CN112937235B - 一种具备爬楼、跳跃功能的路空两用无人机及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备爬楼、跳跃功能的路空两用无人机及其运行方法。其包括机体和六根变形支臂。六根变形支臂的内端均安装在机体的边缘处。所述变形支臂包括内臂、中臂组件、外臂和陆空两用动力组件。内臂、中臂组件、外臂由内至外依次连接，且相互之间能够在动力元件的驱动下转动。陆空两用动力组件安装在外臂的外端。外臂包括第一外臂支架与第二外臂支架。外臂上安装有外臂伸缩驱动组件。外臂伸缩驱动组件包括伸缩驱动组件、伸缩锁止组件和减震组件。陆空两用动力组件包括底座、主轴、主轴驱动组件、飞行组件和陆地组件。本发明通过变形支臂的变形以及离合组件的通断，能够切换为飞行模式、行走功能模式和爬楼越障模式，具有很强的地形通过能力。

Description

一种具备爬楼、跳跃功能的路空两用无人机及其运行方法

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种具备爬楼、跳跃功能的路空两用无人机及其运行方法。

背景技术

目前，市场上的旋翼飞行器类型主要包括固定翼飞行器、多旋翼飞行器和一些传统的多旋翼飞行器大多采用固定桨距的螺旋桨，通过调节螺旋桨的转速产生不同的反扭力矩和拉力来控制飞行姿态的平衡。其中的路空两用无人机功能相比较而言更多，但传统的路空两用无人机大多数为简单的行走功能加上飞行功能，功能单一，特别是面对地形复杂多变的环境中无法正常使用，不能够稳定，局限性也大，不能应用于多种场合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具备爬楼、跳跃功能的路空两用无人机及其运行方法。

本发明一种具备爬楼、跳跃功能的路空两用无人机，包括机体和六根变形支臂。六根变形支臂的内端均安装在机体的边缘处。所述变形支臂包括内臂、中臂组件、外臂和陆空两用动力组件。内臂、中臂组件、外臂由内至外依次连接，且相互之间能够在动力元件的驱动下转动。陆空两用动力组件安装在外臂的外端。

所述的陆空两用动力组件包括底座、主轴、主轴驱动组件、飞行组件和陆地组件。主轴支承在底座上；主轴的轴线与第四转动副的公共轴线垂直。主轴由主轴驱动组件驱动旋转。所述的飞行组件安装在主轴的外端；飞行组件上设置有螺旋桨。

所述的陆地组件包括车轮、上台阶辅助组件和离合组件。车轮固定在主轴上。上台阶辅助组件和离合组件位于车轮与底座之间。上台阶辅助组件包括弹性条和套筒。套筒套置在主轴上。弹性条的内端与套筒的外侧面固定。弹性条弯曲设置，且外凸侧面上设置有多个防滑凸块。所述的套筒与主轴通过离合组件连接。套筒与主轴之间设置有摩擦锁定组件包括摩擦环和摩擦杆。摩擦环固定在套筒靠近底座的端部。摩擦杆的一端与底座固定，另一端与摩擦环位置对应。

作为优选，所述的上台阶辅助组件还包括拉绳和收卷组件。拉绳的外端与弹性条的外端固定。拉绳的内端连接到收卷组件。所述的收卷组件包括收卷电机、收卷辊、收卷主动齿轮和收卷从动齿轮。收卷电机固定在套筒的侧面上。收卷辊支承在套筒的侧面上；拉绳的内端缠绕固定在收卷辊上。收卷主动齿轮、收卷从动齿轮与收卷电机、收卷辊分别固定。收卷主动齿轮采用不完全齿轮。收卷主动齿轮与收卷从动齿轮啮合。

作为优选，所述的离合组件包括第一离合爪、第二离合爪、第一环形拉盘、第二环形拉盘、形状记忆合金条和复位弹簧。第一离合爪与主轴固定。第二离合爪与套筒的端部固定。第一离合爪与第二离合爪的相对侧面上设置有相互匹配的锁合齿。所述的第一环形拉盘套置在套筒上。第二环形拉盘套置在主轴上。第一离合爪与第二离合爪位于第一环形拉盘与第二环形拉盘之间。第一环形拉盘与第二环形拉盘相对侧面之间设置有多个复位弹簧和多根形状记忆合金条。当形状记忆合金条通电时缩短，第一离合爪与第二离合爪对接，摩擦杆与摩擦环分离。当形状记忆合金条断电时，第一离合爪与第二离合爪分离，摩擦杆与摩擦环接触。

作为优选，所述的内臂与机体的边缘处构成第一转动副。内臂由内臂驱动组件驱动旋转。中臂组件包括第一中臂支架与第二中臂支架。第一中臂支架的内端与内臂的外端构成第二转动副；第二中臂支架的内端与第一中臂支架的外端构成第三转动副。外臂的内端与第二中臂支架的外端构成第四转动副。外臂由外臂旋转驱动组件驱动旋转。第二转动副的公共轴线与第一转动副的公共轴线垂直相交。第三转动副的公共轴线与第二转动副的公共轴线垂直相交。第四转动副的公共轴线与第三转动副的公共轴线垂直相交。所述变形支臂还包括中臂驱动组件。所述的中臂驱动组件包括翻转驱动组件和旋转驱动组件。翻转驱动组件驱动第一中臂支架转动旋转驱动组件驱动第二中臂支架转动。

作为优选，所述的锁止条与伸缩架之间设置有扭簧。该扭簧为锁止条提供远离锁止槽的弹力。

作为优选，所述的伸缩驱动组件包括第五电机和凸轮。所述的伸缩架呈矩形框状；凸轮支承在第一外臂支架上，且位于伸缩架内。凸轮的工作轮廓呈莱洛三角形。伸缩架在滑动方向上的两个侧面均与凸轮接触。所述的凸轮由第五电机驱动旋转。

