本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种多模态可变形旋翼机器人。
背景技术：
随着科学技术的不断发展，机器人已经越来越多的融入我们的生活中，逐渐取代一些危险而且重复无聊的工作。常见的机器人一般只具备单一的功能或者单一的运动模式，使其应用具有很大的局限性。特别是在面对一些特殊的场合，机器人的功能和运动模式的单一化便不能解决实际的问题。比如，在地震灾后搜救任务中，需要机器人既具备复杂环境下的越障能力，也要求机器人的尺寸与重量尽量小，这样就能扩大搜救范围。还有，在隧道、桥梁勘测中，需要一个机器人能够在未知的环境中运动，这就要求改机器人具备多种运动方式。特别的，在火灾搜救过程中，尤其在一些高楼发生火灾，搜救人员无法到达的状况下，如何发现被困人员的准确位置以及如何引导被困人员脱困，都需要一个符合这些场景的机器人。
但是，现在的机器人对于这些特殊的任务都没有一个很好的效果，比如，旋翼无人机虽然利用飞行的运动模式几乎可以适应所有的地形地貌，但是旋翼无人机的续航能力太短，极大的限制了其实际应用。再比如，四足腿式机器人，该机器人在复杂的地面环境下具有优良的通过能力，但是该机器人技术尚未成熟，而且很难做到小型化，并且遇到大的障碍物也无能为力。
技术实现要素：
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种多模态可变形旋翼机器人，解决了现有机器人功能和运动模式单一的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
提供一种多模态可变形旋翼机器人，其包括四组旋翼组件，每组旋翼组件包括呈镂空的保护罩以及安装于保护罩内的电机和桨叶，电机固定安装于保护罩上，桨叶套装于电机轴上，四组旋翼组件两两并排且通过保护罩同轴可转动安装于底盘框架上，每排的两组旋翼组件通过齿轮组件带动旋转，齿轮组件包括相互啮合的主动齿轮、从动齿轮以及驱动主动齿轮转动的金属舵机，金属舵机固定安装于底盘框架上，保护罩与从动齿轮固定连接；底盘框架上固定有电子调速器和飞行控制系统，电子调速器与四个电机电连接，飞行控制系统与电子调速器和金属舵机电连接，底盘框架的下部可转动安装有减震从动轮。
进一步地，底盘框架包括并排的第一纵梁和第二纵梁，以及并排依次连接在第一纵梁和第二纵梁之间的第一横梁、第一连杆、第二横梁、第二连杆和第三横梁，两排旋翼组件分别固定安装于第一连杆和第二连杆上，第一连杆和第二连杆相对于第一纵梁和第二纵梁可转动。
进一步地，第二横梁的中部设置有飞行控制系统支架，飞行控制系统支架包括上支架和下支架以及连接上支架和下支架的减震球，下支架与第二横梁可拆卸连接。
进一步地，底盘框架上可转动安装有四个减震从动轮，四个减震从动轮两两并排安装于第一纵梁和第二纵梁的外侧。
进一步地，减震从动轮包括外圈、内圈以及卡接在外圈和内圈之间的若干减震辐条。减震从动轮上设置的减震辐条可以避免本机器人在路况不好的路面行驶时损坏。
进一步地，内圈通过轴承可转动安装于销轴的端部，销轴固定于两块连接板之间，连接板与底盘框架固定连接。
进一步地，减震辐条采用受力会产生形变的复合材料制成。
进一步地，第二横梁和保护罩为碳纤维板。
进一步地，电机为直流无刷电机。
本发明的有益效果为：本机器人在保持四组旋翼组件平行于地面的情况下，通过四组旋翼组件里电机的旋转带动桨叶旋转，可以使本机器人克服地心引力在空中飞行，并且通过电子调速器控制四个电机转速的变化可以使本机器人在空中完成定点悬停、俯仰、偏航以及翻滚的动作。通过不断调整控制旋翼组件的旋转角度还可以让本机器人在垂直的墙面上行驶。
金属舵机驱动主动齿轮旋转，主动齿轮带动从动齿轮及与从动齿轮固定连接的保护罩旋转，旋翼组件在旋转过程中会给底盘支架一个平行于地面的分力，从而带动减震从动轮旋转，使本机器人可以在路面行驶。通过控制旋翼组件的旋转角度以及同时控制电机的转速能够实现机器人在路面上向前行驶、向后行驶以及转向的动作。
