CN210526219U - 陆空两栖仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了陆空两栖仿生机器人，设有深度相机摆动机构、旋翼飞行运动机构、仿足陆地运动机构；深度相机摆动机构设有转动铰座，转动铰座内侧设有摆动舵机，摆动舵机连接着摆动臂，摆动臂上设有深度相机传感器；旋翼飞行运动机构设有旋翼架，旋翼架内设有六组机臂轴，机臂轴上均设有无刷直流电机，无刷直流电机上均设有旋翼单元；仿足陆地运动机构设有底架，底架内安装有协调控制器与陆地运动控制器，所述底架上方设有飞行控制器；本实用新型机器人具备陆地爬行运动、飞行运动、视觉侦察的功能，具有视觉侦察、陆空一体作业的功能特点，提高机器人对各种复杂地形的适应能力，同时保证了机器人的稳定性。

Description

陆空两栖仿生机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，特别是涉及一种陆空两栖仿生机器人。

背景技术

随着科技和社会的发展，人们加快了对之前无法涉及的区域，例如洞穴、荒漠、极地、海底等，甚至外太空环境。但这些未知的区域充满着危险性，如果探索者未能做好充分的准备或稍有不慎，便会付出巨大的代价。虽然如此，但是往往这些地方可能蕴藏着大量的资源，驱动着人们前去探索。在科技快速发展的今天，很多探索者通过利用机器人进行探索，如此便可让机器人代替人类活动，降低人身的危险性。目前发展比较成熟的机器人设计主要两种：轮式机器人和履带式机器人，轮式机器人诸如京东无人快递小车，已有小规模的使用并拥有较好的市场前景，但是相比之下在适应地形方面有较大提升空间；履带式机器人诸如排爆机器人，已经在一些特殊环境的使用(如排爆机器人)。

虽现有许多足式、轮式、旋翼式机器人不断被研制并应用在陆空等领域进行作业，但这些机器人对于多领域作业依然存在环境适应性差等不足。针对这一不足，国内外专家学者多采用轮式或履带式机器人与旋翼式机器人结合的方案，设计陆空两栖机器人，使得机器人具备多领域作业的能力与对多领域环境作业的适应性。轮式机器人虽在相对平坦的地形上行驶时，具有结构简单，速度迅速、平稳等特点，但在松软地面或严重崎岖不平的地形上，车轮的能耗将大大增加，其作用也严重丧失使得移动效率大大降低。而履带式机器人虽然相比轮式机器人在地形适应能力有一定提升，但是也存在着效率低、履带磨损快，在不平地面上的机动性仍然很差，行驶时存在机身晃动严重的现象。

实用新型内容

实用新型目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供陆空两栖仿生机器人。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型提供的一种陆空两栖仿生机器人，从上往下依次设有深度相机摆动机构、旋翼飞行运动机构、仿足陆地运动机构；

所述深度相机摆动机构设有摆动舵机，所述摆动舵机连接着摆动臂，所述摆动臂上设有深度相机传感器；所述摆动舵机驱动摆动臂转动运动，实现深度相机传感器摆动控制；

所述旋翼飞行运动机构设有六组机臂轴，所述仿足陆地运动机构左右两侧分别设有三组腿部。

作为进一步改进，所述深度相机摆动机构设有左右两摆动舵机，两摆动舵机分别连接两摆动臂下端，两摆动臂上端连接深度相机传感器；所述摆动舵机固定在旋翼飞行运动机构正上方。

作为进一步改进，所述摆动臂设有折弯部与竖直部，所述折弯部设有转动孔，所述转动孔内侧设有十字形紧固孔，所述摆动舵机转动轴与折弯部十字形紧固孔固定连接；所述摆动臂外侧设有转动铰座，所述转动铰座与折弯部转动孔活动连接；所述竖直部上端连接所述深度相机传感器。