作为优选，所述的主轴驱动组件包括主轴动力电机和主轴传动齿轮。主轴动力电机固定在底座上；两个主轴传动齿轮与主轴动力电机的输出轴、主轴分别固定。两个主轴传动齿轮啮合。

作为优选，所述的飞行组件包括桨叶安装块、旋翼转向电机、旋翼动力电机、第一转向锥齿、第二转向锥齿和螺旋桨。桨叶安装块与主轴的外端转动连接。第一转向锥齿、第二转向锥齿与主轴的顶端、桨叶安装块分别固定；.第一转向锥齿与第二转向锥齿啮合。旋翼转向电机固定在桨叶安装块，且输出轴与第二转向锥齿固定。旋翼动力电机固定在桨叶安装块的外端，且输出轴与螺旋桨固定。

作为优选，所述的外臂包括第一外臂支架与第二外臂支架。第一外臂支架与第二外臂支架构成滑动方向平行于第四转动副公共轴线的滑动副。外臂上安装有外臂伸缩驱动组件。外臂伸缩驱动组件包括伸缩驱动组件、伸缩锁止组件和减震组件。第一外臂支架上滑动连接有伸缩架。伸缩驱动组件驱动伸缩架进行滑动。所述的减震组件包括弹簧挡板和缓震弹簧。弹簧挡板固定在伸缩架的外侧。第二外臂支架的内端固定有锁止板。锁止板与弹簧挡板之间设置有一根或多根缓震弹簧。

所述的伸缩锁止组件包括第六电机、锁止条和旋压块。锁止条的一端与伸缩架的外侧铰接。锁止板上开设有锁止槽。锁止条朝向锁止槽的侧面上开设有依次排列的多个锁止齿。旋压块支承在第一外臂支架上。旋压块抵住锁止条。旋压块转动能够带动锁止条上的锁止齿挤压锁止板上的锁止槽，实现伸缩架与第二外臂支架的固连；旋压块由第六电机驱动旋转。

作为优选，该具备爬楼、跳跃功能的路空两用无人机具有飞行模式、行走模式和爬楼越障模式；飞行模式下，内臂、中臂组件、外臂伸至水平状态，且使得陆空两用动力组件内的螺旋桨朝上设置。伸缩锁止组件将伸缩架与第二外臂支架锁定。

行走模式下，内臂、中臂组件、外臂转动至陆空两用动力组件内的车轮轴线水平的状态；且六个车轮形成前、中、后三对车轮。伸缩锁止组件解除伸缩架与第二外臂支架之间的锁定，使得减震组件能够起到减震的效果。离合组件将主轴与套筒分离。

爬楼越障模式下，在行走模式的基础上，收卷组件将弹性条释放出来；离合组件将主轴与套筒接合。使得离合组件将主轴与套筒分离。随着车轮一同转动。

该具备爬楼、跳跃功能的路空两用无人机的运行方法，包括飞行方法、行走方法和爬楼越障方法。

所述的飞行方法具体如下：将该路空两用无人机调节至飞行模式；陆空两用动力组件内的螺旋桨旋转，带动该路空两用无人机飞行。

所述的行走方法具体如下：将该路空两用无人机调节至行走模式；各车轮转动，带动该路空两用无人机在地面上行驶。当发生颠簸时，通过减震组件内缓震弹簧的伸缩来进行避震。通过变形支臂2绕水平轴线的翻转来升高或降低重心。

所述的爬楼越障方法具体如下：将该路空两用无人机调节至爬楼越障模式；当弹性条的转动中抵住台阶或障碍物的边缘时，将对该路空两用无人机产生反作用力，使得该路空两用无人机被抬高，实现跨越台阶或障碍物。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明通过变形支臂的变形以及离合组件的通断，能够切换为飞行模式、行走功能模式和爬楼越障模式，具有很强的地形通过能力。

2、本发明外臂具备两种状态，一个是自由的弹性状态，另一个是可伸缩的刚性状态；弹性状态与行走模式对应，能够为各车轮提供避震；刚性状态与飞行模式对应，能够提供刚性良好的飞行支臂。

3、本发明具备行走功能，且爬坡过程中，路空两用的旋翼飞行器进行降低重心、改变重心和增加动力，以避免在爬坡时发生翻倒。

4、本发明弹性条具备两种状态，一个是弹性条弯曲的跳跃状态，另一个是弹性条旋转的爬楼状态。

5、本发明具备爬楼功能，且爬楼过程中，因为弹性条上凸起块均匀分布的间距、可适应不同类型楼梯。

6、本发明桨距长度、桨距角度和螺旋桨位置均可360°无死角的调节，有利于通过桨距调节增强稳定性，增加狭小涵道通过性和空旷地带抗风能力。

附图说明

图1是本发明在飞行模式的结构示意图；

图2是本发明中机体的结构示意图；

图3是本发明中变形支臂的结构示意图；

图4是本发明中外臂的结构示意图；

图5是本发明中功能组件的第一张结构示意图；

图6是本发明中功能组件的第二张结构示意图；

图7是本发明中离合组件的结构示意图；

图8是本发明在飞行模式下进行折叠后的立体图；

图9是本发明在行走模式的结构示意图；

图10是本发明在行走模式下爬坡状态的立体图；

图11是本发明在爬楼越障模式的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，一种具备爬楼、跳跃功能的路空两用无人机，包括机体、变形支臂、控制器和无线模块。所述控制器采用型号为arduino2560的微控制板。控制器和无线模块均安装在机体1内。六根变形支臂的内端均安装在机体1的边缘处，且沿着机体1的周向均布。

