一種基于變胞原理的陸空兩棲球形變胞機器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的內(nèi)容在于提供一種基于變胞原理的陸空兩棲球形變胞機器人。機器人主要分為飛行和行走兩個模塊。飛行模塊設計了由蝸輪蝸桿電機驅(qū)動的對稱布置的四套連桿機構，實現(xiàn)機架自主折疊，以適應機器人在球形未變形狀態(tài)、陸棲狀態(tài)以及空棲狀態(tài)下對其結構的不同要求。行走模塊采用8自由度四足機器人，并通過四連桿機構使小腿運動，并保證和小腿貼合的弧片能在未變形時與下半球殼主要部分貼合，整體形成球形。準備飛行時，上半球殼通過向上運動來讓位于折疊機架的支撐臂。待支撐臂展開到位后，上半球殼再向下運動歸位。驅(qū)動上半球殼的機構為曲柄滑塊機構。該機器人具有體積小、結構布局合理、外形簡約美觀、運動性能突出、控制簡單高效、抗擾能力強大等特點。
【專利說明】—種基于變胞原理的陸空兩棲球形變胞機器人

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于陸空兩棲機器人【技術領域】，具體涉及一種能夠通過變換結構實現(xiàn)陸棲和空棲運動的機器人的結構設計和器件。

【背景技術】
:
[0002]傳統(tǒng)機器人的履帶式、輪式以及足式移動方式已獲得廣泛的應用，而隨著對機器人環(huán)境適應性的要求的不斷提高，能夠?qū)崿F(xiàn)陸空兩棲之間快速轉換，具有普通機器人平臺所不能比擬的機動性能的陸空兩棲機器人將獲得更良好的發(fā)展前景。目前一款較為簡單新穎的陸空兩棲無人平臺，就是來自伊利諾理工大學的機器人實驗室混合型陸地空中飛行器(HybridTerrestrial and Aeria Quadrotor,HyTAQ)。HyTAQ 內(nèi)部是四旋翼飛行器，夕卜面由一層罩子包裹，這就使飛行器體積較大，攜帶不便。其外層的籠罩除了起到保護內(nèi)部的作用，實際上還扮演著陸行輪子的作用。然而陸地運動的實現(xiàn)是通過四旋翼飛行器側飛給其提供動力。這種方式下不僅使機器人能夠行走的陸地形式有局限，還易受環(huán)境的影響，如大風、降雨。因而急需一種能夠體積小、兩棲獨立運動、抗干擾能力強的的陸空兩棲機器人。因此我們設計了一種基于變胞原理，以球形為基本形態(tài)、通過變換自由度實現(xiàn)兩棲運動的的陸空兩棲機器人。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本
【發(fā)明內(nèi)容】
設計了一種基于變胞原理，以球形為基本形態(tài)的陸空兩棲機器人平臺。該機器人系統(tǒng)采用模塊化設計，可實現(xiàn)兩種狀態(tài)的轉換。第一模塊為四足機器人，利用相關機械設計知識設計合適的機器人腿部的運動機構，采用四連桿機構使每條腿所需的驅(qū)動舵機的數(shù)量減少為兩個，但由于減少腿部運動自由度所引起的足部軌跡不封閉對機器人地面機動性能帶來了不利影響，我們設計了可拆卸組合的具有彈性阻尼環(huán)節(jié)以削弱這一影響。第二模塊為四旋翼飛行器，設計了由蝸輪蝸桿減速電機驅(qū)動的對稱布置的四套連桿機構，實現(xiàn)了機架結構的變化，以適應機器人在球形未變形狀態(tài)、陸棲狀態(tài)以及空棲狀態(tài)下對其結構的不同要求。該機器人具有體積小、結構布局合理、外形簡約美觀、運動性能突出、控制簡單高效、抗擾能力強大等特點。
[0004]技術實現(xiàn):
[0005]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，我們基于變胞原理，設計了陸空兩棲球形變胞機器人。陸空兩棲球形變胞機器人上部飛行系統(tǒng)、下部行走系統(tǒng)組成。
[0006]上部飛行系統(tǒng)由四軸飛行器折疊機架、上半球殼運動機構組成。
