均设有卷筒结构4-5-1，驱动绳4-4沿同一方向缠绕驱动卷筒4-3和三个轮腿构件4-5的卷筒结构4-5-1，驱动绳4-4将驱动卷筒4-3和三个轮腿构件4-5拉紧连接在一起；变构型电机4-2的输出轴转动带动驱动卷筒4-3转动，驱动卷筒4-3带动驱动绳4-4运动，在驱动绳4-4的拉力作用下，三个轮腿构件4-5分别绕内圈轮毂4-1和/或外圈轮毂4-6的边缘同步旋转，实现轮腿构件4-5伸出和收回，进而实现三模态变形轮的展开和闭合，完成轮式模态和轮辐式模态的相互切换；
进一步的，内圈轮毂4-1和/或外圈轮毂4-6的三叉星形结构4-1-1的三个分叉外沿分别设有三个轮毂连接孔4-1-4，内圈轮毂4-1的三叉星形结构4-1-1的三个分叉外沿与外圈轮毂4-6的三叉星形结构4-1-1的三个分叉外沿之间分别同轴心设有三个轴套4-1-301，每个轴套4-1-301内部插设有一个轴肩螺钉4-1-302，所述轴肩螺钉4-1-302的两端分别与内圈轮毂4-1和外圈轮毂4-6固定连接；
进一步的，轮腿构件4-5主体为圆弧形板状结构4-5-2，所述圆弧形板状结构4-5-2的内侧沿圆周方向平行且对称布置有两个弧形支撑板4-5-3，两个弧形支撑板4-5-3的外围与圆弧形板状结构4-5-2内侧面固定连接，两个弧形支撑板4-5-3的后端分别设有相对的两个轴孔，每个轴孔内分别嵌装一个轴承4-1-303，弧形支撑板4-5-3通过轴承4-1-303与连接内圈轮毂4-1和外圈轮毂4-6的轴套4-1-301连接。
进一步的，轮腿构件4-5的前端设有圆筒形结构4-5-4，轮腿构件4-5后端设有凹槽4-5-5，当三模态变形轮处于闭合状态时，各个轮腿构件4-5的前端与前一个轮腿构件4-5的后端凹槽4-5-5嵌合，此时车轮运动受到的径向力可将各个轮腿构件4-5锁紧在闭合位置。
进一步的，轮腿构件4-5的转动连接处两侧分别设有限位凸台结构4-5-6，当三模态变形轮处于展开状态时，轮腿构件4-5两侧的限位凸台结构4-5-6分别与内圈轮毂4-1和外圈轮毂4-6的圆壳结构4-1-2接触贴合，此时车轮运动使轮腿构件4-5受到地面的反作用力，可将各个轮腿构件4-5锁紧在展开位置。
进一步的，轮腿构件4-5的外沿为标准圆弧形，圆弧角度为120°，当三个轮腿构件4-5旋转收回时，轮腿构件4-5的外沿圆弧与内圈轮毂4-1和/或外圈轮毂4-6同轴心，此时三模态变形轮处于轮式模态，三个轮腿构件4-5组成完整的圆轮；当轮腿构件4-5旋转伸出至预设角度时，此时三模态变形轮处于轮辐式模态，三个轮腿构件4-5组成轮辐构型。
进一步的，旋翼电机4-7和螺旋桨4-8、内圈轮毂4-1和外圈轮毂4-6同轴心设置。
进一步的，内圈轮毂4-1的一支分叉上设有电机安装孔，变构型电机4-2的外壳通过连接螺栓与内圈轮毂4-1固定连接。
进一步的，轮腿构件4-5的弧形支撑板4-5-3上设有多个第一减重孔4-5-7，内圈轮毂4-1和外圈轮毂4-6的三叉星形结构4-1-1上设有多个第二减重孔4-1-5。
进一步的，驱动绳4-4的数量为一根，驱动卷筒4-3的弦线方向开设有两个贯穿于驱动卷筒4-3的第一限位孔，所述驱动卷筒4-3上缠绕有多圈驱动绳4-4，其中一圈驱动绳4-4穿过两个第一限位孔并与驱动卷筒4-3固定连接，每个轮腿构件4-5的卷筒结构4-5-1的弦线方向开设有两个贯穿于卷筒结构4-5-1的第二限位孔，所述卷筒结构4-5-1上缠绕有多圈驱动绳4-4，其中一圈驱动绳4-4穿过两个第二限位孔并与卷筒结构4-5-1固定连接；
进一步的，所述的RaspberryPI4B中央控制芯片的二号SPI接口与复合运动关节驱动电机201连接，RaspberryPI4B中央控制芯片的TTLBUS接口与陆空变换电机303连接，且陆空变换电机303的TTLBUS接口与变构型电机4-2的输入端连接，RaspberryPI4B中央控制芯片的三号SPI接口与光流模块5的输出端连接，RaspberryPI4B中央控制芯片的USB接口与相机8的输出端连接；
进一步的，所述的相机8为intel双目相机T265；光流模块5为PX4FLOW传感器；
