本發(fā)明屬于無(wú)人機(jī)，尤其涉及一種基于旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器的可變形四旋翼三棲機(jī)器人。

背景技術(shù)：

1、在復(fù)雜地貌環(huán)境下執(zhí)行偵察、搜救、巡檢等有人裝備難以快速抵達(dá)或接近的任務(wù)時(shí)，具備能夠在地空水三種介質(zhì)中機(jī)動(dòng)的機(jī)器人是任務(wù)效能的核心。多旋翼無(wú)人機(jī)具備機(jī)動(dòng)靈活、起降場(chǎng)地要求低的優(yōu)點(diǎn)，但其續(xù)航時(shí)間短，適合快速機(jī)動(dòng)和空中搜索；地面無(wú)人車(chē)噪音低、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，但機(jī)動(dòng)速度慢、信號(hào)易受地貌遮蔽，適合長(zhǎng)時(shí)間抵近偵察；水下潛航器能夠在水下環(huán)境作業(yè)，但其部署速度慢、功能單一。為此，在復(fù)雜地貌環(huán)境執(zhí)行上述任務(wù)時(shí)，經(jīng)常需要多臺(tái)套無(wú)人設(shè)備配合交替使用才能完全覆蓋任務(wù)區(qū)域。為此，多個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)陸續(xù)開(kāi)發(fā)能夠跨介質(zhì)機(jī)動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng)。

2、如圖1所示，由同濟(jì)大學(xué)上海智能自主系統(tǒng)研究所和香港中文大學(xué)無(wú)人系統(tǒng)研究小組合作開(kāi)發(fā)tj-flyingfish（同濟(jì)飛魚(yú)無(wú)人機(jī)）是一款具備空中及潛航機(jī)動(dòng)的無(wú)人機(jī)。tj-flyingfish由一個(gè)中央圓頂機(jī)身和呈十字型對(duì)稱(chēng)分布的四條機(jī)臂組成，每個(gè)機(jī)臂的末端都設(shè)有一個(gè)推進(jìn)裝置。與普通四軸飛行器不一樣的是，tj-flyingfish的每個(gè)推進(jìn)裝置里都包含有一個(gè)兩檔變速箱，安裝它的機(jī)臂則可以相對(duì)于無(wú)人機(jī)的其余部分進(jìn)行獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。當(dāng)無(wú)人飛行時(shí)，它的四個(gè)推進(jìn)裝置與螺旋槳都會(huì)朝向上方，并用兩檔轉(zhuǎn)速中較高的一檔來(lái)控制螺旋槳獲得足夠的升力進(jìn)行起飛與盤(pán)旋，這點(diǎn)和普通四軸無(wú)人機(jī)的飛行方式?jīng)]有任何區(qū)別。當(dāng)降落到水面時(shí)這些推進(jìn)裝置就會(huì)朝下旋轉(zhuǎn)180度，然后切換到低速擋旋轉(zhuǎn)螺旋槳，將無(wú)人機(jī)拉到水面以下。tj-flyingfish雖然實(shí)現(xiàn)了空中和水下機(jī)動(dòng)能力，但受限于冗余的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和變速箱重量，其空中飛行時(shí)間僅為6分鐘，重量高達(dá)1.63kg。

3、如圖2所示，以色列heven無(wú)人機(jī)技術(shù)公司在isdef?2022上與戰(zhàn)術(shù)地面機(jī)器人系統(tǒng)供應(yīng)商roboteam聯(lián)合開(kāi)發(fā)推出了一個(gè)傳統(tǒng)分體式兩棲機(jī)器人解決方案，將空中多旋翼和無(wú)人地面車(chē)輛結(jié)合起來(lái)，用于陸上和空中任務(wù)。該方案可提高地面機(jī)器人和飛行機(jī)器人的工作效能。該方案允許空中無(wú)人系統(tǒng)與地面機(jī)器人系統(tǒng)集成在一起，向戰(zhàn)場(chǎng)提供具有爆炸性軍械處理能力的重要有效載荷。實(shí)現(xiàn)了在空中飛行和地面行駛的有機(jī)結(jié)合。這種分體協(xié)作式機(jī)器人雖然在一定程度上解決了陸空需求差異導(dǎo)致的機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)矛盾，但其結(jié)合與投放自動(dòng)化程度低、傳統(tǒng)分體式兩棲機(jī)器人轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)、協(xié)作控制算法復(fù)雜，也導(dǎo)致其難以推廣應(yīng)用。

