水陸空三棲類輪式移動機器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水陸空三棲類輪式移動機器人，包括機體，其特征在于，在機體的左右兩側設有對稱布置的類輪結構，在機體上設有左右對稱布置的旋翼；每個旋翼均由一電機驅動，電機安裝在機體上，同側相鄰設置的兩個旋翼的旋向相反，異側相鄰設置的兩個旋翼的旋向相同；每個類輪結構均安裝在一驅動軸上，驅動軸安裝在機體上；類輪結構設有套裝在對應驅動軸上的輪軸座、周向均布固定在輪軸座上的3～5個輪輻和對應固定在每個輪輻外端的輪緣段，相鄰的兩個輪緣段之間設有跨距；所有輪輻采用螺旋槳槳葉結構。本發(fā)明結構簡單緊湊，機動性能好，可快速行進于較為崎嶇的路面，可低空飛越難以攀越的障礙物，還可游動前行于河流、湖泊等涉水環(huán)境。
【專利說明】水陸空三棲類輪式移動機器人
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及移動機器人領域，具體是一種具有水陸空三棲越障能力的類輪式移動機器人。
【背景技術】
[0002]移動機器人因具有較強的環(huán)境適應與感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等能力而在軍事偵察、掃雷排險、防核化污染等危險與惡劣環(huán)境以及民用物料搬運等領域具有廣泛的應用前景。目前，移動機器人主要有輪式、履帶式、腿式、蠕動式、跳躍式和復合式六大類。
[0003]輪式移動機器人的速度快、效率高、運動噪聲低，但其地形適應能力差，對崎嶇度大的復雜地形無能為力，基本無越障能力。如申請?zhí)枮?01110177875.5名稱為“一種全方位輪式移動機器人”的發(fā)明專利，使車輪輪體呈空心結構并放置軸向旋轉電機，通過改變車輪的旋轉方向使移動機器人實現(xiàn)3自由度全方位回轉，然而該移動機器人只適用于平坦地面，無法應對崎嶇地形，更無越障能力。
[0004]履帶式移動機器人越障能力與地形適應能力強，履帶與地面接觸面積大，運動較平穩(wěn)，但缺陷是移動速度相對較小、效率低、機動性差，不能處理高度落差較大的地形，且崎嶇地面對履帶磨損較大。如申請?zhí)枮?01010535194.7名稱為“機器人履帶運動模塊”的發(fā)明專利，采用齒向向外的同步帶作為履帶，具備轉彎和障礙檢測功能，但在越障過程中同步帶易磨損甚至磨斷，壽命低。
[0005]腿式移動機器人雖然能夠適應復雜地形、機動性及能效性高，但由于其結構自由度多、機構復雜，導致控制困難、移動速度慢、功耗大。如申請?zhí)枮?00580001117.0名稱為“腿式移動機器人”的發(fā)明專利，在腳部設置地面反作用力探測器及彈簧構件以減小慣性力和高速運動時的沖擊影響，然而機器人結構與控制系統(tǒng)復雜，成本增加。
[0006]蛇行式和跳躍式移動機器人在復雜環(huán)境適應性方面具有優(yōu)越性，但其承載能力較差，運動平穩(wěn)性不高。如申請?zhí)枮?01210041454.4名稱為“一種多功能蛇形機器人”的發(fā)明專利，具有跨越溝槽與臺階、攀爬桿等功能，地形適應能力較強，然而該機器人由多個基本節(jié)通過具有三轉動能力的接頭連接而成，結構較為復雜，越障時由接頭轉動抬起基本節(jié)，需要較大的轉動力矩，承載能力與運動穩(wěn)定性較差。
[0007]復合式移動機器人由上述五類移動機器人組合而成，如復合輪式、輪-腿式、輪-腿-履帶式等。復合式移動機器人雖結合了各類機器人的優(yōu)勢，但也繼承了各類機器人的缺陷，結構與控制復雜。如申請?zhí)枮?01310205386.5名稱為“一種可跳躍的移動機器人”的發(fā)明專利，將輪式與跳躍式移動機器人組合，通過自平衡系統(tǒng)控制輪式移動裝置的平移運動，由鎖定釋放裝置控制跳躍機構的跳躍運動，為了應對機器人本體跳躍落地時的沖擊還設置了落地緩沖和姿態(tài)調整機構，導致機器人結構復雜，各機構間的協(xié)調控制難度增大。
