一种多栖机器人及方法

摘要

本发明公开了一种多栖机器人及方法，它解决了现有技术中机器人无法实现多栖的问题，具有结构紧凑、满足多种环境使用需求的有益效果，其方案如下：一种多栖机器人，包括机身，机身的周侧设置至少四个螺旋桨，机身内设置五个驱动电机，各驱动电机分别通过传动部件带动各个螺旋桨旋转，螺旋桨底侧部通过槽轮部件与转向电机连接以带动螺旋桨在竖直平面内旋转设定的角度，以使机器人实现空中或地面或水面或水下运动。

权利要求

1.一种机器人实现多栖的方法，其特征在于，采用一种机器人，所述机器人包括机身，机身的周侧设置至少四个螺旋桨，机身内设置若干驱动电机，各驱动电机分别通过传动部件带动螺旋桨旋转，螺旋桨底侧部通过槽轮部件与转向电机连接以带动螺旋桨在竖直平面内旋转设定的角度，以使机器人实现空中或地面或水面或水下运动；所述螺旋桨的螺旋桨轴底部设置与所述槽轮部件连接的转向部件，所述传动部件设于转向部件内；所述转向部件外设置电磁部件，螺旋桨轴套有弹簧，弹簧一端与电磁部件连接，在电磁部件通电产生磁力作用下弹簧被压缩，转向部件一侧设置导流管，导流管与转向部件固连随转向部件运动，且弹簧设于导流管内部；所述机身内部设置中心螺旋桨，中心螺旋桨由中心驱动电机带动旋转；所述转向电机通过圆柱齿轮将动力传递给第一齿轮轴，第一齿轮轴通过锥齿轮、第二传动轴与主动销轮连接，主动销轮与同所述转向部件连接的从动槽轮配合，以此带动四个转向部件的旋转；所述驱动电机与所述转向电机分别与控制器单独连接，控制器与远程遥控器无线连接；

使用步骤如下：

空中运动时：

1-1)转向电机控制螺旋桨转向部件旋转设定角度后，螺旋桨叶片与机身所在平面相互平行，且螺旋桨叶片在机身上方；若需实现机器人快速升降，则中心螺旋桨与四周螺旋桨同时动作；

1-2)各驱动电机分别控制各个螺旋桨旋转，通过控制不同螺旋桨的旋转速度以带动机器人在空中旋转、攀升或下降；

水面运动时：

2-1)转向电机控制螺旋桨转向部件旋转设定角度后，螺旋桨叶片与机身所在平面相互垂直；

2-2)各驱动电机分别控制各个螺旋桨旋转，通过控制不同螺旋桨的旋转速度以带动机器人在水面运动；

由水面进入水下运动时：

3-1)转向电机控制螺旋桨转向部件旋转设定角度后，螺旋桨叶片与机身所在平面相互平行，且螺旋桨叶片在机身下方；

3-2)各驱动电机分别控制各个螺旋桨旋转，此时可实现机器人从水面快速下潜至水下；

水下运动时：

4-1)转向电机控制螺旋桨转向部件旋转设定角度后，螺旋桨叶片与机身所在平面相互垂直；

4-2)各驱动电机分别控制各个螺旋桨旋转，此时，通过控制中心螺旋桨的旋转方向和转速，可实现机器人的竖直方向运动，通过调节四周螺旋桨的转速可实现机器人的转向和水平方向运动；

4-3)如需实现机器人的快速上浮或下潜，可调节四周螺旋桨旋转至机身上侧或下侧，使其与中心螺旋桨共同作用以达到快速上浮或下潜的要求；

地面运动时：

5-1)关闭电磁部件，使滑块与导流管内侧花键啮合，此时导流管与螺旋桨轴一同旋转；

5-2)转向电机控制螺旋桨转向部件旋转设定角度后，螺旋桨叶片与机身所在平面相互垂直；

5-3)各驱动电机分别控制各个螺旋桨旋转，带动导流管旋转，导流管外圈可实现轮胎功能从而实现机器人在地面运动，通过调节各个螺旋桨的转速实现机器人的地面运动时的转向；

