一种水陆空三栖机器人的轮翼协同控制系统

1.本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种水陆空三栖机器人的轮翼协同控制系统。


背景技术：

2.对于室内及狭小空间侦察任务，旋翼机侦查时间有限不能长时间执行侦察任务；地面机器人可长时间侦查但其活动范围仅局限于地面，视野有限；陆空两栖机器人兼具地面机器人长时侦察和旋翼飞行器垂直起降和机动飞行的特性，由于陆空结合机器人具备更强的地形适应性，在障碍物密集环境下的操控性较高；同时传统陆空两栖机器人不能满足水上航行需求，因此可以考虑添加浮力装置以实现水上航行需求。
3.查阅相关已公开技术方案，如cn112498681a现有技术公开了一种水陆空三栖机器人，该方案采用前轮转向、后轮驱动的方式实现机器人在陆地上的全方向运动；采用双舵机控制的方式实现rov水下推进器的升降与转向，并利用rov水下推进器推动螺旋桨高速旋转，实现机器人在水上的全方向运动；采用可伸缩的四旋翼空中飞行模块实现机器人的飞行功能；利用nuc小电脑向水陆模块控制板、飞行控制板和起落架模块发布控制指令，实现机器人的全自主运动；另一种典型的公开号为cn113815857a的现有技术公开了一种水陆空三栖机器人装置，包括六旋翼飞行组件，六旋翼飞行组件的顶部安装有gps定位组件和摄像头，六旋翼飞行组件的底部安装有水陆复合组件，水陆复合组件上安装有视觉定位装置，六旋翼飞行组件和水陆复合组件分别与控制器单元连接，六旋翼飞行组件、gps定位组件、水陆复合组件、视觉定位装置和控制器单元分别与电源组件相连接；该方案通过整合不同模式作业对应的功能模块，使得同一舵机能够对应于完成多项作业，从而简化机器人的结构，同时保证机器人的作业可靠性；上述方案中陆地行驶动力装置、空中行驶动力装置和水中行驶动力装置是分开的，造成了结构与动力的冗余，并且陆地行驶模式功能较为单一，机动性较差，因此需要一种水陆空共用一套动力且机动性较强的机器人。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，针对目前所存在的不足，提出了一种水陆空三栖机器人的轮翼协同控制系统。
5.本发明采用如下技术方案：
6.一种水陆空三栖机器人的轮翼控制系统，所述系统包括多组大旋翼机构、多组小旋翼机构、与大旋翼机构及小旋翼机构一一对应连接的多组旋翼支撑机构、与多组旋翼支撑机构一一对应连接的多组伸缩杆机构；
7.所述大旋翼机构包括大旋翼和大轮，所述小旋翼机构包括小旋翼和小轮，所述旋翼支撑机构包括电动推杆，所述伸缩杆机构包括伸缩杆；所述系统通过改变电动推杆和伸缩杆的伸缩状态实现机器人的结构模式在全旋翼飞行模式、大上小下模式、大下小上模式之间的切换。
8.进一步的，所述大上小下模式包括大旋翼飞行模式、小旋翼陆行模式和大上小下
协同作业模式；大下小上模式包括小旋翼飞行模式、大旋翼陆行模式和大下小上协同作业模式。
9.进一步的，所述旋翼支撑机构还包括电机、主动齿轮、从动齿轮、空心滑键轴、空心键槽轴、固定轴承、螺钉、联轴器、旋翼滑键轴、减震弹簧、旋翼带座轴承和旋翼固定轴承。
10.进一步的，所述旋翼支撑机构的具体传动方式为：电机转动带动主动齿轮转动，主动齿轮通过齿轮传动带动从动齿轮转动，从动齿轮转动带动空心滑键轴转动；空心滑键轴与空心键槽轴为滑键配合，两者在轴向可相对滑动，且在电动推杆行程内一直为滑键配合；从而空心键槽轴被空心滑键轴带着转动，所述空心键槽轴和旋翼滑键轴通过联轴器连接，旋翼滑键轴随空心键槽轴转动而转动，所述旋翼与旋翼滑键轴固定连接，从而旋翼随电机的转动而转动。