4、如圖3所示，由波蘭產(chǎn)品設(shè)計(jì)師witold?mielniczek設(shè)計(jì)的x-tankcopter是一臺(tái)左右兩側(cè)均帶有履帶的兩棲四軸無(wú)人機(jī)。空中飛行狀態(tài)時(shí)由四個(gè)空心杯電機(jī)驅(qū)動(dòng)，履帶并不轉(zhuǎn)動(dòng)；在地面行走狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)控制行走速度和方向，四個(gè)空心杯電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，可在地面快速爬行。但其動(dòng)力系統(tǒng)重量冗余大，飛行和行走機(jī)構(gòu)只有一套處于工作狀態(tài)，導(dǎo)致其飛行時(shí)間只有12分鐘。可見(jiàn)，跨介質(zhì)機(jī)器人如何能夠最大限度地平衡續(xù)航、速度與成本是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。

5、通過(guò)上述分析，現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題及缺陷為：

6、（1）在保證具備良好跨介質(zhì)機(jī)動(dòng)能力的前提下，降低機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)及行走機(jī)構(gòu)的冗余性和可靠性。因?yàn)榭罩酗w行往往需要電機(jī)的高轉(zhuǎn)速，而陸地低速行走時(shí)往往需要電機(jī)緩慢且精確的轉(zhuǎn)角控制，這就導(dǎo)致傳統(tǒng)的跨介質(zhì)飛行器在不同介質(zhì)機(jī)動(dòng)時(shí)需要多套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以適應(yīng)不同的速度區(qū)間。

7、（2）如何降低跨介質(zhì)機(jī)動(dòng)機(jī)器人狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間。傳統(tǒng)分體式兩棲機(jī)器人需要冗長(zhǎng)的分解和結(jié)合過(guò)程，而部分跨介質(zhì)飛行器需要較長(zhǎng)的入水準(zhǔn)備時(shí)間。

8、（3）如何同時(shí)兼顧低成本、長(zhǎng)續(xù)航和高機(jī)動(dòng)能力。多套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和行走裝置導(dǎo)致系統(tǒng)的冗余重量大，直接導(dǎo)致續(xù)航和機(jī)動(dòng)性能差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器的可變形四旋翼三棲機(jī)器人。

2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器的可變形四旋翼三棲機(jī)器人，由機(jī)身、foc(field-oriented?control，磁場(chǎng)定向控制）控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變形機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器組成；機(jī)架呈工字形布局，主要由左右縱梁和主橫梁構(gòu)成；其中左右縱梁分別通過(guò)左右軸承套固定在主橫梁上，且能夠繞縱軸軸向轉(zhuǎn)動(dòng)；左右縱梁的根部安裝有同步帶輪；變形電機(jī)安裝在主橫梁上，變形電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝有同步帶輪；變形電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的同步帶輪和左右縱梁上的同步帶輪通過(guò)同步皮帶連接在一起，且同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

3、進(jìn)一步，當(dāng)左右變形電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過(guò)同步皮帶帶動(dòng)左右縱梁一起向橫梁中間內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人由空中飛行/潛航模式向地面行走模式的轉(zhuǎn)換。

4、進(jìn)一步，四個(gè)旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器分別安裝在左右縱梁兩側(cè)的安裝座上；

