CN116374233A - 一种独轮四旋翼式地空两用机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及了一种独轮四旋翼式地空两用机器人，包括：主机架，安装在主机架内侧面上的伺服电机、控制模组和机载计算机，安装在主机架外侧面四角位置的无刷电机，与无刷电机驱动连接的螺旋桨，安装连接在主机架下侧的支撑板，设置在支撑板底端的牛角万向轮，安装在支撑板内侧面上的电池，与伺服电机啮合连接的传动机构，以及通过传动机构设置连接在主机架内侧面一侧的轮式机构。本发明提供的机器人具有重量轻、动力部件少、能耗低的特点，并可利用滚动通过窄缝隧道等特殊地形。

Description

一种独轮四旋翼式地空两用机器人

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及了一种独轮四旋翼式地空两用机器人。

背景技术

近年来，无人驾驶飞行器(uav)越来越多地应用于军事、勘探和救援等各个领域。这些应用在节能和通过特殊地形方面，特别是通过狭窄间隙方面对无人机提出了挑战。为了应对上述困难，必须发展先进技术来提高无人机的续航能力和地形适应性。这将极大地扩大无人机的应用范围。不幸的是，通过优化传统无人机很难同时解决多个挑战。

对于无人机节能方面，有研究人员提出了一种创新的解决方案，使用四旋翼俯仰提供向前推力，作为控制地面上被动轮式机构滚动和飞越障碍物的输入。然而，当飞机接近地面时，由于地面效应(Wing-In-Ground effect / Wing-In-Surface-Effect)的影响，螺旋桨周围的气流可能会变成湍流。这可能会导致升力和阻力的变化，直接影响运动控制的精度。可能会给控制模型和控制器设计带来严重的问题。此外，增加垂直于无人机框架平面的轮式机构显著增加了无人机的尺寸和重量，降低了机动性。综上所述，基于四旋翼和差动轮的方案虽然能降低能耗，但也有不利影响。因此，很难实现大规模应用。

学界和产业界在提高无人机的地形适应性方面做了很多努力。在检查、勘探等应用场景中，无人机可能需要通过方形通风管道、城市下水管道等狭窄的缝隙和通道，这是无人机应用的一个考验。有研究人员提出了机身的可折叠机械设计。这是一种变形四旋翼，其机器人的结构可以进行折叠，减少其跨度从而通过狭窄的孔径。有研究人员提出了一种受鸟类启发的机器人，它具有被动关节，也可以进行环节折叠，以挤过狭窄的缝隙。然而，折叠机构具有复杂的机械结构，导致以下问题。1)系统高度非线性；2)零件装配复杂，振动大，噪声不确定；3)较高的自由度会造成较大的累积误差，给控制带来困难。综上所述，折叠机构在通过狭窄间隙时是有用的，但它有许多缺点，使其难以在实际中应用。

简而言之，没有一种现有技术可以同时解决节能和通过特殊地形（特别是通过狭窄间隙）这两大挑战。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种独轮四旋翼式地空两用机器人，该机器人既可以实现空中飞行运动，且可以较低的能耗实现地面滚动的前进、后退以及转弯运动，具体的空中运动是通过四个无刷电机驱动螺旋桨提供推力实现的，地面运动是由一个伺服电机通过锥齿轮传动机构驱动轮式机构提供前进动力，四个无刷电机驱动螺旋桨提供转向动力实现的，其具体技术方案如下：

一种独轮四旋翼式地空两用机器人，包括：主机架，安装在主机架内侧面上的伺服电机、控制模组和机载计算机，安装在主机架外侧面四角位置的无刷电机，与无刷电机驱动连接的螺旋桨，安装连接在主机架下侧的支撑板，设置在支撑板底端的牛角万向轮，安装在支撑板内侧面上的电池，与伺服电机啮合连接的传动机构，以及通过传动机构设置连接在主机架内侧面一侧的轮式机构。

进一步的，所述主机架是一个不对称设计的x形框架，则所述无刷电机具体安装在x形框架的四个端部位置。

进一步的，所述控制模组集成有飞行控制器和电子调速器，所述飞行控制器和电子调速器分别使用Holybro Kakute H7 v1和Tekko32 Metal 4 in 1 65A ESC STACK。

进一步的，所述轮式机构的周围包有海绵条，外圈上则包裹有白色橡胶圈。

进一步的，所述支撑板呈倒W型，则所述牛角万向轮具体安装在支撑板两侧末端。

进一步的，所述机载计算机通过串口与控制模组连接，机载计算机通过CAN总线与伺服电机连接。

进一步的，所述传动机构包括：锥齿轮、固定轴、轴承；所述固定轴4的一端连接至轮式机构，另一端连接至主机架；所述轴承设置在固定轴的一端，并与轮式机构固定连接，所述锥齿轮套嵌在轴承外侧，锥齿轮啮合连接伺服电机的转动轴。