如图1、3和4所示，所述变形支臂2包括内臂3、内臂驱动组件4、中臂组件5、中臂驱动组件6、外臂7、外臂驱动组件8和陆空两用动力组件9。内臂3与机体1的边缘处构成第一转动副。中臂组件5包括第一中臂支架5-1与第二中臂支架5-2。第一中臂支架5-1的内端与内臂3的外端构成第二转动副；第二中臂支架5-2的内端与第一中臂支架5-1的外端构成第三转动副。外臂7包括第一外臂支架7-1与第二外臂支架7-2。第一外臂支架7-1的内端与第二中臂支架5-2的外端构成第四转动副。第一外臂支架7-1与第二外臂支架7-2构成滑动方向平行于第四转动副公共轴线的滑动副。第一转动副的公共轴线竖直设置(平行于机体的竖直中心轴线)。第二转动副的公共轴线与第一转动副的公共轴线垂直相交。第三转动副的公共轴线与第二转动副的公共轴线垂直相交。第四转动副的公共轴线与第三转动副的公共轴线垂直相交。陆空两用动力组件9安装在外臂7的外端，用于在底面上作为轮子和在天空中作为螺旋桨。

内臂驱动组件4包括第一电机4-1。第一电机4-1固定在机体1的边缘处，输出轴与内臂3固定，驱动内臂3绕第一转动副转动。

中臂驱动组件6包括翻转驱动组件6-1和旋转驱动组件6-2。翻转驱动组件6-1包括第二电机6-1-1。第二电机6-1-1固定在内臂4的外端，输出轴与第一中臂支架5-1固定，驱动第一中臂支架5-1绕第二转动副转动。旋转驱动组件6-2包括第三电机6-2-1。第三电机6-2-1固定在第一中臂支架5-1的外端，输出轴与中臂外端6固定，驱动第二中臂支架5-2绕第三转动副转动。

外臂驱动组件8包括外臂旋转驱动组件8-1和外臂伸缩驱动组件8-2。外臂旋转驱动组件8-1包括第四电机8-1-1。第四电机8-1-1固定在第二中臂支架5-2的外端，输出轴与第一外臂支架7-1的内端固定，用于驱动外臂7绕第四转动副转动。外臂伸缩驱动组件8-2包括伸缩驱动组件、伸缩锁止组件和减震组件。伸缩驱动组件包括第五电机8-2-1、伸缩架8-2-2、凸轮8-2-3和滑移轴承。

第一外臂支架7-1的两个内侧面上均开设有滑槽。伸缩架8-2-2的两端通过连接杆和滑移轴承与伸缩架8-2-2上的滑槽构成滑动副。

伸缩架8-2-2的主体呈矩形框状；凸轮8-2-3支承在第一外臂支架7-1上，且位于伸缩架8-2-2内。凸轮8-2-3的工作轮廓呈莱洛三角形。伸缩架8-2-2在滑动方向上的两个侧面均与凸轮8-2-3接触。伸缩架8-2-2的上下两侧在任何情况下均不与凸轮8-2-3接触，避免限制凸轮8-2-3的运动。由于莱洛三角形的特点，凸轮8-2-3在任意位置时均能保证接触到伸缩架8-2-2的两侧边缘，从而在不使用弹簧的情况下，随着凸轮的转动实现伸缩架8-2-2前后往复滑动，且不会出现空档。第五电机8-2-1固定在第一外臂支架7-1的内侧，输出轴与凸轮8-2-3固定，驱动凸轮8-2-3转动。

减震组件包括弹簧挡板8-2-5和缓震弹簧8-2-6。弹簧挡板8-2-5固定在伸缩架8-2-2的外侧。外臂支架7-2的内端固定有锁止板8-2-7。多根缓震弹簧8-2-6的一端均与锁止板8-2-7固定，另一端均与弹簧挡板8-2-5固定。伸缩锁止组件包括第六电机、锁止条8-2-4和旋压块8-2-8。锁止条8-2-4的一端与伸缩架8-2-2的外侧铰接。锁止板8-2-7的下侧边缘开设有锁止槽。锁止条8-2-4朝向锁止槽的侧面(即上侧面)上开设有依次排列的多个锁止齿。旋压块8-2-8通过轴承支承在第一外臂支架7-1上。旋压块8-2-8抵住锁止条8-2-4锁止槽所在一侧的背面。第六电机固定在第一外臂支架7-1的外端，输出轴与旋压块8-2-8的一端固定，驱动旋压块8-2-8转动。通过转动旋压块8-2-8能够带动锁止条8-2-4抵住锁止板8-2-7上的锁止槽，从而实现伸缩架8-2-2与外臂支架7-2的锁止固定。减震组件用于在本发明处于地面行驶状态时起到减震悬架的作用，此时伸缩锁止组件解除伸缩架8-2-2与外臂支架7-2之间的锁定。在本发明处于飞行状态时，伸缩锁止组件将伸缩架8-2-2与外臂支架7-2之间锁定，从而保证本发明在飞行中的稳定。

作为一种可选的技术方案，锁止条8-2-4与伸缩架8-2-2之间设置有扭簧。该扭簧为锁止条8-2-4提供远离锁止槽的弹力，从而保证锁止条8-2-4不会在行驶中抖动，造成意外锁止的情况。

