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一种水陆空机器人及其协作控制系统

阅读：934发布：2021-02-24

IPRDB可以提供一种水陆空机器人及其协作控制系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及机器人技术领域，一种水陆空机器人，其两个机翼分别设置在壳体的左右两侧，所述壳体底面前方设置两个驱动轮，壳体底面的后方设置一个从动轮，所述动力扇设置在壳体的尾部，所述动力系统置于壳体内部，该动力系统的动力输出末端可切换的连接动力扇或壳体底面前方的两个轮子；动力系统包括动力电机、底板、滑台和动力切换电缸，其中滑台可前后移动的安装在底板上，所述动力切换电杆驱动端连接滑台并可带动滑台前后滑动；所述动力电机固定安装在滑台上，所述动力电机具为双输出端电机，动力电机包括第一动力输出杆和第二动力输出杆。本水陆空机器人可切换水陆空三栖不同状态的行驶方式，并可以通过离合装置切换机器人的移动方向。，下面是一种水陆空机器人及其协作控制系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种水陆空机器人，其特征在于：包括壳体、动力扇、两个机翼、驱动力、从动轮和动力系统，其中所述壳体前端为楔形，所述两个机翼分别设置在壳体的左右两侧，所述壳体底面前方设置两个驱动轮，壳体底面的后方设置一个从动轮，所述动力扇设置在壳体的尾部，所述动力系统置于壳体内部，该动力系统的动力输出末端可切换的连接动力扇或壳体底面前方的两个驱动力；

所述动力系统包括动力电机、底板、滑台和动力切换电缸，其中滑台可前后移动的安装在底板上，所述动力切换电杆驱动端连接滑台并可带动滑台前后滑动；所述动力电机固定安装在滑台上，所述动力电机具为双输出端电机，动力电机包括第一动力输出杆和第二动力输出杆，在第一状态时，所述第一动力输出杆和驱动轮连动；在第二状态时，所述第二动力输出杆和所述动力扇连动。

2.根据权利要求1所述的水陆空机器人，其特征在于：所述动力系统还包括连接两个驱动轮的前轴、以及连接动力扇的连动系统，所述前轴上设有前轴齿轮，所述连动系统的动力输出端为动力输出齿轮，所述第一动力输出杆上具有第一动力齿轮，所述第二动力输出杆上具有第二动力齿轮；在第一状态时，所述前轴齿轮和第一动力齿轮啮合；在第二状态时，所述动力输出齿轮和第二动力齿轮啮合。

3.根据权利要求2所述的水陆空机器人，其特征在于：所述动力扇有两个，所述连动系统包括第一传动齿轮、传动轴、第二传动齿轮、后驱动轴、第三传动齿轮、第四传动齿轮和动力输出轴，所述动力输出齿轮设置在传动轴的第一端，所述第一传动齿轮设置在传动轴的第二端，所述第二传动齿轮设置在后驱动轴中间位置，后驱动轴的两端分别动力连接第三传动齿轮，所述动力输出轴的第一端安装第四传动齿轮，动力输出轴的第二端连接动力扇，所述第三传动齿轮和第四传动齿轮啮合。

4.根据权利要求3所述的水陆空机器人，其特征在于：所述连动系统包括差速系统，该差速系统控制动力电机与两个动力扇的动力连接状态，使得两个所述动力扇形成转速差。

5.根据权利要求4所述的水陆空机器人，其特征在于：所述差速系统有两套，且每个动力扇与一套差速系统动力连接，所述差速系统包括顶板、连动轴、套筒、弹簧、外离合片和内离合片，所述动力系统还包括微动装置，所述后驱动轴两端分别安装内离合片，所述顶板固定设置，所述顶板连动轴的第一端可转动的安装在顶板内，所述后驱动轴的第二端固定连接外离合片的外壁，所述第三传动齿轮安装在连动轴上，所述套筒套装在第三传动齿轮外侧，所述弹簧套装在套筒外侧，且弹簧的两端分别抵接在顶板的内壁和外离合片的内壁，所述套筒和弹簧配合限制外离合片和内离合片的压紧力度；所述微动装置的动力端与所述后驱动轴连接，所述微动装置可推动后驱动轴轴向微动。