由于本机器人既可以在地面、垂直墙面行驶也可以飞行，所以本机器人具有很强的越障能力，可以通过不断地切换驱动运动的模式来快速通过，特别适用于在危险且复杂环境中工作。
本多模态可变形旋翼机器人由于不仅可以飞行还能够在地面行驶，所以可以根据需要选择其运动模式，由于飞行消耗的能量大大高于路面行驶的能量，所以相较于传统的只能飞行的旋翼机器人，本机器人具有更长的续航时间。
本多模态可变形旋翼机器人中的减震从动轮一方面能够提供地面行驶运行的支撑，保证本机器人具备地面运行能力，另一方面能够为本机器人提供外部保护，避免机体触碰到外部障碍物或者受到外部强烈的碰撞而发生损坏。旋翼组件上的保护罩既可以保护桨叶，也可以防止高速旋转的桨叶对人员造成伤害。
附图说明
图1为多模态可变形旋翼机器人的立体图。
图2为图1中齿轮组件的放大图。
图3为图1中飞行控制系统支架的放大图。
其中，1、旋翼组件；11、电机；12、桨叶；13、保护罩；2、底盘框架；21、第一纵梁；22、第二纵梁；23、第一横梁；24、第二横梁；25、第三横梁；26、第一连杆；27、第二连杆；28、飞行控制系统支架；281、上支架；282、下支架；283、减震球；3、齿轮组件；31、主动齿轮；32、从动齿轮；33、金属舵机；34、舵盘；35、轴套；4、减震从动轮；41、外圈；42、内圈；43、减震辐条；44、销轴；45、连接板。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1～图3所示，该多模态可变形旋翼机器人包括底盘框架2，底盘框架2包括并排的第一纵梁21和第二纵梁22，以及并排依次连接在第一纵梁21和第二纵梁22之间的第一横梁23、第一连杆26、第二横梁24、第二连杆27和第三横梁25，两排旋翼组件1分别固定安装于第一连杆26和第二连杆27上，第一连杆26和第二连杆27的两端插入第一纵梁21和第二纵梁22上的通孔中，第一横梁23、第二横梁24和第三横梁25的两端均固定连接于第一纵梁21和第二纵梁22上。第二横梁24两端分别固定到第一纵梁21与第二纵梁22的中心位置处，第一连杆26位于第一横梁23和第二横梁24之间的中心位置处，第二连杆27位于第二横梁24和第三横梁25之间的中心位置处。
第二横梁24为两块长条状的碳纤维板重叠而成，其上雕刻有若干贯穿的方孔、圆孔或条形孔，用以减轻重量或者用于需要扩展本机器人的功能时安装其他的设备。在第二横梁24中间位置分布有四个安装孔用于安装飞行控制系统支架28。飞行控制系统支架28包括上支架281和下支架282以及连接上支架281和下支架282的减震球283，下支架282与第二横梁24通过那四个安装孔可拆卸连接。上支架281上固定飞行控制系统，下支架282上固定电子调速器。
四组旋翼组件1两两并排固定连接于底盘框架2的第一连杆26和第二连杆27上。同排的两个旋翼组件1的保护罩连为一个“8”字型的整体，其由炭纤维板雕刻成两个“8”字型的镂空板，并通过铝柱上下平行连接。在该“8”字型保护罩内的两个圆心处分别固定连接有电机11，电机11为直流无刷电机，优选型号为x2212，980kv，在电机11的轴上套装有桨叶12，桨叶12包含两片叶片。在“8”字型保护罩的底部外侧间隔固定连接有三个管夹，通过该三个管夹将同排的两个旋翼组件1固定连接于第一连杆26或第二连杆27上。
每排的两组旋翼组件1通过一套齿轮组件3带动旋转，并且两个齿轮组件3分布于底盘框架2的两侧，以平衡整个机器人的重心。齿轮组件3包括相互啮合的主动齿轮31和从动齿轮32，主动齿轮31的外径大于从动齿轮32，主动齿轮31通过舵盘34上的四个螺丝固定在金属舵机33的出轴上，金属舵机33固定连接于第一纵梁21上(带动另一排旋翼组件1转动的齿轮组件3中的金属舵机33固定连接于第二纵梁22上)，从动齿轮32与主动齿轮31外啮合，从动齿轮32固定连接在轴套35上，轴套35固定套装于第二连杆27或第一连杆26上，轴套35上还与“8”字型保护罩的一端固定连接。