外臂伸缩组件具有两个工作状态：第一个工作状态下，第五电机8-2-1和第六电机停止工作，第二外臂支架7-2受外力，在第一外臂支架7-1的滑槽内自由滑动，该状态用于恶劣环境下，保证行走时的平稳；第二个工作状态下，旋压块8-2-8转动，锁止条8-2-4突起处与第二外臂支架7-2的开口接触固定，从而使第一外臂支架7-1和伸缩架8-2-2连接在一起，通过伸缩架8-2-2滑动，能够相对于外臂内侧支架7-1移动，该工作状态改变无人机重心，用于在爬坡时使用。

如图5、6和7所示，陆空两用动力组件9包括底座9-1、主轴9-2、主轴驱动组件10、飞行组件11和陆地组件12。主轴9-2支承在底座9-1上；主轴9-2的轴线与第四转动副的公共轴线垂直。主轴9-2由主轴驱动组件10驱动。主轴驱动组件10包括主轴动力电机10-1和主轴传动齿轮10-2。主轴动力电机10-1固定在底座9-1上；两个主轴传动齿轮10-2与主轴动力电机10-1的输出轴、主轴9-2分别固定。两个主轴传动齿轮10-2啮合。

飞行组件11安装在主轴9-2的外端，包括桨叶安装块11-1、旋翼转向电机11-2、旋翼动力电机11-3、第一转向锥齿11-4、第二转向锥齿11-5和螺旋桨11-6。桨叶安装块11-1与主轴9-2的外端转动连接。第一转向锥齿11-4、第二转向锥齿11-5与主轴9-2的顶端、桨叶安装块11-1分别固定；第一转向锥齿11-4与第二转向锥齿11-5啮合。旋翼转向电机11-2固定在桨叶安装块11-1，且输出轴与第二转向锥齿11-5固定。旋翼动力电机11-3固定在桨叶安装块11-1的外端，且输出轴与螺旋桨11-6固定，用于驱动螺旋桨11-6转动提供飞行所需的升力。

陆地组件12包括车轮12-1、上台阶辅助组件12-2和离合组件12-3。车轮12-1固定在主轴9-2上。上台阶辅助组件12-2和离合组件12-3位于车轮12-1与底座9-1之间。上台阶辅助组件12-2包括弹性条12-2-1、拉绳12-2-2、套筒12-2-3和收卷组件13。套筒12-2-3套置在主轴9-2上，且与主轴9-2构成圆柱副。弹性条12-2-1的内端与套筒12-2-3的外侧面固定。弹性条12-2-1的其中一个侧面上设置有多个防滑凸块。拉绳12-2-2的外端与弹性条12-2-1的外端固定。拉绳12-2-2的内端连接到收卷组件13。收卷组件13能够收卷和快速释放拉绳12-2-2。弹性条12-2-1在拉绳12-2-2的拉动下保持弯曲。弹性条12-2-1上的防滑凸块位于弹性条12-2-1的外凸侧面。

收卷组件13包括收卷电机13-1、收卷辊13-2、收卷主动齿轮13-3和收卷从动齿轮13-4。收卷电机13-1固定在套筒12-2-3的侧面上。收卷辊13-2支承在套筒12-2-3的侧面上；拉绳12-2-2的内端缠绕固定在收卷辊13-2上。收卷主动齿轮13-3、收卷从动齿轮13-4与收卷电机13-1、收卷辊13-2分别固定。收卷主动齿轮13-3采用不完全齿轮。收卷主动齿轮13-3与收卷从动齿轮13-4啮合。由于收卷主动齿轮13-3是不完全齿轮，故当收卷主动齿轮13-3转动到一定程度时，收卷主动齿轮13-3的缺齿部分转动到收卷从动齿轮13-4，收卷从动齿轮13-4失去约束，弹性条12-2-1在自身弹力作用下弹出，实现弹跳的功能。

离合组件12-3包括第一离合爪12-3-1、第二离合爪12-3-2、第一环形拉盘12-3-3、第二环形拉盘12-3-4、形状记忆合金条12-3-5、复位弹簧12-3-6和摩擦锁定组件14。第一离合爪12-3-1与主轴9-2固定。第二离合爪12-3-2与套筒12-2-3的端部固定。第一离合爪12-3-1与第二离合爪12-3-2的相对侧面上设置有相互匹配的锁合齿。当第二离合爪12-3-2在套筒12-2-3带动下滑动至与第一离合爪12-3-1对接的状态时；第一离合爪12-3-1与第二离合爪12-3-2相互锁合保持固定。此时，套筒12-2-3与主轴9-2固定在一起；当第一离合爪12-3-1与第二离合爪12-3-2分离时，套筒12-2-3与主轴9-2能够相对转动。

第一环形拉盘12-3-3套置在套筒12-2-3上，并与套筒12-2-3固定或构成转动副；第二环形拉盘12-3-4套置在主轴9-2上，并与主轴9-2构成转动副。第一离合爪12-3-1与第二离合爪12-3-2位于第一环形拉盘12-3-3与第二环形拉盘12-3-4之间。第一环形拉盘12-3-3与第二环形拉盘12-3-4相对侧面之间设置有多个复位弹簧12-3-6和多根形状记忆合金条12-3-5。当形状记忆合金条12-3-5通电时缩短，拉近第一环形拉盘12-3-3与第二环形拉盘12-3-4的距离，从而带动套筒12-2-3移动，使得第一离合爪12-3-1与第二离合爪12-3-2对接。当形状记忆合金条12-3-5断电时，第一离合爪12-3-1与第二离合爪12-3-2在弹簧的作用下自动分离。