5-4)若机器人遇到高地势或低洼地带无法通行时，控制机器人转换为飞行状态，越过无法通行地势后再降落到地面继续进行地面运动。

2.根据权利要求1所述的一种机器人实现多栖的方法，其特征在于，所述弹簧顶部设置滑块，滑块与所述的导流管的内花键可拆卸连接。

3.根据权利要求1所述的一种机器人实现多栖的方法，其特征在于，所述中心螺旋桨设于机身中心的开孔处。

4.根据权利要求1所述的一种机器人实现多栖的方法，其特征在于，所述机身侧部设置与控制器连接的图像采集器和定位部件，在机身侧部还设置机械手。

说明书

一种多栖机器人及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种多栖机器人及方法。

背景技术

[0002] 机器人是一个复杂的无人系统，用以代替人类进行复杂、艰苦甚至危险的工作，它涉及到电子、计算机、流体、结构、材料、液压、水声、光学、电磁、导航控制等多门学科，体现了一个国家的综合技术力量和水平。在水下机器人方面，我国水下机器人的研究已经取得了较大进步，且已广泛应用于包括海洋工程、港口建设、海洋石油、海事执法取证、科学研究和海军防务等诸多领域，用以完成水下搜救、探测打捞、深海资源调查、海底线管敷设与检查维修、水下考古、电站及水坝大坝检测等各项工作；在无人机方面，我国无人机研究起步于20世纪50年代，在90年代取得实质性进展。经过不懈努力，无人机技术取得长足进步，性能不断提高，已形成较为完善的无人机体系，各种类型、各种功能无人机已投入使用。但无人机与水下机器人等现有的几类机器人大都只能完成单一空间的运动，在某些有特殊要求的作业场合，并不能达到理想的作业效果。例如，当进行探险、考古作业等需要进入密室的作业时，为了防止损坏密室结构，通常通过在墙壁上打孔洞的方式送入带有摄像头的设备进行内部勘察，这时一台多栖机器人的多栖作业能力便能得到体现，在通过孔洞时，地面爬行功能是一种最理想的节省空间的运动方式，同时由于密室内部空间结构是未知的，为了近距离进行观察，机身密封性、空中飞行、地面爬行、水面漂浮、水下游动等能力便成了一台探测机器人的必备能力；当需要实现水下远距离运动时，可使机器人通过水面运动到达指定作业地点上方再下潜至指定地点，由于水面运动比水下运动阻力小，这样的运动方式既提高了工作效率又节省了能量。

[0003] 因此，需要对一种多栖机器人进行新的研究设计。

发明内容

[0004] 为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种多栖机器人，该机器人自身旋转与螺旋桨整体旋转单独控制，可实现机器人在空中、地面、水面、水下可靠运动。

[0005] 一种多栖机器人的具体方案如下：

[0006] 一种多栖机器人，包括机身，机身的周侧设置至少四个螺旋桨，机身内设置若干驱动电机，各驱动电机分别通过传动部件带动各个螺旋桨旋转，螺旋桨底侧部通过槽轮部件与转向电机连接以带动螺旋桨在竖直平面内旋转设定的角度，以使机器人实现空中或地面或水面或水下运动。

[0007] 该机器人中，机身带有密封舱，对传动部件、驱动电机、转向电机和槽轮部件进行有效密封，以避免机器人在水下失效，且在机身表面覆盖有浮力板，以保证机器人在水下运动时所受到的浮力略大于机身重力。

[0008] 进一步地，所述螺旋桨的螺旋桨轴底部设置与所述槽轮部件连接的转向部件，所述传动部件设于转向部件内。

[0009] 传动部件可以是两个第一锥齿轮的配合，或者半交叉传送带，或者蜗轮蜗杆。

[0010] 进一步地，所述转向部件外设置电磁部件，螺旋桨轴套有弹簧，弹簧一端与电磁部件连接，在电磁部件通电产生磁力作用下弹簧被压缩，转向部件一侧设置导流管，导流管与转向部件固连随转向部件运动，弹簧设于导流管内部。

[0011] 进一步地，所述弹簧顶部设置滑块，螺旋桨轴为花键轴，所述滑块内侧开有内花键，外侧开有外花键，滑块内侧花键与螺旋桨轴啮合，滑块外侧花键与导流管内侧内花键啮合，使导流管与螺旋桨轴周向固定，并跟随螺旋桨轴旋转，导流管为一中空的T型管，其即可跟随转向部件的转动而转动，也可相对转向部件做周向运动，且表面中空以避免对螺旋桨旋转的干扰。