进一步的，机器人在平地模式下为两轮车构型，通过差速驱动方式控制机器人运动，利用复合运动关节2驱动陆空变换关节3和变形轮4的整体进行360度旋转，并控制速度；两侧变形轮4速度相同情况下，速度大于0则机器人直线前进，速度小于0则机器人后退；左侧变形轮4速度大于右侧时，机器人向右转弯；右侧变形轮4速度大于左侧时，机器人向左转弯；
机器人在飞行模式下为倾转双旋翼构型，两个变形轮4上的螺旋桨4-8为机器人提供推力，两个复合运动关节2控制陆空变换关节3和变形轮4的整体倾转角度。通过控制两个螺旋桨4-8的差速旋转可实现机器人横滚运动：左侧螺旋桨4-8速度大于右侧时，机器人正向横滚运动，反之则反向横滚运动；通过控制两个复合运动关节2的同向旋转，可实现机器人的俯仰运动：两侧复合运动关节2旋转角度为正值时，机器人正向俯冲，反之则反向后仰；通过控制两个复合运动关节2的反向旋转，可实现机器人的偏航运动：右侧复合运动关节2旋转角度为正值，而左侧复合运动关节2旋转角度为负值时，机器人正向偏航运动，反之则反向偏航运动；
陆空两栖变构型机器人可进行平地模式和越障模式的双向切换，具体方式为：保持陆空变换关节3旋转至0度位置，控制变形轮4的闭合/展开，机器人即进入平地/越障模式；陆空两栖变构型机器人可进行平地模式和飞行模式的双向切换，具体方式为：保持变形轮4处于闭合状态，控制陆空变换关节3旋转至0度/90度位置，机器人即进入平地/飞行模式；陆空两栖变构型机器人越障模式和飞行模式的相互切换须经过平地模式。越障模式切换到飞行模式具体路线为：越障模式—>平地模式—>飞行模式；飞行模式切换到越障模式具体路线为：飞行模式—>平地模式—>越障模式。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明的陆空机器人的三模态变形轮具有轮式、轮辐式、飞行三种运动模式。同时具有地面高速机动能力、地面越障能力以及飞行能力。三模态变形轮通过变构型电机旋转带动驱动绳运动，在驱动绳的拉力作用下，轮腿构件绕内圈轮毂和/或外圈轮毂的边缘旋转，实现三模态变形轮的展开(轮辐式)和闭合(轮式)，提高三模态变形轮的地面越障能力。同时，旋翼电机及螺旋桨可产生升力，实现三模态变形轮的飞行能力。所述三模态变形轮显著增强了其越障能力和环境适应性，从而可以通过狭窄崎岖地形。
2、本发明的陆空机器人的三模态变形轮采用绳传动方式进行轮和轮辐模态的变形切换，采用绳传动方式带动三个轮腿构件旋转运动，并进行了轻量化设计，结构及控制方法简单，极大地减轻了整体重量。与其他传动方式相比较，绳对旋翼气流的影响最小，保证了飞行模态的运动效率。同时减小了整个三模态变形轮的质量和转动惯量，因此提高了飞行控制的稳定裕度以及各个运动模态的续航时间。
3、本发明的陆空机器人的三模态变形轮安装有旋翼机构，旋翼气流可穿过内圈轮毂产生升力，为三模态变形轮和装有该三模态变形轮的机器人实现飞行运动提供动力基础。
4、本发明采用机身两端分别设有一个复合运动关节，每个复合运动关节的输出端与陆空变换关节的输入端连接，陆空变换关节的输出端与变形轮的中心孔固定连接，利用两个运动关节对变形轮的姿态进行改变，从而实现飞行和陆地运动的功能，进而实现了对复合运动关节、陆空变换关节和变形轮的高度集成化，结构高度集中，从而可以减小机器人的体积，重量更轻。
附图说明
图1是本发明所述的一种陆空两栖变构型机器人的三维立体示意图；
图2是本发明所述的一种陆空两栖变构型机器人的主视图；
图3是本发明所述的一种陆空两栖变构型机器人中变形轮展开状态下的三维示意图；
图4是本发明所述的一种陆空两栖变构型机器人中变形轮展开状态下的侧视图；
图5是本发明所述的一种陆空两栖变构型机器人在飞行状态下的三维立体示意图；
图6是本发明所述的一种陆空两栖变构型机器人在飞行状态下的主视图；
图7是本发明所述的一种陆空两栖变构型机器人中复合运动关节的三维立体示意图；
图8是本发明所述的一种陆空两栖变构型机器人中陆空变换关节的水平方向的三维立体示意图；
图9是本发明所述的一种陆空两栖变构型机器人中陆空变换关节的纵向方向的三维立体示意图；
图10是本发明所述的一种陆空两栖变构型机器人中电气控制的连接示意图；