摩擦锁定组件14包括摩擦环14-1和摩擦杆14-2。摩擦环14-1固定在套筒12-2-3靠近底座9-1的端部。摩擦杆14-2的一端与底座9-1固定，另一端与摩擦环14-1位置对应。当第一离合爪12-3-1与第二离合爪12-3-2接合时，摩擦杆14-2与摩擦环14-1分离，从而不会阻挡套筒12-2-3旋转。当第一离合爪12-3-1与第二离合爪12-3-2分离时，摩擦杆14-2与摩擦环14-1接触，从而使得套筒12-2-3在摩擦力作用下不会发生旋转，进而保证车轮车轮12-1转动的过程中弹性条12-2-1能够一直保持悬空。第一离合爪12-3-1与第二离合爪12-3-2在需要爬楼时接合，实现爬楼动作时弹性条12-2-1的转动。其他工作状态下，第一离合爪12-3-1与第二离合爪12-3-2均分离，使得弹性条12-2-1保持静止。

陆空两用动力组件9具有如下五个工作状态：

第一个工作状态下，第三转动副驱使第四转动副与第二转动副轴线重合，旋翼动力电机11-3工作，螺旋桨11-6转动，该状态用于飞行模式。

第二个工作状态下，收卷电机13-1驱动收卷主动齿轮13-3转动，弹性条12-2-1因为拉绳12-2-2的收卷而产生弯曲，以减小阻力，主轴驱动组件10驱动车轮12-1转动，该状态用于行走模式；

第三个工作状态下，主轴动力电机10-1驱动收卷主动齿轮13-3转动，弹性条12-2-1因为拉绳12-2-2收缩而产生弯曲，弹性条12-2-1弯曲后长度小于车轮12-1半径，主轴驱动组件10驱动车轮12-1旋转，旋翼转向电机11-2工作，螺旋桨11-6转向，旋翼动力电机11-3工作，螺旋桨11-6转动，该状态用于飞行模式的折叠和行走模式中爬坡的状态时使用；

第四个工作状态下，离合组件12-3得电，第二离合爪12-3-1与第一离合爪12-3-2接合，弹性条12-2-1弯曲长度大于车轮12-1半径，弹性条12-2-1随着车轮12-1一同绕主轴旋转，弹性条12-2-1利用防滑凸块卡住台阶边沿，实现向上爬行的辅助。该状态用于爬楼越障模式；

第五个工作状态下，收卷主动齿轮13-3旋转360度，因缺齿，弹性条12-2-1先收缩后快速弹开，实现跳跃，该状态用于行走模式下无人机陷入坑道时使用。

该路空两用的旋翼飞行器具有三种工作模式，分别为包括飞行模式、行走模式和爬楼越障模式。将六根变形支臂沿着机架的周向依次定义为左前支臂、左中支臂、左后支臂、右前支臂、右中支臂和右后支臂。

如图1所示，路空两用的旋翼飞行器在飞行模式下，各个变形支臂内的第三电机同步转动，驱动外臂翻转至水平状态，使得各螺旋桨的轴线均与第一转动副平行设置，支撑杆立于地面。外臂锁止条上抬，使得第二外臂支架相对第一外臂支架被固定。之后，六个旋翼动力电机转动，在支撑杆辅助下，完成变形与飞行。

如图9所示，路空两用的旋翼飞行器在行走模式下，左前支臂、左后支臂、右前支臂、右后支臂内的第一电机转动，使得四根变形支臂的第二转动副的轴线均平行于行进方向。同时，第六电机转动，旋压块转动，使得外臂锁止条上抬，第二外臂支架相对于外臂的伸缩架固定。之后，变形支臂内各收卷电机转动，收卷主动齿轮与收卷从动齿轮啮合，收卷从动齿轮转动下，拉绳绕收卷辊逐渐收紧，弹性条在拉绳拉力的作用下弯曲，使得弹性条弯曲长度小于车轮的直径，随后收卷主动齿轮停止转动。最后，各主轴动力电机转动，主轴传动齿轮啮合，车轮转动，使得路空两用的旋翼飞行器在地面上行驶。

如图11所示，路空两用的旋翼飞行器在爬楼越障模式下，各主轴动力电机转动，使得路空两用的旋翼飞行器向台阶行驶。靠近后，变形支臂内各收卷电机持续转动，收卷从动齿轮失去约束，弹性条在自身弹力作用下舒张，长度大于车轮半径。各主轴动力电机转动，主轴传动齿轮啮合，形状记忆合金条通电缩短，拉近第一环形拉盘与第二环形拉盘的距离，从而带动套筒移动，使得第一离合爪与第二离合爪对接，弹性条转动。弹性条上的防滑凸块在抵住台阶的凸角，使得路空两用的旋翼飞行器在台阶上行驶。

该具备爬楼、跳跃功能的路空两用无人机的运行方法，包括飞行模式下的运行方法、行走模式下的运行方法和爬楼越障模式下的运行方法

如图1、8所示，飞行模式下的运行方法具体如下：

步骤一、路空两用的旋翼飞行器切换至飞行模式，各个变形支臂内的第三电机同步转动，驱动外臂翻转至水平状态，使得各螺旋桨的轴线均与第一转动副平行设置，支撑杆立于地面。外臂锁止条上抬，使得第二外臂支架相对外臂的伸缩架固定。之后，六个旋翼动力电机转动，使得无人机起飞。

步骤二、当路空两用的旋翼飞行器在空中需要穿过一个通道(例如树枝与树枝之间的间隙)时，路空两用的旋翼飞行器进行折叠，以避免在穿过时发生碰撞；飞行折叠过程如下。

六根变形支臂内第三电机转动，驱动各第二中臂支架相对于第一中臂支架转动90°，使得各第四转动副的轴线均与第一转动副的轴线平行；同时，六根变形支臂内各旋翼转向电机转动，驱动各螺旋桨转动90°，螺旋桨的轴线与第一转动副的轴线平行。此时，各变形支臂均呈L形，路空两用的旋翼飞行器的宽度(垂直行进方向的尺寸)减小，使得路空两用的旋翼飞行器能够穿过更小的空隙。

