一种球形陆空两栖机器人的制作方法

1.本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种球形陆空两栖机器人。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，机器人技术在人类生活和工作中扮演着越来越重要的角色。移动型机器人在救援抢险、军事侦察等各个领域发挥着不可或缺的作用，但工作环境的复杂多变性使得传统单一环境工作的移动型机器人已渐渐无法满足任务的要求，因此各类两栖机器人应运而生。
3.由于陆空两栖机器人对地形环境具有高度的适应性而被广泛用于各个应用场景中，如灾后搜救、战斗侦察、反恐突袭、消防作业、自动化生产等。陆空两栖机器人兼具无人机和地面机器人的优点，可以飞行模式轻松跨越各种障碍；在地面时拥有地面机器人灵活、省电等特点，且适合在室内环境下作业；在空中时可前后、左右、上下快速飞行或悬停。现有技术中，有如下专利涉及陆空两栖机器人：
4.1、专利号为“201611037532.8”的发明专利，提出了一种陆空两栖的四足应急救援侦查机器人，包括无人机系统、四足系统和传动系统，该机器人可利用无人机系统和四足系统相结合来实现空中飞行和地面行走。但该方案的不足之处在于：a.四足机器人的转向不灵活；b.每个关节自由度都需要一级驱动机构，增加了机器人整体的质量，影响了飞行模式的续航时间；c.足式机器人一旦倾倒，靠自身很难再次站立。
5.2、专利号为“202110124993.3”，专利名称为“一种陆空两栖机器人”的发明专利申请，该方案中的机器人可在空中定点360
°
连续转圈、在地面前后滚动、左右转弯及原地360
°
连续旋转。但该方案不足之处在于：a.收桨方案的成功率较低，在飞行模式向滚动模式切换时，需要收桨装置将旋转的桨叶强行制动，而制动的时机无法精准把控，极容易对桨叶造成物理破坏；b.模式的切换对桨叶收回的位置有很高要求，桨叶回收的位置有误差会导致滚动时内部结构与桨叶造成干涉，影响机器人的地面运动。
6.综上所述，如何设计一种兼具陆空两栖机器人和球形机器人的优点，并可解决收桨问题和执行机构繁琐问题，具有高稳定性和可靠性的机器人，是当下亟需解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明为解决上述问题，提供了一种球形陆空两栖机器人，该机器人可实现地面滚动和地面转向，具备较强的越障能力和防倾倒能力；还可实现空中平稳飞行及自动收桨，解决了收桨困难和执行机构繁琐的问题。
8.一种球形陆空两栖机器人，包括空中飞行模块、地面滚动模块和支撑模块；空中飞行模块包括电机臂和桨叶，电机臂分为伸缩式的电机臂支撑段和与桨叶连接的电机臂旋转段；电机臂支撑段与电机臂旋转段之间通过折臂机构连接，电机臂旋转段可通过折臂机构旋转；电机臂旋转段与桨叶之间通过收桨机构转动连接；地面滚动模块包括球形壳体，球形壳体内设有分别驱动机器人地面滚动和转向的中心转轴和摆块，中心转轴与球形壳体的水
平中心轴共线；球形壳体上开设有供电机臂伸出至球形壳体外侧或收回至球形壳体内侧的窗体；支撑模块包括位于中心转轴和摆块之间的多层中心板，相邻中心板之间设有与电机臂支撑段连接的伸缩组件；伸缩组件连接于电机臂支撑段远离折臂机构的一端并可驱动电机臂支撑段在窗体处伸缩。
9.优选的，中心板包括与中心转轴平行设置的第一层中心板、第二层中心板和第三层中心板，第一层中心板、第二层中心板和第三层中心板的两侧端分别通过轴承座一和轴承座二连接；伸缩组件包括位于第一层中心板与第二层中心板之间的丝杠一、位于第二层中心板和第三层中心板之间的丝杠二，丝杠一和丝杠二的两端均分别连接于轴承座一和轴承座二上；丝杠一和丝杠二上分别螺纹连接有反向螺母一和反向螺母二；电机臂包括位于中心转轴轴向两侧的两组，两组电机臂分别与反向螺母一和反向螺母二连接。
