一种基于变胞原理的陆空两栖球形变胞机器人的制作方法
【专利摘要】本发明的内容在于提供一种基于变胞原理的陆空两栖球形变胞机器人。机器人主要分为飞行和行走两个模块。飞行模块设计了由蜗轮蜗杆电机驱动的对称布置的四套连杆机构，实现机架自主折叠，以适应机器人在球形未变形状态、陆栖状态以及空栖状态下对其结构的不同要求。行走模块采用8自由度四足机器人，并通过四连杆机构使小腿运动，并保证和小腿贴合的弧片能在未变形时与下半球壳主要部分贴合，整体形成球形。准备飞行时，上半球壳通过向上运动来让位于折叠机架的支撑臂。待支撑臂展开到位后，上半球壳再向下运动归位。驱动上半球壳的机构为曲柄滑块机构。该机器人具有体积小、结构布局合理、外形简约美观、运动性能突出、控制简单高效、抗扰能力强大等特点。
【专利说明】—种基于变胞原理的陆空两栖球形变胞机器人
【技术领域】
[0001]本发明属于陆空两栖机器人【技术领域】，具体涉及一种能够通过变换结构实现陆栖和空栖运动的机器人的结构设计和器件。
【背景技术】
:
[0002]传统机器人的履带式、轮式以及足式移动方式已获得广泛的应用，而随着对机器人环境适应性的要求的不断提高，能够实现陆空两栖之间快速转换，具有普通机器人平台所不能比拟的机动性能的陆空两栖机器人将获得更良好的发展前景。目前一款较为简单新颖的陆空两栖无人平台，就是来自伊利诺理工大学的机器人实验室混合型陆地空中飞行器(HybridTerrestrial and Aeria Quadrotor,HyTAQ)。HyTAQ 内部是四旋翼飞行器，夕卜面由一层罩子包裹，这就使飞行器体积较大，携带不便。其外层的笼罩除了起到保护内部的作用，实际上还扮演着陆行轮子的作用。然而陆地运动的实现是通过四旋翼飞行器侧飞给其提供动力。这种方式下不仅使机器人能够行走的陆地形式有局限，还易受环境的影响，如大风、降雨。因而急需一种能够体积小、两栖独立运动、抗干扰能力强的的陆空两栖机器人。因此我们设计了一种基于变胞原理，以球形为基本形态、通过变换自由度实现两栖运动的的陆空两栖机器人。
【发明内容】
[0003]本
【发明内容】
设计了一种基于变胞原理，以球形为基本形态的陆空两栖机器人平台。该机器人系统采用模块化设计，可实现两种状态的转换。第一模块为四足机器人，利用相关机械设计知识设计合适的机器人腿部的运动机构，采用四连杆机构使每条腿所需的驱动舵机的数量减少为两个，但由于减少腿部运动自由度所引起的足部轨迹不封闭对机器人地面机动性能带来了不利影响，我们设计了可拆卸组合的具有弹性阻尼环节以削弱这一影响。第二模块为四旋翼飞行器，设计了由蜗轮蜗杆减速电机驱动的对称布置的四套连杆机构，实现了机架结构的变化，以适应机器人在球形未变形状态、陆栖状态以及空栖状态下对其结构的不同要求。该机器人具有体积小、结构布局合理、外形简约美观、运动性能突出、控制简单高效、抗扰能力强大等特点。
[0004]技术实现:
[0005]为了实现上述发明目的，我们基于变胞原理，设计了陆空两栖球形变胞机器人。陆空两栖球形变胞机器人上部飞行系统、下部行走系统组成。
[0006]上部飞行系统由四轴飞行器折叠机架、上半球壳运动机构组成。
[0007]四轴飞行器折叠机架主要由中心板、平行四边形机构、中心蜗轮蜗杆减速电机、支撑臂组成。折叠机架系统能在中心电机的驱动下完成机架的折叠与展开。在此基础上加入旋翼挡板和限位扣，使得机架折叠后能最大限度地缩小其几何尺寸，保证其能容纳到上半球壳中。展开到位后，利用蜗轮蜗杆减速电机本身的断电自锁特性，能使支撑臂稳定于工作位置，保证飞行的可靠性。机架的折叠与展开通过蜗轮蜗杆减速电机驱动四套对称布置的平行四边形机构进而驱动支撑臂摆动实现。平行四边形机构全程无运动不确定位置，保证了变胞的稳定性。