6.根据权利要求5所述的水陆空机器人，其特征在于：所述传动轴上均具有万向节。

7.根据权利要求5所述的水陆空机器人，其特征在于：所述后驱动轴上设有万向节。

8.根据权利要求5所述的水陆空机器人，其特征在于：所述微动装置为可切换三个位置状态的微动电机。

9.协作控制系统，用于控制如权利要求5-8任一项所述的水陆空机器人，其特征在于，所述协作控制系统包括：控制单元，其与动力电机、动力切换电缸和微动装置信号连接；

GPRS模块，其与控制单元信号连接，该GPRS模块用于检测水陆空机器人的位置状态和高度状态；

三轴传感器，其与控制单元信号连接，该三轴传感器用于检测水陆空机器人的移动倾角状态；

视觉模块，其与控制单元信号连接，该视觉模块用于检测水陆空机器人前方着陆面的类型；

所述控制单元与所述动力切换电缸、微动装置和动力电机信号连接，并控制动力切换电缸、微动装置和动力电机的工作状态。

10.根据权利要求9所述的协作控制系统，其特征在于：所述协作控制系统还包括与所述控制单元信号连接的通信模块和储存模块，其中所述通信模块用于与外部控制台信号连接；所述储存模块用于记录水陆空机器人的飞行状态和工作状态。

说明书全文

一种水陆空机器人及其协作控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及机器人技术领域，更具体的说是一种水陆空三栖机器人。

背景技术

[0002] 机器人是自动控制机器(Robot)的俗称，自动控制机器包括一切模拟人类行为或思想与模拟其他生物的机械(如机器狗，机器猫等)。狭义上对机器人的定义还有很多分类法及争议，有些电脑程序甚至也被称为机器人。在当代工业中，机器人指能自动执行任务的人造机器装置，用以取代或协助人类工作。理想中的高仿真机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机与人工智能、材料学和仿生学的产物，目前科学界正在向此方向研究开发。

[0003] 机器人经常性在水陆空三种地段交叉作业，三栖机器人的研究并不成熟，因此，发明一种水陆空三栖机器人很有必要。

发明内容

[0004] 为解决上述问题，本发明提供一种水陆空机器人，其可以通过简单的驱动机构切换三栖移动状态。另外，本发明还提供一种控制其自动切换移动状态的协作系统。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0006] 一种水陆空机器人，包括壳体、动力扇、两个机翼、驱动力、从动轮和动力系统，其中所述壳体前端为楔形，所述两个机翼分别设置在壳体的左右两侧，所述壳体底面前方设置两个驱动轮，壳体底面的后方设置一个从动轮，所述动力扇设置在壳体的尾部，所述动力系统置于壳体内部，该动力系统的动力输出末端可切换的连接动力扇或壳体底面前方的两个轮子；

[0007] 所述动力系统包括动力电机、底板、滑台和动力切换电缸，其中滑台可前后移动的安装在底板上，所述动力切换电杆驱动端连接滑台并可带动滑台前后滑动；所述动力电机固定安装在滑台上，所述动力电机具为双输出端电机，动力电机包括第一动力输出杆和第二动力输出杆，在第一状态时，所述第一动力输出杆和驱动轮连动；在第二状态时，所述第二动力输出杆和所述动力扇连动。

[0008] 作为优选的，所述动力系统还包括连接两个驱动轮的前轴、以及连接动力扇的连动系统，所述前轴上设有前轴齿轮，所述连动系统的动力输出端为动力输出齿轮，所述第一动力输出杆上具有第一动力齿轮，所述第二动力输出杆上具有第二动力齿轮；在第一状态时，所述前轴齿轮和第一动力齿轮啮合；在第二状态时，所述动力输出齿轮和第二动力齿轮啮合。

[0009] 作为优选的，所述动力扇有两个，所述连动系统包括第一传动齿轮、传动轴、第二传动齿轮、后驱动轴、第三传动齿轮、第四传动齿轮和动力输出轴，所述动力输出齿轮设置在传动轴的第一端，所述第一传动齿轮设置在传动轴的第二端，所述第二传动齿轮设置在后驱动轴中间位置，后驱动轴的两端分别动力连接第三传动齿轮，所述动力输出轴的第一端安装第四传动齿轮，动力输出轴的第二端连接动力扇，所述第三传动齿轮和第四传动齿轮啮合。