[0008]經過對比發(fā)現(xiàn)，上述六類移動機器人中，輪式移動機器人雖然越障能力不強，但由于其具有自重輕、承載大、機構簡單、驅動與控制方便、行走速度快、機動性好及工作效率高等諸多優(yōu)點，應用最為廣泛。如何結合輪式移動機器人的優(yōu)勢，提高其越障能力成為移動機器人研究的一個新方向。

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有移動機器人的不足，結合輪式移動機器人的優(yōu)勢，提供一種具有移動、飛行、渡水三種運動功能，越障能力較強的類輪式移動機器人。
[0010]本發(fā)明為解決公知技術中存在的技術問題所采取的技術方案是:一種水陸空三棲類輪式移動機器人，包括機體，在所述機體的左右兩側設有對稱布置的類輪結構，在所述機體上設有左右對稱布置的旋翼；
[0011]每個所述旋翼均由一電機驅動，所述電機安裝在所述機體上，同側相鄰設置的兩個所述旋翼的旋向相反，異側相鄰設置的兩個所述旋翼的旋向相同；
[0012]每個所述類輪結構均安裝在一驅動軸上，所述驅動軸安裝在所述機體上；所述類輪結構設有套裝在對應所述驅動軸上的輪軸座、周向均布固定在所述輪軸座上的3?5個輪輻和對應固定在每個所述輪輻外端的輪緣段，相鄰的兩個所述輪緣段之間設有跨距；所有所述輪輻采用螺旋槳槳葉結構。
[0013]在行進過程中，至少有三個不同側的所述輪緣段與地面接觸。
[0014]所述輪緣段上設有凹凸不平的花紋。
[0015]本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是:
[0016]I)越障能力強；類輪式結構的輪緣段為同一圓周的對稱弧段，具有輪式裝置靈活快速實現(xiàn)平面內的直線移動與轉彎的能力，輪緣段間存在跨距，可越過正常車輪無法跨越的障礙。
[0017]2)復雜路況適應性高；若地形崎嶇度大，僅靠類輪結構無法攀越，旋翼裝置可通過氣流作用為移動機器人提供升力，實現(xiàn)飛行越障，若遇到河流、湖泊等涉水環(huán)境，旋翼裝置可通過水流作用為移動機器人提供升力，類輪式裝置通過輪輻旋轉為移動機器人提供前進推力。
[0018]3)結構簡單，機動性好；若行進過程移動機器人不慎失穩(wěn)，對稱布置結構可保證其機體180°翻轉后仍可繼續(xù)前行。
[0019]綜上，本發(fā)明結構簡單緊湊，機動性能好，可快速行進于較為崎嶇的路面，可低空飛越難以攀越的障礙物，還可游動前行于河流、湖泊等涉水環(huán)境。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明水陸空三棲類輪式移動機器人的整體結構圖；
[0021]圖2是圖1的俯視圖；
[0022]圖3是本發(fā)明的類輪結構示意圖。
[0023]圖中:101-機體、102-第一旋翼、103-第二旋翼、104-第三旋翼、105-第四旋翼、106-第一電機、107-第二電機、108-第三電機、109-第四電機、201-第一類輪結構、202-第二類輪結構、203-第三類輪結構、204-第四類輪結構、205-第五類輪結構、206-第六類輪結構、207-輪軸座、208-輪輻、209-輪緣?！揪唧w實施方式】
[0024]為能進一步了解本發(fā)明的
【發(fā)明內容】
、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下:
[0025]請參閱圖1?圖3，本發(fā)明一種水陸空三棲類輪式移動機器人，包括機體101，在機體101的左右兩側設有對稱布置的類輪結構，在機體101上設有左右對稱布置的旋翼；每個旋翼均由一電機驅動，電機安裝在機體101上，同側相鄰設置的兩個旋翼的旋向相反，異側相鄰設置的兩個旋翼的旋向相同；每個類輪結構均安裝在一驅動軸上，驅動軸安裝在機體101上；類輪結構設有套裝在對應驅動軸上的輪軸座207、周向均布固定在輪軸座207上的3?5個輪輻208和對應固定在每個輪輻208外端的輪緣段209，相鄰的兩個輪緣段209之間設有跨距；所有輪輻208采用螺旋槳槳葉結構。