[0012] 转向部件包括一设有空腔的壳体，壳体顶部固定有电磁部件，电磁部件与弹簧连接，壳体内部用于设置锥齿轮，壳体一侧设置套管，套管内设置与锥齿轮连接的转轴。当开启电磁部件时，在磁力作用下，滑块压缩弹簧并与导流管内侧的内花键脱离啮合，并跟随转向部件运动；关闭电磁部件时，磁力消失，在弹簧弹力作用下，滑块内侧花键与螺旋桨轴啮合，滑块外侧花键与导流管内侧内花键啮合，使导流管与螺旋桨轴周向固定，并跟随螺旋桨轴旋转。

[0013] 进一步地，所述机身内部设置中心螺旋桨，中心螺旋桨由中心驱动电机带动旋转，机身上表面设置开孔，以保证中心螺旋桨的工作，且中心螺旋桨设于机身中心。

[0014] 进一步地，中心螺旋桨安装在机身中心的开孔处。

[0015] 进一步地，所述转向电机通过圆柱齿轮将动力传递给第一齿轮轴，第一齿轮轴通过锥齿轮、第二传动轴与主动销轮连接，主动销轮与同所述转向部件连接的从动槽轮配合，以此带动四个转向部件的旋转，从动槽轮设于套管外部，以带动转向部件壳体的旋转，套管穿过机身设置。

[0016] 其中，为了方便控制，若周侧设置四个螺旋桨，机身为长方体结构，则机身四角设置的各驱动电机、传动部件和螺旋桨关于机身的两中心面对称设置。

[0017] 进一步地，所述驱动电机与所述转向电机分别与控制器单独连接，控制器与远程遥控器无线连接。

[0018] 进一步地，所述机身侧部设置与控制器连接的图像采集器和定位部件，在机身侧部还设置机械手，机械手用于空中或水下作业，机械手对称设于机身侧部，定位部件包括GPS和惯性导航系统，用于获取机器人工作时的实时准确位置。

[0019] 图像采集器包括用于拍照的照相机组和用于摄像的摄像头组，安装在机身首尾两端，以用于在各种运动形态下快速采集信息。

[0020] 机身首尾两端各安装左右两个照明灯，照明灯安装在机身密封舱内，并由控制器控制其亮度。

[0021] 一种机器人实现多栖的方法，采用所述的一种多栖机器人，使用步骤如下：

[0022] 1-1)转向电机控制螺旋桨转向部件旋转设定角度后，螺旋桨叶片与机身所在平面相互平行，且螺旋桨叶片在机身上方；若需实现机器人快速升降，则中心螺旋桨与四周螺旋桨同时动作；

[0023] 1-2)各驱动电机分别控制各个螺旋桨旋转，通过控制不同螺旋桨的旋转速度以带动机器人在空中旋转、攀升或下降；

[0024] 水面运动时：

[0025] 2-1)转向电机控制螺旋桨转向部件旋转设定角度后，螺旋桨叶片与机身所在平面相互垂直；

[0026] 2-2)各驱动电机分别控制各个螺旋桨旋转，通过控制不同螺旋桨的旋转速度以带动机器人在水面运动；

[0027] 由水面进入水下运动时：

[0028] 3-1)转向电机控制螺旋桨转向部件旋转设定角度后，螺旋桨叶片与机身所在平面相互平行，且螺旋桨叶片在机身下方；

[0029] 3-2)各驱动电机分别控制各个螺旋桨旋转，此时可实现机器人从水面快速下潜至水下；

[0030] 水下运动时：

[0031] 4-1)转向电机控制螺旋桨转向部件旋转设定角度后，螺旋桨叶片与机身所在平面相互垂直；

[0032] 4-2)各驱动电机分别控制各个螺旋桨旋转，此时，通过控制中心螺旋桨的旋转方向和转速，可实现机器人的竖直方向运动，通过调节四周螺旋桨的转速可实现机器人的转向和水平方向运动；

[0033] 4-3)如需实现机器人的快速上浮或下潜，可调节四周螺旋桨旋转至机身上侧或下侧，使其与中心螺旋桨共同作用以达到快速上浮或下潜的要求；

[0034] 地面运动时：

[0035] 5-1)关闭电磁部件，使滑块与导流管内侧花键啮合，此时导流管与螺旋桨轴一同旋转；

[0036] 5-2)转向电机控制螺旋桨转向部件旋转设定角度后，螺旋桨叶片与机身所在平面相互垂直；

[0037] 5-3)各驱动电机分别控制各个螺旋桨旋转，带动导流管旋转，导流管外圈可实现轮胎功能从而实现机器人在地面运动，通过调节各个螺旋桨的转速实现机器人的地面运动时的转向；