5、進(jìn)一步，旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器由安裝底座、電機(jī)、槳葉、涵道環(huán)和橡膠環(huán)組成，其中安裝底座通過(guò)螺母固定在上述工字形機(jī)身上兩根橫梁的兩端；電機(jī)通過(guò)螺母固定在上述安裝底座上，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)槳葉和涵道環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，為機(jī)器人提供驅(qū)動(dòng)力；其中foc控制器安裝在電機(jī)和安裝底座之間，通過(guò)經(jīng)典的?foc算法來(lái)精確地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角；槳葉固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，與電機(jī)軸同步旋轉(zhuǎn)；飛行和潛航模式槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)推動(dòng)氣流或水流來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人；涵道環(huán)與槳葉同心布置，固定在槳葉的外側(cè)邊緣上，起到保護(hù)槳葉和支撐橡膠環(huán)的作用，與槳葉同步轉(zhuǎn)動(dòng)；橡膠環(huán)與涵道環(huán)同心布置，固定在涵道環(huán)的外側(cè)一面，與涵道環(huán)同步轉(zhuǎn)動(dòng)；地面模式時(shí)橡膠環(huán)接觸地面起到輪胎的作用；

6、進(jìn)一步，空中和潛航模式時(shí)四個(gè)旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器向外側(cè)展開(kāi)后，其旋轉(zhuǎn)面和機(jī)器人縱軸之間平行且?jiàn)A角相同。飛行（潛航）模式時(shí)在foc控制器的控制下旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器將高速（中低速）旋轉(zhuǎn)，槳葉將推動(dòng)氣流（水流）指向機(jī)身正下方，精確控制四個(gè)旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)速差來(lái)控制機(jī)器人的空中（水下）姿態(tài)；

7、進(jìn)一步，地面行走模式時(shí)四個(gè)旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器在變形電機(jī)的帶動(dòng)下向機(jī)身內(nèi)側(cè)折疊，折疊后其旋轉(zhuǎn)面和機(jī)器人縱軸垂直，四個(gè)旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器的橡膠環(huán)將接觸地面。foc控制器控制旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器低速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)外側(cè)橡膠環(huán)與地面間的摩擦力推動(dòng)機(jī)器人行走。精確控制四個(gè)旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)角度和速度來(lái)控制機(jī)器人的地面行走速度和方向角。

8、本發(fā)明提供了一種基于旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器的可變形四旋翼三棲機(jī)器人的使用方法，該方法包括以下步驟：

9、a.?通過(guò)foc控制器對(duì)四個(gè)旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行精確控制，根據(jù)機(jī)器人所處的環(huán)境和任務(wù)需求，調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)定飛行和潛航；

10、b.?當(dāng)機(jī)器人需要從空中/潛航模式轉(zhuǎn)換為地面行走模式時(shí)，啟動(dòng)變形電機(jī)，通過(guò)同步帶輪帶動(dòng)左右縱梁一起轉(zhuǎn)動(dòng)，完成機(jī)器人的變形過(guò)程；

11、c.?在地面行走模式下，利用四個(gè)旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器的橡膠環(huán)與地面的接觸，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)，并根據(jù)需要對(duì)橡膠環(huán)的轉(zhuǎn)速和方向進(jìn)行調(diào)整，以控制機(jī)器人的行進(jìn)方向和速度。

12、第一，本發(fā)明通過(guò)結(jié)構(gòu)形變的方式使機(jī)器人具備了水下、地面和空中三棲機(jī)動(dòng)能力，解決了在機(jī)器人在多介質(zhì)中的快速機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)換問(wèn)題，克服了傳統(tǒng)分體式兩棲機(jī)器人狀態(tài)轉(zhuǎn)換慢的缺點(diǎn)。

13、foc控制方式結(jié)合特殊設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器使同一套動(dòng)力系統(tǒng)即可具備在地面、空中和水下的推進(jìn)能力，解決了傳統(tǒng)兩棲機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)的冗余問(wèn)題，大幅降低了系統(tǒng)重量，提高了系統(tǒng)續(xù)航時(shí)間。