减震从动轮4包括外圈41、内圈42。外圈41为一个在其内表面圆周间隔有8个凸起的圆环，在圆环的外表面设置有增大摩擦力的凹凸点，在内表面凸起的中部设置有卡槽；内圈42的形状为星型，中心有圆孔，外表面圆周均布有与外圈41内表面的凸起对应的8个凸起，每个凸起里也设置有一个卡槽。由受力会产生形变的复合材料聚氨酸-环氧树脂制成的8根有一定弧度的减震辐条43分别插入内、外圈上设置的卡槽里。
内圈42中心的圆孔里装入轴承，然后将轴承套装在销轴44的端部，销轴44固定于两块连接板45之间，连接板45的另一端固定于底盘框架2上。具体地，可转动连接四个减震从动轮4的连接板45分别固定于第一纵梁21和第二纵梁22的两端。为了减轻重量，连接板45上间隔开有多个圆孔和椭圆孔。
固定在上支架281上的飞行控制系统优选型号为sanyelight的开源飞行控制系统，其采用ram家族的stm32f407vgt6微处理器芯片，主频168mhz。固定在下支架282上的电子调速器的优选型号为30a的航模无刷电子调速器，电子调速器与旋翼组件1内的电机11连接，用电子调速器来控制电机11的转速。飞行控制系统分别与电子调速器和金属舵机33电连接，飞行控制系统通过输出pwm信号来控制电子调速器和金属舵机33。
当多模态可变形旋翼机器人需要执行飞行动作的时候，且其在飞行过程中可以完成定点悬停、俯仰运动、偏航运动以及翻滚运动。执行飞行任务时，保持旋翼组件1平行于地面，飞行控制系统通过pwm信号控制电子调速器，电子调速器控制四组旋翼组件里的直流无刷电机11，从而带动桨叶12高速旋转，桨叶12转动会产生一个向上的拉力，当四个桨叶产生的合力大于本机器人自身重力后，本机器人离开地面，向上运动。下面对飞行过程中四组旋翼组件1中的具体控制情况详细说明：
如图1所示，多模态可变形旋翼机器人四个旋翼的工作布局结构为“x”型，即四个旋翼组成一对正反桨，旋翼a、c逆时针旋转，为反桨，旋翼b、d顺时针旋转，为正桨。当垂直运动的时候，旋翼a、b、c、d转速同时增大或减小，就可以实现多模态可变形旋翼机器人空中的垂直运动。需要做俯仰运动时，旋翼a、b转速增加，旋翼c、d转速减小，多模态可变形旋翼机器人就可以实现向后飞行；同理，旋翼a、b转速减小，旋翼c、d转速增大，多模态可变形旋翼机器人就可以实现向前飞行。
需要做翻滚运动的时候，旋翼a、d转速增加，旋翼b、c转速减小，多模态可变形旋翼机器人就可以实现向左飞行；同理，旋翼a、d转速减小，旋翼b、c转速增大，多模态可变形旋翼机器人就可以实现向右飞行。做偏航运动的时候，旋翼a、c转速增加，旋翼b、d转速减小，多模态可变形旋翼机器人就可以实现向右旋转飞行；同理，旋翼a、c转速减小，旋翼b、d转速增大，多模态可变形旋翼机器人就可以实现向左旋转飞行。
当多模态可变形旋翼机器人需要在路面行驶的时候，其可以完成向前行驶、向后行驶以及转向的动作。飞行控制系统通过pwm信号控制金属舵机33驱动主动齿轮31旋转，主动齿轮31带动与从动齿轮32连为一体的同排旋翼组件1旋转。飞行控制系统控制两排旋翼组件1同时从0°向前旋转90°的过程中，此时旋翼组件1会提供一个向上的分力和向前的分力，向上的分力减少本旋翼机器人对地面的压力，向前的分力产生一个向前的拉力，克服地面阻力，使得本旋翼机器人向前运动。如果，其中一排旋翼组件1上面的两个直流无刷电机的转速不一样，则本旋翼机器人将产生转向的动作。同理，飞行控制系统控制两排旋翼组件1同时从0°向后旋转90°的过程中则会控制本旋翼机器人向后运动。
当需要多模态可变形旋翼机器人在垂直的墙面上运动的时候，其与在地面行驶的控制原理类似，飞行控制系统控制两排旋翼组件1转动180°的过程中，向下提供一个压力，产生的压力使得本旋翼机器人紧贴于墙壁上，然后，控制两排旋翼组件1再向前转动90°的过程中，在产生向下压力的同时，提供一个向上的分力，就会使得本旋翼机器人克服重力向上运动；同理，控制两排旋翼组件1向后转动90°的过程中，就会控制本旋翼机器人向后运动。