[0038] 5-4)若机器人遇到高地势或低洼地带无法通行时，控制机器人转换为飞行状态，越过无法通行地势后再降落到地面继续进行地面运动。

[0039] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0040] 1)本发明通过转向电机与槽轮部件的设置，可带动螺旋桨部件相对于机身的旋转，满足机器人在不同环境的运动需求。

[0041] 2)本发明通过导流管的设置，可使导流管跟随螺旋桨或转向部件运动，当导流管跟随螺螺旋桨轴旋转时可代替轮胎来实现机器人的地面运动。

[0042] 3)本发明机器人在不耗费动力的情况下实现水面漂浮，能够降低能耗，并能在能量不足的情况下迅速上浮，提高了完成水下工作时的可靠性。

附图说明

[0043] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

[0044] 图1是本发明一种多栖机器人结构示意图；

[0045] 图2是本发明一种多栖机器人在空中运动时侧视图；

[0046] 图3是本发明一种多栖机器人俯视图；

[0047] 图4是本发明一种多栖机器人在水面运动时侧视图；

[0048] 图5是本发明图1中部分结构示意图；

[0049] 其中：1、7、9、15为螺旋桨，2、6、10、14为转向部件，3、5、11、13为照明灯，21、23、31、33、50为驱动电机，4、12为图像采集器，8为机身，16为叶片，17为浮力板，19、25、26、29、35、
36、39、41、42、51为第一锥齿轮，46、47为第二锥齿轮，40、43、44、49为主动销轮，20、24、30、
34为从动槽轮，27为蓄电池组，37为定位部件，38为控制器，52为转向电机，22、32为第二齿轮轴，28为第一齿轮轴，53为机械手，54为螺旋桨轴，55为导流管，56为滑块，57为电磁部件，
58为滚子轴承，59为内花键，60为推力球轴承，61为弹簧，62为转向壳体。

具体实施方式

[0050] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0051] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0052] 正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种多栖机器人。

[0053] 本申请的一种典型的实施方式中，如图2所示，一种多栖机器人，包括机身，机身的周侧设置至少四个螺旋桨1、7、9、15，机身内设置驱动电机21、23、31、33、50，驱动电机21、23、31、33、50通过传动部件带动各自对应的螺旋桨1、7、9、15、16旋转，螺旋桨1、7、9、15底侧部通过槽轮部件与转向电机52连接以带动螺旋桨在竖直平面内旋转设定的角度，以使机器人实现空中或地面或水面或水下运动。

[0054] 该机器人中，机身带有密封舱，对传动部件、驱动电机21、23、31、33、50、转向电机52和槽轮部件进行有效密封，以避免机器人在水下失效，且在机身表面覆盖有浮力板17，以保证机器人在水下运动时所受到的浮力大于机身重力。

[0055] 螺旋桨轴54为花键轴，所述滑块内侧开有内花键，外侧开有外花键，滑块内侧花键与螺旋桨轴啮合，滑块外侧花键与导流管内侧内花键59啮合，使导流管与螺旋桨轴周向固定，并跟随螺旋桨轴旋转，螺旋桨轴底部设置与槽轮部件连接的转向部件，所述传动部件设于转向部件内，导流管55与转向部件通过滚子轴承58固定连接。

[0056] 在电磁机构未通电的情况下，与螺旋桨轴54通过滑键连接的滑块56在弹簧61弹力作用下与导流管通过花键连接，实现螺旋桨轴与导流管的周向固定，即导流管可在驱动电机的驱动下带动机器人实现机器人的地面运动；在电磁机构通电的情况下，在磁力的作用下，滑块会压缩弹簧并与导流管内侧花键脱离啮合，此时，导流管仅通过轴承与转向壳体62固定，不跟随螺旋桨轴转动，滑块56通过推力球轴承60与弹簧61固定。

[0057] 本方案的导流管通过滚子轴承58与转向壳体62连接，可实现与转向壳体62的轴向固定和相对旋转运动。在实现地面运动时，由于导流管与转向壳体通过轴承实现连接，可以保证在实现地面运动时，电磁机构的稳定性。

[0058] 传动部件可以是两个第一锥齿轮25、26的配合，或者半交叉传送带，或者蜗轮蜗杆。

[0059] 转向部件固定有电磁部件57，螺旋桨轴套有可与导流管55通过花键连接的滑块56，在电磁部件通电产生磁力作用下滑块56向下滑动并压缩弹簧，导流管55与滑块脱离啮合，不跟随螺旋桨轴转动。转向部件2、6、10、14包括一设有空腔的壳体，壳体顶部设置与弹簧连接的电磁部件，壳体内部用于设置锥齿轮，壳体一侧设置套管，套管内设置与锥齿轮连接的转轴。