[0010] 作为优选的，所述动力扇有两个，所述连动系统包括差速系统，该差速系统控制动力电机与两个动力扇的动力连接状态，使得两个所述动力扇形成转速差。

[0011] 作为优选的，所述差速系统有两套，且每个动力扇与一套差速系统动力连接，所述差速系统包括顶板、连动轴、套筒、弹簧、外离合片和内离合片，所述动力系统还包括微动装置，所述后驱动轴两端分别安装内离合片，所述顶板固定设置，所述顶板连动轴的第一端可转动的安装在顶板内，所述后驱动轴的第二端固定连接外离合片的外壁，所述第三传动齿轮安装在连动轴上，所述套筒套装在第三传动齿轮外侧，所述弹簧套装在套筒外侧，且弹簧的两端分别抵接在顶板的内壁和外离合片的内壁，所述套筒和弹簧配合限制外离合片和内离合片的压紧力度；所述微动装置的动力端与所述后驱动轴连接，所述微动装置可推动后驱动轴轴向微动。

[0012] 作为优选的，所述传动轴上均具有万向节。

[0013] 作为优选的，所述后驱动轴上设有万向节。

[0014] 作为优选的，所述微动装置为可切换三个位置状态的微动电机

[0015] 另外，本发明还提出一种协作控制系统，用于控制如上述任一项所述的水陆空机器人，所述协作控制系统包括：

[0016] 控制单元，其与动力电机、动力切换电缸和微动装置信号连接；

[0017] GPRS模块，其与控制单元信号连接，该GPRS模块用于检测水陆空机器人的位置状态和高度状态；

[0018] 三轴传感器，其与控制单元信号连接，该三轴传感器用于检测水陆空机器人的移动倾角状态；

[0019] 视觉模块，其与控制单元信号连接，该视觉模块用于检测水陆空机器人前方着陆面的类型；

[0020] 所述控制单元与所述动力切换电缸、微动装置和动力电机信号连接，并控制动力切换电缸、微动装置和动力电机的工作状态。

[0021] 作为优选的，所述协作控制系统还包括与所述控制单元信号连接的通信模块和储存模块，其中所述通信模块用于与外部控制台信号连接；所述储存模块用于记录水陆空机器人的飞行状态和工作状态。

[0022] 本发明的有益效果是：

[0023] 本水陆空机器人可切换水陆空三栖不同状态的行驶方式，并可以通过离合装置切换机器人的移动方向。

[0024] 另外，本机器人可通过协作控制系统实现主动和被动两种方式实现动力状态的切换。

附图说明

[0025] 图1为本发明水陆空机器人外部结构示意图。

[0026] 图2为本发明水陆空机器人动力系统示意图。

[0027] 图3为本发明水陆空机器人另一状态的动力系统示意图。

[0028] 图4为本发明水陆空机器人转向系统示意图。

[0029] 图5为本发明水陆空机器人协作控制系统模块连接示意图。

[0030] 图6为本发明水陆空机器人着陆位置监控状态。

[0031] 图7为本发明水陆空机器人另一角度的着陆位置监控状态。

[0032] 附图标记包括：

[0033] 100-壳体，110-机翼，120-支撑架，121-轮子，130-动力扇，140-透视窗，200-动力电机，210-第一动力输出杆，211-第一动力齿轮，220-第二动力输出杆，221-第二动力齿轮，230-动力输出齿轮，240-前轴，241-前轴齿轮，250-底板，260-滑台，270-动力切换电缸，
271-连接杆，310-第一传动齿轮，320-传动轴，321-万向节，330-第二传动齿轮，331-后驱动轴，332-内离合片，341-顶板，342-连动轴，343-套筒，344-弹簧，345-第三传动齿轮，346-外离合片，351-第四传动齿轮，352-动力输出轴，361-微动电机，362-推杆，410-控制单元，
420-GPRS模块，430-三轴传感器，440-视觉模块，480-储存模块，490-通信模块。

具体实施方式

[0034] 以下结合附图对本发明进行详细的描述。

[0035] 如图1-图7所示，本实施例提供了一种水陆空机器人，包括壳体100、动力扇130、两个机翼110、驱动轮、从动轮和动力系统，其中壳体100前端为楔形，两个机翼110分别设置在壳体100的左右两侧，壳体100底面前方设置两个驱动轮，壳体100底面的后方设置一个从动轮，动力扇130设置在壳体100的尾部，动力系统置于壳体100内部，该动力系统的动力输出末端可切换的连接动力扇130或壳体100底面前方的两个轮子121；动力系统包括动力电机200、底板250、滑台260和动力切换电缸270，其中滑台260可前后移动的安装在底板250上，动力切换电杆驱动端连接滑台260并可带动滑台260前后滑动；动力电机200固定安装在滑台260上，动力电机200具为双输出端电机，动力电机200包括第一动力输出杆210和第二动力输出杆220，在第一状态时，第一动力输出杆210和驱动轮连动；在第二状态时，第二动力输出杆220和动力扇130连动。