图11是本发明所述的一种陆空两栖变构型机器人中变形轮的结构示意图；
图12是本发明所述的一种陆空两栖变构型机器人中变形轮去掉一个轮腿构件和外圈轮毂后的结构示意图；
图13是本发明所述的一种陆空两栖变构型机器人中变形轮的轮式模态的结构示意图；
图14是本发明所述的一种陆空两栖变构型机器人中变形轮的轮辐式模态的结构示意图；
图15是本发明所述的一种陆空两栖变构型机器人中变形轮的轮腿构件及其限位结构示意图；
图16是本发明所述的一种陆空两栖变构型机器人中变形轮的轮腿构件闭合状态限位示意图；
图17是本发明所述的一种陆空两栖变构型机器人中变形轮的轮腿构件展开状态限位示意图；
图18是本发明所述的一种陆空两栖变构型机器人中变形轮的飞行模态的结构示意图；
图19是本发明所述的一种陆空两栖变构型机器人中变形轮的内圈轮毂和变构型电机的安装示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图6、图11至图19说明本实施方式，本实施方式所述的一种陆空两栖变构型机器人，其具体结构包括机身1、复合运动关节2、陆空变换关节3、变形轮4、光流模块5、支撑尾杆6、控制模块7、相机8和电源模块9；
机身1两端分别设有一个复合运动关节2，每个复合运动关节2的输出端与陆空变换关节3的输入端连接，陆空变换关节3的输出端与变形轮4的中心孔固定连接，机身1的正面由上到下依次设有电源模块9和相机8，机身1的背面中部上端设有支撑尾杆6，机身1的上表面中部设有控制模块7，电源模块9用于对复合运动关节2、陆空变换关节3、变形轮4、光流模块5、控制模块7和相机8进行供电；
所述的变形轮4包括内圈轮毂4-1、变构型电机4-2、驱动卷筒4-3、驱动绳4-4、外圈轮毂4-6、旋翼电机4-7、螺旋桨4-8和三个轮腿构件4-5；内圈轮毂4-1主体为三叉星形结构4-1-1，所述三叉星形结构4-1-1的外围同轴设有圆壳结构4-1-2，所述圆壳结构4-1-2与三叉星形结构4-1-1的三个分叉外沿固定连接；外圈轮毂4-6与内圈轮毂4-1结构相同，外圈轮毂4-6与内圈轮毂4-1平行且对称布置，外圈轮毂4-6的三个分叉外沿分别通过三个轮毂连接件4-1-3与内圈轮毂4-1的三个分叉外沿固定连接并保持固定距离；内圈轮毂4-1与外圈轮毂4-6之间设有旋翼电机4-7和螺旋桨4-8，旋翼电机4-7的壳体与内圈轮毂4-1固定连接，旋翼电机4-7的输出轴与螺旋桨4-8固定连接，内圈轮毂4-1远离螺旋桨4-8的一侧设有变构型电机4-2，所述变构型电机4-2的外壳与内圈轮毂4-1的一支分叉固定连接，变构型电机4-2的输出轴与驱动卷筒4-3固定连接；旋翼电机4-7的输出轴转动带动螺旋桨4-8转动，高速旋转的螺旋桨4-8所形成的气流穿过内圈轮毂4-1产生升力，从而为三模态变形轮及装有该三模态变形轮的机器人提供足够的飞行升力；轮腿构件4-5为圆弧形结构，三个轮腿构件4-5后端分别与连接内圈轮毂4-1与外圈轮毂4-6的三个轮毂连接件4-1-3转动连接，每个轮腿构件4-5的转动连接处均设有卷筒结构4-5-1，驱动绳4-4沿同一方向缠绕驱动卷筒4-3和三个轮腿构件4-5的卷筒结构4-5-1，驱动绳4-4将驱动卷筒4-3和三个轮腿构件4-5拉紧连接在一起；变构型电机4-2的输出轴转动带动驱动卷筒4-3转动，驱动卷筒4-3带动驱动绳4-4运动，在驱动绳4-4的拉力作用下，三个轮腿构件4-5分别绕内圈轮毂4-1和/或外圈轮毂4-6的边缘同步旋转，实现轮腿构件4-5伸出和收回，进而实现三模态变形轮的展开和闭合，完成轮式模态和轮辐式模态的相互切换；
本具体实施方式，机器人在平地模式下为两轮车构型，通过差速驱动方式控制机器人运动，利用复合运动关节2驱动陆空变换关节3和变形轮4的整体进行360度旋转，并控制速度；两侧变形轮4速度相同情况下，速度大于0则机器人直线前进，速度小于0则机器人后退；左侧变形轮4速度大于右侧时，机器人向右转弯；右侧变形轮4速度大于左侧时，机器人向左转弯；