10.优选的，丝杠一的轴端一和丝杠二的轴端一均穿过轴承座一并分别连接有齿轮一和齿轮二，丝杠一由减速电机驱动旋转；丝杠一旋转时带动齿轮一同向旋转、齿轮一带动齿轮二及丝杠二反向旋转；同时反向螺母一和反向螺母二分别在丝杠一和丝杠二上朝相反的方向平动并带动两组电机臂伸缩。
11.优选的，两组电机臂均包括对称设置的电机臂一和电机臂二，两组电机臂一和电机臂二的电机臂支撑段分别连接于反向螺母一和反向螺母二的径向两端；电机臂支撑段上沿长度方向设有导向槽口，电机臂一和电机臂二的导向槽口上卡接有导向滑块，导向滑块的两端分别设有可卡接在电机臂一和电机臂二的导向槽口中的导向轴，当反向螺母一和反向螺母二分别朝向轴承座一和轴承座二的方向平动时，两组电机臂一和电机臂二均通过导向槽口沿着导向轴向两侧张开并伸出至窗体外侧。
12.优选的，收桨机构包括与电机臂旋转段连接的收桨驱动件和与收桨驱动件连接的桨夹底座，桨夹底座上通过收桨转轴转动连接有桨夹，桨叶通过桨夹轴连接在桨夹上；收桨转轴与桨夹底座之间设有收桨扭簧，当收桨驱动件停转后，通过桨叶的自重及收桨扭簧提供的辅助扭力，使桨夹带动桨叶绕收桨转轴运动至与电机臂支撑段平行的位置并位于电机臂支撑段的正下方。
13.优选的，折臂机构包括折臂拉片和固定连接于折臂拉片上的折臂转轴；折臂转轴与电机臂旋转段固定连接、与电机臂支撑段转动连接，折臂转轴可带动电机臂旋转段相对于电机臂支撑段旋转90
°
；折臂转轴与电机臂支撑段之间设有折臂扭簧，初始状态时，通过折臂扭簧使得电机臂旋转段与电机臂支撑段保持垂直。
14.优选的，第一层中心板与第二层中心板之间靠近轴承座一处、第二层中心板与第三层中心板之间靠近轴承座二处均设有包括连接孔的中心竖板；折臂拉片上还转动连接有与中心竖板活动连接的折臂拉杆；折臂拉杆穿过中心竖板的连接孔并可随着电机臂支撑段在连接孔内伸缩，折臂拉杆位于中心竖板内侧的端部设有可限位于连接孔内侧的限位凸台；当折臂拉杆随着电机臂支撑段运动到极限位置时，折臂拉杆通过限位凸台止挡于中心竖板上，同时折臂拉杆带动折臂拉片及折臂转轴旋转，并使得电机臂旋转段转动至与电机臂支撑段平行的位置。
15.优选的，中心转轴的两端与球形壳体连接，中心转轴包括共线的主动轴和从动轴；第一层中心板上在位于轴承座二的一侧设有驱动主动轴旋转的滚动舵机，第一层中心板上在位于轴承座一的一侧设有用于支撑从动轴的从动轴轴承座；通过滚动舵机驱动主动轴转
动并带动球型壳体及从动轴运动来实现机器人的地面滚动。
16.优选的，第三层中心板下端设有相互平行的摆臂一及摆臂二、固定于摆臂一和摆臂二下端以用于转向的摆块；通过转向舵机驱动摆臂一摆动，摆臂二随动，通过摆臂一和摆臂二改变摆块的位置来改变机器人的整体中心并实现转向。
17.优选的，球形壳体的两侧分别开设有两个与两组电机臂匹配的窗体，当电机臂从球形壳体内伸出并推开窗体后，通过电机臂的上端面对窗体限位；窗体与球形壳体之间设有开合旋转轴，开合旋转轴与球形壳体之间设有开合扭簧以辅助初始状态下窗体稳定闭合。
18.本发明的有益效果：
19.1、本发明中的机器人可实现地面滚动、空中平稳飞行及两种运动模式的自主切换；
20.地面运动时：可通过滚动舵机和中心转轴实现直线滚动，通过转向舵机、摆臂和摆块实现转向，具备较强的越障能力；同时地面运动通过滚动舵机和转向舵机协同配合，只需两个驱动机构便可实现位置和姿态的灵活控制，加之球形的外形优势，可有效避免倾倒问题；
