变结构水陆空三栖类轮式越障机器人的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种变结构水陆空三栖类轮式越障机器人，包括机体，在机体的左右两侧设有对称布置的类轮结构，每个类轮结构通过一上下翻转换位机构与机体连接；每个类轮结构设有一驱动电机，驱动电机安装在上下翻转换位机构上；每个类轮结构设有一个转动轮轴座、周向均布固定在轮轴座上的3～5个轮辐和对应固定在每个轮辐外端的轮缘段，相邻的两个轮缘段之间设有跨距；所有轮辐采用螺旋桨桨叶结构，在机体左右两侧对称设置的两个类轮结构的轮辐的螺旋桨桨叶结构旋向相反，在机体对角设置的两个类轮结构的轮辐的螺旋桨桨叶结构旋向相同。本实用新型可行进于崎岖的路面，可飞越障碍物，可游动前行于河流、湖泊等涉水环境。
【专利说明】变结构水陆空三栖类轮式越障机器人
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及移动机器人领域，具体是一种可变结构并且具有水陆空三栖越障能力的类轮式越障机器人。
【背景技术】
[0002]越障机器人因具有较强的环境适应与感知、动态决策与规划、行为控制与执行等能力而在生化污染等危险恶劣环境下实现军事侦察、扫雷排险、物料搬运等功能，具有广阔的应用前景。目前，越障机器人的研究主要集中于陆地移动机器人，主要有轮式、履带式、腿式、蠕动式、跳跃式和复合式六大类。
[0003]轮式机器人的速度快、效率高、运动噪声低,但其地形适应能力较差,对崎岖度大的复杂地形无能为力，基本无越障能力。如申请号201110177875.5名称为“一种全方位轮式移动机器人”的发明专利，使车轮轮体呈空心结构并放置轴向旋转电机，通过改变车轮的旋转方向使移动机器人实现3自由度全方位回转，然而该移动机器人只适用于平坦地面，无法应对崎岖地形，更无越障能力。
[0004]履带式机器人越障能力与地形适应能力强，履带与地面接触面积大，运动较平稳，但缺陷是速度相对较小、效率低、机动性差，不能处理高度落差较大的地形，且崎岖地面对履带磨损较大。如申请号201010535194.7名称为“机器人履带运动模块”的发明专利，采用齿向向外的同步带作为履带，具备转弯和障碍检测功能，但在越障过程中同步带寿命低、易磨损甚至磨断。
[0005]腿式机器人虽然能够适应复杂的地形，机动性及能效性高，但由于其结构自由度多、机构复杂，导致控制困难、移动速度慢、功耗大。如申请号200580001117.0名称为“腿式移动机器人”的发明专利，在脚部设置地面反作用力探测器及弹簧构件以减小惯性力和高速运动时的冲击影响，然而机器人结构布置与控制系统复杂，成本增加。
[0006]蛇行式和跳跃式机器人在复杂环境适应性方面具有优越性，但其承载能力较差，运动平稳性不高。如申请号201210041454.4名称为“一种多功能蛇形机器人”的发明专利，具有跨越沟槽与台阶、爬杆等功能，地形适应能力较强，然而该机器人由多个基本节通过具有三转动能力的接头连接而成，结构较为复杂，越障时由接头转动抬起基本节，需要较大的转动力矩，承载能力与运动稳定性较差。
[0007]复合式移动机器人由上述五类移动机器人组合而成，如复合轮式、轮-腿式、轮-腿-履带式等。复合式移动机器人虽结合了各类机器人的优势，但也继承了各类机器人的缺陷，结构与控制复杂。如申请号201310205386.5名称为“一种可跳跃的移动机器人”将轮式与跳跃式装置组合，通过自平衡系统控制轮式移动装置的平移运动，由锁定释放装置控制跳跃机构的跳跃运动，为应对机器人本体跳跃落地时的冲击影响还设置了落地缓冲和姿态调整机构，机器人的构成较复杂，各机构间的协调控制难度较大。