作为进一步改进，所述仿足陆地运动机构设有底架，所述底架前端设有超声波传感器；所述底架左右两侧分别连接三组腿部；

所述底架上方设有飞行控制器；所述底架内安装有协调控制器与陆地运动控制器。

作为进一步改进，所述旋翼飞行运动机构设有旋翼架，所述旋翼架内设有六组机臂轴，所述机臂轴上均设有无刷直流电机，所述无刷直流电机上设有旋翼单元；

所述腿部均设有三个转动舵机,每条腿部均具有三个自由度；六组所述腿部，左侧前后腿部与右侧中间腿部构成三角步态组I，右侧的前后腿部与左侧中间腿部构成三角步态组II。

作为进一步改进，所述旋翼飞行运动机构中的六组机臂轴之间采用等距圆周阵列分布，相隔为60°，且与仿足陆地运动机构的腿部交错分布，以防止腿部在运动时与机臂轴相碰撞；

所述机臂轴轴端设有夹具对机臂轴进行固定；所述机臂轴末端用开口销结构件对无刷直流电机进行固定。

作为进一步改进，所述深度相机摆动机构与旋翼飞行运动机构、仿足陆地运动机构的中心位于同一垂直线上。

作为进一步改进，所述协调控制器(33)设有WIFI模块和蓝牙模块。

本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型通过设置陆地运动机构、旋翼飞行运动机构、深度相机摆动机构，这三大机构之间协调运作，分别实现陆空两栖仿生机器人的陆地爬行运动、飞行运动、视觉侦察、陆空一体作业的功能。

2.本实用新型通过仿足陆地运动机构的六个腿部对地面进行支撑、摆动的步态运动，外形结构仿照生物界中的节肢动物，行进过程中可以保持与地面的多点接触，所以能够减少地形起伏对机器人整体稳定性的影响，同时能维持机器人主体的平稳，保证了机器人的稳定性，同时也大大提升了机器人适应各种复杂地形的能力。

3.本实用新型在控制的方式上采用了WIFI模块和蓝牙模块，让使用者可以通过多种控制方式在远离危险的地方操作机器人进行一系列的活动，同时也能够将机器人的实时情况传回电脑上位端，让使用者可以实时掌握机器人的情况与其所在的环境的具体情况。

附图说明

附图1为本实施例1陆空两栖仿生机器人的整体结构示意一；

附图2为本实施例1陆空两栖仿生机器人的整体结构示意二；

附图3为本实施例1陆空两栖仿生机器人的局部结构图之一；

附图4为图3中A部分放大结构示意图；

附图5为本实施例1陆空两栖仿生机器人的局部结构爆炸示意图；

附图6为本实施例1陆空两栖仿生机器人的局部结构图之二；

附图7为本实施例1陆空两栖仿生机器人的局部结构图之四；

附图8为本实施例1陆空两栖仿生机器人的局部结构图之五；

附图9为本实施例1陆空两栖仿生机器人的整体结构示意六；

附图10为本实施例1陆空两栖仿生机器人的电路原理图；

附图11为本实施例5陆空两栖仿生机器人的局部结构图一。

图中：1深度相机摆动机构、11深度相机传感器、12摆动舵机、13转动铰座、14摆动臂、141折弯部、142转动孔、143竖直部、144十字形紧固孔、 145十字形紧固件、146卡齿、2旋翼飞行运动机构、21旋翼架、22机臂轴、 23无刷直流电机/24旋翼单元、3仿足陆地运动机构、31底架、32腿部,33 协调控制器、34陆地运动控制器、35飞行控制器、36超声波传感器、37 转动舵机、4水平转动机构。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

实施例1，如附图1至附图9所示的陆空两栖仿生机器人，设有深度相机摆动机构1、旋翼飞行运动机构2、仿足陆地运动机构3；分别实现陆空两栖仿生机器人的陆地爬行运动、飞行运动、视觉侦察的功能，具有视觉侦察、陆空一体作业的功能。

所述深度相机摆动机构1设有摆动舵机12，所述摆动舵机12连接着摆动臂14，所述摆动臂14上设有深度相机传感器11；所述摆动舵机12驱动摆动臂14转动运动，实现深度相机传感器11摆动控制；

所述旋翼飞行运动机构2设有六组机臂轴22，所述仿足陆地运动机构3左右两侧分别设有三组腿部32。

所述深度相机摆动机构1设有左右两摆动舵机12，两摆动舵机12分别连接两摆动臂14下端，两摆动臂14上端连接深度相机传感器11；所述摆动舵机12固定在旋翼飞行运动机构2正上方，深度相机传感器11可为 Kinect深度摄像机。