[0026]本發(fā)明的移動機器人結構對稱，若行進過程不慎翻轉仍可按該翻轉后的形態(tài)繼續(xù)
、產.、rr.目U進。
[0027]下面結合每一幅圖對本發(fā)明的實施例做進一步說明:
[0028]請參閱圖1?圖3，一種水陸空三棲類輪式移動機器人，在本實施例中，類輪結構有6個，分別為:第一類輪結構201、第二類輪結構202、第三類輪結構203、第四類輪結構204、第五類輪結構205和第六類輪結構206，旋翼有4個，分別為:第一旋翼102、第二旋翼103、第三旋翼104和第四旋翼105，第一旋翼102、第二旋翼103、第三旋翼104和第四旋翼105分別由第一電機106、第二電機107、第三電機108和第四電機109驅動。機體101內部包含運動控制計算器，機體101設有外部設備和感知探測設備等裝置，主要作用為探知環(huán)境及地形狀況、傳輸信號和給定指令等。第一電機106、第二電機107、第三電機108和第四電機109對稱安裝在機體101上，第一旋翼102、第二旋翼103、第三旋翼104和第四旋翼105位于同一高度水平平面，具有相同的結構尺寸。如圖2所示，第一電機106驅動第一旋翼102逆時針旋轉，第三電機108驅動第三旋翼104逆時針旋轉，第一旋翼102和第三旋翼104均為右旋設置；第二電機107驅動第二旋翼103順時針旋轉，第四電機109驅動第四旋翼105順時針旋轉，第二旋翼103和第四旋翼105均為左旋設置。反之，第一旋翼102和第三旋翼104為左旋設置時,第一電機106的電機軸和第三電機108的電機軸順時針旋轉,第二旋翼103和第四旋翼105為右旋設置時，第二電機107的電機軸和第四電機109的電機軸逆時針旋轉。
[0029]第一旋翼102、第二旋翼103、第三旋翼104和第四旋翼105的旋轉為移動機器人提供飛行或渡水所需升力，調節(jié)第一電機106、第二電機107、第三電機108和第四電機109改變旋翼的轉速，可實現(xiàn)升力的變化，從而控制移動機器人在空中或水中的位置和姿態(tài)。
[0030]請參見圖1，第一類輪結構201、第二類輪結構202和第三類輪結構203安裝于機體101的同一側，第四類輪結構204、第五類輪結構205和第六類輪結構206安裝于機體101的另一側，與第三類輪結構203、第二類輪結構202和第一類輪結構201對稱分布。
[0031]第一類輪結構201、第二類輪結構202、第三類輪結構203、第四類輪結構204、第五類輪結構205和第六類輪結構206具有相同的結構尺寸。如圖3所示，類輪結構均包括輪軸座207、輪輻208和輪緣段209。輪軸座207在驅動軸及其驅動裝置的驅動下，可相對于機體101轉動；在輪軸座207的外圓面上周向對稱安裝三至五個輪輻208，每一輪輻208的外端固定安裝輪緣段209，輪緣段209呈圓弧形，如圖3虛線所示，同一類輪結構的輪緣段為同一圓周上的弧段，輪緣段209可以采用壓花等工藝手段在外側形成凹凸不平的花紋以增大摩擦系數(shù)，防止類輪結構在陸地上移動時打滑；輪輻208采用螺旋槳槳葉結構，如圖1所示，六個類輪結構均為右旋設置，也可采用一側類輪結構左旋設置而另一側為右旋設置等形式。
[0032]上述水陸空三棲類輪式移動機器人可根據(jù)地形的不同狀況，采取不同的越障形式,主要有移動、飛行、渡水三種運動功能。