[0008]上述各类移动式越障机器人主要应用于陆地崎岖地形，若地形崎岖度大，不同类型移动机器人有不同应对策略，但效率均不高，且上述移动越障机器人均无法应对涉水环境。如何提高越障机器人的复杂环境适应力，实现其高效越障能力，是目前越障机器人的研
究重心。
【发明内容】
[0009]本实用新型的目的在于克服现有越障机器人的不足，提高越障机器人的复杂环境适应力，提供一种具有移动、飞行、渡水三种运动功能的机器人。
[0010]本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:一种变结构水陆空三栖类轮式越障机器人，包括机体，在所述机体的左右两侧设有对称布置的类轮结构，每个所述类轮结构通过一上下翻转换位机构与所述机体连接；每个所述类轮结构设有一驱动电机，所述驱动电机安装在所述上下翻转换位机构上；每个所述类轮结构设有一个与所述上下翻转换位机构转动连接的轮轴座、周向均布固定在所述轮轴座上的3?5个轮辐和对应固定在每个所述轮辐外端的轮缘段，相邻的两个所述轮缘段之间设有跨距；所有所述轮辐采用螺旋桨桨叶结构，在所述机体左右两侧对称设置的两个所述类轮结构的轮辐的螺旋桨桨叶结构旋向相反，在所述机体对角设置的两个所述类轮结构的轮辐的螺旋桨桨叶结构旋向相同。
[0011]所述上下翻转换位机构包括水平支撑架、摆杆、内伸缩杆、外套筒和推拉机构，所述水平支撑架的内端与所述机体的侧面垂直固接，所述水平支撑架的外端与所述摆杆的内端通过轴线与所述水平支撑架垂直的转动副连接，所述摆杆的外端设有与其转动连接的类轮结构，该类轮结构的驱动电机安装在所述摆杆内，所述摆杆的上中部或下中部通过转动副与所述内伸缩杆的外端连接，所述内伸缩杆滑动连接在所述外套筒内，所述外套筒的内端通过转动副与所述机体相连，所述内伸缩杆设有所述推拉机构，所述推拉机构的动力源固定在所述外套筒的内端上。
[0012]在行进过程中，至少有三个不同侧的所述轮缘段与地面接触。
[0013]所述轮缘段上设有凹凸不平的花纹。
[0014]本实用新型具有的优点和积极效果是:
[0015]I)越障能力强；类轮结构的轮缘为同一圆周的对称弧段，具有如轮式装置般的灵活快速直线移动及转弯能力，轮缘间存在跨距，可越过正常车轮无法跨越的障碍。
[0016]2)复杂路况适应性高；若地形崎岖度大，仅靠类轮结构的转动爬行无法攀越，可通过换向机构使部分类轮结构上翻90°旋转换向，由类轮结构的螺旋桨桨叶式轮辐旋转为越障机器人提供升力，实现飞行越障，若遇到河流、湖泊等涉水环境，可通过换向机构使部分类轮结构上翻90°旋转换向，由其轮辐旋转提供升力，其余类轮结构的轮辐旋转提供前进推动力。
[0017]3)结构简单，机动性好；若陆地行进过程移动机器人不慎失稳，对称布置结构可保证其机体180°翻转后仍可继续前行。
[0018]综上，本实用新型结构简单紧凑，机动性较好，可快速行进于较为崎岖的路面，可低空飞越难以攀越的障碍物，还可游动前行于河流、湖泊等涉水环境。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本实用新型的变结构水陆空三栖类轮式越障机器人的整体结构图；[0020]图2是本实用新型的上下翻转换位机构示意图；
[0021]图3是本实用新型的类轮结构示意图；
[0022]图4是本实用新型的空中飞行结构示意图；
[0023]图5是本实用新型的渡水结构示意图。
[0024]图中:1_机体、201-第一上下翻转换位机构、202-第二上下翻转换位机构、203-第三上下翻转换位机构、204-第四上下翻转换位机构、205-第五上下翻转换位机构、206-第六上下翻转换位机构、207-水平支撑架、208-摆杆、209-内伸缩杆、210-外套筒、211-动力源、301-第一类轮结构、302-第二类轮结构、303-第三类轮结构、304-第四类轮结构、305-第五类轮结构、306-第六类轮结构、307-轮轴座、308-轮辐、309-轮缘段。
