一种具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足的制作方法

1.本发明涉及飞行机器人技术领域，尤其是涉及一种具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足。


背景技术：

2.飞行机器人技术，现今已应用于各个行业、各类场景，但其对操作者的技能要求及应用场景要求还是有着较高的技术门槛。经调查统计，我们不难发现，大多数飞行机器人的使用环境都在相对开阔空旷的场景，并且需要职业飞手长时间反复练习，才能达到熟练操控，执行作业任务。这其中，对开阔场景的需求，就导致其在一些封闭狭小，障碍物林立的场景不能得到广泛应用，例如，矿井、涵洞、仓库、厂房、输运管道、林间及灌木丛等。而这些场景，或探索、或检查、或巡视、或搜寻都有非常迫切的使用需求。另外，职业飞手的培训学习是一个成本较高，周期较长的过程，这也影响到飞行机器人的推广应用。
3.对上述问题的解决，现有装备主要是依靠在飞行机器人外围加构固定防护框架来辅助改善，而固定防护框架普遍存在额外增加飞行机器人负载，机动灵活性下降等问题。固定防护框架额外增大了飞行机器人体积，更容易与环境障碍物发生剐蹭碰撞，且因其与飞行机器人固连，发生剐蹭碰撞时，障碍物作用于固定防护框上的阻力会直接传递至飞行机器人上，影响飞行姿态的控制，严重时，会使飞行机器人完全失控，发生飞行事故。
4.综上，针对现有机器人运动机构在封闭狭小、障碍物林立环境不易应用，且操作要求较高的问题，有必要研制一种可挂载于飞行机器人上，具有防护性且可全自由度运动的球形轮足。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足，以解决现有技术中存在的飞行机器人在封闭狭小、障碍物林立环境不易应用，且操作要求较高的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
7.所述具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足，用于挂载飞行机器人，包括外框、中框和内轴，其中：
8.所述外框为球形框架结构，其上具有供飞行机器人起飞和降落的支撑平面；
9.所述中框为圆环形结构，通过运动隔离轴承活动安装在所述外框内，能相对于所述外框进行第一个自由度的翻转；
10.所述内轴为直杆结构，通过运动隔离轴承活动安装在所述中框内，能相对于所述中框进行第二个自由度的翻转；
11.飞行机器人通过运动隔离轴承活动安装在所述内轴上，能相对于所述内轴进行第三个自由度的转动。
12.所述中框的翻转为俯仰方向的翻转，所述内轴的翻转为滚转方向的翻转，所述飞
行机器人的转动为偏航方向的转动。
13.所述外框包括连接环、辐条和连接件，所述连接环数量为六个，分别布置在所述外框的三个极轴上，用以形成支撑平面，所述辐条连接在相邻两个所述连接环之间，所述连接件连接在每个域面中的相邻三个所述连接环之间。
14.六个所述连接环中的四个为圆板结构，与所述中框活动连接的两个所述连接环为圆形框架结构；运动隔离轴承安装在框架结构的所述连接环上，用于与所述中框连接。
15.所述连接件包括三根连接线和位于三根所述连接线中间的三通连接块。
16.所述中框包括固定节和连接条，所述固定节数量为四个，呈十字形对称设置，所述连接条连接在相邻的两个所述连接条之间，以形成圆环形所述中框；其中一对所述固定节上安装运动隔离轴承，用于与所述内轴连接。
17.所述内轴中间设置有安装平台，安装平台上安装运动隔离轴承，用于与飞行机器人连接。
18.所述内轴上均匀设置有若干个减重槽。
19.所述外框、所述中框和所述内轴采用新型工程复合材料制成。
20.所述新型工程复合材料为纤维类聚合物或热塑性及热固性聚合物。
21.有益效果：
22.本发明提出的一种具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足，与现有技术相比，具有如下有益效果：
23.1.所述机器人球形轮足具有防护性且可全自由度运动，通过相互活动连接的外框、中框、内轴，并将飞行机器人活动安装在内轴上，采用三轴运动原理，即在空间上形成偏航方向、俯仰方向及滚转方向的三轴完全回转运动，相互叠加形成全自由度的运动姿态；
24.2.所述机器人球形轮足，因其本身具备全自由度的运动姿态，进而使运动姿态不受飞行机器人的运动姿态影响，反之亦然，从而实现飞行机器人与外部环境障碍间的运动隔离，也就使飞行机器人可无视与周围环境障碍物的接触碰撞，既保障飞行安全，又大幅降低飞行机器人对操作者的技能要求，可有效提升飞行机器人在封闭狭小，障碍物林立环境使用的推广。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
26.图1为本发明一种具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足的工作流程图；
27.图2为本发明一种具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足的俯视图；
28.图3为本发明一种具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足的正视图；
29.图4为本发明一种具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足轴侧图；