[0007]四軸飛行器折疊機架主要由中心板、平行四邊形機構、中心蝸輪蝸桿減速電機、支撐臂組成。折疊機架系統(tǒng)能在中心電機的驅(qū)動下完成機架的折疊與展開。在此基礎上加入旋翼擋板和限位扣，使得機架折疊后能最大限度地縮小其幾何尺寸，保證其能容納到上半球殼中。展開到位后，利用蝸輪蝸桿減速電機本身的斷電自鎖特性，能使支撐臂穩(wěn)定于工作位置，保證飛行的可靠性。機架的折疊與展開通過蝸輪蝸桿減速電機驅(qū)動四套對稱布置的平行四邊形機構進而驅(qū)動支撐臂擺動實現(xiàn)。平行四邊形機構全程無運動不確定位置，保證了變胞的穩(wěn)定性。
[0008]上半球殼運動機構用于上部變胞時，球殼讓位于四軸飛行器機架。當機器人準備起飛時，上半球殼向上運動，讓位于折疊機架，使支撐臂順利擺出。到位后，上半球殼向下運動，直至與下半球殼貼合。球殼周圍對稱挖槽，當球殼合上時，支撐臂恰好位于槽中，避免干涉，并有效利用空間。驅(qū)動球殼上下運動的機構為曲柄滑塊機構，由SG-90舵機驅(qū)動。該機構布置與折疊機架中心，蝸輪蝸桿減速電機上方。
[0009]下部行走系統(tǒng)由支撐架、腿部系統(tǒng)、球殼組成。
[0010]其中支撐架在整個機器人中起著中流砥柱的作用。支撐架處于中心地位，是整個機器人的機身，因此支撐架設計為十字雙圓盤結構，四條腿中心對稱布置在上圓盤的下表面上，上部飛行系統(tǒng)固定在上圓盤的上表面，整個支持架通過下圓盤固定在中空的球殼里，使得機器人渾然一體，結構緊湊。
[0011]腿部系統(tǒng)采用四連桿結構以舵機轉臂為曲柄、帶有彈性阻尼環(huán)節(jié)的類活塞機構為搖桿、小腿為連桿、舵機架為機架的四足機器人腿部系統(tǒng)。其中，大腿驅(qū)動單元由舵盤、舵機、舵機架、拉板組成。2個舵機安裝在舵機架中，在四連桿結構中充當機架，為腿部提供動力。帶有彈性阻尼環(huán)節(jié)的類活塞機構作為搖桿，由套筒、彈簧、拉桿、凸頭連桿組成。拉桿為一段帶有大半徑圓盤的空心圓柱，彈簧套在拉桿上面，靠近圓盤一端，左右半套筒拼合起來將彈簧包在套筒中，并使彈簧處于壓縮狀態(tài)，同時使圓盤緊貼套筒靠近舵機架一端。四連桿中的曲柄，是A形連桿與U形連桿組合而成，U形連桿的一端與舵機輸出的軸連接，另一端與A形連桿的A字端連接，A形連桿的另一端連接小腿。減震小腿作為機器人的小腿，其由彈簧、F形連桿、錐形桿、小腿支桿組成。F形連桿上側桿與搖桿中的拉桿相連，搖桿的長度控制著小腿與地面的夾角；中間桿與A形連桿相連，A形連桿轉動使小腿升高或下降。小腿支桿上套有彈簧連接到F形連桿上，可以在F形連桿的中心通孔處上下滑動，另一端連接在錐形桿上。小腿由于安裝有彈簧，所以腿部可以作為飛行狀態(tài)時的起落架，起減震保護作用。腿部系統(tǒng)采用結構穩(wěn)定的四連桿，有增設雙級減震環(huán)節(jié)，增加了腿部運動的穩(wěn)定性和流暢性。
[0012]球殼弧片安裝在小腿的小腿支桿隨支桿上下運動，避免在彈簧壓縮時弧片發(fā)生變形甚至損壞。當腿部收回到球殼里時小腿上的弧片正好嵌入下部球殼中，使下部變?yōu)橥暾南掳肭颍@時的下部結構更為緊湊。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0014](I)上部折疊機架為單自由度，結構可靠性高。
[0015](2)機架折疊時，旋翼能在旋翼擋板的反作用下自適應調(diào)整角度。折疊到位后，四旋翼呈正方形布置，大大縮小了機架整體的幾何尺寸。
[0016](3)限位扣通過限制平行四邊形連桿的位置，達到折疊、展開兩種工況雙限位的目的。
[0017](4)利用曲柄滑塊機構驅(qū)動上半球殼上下移動，相對絲杠滑臺機構重量輕盈，結構簡單，易于控制。
[0018](5)下部使用四連桿式的足部結構，四連桿結構具有很好的穩(wěn)定，增加了足部結構的強度和剛度，四連桿結構的使用方便了腿部收回，增設雙級減震環(huán)節(jié)，增加機身整體的穩(wěn)定性，同時可以當做飛行起落架，腿部收回后下部為完整的半球殼，降低飛行時的阻力，同時增加了結構的穩(wěn)定性。