[0008]上半球壳运动机构用于上部变胞时，球壳让位于四轴飞行器机架。当机器人准备起飞时，上半球壳向上运动，让位于折叠机架，使支撑臂顺利摆出。到位后，上半球壳向下运动，直至与下半球壳贴合。球壳周围对称挖槽，当球壳合上时，支撑臂恰好位于槽中，避免干涉，并有效利用空间。驱动球壳上下运动的机构为曲柄滑块机构，由SG-90舵机驱动。该机构布置与折叠机架中心，蜗轮蜗杆减速电机上方。
[0009]下部行走系统由支撑架、腿部系统、球壳组成。
[0010]其中支撑架在整个机器人中起着中流砥柱的作用。支撑架处于中心地位，是整个机器人的机身，因此支撑架设计为十字双圆盘结构，四条腿中心对称布置在上圆盘的下表面上，上部飞行系统固定在上圆盘的上表面，整个支持架通过下圆盘固定在中空的球壳里，使得机器人浑然一体，结构紧凑。
[0011]腿部系统采用四连杆结构以舵机转臂为曲柄、带有弹性阻尼环节的类活塞机构为摇杆、小腿为连杆、舵机架为机架的四足机器人腿部系统。其中，大腿驱动单元由舵盘、舵机、舵机架、拉板组成。2个舵机安装在舵机架中，在四连杆结构中充当机架，为腿部提供动力。带有弹性阻尼环节的类活塞机构作为摇杆，由套筒、弹簧、拉杆、凸头连杆组成。拉杆为一段带有大半径圆盘的空心圆柱，弹簧套在拉杆上面，靠近圆盘一端，左右半套筒拼合起来将弹簧包在套筒中，并使弹簧处于压缩状态，同时使圆盘紧贴套筒靠近舵机架一端。四连杆中的曲柄，是A形连杆与U形连杆组合而成，U形连杆的一端与舵机输出的轴连接，另一端与A形连杆的A字端连接，A形连杆的另一端连接小腿。减震小腿作为机器人的小腿，其由弹簧、F形连杆、锥形杆、小腿支杆组成。F形连杆上侧杆与摇杆中的拉杆相连，摇杆的长度控制着小腿与地面的夹角；中间杆与A形连杆相连，A形连杆转动使小腿升高或下降。小腿支杆上套有弹簧连接到F形连杆上，可以在F形连杆的中心通孔处上下滑动，另一端连接在锥形杆上。小腿由于安装有弹簧，所以腿部可以作为飞行状态时的起落架，起减震保护作用。腿部系统采用结构稳定的四连杆，有增设双级减震环节，增加了腿部运动的稳定性和流畅性。
[0012]球壳弧片安装在小腿的小腿支杆随支杆上下运动，避免在弹簧压缩时弧片发生变形甚至损坏。当腿部收回到球壳里时小腿上的弧片正好嵌入下部球壳中，使下部变为完整的下半球，这时的下部结构更为紧凑。
[0013]本发明的优点在于:
[0014](I)上部折叠机架为单自由度，结构可靠性高。
[0015](2)机架折叠时，旋翼能在旋翼挡板的反作用下自适应调整角度。折叠到位后，四旋翼呈正方形布置，大大缩小了机架整体的几何尺寸。
[0016](3)限位扣通过限制平行四边形连杆的位置，达到折叠、展开两种工况双限位的目的。
[0017](4)利用曲柄滑块机构驱动上半球壳上下移动，相对丝杠滑台机构重量轻盈，结构简单，易于控制。
[0018](5)下部使用四连杆式的足部结构，四连杆结构具有很好的稳定，增加了足部结构的强度和刚度，四连杆结构的使用方便了腿部收回，增设双级减震环节，增加机身整体的稳定性，同时可以当做飞行起落架，腿部收回后下部为完整的半球壳，降低飞行时的阻力，同时增加了结构的稳定性。
[0019](6)总体结构采用中心对称性设计，结构紧凑而有条理，通过变胞可缩到一个完整的球壳里也可根据要求变为空栖或陆栖状态，变换简单，操纵灵活。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]附图1为陆空两栖球形变胞机器人的整体示意图；
[0021]附图2为陆空两栖球形变胞机器人的整体无外壳示意图；
[0022]附图3为陆空两栖球形变胞机器人的空栖图；
