CN115284805B - 一种带有固定翼的陆空两栖机器人 - Google Patents

Abstract

一种带有固定翼的陆空两栖机器人，它涉及陆空两栖机器人技术领域。本发明解决了现有的陆空两栖机器人存在将复合移动平台与飞行平台结合后容易出现平台互为负载的情况，且在飞行模式下复合移动平台会破坏整体翼型的完整性及机器人整体的气动特性的问题。本发明的可倾转四旋翼飞行机构的四个旋翼组件分别两两相对地设置在机身两侧靠近机翼的前后两端处，地面移动平台为两轮腿式自平衡爬行机构，两轮腿式自平衡爬行机构的两个腿部组件分别对称安装在机身底部两侧的地面移动平台收纳槽中，飞行模式下能够将腿部组件完全回收至机身内部并通过四个旋翼组件实现飞行作业。本发明用于保证陆空两栖机器人在飞行模式下整体翼型的完整性及机器人整体的气动特性。

Description

一种带有固定翼的陆空两栖机器人

技术领域

本发明涉及陆空两栖机器人技术领域，具体涉及一种带有固定翼的陆空两栖机器人。

背景技术

目前的陆空两栖机器人多以旋翼结合轮式移动的方式为主，实现了独立飞行与独立行走的功能，其模式切换主要采用人力控制或指令控制的方式，当然也有不少学者将多旋翼平台与足式、履带式等多种爬行机构进行融合实现了新的功能，主要包括飞行、行走功能的提升与平稳着陆等。基于上述现状可知，两栖平台未来的发展方向主要有以下几点：

首先从爬行机构的形式来讲，轮式、足式和履带式作为传统的地面移动模式均开展了与旋翼平台结合的相关研究，复合移动模式结合了单一移动模式的优点，极大地提升了平台的地面移动能力，但与旋翼平台结合的研究极少。将轮腿式复合移动爬行机构与飞行平台结合一方面可以使爬行机构具备足式的地面适应性，同时具备轮式的快速移动能力，并且摆脱飞行平台的辅助，实现独立行走，提升机器人的续航能力。

其次从飞行平台的角度来看，大部分的陆空两栖机器人采用四旋翼或多旋翼的飞行方式，可以实现垂直起降、平飞等功能，但少有具备固定翼飞行能力的两栖机器人。固定翼飞行模式可以在一定程度上减轻旋翼的负担，进而提升机器人的续航能力。

最后从平台间的协同作用来讲，如何实现飞行动力与地面移动动力间的协同作用，提升机器人的性能或续航能力，尽量避免平台互为负载的情况，提升驱动单元的能量利用率也是两栖平台发展的重要方向。

综上所述，现有的陆空两栖机器人存在将复合移动平台与飞行平台结合后容易出现平台互为负载的情况，且在飞行模式下复合移动平台会破坏整体翼型的完整性及机器人整体的气动特性的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的陆空两栖机器人存在将复合移动平台与飞行平台结合后容易出现平台互为负载的情况，且在飞行模式下复合移动平台会破坏整体翼型的完整性及机器人整体的气动特性的问题，进而提供一种带有固定翼的陆空两栖机器人。

本发明的技术方案是：

一种带有固定翼的陆空两栖机器人，它包括飞行平台和地面移动平台，飞行平台包括可倾转四旋翼飞行机构和固定翼飞行机构，固定翼飞行机构包括机身3、尾翼支撑架4、尾翼5和两个机翼21，尾翼5位于机身3后方，尾翼5通过尾翼支撑架4与机身3后端固定连接，可倾转四旋翼飞行机构的四个旋翼组件分别两两相对地设置在机身3两侧靠近机翼21的前后两端处，地面移动平台为两轮腿式自平衡爬行机构，机身3底部两侧分别加工有地面移动平台收纳槽，两轮腿式自平衡爬行机构的两个腿部组件分别对称安装在机身3底部两侧的地面移动平台收纳槽中，飞行模式下能够将腿部组件完全回收至机身3内部并通过四个旋翼组件实现飞行作业，地面移动模式下能够将腿部组件伸出机身3外部并通过两个腿部组件实现地面移动作业。