14、第二，產(chǎn)品通過(guò)結(jié)構(gòu)變形轉(zhuǎn)換為空中\(zhòng)潛航、地面行走兩種構(gòu)型，具備空中、地面和潛航三種環(huán)境的機(jī)動(dòng)能力，轉(zhuǎn)換時(shí)間短、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)。

15、驅(qū)動(dòng)電機(jī)配合四個(gè)旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器具備空中、水下和地面三種介質(zhì)中的推動(dòng)力，解決了上述背景技術(shù)中不同介質(zhì)中機(jī)動(dòng)需使用不同驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的問(wèn)題，大幅降低了重量和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冗余重量。在空中機(jī)動(dòng)時(shí)，四個(gè)旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器高速旋轉(zhuǎn)，涵道槳葉起到了傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)槳葉的作用；水下機(jī)動(dòng)時(shí)，四個(gè)旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器中低速旋轉(zhuǎn)，涵道槳葉起到了傳統(tǒng)無(wú)人船螺旋槳的作用；地面運(yùn)動(dòng)時(shí)，四個(gè)旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器低速旋轉(zhuǎn)，橡膠環(huán)起到了傳統(tǒng)無(wú)人車(chē)的車(chē)輪作用。

16、第三，本發(fā)明的技術(shù)方案轉(zhuǎn)化后的預(yù)期收益和商業(yè)價(jià)值為：能夠直接應(yīng)用于小型慢速三棲無(wú)人機(jī)器人的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，技術(shù)方案成熟度高、成果轉(zhuǎn)化門(mén)檻較低，可快速投入生產(chǎn)和行業(yè)應(yīng)用。憑借其三棲機(jī)動(dòng)能力、可靠的控制方法和成熟的生產(chǎn)工藝可在需要三棲機(jī)動(dòng)能力的偵察與搜索任務(wù)中獲得廣泛的應(yīng)用。

17、1、通過(guò)可變形結(jié)構(gòu)解決了空/地/水下機(jī)動(dòng)的一機(jī)多能問(wèn)題，變形速度快，準(zhǔn)備時(shí)間短，克服了背景技術(shù)中分體兩棲機(jī)器人分解結(jié)合速度慢的難題；圖4配合foc控制器一套動(dòng)力系統(tǒng)即可為空/地/水下提供動(dòng)力，動(dòng)力系統(tǒng)利用率高、自重載荷小、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，克服了背景技術(shù)中兩棲機(jī)器人在不同介質(zhì)中需要不同動(dòng)力系統(tǒng)導(dǎo)致的自重過(guò)大問(wèn)題；

18、2、通過(guò)四個(gè)旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器解決了不同介質(zhì)的推進(jìn)問(wèn)題。高速旋轉(zhuǎn)時(shí)涵道槳葉推動(dòng)氣流提供推力；中速時(shí)涵道外殼的橡膠層與地面接觸的摩擦力提供推力；低速時(shí)涵道槳葉推動(dòng)水流提供推力?？朔吮尘凹夹g(shù)中兩棲機(jī)器人在不同介質(zhì)機(jī)動(dòng)時(shí)需要不同推進(jìn)系統(tǒng)的問(wèn)題，進(jìn)一步降低了自重；

19、3、foc控制器與四個(gè)旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器配合解決了空/地/水下機(jī)動(dòng)的姿態(tài)控制難題。首先f(wàn)oc控制器既能夠保證電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)，又能夠精確地控制電機(jī)的力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，這使得四個(gè)旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器既能高速旋轉(zhuǎn)又能在低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)精確控制轉(zhuǎn)角；其次，通過(guò)對(duì)四個(gè)旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速的控制能夠在空中和水下模式下精確地控制每個(gè)旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)速，從而改變機(jī)器人的姿態(tài)。在地面模式下能夠通過(guò)精確地控制每個(gè)旋轉(zhuǎn)涵道驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)速，進(jìn)而精確地控制機(jī)器人的前進(jìn)方向和前進(jìn)速度。