[0023]附图4为陆空两栖球形变胞机器人的折叠机架折叠示意图；
[0024]附图5为陆空两栖球形变胞机器人的折叠机架展开示意图；
[0025]附图6为陆空两栖球形变胞机器人的平行四边形机构示意图；
[0026]附图7为陆空两栖球形变胞机器人的上半球壳运动机构示意图；
[0027]附图8为陆空两栖球形变胞机器人的陆栖图；
[0028]附图9为陆空两栖球形变胞机器人的下部系统细节示意图；
[0029]附图10为陆空两栖球形变胞机器人的四条腿分布示意图；
[0030]附图11为陆空两栖球形变胞机器人的单条腿结构示意图；
[0031]附图12为陆空两栖球形变胞机器人的带有弹性阻尼环节的类活塞机构细节示意图；
[0032]附图13为陆空两栖球形变胞机器人的减震小腿示意图；
[0033]附图14为陆空两栖球形变胞机器人的未变形状态图；
[0034]附图中:I—旋翼，2—电机，3—电机座，4一方管，5—连接件，6—上中心板，7—下中心板，8—端盖，9一长套筒，10—长钢轴，11一连杆_1，12一曲柄上盘，13一曲柄中盘，14一曲柄下盘，15一短套筒，16一短钢轴，17一蜗轮蜗杆减速电机，18一旋翼挡板，19一限位扣，20—舵机架，21—曲柄，22—连杆-2，23—滑块，24—舵机，25—锁紧柱，26—连接板，27一上球壳，28—支撑架，29—航盘，30—航机，31—航机架，32—支撑柱，33—拉板，34—左套筒，35—右套筒，36—弹簧，37—拉杆，38—凸头连杆，39—U形连杆，40—A形连杆，41 一F形连杆，42—弹簧，43—小腿支杆，44 一锥形杆，45—球壳弧片，46—下半球壳。
【具体实施方式】
[0035]附图6为陆空两栖球形变胞机器人的平行四边形机构示意图。主要包括曲柄、连杆、支撑臂。其中曲柄由短钢轴(16)将曲柄上盘(12)、曲柄中盘(13)、曲柄下盘(14)连接，并使用短套筒(15)对连杆-1 (11)定位。
[0036]附图4为陆空两栖球形变胞机器人的折叠机架折叠示意图。支撑臂由连接件(5)、方管(4)、电机座(3)组成。连接件(5)上的轴和上中心板￠)、下中心板(7)的孔组成转动副。连接件(5)上固定有端盖(8)，防止其轴脱出。电机(2)固定在电机座(3)上。连接件(5)通过长钢轴(10)与连杆-1 (11)形成转动副，通过长套筒(9)对连杆-1 (11)定位。在上中心板(6)上固定有旋翼挡板(18)，能固定旋翼在机架折叠时的姿态。上、下中心板件固定有限位扣(19)，通过对连杆-1 (II)的限位来实现对支撑臂的限位。整套机构由蜗轮蜗杆减速电机(17)驱动，利用电机本身的自锁特性使支撑臂到位后锁死。
[0037]附图7为陆空两栖球形变胞机器人的上半球壳运动机构示意图。舵机(24)固定在舵机架(20)上，驱动曲柄(21)、连杆-2 (22)，进而带动滑块(23)上下运动。上半球壳(27)与滑块(23)固连，通过该曲柄滑块机构实现上下移动。
[0038]附图2为陆空两栖球形变胞机器人的整体无外壳设计示意图。上下两部分通过连接板(26)相连接。
[0039]附图12为陆空两栖球形变胞机器人的带有弹性阻尼环节的类活塞机构细节示意图。弹簧(36)套在拉杆(37)上，靠近圆盘一端，左右半套筒(34、35)拼合起来将弹簧包在套筒中，并使拉杆的圆盘端贴近套筒一端，并使弹簧处于压缩状态，然后将凸头连杆(38)拧到拉杆(37)。
[0040]附图13为陆空两栖球形变胞机器人的减震小腿示意图。小腿支杆(43)穿过F形连杆(41)的中心孔，弹簧(42)套在小腿支杆(43)上，然后固定在锥形杆(44)上，起到减震作用。