进一步的，所述主机架、支撑板和轮式机构均采用碳纤维结构材料。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明提供的机器人实现了无人机的可控地面前进、后退、转弯运动，基于一个伺服电机通过锥齿轮传动机构驱动轮式机构提供前进动力，四个无刷电机驱动螺旋桨提供转向动力；地面运动线速度（前进后退）和角速度（转向）分别驱动控制，控制简单可靠，相比于常规地空机器人减少了动力部件，降低了整机重量的同时大大降低了能耗。

本发明在地面运动下的运行距离约为飞行运动的3.8倍，运行时间约为42.2倍，大大提升了运动距离和运行时间，十分节能。

2、本发明提供的机器人在地面运动下的长宽比约为3:1，机器人最小外接圆柱高12厘米，36厘米，长宽比相比于其他的地空两用机器人有较大优势，这使得该机器人可以在地面运动通过较窄的缝隙。

本发明在地面运动下能通过18厘米宽的窄缝，约为机器人最小外接圆柱圆截面直径的一半，大大提升了地空两用机器人在特殊地形适应性方面的能力，特别是通过窄缝。

3、本发明提供的控制方法能稳定可靠的驱动独轮四旋翼式地空两用机器人进行可控的飞行、可控地面前进、后退、转弯运动，还可进行飞行和地面运动的互相转换。

4、本发明结构简单，体积和重量较小，有很高的便携性，同时可调整各个动力部件以适配各种工况，适用于特种环境进行使用，例如：野外探索、抢险救援、国防军工。

附图说明

图1是本发明的一种独轮四旋翼式地空两用机器人的整体结构示意图。

图2是本发明的机器人在飞行模式下的俯视示意图；

图3是图2的俯视图；

图4是图2的左视图；

图5是本发明的机器人详细零件的结构爆炸视图；

图6是本发明的轮式机构、伺服电机、传动机构的装配连接示意图；

图7是本发明的轮式机构、轴承、连接轴、主机架的装配连接示意图；

图8是本发明机器人在地面运动的理论受力示意图；

图中，1-轮式机构，2-轴承，3-锥齿轮，4-固定轴，5-伺服电机，6-机载计算机，7-控制模组，8-电池，9-主机架，10-螺旋桨，11-支撑板，12-牛角万向轮,13-无刷电机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和技术效果更加清楚明白，以下结合说明书附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明实施例的一种独轮四旋翼式地空两用机器人，包括轮式机构1、传动机构、伺服电机5、主机架9、无刷电机13、螺旋桨10、控制模组7、电池等。

在空中飞行模式下，本发明的地空两用机器人的俯视图如图2所示。

其中，主机架9是一个不对称设计的x形框架，轴径为22厘米；整体机器人的飞行采用TMOTOR F60 PRO 2550KV无刷电机13带动与其连接的5英寸三叶螺旋桨10旋转来输出推力，所述无刷电机13安装在主机架9外侧面四周位置，即x形框架的四个端部位置；控制模组7安装在主机架9的内侧面上，集成有飞行控制器和电子调速器ESC，飞行控制器和电子调速器分别使用Holybro Kakute H7 v1和Tekko32 Metal 4 in 1 65A ESC STACK。

为了使机器人在地面滚动模式以低能耗运行并通过窄间隙，本发明设计使用一个轮式机构1作为地面滚动模式的主要部件。应当理解的是，本发明所述的地面是机器人在滚动模式下的所在的接触面。

所述轮式机构1直径为36厘米，外圈上包裹有白色橡胶圈，以增加摩擦力。轮式机构1通过传动机构与安装在主机架9内侧面上的伺服电机5连接，并由伺服电机5驱动，所述伺服电机5具体安装于主机架9内侧面的上部区域。其中，传动机构包括：锥齿轮3，固定轴4、轴承2。

所述主机架9的下侧安装连接有支撑板11，支撑板11整体呈倒W型，其两侧末端安装有牛角万向轮12，牛角万向轮12与地面接触，以平衡伺服电机5在滚动过程中的反向扭矩输出，并提供机械限位，以确保在地面滚动过程中机器人车辆行驶时其俯仰角的稳定。

机器人由一块2000毫安时的4S电池8供电，所述电池8安装在支撑板11的内侧面上，以帮助稳定身体的重心。

本发明采用NVIDIA®Jetson Xavier作为机载计算机6并安装在主机架9的内侧面上，通过串口连接到控制模组7进行旋翼推力和倒车控制；机载计算机6还通过CAN总线连接到伺服电机5进行扭矩和速度控制。