进一步地，每个旋翼组件包括倾转舵机1、旋翼驱动电机2、螺旋桨6和螺旋桨支撑架7，机身3两侧靠近机翼21的前后两端处分别设有支撑架连接套筒22，螺旋桨支撑架7一端固定插装在支撑架连接套筒22内，螺旋桨支撑架7另一端安装有倾转舵机1，所述倾转舵机1的摇臂与旋翼驱动电机2的壳体固定连接，旋翼驱动电机2的电机轴上安装有螺旋桨6。

进一步地，每个腿部组件包括腿部安装板8、大腿驱动电机9、大腿杆10、小腿杆11、小腿驱动电机13、小腿连杆A14、小腿连杆B15、小腿连杆C16、小腿连杆D17和轮部组件，腿部安装板8竖直安装在机身3的地面移动平台收纳槽内壁上，腿部安装板8一侧端面上分别安装有电机轴平行布置的大腿驱动电机9和小腿驱动电机13，腿部安装板8上加工有两个电机轴装配孔，大腿驱动电机9和小腿驱动电机13的电机轴分别穿过腿部安装板8的两个电机轴装配孔并延伸至腿部安装板8另一侧，小腿连杆A14一端与小腿驱动电机13的电机轴固定连接，小腿连杆C16一端通过轴承与大腿驱动电机9的电机轴同轴转动连接，小腿连杆B15两端分别通过销轴与小腿连杆A14和小腿连杆C16另一端转动连接，大腿杆10顶端与大腿驱动电机9的电机轴固定连接，大腿杆10底端通过销轴与小腿杆11顶端转动连接，小腿杆11底端安装有轮部组件，小腿连杆D17一端通过销轴与小腿杆11中上部转动连接，小腿连杆D17另一端通过销轴与小腿连杆C16另一端转动连接。

进一步地，腿部组件采用双四连杆式结构。

进一步地，小腿连杆A14、小腿连杆B15、小腿连杆C16和腿部安装板8构成了第一四连杆机构。

进一步地，第一四连杆机构为平行四连杆机构。

进一步地，小腿连杆C16、小腿连杆D17、大腿杆10和小腿杆11构成了第二四连杆机构。

进一步地，轮部组件包括轮部驱动电机18、轮毂19和轮胎20，小腿杆11底端安装有轮部驱动电机18，轮部驱动电机18的电机轴上安装有轮毂19，轮胎20安装在轮毂19上。

进一步地，每个腿部组件还包括被动轮12，小腿杆11上部远离大腿杆10一侧的端面上设有被动轮安装架，被动轮12安装在被动轮安装架上。

进一步地，腿部安装板8上加工有减重孔。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、在飞行方面，本发明的陆空两栖机器人具备四旋翼与固定翼两种飞行方式，采用可倾转旋翼的飞行控制技术实现了机器人垂直起降、垂起转平飞等功能。同时固定翼和带有轮子的爬行机构使机器人具备了滑跑起飞的能力，采用固定翼飞行模式可以有效降低飞行能耗，提升机器人的续航能力。机器人起飞后，腿部可以完全回收至机身内部，舱门关闭后可以保证机身的整体翼型，保证整体的气动特性。

2、在地面移动方面，本发明的地面移动平台采用两轮腿复合移动模式，质量更轻并且运动更加灵活，更适合与负载能力有限的旋翼平台结合。通过轮部的自平衡控制算法实现了独立移动功能，通过腿部的控制算法使机器人可以穿过、跨过甚至是跃过障碍物，还可以在不平坦的路面上保证机身水平和稳定性，可以适应大部分地形。在膝关节处设置被动轮使机器人具备了四轮地面移动模式，在牺牲高度调整能力的情况下获得了极大的负载能力和稳定性。

