CN114368254B - 一种可实现跳跃和飞行运动的多栖机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可以实现跳跃和飞行运动的多栖机器人，它包括跳跃运动单元、可转向飞行单元、机体、驱动和控制***四部分组成。其中，跳跃单元由两条反曲的三关节机械腿构成。可转向飞行单元主体由四个旋翼组成，其中一侧两个旋翼的安装支架固定，直接与机体进行连接；另一侧旋翼安装支架可以活动，改变旋翼提供动力的方向。旋翼安装架活动范围不超过90度，同样安装限位装置进行限位。通过跳跃运动和四旋翼飞行运动的结合，该多栖机器人能够自主实现从陆地状态到空中飞行状态的多栖运动状态的转换。
Description
技术领域
本发明涉及一种多栖机器人，该多栖机器人可以实现飞行运动，还可以在陆地上实现跳跃运动。
背景技术
当今机器人技术的不断发展与进步，向着领域专业化和智能化方向不断前进。机器人满足不同需求的功能越来越丰富，动作越来越迅速和安全。在生活服务领域、工业生产实践领域、军用领域、医疗服务领域等机器人的应用越来越重要。一般来说，在空中工作的机器人在陆地上会收到很大的限制，而在地面运动的机器人往往不能在空中运动，这是因为一般的机器人换了一种环境缺少相应结构来实现运动，即仅能在一种环境下的运动而不是实现复杂环境的工作。因此，如果机器人工作周围的环境是多栖环境交汇影响，而如果机器人不能适应环境进行工作状态切换，那么这些机器人往往不能满足人们在生产实践中的需要。而多栖机器人可以在一个单独环境下工作，也可以实现从一个工作环境到另一个或者多种环境的工作条件转移，机器人活动范围将会受到很大的提高，比单一运动空间机器人更具有优势，性能更突出，效率更高。因此，研究多栖机器人具有很大的意义。
目前，国内外对多栖机器人已经做了大量的研究。比如我国哈工大研究的仿生机械蟹，外形如其名，结构似一只螃蟹，运动姿态主要由主体部分两侧各有的四条细肢控制，可以在平地向螃蟹一样平移，当然也能实现螃蟹做不到的前后运动和旋转。通过定制的防水保护橡胶处理之后，该机械蟹能够在水中运动，因此它是两栖机器人。
美国奥克兰大学研发机器人Loon Copter是一种可以飞行和潜水的水陆无人机。Loon Copter看着只是比一般的四轴飞行器机身稍长了一点，但是却能在三种不同条件下进行工作，它可不仅具有普通无人机在空中飞行的能力，还有像船一样在水面行驶的能力，甚至能像潜水艇一样潜入水下作业。从空中轻松的落到水面后，它可以靠着支架和机身上的旋翼在水中保持稳定，并且能任意调整前进方向。但开发的重点可不是让它变成船，LoonCopter的杀手锏是水下巡航能力，而位于机身下方的压载***，就是它下潜的关键所在。在准备潜入水下时，Loon Copter四个旋转翼会停止工作，开始向圆筒形浮桶中泵水，于是，机身向一侧慢慢下沉，这样，螺旋翼的方向就由朝上变为朝后，借此来推动无人机的移动，而且只要预先输入目的地的 GPS坐标及水深，它就会跟随预设航线收集数据、拍摄影像了。要是再想回到空中的话，只需排空浮箱中的水即可。
发明内容
本发明的目的在与针对现有技术和研究，提供一种能够在不同环境中运动的机器人。该机器人可以实现不同运动姿态的飞行运动，还可以实现在陆地上实现跳跃运动。
本发明公开了一种可以实现跳跃运动和飞行运动的多栖机器人，包括跳跃单元、可转向飞行单元、机体、驱动和控制***四部分，跳跃单元和可转向飞行单元设置于所述机体上，其中：
