水陆空三栖类轮式移动机器人的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种水陆空三栖类轮式移动机器人，包括机体，其特征在于，在机体的左右两侧设有对称布置的类轮结构，在机体上设有左右对称布置的旋翼；每个旋翼均由一电机驱动，电机安装在机体上，同侧相邻设置的两个旋翼的旋向相反，异侧相邻设置的两个旋翼的旋向相同；每个类轮结构均安装在一驱动轴上，驱动轴安装在机体上；类轮结构设有套装在对应驱动轴上的轮轴座、周向均布固定在轮轴座上的3～5个轮辐和对应固定在每个轮辐外端的轮缘段，相邻的两个轮缘段之间设有跨距；所有轮辐采用螺旋桨桨叶结构。本发明结构简单紧凑，机动性能好，可快速行进于较为崎岖的路面，可低空飞越难以攀越的障碍物，还可游动前行于河流、湖泊等涉水环境。
【专利说明】水陆空三栖类轮式移动机器人
【技术领域】
[0001]本发明涉及移动机器人领域，具体是一种具有水陆空三栖越障能力的类轮式移动机器人。
【背景技术】
[0002]移动机器人因具有较强的环境适应与感知、动态决策与规划、行为控制与执行等能力而在军事侦察、扫雷排险、防核化污染等危险与恶劣环境以及民用物料搬运等领域具有广泛的应用前景。目前，移动机器人主要有轮式、履带式、腿式、蠕动式、跳跃式和复合式六大类。
[0003]轮式移动机器人的速度快、效率高、运动噪声低，但其地形适应能力差，对崎岖度大的复杂地形无能为力，基本无越障能力。如申请号为201110177875.5名称为“一种全方位轮式移动机器人”的发明专利，使车轮轮体呈空心结构并放置轴向旋转电机，通过改变车轮的旋转方向使移动机器人实现3自由度全方位回转，然而该移动机器人只适用于平坦地面，无法应对崎岖地形，更无越障能力。
[0004]履带式移动机器人越障能力与地形适应能力强，履带与地面接触面积大，运动较平稳，但缺陷是移动速度相对较小、效率低、机动性差，不能处理高度落差较大的地形，且崎岖地面对履带磨损较大。如申请号为201010535194.7名称为“机器人履带运动模块”的发明专利，采用齿向向外的同步带作为履带，具备转弯和障碍检测功能，但在越障过程中同步带易磨损甚至磨断，寿命低。
[0005]腿式移动机器人虽然能够适应复杂地形、机动性及能效性高，但由于其结构自由度多、机构复杂，导致控制困难、移动速度慢、功耗大。如申请号为200580001117.0名称为“腿式移动机器人”的发明专利，在脚部设置地面反作用力探测器及弹簧构件以减小惯性力和高速运动时的冲击影响，然而机器人结构与控制系统复杂，成本增加。
[0006]蛇行式和跳跃式移动机器人在复杂环境适应性方面具有优越性，但其承载能力较差，运动平稳性不高。如申请号为201210041454.4名称为“一种多功能蛇形机器人”的发明专利，具有跨越沟槽与台阶、攀爬杆等功能，地形适应能力较强，然而该机器人由多个基本节通过具有三转动能力的接头连接而成，结构较为复杂，越障时由接头转动抬起基本节，需要较大的转动力矩，承载能力与运动稳定性较差。
[0007]复合式移动机器人由上述五类移动机器人组合而成，如复合轮式、轮-腿式、轮-腿-履带式等。复合式移动机器人虽结合了各类机器人的优势，但也继承了各类机器人的缺陷，结构与控制复杂。如申请号为201310205386.5名称为“一种可跳跃的移动机器人”的发明专利，将轮式与跳跃式移动机器人组合，通过自平衡系统控制轮式移动装置的平移运动，由锁定释放装置控制跳跃机构的跳跃运动，为了应对机器人本体跳跃落地时的冲击还设置了落地缓冲和姿态调整机构，导致机器人结构复杂，各机构间的协调控制难度增大。
[0008]经过对比发现，上述六类移动机器人中，轮式移动机器人虽然越障能力不强，但由于其具有自重轻、承载大、机构简单、驱动与控制方便、行走速度快、机动性好及工作效率高等诸多优点，应用最为广泛。如何结合轮式移动机器人的优势，提高其越障能力成为移动机器人研究的一个新方向。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于克服现有移动机器人的不足，结合轮式移动机器人的优势，提供一种具有移动、飞行、渡水三种运动功能，越障能力较强的类轮式移动机器人。
[0010]本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:一种水陆空三栖类轮式移动机器人，包括机体，在所述机体的左右两侧设有对称布置的类轮结构，在所述机体上设有左右对称布置的旋翼；
[0011]每个所述旋翼均由一电机驱动，所述电机安装在所述机体上，同侧相邻设置的两个所述旋翼的旋向相反，异侧相邻设置的两个所述旋翼的旋向相同；
[0012]每个所述类轮结构均安装在一驱动轴上，所述驱动轴安装在所述机体上；所述类轮结构设有套装在对应所述驱动轴上的轮轴座、周向均布固定在所述轮轴座上的3?5个轮辐和对应固定在每个所述轮辐外端的轮缘段，相邻的两个所述轮缘段之间设有跨距；所有所述轮辐采用螺旋桨桨叶结构。