3、由于本发明的两轮腿式自平衡爬行机构采用串级控制算法进行控制，与旋翼飞行器的控制算法相似，因此可以将旋翼动力与爬行机构的驱动单元协同控制，二者的控制目标相同，协同作用下可以提升机器人的稳定性能和负载能力，同时还可以使机器人实现单腿移动，任意姿态稳定等效果，可以适应更复杂的应用场景。

4、爬行机构，即地面移动平台的腿部采用双四连杆式结构，具有两个自由度。大腿杆10由大腿驱动电机9直接驱动，小腿杆11通过两个四连杆传动，一方面相比于二连杆式的腿部结构，膝关节输出力矩可以减小一半；同时可以将驱动单元集成在机身处，降低了腿部结构的转动惯量，提升了机器人的控制性能。

附图说明

图1是本发明的带有固定翼的陆空两栖机器人的主视图；

图2是本发明的带有固定翼的陆空两栖机器人的侧视图；

图3是本发明的带有固定翼的陆空两栖机器人的俯视图；

图4是本发明的带有固定翼的陆空两栖机器人的轴测图；

图5是本发明的旋翼组件的结构示意图。

图6是本发明的地面移动平台的腿部单元的主视图；

图7是本发明的地面移动平台的腿部单元的侧视图；

图8是本发明的地面移动平台的腿部单元的俯视图；

图9是本发明的地面移动平台的腿部单元的轴测图；。

图中：1-倾转舵机；2-旋翼驱动电机；3-机身；4-尾翼支撑架；5-尾翼；6-螺旋桨；7-螺旋桨支撑架；8-腿部安装板；9-大腿驱动电机；10-大腿杆；11-小腿杆；12-被动轮；13-小腿驱动电机；14-小腿连杆A；15-小腿连杆B；16-小腿连杆C；17-小腿连杆D；18-轮部驱动电机；19-轮毂；20-轮胎；21-机翼；22-支撑架连接套筒。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式的一种带有固定翼的陆空两栖机器人，它包括飞行平台和地面移动平台，飞行平台包括可倾转四旋翼飞行机构和固定翼飞行机构，固定翼飞行机构包括机身3、尾翼支撑架4、尾翼5和两个机翼21，尾翼5位于机身3后方，尾翼5通过尾翼支撑架4与机身3后端固定连接，可倾转四旋翼飞行机构的四个旋翼组件分别两两相对地设置在机身3两侧靠近机翼21的前后两端处，地面移动平台为两轮腿式自平衡爬行机构，机身3底部两侧分别加工有地面移动平台收纳槽，两轮腿式自平衡爬行机构的两个腿部组件分别对称安装在机身3底部两侧的地面移动平台收纳槽中，飞行模式(指飞行平台工作的情况)下能够将腿部组件完全回收至机身3内部并通过四个旋翼组件实现飞行作业，地面移动模式(指地面移动平台工作的情况)下能够将腿部组件伸出机身3外部并通过两个腿部组件实现地面移动作业。

本发明带有固定翼的陆空两栖机器人的飞行平台采用可倾转四旋翼加固定翼的飞行模式，可以实现垂直起降、垂起转平飞等功能；同时通过对机身翼型的合理设计，使机器人具备了固定翼飞行和滑跑起飞的能力，能够在一定程度上提升机器人的续航能力；设计了用于收纳腿部结构的空间，在飞行模式下，腿部组件完全回收至机身3内部，舱门关闭后可以保证整体翼型的完整性，保证机器人整体的气动特性。

