一种陆空两栖运动机器人

1.本发明主要涉及到机器人技术领域，特指一种陆空两栖运动机器人。


背景技术：

2.传统的机器人大多采用单一运动模态，即大部分采用在地面行进的运动模态或者仅能在空中行进的运动模态。但是，这类单一运动模态的机器人现在已经无法满足实际应用场景的需求。例如地面运动机器人存在无法跨越栅栏、沼泽、大坑等非平整地形的问题，空中运动机器人存在能耗过高、无法长时间续航工作的问题。
3.于是，有从业者提出了多模态的运动机器人，如陆空双模态运动机器人，中国专利申请“可变形多模态陆空飞行机器人”(cn105034729a)、“一种陆空两用作业型飞行机器人”(cn111409403a)、“一种陆空双用摄像机器人”(cn206264730u)等等，都提出了能够满足基本需求的两栖机器人结构。但是这些现有的结构形式还是存在一些技术问题：
4.1.采用结构变形方式的双模态运动机器人，其增加了必要的传动变换机构，导致机器人整体重量上升，并且由于变换机构存在一定的复杂性，将使得机器人在空中运动时，受内扰动影响大，导致空中运动的不平稳，可靠性较低。
5.2.采用地面与空中分别电机驱动的双模态运动机器人，其增加了额外的驱动模块，难以做到轻量化，独立的驱动系统将占据额外的体积，进而使得整体机器人的尺寸变大，降低双模态运动机器人的便携性。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、适用范围广、可控性好的陆空两栖运动机器人。
7.本发明采用同一驱动布局的不同施力方向，在简化变换机构的基础上，通过四旋翼的可调角度倾转运动实现地面的快速机动能力和空中的高效运动能力，便携性强，控制精度高，同时重量较轻，结构紧凑，具备极高的实际应用价值。
8.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
9.一种陆空两栖运动机器人，包括四旋翼运动组件、中部传动组件及底盘运动组件，所述四旋翼运动组件整体成x字型布局，对称排列，用来提供地面与空中运动的驱动力；所述中部传动组件与四旋翼运动组件相连，并用来驱动四旋翼运动组件完成前后倾转；所述底盘运动组件安装于中部传动组件和四旋翼运动组件的下方，用来在四旋翼运动组件驱动力的作用下完成地面运动。
10.作为本发明的进一步改进：所述四旋翼运动组件中包括固定在飞行框架中部的电机支架上板和电机支架下板，使得四旋翼运动组件整体成x字型布局，对称排列。
11.作为本发明的进一步改进：所述四旋翼运动组件中包括飞行框架上板，通过转轴固定支架与飞行框架下板固定，转轴固定支架的中间安装转轴，转轴通过转轴轴向固定套筒实现轴向固定，实现飞行框架的绕轴转动，使得四旋翼运动组件具备倾转功能。
12.作为本发明的进一步改进：所述四旋翼运动组件中包括旋翼电机、桨叶顶针帽和桨叶，桨叶顶针帽和桨叶分别通过加紧装置固定在旋翼电机上，旋翼电机与旋翼电机固定座固定，并通过电机支架下板上的对应孔位安装在电机支架下板上，由用来提供整体机器人系统的地面与空中运动的驱动力。
13.作为本发明的进一步改进：所述中部传动组件包括转轴固定支架，所述转轴固定支架固定在中部支架板上，转轴固定支架上方开通孔，并且通过轴承与转轴配合，实现在中部支撑的情况下，四旋翼整体的前后倾转。
14.作为本发明的进一步改进：所述中部传动组件包括倾转舵机支架固定在转轴固定支架的内部，倾转舵机支架上安装倾转舵机，倾转舵机的输出端通过转盘与舵机双轴旋转架连接，并依次连接舵机连接杆、拉杆以及飞行框架下板连接件，用以将倾转舵机输出的转矩传递到飞行框架下板上，实现四旋翼整体的倾转。
15.作为本发明的进一步改进：所述中部传动组件包括传感器组，所述传感器组包括机器人定位必需的双目相机和定高雷达。
16.作为本发明的进一步改进：所述底盘运动组件包括底盘板件，所述底盘板件成x型布局，用于安装中部传动组件。
17.作为本发明的进一步改进：所述底盘运动组件中底盘板件的一侧两个突出部安装定向轮组件，依次安装定向轮固定上板、定向轮固定支架、定向轮转轴以及定向轮轮胎；在底盘板件的另一侧两个突出部的中间位置安装转向舵机支撑架，其上安装转向舵机；转向舵机的输出端与舵机连接杆配合，舵机连接杆与转向轮组件通过转向拉杆相连，实现旋转力矩从转向舵机到转向轮组件的传递。