30.图5为本发明一种具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足的球形外框结构示意图；
31.图6为本发明一种具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足的球形外框域面结构示意图。
32.1、外框；2、中框；3、内轴；4、运动隔离轴承；5、连接环；6、辐条；7、连接件。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
34.实施例1
35.如图2、图3、图4、图5和图6所示，本发明提供了一种具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足，用于挂载飞行机器人，包括外框1、中框2和内轴3，其中：
36.外框1为球形框架结构，其上具有供飞行机器人起飞和降落的支撑平面；
37.中框2为圆环形结构，通过一对运动隔离轴承4活动安装在外框1内，能相对于外框1进行第一个自由度的翻转，形成一组回转运动副；具体的，该第一个自由度的翻转是指飞行机器人俯仰方向的翻转；
38.内轴3为直杆结构，通过一对运动隔离轴承4活动安装在中框2内，能相对于中框2进行第二个自由度的翻转，形成一组回转运动副；具体的，该第二个自由度的翻转是指飞行机器人滚转方向的翻转；
39.飞行机器人通过一对运动隔离轴承4活动安装在内轴3上，能相对于内轴3进行第三个自由度的转动，形成一组回转运动副；具体的，该第三个自由度的转动是指飞行机器人偏航方向的转动，如图3中的水平转动。
40.上述三组独立的回转运动副叠加，形成三轴运动，进而实现球形轮足整体的全自由度运动，飞行机器人作业时，行进过程中，任意位置与环境障碍物发生碰撞或剐蹭，球形轮足都可自适应进行随机姿态的运动，进而使飞行机器人的飞行姿态不受到外界环境障碍物的影响，保障飞行安全；
41.所述具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足，通过相互活动连接的外框、中框、内轴，并将飞行机器人活动安装在内轴上，采用三轴运动原理，即在空间上形成偏航方向、俯仰方向及滚转方向的三轴完全回转运动，相互叠加形成全自由度的运动姿态，且因其本身具备全自由度的运动姿态，进而使其本身的运动姿态不受飞行机器人的运动姿态影响，反之亦然，从而实现飞行机器人与外部环境障碍间的运动隔离，也就使飞行机器人可无视与周围环境障碍物的接触碰撞，既保障飞行安全，又大幅降低飞行机器人对操作者的技能要求，可有效提升飞行机器人在封闭狭小，障碍物林立环境使用的推广。
42.如图4所示，在本实施例中，外框1包括连接环5、辐条6和连接件7，连接环5数量为六个，分别布置在外框1的三个极轴上，用以形成各个方向的支撑平面，由此，可由六个连接环5组成球形外框1的大框架，三对六个连接环5，分布安装在球形轮足外框1的三个极轴上，便于飞行机器人起落时的稳固支撑；辐条6连接在相邻两个连接环5之间，用于将连接环5固定，构成球形外框1，连接件7连接在每个域面中的相邻三个连接环5之间，具体的，该处的连接件7可拆卸，便于打开域面；此处需要说明的是，三个连接环5之间构成域面，在本发明中，
共形成8个域面，每个域面内均通过连接件7连接，不仅方便域面的打开，而且增加球形外框1的强度。
43.如图5和图6所示，六个连接环5中的四个为实心圆板结构，在其圆周处设置有八个连接柱，便于与连接件7和辐条6连接，与中框2活动连接的两个连接环5为圆形框架结构，此处的圆形框架结构包括一个圆环，圆环内呈辐射状设置多个连接条；运动隔离轴承4安装在框架结构的连接环5的中心处，用于与中框2连接。
44.如图6所示，连接件7包括三根连接线和位于三根连接线中间的三通连接块，也就是说，三个连接线的一端分别与一个连接环5连接，然后另一端分别与三通的三个端口连接。
45.如图2和图4所示，中框2包括固定节和连接条，固定节数量为四个，呈十字形对称设置，连接条连接在相邻的两个连接条之间，以形成圆环形中框2；其中一对固定节上安装运动隔离轴承4，用于与内轴3连接。
46.如图4所示，内轴3中间设置有安装平台，安装平台上安装运动隔离轴承4，用于与飞行机器人连接。
47.更进一步的，为了减轻球形轮足的重量，内轴3上均匀设置有若干个减重槽。
48.更进一步的，外框1、中框2和内轴3采用新型工程复合材料制成。
49.具体的，新型工程复合材料包含但不限于纤维类聚合物、热塑性及热固性聚合物等，整体使用新型工程复合材料制作，同时兼顾球形轮足的结构强度及轻量化需求。
50.所述球形轮足，结构简单、成本低廉，故障发生率大大降低。
51.所述球形轮足，采用三轴运动方式，具有独立全自由度运动的能力，有效隔离碰撞剐蹭时外部障碍物作用在飞行机器人上的外力干扰，有效保护飞行机器人的运动姿态；有效扩展飞行机器人的应用场景，使其能在更为狭小，障碍物更为密集的场景中使用，同时大幅降低了对操作者的技能熟练度依赖。进而拓宽了飞行机器人的市场应用环境，有着显著的经济效益；三个极轴两端，均有平面设计，使飞行机器人在起落时，更易稳定姿态，整体采用各类工程复合材料制作，更稳固，更轻盈，便捷安装，可靠保障。
52.如图1所示，所述球形轮足的使用流程如下：
53.步骤一：操作人员到达作业区域，使用螺丝刀，拆下球形轮足外框1上任意一组域面的安装螺丝，将这一域面的连接件整体拆下；
54.步骤二：拨动球形轮足中框2至任意角度，使其不影响飞行机器人放入即可；
55.步骤三：放入飞行机器人，并将飞行机器人与球形轮足内轴3的安装平台上的运动隔离轴承4对接，而后紧固；