所述摆动臂14设有折弯部141与竖直部143，所述折弯部141设有转动孔142，所述转动孔内侧设有十字形紧固孔144，所述摆动舵机12转动轴与折弯部十字形紧固孔144通过十字形锁固件145连接，十字形锁固件 145通过卡齿146与摆动舵机12转轴连接，十字形紧固孔144保证摆动舵机12与摆动臂14的转动同步，不产生偏移或错位；所述摆动臂14外侧设有转动铰座13，所述转动铰座13与折弯部转动孔活动连接；所述竖直部上端连接所述深度相机传感器11。通过固定的舵机进行转动控制，带动摆动臂14的转动，实现深度相机传感器11的摇摆控制，为机器人提供更宽广的、灵活可控的机器人视角。

所述仿足陆地运动机构3设有底架31，所述底架31前端设有超声波传感器36；所述底架31左右两侧分别连接三组腿部32；

所述底架31上方设有飞行控制器35；所述底架31内安装有协调控制器33与陆地运动控制器34。

所述旋翼飞行运动机构2设有旋翼架21，所述旋翼架21内设有六组机臂轴22，所述机臂轴22上均设有无刷直流电机23，所述无刷直流电机 23上设有旋翼单元24；

所述腿部32均设有三个转动舵机37,每条腿部32均具有三个自由度；六组所述腿部32，左侧前后腿部32与右侧中间腿部构成三角步态组I，右侧的前后腿部32与左侧中间腿部32构成三角步态组II。

所述旋翼飞行运动机构2中的六组机臂轴22之间采用等距圆周阵列分布，相隔为60°，且与仿足陆地运动机构3的腿部32交错分布，以防止腿部32在运动时与机臂轴22相碰撞；

所述机臂轴22轴端设有夹具25对机臂轴22进行固定；所述机臂轴22 末端用开口销结构件对无刷直流电机23进行固定，避免飞行时振动导致的电机脱落。

所述深度相机摆动机构1与旋翼飞行运动机构2、仿足陆地运动机构3 的中心位于同一垂直线上。

本实施例还提供陆空两栖仿生机器人的控制方法，协调控制器33与陆地运动控制器34、飞行控制器35对机器人进行分级协调控制，具体包括以下步骤：

(1)陆地运动：陆地运动控制器34与所有腿部32上的舵机37相连接，并通过舵机37对六组腿部32的驱动结合三角步态控制算法进行步态运动控制；当进行陆地运动时三角步态组I三条腿部32作为支撑相，三角步态组II三条腿部32作为摆动相，处于支撑相的三角步态组I三条腿部 32，形成一个三角受力支撑，当处于摆动相的三角步态组II向前运动时，支撑相的三角步态组I在舵机37驱动的作用下也向前运动了半个步长s/2；当摆动相的三角步态组II运动到位后，立即放下并接触地面，转换为支撑相，同时，先前为支撑相的三角步态组I转换为摆动相状态，当三角步态组I也完成摆动运动后，三角步态组II也将向前运动了半个步长s/2，一个周期的运动便向前运动了一个步长s；如此循环往复的支撑相与摆动相之间进行转换，即实现了机器人不断向前的运动；通过六个腿部对地面进行支撑、摆动的步态运动，可适应各种非结构地面，具有多步态、越障灵活和运动自如；每条腿均具有三个自由度，整个机体共具有18自由度；陆地运动控制器34可为STM32F4的微控制器；

(2)运算控制：深度相机传感器11工作时可获得机器人当前视角下环境的RGB图像、深度图像与点云图，协调控制器33通过对深度相机传感器11采集的点云图数据结合迭代最近点算法，可计算出本设计机器人的位姿，进而实现机器人的即时地图构建功能，还可结合A-Star算法，在静态路网中求解最短路径，从而实现机器人的路径优化与自主导航功能；

