CN219947806U - 一种可变姿态跨介质多栖机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可变姿态跨介质多栖机器人，属于机器人技术领域。可变姿态跨介质多栖机器人包括支架以及对称设置在支架两侧的两组驱动组件，每组驱动组件包括多栖运动机构和姿态切换机构，多栖运动机构可相对支架在竖直平面内旋转，姿态切换机构用于驱动多栖运动机构相对支架旋转，以使机器人在分别与多个介质运动模式对应的多个驱动姿态之间进行切换。本实用新型通过可变姿态的三栖运动机构实现了利用同一组驱动电机在多种介质中运动，采用姿态切换机构即可实现运动模式的切换，整体集成度高，体积和重量相对较小。

Description

一种可变姿态跨介质多栖机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种可变姿态跨介质多栖机器人。

背景技术

目前跨介质水陆两栖、陆空两栖、空地两栖的机器人研制成果较多，产品形态多种多样，针对水陆空三种介质的三栖机器人的研制国内成果较少，随着科技的发展和机器人研制领域的细分、深入，不断变化的特殊环境和复杂作业需求，对于三栖机器人的需求越来越多，三栖机器人将在更多的场景中发挥重要作用。

现有的多栖航行器、无人机等虽然解决了传统跨介质航行器的出入水能力与多介质运动的问题，但大多采用多种独立的运动机构进行空中和水下运动，类似积木拼接的方式进行设计，系统的整体性和集成度相对较弱。并且这类方案降低了水下动力效率，增加了空中飞行的负载重量，同时动力组件较多，增大了机体体积。同时，现有方案更多聚焦在两栖运动方面，无法实现在三种介质均可运动的跨介质工作。

实用新型内容

本实用新型公开了一种可变姿态跨介质多栖机器人，以解决传统单介质或两栖机器人环境适应性差的问题。

根据本实用新型的实施例，提供了一种可变姿态跨介质多栖机器人，包括支架以及对称设置在所述支架两侧的两组驱动组件，每组驱动组件包括多栖运动机构和姿态切换机构，所述多栖运动机构可相对所述支架在竖直平面内旋转，所述姿态切换机构用于驱动所述多栖运动机构相对所述支架旋转，以使所述机器人在分别与多个介质运动模式对应的多个驱动姿态之间进行切换；所述多栖运动机构包括动力机构和动力切换机构，所述动力机构包括驱动电机、驱动轴组件、第一螺旋桨及第二螺旋桨，所述驱动轴组件包括空心轴和穿设在所述空心轴内的芯轴，所述芯轴的近端与所述驱动电机输出轴连接，所述芯轴的远端连接所述第一螺旋桨，所述空心轴的远端连接所述第二螺旋桨；所述空心轴还设有一移动接合部件，所述移动接合部件沿周向相对所述心轴固定、沿轴向可相对所述空心轴滑动地套设在所述空心轴上，所述芯轴还设有一固定接合部件；当所述姿态切换机构驱动所述多栖运动机构相对所述支架旋转时，带动所述动力切换机构运动，进而驱动所述移动接合部件沿所述空心轴滑动，以使所述移动接合部件与所述固定接合部件啮合或分离；其中，当所述移动接合部件与所述固定接合部件啮合时，所述芯轴将来自所述驱动电机输出轴的动力经由所述固定接合部件、所述移动接合部件传递至所述空心轴，以同时驱动所述第一螺旋桨和所述第二螺旋桨；当所述移动接合部件与所述固定接合部件分离时，所述驱动电机输出轴的动力仅用于通过所述芯轴驱动所述第一螺旋桨。

在其他的一些实施例中，所述第一螺旋桨为用于提供飞行动力的螺旋桨；所述第二螺旋桨为轮浆一体式螺旋桨，其外圆周为提供地面行走功能的轮式结构，内部轮毂分布多个用于提供水中动力的桨叶。

在其他的一些实施例中，所述固定接合部件为设置在所述芯轴近端附近的花键卡槽；所述空心轴近端形成多面体结构，所述移动接合部件为套设在所述多面体结构上的花键卡板，所述花键卡板的卡齿与所述花键卡槽对应设置。