本发明带有固定翼的陆空两栖机器人的地面移动平台地面移动机构选用双轮足复合移动模式，兼具了足式移动的地面适应性和轮式移动的高速高效性。双足结构在提升了机器人地面移动灵活性的同时，尽可能降低了机器人的本体质量。采用两轮腿移动模式，一方面该模式可以实现基本的地面行走、跳跃以及适应复杂路面的功能；另一方面相比于多轮腿移动模式，两轮腿具有质量更轻且更加灵活的特点，更适合与旋翼飞行平台结合。同时本发明爬行机构还具备四轮移动模式，提升了稳定性和极限负载能力，并且可以与两轮自平衡模式自由切换；另外由于两轮腿式自平衡爬行机构的控制原理与旋翼平台相似，在地面移动过程中可以利用旋翼动力辅助地面移动平台以提升其极限负载能力和稳定能力。

具体实施方式二：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的每个旋翼组件包括倾转舵机1、旋翼驱动电机2、螺旋桨6和螺旋桨支撑架7，机身3两侧靠近机翼21的前后两端处分别设有支撑架连接套筒22，螺旋桨支撑架7一端固定插装在支撑架连接套筒22内，螺旋桨支撑架7另一端安装有倾转舵机1，所述倾转舵机1的摇臂与旋翼驱动电机2的壳体固定连接，旋翼驱动电机2的电机轴上安装有螺旋桨6。如此设置，飞行平台采用可倾转四旋翼的飞行方式，每个旋翼均具备独立的驱动电机和倾转舵机，倾转角度可以达到±60°，利用现有的四旋翼控制技术可以实现机器人的垂直起降、垂起转平飞等功能。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

本实施方式中，倾转舵机1采用kst的60kg*cm舵机。

具体实施方式三：结合图6至图9说明本实施方式，本实施方式的每个腿部组件包括腿部安装板8、大腿驱动电机9、大腿杆10、小腿杆11、小腿驱动电机13、小腿连杆A14、小腿连杆B15、小腿连杆C16、小腿连杆D17和轮部组件，腿部安装板8竖直安装在机身3的地面移动平台收纳槽内壁上，腿部安装板8一侧端面上分别安装有电机轴平行布置的大腿驱动电机9和小腿驱动电机13，腿部安装板8上加工有两个电机轴装配孔，大腿驱动电机9和小腿驱动电机13的电机轴分别穿过腿部安装板8的两个电机轴装配孔并延伸至腿部安装板8另一侧，小腿连杆A14一端与小腿驱动电机13的电机轴固定连接，小腿连杆C16一端通过轴承与大腿驱动电机9的电机轴同轴转动连接，小腿连杆B15两端分别通过销轴与小腿连杆A14和小腿连杆C16另一端转动连接，大腿杆10顶端与大腿驱动电机9的电机轴固定连接，大腿杆10底端通过销轴与小腿杆11顶端转动连接，小腿杆11底端安装有轮部组件，小腿连杆D17一端通过销轴与小腿杆11中上部转动连接，小腿连杆D17另一端通过销轴与小腿连杆C16另一端转动连接。如此设置，腿部采用双四连杆式结构，具有两个自由度。大腿杆10由大腿驱动电机9直接驱动，小腿杆11通过两个四连杆传动，一方面相比于二连杆式的腿部结构，膝关节输出力矩可以减小一半；同时可以将驱动单元集成在机身处，降低了腿部结构的转动惯量，提升了机器人的控制性能。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

本发明的腿部采用位置控制加前馈力矩补偿的控制方式，可以实现高度调整和地面适应等功能，高度调整使机器人可以跨越、穿过或跃过障碍物，地面适应可以使机器人在两腿着地高度不同的情况下尽可能保证机身的水平，提升机器人的稳定性。另外，飞行平台可以在地面移动过程中为机器人提供额外的支持力和稳定保证，当机器人失稳时可以通过飞行动力保持机身稳定；当行驶的路面较窄时，可以采用单轮行进的方式通过。