11.进一步的，所述电动推杆控制电机单独带动旋翼转动或带动旋翼和轮一起转动；所述电动推杆对轮和旋翼的转动的具体控制方式为：电动推杆向前推动至设定的行程，此时电动推杆处于伸长状态，所述空心键槽轴与电动推杆在轴向上固定，所以空心键槽轴同样向前推动，空心键槽轴推动带动固定轴承、螺钉、联轴器、旋翼滑键轴和旋翼向前移动，此时旋翼滑键轴相对轮向前移动，此时旋翼滑键轴与轮之间的滑键配合失效，此时电机仅带动旋翼旋转；当电动推杆向后收回时，此时电动推杆处于收缩状态，此时旋翼滑键轴与轮之间的滑键配合重新生效，从一电机带动轮和旋翼一起转动。
12.进一步的，所述伸缩杆机构还包括固定基座、侧面固定基座和电机固定杆，所述伸缩杆一端与固定基座固定连接，另一端与电机固定杆连接；所述电机固定杆一端与伸缩杆连接，另一端与侧面固定基座连接。
13.进一步的，所述伸缩杆机构通过改变伸缩杆的伸缩状态从而调整旋翼和轮的朝向；所述伸缩杆机构对轮和旋翼朝向的调整的具体方式为：伸缩杆向外伸长至设定的行程，此时伸缩杆处于伸长状态，使得电机固定杆的一面与侧面固定基座处于面接触固定状态，此时电机固定杆的朝向为竖直方向，轮和旋翼朝向为水平方向；将所述伸缩杆向内收缩至设定的行程，此时伸缩杆处于收缩状态，使得电机固定杆的另一面与侧面固定基座处于面接触固定状态，此时电机固定杆的朝向为水平方向，此时轮和旋翼朝向为竖直方向。
14.进一步的，所述系统通过控制电动推杆和伸缩杆的伸缩状态来改变机器人的结构模式，使得机器人满足不同工作需求，所述结构模式及系统控制方式如下：
15.全旋翼飞行模式：使得所有伸缩杆处于收缩状态，所有电动推杆处于伸长状态；此时所述大旋翼和小旋翼的朝向均为竖直方向，且大旋翼和小旋翼均能转动；
16.大上小下模式：使得与大旋翼机构对应的伸缩杆处于收缩状态，与小旋翼机构对应的伸缩杆处于伸长状态，此时所述大旋翼的朝向为竖直方向，小旋翼的朝向为水平方向；当机器人切换至大旋翼飞行模式时，大旋翼对应的电动推杆处于伸长状态，此时只有大旋翼能转动；当机器人切换至小旋翼陆行模式时，小旋翼对应的电动推杆处于收缩状态，此时只有小旋翼和小轮能转动；当机器人切换至大上小下协同作业模式时，小旋翼对应的电动推杆处于收缩状态，此时大旋翼、小轮和小旋翼均能转动；
17.大下小上模式：使得与大旋翼对应的伸缩杆处于伸长状态，与小旋翼对应的伸缩杆处于收缩状态，此时所述大旋翼的朝向为水平方向，小旋翼的朝向为竖直方向；当机器人切换至小旋翼飞行模式时，小旋翼对应的电动推杆处于伸长状态，此时只有小旋翼转动；当
机器人切换至大旋翼陆行模式时，大旋翼对应的电动推杆处于收缩状态，此时只有大旋翼和大轮能转动；当机器人切换至大下小上协同作业模式时，大旋翼对应的电动推杆处于收缩状态，此时大旋翼、小旋翼、大轮均能转动；
18.所述全旋翼飞行模式、大上小下模式、大下小上模式与浮力装置结合则实现水面航行模式；
19.进一步的，所述系统还包括与多组旋翼支撑机构一一对应连接的多组减震机构，所述减震机构主体包括上端悬架杆、减震弹簧和下端悬架杆，所述减震弹簧初始状态为压缩状态，当机器人整体受到冲击时，弹簧通过进一步压缩减小机器人整体震动。
20.本发明所取得的有益效果是：
21.1.通过将大旋翼、小旋翼、旋翼支撑机构及伸缩杆机构相结合，实现机器人的多种工作模式的灵活转换，有效提高了机器人的灵活性；
22.2.使用单个电机作为对应大/小轮和大/小旋翼的动力源，减少了结构与动力的冗余；
23.3.通过调整伸缩杆的伸缩状态可以完成大/小轮和大/小旋翼在水平或竖直方向上的切换，结构控制简单；
24.4.通过调整电动推杆的伸缩状态控制大/小轮和大/小旋翼的转动，在机器人处于飞行模式时仅使大/小旋翼的转动，控制大/小轮不转动，从而可以减少转动惯量带来的能量损失。