步骤三、飞行伸缩后的路空两用的旋翼飞行器穿过通道；之后，路空两用的旋翼飞行器恢复到步骤一中的状态继续飞行；

如图9和10所示行走模式下的运行方法具体如下：

步骤一、路空两用的旋翼飞行器在地面上切换至行走模式。首先，左前支臂、左后支臂、右前支臂、右后支臂内的第一电机转动，使得四根变形支臂的第二转动副的轴线均平行于行进方向。同时，第六电机转动，旋压块转动，使得外臂锁止条上抬，使得第二外臂支架相对于外臂的伸缩架固定。之后，变形支臂内各收卷电机转动，收卷主动齿轮与收卷从动齿轮啮合，收卷从动齿轮转动下，拉绳绕收卷辊逐渐收紧，弹性条在拉绳拉力的作用下弯曲，使得弹性条弯曲长度小于车轮的直径，随后收卷主动齿轮停止转动。最后，主轴动力电机转动，两个主轴传动齿轮啮合，车轮转动，使得路空两用的旋翼飞行器在地面上行驶。

步骤二、当路空两用的旋翼飞行器在地面需要穿过一个障碍物较多、路面情况复杂的区域时，路空两用的旋翼飞行器进行改变外臂状态，以避免在穿过时发生翻倒；过程如下：

各第六电机转动，旋压块转动，使得外臂锁止条下放。因此，各外臂在可以受外力的大小变化时，在滑槽内受缓震弹簧支承下自由活动，使得路空两用的旋翼飞行器能够穿过更加崎岖的区域。

步骤三、当在地面上行进的过程中遇到坡道时，路空两用的旋翼飞行器进行降低重心、改变重心和增加动力，以避免在穿过时发生翻倒；过程如下：

首先，降低重心，在步骤一状态下，左前支臂、左后支臂、右前支臂和右后支臂中的第三电机转动，第二中臂支架相对于第一中臂支架，以向外扩展方向旋转30度。之后，左中支臂和右中支臂内的第二电机转动，中臂相对内臂向前进方向旋转30度，使得左前支臂、右前支臂、左中支臂和右中支臂中的第四转动副平行。路空两用的旋翼飞行器的高度降低，使得路空两用的旋翼飞行器能够降低重心。

其次，改变重心，左前支臂、左中支臂、右前支臂和右中支臂内的第六电机转动，旋压块转动，使得外臂锁止条上抬，使得第二外臂支架相对于外臂的伸缩架固定。之后，四个支臂的第五电机转动，凸轮拉动第二外臂支架相对于第一外臂支架收缩。左后支臂和右后支臂保持不变，使得路空两用的旋翼飞行器能够改变重心。

最后，增加动力，左前支臂、左中支臂、右前支臂和右中支臂内的各旋翼转向电机转动，驱动各螺旋桨转动90°，螺旋桨的轴线与第四转动副的轴线平行，四个旋翼动力电机转动，使得路空两用的旋翼飞行器能够增加动力。

步骤四、当路空两用的旋翼飞行器在地面需要穿过一个柔性区域如沙地或泥地或坑洞时，路空两用的旋翼飞行器进行弹性跳跃，以避免在穿过时发生陷落；弹性跳跃过程如下：

在步骤一状态下，变形支臂内各收卷电机持续转动，收卷从动齿轮失去约束，弹性条在自身弹力作用下迅速舒张，长度大于车轮半径。在弹性作用下。使得路空两用的旋翼飞行器能够跳出柔性区域如沙地或泥地或坑洞。

如图11所示，爬楼越障模式下的运行方法具体如下：

步骤一、当在地面上行进的过程中遇到楼梯时，路空两用的旋翼飞行器从行走模式切换至爬楼越障模式。

在行走模式，步骤一状态下。

变形支臂内各收卷电机持续转动，收卷从动齿轮失去约束，弹性条在自身弹力作用下舒张，长度大于车轮半径，当形状记忆合金条通电时缩短，第一离合爪与第二离合爪对接，摩擦杆与摩擦环分离，弹性条转动，弹性条上的凸块在抵住台阶的凸角，对该路空两用无人机产生反作用力。左前支臂、右前支臂上的主轴动力电机转动，弹性条上的凸块抵住第一个台阶的凸角。随后，左前支臂和右前支臂的弹性条转动，凸块在抵住第二个台阶的凸角，同时左中支臂和右中支臂上的主轴动力电机转动，弹性条上的凸块抵住第一个台阶的凸角。当左前支臂、右前支臂上的弹性条上的凸块抵住第三个台阶的凸角时，左后支臂和右后支臂上的主轴动力电机转动，弹性条上的凸块抵住第一个台阶的凸角。由此，本发明处于爬楼越障模式时能够在单级高度不超过极限值的台阶上持续向上行驶。

Claims (10)

1.一种具备爬楼、跳跃功能的路空两用无人机，包括机体和六根变形支臂；其特征在于：六根变形支臂的内端均安装在机体（1）的边缘处；所述变形支臂（2）包括内臂（3）、中臂组件（5）、外臂（7）和陆空两用动力组件（9）；内臂（3）、中臂组件（5）、外臂（7）由内至外依次连接，且相互之间能够在动力元件的驱动下转动；陆空两用动力组件（9）安装在外臂（7）的外端；

