[发明专利]一种基于变胞原理的陆空两栖球形变胞机器人

说明书

技术领域

本发明属于陆空两栖机器人技术领域，具体涉及一种能够通过变换结构实现陆栖和空栖运动的机器人的结构设计和器件。 

背景技术：

传统机器人的履带式、轮式以及足式移动方式已获得广泛的应用，而随着对机器人环境适应性的要求的不断提高，能够实现陆空两栖之间快速转换，具有普通机器人平台所不能比拟的机动性能的陆空两栖机器人将获得更良好的发展前景。目前一款较为简单新颖的陆空两栖无人平台，就是来自伊利诺理工大学的机器人实验室混合型陆地空中飞行器(HybridTerrestrial and Aeria Quadrotor，HyTAQ)。HyTAQ内部是四旋翼飞行器，外面由一层罩子包裹，这就使飞行器体积较大，携带不便。其外层的笼罩除了起到保护内部的作用，实际上还扮演着陆行轮子的作用。然而陆地运动的实现是通过四旋翼飞行器侧飞给其提供动力。这种方式下不仅使机器人能够行走的陆地形式有局限，还易受环境的影响，如大风、降雨。因而急需一种能够体积小、两栖独立运动、抗干扰能力强的的陆空两栖机器人。因此我们设计了一种基于变胞原理，以球形为基本形态、通过变换自由度实现两栖运动的的陆空两栖机器人。 

发明内容

本发明内容设计了一种基于变胞原理，以球形为基本形态的陆空两栖机器人平台。该机器人系统采用模块化设计，可实现两种状态的转换。第一模块为四足机器人，利用相关机械设计知识设计合适的机器人腿部的运动机构，采用四连杆机构使每条腿所需的驱动舵机的数量减少为两个，但由于减少腿部运动自由度所引起的足部轨迹不封闭对机器人地面机动性能带来了不利影响，我们设计了可拆卸组合的具有弹性阻尼环节以削弱这一影响。第二模块为四旋翼飞行器，设计了由蜗轮蜗杆减速电机驱动的对称布置的四套连杆机构，实现了机架结构的变化，以适应机器人在球形未变形状态、陆栖状态以及空栖状态下对其结构的不同要求。该机器人具有体积小、结构布局合理、外形简约美观、运动性能突出、控制简单高效、抗扰能力强大等特点。 

技术实现： 

为了实现上述发明目的，我们基于变胞原理，设计了陆空两栖球形变胞机器人。陆空两栖球形变胞机器人上部飞行系统、下部行走系统组成。 

上部飞行系统由四轴飞行器折叠机架、上半球壳运动机构组成。 

四轴飞行器折叠机架主要由中心板、平行四边形机构、中心蜗轮蜗杆减速电机、支撑臂组成。折叠机架系统能在中心电机的驱动下完成机架的折叠与展开。在此基础上加入旋翼挡板和限位扣，使得机架折叠后能最大限度地缩小其几何尺寸，保证其能容纳到上半球壳中。展开到位后，利用蜗轮蜗杆减速电机本身的断电自锁特性，能使支撑臂稳定于工作位置，保证飞行的可靠性。机架的折叠与展开通过蜗轮蜗杆减速电机驱动四套对称布置的平行四边形机构进而驱动支撑臂摆动实现。平行四边形机构全程无运动不确定位置，保证了变胞的稳定性。 

上半球壳运动机构用于上部变胞时，球壳让位于四轴飞行器机架。当机器人准备起飞时，上半球壳向上运动，让位于折叠机架，使支撑臂顺利摆出。到位后，上半球壳向下运动，直至与下半球壳贴合。球壳周围对称挖槽，当球壳合上时，支撑臂恰好位于槽中，避免干涉，并有效利用空间。驱动球壳上下运动的机构为曲柄滑块机构，由SG-90舵机驱动。该机构布置与折叠机架中心，蜗轮蜗杆减速电机上方。 

下部行走系统由支撑架、腿部系统、球壳组成。 

其中支撑架在整个机器人中起着中流砥柱的作用。支撑架处于中心地位，是整个机器人的机身，因此支撑架设计为十字双圆盘结构，四条腿中心对称布置在上圆盘的下表面上，上部飞行系统固定在上圆盘的上表面，整个支持架通过下圆盘固定在中空的球壳里，使得机器人浑然一体，结构紧凑。