出于强度考虑，采用碳纤维作为本发明机器人的主要结构材料，其运用涉及的部件包括主机架9、支撑板11和轮式机构1。所述轮式机构1周围包了海绵条，以缓冲切换到飞行模式时的冲击。

本发明公开的机器人的设计旨在实现低功耗和利用其滚动模式通过狭窄的空间。

在地面运动模式下，伺服电机5产生扭矩，围绕初始偏航轴产生滚动旋转，然后，该扭矩通过锥齿轮3传递，如图6所示，传动比为i=2。

所述轮式机构1与主机架9通过固定轴4连接，固定轴4的一端设置一个轴承2，同时将轴承2与轮式机构1固定连接，轴承2外侧套嵌锥齿轮3，锥齿轮3啮合连接伺服电机5的转动轴，固定轴4的另一端与主机架9固定连接，则伺服电机5工作时，锥齿轮3转动，使得轴承2选择带动轮式机构转动，如图7所示。

综上所述，机器人的地面滚动模式使用伺服电机5产生滚动扭矩，并通过锥齿轮3传递到轮式机构1，所述轮式机构1作为驱动轮转动，滚动过程中，所述牛角万向轮12作为辅助轮配合滚动，实现机器人在接触面的稳定行驶。

如图8所示，四个螺旋桨10产生的推力差提供偏航扭矩，这种地面滚动和螺旋桨推力差的独特组合使机器人实现更多功能及灵活有效的地面运动能力，如通过窄间隙滚动，同时降低能源消耗。

本发明在地面运动下的运行距离约为飞行运动的3.8倍，运行时间约为42.2倍，大大提升了运动距离和运行时间，十分节能。本发明提供的机器人在地面运动下的长宽比约为3:1，机器人最小外接圆柱高12厘米，36厘米，长宽比相比于其他的地空两用机器人有较大优势，这使得该机器人可以在地面运动通过较窄的缝隙。在地面运动下能通过18厘米宽的窄缝，约为机器人最小外接圆柱圆截面直径的一半，大大提升了地空两用机器人在特殊地形适应性方面的能力，特别是通过窄缝。

以上所述，仅为本发明的优选实施案例，并非对本发明做任何形式上的限制。虽然前文对本发明的实施过程进行了详细说明，对于熟悉本领域的人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。凡在本发明精神和原则之内所做修改、同等替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种独轮四旋翼式地空两用机器人，其特征在于，包括：主机架（9），安装在主机架（9）内侧面上的伺服电机（5）、控制模组（7）和机载计算机（6），安装在主机架（9）外侧面四角位置的无刷电机（13），与无刷电机（13）驱动连接的螺旋桨（10），安装连接在主机架（9）下侧的支撑板（11），设置在支撑板（11）底端的牛角万向轮（12），安装在支撑板（11）内侧面上的电池（8），与伺服电机（5）啮合连接的传动机构，以及通过传动机构设置连接在主机架（9）内侧面一侧的轮式机构（1）。

2.如权利要求1所述的一种独轮四旋翼式地空两用机器人，其特征在于，所述主机架（9）是一个不对称设计的x形框架，则所述无刷电机（13）具体安装在x形框架的四个端部位置。

3. 如权利要求1所述的一种独轮四旋翼式地空两用机器人，其特征在于，所述控制模组（7）集成有飞行控制器和电子调速器，所述飞行控制器和电子调速器分别使用HolybroKakute H7 v1和Tekko32 Metal 4 in 1 65A ESC STACK。

4.如权利要求1所述的一种独轮四旋翼式地空两用机器人，其特征在于，所述轮式机构（1）的周围包有海绵条，外圈上则包裹有白色橡胶圈。

5.如权利要求1所述的一种独轮四旋翼式地空两用机器人，其特征在于，所述支撑板（11）呈倒W型，则所述牛角万向轮（12）具体安装在支撑板（11）两侧末端。

6.如权利要求1所述的一种独轮四旋翼式地空两用机器人，其特征在于，所述机载计算机（6）通过串口与控制模组（7）连接，机载计算机（6）通过CAN总线与伺服电机（5）连接。

7.如权利要求1所述的一种独轮四旋翼式地空两用机器人，其特征在于，所述传动机构包括：锥齿轮（3）、固定轴（4）、轴承（2）；所述固定轴（4）的一端连接至轮式机构（1），另一端连接至主机架（9）；所述轴承（2）设置在固定轴（4）的一端，并与轮式机构（1）固定连接，所述锥齿轮（3）套嵌在轴承（2）外侧，锥齿轮（3）啮合连接伺服电机（5）的转动轴。

8.如权利要求1所述的一种独轮四旋翼式地空两用机器人，其特征在于，所述主机架（9）、支撑板（11）和轮式机构（1）均采用碳纤维结构材料。

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