21.空中运动时：通过伸缩组件与电机臂相配合实现电机臂伸出至球形壳体外侧或回收至球形壳体内侧；还可通过折臂机构辅助电机臂张开，通过收桨机构实现桨叶的自动回收；可实现空中平稳飞行和自动悬停。
22.2、本发明中的收桨机构，可使得桨叶转动至与电机臂支撑段平行的位置，并处于电机臂支撑段的正下方，可极大的节省空间；当电机臂完全收进球壳内部后，可极大的利用了球形壳体内部的空间，使得滚动时各部分互不干涉，进一步增加地面滚动的顺滑性和稳定性。
23.3、本发明中球形壳体内部各部件的质心均在中心转轴的下方，机器人整体的中心在球壳中心面的下方，使机器人在不通电的情况下依靠自身结构也可以实现稳定站立。
24.4、本发明在折臂转轴与电机臂支撑段之间设有折臂扭簧，在初始状态时可通过折臂扭簧使得电机臂旋转段与电机臂支撑段保持垂直；
25.在收桨转轴与桨夹底座之间设有收桨扭簧，当收桨驱动件停转后，可通过桨叶的自重及收桨扭簧提供的辅助扭力使桨夹带动桨叶绕收桨转轴运动至垂直于桨夹底座的位置；
26.在开合旋转轴与球形壳体之间设有开合扭簧以辅助初始状态下窗体稳定闭合。
附图说明
27.图1为机器人处于飞行模式时的示意图；
28.图2为机器人处于滚动模式示意图；
29.图3为机器人的内部结构示意图(部分桨叶张开状态)；
30.图4为图3中a处的局部放大图；
31.图5为图3中b处的局部放大图；
32.图6为飞行模式下机器人内部结构的正视图；
33.图7为收桨机构自然状态下示意图；
34.图8为飞行时收桨装置由于离心力的作用展开的示意图；
35.图9为电机臂收回球壳后的状态图；
36.图10为电机臂伸出球壳的状态图；
37.图11为一侧伸缩组件和折臂机构的示意图(在球形壳体内部的状态)；
38.图12为一侧伸缩组件和折臂机构的示意图(伸出至球形壳体外侧的状态)；
39.图13为反向螺母一和丝杆一的结构示意图。
40.附图标记：收桨驱动件1、桨夹底座111、桨夹112、桨夹轴113、收桨转轴114、桨叶115、第一层中心板2、第二层中心板3、第三层中心板4、滚动舵机5、转向舵机6、反向螺母一7a、反向螺母二7b、中心竖板8、球形壳体9、收桨机构11、折臂机构12、电机臂支撑段121、导向槽口121a、电机臂旋转段122、丝杠一123、丝杠二124、折臂拉片125、折臂拉杆126、折臂转轴127、从动轴22、滚动舵机固定座24、减速电机25、轴承座一26、轴承座二27、齿轮一261、齿轮二262、导向轴263、摆块13、摆臂一14、摆臂二15、窗体16、电机臂一17、电机臂二18、限位凸台19、导向滑块20、减速电机固定座21、滚动从动端转轴22、滚动舵机固定座24、减速电机25、丝杠轴承座一26、丝杠轴承座二27、齿轮一261、齿轮二262、导向轴263、安装台28、连接架29、连接孔30、连接柱31、主动轴32。
具体实施方式
41.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
42.如图1-13所示，一种球形陆空两栖机器人，包括空中飞行模块、地面滚动模块和支撑模块；如图1-3所示，地面滚动模块包括球形壳体9，球形壳体9内设有驱动机器人地面滚动的中心转轴，中心转轴与球形壳体9的水平中心轴共线，中心转轴为两段式结构，包括共线的主动轴32和从动轴22，主动轴32和从动轴22的外端部分别与球形壳体9连接，主动轴32由滚动舵机5驱动转动并将转动力传递给刚性的球型壳体9及从动轴22来实现机器人的地面滚动；如图3所示，球形壳体9内还设有位于中心转轴下方的转向舵机6、相互平行的摆臂一14及摆臂二15、固定于摆臂一14和摆臂二15下端以用于转向的摆块13；通过转向舵机6驱动摆臂一14摆动，摆臂二15随动，通过摆臂一14和摆臂二15改变摆块13的位置来改变机器人的整体中心并实现转向。