(3)飞行运动：飞行控制器35对无刷直流电机23进行旋转控制，并采用PID控制原理结合传感器获取的姿态与期望值之间的偏差，来纠正调节机体系统的响应，实现机器人实时悬停、旋转、侧飞和倒飞，提高仿生机器人飞行的稳定性、响应性与鲁棒性；飞行控制器35可为Pixhawk 4的飞行控制器；

(4)协调控制：协调控制器33集中对陆地运动控制器34与飞行控制器35进行飞行和陆地运动功能切换指令的协调控制；

所述协调控制器33上设有wifi或蓝牙模块，实现多种连接方式进行控制，通过多种控制方式远程操作该机器人，同时能将Kinect深度摄像机的图像数据发送至接收设备，方便上位机的研究及其他应用的开放。所述协调控制器33可为树莓派3控制器。

所述超声波传感器36与深度相机传感器11通过传感器信息融合技术处理超声波与深度图像信息，取得两者相近的值作为测量值，再结合于深度相机传感器11识别功能，感知障碍物距离的同时，也能实现识别障碍物。

如图10，本实用新型的传感器包括深度相机传感器与超声波传感器，控制器包括飞行控制器、陆地运动控制器、协调控制器，执行机构包括旋翼飞行运动机构与陆地运动机构，还包括PC上位机与电源；传感器将深度图像信息、RGB图像、点云图发送到PC上位机，PC上位机结合算法运算后给控制器下达指令信号到控制器，控制器通过舵机对执行机构进行控制转动。

本实用新型主要设计了一种新的机器人结构，可以大大提高机器人对地形的适应能力，使使用者远离危险。轮式、履带式机器人，这两种市面上常见的机器人在结构上决定了他们对使用的地形有较高的要求，但是对于一些人类较少探索、危险性大的地方，往往地形情况十分复杂，以上两种结构的机器人在这些复杂的地形面前便无能为力，但是人员进行探索危险性又太高。

本实用新型陆地运动机构外形结构仿照生物界中的节肢动物，行进过程中可以保持与地面的多点接触，所以能够减少地形起伏对机器人整体稳定性的影响，同时维持机器人主体的平稳，保证了机器人的稳定性，同时也大大提升了机器人适应各种复杂地形的能力。

另外，本实用新型在控制的方式上采用了WIFI模块和蓝牙模块，让使用者可通过多种控制方式在远离危险的地方操作机器人进行一系列的活动，同时也能够将机器人的实时情况传回电脑端，让使用者可以实时掌握机器人的情况与其所在的环境的具体情况。

采用了深度相机传感器与飞行控制器结合PID控制原理检测飞行器在飞行过程中的姿态角变化，实现实时悬停、旋转、侧飞和倒飞，有着很好稳定性、响应性与鲁棒性，能从容应对各种飞行侦查作业。

实施例2，本实施例基本与实施例1相同，其不同之处在于：

步骤(3)还包含以下步骤：(31)陆空两栖仿生机器人在飞行控制器 35控制下，驱动无刷直流电机23旋转，陆空两栖仿生机器人处于悬空状态时，陆地运动控制器34控制六个腿部32上的舵机37动作，使得腿部32 下垂并向陆空两栖仿生机器人中垂线靠拢，腿部32的下端部靠拢后，形成仿铅锤状态，仿足陆地运动机构3重心集中在旋翼飞行运动机构2的正下方，有利于陆空两栖仿生机器人在空中的重心控制，通过物理形态的改变实现更稳定悬停、旋转、侧飞和倒飞，并且不容易被风、气流等影响。

实施例3，本实施例基本与实施例1相同，其不同之处在于：

两摆动舵机12独立控制，深度相机传感器11与摆动臂14的连接为球头连接。

当两摆动舵机12同向转动时，深度相机传感器11在两摆动臂14的动作下，向前或向后绕摆动舵机12的轴心转动；

当两摆动舵机12反向转动时，深度相机传感器11在两摆动臂14的动作下，向左或向右扭动。

实施例4，本实施例基本与实施例1相同，其不同之处在于：

仿足陆地运动机构3中部设有圆形转动轨道，所述超声波传感器36设置在圆形转动轨道上，可绕仿足陆地运动机构3中轴线做360度转动。

当陆空两栖仿生机器人在陆地行进过程中，位于陆空两栖仿生机器人的侧方出现障碍物时，可通过圆形转动轨道带动超声波传感器36转动到一定角度，进行障碍物的探测，无需调整陆空两栖仿生机器人的方位即可实现侧方障碍物的探测。