附图说明
25.从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。
26.图1为本发明全旋翼飞行模式示意图。
27.图2为本发明大/小旋翼机构和旋翼支撑机构爆炸展开示意图。
28.图3为本发明电动推杆伸长状态下示意图。
29.图4为本发明电动推杆收缩状态下示意图。
30.图5为本发明伸缩杆机构及其爆炸展开示意图。
31.图6为本发明伸缩杆伸长状态下伸缩杆机构示意图。
32.图7为本发明伸缩杆收缩状态下伸缩杆机构示意图。
33.图8为本发明减震机构及其爆炸展开示意图。
34.图9为本发明大上小下模式示意图。
35.图10为本发明大下小上模式示意图。
36.图11为本发明各种运动环境及对应机器人结构模式示意图。
37.图12为本发明开阔空域环境下运动示意图。
38.图13为本发明开阔空域环境下运动控制框图。
39.图14为本发明狭窄空域环境下运动示意图。
40.图15为本发明狭窄空域环境下运动控制框图。
41.图16为本发明其中一种陆地环境下运动示意图。
42.图17为本发明其中一种陆地环境下运动控制框图。
43.图18为本发明其中一种垂直落差环境下运动示意图。
44.图19为本发明其中一种铺装道路环境下运动示意图。
45.图20为本发明陆地环境/垂直落差下运动控制框图。
46.图21为本发明多障碍陆地环境下运动示意图。
47.图22为本发明机器人原地转向示意图。
48.图23为本发明多障碍陆地环境下运动控制框图。
49.图24为本发明其中一种水上航行结构合成示意图。
50.图25为本发明其中一种水域环境下运动示意图。
51.图26为本发明水域环境下运动控制框图。
52.图中标号含义：1-大旋翼机构，2-小旋翼机构，3-伸缩杆机构，4-减震机构，5-旋翼支撑机构，6-机器人主体，101-电机，102-主动齿轮，103-从动齿轮，104-空心滑键轴，105-空心键槽轴，106-固定轴承，107-固定轴承，108-螺钉，109-联轴器，110-旋翼滑键轴，111-大/小轮，112-大/小旋翼，113-第一减震弹簧，114-旋翼带座轴承，115-第二减震弹簧，116-旋翼固定轴承，117-电动推杆，301-固定基座，302-伸缩杆，303-侧面固定基座，304-电机固定杆，401-上端悬架杆，402-第三减震弹簧，403-下端悬架杆；
53.当图2的旋翼机构为大旋翼机构时，标号111为大轮，标号112为大旋翼；当图2的旋翼机构为小旋翼机构时，标号111为小轮，标号112为小旋翼。
具体实施方式
54.为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明；对于本领域技术人员而言，在查阅以下详细描述之后，本实施例的其它系统、方法和/或特征将变得显而易见；旨在所有此类附加的系统、方法、特征和优点都包括在本说明书内；包括在本发明的范围内，并且受所附权利要求书的保护；在以下详细描述描述了所公开的实施例的另外的特征，并且这些特征根据以下将详细描述将是显而易见的。
55.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图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组件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。