【具体实施方式】
[0025]为能进一步了解本实用新型的
【发明内容】
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下:
[0026]请参阅图1?图5，本实用新型一种变结构水陆空三栖类轮式越障机器人，包括机体1，在机体I的左右两侧设有对称布置的类轮结构，每个类轮结构通过一上下翻转换位机构与机体I连接；每个类轮结构设有一驱动电机，驱动电机安装在上下翻转换位机构上；每个类轮结构设有与上下翻转换位机构转动连接的一个轮轴座307、周向均布固定在轮轴座307上的3?5个轮辐308和对应固定在每个轮辐308外端的轮缘段309，相邻的两个轮缘段309之间设有跨距；所有轮辐308采用螺旋桨桨叶结构，在机体左右两侧对称设置的两个类轮结构的轮辐的螺旋桨桨叶结构旋向相反，在机体对角设置的两个类轮结构的轮辐的螺旋桨桨叶结构旋向相同。
[0027]本实用新型的越障机器人结构对称，若行进过程不慎翻转仍可按该翻转后的形态继续前进。上下翻转换位机构能够使类轮结构的轴线上翻或下翻90°，实现类轮结构轴线由垂直机体侧面到平行机体侧面的转向换位。
[0028]下面结合每一幅图对本实用新型的实施例做进一步说明:
[0029]请参阅图1?图5，一种变结构水陆空三栖类轮式越障机器人，机体I内部包含运动控制计算器，机体I设有外部设备和感知探测设备等装置，主要作用为探知环境及地形状况、传输信号和给定指令等。在本实施例中，类轮结构有前后左右均对称的6个，分别为:第一类轮结构301、第二类轮结构302、第三类轮结构303、第四类轮结构304、第五类轮结构305和第六类轮结构306。上述所有类轮结构具有相同的结构组成，包括轮轴座307、轮辐308和轮缘段309。轮轴座307在驱动电机的作用下，可相对于摆杆转动；在轮轴座307的外圆面上周向对称安装三至五个轮辐308，每一轮辐308的外端固定安装轮缘段309，轮缘段309呈圆弧形，如图3虚线所示，同一类轮结构的轮缘段为同一圆周上的弧段，轮缘段309可以采用压花等工艺手段在外侧形成凹凸不平的花纹以增大摩擦系数，防止类轮结构在陆地上移动时打滑；轮辐308采用螺旋桨桨叶结构。第一类轮结构301、第三类轮结构303、第四类轮结构304和第六类轮结构306具有相同的材质与尺寸，第二类轮结构302和第五类轮结构305具有相同的材质与尺寸。如图1所示，第一类轮结构301的轮辐和第六类轮结构306的轮辐为左旋设置，第三类轮结构303的轮辐和第四类轮结构304的轮辐为右旋设置；第二类轮结构302的轮辐为右旋设置时，第五类轮结构305的轮辐为左旋设置。反之，若第一类轮结构301的轮辐和第六类轮结构306的轮辐为右旋设置，第三类轮结构303的轮辐和第四类轮结构304的轮辐则为左旋设置；若第二类轮结构302的轮辐为左旋设置，第五类轮结构305的轮辐为右旋设置。
[0030]每个类轮结构设有一个上下翻转换位机构，在本实施例中，共有6个上下翻转换位机构，分别为:第一上下翻转换位机构201、第二上下翻转换位机构202、第三上下翻转换位机构203、第四上下翻转换位机构204、第五上下翻转换位机构205和第六上下翻转换位机构206。上述每个上下翻转换位机构都具有使类轮结构的轴线由水平状态翻转换位成竖直状态的能力，进而实现类轮结构轴线的90ο换位。任何具有上述换位功能的装置均可用作上述越障机器人的上下翻转换位机构。如图2所示，本实施例采用平面四杆机构形成上下翻转换位机构，包括水平支撑架207、摆杆208、内伸缩杆209、外套筒210和推拉机构。