[發明專利]一種可變結構多模式移動機器人

有效

• 申請號: 202011175313.2
• 申請日: 2020-10-28
• 公開（公告）號: CN112277551B
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發明（設計）人: 徐坤;盧朋飛;丁希侖
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B60F5/02
• 分類號: B60F5/02;B64C25/32;B64C27/10;B64C27/14;B64D27/24
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 周長琪

1.一種可變結構多模式移動機器人，其特征在于：包括飛行部件、連接部件、腿部部件與控制部件；

所述飛行部件包括共軸雙槳電機、螺旋槳、內旋轉平臺、外旋轉平臺、舵機連桿組件與固定基座；

其中，共軸雙槳電機具有兩個無刷電機，兩個無刷電機上下同軸設置；其中上方無刷電機輸出軸為空心軸，下方無刷電機輸出軸為實心軸，下方無刷電機輸出軸穿過上方無刷電機輸出軸；螺旋槳為兩個，上下同軸設置，分別固定于兩個無刷電機的輸出軸上；

內旋轉平臺為矩形框架，固定套接于共軸雙槳電機機體上方；外旋轉平臺同為矩形框架，套于內旋轉平臺外側；外旋轉平臺相對側面與內旋轉平臺同側側面間通過轉軸相連，形成轉動副，使內旋轉平臺間具有繞x軸旋轉的自由度；同時外旋轉平臺另外兩個相對側面與固定基座兩側的連接面頂部通過轉軸相連，形成轉動副，使外旋轉平臺間具有繞y軸的旋轉的自由度，最終使得內旋轉平臺具有繞x軸和y軸旋轉的自由度；當內旋轉平臺與外旋轉平臺旋轉時可帶動共軸雙槳電機繞X軸和Y軸轉動，使得兩個螺旋槳拉力作用線方向改變，實現機器人繞X軸和Y軸的姿態旋轉控制；

上述內旋轉平臺繞x軸與y軸旋轉運動，通過兩套舵機連桿組件實現；兩套舵機連桿組件均由驅動舵機、搖臂與拉桿構成；兩套舵機連接組件可分為x軸旋轉驅動組件與y軸旋轉驅動組件；其中，x軸旋轉驅動組件中驅動舵機輸出軸朝向x軸方向設置，搖臂末端固定于驅動舵機輸出軸上；拉桿末端與搖臂前端鉸接，拉桿前端鉸接于內旋轉平臺一側端部處設計的凸耳上，且鉸接軸沿x軸方向；由此，通過驅動舵機帶動搖臂擺動，實現拉桿對內旋轉平臺一側端部的上下推拉，進而實現內旋轉平臺繞x軸的旋轉運動；同理，y軸旋轉驅動組件中，驅動舵機輸出軸朝向y軸方向設置，搖臂末端固定于驅動舵機輸出軸上；拉桿末端與搖臂前端鉸接，拉桿前端鉸接于內旋轉平臺一側端部，且鉸接軸沿y軸方向；由此，通過驅動舵機帶動搖臂擺動，實現拉桿對外旋轉平臺一側端部的上下推拉，實現外旋轉平臺繞y軸的旋轉運動，進而實現內旋轉平臺繞y軸的旋轉運動；

上述x軸旋轉驅動組件與y軸旋轉驅動組件中的驅動舵機分別固定安裝于外旋轉平臺與固定基座上；因此當y軸帶動外旋轉平臺轉動時，x軸旋轉驅動組件的驅動舵機也會隨內旋轉平臺一同轉動，保證外旋轉平臺旋轉時，內旋轉平臺轉角不變，使兩套旋轉驅動組件中的驅動舵機互不干擾；當x軸舵機旋轉時，可帶動內旋轉平臺相對外旋轉平臺轉動；

所述連接部件為環形，套于飛行部件外側，周向上與固定基座連接；連接部件用于連接四套腿部部件；四套腿部部件繞機身Z軸均勻對稱布置，共有12個自由度，其中每個腿部部件具有3個自由度，關節結構布置和哺乳動物關節布置類似，由舵機實現各關節間的轉動控制，且在腿部部件處于收攏狀態時，通過對四套腿部部件的控制，使在連接部件兩側位置形成拼接形成圓環形結構；

上述每套腿部部件由具有前中后三段連桿，前中段連桿為弧形連桿，后段連桿為直連桿；后段連桿末端與連接部件相連，通過末端驅動電機驅動上下擺動；前中段連桿間通過前部舵機驅動轉動；中段連桿末端與后段連桿間相連，通過中部舵機驅動前中段連桿一同前后擺動；當末端連桿轉動至與水平面平行，腿部部件達到展開狀態；當前部連桿與中部連桿間轉動至整體形成半圓弧形，達到收攏準備狀態；

上述結構的四套腿部部件中，末端驅動舵機分別安裝于連接部件兩側前后對稱位置設計的連接頭上；令四個連接頭分別位于連接部件的左后、左前、右后與右前位置，則與左后、左前連接頭連接的腿部部件處于收攏準備狀態時，支撐腿內弧面相對；同樣右前、右后連接頭連接的腿部部件處于收攏準備狀態時，支撐腿內弧面相對；

在四條腿部部件進行收攏時，以同側相對的腿部部件為一組，則通過末端驅動電機控制各組腿部部件中的末端連桿反向擺動，同時斜向相對的腿部部件中的末端連桿同向旋轉，此時同時控制令兩個連接頭所連接的腿部部件中末端連桿反向擺動；由此使斜向相對的兩條腿部部件中的中部連桿與前端連桿位于連接部件的上方，另兩條腿部部件中的中部連桿與前端連桿位于連接部件的下方；進一步通過中部驅動舵機控制連接環上下位置的兩條腿部部件中的中部連桿與前端連桿共同轉動，使一條腿部部件中前端連桿端部與另一條末端連桿端部相接，在連接部件上方與下方形成圓環結構；

所述控制部件安裝于飛行部件下方，包括保護盒以及保護盒內的電池、控制板與驅動器；

上述結構具有四種運動模式，飛行模式，地面行走模式、地面滾動模式和飛爬結合模式；

飛行模式下，機器人依靠飛行部件產生升力，控制飛行方向和飛行高度；

地面行走模式下，機器人通過腿部部件進行靜步態或動步態行走運動，在行走控制時，機器人四條腿按照一定規律周期處于支撐和擺動狀態，根據步態控制算法計算腿部足端的位置坐標，再解算出各個關節控制舵機末端連桿、中部連桿與前端連桿的旋轉角度；

滾動模式下，腿部部件處于收攏狀態，連接部件兩側的圓環結構與地面接觸，通過控制腿部部件向外擺動，產生對機體的前向推力；

在飛爬結合模式下，機器人受到飛行部件和腿部部件的同時控制，飛行部件產生向上的拉力。