56.实施例一：如图1所示，本实施例提供一种水陆空三栖机器人的轮翼控制系统，所述系统包括多组大旋翼机构、多组小旋翼机构、与大旋翼机构及小旋翼机构一一对应连接的多组旋翼支撑机构、与多组旋翼支撑机构一一对应连接的多组伸缩杆机构；
57.所述系统还包括机器人主体，所述机器人主体包括机箱、供电组件和控制组件，所述供电组件和控制组件设置在机箱内，所述供电组件用于为系统提供电力，所述控制组件用于保证机器人平稳运动；
58.如图1-图2所示，所述大旋翼机构包括大旋翼和大轮，所述小旋翼机构包括小旋翼和小轮，所述旋翼支撑机构包括电动推杆，所述伸缩杆机构包括伸缩杆；所述系统通过改变
电动推杆和伸缩杆的伸缩状态实现机器人的结构模式在全旋翼飞行模式、大上小下模式、大下小上模式之间的切换；通过将大旋翼、小旋翼、旋翼支撑机构及伸缩杆机构相结合，实现机器人的多种工作模式的灵活转换，有效提高了机器人的灵活性。
59.所述大上小下模式包括大旋翼飞行模式、小旋翼陆行模式和大上小下协同作业模式；大下小上模式包括小旋翼飞行模式、大旋翼陆行模式和大下小上协同作业模式；
60.如图2所示，所述旋翼支撑机构还包括电机、主动齿轮、从动齿轮、空心滑键轴、空心键槽轴、固定轴承、螺钉、联轴器、旋翼滑键轴、第一减震弹簧、第二减震弹簧、旋翼带座轴承和旋翼固定轴承；
61.所述旋翼支撑机构的具体传动方式为：电机转动带动主动齿轮转动，主动齿轮通过齿轮传动带动从动齿轮转动，从动齿轮转动带动空心滑键轴转动；空心滑键轴与空心键槽轴为滑键配合，两者在轴向可相对滑动，且在电动推杆行程内一直为滑键配合；从而空心键槽轴被空心滑键轴带着转动，所述空心键槽轴和旋翼滑键轴通过联轴器连接，旋翼滑键轴随空心键槽轴转动而转动，所述大/小旋翼与旋翼滑键轴固定连接，从而大/小旋翼随电机的转动而转动；
62.如图3、图4所示，所述电动推杆控制电机单独带动大/小旋翼转动或带动大/小旋翼和大/小轮一起转动；所述电动推杆对大/小轮和大/小旋翼的转动的具体控制方式为：电动推杆向前推动至设定的行程，此时电动推杆处于伸长状态，所述空心键槽轴与电动推杆在轴向上固定，所以空心键槽轴同样向前推动，空心键槽轴推动带动固定轴承、螺钉、联轴器、旋翼滑键轴和大/小旋翼向前移动，此时旋翼滑键轴相对大/小轮向前移动，此时旋翼滑键轴与大/小轮之间的滑键配合失效，此时电机仅带动大/小旋翼旋转；当电动推杆向后收回时，此时电动推杆处于收缩状态，此时旋翼滑键轴与轮之间的滑键配合重新生效，从一电机带动大/小轮和大/小旋翼一起转动；通过使用单个电机作为旋翼单独转动或旋翼与轮同时转动的动力源，减少了机器人整体结构的冗余。
63.如图5所示，所述伸缩杆机构还包括固定基座、侧面固定基座和电机固定杆，所述伸缩杆一端与固定基座固定连接，另一端与电机固定杆连接；所述电机固定杆一端与伸缩杆连接，另一端与侧面固定基座连接；
64.如图6、图7所示，所述伸缩杆机构通过改变伸缩杆的伸缩状态从而调整旋翼和轮的朝向；所述伸缩杆机构对轮和旋翼朝向的调整的具体方式为：伸缩杆向外伸长至设定的行程，此时伸缩杆处于伸长状态，使得电机固定杆的一面与侧面固定基座处于面接触固定状态，此时电机固定杆的朝向为竖直方向，轮和旋翼朝向为水平方向；将所述伸缩杆向内收缩至设定的行程，此时伸缩杆处于收缩状态，使得电机固定杆的另一面与侧面固定基座处于面接触固定状态，此时电机固定杆的朝向为水平方向，此时轮和旋翼朝向为竖直方向；通过调整伸缩杆的伸缩状态可以完成大/小轮和大/小旋翼在水平或竖直方向上的切换，结构简洁易于批量生产。
65.所述系统通过控制电动推杆和伸缩杆的伸缩状态来改变机器人的结构模式，使得机器人满足不同工作需求，所述结构模式及系统控制方式如下：