43.如图3和图6所示，支撑模块包括位于中心转轴和摆块13之间的多层中心板，中心板包括与中心转轴平行设置的第一层中心板2、第二层中心板3和第三层中心板4，第一层中心板2、第二层中心板3和第三层中心板4的两侧端分别通过轴承座一26和轴承座二27连接；滚动舵机5设于第一层中心板2上位于轴承座二27的一侧，第一层中心板2上在位于轴承座一26的一侧设有用于支撑从动轴22的从动轴轴承座，第一层中心板2上还设有滚动舵机固定座24；摆臂一14和摆臂二15设于第三层中心板4的下端，摆臂一14由转向舵机6驱动；球形壳体9内部各部件的质心均在中心转轴的下方，机器人整体的中心位于球壳中心面的下方，机器人在不通电的情况下依靠自身结构也可以实现稳定站立。
44.如图3和图6所示，相邻中心板之间设有与电机臂支撑段121连接的伸缩组件；伸缩组件包括位于第一层中心板2与第二层中心板3之间的丝杠一123、位于第二层中心板3和第
三层中心板4之间的丝杠二124，丝杠一123的两端连接于轴承座一26和轴承座二27上，丝杠二124的两端也连接于轴承座一26和轴承座二27上；丝杠一123和丝杠二124上分别螺纹连接有反向螺母一7a和反向螺母二7b；丝杠一123的轴端一和丝杠二124的轴端一均穿过轴承座一26并分别连接有齿轮一261和齿轮二262，丝杠一123由减速电机25驱动旋转，第一层中心板2上设有减速电机固定座21；丝杠一123旋转时带动齿轮一261同向旋转、齿轮一261带动齿轮二262及丝杠二124反向旋转；当接到切换飞行模式指令时，减速电机25驱动丝杠一123转动，丝杠一123通过与之固定连接的齿轮一261带动齿轮二262转动，齿轮一261和齿轮二262模数相同，齿数相同，丝杠一123和丝杠二124的导程相同，因此反向螺母一7a与反向螺母二7b以相同的平动速度运动；丝杠一123和丝杠二124的转动中心在中心转轴的正下方且与中心转轴平行。
45.空中飞行模块包括电机臂和桨叶115，电机臂分为伸缩式的电机臂支撑段121和与桨叶115连接的电机臂旋转段122；如图1所示，电机臂包括位于中心转轴轴向两侧的两组，两组电机臂均包括对称设置的电机臂一17和电机臂二18，球形壳体9上开设有供电机臂伸出至球形壳体9外侧或收回至球形壳体9内侧的窗体16，具体为球形壳体9的两侧分别开设有两个与两组电机臂匹配的窗体16，每一侧的两个窗体16相对于中心转轴对称设置，当电机臂从球形壳体9内伸出并推开窗体16后，通过电机臂的上端面对窗体16限位；窗体16与球形壳体9之间设有开合旋转轴，开合旋转轴与球形壳体9之间设有开合扭簧以辅助初始状态下窗体16稳定闭合。
46.反向螺母的结构具体如图13所示，以反向螺母一7a和丝杆一123为例，反向螺母一7a的两端分别与一组电机臂中的电机臂一17和电机臂二18连接，反向螺母一7a的中部设有与丝杆一123螺纹连接的螺纹孔，通过丝杆一123转动带动反向螺母一7a水平移动，进而带动电机臂一17和电机臂二18张开或收回。
47.两组电机臂一17和电机臂二18的电机臂支撑段121分别连接于反向螺母一7a和反向螺母二7b的径向两端；当丝杠一123和丝杠二124转动时，反向螺母一7a和反向螺母二7b分别在丝杠一123和丝杠二124上朝相反的方向平动；当反向螺母一7a和反向螺母二7b分别朝向轴承座一26和轴承座二27方向运动时，带动两组电机臂张开并打开窗体16以伸向球形壳体9外侧；当反向螺母一7a和反向螺母二7b分别朝向轴承座二27和轴承座一26方向运动时，带动两组电机臂收回至球形壳体9内。