机器人在飞行模式下为倾转双旋翼构型，两个变形轮4上的螺旋桨4-8为机器人提供推力，两个复合运动关节2控制陆空变换关节3和变形轮4的整体倾转角度。通过控制两个螺旋桨4-8的差速旋转可实现机器人横滚运动：左侧螺旋桨4-8速度大于右侧时，机器人正向横滚运动，反之则反向横滚运动；通过控制两个复合运动关节2的同向旋转，可实现机器人的俯仰运动：两侧复合运动关节2旋转角度为正值时，机器人正向俯冲，反之则反向后仰；通过控制两个复合运动关节2的反向旋转，可实现机器人的偏航运动：右侧复合运动关节2旋转角度为正值，而左侧复合运动关节2旋转角度为负值时，机器人正向偏航运动，反之则反向偏航运动；
陆空两栖变构型机器人可进行平地模式和越障模式的双向切换，具体方式为：保持陆空变换关节3旋转至0度位置，控制变形轮4的闭合/展开，机器人即进入平地/越障模式；陆空两栖变构型机器人可进行平地模式和飞行模式的双向切换，具体方式为：保持变形轮4处于闭合状态，控制陆空变换关节3旋转至0度/90度位置，机器人即进入平地/飞行模式；陆空两栖变构型机器人越障模式和飞行模式的相互切换须经过平地模式。越障模式切换到飞行模式具体路线为：越障模式—>平地模式—>飞行模式；飞行模式切换到越障模式具体路线为：飞行模式—>平地模式—>越障模式。
具体实施方式二：结合图11至图19说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的机器人的进一步的限定，本实施方式所述的一种陆空两栖变构型机器人，所述的内圈轮毂4-1和/或外圈轮毂4-6的三叉星形结构4-1-1的三个分叉外沿分别设有三个轮毂连接孔4-1-4，内圈轮毂4-1的三叉星形结构4-1-1的三个分叉外沿与外圈轮毂4-6的三叉星形结构4-1-1的三个分叉外沿之间分别同轴心设有三个轴套4-1-301，每个轴套4-1-301内部插设有一个轴肩螺钉4-1-302，所述轴肩螺钉4-1-302的两端分别与内圈轮毂4-1和外圈轮毂4-6固定连接；
所述的轮腿构件4-5主体为圆弧形板状结构4-5-2，所述圆弧形板状结构4-5-2的内侧沿圆周方向平行且对称布置有两个弧形支撑板4-5-3，两个弧形支撑板4-5-3的外围与圆弧形板状结构4-5-2内侧面固定连接，两个弧形支撑板4-5-3的后端分别设有相对的两个轴孔，每个轴孔内分别嵌装一个轴承4-1-303，弧形支撑板4-5-3通过轴承4-1-303与连接内圈轮毂4-1和外圈轮毂4-6的轴套4-1-301连接；
本具体实施方式，采用内圈轮毂4-1与外圈轮毂4-6之间保持固定距离，为内部安装旋翼电机4-7和螺旋桨4-8提供空间。旋翼电机4-7和螺旋桨4-8安装在内圈轮毂4-1和外圈轮毂4-6之间，并被三个轮腿构件4-5包络。
具体实施方式三：结合图11至图19说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的机器人的进一步的限定，本实施方式所述的一种陆空两栖变构型机器人，所述的轮腿构件4-5的前端设有圆筒形结构4-5-4，轮腿构件4-5后端设有凹槽4-5-5，当三模态变形轮处于闭合状态时，各个轮腿构件4-5的前端与前一个轮腿构件4-5的后端凹槽4-5-5嵌合，此时车轮运动受到的径向力可将各个轮腿构件4-5锁紧在闭合位置；
所述的轮腿构件4-5的转动连接处两侧分别设有限位凸台结构4-5-6，当三模态变形轮处于展开状态时，轮腿构件4-5两侧的限位凸台结构4-5-6分别与内圈轮毂4-1和外圈轮毂4-6的圆壳结构4-1-2接触贴合，此时车轮运动使轮腿构件4-5受到地面的反作用力，可将各个轮腿构件4-5锁紧在展开位置；
本具体实施方式，当三模态变形轮处于轮式模态时，能够通过相互配合的圆筒形结构4-5-4和凹槽4-5-5起到限位作用；当三模态变形轮处于轮辐式模态时，能够通过相互配合的限位凸台结构4-5-6和圆壳结构4-1-2起到限位作用。
具体实施方式四：结合图11至图19说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一或三所述的机器人的进一步的限定，本实施方式所述的一种陆空两栖变构型机器人，所述的轮腿构件4-5的外沿为标准圆弧形，圆弧角度为120°，当三个轮腿构件4-5旋转收回时，轮腿构件4-5的外沿圆弧与内圈轮毂4-1和/或外圈轮毂4-6同轴心，此时三模态变形轮处于轮式模态，三个轮腿构件4-5组成完整的圆轮；当轮腿构件4-5旋转伸出至预设角度时，此时三模态变形轮处于轮辐式模态，三个轮腿构件4-5组成轮辐构型；