18.作为本发明的进一步改进：所述底盘运动组件包括转向轮组件，所述转向轮组件中转向轮胎的转向轮胎转轴通过转向轮支架中部的通孔安装在转向轮支架上，转向轮胎与转向轮胎转轴配合，并通过转向轮胎转轴固定套筒实现轮胎的轴向固定，同时保证转向轮胎在转向轮胎转轴上旋转；转向轮支架上部安装旋转销和旋转销轴承，旋转销轴承安装在转向轮支架和转向轮支架固定下板之间，旋转销轴承与转向轮支架固定下板进行配合，旋转销上部有螺纹；转向轮组件通过旋转销、转向轮支架固定上板、转向轮支架固定下板紧固安装在底盘板件上，用来实现转向轮支架绕旋转销的自由旋转，以及转向轮胎绕转向轮胎转轴的旋转，完成地面的转向运动。
19.与现有技术相比，本发明的优点就在于：
20.1、本发明的一种陆空两栖运动机器人，结构简单、适用范围广、可控性好，该机器人既能够在地面上进行正常行驶，同时能够切换为空中运动模态，具备飞行能力，拥有在非平整崎岖路面上的快速通过能力，同时双模态运动的灵活切换能够保证一定的续航工作时间。
21.2、本发明的一种陆空两栖运动机器人，采用同一驱动布局的不同施力方向，在简化变换机构的基础上，通过四旋翼的可调角度倾转运动实现地面的快速机动能力和空中的高效运动能力，便携性强，控制精度高，同时重量较轻，结构紧凑，具备极高的实际应用价值。
22.3、本发明的一种陆空两栖运动机器人，可以实现地面运动和空中运动的两种运动模态，能够利用舵机变换机构，快速实现空中到地面或是地面到空中的模态转换。而且，利
用同种驱动方式——四旋翼桨叶升力，通过倾转整体旋翼实现不同的运动模态，保证双模态运动下的能源利用达到最大效率。
23.4、本发明的一种陆空两栖运动机器人，地面运动底盘采用x型布局和双舵机转向机构，实现了地面的高机动运动能力；整个结构板材均采用碳纤维材料，同时所有板件均有镂空设计，保证了整体机器人的重量较轻，便于携带和单兵操作。
附图说明
24.图1是本发明的结构原理示意图。
25.图2是本发明在具体应用实例中四旋翼运动组件的结构原理示意图。
26.图3是本发明在具体应用实例中的中部传动组件的结构原理示意图。
27.图4是本发明在具体应用实例中底盘运动组件的结构原理示意图。
28.图5是本发明在具体应用实例中转向轮组件的结构原理示意图。
具体实施方式
29.以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
30.如图1-图5所示，本发明的陆空两栖双模态运动机器人，包括：四旋翼运动组件10、中部传动组件20及底盘运动组件30。其中：
31.四旋翼运动组件10包含飞行框架上板11、飞行框架下板12、转轴轴向固定套筒13、转轴14、转轴固定支架15、第一双通螺柱16、电机支架下板17、电机支架上板18、桨叶19、桨叶顶针帽110、旋翼电机111及旋翼电机固定座112。如图2所示，在具体应用实例中，飞行框架上板11通过转轴固定支架15与飞行框架下板12固定，转轴固定支架15的中间开半沉孔用于安装转轴14，转轴14通过转轴轴向固定套筒13实现轴向固定，同时实现飞行框架的绕轴转动，使得四旋翼运动组件具备倾转功能。
32.在具体应用实例中，电机支架上板11和电机支架下板12通过第一双通螺柱16固定在飞行框架的中部，同步安装四个对应的电机支架上板18、电机支架下板17与螺柱，使得四旋翼运动组件整体成x字型布局，对称排列。
33.在具体应用实例中，桨叶顶针帽110、桨叶19分别通过加紧装置固定在旋翼电机111上，旋翼电机111与旋翼电机固定座112通过螺栓固定，并最终通过电机支架下板12上的对应孔位安装在电机支架下板12上，由此完整构成了四旋翼运动组件整体，能够提供整体机器人系统的地面与空中运动的驱动力。
34.在具体应用实例中，中部传动组件20包含中部支架板21、转轴固定支架22、轴承23、倾转舵机支架24、倾转舵机25、舵机双轴旋转架26、舵机连接杆27、拉杆28、飞行框架下板连接件29、双目相机支架210、双目相机211、定高雷达支架212、定高雷达213及备用传感器安装支架214，如图3所示。
35.在具体应用实例中，转轴固定支架22通过螺栓固定在中部支架板21上，转轴固定支架22上方开通孔，并且通过轴承23与转轴配合，实现在中部支撑的情况下，四旋翼整体的前后倾转。
36.在具体应用实例中，倾转舵机支架24固定在转轴固定支架22的内部，其上安装倾转舵机25，倾转舵机25的输出端通过转盘与舵机双轴旋转架26连接，并依次连接舵机连接
杆27、拉杆28以及飞行框架下板连接件29，最终将倾转舵机25输出的转矩传递到飞行框架下板12上，实现四旋翼整体的倾转。