48.电机臂支撑段121与电机臂旋转段122之间通过折臂机构12连接，电机臂旋转段122可通过折臂机构12旋转；电机臂支撑段121上沿长度方向设有导向槽口121a，电机臂一17和电机臂二18的导向槽口121a上卡接有导向件，导向件包括一个卡接在导向槽口121a上的导向滑块20和位于导向滑块20两端的导向轴263，两组电机臂对应的两个导向滑块20分别安装于第一层中心板2和第二层中心板3的下端，导向件中的两个导向轴263分别卡接在电机臂一17和电机臂二18的导向槽口121a内且可在导向槽口121a内滑动；当反向螺母一7a和反向螺母二7b分别朝向轴承座一26和轴承座二27的方向反向平动时，两组电机臂一17和电机臂二18均通过导向槽口121a沿着导向轴263向两侧张开并伸出至窗体16外侧；折臂机构12包括折臂拉片125和固定连接于折臂拉片125上的折臂转轴127，两组电机臂中电机臂一17的折臂转轴127和电机臂二18的折臂转轴127分别以丝杠一123和丝杠二124为中心对称设置；如图4所示，折臂转轴127与电机臂旋转段122固定连接、与电机臂支撑段121转动连
接，折臂转轴127可带动电机臂旋转段122相对于电机臂支撑段121旋转90
°
，当位于初始状态时，电机臂旋转段122与电机臂支撑段121垂直以使得桨叶115回收至电机臂支撑段121下方，当位于空中飞行状态时，电机臂旋转段122与电机臂支撑段121平行并使得桨叶115打开；折臂转轴127与电机臂支撑段121之间设有折臂扭簧，初始状态时，通过折臂扭簧使得电机臂旋转段122与电机臂支撑段121保持垂直。
49.电机臂旋转段122与桨叶115之间通过收桨机构11转动连接；如图3、7和8所示，收桨机构11包括与电机臂旋转段122连接的收桨驱动件1和与收桨驱动件1连接的桨夹底座111，本实施例中的收桨驱动件1为驱动收桨电机；桨夹底座111上通过收桨转轴114转动连接有桨夹112，桨夹112包括夹台一和夹台二，桨叶115通过桨夹轴113连接在夹台一和夹台二之间；当进入飞行模式时，桨叶115在离心力的作用下跟随桨夹112绕着收桨转轴114转动张开，为机器人提供升力；收桨转轴114与桨夹底座111之间设有收桨扭簧，当收桨驱动件1停转后，通过桨叶115的自重及收桨扭簧提供的辅助扭力，使桨夹112带动桨叶115绕收桨转轴114运动至与电机臂支撑段121平行的位置并位于电机臂支撑段121的正下方，以节省空间，且当电机臂完全收进球壳内部后，可极大的利用了球形壳体9内部的空间，使得滚动时各部分互不干涉，进一步增加地面滚动的顺滑性和稳定性。
50.如图3和图5所示，第一层中心板2与第二层中心板3之间靠近轴承座一26处、第二层中心板3与第三层中心板4之间靠近轴承座二27处均设有包括连接孔30的中心竖板8，折臂拉片125上还转动连接有与中心竖板8活动连接的折臂拉杆126；折臂拉杆126穿过中心竖板8的连接孔30并可随着电机臂支撑段121在连接孔30内伸缩，折臂拉杆126位于中心竖板8内侧的端部设有可限位于连接孔30内的限位凸台19；具体以第一层中心板2与第二层中心板3处为例，如图5所示，第一层中心板2与第二层中心板3的两侧侧端面上均匹配设有安装台28，中心竖板8固定于第一层中心板2与第二层中心板3的安装台28之间；中心竖板8包括连接柱31和连接架29，连接孔