所述的旋翼电机4-7和螺旋桨4-8、内圈轮毂4-1和外圈轮毂4-6同轴心设置；内圈轮毂4-1的一支分叉上设有电机安装孔，变构型电机4-2的外壳通过连接螺栓与内圈轮毂4-1固定连接；
本具体实施方式，当处于轮辐式模态的三模态变形轮可以越过一定高度的障碍物，提高了地形适应能力。
具体实施方式五：结合图11至图19说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的机器人的进一步的限定，本实施方式所述的一种陆空两栖变构型机器人，所述的轮腿构件4-5的弧形支撑板4-5-3上设有多个第一减重孔4-5-7，内圈轮毂4-1和外圈轮毂4-6的三叉星形结构4-1-1上设有多个第二减重孔4-1-5；
驱动绳4-4的数量为一根，驱动卷筒4-3的弦线方向开设有两个贯穿于驱动卷筒4-3的第一限位孔，所述驱动卷筒4-3上缠绕有多圈驱动绳4-4，其中一圈驱动绳4-4穿过两个第一限位孔并与驱动卷筒4-3固定连接，每个轮腿构件4-5的卷筒结构4-5-1的弦线方向开设有两个贯穿于卷筒结构4-5-1的第二限位孔，所述卷筒结构4-5-1上缠绕有多圈驱动绳4-4，其中一圈驱动绳4-4穿过两个第二限位孔并与卷筒结构4-5-1固定连接；
本具体实施方式，通过在结构上开设减重孔进行了轻量化设计，有效地减轻了三模态变形轮的整体重量；并且在驱动卷筒3和卷筒结构5-1的弦线方向开设限位孔，卷筒上缠绕多圈驱动绳4，其中一圈穿过限位孔就可以固定牢靠，不需要防滑层。
具体实施方式六：结合图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的机器人的进一步的限定，本实施方式所述的一种陆空两栖变构型机器人，所述的复合运动关节2包括复合运动关节驱动电机201、齿轮组202、复合运动关节输出轴203、复合运动关节基座204和导电滑环205；
复合运动关节基座204一侧设有齿轮组202，复合运动关节基座204的内部底面设有复合运动关节驱动电机201，复合运动关节驱动电机201的输出轴与齿轮组202其中一个齿轮的中心孔连接，复合运动关节输出轴203的一端穿过齿轮组202中另一个齿轮的中心孔之后，插入导电滑环205。
具体实施方式七：结合图8和图9说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的机器人的进一步的限定，本实施方式所述的一种陆空两栖变构型机器人，所述的陆空变换关节3包括陆空变换关节右半壳体301、圆形凸台302、陆空变换电机303和陆空变换关节左半壳体304；
陆空变换关节左半壳体304的一端与陆空变换关节右半壳体301的一端铰连接，且陆空变换关节左半壳体304内部两个铰连接点之间设有陆空变换电机303，陆空变换电机303的输出端穿过陆空变换关节左半壳体304之后，与陆空变换关节右半壳体301的内侧连接，陆空变换关节左半壳体304的另一端侧面中部设有圆形凸台302，且该圆形凸台302与变形轮4的中心孔连接，陆空变换关节右半壳体301的另一端通过法兰与复合运动关节输出轴203的另一端连接。
具体实施方式八：结合图10说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的机器人的进一步的限定，本实施方式所述的一种陆空两栖变构型机器人，所述的控制模块7包括RaspberryPI4B中央控制芯片、ARKGPS传感器和WT931惯性传感器；
RaspberryPI4B中央控制芯片的一号SPI接口与ARKGPS传感器的输出端连接，RaspberryPI4B中央控制芯片的UART-0接口与WT931惯性传感器的输出端连接。