66.全旋翼飞行模式：如图1所示，使得所有伸缩杆处于收缩状态，所有电动推杆处于伸长状态；此时所述大旋翼和小旋翼的朝向均为竖直方向，且大旋翼和小旋翼均能转动；
67.大上小下模式：如图9所示，使得与大旋翼机构对应的伸缩杆处于收缩状态，与小
旋翼机构对应的伸缩杆处于伸长状态，此时所述大旋翼的朝向为竖直方向，小旋翼的朝向为水平方向；当机器人切换至大旋翼飞行模式时，大旋翼对应的电动推杆处于伸长状态，此时只有大旋翼能转动；当机器人切换至小旋翼陆行模式时，小旋翼对应的电动推杆处于收缩状态，此时只有小旋翼和小轮能转动；当机器人切换至大上小下协同作业模式时，小旋翼对应的电动推杆处于收缩状态，此时大旋翼、小轮和小旋翼均能转动；
68.大下小上模式：如图10所示，使得与大旋翼对应的伸缩杆处于伸长状态，与小旋翼对应的伸缩杆处于收缩状态，此时所述大旋翼的朝向为水平方向，小旋翼的朝向为竖直方向；当机器人切换至小旋翼飞行模式时，小旋翼对应的电动推杆处于伸长状态，此时只有小旋翼转动；当机器人切换至大旋翼陆行模式时，大旋翼对应的电动推杆处于收缩状态，此时只有大旋翼和大轮能转动；当机器人切换至大下小上协同作业模式时，大旋翼对应的电动推杆处于收缩状态，此时大旋翼、小旋翼、大轮均能转动；本实施例基于大旋翼、小旋翼、旋翼支撑机构及伸缩杆机构相结合，实现机器人的上述多种工作模式的灵活转换，使得机器人的灵活性得到了提升；
69.所述全旋翼飞行模式、大上小下模式、大下小上模式与浮力装置结合则实现水面航行模式；优选地，所述机箱下方可添加浮力装置，所述浮力装置如气垫，以便机器人可在水面行驶；本实施例的水面航行模式由于有前述的多种模式作为基础，因此其在实施过程可与旋翼结合，借助旋翼的飞行上升力减少机器人与水面的摩擦力，借助旋翼的旋转力增加机器人在水中的前进动力，大大提高了机器人在水中航行的灵活性；
70.如图1、图8所示，所述系统还包括与多组旋翼支撑机构一一对应连接的多组减震机构，所述减震机构主体包括上端悬架杆、第三减震弹簧和下端悬架杆，所述第三减震弹簧初始状态为压缩状态，当机器人整体受到冲击时，第三弹簧通过进一步压缩减小机器人整体震动，本实施例的减震结构精简有效，不仅如此，还能与旋翼支撑机构一起对旋翼机构起到很好的固定支撑作用；
71.本实施例通过将大旋翼、小旋翼、旋翼支撑机构及伸缩杆机构相结合，实现机器人的多种工作模式的灵活转换，有效提高了机器人的灵活性。此外，本实施例使用单个电机作为旋翼单独转动或旋翼与轮同时转动的动力源，减少了机器人整体结构的冗余；通过调整伸缩杆的伸缩状态可以完成大/小轮和大/小旋翼在水平或竖直方向上的切换，通过大/小轮和大/小旋翼在水平或竖直方向上的切换从而改变机器人的结构模式，满足机器人在各种环境下的应用，结构控制简单；通过调整电动推杆的伸缩状态控制大/小轮和大/小旋翼的转动，在机器人处于飞行模式时仅使大/小旋翼的转动，控制大/小轮不转动，从而可以减少转动惯量带来的能量损失；通过切换不同的飞行模式满足不同的飞行需求；在切换至大上小下协同作业模式时大旋翼机构中电机带动大旋翼转动可实现地面越障行驶；在切换至大旋翼陆行模式时大旋翼机构中大轮相对机器人本体为环绕型，转动更加灵活，机动性更高；还可通过在机器人本体下加装浮力装置实现水面行驶，满足多场景使用需求。
72.实施例二：实施例应当理解为至少包含前述任一一个实施例的全部特征，并在其基础上进一步改进；
73.本实施例提供了一种水陆空三栖机器人的轮翼控制系统，所述系统还包括视觉识别模块和传感器，所述视觉识别模块用于识别机器人周围环境；所述传感器包括gps传感器、imu传感器和气压计，所述传感器用于获取机器人的实际高度、姿态、速度、行驶路径、横