跳跃单元由两条反曲的三关节机械腿构成，两条机械腿呈左右对称分布，每条机械腿包括大腿关节、小腿关节和脚部关节，不同关节之间通过舵机进行连接，并且提供关节转动的动力，不同关节之间通过限位装置进行限位，腿部关节设计为平面形状，方便小腿关节进行折叠和脚部关节接触地面，大腿关节的关节处设计为中空构造，中空构造用于为小腿关节折叠预留位置，大腿关节与小腿关节的旋转角度近似等于360度，小腿关节与脚部关节之间的旋转角度为90度；
可转向飞行单元主体由四个旋翼组成，使用直流无刷电机提供动力，其中一侧两个旋翼通过安装支架与机体固定连接，产生向上的升力，升力方向固定；另一侧两个旋翼通过可转向旋翼安装支架与机体连接，所述可转向旋翼安装支架通过舵机控制旋转角度，通过可转向旋翼安装支架改变旋翼提供动力的方向，可转向旋翼安装支架的活动范围为0~90度，可从水平位置旋转至竖直位置，并且同样安装限位装置进行限位，当可转向旋翼安装支架旋转至水平位置时，四个旋翼处于同一水平面内，呈中心旋转对称，在旋翼安装支架外侧设有旋翼保护圈，旋翼保护圈直径略大于旋翼直径；
限位装置由螺钉和塑料块组成，塑料块的形状与机体运动到所设计的极限位置时的形状吻合，采用较小的螺钉对塑料块进行固定，使舵机运动到一定位置后不能继续运动，实现对关节的限位功能；
驱动和控制***作为整个机器人的控制中心负责提供机器人所需动力和对电机和舵机发出指令，完成机器人的动作运动指令，整个机体和外壳采用轻质材料制造，机器人整体左右对称，质心与中心在同一竖直直线上。
进一步的，大腿关节与小腿关节前后形状不同，与前进方向相同一侧的形状较近似为圆柱面，提高关节刚度，与前进方向相反一侧的形状为平面。
进一步的，旋翼保护圈与安装支架和可转向旋翼安装支架直接连接，旋翼保护圈选用与机体相同的材质。
进一步的，每条机械腿由三个关节组成，中间通过双轴舵机进行连接。
进一步的，驱动和控制***中，驱动***主要包括直流无刷电机和双轴舵机；控制***采用控制板，对直流无刷电机和双轴舵机进行电流控制。
本发明中的机器人在空中飞行时，有两种姿态。图2为第一种飞行姿态，这种飞行姿态比较灵活。在飞行时所有的腿部关节折叠收缩紧贴机体，并且可转向旋翼安装支架固定，使旋翼产生的升力竖直向上。通过控制四旋翼的转速调节运动的位置和姿态，可以得到任意范围内的转速，实现机器人的垂直运动；通过控制前后方向上相邻一对螺旋翼的转速增加或减少来实现机器人的俯仰运动(前后飞行)；通过控制左右方向上相邻的旋翼的转速增加或减少来实现翻滚运动(左右飞行)；通过控制对角位置上的两个螺旋翼的转速减少并且要保持转速大小相同，实现机器人的偏航运动(左右转向)。
如图4所示，这种飞行状态直线运动拥有较快的飞行速度。与第一种飞行姿态不同的是，机器人中的可转向旋翼安装支架旋转了一定的角度，使安装在上边的旋翼产生的推力会在水平和竖直方向上产生推力。此时这两个旋翼需要较快的旋转速度使在竖直方向上产生的升力与固定旋翼相同，而向前的分立则可以提高机器人的飞行速度。此时，机器人只能实现直线飞行。
当机器人做跳跃运动时，运动姿态如图1所示，可转向旋翼安装支架旋转一定角度，旋转范围在0~90度之间。旋翼提供向上和向前的推力。腿部关节展开，舵机相互配合带动腿部关节运动，实现腿部力量的爆发，带动机器人完成向前跳起的运动。跳跃运动过程中，机器人的四个旋翼会同时工作，为机器人跳跃运动进行辅助和维持机器人在空中姿态的稳定性。当跳跃运动结束时，机器人落地时，旋翼提供的升力又可以实现缓冲和减震的效果。
附图说明
图1为机器人跳跃运动时的姿态示意图
图2为机器人第一种飞行姿态示意图
图3为机器人第一种飞行姿态正视的示意图
图4为机器人第二种飞行姿态示意图
图5为机器人第二种飞行姿态正视的示意图
图示序号：
1—旋翼，2—旋翼保护圈，3—机体，4—直流无刷电机，5—大腿关节，6—小腿关节7—脚部关节，8—可转向旋翼安装支架