[0036] 如图1所示，本实施例中，壳体100前端为楔形并且流线形，具有较好的空气动力学特征。壳体100的左右两侧分别设置机翼110，机翼110符合滑翔机设计特征，壳体100的底部由三个支撑架120，其中前方有两个支撑架120，后方有一个支撑架120，支撑架120底部有轮子121，其中前两个轮子121为驱动轮，后面的轮子121为从动轮，每一轮子121和壳体100之间均通过单独设计的减震筒连接。壳体100尾部放置动力扇130，作为水路和飞行状态下的驱动装置，在壳体100前端设置透视窗140，该透视窗140位置放置视觉模块440中的图像获取模块。

[0037] 本实施例中，动力系统还包括连接两个驱动轮的前轴240、以及连接动力扇130的连动系统，前轴240上设有前轴齿轮241，连动系统的动力输出端为动力输出齿轮230，第一动力输出杆210上具有第一动力齿轮211，第二动力输出杆220上具有第二动力齿轮221；在第一状态时，前轴齿轮241和第一动力齿轮211啮合；在第二状态时，动力输出齿轮230和第二动力齿轮221啮合。

[0038] 如图2所示，本实施例中的前轴240连接前面的两个轮子121，前轴240上套装前轴齿轮241。动力输出齿轮230和动力扇130动力连接。如图2所示，图2显示本机器人的第二状态，第二状态是水上移动模式和飞行移动模式的动力连接状态，即动力切换电缸270在伸出状态，此时动力电机200通过第二动力输出杆220输出动力，第二动力输出杆220上的第二动力齿轮221和动力输出齿轮230齿啮合，可带动动力扇130转动。

[0039] 如图3所示，图3中的状态为第一状态，第一状态为陆地移动状态，此时动力切换电缸270通过连接杆271将滑台260从底板250的一端拉回到另一端，使得动力电机200和动力扇130的传动脱开，并将动力电机200输出动力传递到轮子121上。在此状态下，动力电机200的第一动力输出杆210上的第一动力齿轮211和前轴240上的前轴齿轮241啮合。

[0040] 如图4所示，动力扇130有两个，连动系统包括第一传动齿轮310、传动轴320、第二传动齿轮330、后驱动轴331、第三传动齿轮345、第四传动齿轮351和动力输出轴352，动力输出齿轮230设置在传动轴320的第一端，第一传动齿轮310设置在传动轴320的第二端，第二传动齿轮330设置在后驱动轴331中间位置，后驱动轴331的两端分别动力连接第三传动齿轮345，动力输出轴352的第一端安装第四传动齿轮351，动力输出轴352的第二端连接动力扇130，第三传动齿轮345和第四传动齿轮351啮合。

[0041] 在本实施例中，动力扇130有两个，连动系统包括差速系统，该差速系统控制动力电机200与两个动力扇130的动力连接状态，使得两个动力扇130形成转速差。

[0042] 差速系统有两套，且每个动力扇130与一套差速系统动力连接，差速系统包括顶板341、连动轴342、套筒343、弹簧344、外离合片346和内离合片332，动力系统还包括微动装置，后驱动轴331两端分别安装内离合片332，顶板341固定设置，顶板341连动轴342的第一端可转动的安装在顶板341内，后驱动轴331的第二端固定连接外离合片346的外壁，第三传动齿轮345安装在连动轴342上，套筒343套装在第三传动齿轮345外侧，弹簧344套装在套筒
343外侧，且弹簧344的两端分别抵接在顶板341的内壁和外离合片346的内壁，套筒343和弹簧344配合限制外离合片346和内离合片332的压紧力度；微动装置的动力端与后驱动轴331连接，微动装置可推动后驱动轴331轴向微动。

[0043] 具体的，动力输出齿轮230通过传动轴320将动力传递到第一传动齿轮310，然后第一传动齿轮310通过和第二传动齿轮330啮合，第二传动齿轮330通过后驱动轴331将动力传递到内离合片332，并带动内离合片332旋转。在一般状态下，内离合片332和外离合片346具有相同的角速度，进而外离合片346带动连动轴342转动，连动轴342上的第三传动齿轮345带动第四传动齿轮351转动，最终第四传动齿轮351通过动力输出轴352带动动力扇130转动。在此状态下，两个动力扇130的转速相同，机器人可直线移动。