所述的陆空两用动力组件（9）包括底座（9-1）、主轴（9-2）、主轴驱动组件（10）、飞行组件（11）和陆地组件（12）；主轴（9-2）支承在底座（9-1）上；主轴（9-2）的轴线与第四转动副的公共轴线垂直；主轴（9-2）由主轴驱动组件（10）驱动旋转；所述的飞行组件（11）安装在主轴（9-2）的外端；飞行组件（11）上设置有螺旋桨；

所述的陆地组件（12）包括车轮（12-1）、上台阶辅助组件（12-2）和离合组件（12-3）；车轮（12-1）固定在主轴（9-2）上；上台阶辅助组件（12-2）和离合组件（12-3）位于车轮（12-1）与底座（9-1）之间；上台阶辅助组件（12-2）包括弹性条（12-2-1）和套筒（12-2-3）；套筒（12-2-3）套置在主轴（9-2）上；弹性条（12-2-1）的内端与套筒（12-2-3）的外侧面固定；弹性条（12-2-1）弯曲设置，且外凸侧面上设置有多个防滑凸块；所述的套筒（12-2-3）与主轴（9-2）通过离合组件（12-3）连接；套筒（12-2-3）与主轴（9-2）之间设置有摩擦锁定组件（14）包括摩擦环（14-1）和摩擦杆（14-2）；摩擦环（14-1）固定在套筒（12-2-3）靠近底座（9-1）的端部；摩擦杆（14-2）的一端与底座（9-1）固定，另一端与摩擦环（14-1）位置对应。

2.根据权利要求1所述的一种具备爬楼、跳跃功能的路空两用无人机，其特征在于：所述的上台阶辅助组件（12-2）还包括拉绳（12-2-2）和收卷组件（13）；拉绳（12-2-2）的外端与弹性条（12-2-1）的外端固定；拉绳（12-2-2）的内端连接到收卷组件（13）；所述的收卷组件（13）包括收卷电机（13-1）、收卷辊（13-2）、收卷主动齿轮（13-3）和收卷从动齿轮（13-4）；收卷电机（13-1）固定在套筒（12-2-3）的侧面上；收卷辊（13-2）支承在套筒（12-2-3）的侧面上；拉绳（12-2-2）的内端缠绕固定在收卷辊（13-2）上；收卷主动齿轮（13-3）、收卷从动齿轮（13-4）与收卷电机（13-1）、收卷辊（13-2）分别固定；收卷主动齿轮（13-3）采用不完全齿轮；收卷主动齿轮（13-3）与收卷从动齿轮（13-4）啮合。

3.根据权利要求1所述的一种具备爬楼、跳跃功能的路空两用无人机，其特征在于：所述的离合组件（12-3）包括第一离合爪（12-3-1）、第二离合爪（12-3-2）、第一环形拉盘（12-3-3）、第二环形拉盘（12-3-4）、形状记忆合金条（12-3-5）和复位弹簧（12-3-6）；第一离合爪（12-3-1）与主轴（9-2）固定；第二离合爪（12-3-2）与套筒（12-2-3）的端部固定；第一离合爪（12-3-1）与第二离合爪（12-3-2）的相对侧面上设置有相互匹配的锁合齿；所述的第一环形拉盘（12-3-3）套置在套筒（12-2-3）上；第二环形拉盘（12-3-4）套置在主轴（9-2）上；第一离合爪（12-3-1）与第二离合爪（12-3-2）位于第一环形拉盘（12-3-3）与第二环形拉盘之间；第一环形拉盘（12-3-3）与第二环形拉盘相对侧面之间设置有多个复位弹簧（12-3-6）和多根形状记忆合金条（12-3-5）；当形状记忆合金条（12-3-5）通电时缩短，第一离合爪（12-3-1）与第二离合爪（12-3-2）对接，摩擦杆（14-2）与摩擦环（14-1）分离；当形状记忆合金条（12-3-5）断电时，第一离合爪（12-3-1）与第二离合爪（12-3-2）分离，摩擦杆（14-2）与摩擦环（14-1）接触。

4.根据权利要求1所述的一种具备爬楼、跳跃功能的路空两用无人机，其特征在于：所述的内臂（3）与机体（1）的边缘处构成第一转动副；内臂（3）由内臂驱动组件（4）驱动旋转；中臂组件（5）包括第一中臂支架（5-1）与第二中臂支架（5-2）；第一中臂支架（5-1）的内端与内臂（3）的外端构成第二转动副；第二中臂支架（5-2）的内端与第一中臂支架（5-1）的外端构成第三转动副；外臂（7）的内端与第二中臂支架（5-2）的外端构成第四转动副；外臂（7）由外臂旋转驱动组件（8-1）驱动旋转；第二转动副的公共轴线与第一转动副的公共轴线垂直相交；第三转动副的公共轴线与第二转动副的公共轴线垂直相交；第四转动副的公共轴线与第三转动副的公共轴线垂直相交；所述变形支臂（2）还包括中臂驱动组件（6）；所述的中臂驱动组件（6）包括翻转驱动组件（6-1）和旋转驱动组件（6-2）；翻转驱动组件（6-1）驱动第一中臂支架（5-1）转动旋转驱动组件（6-2）驱动第二中臂支架（5-2）转动。

5.根据权利要求1所述的一种具备爬楼、跳跃功能的路空两用无人机，其特征在于：所述的主轴驱动组件（10）包括主轴动力电机（10-1）和主轴传动齿轮（10-2）；主轴动力电机（10-1）固定在底座（9-1）上；两个主轴传动齿轮（10-2）与主轴动力电机（10-1）的输出轴、主轴（9-2）分别固定；两个主轴传动齿轮（10-2）啮合。