[0019](6)總體結構采用中心對稱性設計，結構緊湊而有條理，通過變胞可縮到一個完整的球殼里也可根據(jù)要求變?yōu)榭諚蜿憲珷顟B(tài)，變換簡單，操縱靈活。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]附圖1為陸空兩棲球形變胞機器人的整體示意圖；
[0021]附圖2為陸空兩棲球形變胞機器人的整體無外殼示意圖；
[0022]附圖3為陸空兩棲球形變胞機器人的空棲圖；
[0023]附圖4為陸空兩棲球形變胞機器人的折疊機架折疊示意圖；
[0024]附圖5為陸空兩棲球形變胞機器人的折疊機架展開示意圖；
[0025]附圖6為陸空兩棲球形變胞機器人的平行四邊形機構示意圖；
[0026]附圖7為陸空兩棲球形變胞機器人的上半球殼運動機構示意圖；
[0027]附圖8為陸空兩棲球形變胞機器人的陸棲圖；
[0028]附圖9為陸空兩棲球形變胞機器人的下部系統(tǒng)細節(jié)示意圖；
[0029]附圖10為陸空兩棲球形變胞機器人的四條腿分布示意圖；
[0030]附圖11為陸空兩棲球形變胞機器人的單條腿結構示意圖；
[0031]附圖12為陸空兩棲球形變胞機器人的帶有彈性阻尼環(huán)節(jié)的類活塞機構細節(jié)示意圖；
[0032]附圖13為陸空兩棲球形變胞機器人的減震小腿示意圖；
[0033]附圖14為陸空兩棲球形變胞機器人的未變形狀態(tài)圖；
[0034]附圖中:I—旋翼，2—電機，3—電機座，4一方管，5—連接件，6—上中心板，7—下中心板，8—端蓋，9一長套筒，10—長鋼軸，11一連桿_1，12一曲柄上盤，13一曲柄中盤，14一曲柄下盤，15一短套筒，16一短鋼軸，17一蝸輪蝸桿減速電機，18一旋翼擋板，19一限位扣，20—舵機架，21—曲柄，22—連桿-2，23—滑塊，24—舵機，25—鎖緊柱，26—連接板，27一上球殼，28—支撐架，29—航盤，30—航機，31—航機架，32—支撐柱，33—拉板，34—左套筒，35—右套筒，36—彈簧，37—拉桿，38—凸頭連桿，39—U形連桿，40—A形連桿，41 一F形連桿，42—彈簧，43—小腿支桿，44 一錐形桿，45—球殼弧片，46—下半球殼。

【具體實施方式】
[0035]附圖6為陸空兩棲球形變胞機器人的平行四邊形機構示意圖。主要包括曲柄、連桿、支撐臂。其中曲柄由短鋼軸(16)將曲柄上盤(12)、曲柄中盤(13)、曲柄下盤(14)連接，并使用短套筒(15)對連桿-1 (11)定位。
[0036]附圖4為陸空兩棲球形變胞機器人的折疊機架折疊示意圖。支撐臂由連接件(5)、方管(4)、電機座(3)組成。連接件(5)上的軸和上中心板￠)、下中心板(7)的孔組成轉動副。連接件(5)上固定有端蓋(8)，防止其軸脫出。電機(2)固定在電機座(3)上。連接件(5)通過長鋼軸(10)與連桿-1 (11)形成轉動副，通過長套筒(9)對連桿-1 (11)定位。在上中心板(6)上固定有旋翼擋板(18)，能固定旋翼在機架折疊時的姿態(tài)。上、下中心板件固定有限位扣(19)，通過對連桿-1 (II)的限位來實現(xiàn)對支撐臂的限位。整套機構由蝸輪蝸桿減速電機(17)驅(qū)動，利用電機本身的自鎖特性使支撐臂到位后鎖死。
[0037]附圖7為陸空兩棲球形變胞機器人的上半球殼運動機構示意圖。舵機(24)固定在舵機架(20)上，驅(qū)動曲柄(21)、連桿-2 (22)，進而帶動滑塊(23)上下運動。上半球殼(27)與滑塊(23)固連，通過該曲柄滑塊機構實現(xiàn)上下移動。
[0038]附圖2為陸空兩棲球形變胞機器人的整體無外殼設計示意圖。上下兩部分通過連接板(26)相連接。
[0039]附圖12為陸空兩棲球形變胞機器人的帶有彈性阻尼環(huán)節(jié)的類活塞機構細節(jié)示意圖。彈簧(36)套在拉桿(37)上，靠近圓盤一端，左右半套筒(34、35)拼合起來將彈簧包在套筒中，并使拉桿的圓盤端貼近套筒一端，并使彈簧處于壓縮狀態(tài)，然后將凸頭連桿(38)擰到拉桿(37)。
[0040]附圖13為陸空兩棲球形變胞機器人的減震小腿示意圖。小腿支桿(43)穿過F形連桿(41)的中心孔，彈簧(42)套在小腿支桿(43)上，然后固定在錐形桿(44)上，起到減震作用。