摆角速度和升力信息；如图11所示，所述系统可通过视觉识别模块或人为的任务导向将机器人的运动环境分为五种，所述五种运动环境分别为：开阔空域、狭窄空域、开阔道路/垂直落差、多障碍道路和水域；在不同运动环境下机器人结构模式发生变化，对应的控制架构也发生变化，在大/小旋翼对应连接的伸缩杆为收缩状态，且大/小旋翼对应的电动推杆为收缩状态时，可实现全旋翼飞行模式；在大旋翼对应的伸缩杆为收缩状态，小旋翼对应的伸缩杆为伸长状态，大旋翼对应的电动推杆为伸长状态，小旋翼对应的电动推杆为收缩状态，可实现大旋翼飞行模式、小旋翼陆行模式和大上小下协同作业模式；在大旋翼对应的伸缩杆为伸长状态，小旋翼对应的伸缩杆为收缩状态，大旋翼对应的电动推杆为收缩状态，可实现小旋翼飞行模式、大旋翼陆行模式和大下小上协同作业模式；即有的模式仅控制轮，有的模式仅控制旋翼，也有的模式需要进行协同控制；
74.本实施例提供一种在不同运动环境下机器人结构模式的切换和控制方式，具体控制方式如下：
75.开阔空域：如图12、图13所示，当机器人的运动环境为开阔空域时，控制组件控制机器人切换至大旋翼飞行模式，当接收到上升、下降、前进或后退等复合指令时，控制系统基于期望高度、姿态、速度控制各大旋翼作出相应处理，系统根据gps/imu/气压计的实时反馈检测器真实高度、姿态、速度是否达到期望值，如无则输出相应的修正指令进行调整，其中gps/imu/气压计可设在机器人上；如指令为上升时，则控制组件控制此时四个大旋翼的转速相同，但相邻大旋翼转动方向相反，指令为悬停和下降时的原理与指令为上升时相同，仅大旋翼转速不同，同样通过控制大旋翼转速完成机器人飞行姿态控制从而实现前进后退等操作；所述控制组件还通过传感器获取的高度/姿态/速度信息，进行反馈控制修正，确保飞行控制的准确性；
76.狭窄空域：如图14、图15所示，当机器人的运动环境为狭窄空域时，控制组件控制机器人切换至全旋翼飞行模式，此时控制量为大旋翼和小旋翼的输出转速，当接收到发出上升、下降、前进或后退等复合指令时，控制系统基于期望高度、姿态、速度控制各大、小旋翼作出相应处理，系统根据gps/imu/气压计的实时反馈检测器真实高度、姿态、速度是否达到期望值，如无则输出相应的修正指令进行调整，其中gps/imu/气压计可设在机器人上；所述控制组件通过传感器测得的高度/姿态/速度信息，进行反馈控制修正，确保飞行控制的准确性；
77.开阔道路/垂直落差：如图16、图17所示，当机器人的运动环境为开阔道路时，控制组件控制机器人切换至小旋翼陆行模式，此时控制量为小轮的轮速，当接收到发出前进或后退等复合指令时，控制系统基于期望高度、姿态、速度控制各小轮作出相应处理，系统根据gps/imu/气压计的实时反馈检测器真实高度、姿态、速度是否达到期望值，如无则输出相应的修正指令进行调整，其中gps/imu/气压计可设在机器人上；所述控制组件通过传感器测得的速度/路径信息，进行反馈控制修正，确保地面行驶控制的准确性；
78.如图18所示，当传感器识别到机器人行驶路线上存在垂向障碍，即运动环境为垂直落差时，控制组件控制机器人切换至大上小下协同作业模式，此时在控制小轮轮速的前提下，协同控制大旋翼的输出转速，即在遇到垂直障碍时，大旋翼转动提供升力帮助机器人跨越障碍，待跨越障碍后机器人继续在地面高速行驶；
79.如图19、图20所示，当传感器识别到开阔道路极为平坦，类似铺装道路时，控制组
件控制机器人切换至大上小下协同作业模式，同样可在控制小轮轮速的前提下，协同控制大旋翼的输出转速，大旋翼转动提供升力抵消部分重力影响，从而可以实现机器人在开阔道路上更好的实现高速行驶；
80.所述机器人处于大上小下协同作业模式时，还可在人为辅助下实现爬墙行驶，此时大旋翼转动提供对墙面的压力，小轮转动提供向上爬墙的动力；