在其他的一些实施例中，每组驱动组件包括一机构连接底座，所述机构连接底座与所述支架固定连接，所述动力机构近端通过第一铰链连接在所述机构连接底座上；所述动力切换机构包括连杆、拨叉，所述连杆近端通过第二铰链连接在所述机构连接底座上，所述拨叉设置在所述连杆远端并与所述移动接合部件耦接，当所述动力机构绕所述第一铰链相对所述支架旋转时，所述连杆绕所述第二铰链旋转以通过所述拨叉驱动所述移动接合部件向所述空心轴远端或近端滑动。

在其他的一些实施例中，机构连接底座包括中间支臂和分别位于所述中间支臂两侧的侧支臂，所述动力机构近端通过所述第一铰链连接在所述中间支臂上，两个侧支臂分别通过一所述第二铰链连接一所述连杆，设置在两个所述连杆远端的两个拨叉分别从两侧与所述移动接合部件耦接。

在其他的一些实施例中，所述第一铰链为阻尼值可调的阻尼铰链。

在其他的一些实施例中，每组驱动组件包括两个多栖运动机构和一个姿态切换机构，所述姿态切换机构设置在所述支架一侧的中间，所述两个多栖运动机构位于所述姿态切换机构两侧，所述姿态切换机构包括舵机和由所述舵机驱动以在竖直平面内相对所述支架旋转的转动连杆，所述转动连杆分别与所述两个多栖运动机构连接。

在其他的一些实施例中，所述姿态切换机构通过一固定架设置在所述支架一侧的中间，所述固定架下端伸出所述支架底面预定距离。

在其他的一些实施例中，所述多个驱动姿态包括：对应空中飞行运动模式的第一驱动姿态，所述姿态切换机构驱动所述多栖运动机构相对所述支架旋转至+90°位置；对应地面行走运动模式的第二驱动姿态，所述姿态切换机构驱动所述多栖运动机构相对所述支架旋转至0°位置；对应水中运动模式的第三驱动姿态，当所述姿态切换机构驱动所述多栖运动机构相对所述支架旋转至0°位置时提供水平方向的驱动力，当所述姿态切换机构驱动所述多栖运动机构相对所述支架旋转至预定角度的倾斜位置时提供竖直方向的驱动力。

在其他的一些实施例中，所述支架包括上层框架、下层框架以及用于连接所述上层框架和所述下层框架的支撑柱，所述上层框架、所述下层框架均为一体成型的碳纤维板。

本实用新型通过可变姿态的三栖运动机构实现了利用同一组驱动电机在多种介质中运动，采用姿态切换机构即可实现运动模式的切换，整体集成度高，体积和重量相对较小。

通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

在附图中：

图1为根据本实用新型实施例的可变姿态跨介质多栖(三栖)机器人整体结构示意图；

图2为根据本实用新型实施例的支架结构示意图；

图3为根据本实用新型实施例的姿态切换机构(单侧)结构示意图；

图4、5为根据本实用新型实施例的多栖运动机构结构示意图；

图6为姿态切换机构工作原理示意图；

图7为机器人的飞行运动模式示意图；

图8为机器人的地面运动模式示意图；

图9为机器人的水中运动模式示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。

针对现有方案的不足，本实用新型提出一种可在水陆空三种介质进行运动的机器人，进一步扩大应用范围，以应对自然环境地区地形多样的情况。为此，本实用新型提出一种新型结构，实现姿态变化和动力切换，实现一组动力可带动不同的末端运动部件在不同介质条件下运动的目的。与传统方案相比，本实用新型体积重量较小，运动控制的变量相对较少，系统可靠性较高。

图1为根据本实用新型实施例的可变姿态跨介质多栖(三栖)机器人整体结构示意图。如图1所示，可变姿态跨介质多栖机器人包括支架3以及对称设置在支架两侧的两组驱动组件。每组驱动组件包括多栖运动机构1和姿态切换机构2，多栖运动机构可相对支架在竖直平面内旋转，姿态切换机构用于驱动多栖运动机构相对支架旋转，以使机器人在分别与多个介质运动模式对应的多个驱动姿态之间进行切换。