水平支撑架207的内端与机体I的侧面垂直固接，水平支撑架207的外端与摆杆208的一端通过轴线与水平支撑架207垂直的转动副连接，摆杆208的外端设有与其转动连接的类轮结构，该类轮结构的驱动电机安装在摆杆208内；在摆杆208的上中部或下中部通过转动副与内伸缩杆209的外端连接，内伸缩杆209滑动连接在外套筒210内，外套筒210的内端通过转动副与机体I相连，内伸缩杆209设有推拉机构，推拉机构的动力源固定在外套筒210的内端上。推拉机构可以采用直线电机也可以采用旋转电机+螺旋传动机构的形式。推拉机构带动内伸缩杆209相对于外套筒210移动构成直线移动副，水平支撑架207、摆杆208、内伸缩杆209和外套筒210构成平面四杆机构，如图2所示，摆杆208可绕与水平支撑架207垂直的转动副轴线摆动。上下翻转换位机构的结构并不限制采用上述结构，还可采用其他实现形式，如伺服电机直接驱动的转动副和多转动空间机构等。
[0031]上述变结构水陆空三栖类轮式越障机器人可根据地形的不同状况，采取不同的越障形式，主要有移动、飞行、渡水三种运动功能。
[0032]如图1所示，在陆地上行进时，上下翻转换位机构不起作用，摆杆208位于水平位置，六个类轮结构均与地面接触。类轮结构的轮缘段309呈圆弧形，可产生与正常车轮一致的滚动前进模式，越障机器人行进方向为箭头所示A方向。调节六个类轮结构的速度，可实现与正常轮式装置一致的差动转弯功能。同一类轮结构的轮缘段309存在跨距，可跨越正常轮式装置无法攀越的障碍。每个类轮结构包括三至五个轮辐308，调节六个类轮结构的轮辐308的相位，使六个类轮结构的轮缘段309接触地面的时间存在差异，保证行进过程中至少有三个不同侧的类轮结构的轮缘段309与地面接触，防止本实用新型的移动机器人失稳，增强其平面移动的稳定性。
[0033]如图4所示，若安装于机体I内的感知探测设备观测到前方出现无法攀越的障碍，启动第一上下翻转换位机构201、第三上下翻转换位机构203、第四上下翻转换位机构204和第六上下翻转换位机构206，使摆杆208相对于水平支撑架207产生90°向上旋转，则第一类轮结构301、第三类轮结构303、第四类轮结构304和第六类轮结构306位于机体I上方的同一高度水平平面且轮轴座轴线与机体I上表面垂直；第二上下翻转换位机构202与第五上下翻转换位机构205保持不动，则第二类轮结构302与第五类轮结构305轮轴座轴线方向仍与机体I上表面平行。如图4虚线箭头所示，第一类轮结构301和第六类轮结构306在驱动电机的作用下顺时针旋转，第三类轮结构303和第四类轮结构304在驱动电机的作用下逆时针旋转，第二类轮结构302和第五类轮结构305保持静止，第一类轮结构301、第三类轮结构303、第四类轮结构304和第六类轮结构306通过气流作用产生与轮轴座307轴线方向平行的升力以及阻止类轮结构旋转的力矩，如图4实线箭头所示B方向，升力带动上述越障机器人飞行越过障碍。调节驱动电机的转速改变第一类轮结构301、第三类轮结构303、第四类轮结构304和第六类轮结构306的转速，升力随之变化，从而控制上述越障机器人的飞行姿态和位置。上述越障机器人平衡飞行时，陀螺效应与空气动力扭矩效应均被抵消，且类轮结构旋转对机体I的反扭矩得到平衡。