[0041]附图11为陆空两栖球形变胞机器人的单条腿结构示意图。单条腿中的腿部系统由大腿驱动单元、带有弹性阻尼环节的类活塞机构、舵机转臂、减震小腿组成，然后通过舵盘(29)连接在支撑架(28)上，支撑柱(32)支撑舵机架，保证腿部系统能够水平转动。舵机架(31)承载上下2个舵机(30)，靠上的舵机转动，控制整条腿水平转动，下面的舵机转动控制腿部升降，拉板(37)固定在上侧舵机的耳朵上面，与带有弹性阻尼环节的类活塞机构连接。U形连杆(39)的一端与舵机的双输出轴连接，另一端与A形杆(40)的A字端连接，A形连杆的另一端连接减震小腿，保证腿部强度和刚度。球壳弧片(45)上通过螺丝连接到小腿支杆(43)和锥形杆(44)上。
[0042]附图10为陆空两栖球形变胞机器人的四条腿分布示意图。每条腿中心对称连接到支撑架(28)上。
【权利要求】
1.一种基于变胞原理的陆空两栖球形变胞机器人，其特征在于飞行模块使用机架能自主折叠的四轴飞行器，行走模块采用8自由度四足机器人，并将两模块通过连接板(26)紧固。外包球壳。上半球壳通过上半球壳运动机构驱动球壳上下运动。
2.根据权利要求1，陆空两栖球形变胞机器人，其特征在于四轴飞行器折叠机架的设计，采用四套对称布置的平行四边形机构，以蜗轮蜗杆减速电机(17)为原动机，驱动机构运动进而驱动支撑臂折叠和展开。
3.根据权利要求1，陆空两栖球形变胞机器人，其特征在于上半球壳运动机构采用曲柄滑块机构，结构简单，控制灵活。
4.根据权利要求1，陆空两栖球形变胞机器人，其特征在于支撑架(28)设计为十字双圆盘结构。为实现支撑架与两模块连接构件、下部构件的稳固连接，设计了双圆盘结构，增加支撑架与构件的接触面积。中部支架横截面为十字，保证其能够支撑上部构件，并减小空中机动过程中由于下部惯性使支架受到较大的剪力和弯矩的影响。
5.根据权利要求1，陆空两栖球形变胞机器人，其特征在于带有弹性阻尼环节的类活塞机构中，拉杆(37)为一段带有大半径圆盘的空心圆柱，弹簧(36)套在拉杆上面，靠近圆盘一端，左右半套筒(34、35)拼合起来将弹簧包在套筒中，并使弹簧处于压缩状态，同时使圆盘紧贴套筒靠近舵机架(31) —端，该机构安装方便，使用时完全是其自适应改变长度，无需驱动与控制。
6.根据权利要求1，陆空两栖球形变胞机器人，其特征在于小腿支杆(43)穿过F形连杆(41)的中心孔，弹簧(42)套在小腿支杆上，然后固定在锥形杆(44)上，起到减震作用。
7.根据权利要求1，陆空两栖球形变胞机器人，其特征在于，球壳弧片(45)安装在小腿支杆和锥形杆上，球壳弧片上侧通过自攻螺钉固定在小腿支杆上端，弧片下侧通过自攻螺钉固定锥形杆上在随支杆上下运动，避免在弹簧压缩时弧片发生变形甚至损坏。
8.根据权利要求1，2，3，陆空两栖球形变胞机器人，设计了机器人飞行模块，其特征在于由蜗轮蜗杆电机驱动的对称布置的四套连杆机构，实现机架自主折叠，以适应机器人在球形未变形状态、陆栖状态以及空栖状态下对其结构的不同要求。
9.根据权利要求1，4，5，6，7，陆空两栖球形变胞机器人，设计了机器人行走模块，其特征在于设计了基于弹性阻尼作用的变长摇杆的四连杆式四足行走装置，减少机身重量又使得机器人稳定行走，增设双级减震环节，增加机身整体的稳定性，同时可以当做飞行起落架，腿部收回后下部为完整的半球壳，降低飞行时的阻力，同时增加了结构的稳定性。
【文档编号】B60F5/00GK104260605SQ201410546977
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月16日 优先权日:2014年10月16日
【发明者】罗庆生, 高枫, 孙泽源, 刘弘扬, 卢宛萱, 马红涛, 冯雪贝 申请人:北京理工大学