图2为根据本实用新型实施例的支架结构示意图。如图2所示，支架3包括上层框架31、下层框架以及用于连接上层框架和下层框架的支撑柱34，上层框架、下层框架均为一体成型的碳纤维板。

本实用新型中，机器人支架采用碳纤维板作为框架部件，支架上层框架31和下层框架，采用碳纤维板材，一体加工成型，上层框架和下层框架中间，采用支撑柱34作为连接件，将上下两层框架连接为整体结构，同时增大机架的强度和稳定性。

双层碳纤维板的两侧中间位置，对称布置用于安装两组姿态切换机构的固定架32固定板，用于安装固定姿态切换机构的舵机。在一个示例中，姿态切换机构固定架32下端伸出支架3底面预定距离，从而可作为机器人飞行状态下，起飞和落地的支撑。

图3为根据本实用新型实施例的可变姿态跨介质多栖机器人的俯视结构示意图。结合图1、3所示，在该实施例中，每组驱动组件包括两个多栖运动机构1和一个姿态切换机构2，姿态切换机构设置在支架一侧的中间，两个多栖运动机构位于姿态切换机构两侧，姿态切换机构包括舵机21和由舵机驱动以在竖直平面内相对支架旋转的转动连杆23，转动连杆23分别与两个多栖运动机构1连接。舵机21通过舵机固定板22安装在支架1上。

图4、图5为根据本实用新型实施例的多栖运动机构结构示意图。如图所示，多栖运动机构包括动力机构和动力切换机构。动力机构包括驱动电机19、驱动轴组件、第一螺旋桨11及第二螺旋桨12。驱动轴组件包括空心轴118和穿设在空心轴内的芯轴112，芯轴的近端与驱动电机19输出轴连接，芯轴的远端连接第一螺旋桨11，空心轴的远端连接第二螺旋桨12。

空心轴还设有一移动接合部件，移动接合部件沿周向相对空心轴固定、沿轴向可相对空心轴滑动地套设在空心轴上。芯轴112还设有一固定接合部件。当姿态切换机构驱动多栖运动机构相对支架旋转时，带动动力切换机构运动，进而驱动移动接合部件沿空心轴滑动，以使移动接合部件与固定接合部件啮合或分离。其中，当移动接合部件与固定接合部件啮合时，芯轴将来自驱动电机输出轴的动力经由固定接合部件、移动接合部件传递至空心轴，以同时驱动第一螺旋桨和第二螺旋桨12。当移动接合部件与固定接合部件分离时，驱动电机输出轴的动力仅用于通过芯轴驱动第一螺旋桨11。

在一个实施例中，固定接合部件为设置在芯轴近端附近的花键卡槽113。空心轴近端形成多面体结构，移动接合部件为套设在多面体结构上的花键卡板116，花键卡板的卡齿与花键卡槽对应设置。

本实用新型中，第一螺旋桨为用于提供飞行动力的螺旋桨。第二螺旋桨为轮浆一体式螺旋桨，其外圆周为提供地面行走功能的轮式结构，内部轮毂分布多个用于提供水中动力的桨叶。机器人的旋翼运动组件是本体飞行的主要动力源，电机带动旋翼高速旋转，改变无人机本体周边的空气压力差，为无人机提供上升或移动的动力。机器人的水下螺旋桨，为无人机在水下运动提供动力，通过水下螺旋桨的转动，改变本体周边的水压差，为无人机提供水下航行的动力。水下螺旋桨外圈为轮式结构，可实现陆地行走的功能。

本实用新型中，多栖运动机构设计飞行螺旋桨和轮浆一体式螺旋桨两套螺旋桨装置，以适应不同的运动介质。飞行螺旋桨的功能是，用于无人机在飞行工作时，为无人机提供飞行的动力。轮浆一体式螺旋桨的结构形态是，外圆周为轮式结构，内部轮毂分布设计多个螺旋桨的桨叶，既可以实现在陆路行走功能，又可以为水中运动提供动力。