实施例5，参见图11，本实施例基本与实施例1相同，其不同之处在于：

旋翼飞行运动机构2与深度相机摆动机构1之间设有水平转动机构4，所述深度相机摆动机构1设置在水平转动机构4上，并可跟随水平转动机构4转动进行360度转动。

当陆空两栖仿生机器人在陆地行进过程或飞行过程中，可通过水平转动机构带动深度相机摆动机构1进行水平旋转，无需调整陆空两栖仿生机器人的方位即可实现360度的探测，提高机动灵活性。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种陆空两栖仿生机器人，其特征在于：从上往下依次设有深度相机摆动机构(1)、旋翼飞行运动机构(2)、仿足陆地运动机构(3)；

所述深度相机摆动机构(1)设有摆动舵机(12)，所述摆动舵机(12)连接着摆动臂(14)，所述摆动臂(14)上设有深度相机传感器(11)；所述摆动舵机(12)驱动摆动臂(14)转动运动，实现深度相机传感器(11)摆动控制；

所述旋翼飞行运动机构(2)设有六组机臂轴(22)，所述仿足陆地运动机构(3)左右两侧分别设有三组腿部(32)。

2.根据权利要求1所述陆空两栖仿生机器人，其特征在于：所述深度相机摆动机构(1)设有左右两摆动舵机(12)，两摆动舵机(12)分别连接两摆动臂(14)下端，两摆动臂(14)上端连接深度相机传感器(11)；所述摆动舵机(12)固定在旋翼飞行运动机构(2)正上方。

3.根据权利要求2所述陆空两栖仿生机器人，其特征在于：所述摆动臂设有折弯部与竖直部，所述折弯部设有转动孔，所述转动孔内侧设有十字形紧固孔，所述摆动舵机(12)转动轴与折弯部十字形紧固孔固定连接；所述摆动臂外侧设有转动铰座，所述转动铰座与折弯部转动孔活动连接；所述竖直部上端连接所述深度相机传感器(11)。

4.根据权利要求1所述陆空两栖仿生机器人，其特征在于：所述仿足陆地运动机构(3)设有底架(31)，所述底架(31)前端设有超声波传感器(36)；所述底架(31)左右两侧分别连接三组腿部(32)；

所述底架(31)上方设有飞行控制器(35)；所述底架(31)内安装有协调控制器(33)与陆地运动控制器(34)。

5.根据权利要求1所述陆空两栖仿生机器人，其特征在于：所述旋翼飞行运动机构(2)设有旋翼架(21)，所述旋翼架(21)内设有六组机臂轴(22)，所述机臂轴(22)上均设有无刷直流电机(23)，所述无刷直流电机(23)上设有旋翼单元(24)；

所述腿部(32)均设有三个转动舵机(37),每条腿部(32)均具有三个自由度；六组所述腿部(32)，左侧前后腿部(32)与右侧中间腿部构成三角步态组I，右侧的前后腿部(32)与左侧中间腿部(32)构成三角步态组II。

6.根据权利要求1所述陆空两栖仿生机器人，其特征在于：所述旋翼飞行运动机构(2)中的六组机臂轴(22)之间采用等距圆周阵列分布，相隔为60°，且与仿足陆地运动机构(3)的腿部(32)交错分布，以防止腿部(32)在运动时与机臂轴(22)相碰撞；

所述机臂轴(22)轴端设有夹具(25)对机臂轴(22)进行固定；所述机臂轴(22)末端用开口销结构件对无刷直流电机(23)进行固定。

7.根据权利要求1所述陆空两栖仿生机器人，其特征在于：所述深度相机摆动机构(1)与旋翼飞行运动机构(2)、仿足陆地运动机构(3)的中心位于同一垂直线上。

8.根据权利要求4所述陆空两栖仿生机器人，其特征在于：所述协调控制器(33)设有WIFI模块和蓝牙模块。

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