[0041]附圖11為陸空兩棲球形變胞機器人的單條腿結構示意圖。單條腿中的腿部系統(tǒng)由大腿驅(qū)動單元、帶有彈性阻尼環(huán)節(jié)的類活塞機構、舵機轉臂、減震小腿組成，然后通過舵盤(29)連接在支撐架(28)上，支撐柱(32)支撐舵機架，保證腿部系統(tǒng)能夠水平轉動。舵機架(31)承載上下2個舵機(30)，靠上的舵機轉動，控制整條腿水平轉動，下面的舵機轉動控制腿部升降，拉板(37)固定在上側舵機的耳朵上面，與帶有彈性阻尼環(huán)節(jié)的類活塞機構連接。U形連桿(39)的一端與舵機的雙輸出軸連接，另一端與A形桿(40)的A字端連接，A形連桿的另一端連接減震小腿，保證腿部強度和剛度。球殼弧片(45)上通過螺絲連接到小腿支桿(43)和錐形桿(44)上。
[0042]附圖10為陸空兩棲球形變胞機器人的四條腿分布示意圖。每條腿中心對稱連接到支撐架(28)上。
【權利要求】
1.一種基于變胞原理的陸空兩棲球形變胞機器人，其特征在于飛行模塊使用機架能自主折疊的四軸飛行器，行走模塊采用8自由度四足機器人，并將兩模塊通過連接板(26)緊固。外包球殼。上半球殼通過上半球殼運動機構驅(qū)動球殼上下運動。
2.根據(jù)權利要求1，陸空兩棲球形變胞機器人，其特征在于四軸飛行器折疊機架的設計，采用四套對稱布置的平行四邊形機構，以蝸輪蝸桿減速電機(17)為原動機，驅(qū)動機構運動進而驅(qū)動支撐臂折疊和展開。
3.根據(jù)權利要求1，陸空兩棲球形變胞機器人，其特征在于上半球殼運動機構采用曲柄滑塊機構，結構簡單，控制靈活。
4.根據(jù)權利要求1，陸空兩棲球形變胞機器人，其特征在于支撐架(28)設計為十字雙圓盤結構。為實現(xiàn)支撐架與兩模塊連接構件、下部構件的穩(wěn)固連接，設計了雙圓盤結構，增加支撐架與構件的接觸面積。中部支架橫截面為十字，保證其能夠支撐上部構件，并減小空中機動過程中由于下部慣性使支架受到較大的剪力和彎矩的影響。
5.根據(jù)權利要求1，陸空兩棲球形變胞機器人，其特征在于帶有彈性阻尼環(huán)節(jié)的類活塞機構中，拉桿(37)為一段帶有大半徑圓盤的空心圓柱，彈簧(36)套在拉桿上面，靠近圓盤一端，左右半套筒(34、35)拼合起來將彈簧包在套筒中，并使彈簧處于壓縮狀態(tài)，同時使圓盤緊貼套筒靠近舵機架(31) —端，該機構安裝方便，使用時完全是其自適應改變長度，無需驅(qū)動與控制。
6.根據(jù)權利要求1，陸空兩棲球形變胞機器人，其特征在于小腿支桿(43)穿過F形連桿(41)的中心孔，彈簧(42)套在小腿支桿上，然后固定在錐形桿(44)上，起到減震作用。
7.根據(jù)權利要求1，陸空兩棲球形變胞機器人，其特征在于，球殼弧片(45)安裝在小腿支桿和錐形桿上，球殼弧片上側通過自攻螺釘固定在小腿支桿上端，弧片下側通過自攻螺釘固定錐形桿上在隨支桿上下運動，避免在彈簧壓縮時弧片發(fā)生變形甚至損壞。
8.根據(jù)權利要求1，2，3，陸空兩棲球形變胞機器人，設計了機器人飛行模塊，其特征在于由蝸輪蝸桿電機驅(qū)動的對稱布置的四套連桿機構，實現(xiàn)機架自主折疊，以適應機器人在球形未變形狀態(tài)、陸棲狀態(tài)以及空棲狀態(tài)下對其結構的不同要求。
9.根據(jù)權利要求1，4，5，6，7，陸空兩棲球形變胞機器人，設計了機器人行走模塊，其特征在于設計了基于彈性阻尼作用的變長搖桿的四連桿式四足行走裝置，減少機身重量又使得機器人穩(wěn)定行走，增設雙級減震環(huán)節(jié)，增加機身整體的穩(wěn)定性，同時可以當做飛行起落架，腿部收回后下部為完整的半球殼，降低飛行時的阻力，同時增加了結構的穩(wěn)定性。
【文檔編號】B60F5/00GK104260605SQ201410546977
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月16日 優(yōu)先權日:2014年10月16日
【發(fā)明者】羅慶生, 高楓, 孫澤源, 劉弘揚, 盧宛萱, 馬紅濤, 馮雪貝 申請人:北京理工大學