[0044] 在第二状态中机器人需要转弯时，微动电机361驱动推杆362移动，例如机器人需要向右侧转弯时，微动电机361带动推杆362收回，此时左侧的内离合片332和外离合片346依然具有相同的角速度，右侧的内离合片332和外离合片346相互的压紧力较小，使得右侧的内离合片332和外离合片346形成角速度差，进而左侧的动力扇130的转速大于右侧动力扇130的转送，最终推动机器人向右侧转弯。

[0045] 机器人向左转弯与向右转弯原理相同，不再赘述。

[0046] 可以理解的，弹簧344的作用是提供压紧力，使得内离合片332和外离合片346保持相同的角速度，套筒343的作用是保持弹簧344不干扰第三传动齿轮345和第四传动齿轮351的啮合。为了方便弹簧344收缩，套筒343的长度小于顶板341和外离合片346之间的间距。

[0047] 微动装置为可切换三个位置状态的微动电机361。微动电机361有三个状态，分别是机器人直线行走时，推杆362位置在中间，转弯时，推杆362的位置在中间位置的左右两侧平移位置。

[0048] 传动轴320上均具有万向节321。后驱动轴331上设有万向节321。在本机器人转弯时，后驱动轴331会左右移动，通过万向节321的设置，解决的齿轮啮合角度的问题。

[0049] 本实施例中，动力输出齿轮230和第一传动齿轮310之间设置万向节321。第二传动齿轮330和左右两个内离合片332之间设置万向节(图中未示出)。

[0050] 如图5所示，另外，本实施例还提出一种协作控制系统，用于控制如上述任一项的水陆空机器人，协作控制系统包括：

[0051] 控制单元410，其与动力电机200、动力切换电缸270和微动装置信号连接；

[0052] GPRS模块420，其与控制单元410信号连接，该GPRS模块420用于检测水陆空机器人的位置状态和高度状态；

[0053] 三轴传感器430，其与控制单元410信号连接，该三轴传感器430用于检测水陆空机器人的移动倾角状态；

[0054] 视觉模块440，其与控制单元410信号连接，该视觉模块440用于检测水陆空机器人前方着陆面的类型；

[0055] 控制单元410与动力切换电缸270、微动装置和动力电机200信号连接，并控制动力切换电缸270、微动装置和动力电机200的工作状态。

[0056] 协作控制系统还包括与控制单元410信号连接的通信模块490和储存模块480，其中通信模块490用于与外部控制台信号连接；储存模块480用于记录水陆空机器人的飞行状态和工作状态。

[0057] 具体的，在本机器人从飞行状态切换到陆地或水面移动状态时，需要通过视觉模块440捕捉下方状态，以判断下方是陆地还是水面。如图6所示，在位置较低的A1状态时，视觉模块440获取图像中有效的区域角度较小，在A2状态时，视觉模块440获取图像中有效的区域角度较大。机器人飞行高度的测量通过GPRS模块420定位和视觉模块440中虚拟坐标尺的设置，完成飞行高度测量。

[0058] 在控制单元410检测到机器人飞行高度低于阈值时，视觉模块440获取有效图像区域。如图7所示，圆形范围内有视觉模块440获取的有效图像区域，其中B2为水面，B1为陆地，视觉模块440通过水平波纹反光形成的图像判定该区域是水面还是陆地，当水面的面积大于有效图像区域的70％时，盘底着落在水面，机器人保持在第二状态。当判定水面的面积小于或等于有效图像区域的70％时，控制单元410驱动动力切换电机切换动力状态，即机器人转变为第一状态。

[0059] 三轴传感器430传感器的作用是判定机器人的倾角，以判定机器人在飞行状态时的状态，可以检测到转弯状态，起降状态等等。

[0060] 当机器人从水面和陆地起飞时，动力电机200输出功率变大，通过机翼110产生的抬升力，使机器人起飞。在机器人下落时，控制单元410控制动力电机200减小输出功率，实现机器人滑翔下落。在此过程中三轴传感器430一直监视机器人的倾角状态。

[0061] 通信模块490可使得操作人员远程遥控机器人，操作机器人移动、飞行状态中的升降、机器人的转弯等等动作。

[0062] 储存模块480可以视为黑匣子，也可以内置控制程序和视觉模块440的判定程序和算法。

[0063] 本机器人可以通过佩戴例如摄像头和传感器，以实现拍摄图像、无线遥感、采集数据等多种功能。本机器人通过和其他装置的组合完成特定功能。

[0064] 以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本发明的保护范围。

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