37.在具体应用实例中，中部传动组件20除了用于安装倾转四旋翼必备的相关零部件之外，还用于安装相关传感器组。所述传感器组包括机器人定位必需的双目相机211和定高雷达213通过对应的固定支架(双目相机支架210和定高雷达支架212)安装在中部支架板21上.进一步，还额外安装一个备用传感器支架214便于机器人额外传感器的安装，由此构成了机器人中部传动组件20的所有配置。
38.底盘运动组件30包含底盘板件31、第二双通螺柱32、tx2主处理器33、tx2支架34、定向轮固定上板35、定向轮的固定支架36、定向轮转轴37、转向舵机支撑架38、转向舵机39、舵机连接杆310、转向拉杆311及转向轮组件312，如图4所示。
39.在具体应用实例中，底盘板件31成x型布局，采用单板件支撑结构，采用碳纤维板进行镂空设计，能够保证轻量化设计的基础上具备较高的刚度，板件中部四周开3mm通孔，用于安装第二双通螺柱32，其上安装中部传动组件20，形成完整的陆空两栖机器人构型。
40.在具体应用实例中，底盘板件31的中部开大孔，并通过螺栓固定安装tx2支架34，其上安装tx2主处理器33；所述tx2主处理器33用于接收传感器所获得的外部环境信息，并且进行计算处理，在获取机器人在环境中的位姿信息后，通过控制算法输出控制量到驱动器上，实现机器人在环境中的自主运动。
41.在具体应用实例中，底盘板件31的一侧(以图4方位为准就为右侧)两个突出部安装定向轮组件，通过螺栓依次安装定向轮固定上板35、定向轮固定支架36、定向轮转轴37以及定向轮轮胎，定向轮组件不具备旋转功能，方向固定，据图3所示，为水平向右。
42.在具体应用实例中，地面运动具备转向能力，在底盘板件31的另一侧(如图4中所示的左侧)两个突出部的中间位置安装转向舵机支撑架38，其上通过螺栓安装转向舵机39，转向舵机39的输出端与舵机连接杆310配合，舵机连接杆310与转向轮组件312通过转向拉杆311相连，实现旋转力矩从转向舵机39到转向轮组件312的传递，地面运动的转向机动能力主要依赖于底盘板件31左侧的两个突出部所安装的转向轮组件312。
43.参见图5，在具体应用实例中，转向轮组件312包含转向轮胎313、轮胎转轴固定套筒314、转向轮胎转轴315、旋转销316、旋转销轴承317、转向轮支架318、转向轮支架固定下板319、转向轮支架固定上板320、m4平垫、m4紧固螺母。转向轮组件312的具体安装方式为：转向轮胎313的转向轮胎转轴315通过转向轮支架318中部的通孔安装在转向轮支架318上，转向轮胎313与转向轮胎转轴315配合，并通过转向轮胎转轴315固定套筒实现轮胎的轴向固定，同时保证转向轮胎313在转向轮胎转轴315上的小摩擦旋转。
44.在具体应用实例中，转向轮支架318上部开半沉孔，并安装旋转销316和旋转销轴承317，旋转销轴承317安装在转向轮支架318和转向轮支架固定下板319之间，旋转销轴承317与转向轮支架固定下板319通过半沉孔进行紧配合，旋转销316上部有螺纹，通过底盘板件31突出部上的通孔依次与m4螺母和m4平垫实现固定。由此，转向轮组件312通过旋转销316、转向轮支架固定上板320、转向轮支架固定下板319紧固安装在底盘板件31上，能够实现转向轮支架318绕旋转销316的自由旋转，以及转向轮胎313绕转向轮胎转轴315的自由旋转，从而使得机器人具备地面的转向运动能力。
45.通过采用本发明的上述结构，本发明可以实现：
46.1.地面运动与空中运动的实现形式。通过舵机变换机构，控制舵机运动角度，能够使得上方四旋翼实现倾斜向前，水平向上，倾斜向后等三种朝向姿势，从而分别实现机器人的前向地面运动，垂直起降和飞行运动，后向地面运动等三种不同的运动模态。
47.2.倾转四旋翼的舵机变换机构与其布局。包含支架中部放置舵机，双层飞行结构中间横放转轴的布局方式。
48.3.独特设计的地面运动底盘结构，包含x型布局设计，以及两轮固定和两轮双舵机驱动的转向运动方式。
49.由上可知，本发明的空地两种运动模态的驱动力均是来自四旋翼电机旋转产生的推力。不同的是，空中运动直接采用四旋翼飞行的方式，垂直向上的升力实现自主起降，四个电机不同的转速配置，实现机器人在空中的滚转、俯仰以及偏航运动，平稳运动过程中，四旋翼整体基本平行于水平面。而地面运动，将利用舵机变换机构令四旋翼整体产生一定角度的倾转，进而将垂直向上的升力改变方向至倾斜向上，从而在水平面上产生分向推力，推动下方的舵机转向运动底盘向前或向后行进，并利用底盘上的双舵机运动系统，实现地面的高机动转向能力，平稳运动过程中，四旋翼整体与水平面始终存在一定夹角。
50.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。