[0060] 机身8内部设置中心螺旋桨，驱动电机50带动中心螺旋桨18旋转，中心螺旋桨18叶片状态与螺旋桨叶片的状态保持一致。

[0061] 转向电机52通过圆柱齿轮将动力传递给第一齿轮轴28，第一齿轮轴28通过第二锥齿轮46、47、第二传动轴22、32与主动销轮40、43、44、49连接，主动销轮40、43、44、49为与同所述转向部件连接的从动槽轮20、24、30、34配合，以此带动四个转向部件的旋转，从动槽轮20、24、30、34设于套管外部，以带动转向部件壳体的旋转，套管穿过机身设置。

[0062] 其中，为了方便控制，若周侧设置四个螺旋桨，机身为长方体结构，则机身四角设置的各驱动电机、传动部件和螺旋桨关于机身的两中心面对称设置。

[0063] 驱动电机与所述转向电机分别与控制器38单独连接，控制器38与远程遥控器通过无线模块进行无线连接。

[0064] 机身侧部设置与控制器连接的图像采集器和定位部件，在机身侧部还设置机械手53，机械手53用于空中或水下作业，机械手53对称设于机身侧部，定位部件包括GPS和惯性导航系统，用于获取机器人工作时的实时准确位置。

[0065] 图像采集器包括用于拍照的照相机组和用于摄像的摄像头组，安装在机身首尾两端，以用于在各种运动形态下快速采集信息。

[0066] 机身首尾两端各安装左右两个照明灯，照明灯3、5、11、13安装在机身密封舱内，并由控制器控制其亮度。

[0067] 一种机器人实现多栖的方法，采用所述的一种多栖机器人，使用步骤如下：

[0068] 1-1)转向电机控制螺旋桨转向部件旋转设定角度后，螺旋桨叶片与机身所在平面相互平行，且螺旋桨叶片在机身上方；若需实现机器人快速升降，则中心螺旋桨与四周螺旋桨同时动作；

[0069] 1-2)各驱动电机分别控制各个螺旋桨旋转，通过控制不同螺旋桨的旋转速度以带动机器人在空中旋转、攀升或下降；

[0070] 水面运动时：

[0071] 2-1)转向电机控制螺旋桨转向部件旋转设定角度后，螺旋桨叶片与机身所在平面相互垂直；

[0072] 2-2)各驱动电机分别控制各个螺旋桨旋转，通过控制不同螺旋桨的旋转速度以带动机器人在水面运动；

[0073] 由水面进入水下运动时：

[0074] 由水面进入水下运动时：

[0075] 3-1)转向电机控制螺旋桨转向部件旋转设定角度后，螺旋桨叶片与机身所在平面相互平行，且螺旋桨叶片在机身下方；

[0076] 3-2)各驱动电机分别控制各个螺旋桨旋转，此时可实现机器人从水面快速下潜至水下；

[0077] 水下运动时：

[0078] 4-1)转向电机控制螺旋桨转向部件旋转设定角度后，螺旋桨叶片与机身所在平面相互垂直；

[0079] 4-2)各驱动电机分别控制各个螺旋桨旋转，此时，通过控制中心螺旋桨的旋转方向和转速，可实现机器人的竖直方向运动，通过调节四周螺旋桨的转速可实现机器人的转向和水平方向运动；

[0080] 4-3)如需实现机器人的快速上浮或下潜，可调节四周螺旋桨旋转至机身上侧或下侧，使其与中心螺旋桨共同作用以达到快速上浮或下潜的要求；

[0081] 地面运动时：

[0082] 5-1)关闭电磁部件，使滑块与导流管内侧花键啮合，此时导流管与螺旋桨轴一同旋转；

[0083] 5-2)转向电机控制螺旋桨转向部件旋转设定角度后，螺旋桨叶片与机身所在平面相互垂直；

[0084] 5-3)各驱动电机分别控制各个螺旋桨旋转，带动导流管旋转，导流管外圈可实现轮胎功能从而实现机器人在地面运动，通过调节各个螺旋桨的转速实现机器人的地面运动时的转向；

[0085] 5-4)若机器人遇到高地势或低洼地带无法通行时，控制机器人转换为飞行状态，越过无法通行地势后再降落到地面继续进行地面运动。

[0086] 以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。