具体实施方式
如图2所示，当时机器人采用第一种姿态进行飞行运动时，大腿关节5、小腿关节6和脚部关节7折叠起来，紧贴机体3，降低飞行时的阻力。可转向旋翼安装支架8旋转到水平位置，并且固定。此时，四个旋翼在同一水平面中，并且呈现中心旋转对称，通过控制四个旋翼不同转速来控制机器人的飞行状态。当可转向旋翼安装支架8旋转一定角度，如图4所示，水平方向的分力可以调高机器人的飞行速度。
如图1所示，当机器人做跳跃运动时，可转向旋翼安装支架旋转一定角度，旋转范围在0~90度之间，大腿关节5、小腿关节6 和脚部关节7在舵机的控制下运动，做快速伸展运动，完成跳跃，同时四个旋翼会同时产生推力，帮助机器人跳跃和维持机器人在空中的稳定姿态，同时在机器人落地时减缓冲击。
Claims (5)
1.一种可实现跳跃和飞行运动的多栖机器人，其特征在于：包括跳跃单元、可转向飞行单元、机体、驱动和控制***四部分，所述跳跃单元和所述可转向飞行单元设置于所述机体上，其中：
所述跳跃单元由两条反曲的三关节机械腿构成，两条机械腿呈左右对称分布，每条机械腿包括大腿关节、小腿关节和脚部关节，不同关节之间通过舵机进行连接，并且提供关节转动的动力，不同关节之间通过限位装置进行限位，大腿关节的关节处设计为中空构造，中空构造用于为小腿关节折叠预留位置，大腿关节与小腿关节的旋转角度近似等于360度，小腿关节与脚部关节之间的旋转角度为90度；
所述可转向飞行单元主体由四个旋翼组成，使用直流无刷电机提供动力，其中一侧两个旋翼通过安装支架与所述机体固定连接，产生向上的升力，升力方向固定；另一侧两个旋翼通过可转向旋翼安装支架与所述机体连接，所述可转向旋翼安装支架通过舵机控制旋转角度，通过可转向旋翼安装支架改变旋翼提供动力的方向，所述可转向旋翼安装支架的活动范围为0~90度，可从水平位置旋转至竖直位置，并且同样安装限位装置进行限位，当可转向旋翼安装支架旋转至水平位置时，四个旋翼处于同一水平面内，呈中心旋转对称，在所述旋翼安装支架外侧设有旋翼保护圈，所述旋翼保护圈直径略大于旋翼直径；
所述驱动和控制***作为整个机器人的控制中心负责提供机器人所需动力和对电机和舵机发出指令，完成机器人的动作运动指令，整个机体采用轻质材料制造，机器人整体左右对称，质心与中心在同一竖直直线上；
当机器人做跳跃运动时，可转向旋翼安装支架旋转一定角度，旋翼提供向上和向前的推力，跳跃运动过程中，机器人的四个旋翼同时工作，为机器人跳跃运动进行辅助和维持机器人在空中姿态的稳定性，当跳跃运动结束，机器人落地时，旋翼提供的升力又可以实现缓冲和减震的效果。
2.如权利要求1所述的可实现跳跃和飞行运动的多栖机器人，其特征在于：所述的限位装置，由螺钉和塑料块组成，塑料块的形状与机体运动到所设计的极限位置时的形状吻合，采用螺钉对塑料块进行固定，使舵机运动到一定位置后不能继续运动。
3.如权利要求1所述的可实现跳跃和飞行运动的多栖机器人，其特征在于：所述大腿关节与所述小腿关节前后形状不同，与前进方向相同一侧的形状较近似为圆柱面，提高关节刚度，与前进方向相反一侧的形状为平面。
4.如权利要求1所述的可实现跳跃和飞行运动的多栖机器人，其特征在于：所述的旋翼保护圈与所述安装支架和所述可转向旋翼安装支架直接连接，所述旋翼保护圈选用与机体相同的材质。
5.如权利要求1所述的可实现跳跃和飞行运动的多栖机器人，其特征在于：所述的驱动和控制***中，驱动***主要包括直流无刷电机和双轴舵机；控制***采用控制板，对所述直流无刷电机和所述双轴舵机进行电流控制。
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