飞行螺旋桨和轮浆一体式螺旋桨布置在同一条轴线上，回转中心共线，飞行螺旋桨和轮浆一体式螺旋桨分别固结在内外轴(芯轴和空心轴)上，空心轴为内空结构，芯轴从空心轴的内空结构中伸出。

飞行螺旋桨固定安装在芯轴112的末端(远端)，芯轴112的另一端(近端)通过联轴器110与驱动电机连接。轮浆一体式螺旋桨固定安装在空心轴118的末端(远端)，空心轴的另一端(近端)布置可移动的花键卡板，与空心轴可同步旋转。芯轴的一端固定花键卡槽113。空心轴的一端设计成多面体(例如六面体)回转结构，回转结构上安装一个可移动的花键卡板116，可移动的花键卡板与空心轴可以同步转动，同时在外力的驱动力，可移动的花键卡板可沿着六面体回转结构移动。当键卡板的卡齿卡在花键卡槽的对应位置后，花键卡板和花键卡槽啮合在一起，芯轴将运动和动力传递至空心轴。

在一个实施例中，每组驱动组件包括一机构连接底座13，机构连接底座与支架3固定连接，动力机构近端通过第一铰链15连接在机构连接底座13上。动力切换机构包括连杆18、拨叉114，连杆18近端通过第二铰链14连接在机构连接底座13上，拨叉114设置在连杆18远端并与移动接合部件(花键卡板116)耦接。当动力机构绕第一铰链15相对支架3旋转时，连杆18绕第二铰链14旋转，以通过拨叉驱动移动接合部件向空心轴118远端或近端滑动。

如图4、5所示，机构连接底座13包括中间支臂和分别位于中间支臂两侧的侧支臂，动力机构近端通过第一铰链15连接在中间支臂上，两个侧支臂分别通过一第二铰链14连接一连杆，设置在两个连杆18远端的两个拨叉114分别从两侧与移动接合部件(花键卡板116)耦接。

进一步地，机构连接底座13连接固定在机器人机架上，动力机构还包括用于承载各部件的壳体，由下壳体16和上壳体17组成，动力机构壳体通过阻尼铰链15与机构连接底座13铰接在一起。驱动电机19布置在多栖运动机构的壳体内部，通过姿态切换机构，实现在不同介质中，驱动不同的桨叶以不同的速度转动。

本实用新型中，第一铰链15为阻尼值可调的阻尼铰链。在姿态变换过程中，多栖运动机构的回转轴采用阻尼铰链作为回转部件，阻尼铰链其阻尼值采用机械方式调节，阻尼值可在一定范围内任意调节。采用阻尼铰链，保证运动过程的平稳性，回转精度高，同时可在任意位置停止，并提供一定的防转动阻尼。

本实用新型中，第二铰链14例如可以为销轴机构。具体地，连杆18通过销轴14与机构连接底座13铰接在一起。

本实用新型中，采用姿态切换机构2作为切换姿态的执行部件，对机器人的两套同轴线布置的螺旋桨装置进行动力切换。如图6所示，姿态切换机构基于曲柄滑块机构的原理，采用舵机21作为驱动部件，驱动转动连杆23带动多栖运动机构以阻尼铰链15(第一铰链)的回转中心为轴转动。多栖运动机构转动过程中，连杆18绕着销轴14(第二铰链)转动，并在转动过程中，连杆18的另一端带动拨叉114在直线方向运动，拨叉114带动可移动的花键卡板116在直线方向移动，实现与花键卡槽113分离或啮合，从而实现不同运动模式的切换，使得机器人在飞行过程中，只有飞行螺旋桨运动，而机器人在水下和陆地运动时，飞行螺旋桨和轮浆一体螺旋桨同时转动。