具体实施方式九：结合图10说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式八所述的机器人的进一步的限定，本实施方式所述的一种陆空两栖变构型机器人，所述的RaspberryPI4B中央控制芯片的二号SPI接口与复合运动关节驱动电机201连接，RaspberryPI4B中央控制芯片的TTLBUS接口与陆空变换电机303连接，且陆空变换电机303的TTLBUS接口与变构型电机4-2的输入端连接，RaspberryPI4B中央控制芯片的三号SPI接口与光流模块5的输出端连接，RaspberryPI4B中央控制芯片的USB接口与相机8的输出端连接；
本具体实施方式，使用卡尔曼滤波状态估计算法，融合惯性传感器z轴加速度和光流模块5的高度测量值可实现无人机的高度定位，融合惯性传感器xy轴加速度和GPS传感器的测量值可实现无人机的水平位置定位，进而实现无人机三维空间的定位和导航。所述相机8可通过视觉检测算法，识别机器人前方的障碍类型，实现机器人自主变构型，进而越过当前障碍。
具体实施方式十：结合图10说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式九所述的机器人的进一步的限定，本实施方式所述的一种陆空两栖变构型机器人，所述的相机8为intel双目相机T265；光流模块5为PX4FLOW传感器。
工作原理
机器人在平地模式下为两轮车构型，通过差速驱动方式控制机器人运动，利用复合运动关节2驱动陆空变换关节3和变形轮4的整体进行360度旋转，并控制速度；两侧变形轮4速度相同情况下，速度大于0则机器人直线前进，速度小于0则机器人后退；左侧变形轮4速度大于右侧时，机器人向右转弯；右侧变形轮4速度大于左侧时，机器人向左转弯；
机器人在飞行模式下为倾转双旋翼构型，两个变形轮4上的螺旋桨4-8为机器人提供推力，两个复合运动关节2控制陆空变换关节3和变形轮4的整体倾转角度。通过控制两个螺旋桨4-8的差速旋转可实现机器人横滚运动：左侧螺旋桨4-8速度大于右侧时，机器人正向横滚运动，反之则反向横滚运动；通过控制两个复合运动关节2的同向旋转，可实现机器人的俯仰运动：两侧复合运动关节2旋转角度为正值时，机器人正向俯冲，反之则反向后仰；通过控制两个复合运动关节2的反向旋转，可实现机器人的偏航运动：右侧复合运动关节2旋转角度为正值，而左侧复合运动关节2旋转角度为负值时，机器人正向偏航运动，反之则反向偏航运动；
陆空两栖变构型机器人可进行平地模式和越障模式的双向切换，具体方式为：保持陆空变换关节3旋转至0度位置，控制变形轮4的闭合/展开，机器人即进入平地/越障模式；陆空两栖变构型机器人可进行平地模式和飞行模式的双向切换，具体方式为：保持变形轮4处于闭合状态，控制陆空变换关节3旋转至0度/90度位置，机器人即进入平地/飞行模式；陆空两栖变构型机器人越障模式和飞行模式的相互切换须经过平地模式。越障模式切换到飞行模式具体路线为：越障模式—>平地模式—>飞行模式；飞行模式切换到越障模式具体路线为：飞行模式—>平地模式—>越障模式。

Claims (10)

1.一种陆空两栖变构型机器人，其特征在于：它包括机身(1)、复合运动关节(2)、陆空变换关节(3)、变形轮(4)、光流模块(5)、支撑尾杆(6)、控制模块(7)、相机(8)和电源模块(9)；
机身(1)两端分别设有一个复合运动关节(2)，每个复合运动关节(2)的输出端与陆空变换关节(3)的输入端连接，陆空变换关节(3)的输出端与变形轮(4)的中心孔固定连接，机身(1)的正面由上到下依次设有电源模块(9)和相机(8)，机身(1)的背面中部上端设有支撑尾杆(6)，机身(1)的上表面中部设有控制模块(7)，电源模块(9)用于对复合运动关节(2)、陆空变换关节(3)、变形轮(4)、光流模块(5)、控制模块(7)和相机(8)进行供电；