[0033]在陸地上行進時，旋翼不起作用，僅靠類輪結構實現(xiàn)平面移動功能。類輪結構的輪緣段209與地面接觸，輪緣段209呈圓弧形且同一類輪結構的輪緣段為同一圓周上的弧段，故類輪結構可產生與正常車輪一致的滾動前進模式，如圖2所示，本實施的移動機器人行進方向為A方向。調節(jié)六個類輪結構的速度，可實現(xiàn)與正常輪式裝置一致的差動轉彎功能。同一類輪結構的輪緣段209存在跨距，可跨越正常輪式裝置無法攀越的障礙。六個類輪結構均包括三至五個輪輻208,調節(jié)六個類輪結構的輪輻208的相位,使六個類輪結構的輪緣段209接觸地面的時間存在差異，保證行進過程中至少有三個不同側的類輪結構與地面接觸，防止移動機器人失穩(wěn)，增強其平面移動的穩(wěn)定性。
[0034]若安裝于機體101內的感知探測設備觀測到前方出現(xiàn)類輪結構無法攀越的障礙，啟動旋翼，停止類輪結構的移動。旋翼在空氣中旋轉時，由氣流作用產生與電機軸線方向平行的升力以及阻止旋翼旋轉的力矩，由該升力帶動移動機器人飛行越過障礙，移動機器人平衡飛行時，陀螺效應與空氣動力扭矩效應均被抵消，且旋翼旋轉對機體101的反扭矩得到平衡。
[0035]調節(jié)第一電機106、第二電機107、第三電機108和第四電機109的轉速改變對應旋翼轉速，升力隨之變化，從而控制移動機器人的飛行姿態(tài)和位置。
[0036]若安裝于機體101內的感知探測設備觀測到前方出現(xiàn)河流、湖泊等涉水環(huán)境，同時啟動旋翼和類輪結構。四個旋翼結構仍按空中飛行模式啟動，通過水流作用為移動機器人提供浮力。由于類輪結構的輪輻208呈螺旋槳槳葉式結構，六個類輪結構的輪輻208在水中旋轉，由水流作用產生與輪軸座207軸線方向平行的分力以及阻止類輪結構旋轉的力矩，與輪軸座207軸線方向平行的分力作為推進力使移動機器人游動于水中，如圖2所示，六個類輪結構旋向設置均一致時，當六個類輪結構均順時針或逆時針旋轉，移動機器人在推進力的作用下沿圖2所示B方向游動前行，游動的B方向與行進的A方向垂直。調節(jié)旋翼結構或六個類輪結構的旋轉速度，可實現(xiàn)水中轉彎等游行姿態(tài)調整。
[0037]值得注意的是，上述運動形式的描述僅僅是示意性的，旋翼與類輪結構單獨作用或通過不同組合方式共同作用，可實現(xiàn)移動機器人在空中與水中的不同運動形態(tài)，所以，本發(fā)明的實施方式并不局限于上述的【具體實施方式】。類輪結構的個數(shù)、不同結構的類輪結構或類輪結構的不同安裝形式都會導致具體運動實現(xiàn)方式的差異，如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護范圍的情況下，做出其他變化或變型，均屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種水陸空三棲類輪式移動機器人，包括機體，其特征在于，在所述機體的左右兩側設有對稱布置的類輪結構，在所述機體上設有左右對稱布置的旋翼； 每個所述旋翼均由一電機驅動，所述電機安裝在所述機體上，同側相鄰設置的兩個所述旋翼的旋向相反，異側相鄰設置的兩個所述旋翼的旋向相同； 每個所述類輪結構均安裝在一驅動軸上，所述驅動軸安裝在所述機體上；所述類輪結構設有套裝在對應所述驅動軸上的輪軸座、周向均布固定在所述輪軸座上的3?5個輪輻和對應固定在每個所述輪輻外端的輪緣段，相鄰的兩個所述輪緣段之間設有跨距；所有所述輪輻采用螺旋槳槳葉結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的水陸空三棲類輪式移動機器人，其特征在于，在行進過程中，至少有三個不同側的所述輪緣段與地面接觸。
3.根據(jù)權利要求1所述的水陸空三棲類輪式移動機器人，其特征在于，所述輪緣段上設有凹凸不平的花紋。
【文檔編號】B60F5/00GK103522855SQ201310513176
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月25日 優(yōu)先權日:2013年10月25日
【發(fā)明者】孫濤, 宋軼民, 高 浩, 梁棟, 連賓賓 申請人:天津大學