基于上述机构，本实用新型提供的跨介质三栖机器人具有多个驱动姿态，包括：对应空中飞行运动模式的第一驱动姿态，姿态切换机构驱动多栖运动机构相对支架旋转至+90°位置；对应地面行走运动模式的第二驱动姿态，姿态切换机构驱动多栖运动机构相对支架旋转至0°位置；对应水中运动模式的第三驱动姿态，当姿态切换机构驱动多栖运动机构相对支架旋转至0°位置时提供水平方向的驱动力，当姿态切换机构驱动多栖运动机构相对支架旋转至预定角度的倾斜位置时提供竖直方向的驱动力。

如图7所示，姿态切换机构带动三栖运动机构转动至+90°位置时，三栖运动机构的壳体转动至限位点，限位方式为机械限位，机器人为空中飞行模式。此时电机通过小轴，与飞行螺旋桨连接在一起，电机转动时，只带动飞行螺旋桨转动，此时的电机效率高。飞行螺旋桨转动，驱动机器人实现起飞和降落，在空中运动时，通过电机的转向和转速，实现机器人的转动和高度调节等。

如图8所示，陆行模式时，姿态切换机构带动三栖运动机构转动至0°位置时，轮浆一体螺旋桨作为运动的执行部件，轮浆一体螺旋桨的外圈为轮式结构，与陆地结构，电机带动轮浆一体螺旋桨转动，即可实现在陆地的行走、后退、转弯、转圈等。

如图9所示，机器人在水中运动时，姿态切换机构带动三栖运动机构转动至±45°位置时，此时电机带动轮浆一体螺旋桨运动，轮浆一体螺旋桨的中间形态为螺旋桨结构，作为驱动水介质的机构。0°位置时(如图9(a)所示)，可为机器人提供水平方向的驱动力，实现在水中的前进、后退、转弯等。±45°范围内非0°位置时(如图9(b)所示)，为机器人提供水平方向的驱动力外，可为机器人提供上升或者下潜的动力。

本实用新型提供的跨介质三栖机器人，可实现水、陆、空跨介质运动。机器人采用同一套驱动机构，实现在不同介质中不同的运动模式。跨介质运动的机器人的三栖运动机构具备动力机构复用性，减小了外形尺寸、结构重量和系统复杂度，便于进行存储、运输、布防和回收，提高了机体综合续航能力。

本实用新型提供的跨介质三栖机器人可提供多次、快速的空中、陆地和水下支援，既拥有潜航的屏蔽性，可避免电磁反无人机武器对机体的空中威胁，又拥有地面车和水面船的长巡航特性，还拥有飞行器高度的优势。

在巡检、监视和通信中继等应用场景下，本实用新型提供的跨介质三栖机器人可替代多种无人系统协同作业，提高操作的可靠性和任务的成功率。

本实用新型提供的跨介质三栖机器人整体采用中心对称结构，可进行对称变形，避免了传统无人船翻船功能失效问题，可完成台风、海啸等自然灾害条件下的巡逻和通信中继等任务。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种可变姿态跨介质多栖机器人，包括支架以及对称设置在所述支架两侧的两组驱动组件，每组驱动组件包括多栖运动机构和姿态切换机构，所述多栖运动机构可相对所述支架在竖直平面内旋转，所述姿态切换机构用于驱动所述多栖运动机构相对所述支架旋转，以使所述机器人在分别与多个介质运动模式对应的多个驱动姿态之间进行切换；其特征在于，

所述多栖运动机构包括动力机构和动力切换机构，所述动力机构包括驱动电机、驱动轴组件、第一螺旋桨及第二螺旋桨，所述驱动轴组件包括空心轴和穿设在所述空心轴内的芯轴，所述芯轴的近端与所述驱动电机输出轴连接，所述芯轴的远端连接所述第一螺旋桨，所述空心轴的远端连接所述第二螺旋桨；

所述空心轴还设有一移动接合部件，所述移动接合部件沿周向相对所述空心轴固定、沿轴向可相对所述空心轴滑动地套设在所述空心轴上，所述芯轴还设有一固定接合部件；

当所述姿态切换机构驱动所述多栖运动机构相对所述支架旋转时，带动所述动力切换机构运动，进而驱动所述移动接合部件沿所述空心轴滑动，以使所述移动接合部件与所述固定接合部件啮合或分离；