81.多障碍道路：如图21、图23所示，当机器人的运动环境为多障碍道路时，此时需要机器人在道路行驶时经常进行避障绕障操作，控制组件控制机器人切换至大旋翼陆行模式，由于机器人主体与大轮之间存在一定角度，因此可通过控制不同大轮的转速，为机器人的行驶提供差速转向的横摆角速度，从而使机器人在多障碍道路行驶过程中实现避障绕障操作；
82.如图22所示，同样在该结构模式下，机器人可实现快速原地转向；
83.水域：如图24、图25、图26所示，当机器人的运动环境为水域时，控制组件控制机器人切换至大下小上协同作业模式，因大旋翼与机器人主体之间存在一定角度，因此可通过控制不同大旋翼转速调整机器人前进方向；此时协同控制小旋翼转速提供升力，减少机器人的重力对水面行驶的影响。
84.本实施例通过视觉识别模块识别出机器人周围环境，根据周围环境的变化切换机器人的结构模式，从而满足使用机器人的工作需求；通过传感器采集机器人高度/姿态/速度信息，通过前馈+反馈的控制使得机器人在各种结构模式下运动具有更高的准确性和稳定性。
85.以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的保护范围，所以凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的保护范围内，此外，随着技术发展其中的元素可以更新的。

技术特征：
1.一种水陆空三栖机器人的轮翼控制系统，所述系统包括多组大旋翼机构、多组小旋翼机构、与大旋翼机构及小旋翼机构一一对应连接的多组旋翼支撑机构、与多组旋翼支撑机构一一对应连接的多组伸缩杆机构；所述大旋翼机构包括大旋翼和大轮，所述小旋翼机构包括小旋翼和小轮，所述旋翼支撑机构包括电动推杆，所述伸缩杆机构包括伸缩杆；所述系统通过改变电动推杆和伸缩杆的伸缩状态实现机器人的结构模式在全旋翼飞行模式、大上小下模式、大下小上模式之间的切换。2.根据权利要求1所述的一种水陆空三栖机器人的轮翼控制系统，其特征在于，所述大上小下模式包括大旋翼飞行模式、小旋翼陆行模式和大上小下协同作业模式；大下小上模式包括小旋翼飞行模式、大旋翼陆行模式和大下小上协同作业模式。3.根据权利要求2所述的一种水陆空三栖机器人的轮翼控制系统，其特征在于，所述旋翼支撑机构还包括电机、主动齿轮、从动齿轮、空心滑键轴、空心键槽轴、固定轴承、螺钉、联轴器、旋翼滑键轴、减震弹簧、旋翼带座轴承和旋翼固定轴承。4.根据权利要求3所述的一种水陆空三栖机器人的轮翼控制系统，其特征在于，所述旋翼支撑机构的具体传动方式为：电机转动带动主动齿轮转动，主动齿轮通过齿轮传动带动从动齿轮转动，从动齿轮转动带动空心滑键轴转动；空心滑键轴与空心键槽轴为滑键配合，两者在轴向可相对滑动，且在电动推杆行程内一直为滑键配合；从而空心键槽轴被空心滑键轴带着转动，所述空心键槽轴和旋翼滑键轴通过联轴器连接，旋翼滑键轴随空心键槽轴转动而转动，旋翼与旋翼滑键轴固定连接，从而旋翼随电机的转动而转动。5.根据权利要求4所述的一种水陆空三栖机器人的轮翼控制系统，其特征在于，所述电动推杆控制电机单独带动旋翼转动或带动旋翼和轮一起转动；所述电动推杆对轮和旋翼的转动的具体控制方式为：电动推杆向前推动至设定的行程，此时电动推杆处于伸长状态，所述空心键槽轴与电动推杆在轴向上固定，所以空心键槽轴同样向前推动，空心键槽轴推动带动固定轴承、螺钉、联轴器、旋翼滑键轴和旋翼向前移动，此时旋翼滑键轴相对轮向前移动，此时旋翼滑键轴与轮之间的滑键配合失效，此时电机仅带动旋翼旋转；当电动推杆向后收回时，此时电动推杆处于收缩状态，此时旋翼滑键轴与轮之间的滑键配合重新生效，从一电机带动轮和旋翼一起转动。