[0013]在行进过程中，至少有三个不同侧的所述轮缘段与地面接触。
[0014]所述轮缘段上设有凹凸不平的花纹。
[0015]本发明具有的优点和积极效果是:
[0016]I)越障能力强；类轮式结构的轮缘段为同一圆周的对称弧段，具有轮式装置灵活快速实现平面内的直线移动与转弯的能力，轮缘段间存在跨距，可越过正常车轮无法跨越的障碍。
[0017]2)复杂路况适应性高；若地形崎岖度大，仅靠类轮结构无法攀越，旋翼装置可通过气流作用为移动机器人提供升力，实现飞行越障，若遇到河流、湖泊等涉水环境，旋翼装置可通过水流作用为移动机器人提供升力，类轮式装置通过轮辐旋转为移动机器人提供前进推力。
[0018]3)结构简单，机动性好；若行进过程移动机器人不慎失稳，对称布置结构可保证其机体180°翻转后仍可继续前行。
[0019]综上，本发明结构简单紧凑，机动性能好，可快速行进于较为崎岖的路面，可低空飞越难以攀越的障碍物，还可游动前行于河流、湖泊等涉水环境。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明水陆空三栖类轮式移动机器人的整体结构图；
[0021]图2是图1的俯视图；
[0022]图3是本发明的类轮结构示意图。
[0023]图中:101-机体、102-第一旋翼、103-第二旋翼、104-第三旋翼、105-第四旋翼、106-第一电机、107-第二电机、108-第三电机、109-第四电机、201-第一类轮结构、202-第二类轮结构、203-第三类轮结构、204-第四类轮结构、205-第五类轮结构、206-第六类轮结构、207-轮轴座、208-轮辐、209-轮缘。【具体实施方式】
[0024]为能进一步了解本发明的
【发明内容】
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下:
[0025]请参阅图1?图3，本发明一种水陆空三栖类轮式移动机器人，包括机体101，在机体101的左右两侧设有对称布置的类轮结构，在机体101上设有左右对称布置的旋翼；每个旋翼均由一电机驱动，电机安装在机体101上，同侧相邻设置的两个旋翼的旋向相反，异侧相邻设置的两个旋翼的旋向相同；每个类轮结构均安装在一驱动轴上，驱动轴安装在机体101上；类轮结构设有套装在对应驱动轴上的轮轴座207、周向均布固定在轮轴座207上的3?5个轮辐208和对应固定在每个轮辐208外端的轮缘段209，相邻的两个轮缘段209之间设有跨距；所有轮辐208采用螺旋桨桨叶结构。
[0026]本发明的移动机器人结构对称，若行进过程不慎翻转仍可按该翻转后的形态继续
、产.、rr.目U进。
[0027]下面结合每一幅图对本发明的实施例做进一步说明:
[0028]请参阅图1?图3，一种水陆空三栖类轮式移动机器人，在本实施例中，类轮结构有6个，分别为:第一类轮结构201、第二类轮结构202、第三类轮结构203、第四类轮结构204、第五类轮结构205和第六类轮结构206，旋翼有4个，分别为: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分别由第一电机106、第二电机107、第三电机108和第四电机109驱动。机体101内部包含运动控制计算器，机体101设有外部设备和感知探测设备等装置，主要作用为探知环境及地形状况、传输信号和给定指令等。第一电机106、第二电机107、第三电机108和第四电机109对称安装在机体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，具有相同的结构尺寸。如图2所示，第一电机106驱动第一旋翼102逆时针旋转，第三电机108驱动第三旋翼104逆时针旋转，第一旋翼102和第三旋翼104均为右旋设置；第二电机107驱动第二旋翼103顺时针旋转，第四电机109驱动第四旋翼105顺时针旋转，第二旋翼103和第四旋翼105均为左旋设置。反之，第一旋翼102和第三旋翼104为左旋设置时,第一电机106的电机轴和第三电机108的电机轴顺时针旋转,第二旋翼103和第四旋翼105为右旋设置时，第二电机107的电机轴和第四电机109的电机轴逆时针旋转。
[0029]第一旋翼102、第二旋翼103、第三旋翼104和第四旋翼105的旋转为移动机器人提供飞行或渡水所需升力，调节第一电机106、第二电机107、第三电机108和第四电机109改变旋翼的转速，可实现升力的变化，从而控制移动机器人在空中或水中的位置和姿态。
[0030]请参见图1，第一类轮结构201、第二类轮结构202和第三类轮结构203安装于机体101的同一侧，第四类轮结构204、第五类轮结构205和第六类轮结构206安装于机体101的另一侧，与第三类轮结构203、第二类轮结构202和第一类轮结构201对称分布。