30设于连接架29的中部，连接架29设于连接柱31的内侧端；折臂拉杆126与中心竖板8中的连接架29活动连接，折臂拉杆126穿过连接孔30并可随着电机臂支撑段121在连接孔内伸缩；限位凸台19具体设于折臂拉杆126位于连接架29内侧的端部；进入飞行模式时，当折臂拉杆126随着电机臂支撑段121运动到极限位置时，折臂拉杆126通过限位凸台19止挡于连接架29上，此时折臂拉杆126不再运动并带动折臂拉片125及折臂转轴127克服折臂扭簧的扭力，使得电机臂旋转段122和电机臂支撑段121在导向滑块20到达指定位置时呈平行状态，以使得电机臂旋转段122转动至与电机臂支撑段121平行的位置。
51.实施方式：
52.图2为球形陆空两栖机器人的初始状态，使用时，如图2所示，初始时刻所有机构都回收在球形壳体9内部，由于摆块13的设置，使得重心始终处于球形壳体9中心转轴的下方，在初始时刻时机器人在整体上可保持一定的平衡。
53.地面滚动时：通电后通过滚动舵机5和转向舵机6调节机器人前、后、左、右方向上的平衡，使中心转轴始终保持水平。
54.空中飞行时：当接到切换飞行模式指令时，减速电机25驱动丝杠一123转动，丝杠一123通过齿轮一261带动齿轮二262转动，齿轮二262再带动丝杠二124转动，此时反向螺母一7a、反向螺母二7b以相同的平动速度分别朝向轴承座一26、轴承座二27的方向运动；图9
为一组电机臂回后的状态，图10为一组电机臂伸出后的状态，以轴承座一26一侧的电机臂为例，如图11所示，当反向螺母一7a朝向轴承座一26的方向运动时，电机臂一17和电机臂二18也随之运动，由于导向滑块20的作用，电机臂一17和电机臂二18的电机臂支撑段121在平动的同时向两侧张开，直到到达图12所示的状态；同时，在切换为飞行模式时，丝杠一123与反向螺母一7a自锁、丝杠二124与反向螺母二7b自锁，可保证电机臂飞行时的稳定性。
55.电机臂在伸出的过程中，从球型壳体内部推开窗体16，窗体16向上打开，在电机臂伸出后，电机臂的上端面对窗体16进行限位；当电机臂支撑段121张开至图10所示状态时，折臂拉杆126通过限位凸台19止挡在连接架29上，此时折臂拉杆126不再运动且带动折臂拉片125和折臂转轴127旋转，折臂转轴127带动电机臂旋转段122转动90
°
并从图9中所示状态张开至图10中所示与电机臂支撑段121平行的状态；进一步的，在离心力的作用下，桨叶115和桨夹112通过收桨转轴114从图7中所示状态张开至图8中所示状态。
56.收桨时：收桨驱动电机停止工作，桨叶115不再受离心力的影响，收桨扭簧带动桨夹112和桨叶115向内收回至图7所示状态；同时折臂扭簧带动电机臂旋转段122回收至图9中桨叶115位于电机臂支撑段121正下方且与电机臂支撑段121平行的状态。
57.电机臂回收时：减速电机25驱动丝杠一123旋转，丝杠一123通过齿轮一261带动齿轮二262转动，齿轮二262再带动丝杠二124转动，此时反向螺母一7a、反向螺母二7b以相同的平动速度分别朝向轴承座二27、轴承座一26的方向运动；电机臂支撑段121通过导向槽口121a沿着导向轴263向内滑动并使得两组电机臂一17和电机臂二18收回并从窗体16处收回至球形壳体9内，此时开合扭簧的扭力辅助窗体16关闭并使得球形壳体9形成一个整体。
58.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
59.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。