6.根据权利要求1所述的一种具备爬楼、跳跃功能的路空两用无人机，其特征在于：所述的飞行组件（11）包括桨叶安装块（11-1）、旋翼转向电机（11-2）、旋翼动力电机（11-3）、第一转向锥齿（11-4）、第二转向锥齿（11-5）和螺旋桨（11-6）；桨叶安装块（11-1）与主轴（9-2）的外端转动连接；第一转向锥齿（11-4）、第二转向锥齿（11-5）与主轴（9-2）的顶端、桨叶安装块（11-1）分别固定；第一转向锥齿（11-4）与第二转向锥齿（11-5）啮合；旋翼转向电机（11-2）固定在桨叶安装块（11-1），且输出轴与第二转向锥齿（11-5）固定；旋翼动力电机（11-3）固定在桨叶安装块（11-1）的外端，且输出轴与螺旋桨（11-6）固定。

7.根据权利要求1所述的一种具备爬楼、跳跃功能的路空两用无人机，其特征在于：所述的外臂（7）包括第一外臂支架（7-1）与第二外臂支架（7-2）；第一外臂支架（7-1）与第二外臂支架（7-2）构成滑动副；外臂（7）上安装有外臂伸缩驱动组件（8-2）；外臂伸缩驱动组件（8-2）包括伸缩驱动组件、伸缩锁止组件和减震组件；第一外臂支架（7-1）上滑动连接有伸缩架（8-2-2）；伸缩驱动组件驱动伸缩架（8-2-2）进行滑动；所述的减震组件包括弹簧挡板（8-2-5）和缓震弹簧（8-2-6）；弹簧挡板（8-2-5）固定在伸缩架（8-2-2）的外侧；第二外臂支架（7-2）的内端固定有锁止板（8-2-7）；锁止板（8-2-7）与弹簧挡板（8-2-5）之间设置有一根或多根缓震弹簧（8-2-6）；

所述的伸缩锁止组件包括第六电机、锁止条（8-2-4）和旋压块（8-2-8）；锁止条（8-2-4）的一端与伸缩架（8-2-2）的外侧铰接；锁止板（8-2-7）上开设有锁止槽；锁止条（8-2-4）朝向锁止槽的侧面上开设有依次排列的多个锁止齿；旋压块（8-2-8）支承在第一外臂支架（7-1）上；旋压块（8-2-8）抵住锁止条（8-2-4）；旋压块（8-2-8）转动能够带动锁止条（8-2-4）上的锁止齿挤压锁止板上的锁止槽，实现伸缩架（8-2-2）与第二外臂支架（7-2）的固连；旋压块（8-2-8）由第六电机驱动旋转。

8.根据权利要求7所述的一种具备爬楼、跳跃功能的路空两用无人机，其特征在于：所述的锁止条（8-2-4）与伸缩架（8-2-2）之间设置有扭簧；该扭簧为锁止条（8-2-4）提供远离锁止槽的弹力；所述的伸缩驱动组件包括第五电机（8-2-1）和凸轮（8-2-3）；所述的伸缩架（8-2-2）呈矩形框状；凸轮（8-2-3）支承在第一外臂支架（7-1）上，且位于伸缩架（8-2-2）内；凸轮（8-2-3）的工作轮廓呈莱洛三角形；伸缩架（8-2-2）在滑动方向上的两个侧面均与凸轮（8-2-3）接触；所述的凸轮（8-2-3）由第五电机（8-2-1）驱动旋转。

9.根据权利要求2所述的一种具备爬楼、跳跃功能的路空两用无人机，其特征在于：该具备爬楼、跳跃功能的路空两用无人机具有飞行模式、行走模式和爬楼越障模式；飞行模式下，内臂（3）、中臂组件（5）、外臂（7）伸至水平状态，且使得陆空两用动力组件（9）内的螺旋桨朝上设置；伸缩锁止组件将伸缩架（8-2-2）与第二外臂支架（7-2）锁定；

行走模式下，内臂（3）、中臂组件（5）、外臂（7）转动至陆空两用动力组件（9）内的车轮（12-1）轴线水平的状态；且六个车轮（12-1）形成前、中、后三对车轮；伸缩锁止组件解除伸缩架（8-2-2）与第二外臂支架（7-2）之间的锁定，使得减震组件能够起到减震的效果；离合组件（12-3）将主轴与套筒分离；

爬楼越障模式下，在行走模式的基础上，收卷组件将弹性条（12-2-1）释放出来；离合组件（12-3）将主轴与套筒接合；使得离合组件（12-3）将主轴与套筒分离；随着车轮（12-1）一同转动。

10.如权利要求9所述的一种具备爬楼、跳跃功能的路空两用无人机的运行方法，其特征在于：包括飞行方法、行走方法和爬楼越障方法；

所述的飞行方法具体如下：将该路空两用无人机调节至飞行模式；陆空两用动力组件（9）内的螺旋桨旋转，带动该路空两用无人机飞行；

所述的行走方法具体如下：将该路空两用无人机调节至行走模式；各车轮转动，带动该路空两用无人机在地面上行驶；当发生颠簸时，通过减震组件内缓震弹簧（8-2-6）的伸缩来进行避震；通过变形支臂2绕水平轴线的翻转来升高或降低重心；

所述的爬楼越障方法具体如下：将该路空两用无人机调节至爬楼越障模式；当弹性条的转动中抵住台阶或障碍物的边缘时，将对该路空两用无人机产生反作用力，使得该路空两用无人机被抬高，实现跨越台阶或障碍物。

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