[0034]如图5所示，若安装于机体I内的感知探测设备观测到前方出现河流、湖泊等涉水环境，启动第二上下翻转换位机构202和第五上下翻转换位机构205，使摆杆208相对于支撑架207产生90°向上旋转，则第二类轮结构302和第五类轮结构305位于机体I上方的同一高度水平平面且轮轴座轴线与机体I上表面垂直；第二类轮结构302在驱动电机的作用下逆时针旋转，第五类轮结构305在驱动电机的作用下顺时针旋转，由于类轮结构的轮辐308呈螺旋桨桨叶式结构，通过气流作用产生与轮轴座307轴线方向平行的升力以及阻止类轮结构旋转的力矩，而第二类轮结构302和第五类轮结构305的螺旋桨桨叶结构旋向相反，阻止类轮结构旋转的力矩被抵消，与轮轴座307轴线方向平行的升力为上述越障机器人提供浮力。第一上下翻转换位机构201、第三上下翻转换位机构203、第四上下翻转换位机构204和第六上下翻转换位机构206保持不动，则第一类轮结构301、第三类轮结构303、第四类轮结构304和第六类轮结构306轮轴座的轴线方向仍与机体I上表面垂直。类轮结构的轮辐308呈螺旋桨桨叶式结构，第一类轮结构301、第三类轮结构303、第四类轮结构304和第六类轮结构306的轮辐308在水中旋转，由水流作用产生与轮轴座307轴线方向平行的分力以及与阻止类轮结构旋转的力矩。当第一类轮结构301和第六类轮结构306的旋转方向与第一类轮结构301和第六类轮结构306的旋转方向相反时，阻止类轮结构旋转的力矩被抵消，与轮轴座307轴线方向平行的分力起推动作用，上述越障机器人游动前行方向为图5中C方向。改变第一类轮结构301、第三类轮结构303、第四类轮结构304和第六类轮结构306的旋转速度，可实现水中转弯换向等游行姿态调整。
[0035]值得注意的是，上述运动形式的描述仅仅是示意性的，上下翻转换位机构与类轮结构的不同作用形式，可实现本实用新型的越障机器人空中与水中的不同运动形态，所以，本实用新型的实施方式并不局限于上述的【具体实施方式】。类轮结构的个数、不同类轮结构或类轮结构的不同安装形式都会导致具体运动实现方式的差异，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护范围的情况下，做出其他变化或变型，均属于本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种变结构水陆空三栖类轮式越障机器人，包括机体，其特征在于，在所述机体的左右两侧设有对称布置的类轮结构，每个所述类轮结构通过一上下翻转换位机构与所述机体连接；每个所述类轮结构设有一驱动电机，所述驱动电机安装在所述上下翻转换位机构上；每个所述类轮结构设有一个与所述上下翻转换位机构转动连接的轮轴座、周向均布固定在所述轮轴座上的3?5个轮辐和对应固定在每个所述轮辐外端的轮缘段，相邻的两个所述轮缘段之间设有跨距；所有所述轮辐采用螺旋桨桨叶结构，在所述机体左右两侧对称设置的两个所述类轮结构的轮辐的螺旋桨桨叶结构旋向相反，在所述机体对角设置的两个所述类轮结构的轮辐的螺旋桨桨叶结构旋向相同。
2.根据权利要求1所述的变结构水陆空三栖类轮式越障机器人，其特征在于，所述上下翻转换位机构包括水平支撑架、摆杆、内伸缩杆、外套筒和推拉机构， 所述水平支撑架的内端与所述机体的侧面垂直固接，所述水平支撑架的外端与所述摆杆的内端通过轴线与所述水平支撑架垂直的转动副连接，所述摆杆的外端设有与其转动连接的类轮结构，该类轮结构的驱动电机安装在所述摆杆内，所述摆杆的上中部或下中部通过转动副与所述内伸缩杆的外端连接，所述内伸缩杆滑动连接在所述外套筒内，所述外套筒的内端通过转动副与所述机体相连，所述内伸缩杆设有所述推拉机构，所述推拉机构的动力源固定在所述外套筒的内端上。
3.根据权利要求1所述的变结构水陆空三栖类轮式越障机器人，其特征在于，在行进过程中，至少有三个不同侧的所述轮缘段与地面接触。
4.根据权利要求1所述的变结构水陆空三栖类轮式越障机器人，其特征在于，所述轮缘段上设有凹凸不平的花纹。
【文档编号】B60F5/00GK203511205SQ201320665128
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】孙涛, 宋轶民, 梁栋, 连宾宾, 高 浩 申请人:天津大学