所述的变形轮(4)包括内圈轮毂(4-1)、变构型电机(4-2)、驱动卷筒(4-3)、驱动绳(4-4)、外圈轮毂(4-6)、旋翼电机(4-7)、螺旋桨(4-8)和三个轮腿构件(4-5)；内圈轮毂(4-1)主体为三叉星形结构(4-1-1)，所述三叉星形结构(4-1-1)的外围同轴设有圆壳结构(4-1-2)，所述圆壳结构(4-1-2)与三叉星形结构(4-1-1)的三个分叉外沿固定连接；外圈轮毂(4-6)与内圈轮毂(4-1)结构相同，外圈轮毂(4-6)与内圈轮毂(4-1)平行且对称布置，外圈轮毂(4-6)的三个分叉外沿分别通过三个轮毂连接件(4-1-3)与内圈轮毂(4-1)的三个分叉外沿固定连接并保持固定距离；内圈轮毂(4-1)与外圈轮毂(4-6)之间设有旋翼电机(4-7)和螺旋桨(4-8)，旋翼电机(4-7)的壳体与内圈轮毂(4-1)固定连接，旋翼电机(4-7)的输出轴与螺旋桨(4-8)固定连接，内圈轮毂(4-1)远离螺旋桨(4-8)的一侧设有变构型电机(4-2)，所述变构型电机(4-2)的外壳与内圈轮毂(4-1)的一支分叉固定连接，变构型电机(4-2)的输出轴与驱动卷筒(4-3)固定连接；旋翼电机(4-7)的输出轴转动带动螺旋桨(4-8)转动，高速旋转的螺旋桨(4-8)所形成的气流穿过内圈轮毂(4-1)产生升力，从而为三模态变形轮及装有该三模态变形轮的机器人提供足够的飞行升力；轮腿构件(4-5)为圆弧形结构，三个轮腿构件(4-5)后端分别与连接内圈轮毂(4-1)与外圈轮毂(4-6)的三个轮毂连接件(4-1-3)转动连接，每个轮腿构件(4-5)的转动连接处均设有卷筒结构(4-5-1)，驱动绳(4-4)沿同一方向缠绕驱动卷筒(4-3)和三个轮腿构件(4-5)的卷筒结构(4-5-1)，驱动绳(4-4)将驱动卷筒(4-3)和三个轮腿构件(4-5)拉紧连接在一起；变构型电机(4-2)的输出轴转动带动驱动卷筒(4-3)转动，驱动卷筒(4-3)带动驱动绳(4-4)运动，在驱动绳(4-4)的拉力作用下，三个轮腿构件(4-5)分别绕内圈轮毂(4-1)和/或外圈轮毂(4-6)的边缘同步旋转，实现轮腿构件(4-5)伸出和收回，进而实现三模态变形轮的展开和闭合，完成轮式模态和轮辐式模态的相互切换。
2.根据权利要求1所述的一种陆空两栖变构型机器人，其特征在于：所述的内圈轮毂(4-1)和/或外圈轮毂(4-6)的三叉星形结构(4-1-1)的三个分叉外沿分别设有三个轮毂连接孔4-1-4，内圈轮毂(4-1)的三叉星形结构(4-1-1)的三个分叉外沿与外圈轮毂(4-6)的三叉星形结构(4-1-1)的三个分叉外沿之间分别同轴心设有三个轴套(4-1-301)，每个轴套(4-1-301)内部插设有一个轴肩螺钉(4-1-302)，所述轴肩螺钉(4-1-302)的两端分别与内圈轮毂(4-1)和外圈轮毂(4-6)固定连接；
所述的轮腿构件(4-5)主体为圆弧形板状结构(4-5-2)，所述圆弧形板状结构(4-5-2)的内侧沿圆周方向平行且对称布置有两个弧形支撑板(4-5-3)，两个弧形支撑板(4-5-3)的外围与圆弧形板状结构(4-5-2)内侧面固定连接，两个弧形支撑板(4-5-3)的后端分别设有相对的两个轴孔，每个轴孔内分别嵌装一个轴承(4-1-303)，弧形支撑板(4-5-3)通过轴承(4-1-303)与连接内圈轮毂(4-1)和外圈轮毂(4-6)的轴套(4-1-301)连接。
3.根据权利要求2所述的一种陆空两栖变构型机器人，其特征在于：所述的轮腿构件(4-5)的前端设有圆筒形结构(4-5-4)，轮腿构件(4-5)后端设有凹槽(4-5-5)，当三模态变形轮处于闭合状态时，各个轮腿构件(4-5)的前端与前一个轮腿构件(4-5)的后端凹槽(4-5-5)嵌合，此时车轮运动受到的径向力可将各个轮腿构件(4-5)锁紧在闭合位置；
所述的轮腿构件(4-5)的转动连接处两侧分别设有限位凸台结构(4-5-6)，当三模态变形轮处于展开状态时，轮腿构件(4-5)两侧的限位凸台结构(4-5-6)分别与内圈轮毂(4-1)和外圈轮毂(4-6)的圆壳结构(4-1-2)接触贴合，此时车轮运动使轮腿构件(4-5)受到地面的反作用力，可将各个轮腿构件(4-5)锁紧在展开位置。
4.根据权利要求1或3所述的一种陆空两栖变构型机器人，其特征在于：所述的轮腿构件(4-5)的外沿为标准圆弧形，圆弧角度为120°，当三个轮腿构件(4-5)旋转收回时，轮腿构件(4-5)的外沿圆弧与内圈轮毂(4-1)和/或外圈轮毂(4-6)同轴心，此时三模态变形轮处于轮式模态，三个轮腿构件(4-5)组成完整的圆轮；当轮腿构件(4-5)旋转伸出至预设角度时，此时三模态变形轮处于轮辐式模态，三个轮腿构件(4-5)组成轮辐构型；