具体实施方式四：结合图6至图9说明本实施方式，本实施方式的腿部组件采用双四连杆式结构。如此设置，小腿杆11通过两个四连杆传动，一方面相比于二连杆式的腿部结构，膝关节输出力矩可以减小一半；同时可以将驱动单元集成在机身处，降低了腿部结构的转动惯量，提升了机器人的控制性能。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图6至图9说明本实施方式，本实施方式的小腿连杆A14、小腿连杆B15、小腿连杆C16和腿部安装板8构成了第一四连杆机构。如此设置，通过小腿驱动电机可以直接驱动小腿连杆A14和小腿连杆C16。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图6至图9说明本实施方式，本实施方式的第一四连杆机构为平行四连杆机构。如此设置，相比于二连杆式结构，该双四连杆式结构可以将膝关节的驱动力矩降低一半。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图6至图9说明本实施方式，本实施方式的小腿连杆C16、小腿连杆D17、大腿杆10和小腿杆11构成了第二四连杆机构。如此设置，通过驱动小腿连杆C16可以实现对小腿杆11的驱动。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图6至图9说明本实施方式，本实施方式的轮部组件包括轮部驱动电机18、轮毂19和轮胎20，小腿杆11底端安装有轮部驱动电机18，轮部驱动电机18的电机轴上安装有轮毂19，轮胎20安装在轮毂19上。如此设置，将轮部驱动电机18固定在小腿杆11上，通过轮毂19与轮胎20连接构成爬行机构的轮部。通过轮部驱动电机18驱动轮毂19以及安装在轮毂19上的轮胎20转动，可以实现地面行走功能。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

具体实施方式九：结合图6和图9说明本实施方式，本实施方式的每个腿部组件还包括被动轮12，小腿杆11上部远离大腿杆10一侧的端面上设有被动轮安装架，被动轮12安装在被动轮安装架上。如此设置，在膝关节处设置被动轮使机器人具备了四轮地面移动模式，在牺牲高度调整能力的情况下获得了极大的负载能力和稳定性。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。

具体实施方式十：结合图6和图9说明本实施方式，本实施方式的腿部安装板8上加工有减重孔。如此设置，通过在腿部安装板8上设计减重孔，可以有效地减轻轮腿质量。其它组成和连接关系与具体实施方式的一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。

工作原理

结合图1至图9说明本发明的带有固定翼的陆空两栖机器人的工作原理：

在飞行模式下，首先采用可倾转四旋翼飞行机构使机器人处于悬停状态，然后启动大腿驱动电机9直接驱动大腿杆10以大腿驱动电机9的电机轴为中心向靠近飞行平台的一侧旋转，直至大腿杆10处于水平状态；再启动小腿驱动电机13依次通过第一四连杆机构和第二四连杆机构驱动小腿杆11以其与大腿杆10连接处的销轴为中心向靠近大腿杆10的一侧旋转，直至小腿杆11与大腿杆10重叠，此时腿部组件完全回收至机身3内部，舱门关闭后可以保证整体翼型的完整性，保证机器人整体的气动特性；最后采用可倾转四旋翼加固定翼实现垂直起降、垂起转平飞等功能。