其中，当所述移动接合部件与所述固定接合部件啮合时，所述芯轴将来自所述驱动电机输出轴的动力经由所述固定接合部件、所述移动接合部件传递至所述空心轴，以同时驱动所述第一螺旋桨和所述第二螺旋桨；当所述移动接合部件与所述固定接合部件分离时，所述驱动电机输出轴的动力仅用于通过所述芯轴驱动所述第一螺旋桨。

2.根据权利要求1所述的可变姿态跨介质多栖机器人，其特征在于，所述第一螺旋桨为用于提供飞行动力的螺旋桨；所述第二螺旋桨为轮浆一体式螺旋桨，其外圆周为提供地面行走功能的轮式结构，内部轮毂分布多个用于提供水中动力的桨叶。

3.根据权利要求1所述的可变姿态跨介质多栖机器人，其特征在于，所述固定接合部件为设置在所述芯轴近端附近的花键卡槽；所述空心轴近端形成多面体结构，所述移动接合部件为套设在所述多面体结构上的花键卡板，所述花键卡板的卡齿与所述花键卡槽对应设置。

4.根据权利要求1所述的可变姿态跨介质多栖机器人，其特征在于，每组驱动组件包括一机构连接底座，所述机构连接底座与所述支架固定连接，所述动力机构近端通过第一铰链连接在所述机构连接底座上；所述动力切换机构包括连杆、拨叉，所述连杆近端通过第二铰链连接在所述机构连接底座上，所述拨叉设置在所述连杆远端并与所述移动接合部件耦接，当所述动力机构绕所述第一铰链相对所述支架旋转时，所述连杆绕所述第二铰链旋转以通过所述拨叉驱动所述移动接合部件向所述空心轴远端或近端滑动。

5.根据权利要求4所述的可变姿态跨介质多栖机器人，其特征在于，机构连接底座包括中间支臂和分别位于所述中间支臂两侧的侧支臂，所述动力机构近端通过所述第一铰链连接在所述中间支臂上，两个侧支臂分别通过一所述第二铰链连接一所述连杆，设置在两个所述连杆远端的两个拨叉分别从两侧与所述移动接合部件耦接。

6.根据权利要求4所述的可变姿态跨介质多栖机器人，其特征在于，所述第一铰链为阻尼值可调的阻尼铰链。

7.根据权利要求1所述的可变姿态跨介质多栖机器人，其特征在于，每组驱动组件包括两个多栖运动机构和一个姿态切换机构，所述姿态切换机构设置在所述支架一侧的中间，所述两个多栖运动机构位于所述姿态切换机构两侧，所述姿态切换机构包括舵机和由所述舵机驱动以在竖直平面内相对所述支架旋转的转动连杆，所述转动连杆分别与所述两个多栖运动机构连接。

8.根据权利要求7所述的可变姿态跨介质多栖机器人，其特征在于，所述姿态切换机构通过一固定架设置在所述支架一侧的中间，所述固定架下端伸出所述支架底面预定距离。

9.根据权利要求1所述的可变姿态跨介质多栖机器人，其特征在于，所述多个驱动姿态包括：对应空中飞行运动模式的第一驱动姿态，所述姿态切换机构驱动所述多栖运动机构相对所述支架旋转至+90°位置；对应地面行走运动模式的第二驱动姿态，所述姿态切换机构驱动所述多栖运动机构相对所述支架旋转至0°位置；对应水中运动模式的第三驱动姿态，当所述姿态切换机构驱动所述多栖运动机构相对所述支架旋转至0°位置时提供水平方向的驱动力，当所述姿态切换机构驱动所述多栖运动机构相对所述支架旋转至预定角度的倾斜位置时提供竖直方向的驱动力。

10.根据权利要求1所述的可变姿态跨介质多栖机器人，其特征在于，所述支架包括上层框架、下层框架以及用于连接所述上层框架和所述下层框架的支撑柱，所述上层框架、所述下层框架均为一体成型的碳纤维板。