所述的旋翼电机(4-7)和螺旋桨(4-8)、内圈轮毂(4-1)和外圈轮毂(4-6)同轴心设置；内圈轮毂(4-1)的一支分叉上设有电机安装孔，变构型电机(4-2)的外壳通过连接螺栓与内圈轮毂(4-1)固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种陆空两栖变构型机器人，其特征在于：所述的轮腿构件(4-5)的弧形支撑板(4-5-3)上设有多个第一减重孔(4-5-7)，内圈轮毂(4-1)和外圈轮毂(4-6)的三叉星形结构(4-1-1)上设有多个第二减重孔(4-1-5)；
驱动绳(4-4)的数量为一根，驱动卷筒(4-3)的弦线方向开设有两个贯穿于驱动卷筒(4-3)的第一限位孔，所述驱动卷筒(4-3)上缠绕有多圈驱动绳(4-4)，其中一圈驱动绳(4-4)穿过两个第一限位孔并与驱动卷筒(4-3)固定连接，每个轮腿构件(4-5)的卷筒结构(4-5-1)的弦线方向开设有两个贯穿于卷筒结构(4-5-1)的第二限位孔，所述卷筒结构(4-5-1)上缠绕有多圈驱动绳(4-4)，其中一圈驱动绳(4-4)穿过两个第二限位孔并与卷筒结构(4-5-1)固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种陆空两栖变构型机器人，其特征在于：所述的复合运动关节(2)包括复合运动关节驱动电机(201)、齿轮组(202)、复合运动关节输出轴(203)、复合运动关节基座(204)和导电滑环(205)；
复合运动关节基座(204)一侧设有齿轮组(202)，复合运动关节基座(204)的内部底面设有复合运动关节驱动电机(201)，复合运动关节驱动电机(201)的输出轴与齿轮组(202)其中一个齿轮的中心孔连接，复合运动关节输出轴(203)的一端穿过齿轮组(202)中另一个齿轮的中心孔之后，插入导电滑环(205)。
7.根据权利要求1所述的一种陆空两栖变构型机器人，其特征在于：所述的陆空变换关节(3)包括陆空变换关节右半壳体(301)、圆形凸台(302)、陆空变换电机(303)和陆空变换关节左半壳体(304)；
陆空变换关节左半壳体(304)的一端与陆空变换关节右半壳体(301)的一端铰连接，且陆空变换关节左半壳体(304)内部两个铰连接点之间设有陆空变换电机(303)，陆空变换电机(303)的输出端穿过陆空变换关节左半壳体(304)之后，与陆空变换关节右半壳体(301)的内侧连接，陆空变换关节左半壳体(304)的另一端侧面中部设有圆形凸台(302)，且该圆形凸台(302)与变形轮(4)的中心孔连接，陆空变换关节右半壳体(301)的另一端通过法兰与复合运动关节输出轴(203)的另一端连接。
8.根据权利要求1所述的一种陆空两栖变构型机器人，其特征在于：所述的控制模块(7)包括Rasp berryPI 4B中央控制芯片、ARK GPS传感器和WT931惯性传感器；
Rasp berryPI 4B中央控制芯片的一号SPI接口与ARK GPS传感器的输出端连接，RaspberryPI 4B中央控制芯片的UART-0接口与WT931惯性传感器的输出端连接。
9.根据权利要求8所述的一种陆空两栖变构型机器人，其特征在于：所述的RaspberryPI 4B中央控制芯片的二号SPI接口与复合运动关节驱动电机(201)连接，RaspberryPI 4B中央控制芯片的TTLBUS接口与陆空变换电机(303)连接，且陆空变换电机(303)的TTLBUS接口与变构型电机(4-2)的输入端连接，Rasp berryPI 4B中央控制芯片的三号SPI接口与光流模块(5)的输出端连接，Rasp berryPI 4B中央控制芯片的USB接口与相机(8)的输出端连接。
10.根据权利要求9所述的一种陆空两栖变构型机器人，其特征在于：所述的相机(8)为intel双目相机T265；光流模块(5)为PX4FLOW传感器。
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