[0031]第一类轮结构201、第二类轮结构202、第三类轮结构203、第四类轮结构204、第五类轮结构205和第六类轮结构206具有相同的结构尺寸。如图3所示，类轮结构均包括轮轴座207、轮辐208和轮缘段209。轮轴座207在驱动轴及其驱动装置的驱动下，可相对于机体101转动；在轮轴座207的外圆面上周向对称安装三至五个轮辐208，每一轮辐208的外端固定安装轮缘段209，轮缘段209呈圆弧形，如图3虚线所示，同一类轮结构的轮缘段为同一圆周上的弧段，轮缘段209可以采用压花等工艺手段在外侧形成凹凸不平的花纹以增大摩擦系数，防止类轮结构在陆地上移动时打滑；轮辐208采用螺旋桨桨叶结构，如图1所示，六个类轮结构均为右旋设置，也可采用一侧类轮结构左旋设置而另一侧为右旋设置等形式。
[0032]上述水陆空三栖类轮式移动机器人可根据地形的不同状况，采取不同的越障形式,主要有移动、飞行、渡水三种运动功能。
[0033]在陆地上行进时，旋翼不起作用，仅靠类轮结构实现平面移动功能。类轮结构的轮缘段209与地面接触，轮缘段209呈圆弧形且同一类轮结构的轮缘段为同一圆周上的弧段，故类轮结构可产生与正常车轮一致的滚动前进模式，如图2所示，本实施的移动机器人行进方向为A方向。调节六个类轮结构的速度，可实现与正常轮式装置一致的差动转弯功能。同一类轮结构的轮缘段209存在跨距，可跨越正常轮式装置无法攀越的障碍。六个类轮结构均包括三至五个轮辐208,调节六个类轮结构的轮辐208的相位,使六个类轮结构的轮缘段209接触地面的时间存在差异，保证行进过程中至少有三个不同侧的类轮结构与地面接触，防止移动机器人失稳，增强其平面移动的稳定性。
[0034]若安装于机体101内的感知探测设备观测到前方出现类轮结构无法攀越的障碍，启动旋翼，停止类轮结构的移动。旋翼在空气中旋转时，由气流作用产生与电机轴线方向平行的升力以及阻止旋翼旋转的力矩，由该升力带动移动机器人飞行越过障碍，移动机器人平衡飞行时，陀螺效应与空气动力扭矩效应均被抵消，且旋翼旋转对机体101的反扭矩得到平衡。
[0035]调节第一电机106、第二电机107、第三电机108和第四电机109的转速改变对应旋翼转速，升力随之变化，从而控制移动机器人的飞行姿态和位置。
[0036]若安装于机体101内的感知探测设备观测到前方出现河流、湖泊等涉水环境，同时启动旋翼和类轮结构。四个旋翼结构仍按空中飞行模式启动，通过水流作用为移动机器人提供浮力。由于类轮结构的轮辐208呈螺旋桨桨叶式结构，六个类轮结构的轮辐208在水中旋转，由水流作用产生与轮轴座207轴线方向平行的分力以及阻止类轮结构旋转的力矩，与轮轴座207轴线方向平行的分力作为推进力使移动机器人游动于水中，如图2所示，六个类轮结构旋向设置均一致时，当六个类轮结构均顺时针或逆时针旋转，移动机器人在推进力的作用下沿图2所示B方向游动前行，游动的B方向与行进的A方向垂直。调节旋翼结构或六个类轮结构的旋转速度，可实现水中转弯等游行姿态调整。
[0037]值得注意的是，上述运动形式的描述仅仅是示意性的，旋翼与类轮结构单独作用或通过不同组合方式共同作用，可实现移动机器人在空中与水中的不同运动形态，所以，本发明的实施方式并不局限于上述的【具体实施方式】。类轮结构的个数、不同结构的类轮结构或类轮结构的不同安装形式都会导致具体运动实现方式的差异，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，做出其他变化或变型，均属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种水陆空三栖类轮式移动机器人，包括机体，其特征在于，在所述机体的左右两侧设有对称布置的类轮结构，在所述机体上设有左右对称布置的旋翼； 每个所述旋翼均由一电机驱动，所述电机安装在所述机体上，同侧相邻设置的两个所述旋翼的旋向相反，异侧相邻设置的两个所述旋翼的旋向相同； 每个所述类轮结构均安装在一驱动轴上，所述驱动轴安装在所述机体上；所述类轮结构设有套装在对应所述驱动轴上的轮轴座、周向均布固定在所述轮轴座上的3?5个轮辐和对应固定在每个所述轮辐外端的轮缘段，相邻的两个所述轮缘段之间设有跨距；所有所述轮辐采用螺旋桨桨叶结构。
2.根据权利要求1所述的水陆空三栖类轮式移动机器人，其特征在于，在行进过程中，至少有三个不同侧的所述轮缘段与地面接触。
3.根据权利要求1所述的水陆空三栖类轮式移动机器人，其特征在于，所述轮缘段上设有凹凸不平的花纹。
【文档编号】B60F5/00GK103522855SQ201310513176
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】孙涛, 宋轶民, 高 浩, 梁栋, 连宾宾 申请人:天津大学