在地面移动模式下，首先启动小腿驱动电机13依次通过第一四连杆机构和第二四连杆机构驱动小腿杆11以其与大腿杆10连接处的销轴为中心向远离大腿杆10的一侧旋转，然后启动大腿驱动电机9直接驱动大腿杆10以大腿驱动电机9的电机轴为中心向靠近地面的一侧旋转；最后通过轮部驱动电机18驱动轮毂19以及安装在轮毂19上的轮胎20转动，可以实现地面行走功能，在行走过程中，可以实现四轮移动模式与两轮自平衡模式自由切换。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种带有固定翼的陆空两栖机器人，其特征在于：它包括飞行平台和地面移动平台，飞行平台包括可倾转四旋翼飞行机构和固定翼飞行机构，固定翼飞行机构包括机身(3)、尾翼支撑架(4)、尾翼(5)和两个机翼(21)，尾翼(5)位于机身(3)后方，尾翼(5)通过尾翼支撑架(4)与机身(3)后端固定连接，可倾转四旋翼飞行机构的四个旋翼组件分别两两相对地设置在机身(3)两侧靠近机翼(21)的前后两端处，地面移动平台为两轮腿式自平衡爬行机构，机身(3)底部两侧分别加工有地面移动平台收纳槽，两轮腿式自平衡爬行机构的两个腿部组件分别对称安装在机身(3)底部两侧的地面移动平台收纳槽中，飞行模式下能够将腿部组件完全回收至机身(3)内部并通过四个旋翼组件实现飞行作业，地面移动模式下能够将腿部组件伸出机身(3)外部并通过两个腿部组件实现地面移动作业；腿部组件采用双四连杆式结构；每个腿部组件包括腿部安装板(8)、大腿驱动电机(9)、大腿杆(10)、小腿杆(11)、小腿驱动电机(13)、小腿连杆A(14)、小腿连杆B(15)、小腿连杆C(16)、小腿连杆D(17)和轮部组件，腿部安装板(8)竖直安装在机身(3)的地面移动平台收纳槽内壁上，腿部安装板(8)一侧端面上分别安装有电机轴平行布置的大腿驱动电机(9)和小腿驱动电机(13)，腿部安装板(8)上加工有两个电机轴装配孔，大腿驱动电机(9)和小腿驱动电机(13)的电机轴分别穿过腿部安装板(8)的两个电机轴装配孔并延伸至腿部安装板(8)另一侧，小腿连杆A(14)一端与小腿驱动电机(13)的电机轴固定连接，小腿连杆C(16)一端通过轴承与大腿驱动电机(9)的电机轴同轴转动连接，小腿连杆B(15)两端分别通过销轴与小腿连杆A(14)和小腿连杆C(16)另一端转动连接，大腿杆(10)顶端与大腿驱动电机(9)的电机轴固定连接，大腿杆(10)底端通过销轴与小腿杆(11)顶端转动连接，小腿杆(11)底端安装有轮部组件，小腿连杆D(17)一端通过销轴与小腿杆(11)中上部转动连接，小腿连杆D(17)另一端通过销轴与小腿连杆C(16)另一端转动连接；小腿连杆A(14)、小腿连杆B(15)、小腿连杆C(16)和腿部安装板(8)构成了第一四连杆机构；第一四连杆机构为平行四连杆机构；小腿连杆C(16)、小腿连杆D(17)、大腿杆(10)和小腿杆(11)构成了第二四连杆机构；每个腿部组件还包括被动轮(12)，小腿杆(11)上部远离大腿杆(10)一侧的端面上设有被动轮安装架，被动轮(12)安装在被动轮安装架上。

2.根据权利要求1所述的一种带有固定翼的陆空两栖机器人，其特征在于：每个旋翼组件包括倾转舵机(1)、旋翼驱动电机(2)、螺旋桨(6)和螺旋桨支撑架(7)，机身(3)两侧靠近机翼(21)的前后两端处分别设有支撑架连接套筒(22)，螺旋桨支撑架(7)一端固定插装在支撑架连接套筒(22)内，螺旋桨支撑架(7)另一端安装有倾转舵机(1)，所述倾转舵机(1)的摇臂与旋翼驱动电机(2)的壳体固定连接，旋翼驱动电机(2)的电机轴上安装有螺旋桨(6)。

3.根据权利要求1所述的一种带有固定翼的陆空两栖机器人，其特征在于：轮部组件包括轮部驱动电机(18)、轮毂(19)和轮胎(20)，小腿杆(11)底端安装有轮部驱动电机(18)，轮部驱动电机(18)的电机轴上安装有轮毂(19)，轮胎(20)安装在轮毂(19)上。

4.根据权利要求1所述的一种带有固定翼的陆空两栖机器人，其特征在于：腿部安装板(8)上加工有减重孔。

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