6.根据权利要求5所述的一种水陆空三栖机器人的轮翼控制系统，其特征在于，所述伸缩杆机构还包括固定基座、侧面固定基座和电机固定杆，所述伸缩杆一端与固定基座固定连接，另一端与电机固定杆连接；所述电机固定杆一端与伸缩杆连接，另一端与侧面固定基座连接。7.根据权利要求6所述的一种水陆空三栖机器人的轮翼控制系统，其特征在于，所述伸缩杆机构通过改变伸缩杆的伸缩状态从而调整旋翼和轮的朝向；所述伸缩杆机构对轮和旋翼朝向的调整的具体方式为：伸缩杆向外伸长至设定的行程，此时伸缩杆处于伸长状态，使得电机固定杆的一面与侧面固定基座处于面接触固定状态，此时电机固定杆的朝向为竖直方向，轮和旋翼朝向为水平方向；将所述伸缩杆向内收缩至设定的行程，此时伸缩杆处于收缩状态，使得电机固定杆的另一面与侧面固定基座处于面接触固定状态，此时电机固定杆的朝向为水平方向，此时轮和旋翼朝向为竖直方向。8.根据权利要求7所述的一种水陆空三栖机器人的轮翼控制系统，所述系统通过控制
电动推杆和伸缩杆的伸缩状态来改变机器人的结构模式，使得机器人满足不同工作需求，所述结构模式及系统控制方式如下：全旋翼飞行模式：使得所有伸缩杆处于收缩状态，所有电动推杆处于伸长状态；此时所述大旋翼和小旋翼的朝向均为竖直方向，且大旋翼和小旋翼均能转动；大上小下模式：使得与大旋翼机构对应的伸缩杆处于收缩状态，与小旋翼机构对应的伸缩杆处于伸长状态，此时所述大旋翼的朝向为竖直方向，小旋翼的朝向为水平方向；当机器人切换至大旋翼飞行模式时，大旋翼对应的电动推杆处于伸长状态，此时只有大旋翼能转动；当机器人切换至小旋翼陆行模式时，小旋翼对应的电动推杆处于收缩状态，此时只有小旋翼和小轮能转动；当机器人切换至大上小下协同作业模式时，小旋翼对应的电动推杆处于收缩状态，此时大旋翼、小轮和小旋翼均能转动；大下小上模式：使得与大旋翼对应的伸缩杆处于伸长状态，与小旋翼对应的伸缩杆处于收缩状态，此时所述大旋翼的朝向为水平方向，小旋翼的朝向为竖直方向；当机器人切换至小旋翼飞行模式时，小旋翼对应的电动推杆处于伸长状态，此时只有小旋翼转动；当机器人切换至大旋翼陆行模式时，大旋翼对应的电动推杆处于收缩状态，此时只有大旋翼和大轮能转动；当机器人切换至大下小上协同作业模式时，大旋翼对应的电动推杆处于收缩状态，此时大旋翼、小旋翼、大轮均能转动；所述全旋翼飞行模式、大上小下模式、大下小上模式与浮力装置结合则实现水面航行模式。9.根据权利要求8所述的一种水陆空三栖机器人的轮翼控制系统，所述系统还包括与多组旋翼支撑机构一一对应连接的多组减震机构，所述减震机构主体包括上端悬架杆、减震弹簧和下端悬架杆，所述减震弹簧初始状态为压缩状态，当机器人整体受到冲击时，弹簧通过进一步压缩减小机器人整体震动。

技术总结
本发明提供了一种水陆空三栖机器人的轮翼控制系统，所述系统包括多组大旋翼机构、多组小旋翼机构、与大旋翼机构及小旋翼机构一一对应连接的多组旋翼支撑机构、与多组旋翼支撑机构一一对应连接的多组伸缩杆机构；所述大旋翼机构包括大旋翼和大轮，所述小旋翼机构包括小旋翼和小轮，所述旋翼支撑机构包括电动推杆，所述伸缩杆机构包括伸缩杆；所述系统通过改变电动推杆和伸缩杆的伸缩状态实现机器人的结构模式在全旋翼飞行模式、大上小下模式、大下小上模式之间的切换；本发明提供的机器人水陆空共用一套动力，精简了机器人的结构，且机动性较强。机动性较强。机动性较强。


技术研发人员：郭晓俊 卢盛洋 钱翰翔 孙晓永 蒋越 苏绍璟 左震 蒋薇
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/5/23