56.步骤四：装回步骤一中拆下的域面结构，并紧固螺丝，安装恢复球形轮足外框1的域面连接件，至此安装完成；
57.步骤五：将挂载球形轮足的飞行机器人整体放置在任意起飞平面，开始作业，此时，球形轮足外框1上的任意连接环5均可为整体提供平整的起飞平面；
58.步骤六：当作业过程中遇到障碍物时，由于球形轮足的独立全自由度运动的能力，进而使飞行机器人的飞行姿态不受到影响，越障完成，持续进行作业，直到作业完成；当作业过程中一直没有遇到障碍物时，飞行机器人可持续进行作业直到作业完成；
59.步骤七：作业完成，返航至规划位置降落时，球形轮足外框1上的任意连接环5均可
为整体提供平整的降落平面。
60.这里首先需要说明的是，“向内”是朝向容置空间中央的方向，“向外”是远离容置空间中央的方向。
61.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
62.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
63.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
64.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
65.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
66.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足，其特征在于，用于挂载飞行机器人，包括外框、中框和内轴，其中：所述外框为球形框架结构，其上具有供飞行机器人起飞和降落的支撑平面；所述中框为圆环形结构，通过运动隔离轴承活动安装在所述外框内，能相对于所述外框进行第一个自由度的翻转；所述内轴为直杆结构，通过运动隔离轴承活动安装在所述中框内，能相对于所述中框进行第二个自由度的翻转；飞行机器人通过运动隔离轴承活动安装在所述内轴上，能相对于所述内轴进行第三个自由度的转动。2.根据权利要求1所述的具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足，其特征在于，所述中框的翻转为俯仰方向的翻转，所述内轴的翻转为滚转方向的翻转，所述飞行机器人的转动为偏航方向的转动。3.根据权利要求1所述的具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足，其特征在于，所述外框包括连接环、辐条和连接件，所述连接环数量为六个，分别布置在所述外框的三个极轴上，所述辐条连接在相邻两个所述连接环之间，所述连接件连接在每个域面中的相邻三个所述连接环之间。4.根据权利要求3所述的具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足，其特征在于，六个所述连接环中的四个为圆板结构，与所述中框活动连接的两个所述连接环为圆形框架结构；运动隔离轴承安装在框架结构的所述连接环上，用于与所述中框连接。5.根据权利要求3所述的具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足，其特征在于，所述连接件包括三根连接线和位于三根所述连接线中间的三通连接块。6.根据权利要求1所述的具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足，其特征在于，所述中框包括固定节和连接条，所述固定节数量为四个，呈十字形对称设置，所述连接条连接在相邻的两个所述连接条之间，以形成圆环形所述中框；其中一对所述固定节上安装运动隔离轴承，用于与所述内轴连接。7.根据权利要求1所述的具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足，其特征在于，所述内轴中间设置有安装平台，安装平台上安装运动隔离轴承，用于与飞行机器人连接。8.根据权利要求7所述的具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足，其特征在于，所述内轴上均匀设置有若干个减重槽。9.根据权利要求1所述的具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足，其特征在于，所述外框、所述中框和所述内轴采用新型工程复合材料制成。10.根据权利要求9所述的具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足，其特征在于，所述新型工程复合材料为纤维类聚合物或热塑性及热固性聚合物。

技术总结
本发明属于飞行机器人技术领域，提出了一种具有防护性且可全自由度运动的机器人球形轮足。该机器人球形轮足，包括外框、中框和内轴，外框为球形框架结构，其上具有供飞行机器人起飞和降落的支撑平面；中框为圆环形结构，通过运动隔离轴承活动安装在外框内；内轴为直杆结构，通过运动隔离轴承活动安装在中框内；飞行机器人通过运动隔离轴承活动安装在内轴上。所述机器人球形轮足采用三轴运动原理，即在空间上形成偏航方向、俯仰方向及滚转方向的三轴完全回转运动，相互叠加形成全自由度的运动姿态，保障飞行安全、大幅降低飞行机器人对操作者的技能要求，解决了飞行机器人在封闭狭小、障碍物林立环境不易应用且操作要求较高的技术问题。技术问题。技术问题。


技术研发人员：王涛 王宏斌 时腾
受保护的技术使用者：西安恒星箭翔科技有限公司
技术研发日：2022.12.21
技术公布日：2023/7/4