[0001] 本发明涉及变胞机器人技术领域，尤其涉及一种三栖变胞机器人。

[0002] 相关技术中，为提高机器人在不同地形中的适应能力，设置机器人具有多个行走姿态，如站姿、跪姿、卧姿等，但机器人只能通过改变构型实现轮腿切换或者改变自身形态，使机器人只能以不同的行走方式在陆地运动，不能满足机器人水、陆、空多栖的运动需求。

[0036] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0037] 在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、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。

[0038] 在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

[0039] 本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

[0040] 本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0041] 参照图1至图4，本发明的实施例中提供了一种三栖变胞机器人(以下简称机器人)，可利用机器人自身的结构变化，转换为不同的运动模式，并能够应用于水、陆、空三栖环境内，实现机器人在空中飞行、地面移动以及水中行进。

[0042] 参照图4至图8(为清楚示意变胞机构中各构件之间的配合关系，图4‑8对变胞机构进行了简化处理)，机器人包括变胞机构100，变胞机构100为机器人改变构型的主体结构，变胞机构100包括八个连杆110与八个转轴120，八个连杆110依次首尾相接并形成闭环结构，即，每一连杆110的首端与尾端均分别与另外两个连杆110的端部连接，在闭环结构的环绕方向上，相邻的连杆110之间通过转轴120转动连接，因此相邻连杆110能够相对转动。另外，定义轴线平行于第一方向的转轴120为第一转轴130，轴线平行于第二方向的转轴120为第二转轴140，第一方向与第二方向垂直，沿闭环结构的绕设方向相邻的转轴120的轴线相互垂直，也即，第一转轴130与第二转轴140相邻设置，在闭环结构的绕设方向上，每一第一转轴130的两侧分别设置有一个第二转轴140，同样的，每一第二转轴140的两侧分别设置有一个第一转轴130。

[0043] 可以理解的，每一连杆110的两端分别连接第一转轴130与第二转轴140，因此，每一连杆110的其中一端能够相对相邻的连杆110绕第一方向转动，另一端能够相对相邻的连杆110绕第二方向转动。

[0044] 参照图1至图4，机器人还包括构型驱动机构200，构型驱动机构200用于与变胞机构100连接，并通过驱动变胞机构100内的连杆110转动，变换变胞机构100的构型。构型驱动机构200包括四个第一驱动元件210，第一驱动元件210用于驱动转轴120转动，第一驱动元件210不限于设置为电机、舵机等；四个第一驱动元件210中的其中两个分别连接于两个第一转轴130，另外两个分别连接于两个第二转轴140，也即，八个转轴120中的其中两个第一转轴130与其中两个第二转轴140处于欠驱动状态，另外两个第一转轴130与另外两个第二转轴140均连接有一个第一驱动元件210，第一驱动元件210工作时，驱动相邻的连杆110绕第一方向和/或第二方向转动。

[0045] 机器人还包括桨轮300，桨轮300设置有四个，本发明中设置第一转轴130均连接有一个桨轮300，桨轮300包括转轮310与设置于转轮310内部的桨叶320，桨叶320可转动，并用于在机器人飞行时扰动气流，提供飞行升力，以及机器人在水中时拨动水流，提供推进力，转轮310可转动，并用于机器人在地面行进时，提供前进动力。

[0046] 本发明中的机器人具有第一运动模式、第二运动模式与第三运动模式，通过构型驱动机构200对转轴120的驱动，改变变胞机构100的构型，使机器人在第一运动模式、第二运动模式与第三运动模式之间切换。参照图1与图6，当机器人处于第一运动模式时，其中两个第一转轴130的轴线共线，并且低于另外两个第一转轴130，此构型下，机器人能够在水中推进，连接于较高的两个第一转轴130的桨轮300位于水面上方，连接于较低的两个第一转轴130的桨轮300分别位于机器人相对的两侧，且轴线平行，并且这两个桨轮300中的转轮310的外周面与水面接触，并能够为机器人整体提供浮力，桨叶320的转动轴线与第一转轴
130的转动轴线平行，桨叶320转动时，拨动水流形成推动力，供机器人整体进行移动。

[0047] 另外，还可通过调整两个较低位置的桨轮300内桨叶320的转动状态，改变机器人的行进方向。示例性的，定义连接于较高的两个转轴120的两个桨轮300分别为桨轮300a与桨轮300b，设置桨轮300a内的桨叶320转动，桨轮300b内的桨叶320静止，此时机器人整体沿正向行进；设置桨轮300a内的桨叶320静止，桨轮300b内的桨叶320转动，此时机器人整体沿反向行进。

[0048] 参照图2、图3、图7与图8，机器人处于第二运动模式时，四个桨轮300的周面的最低点共面，同样的，四个第一转轴130的最低点共面，四个桨轮300分别位于机器人的不同侧，此构型下，机器人能够在地面行进，四个桨轮300内的转轮310的周面均能够与地面接触，转轮310转动时为机器人的运动提供动力。

[0049] 可理解的，在机器人处于第二运动模式时，其中两个桨轮300分别位于机器人相对的两侧，另外两个机器人位于机器人相对的另两侧；可通过控制不同桨轮300内转轮310的运动速度，改变机器人整体的行进速度或者行进方向。示例性的，定义四个桨轮300分别为桨轮300a、桨轮300b、桨轮300c、桨轮300d，桨轮300a与桨轮300b相对布置，桨轮300c与桨轮300d相对布置，设置桨轮300a与桨轮300b中的转轮310同速并同向转动，机器人直线行进，设置桨轮300a与桨轮300b差速转动，机器人进行转向。

[0050] 参照图4与图9，机器人处于第三运动模式时，四个第一转轴130的轴线平行，且第二转轴140位于四个第一转轴130围合形成的空间内，此构型下，机器人能够在空中飞行，四个桨轮300中桨叶320的转动轴线平行，四个第二转轴140相互靠拢并集中于机器人的中心，以降低机器人的飞行阻力，四个桨轮300均位于机器人的外侧，形成四旋翼机器人，桨叶320转动时所产生的气流为机器人飞行提供升力。

[0051] 本发明中的构型驱动机构200能够驱动变胞机构100变换构型，使变胞机构100切换为不同的姿态，且使机器人在不同的运动模式下切换，机器人依靠变胞机构100自身结构的变形切换运动模式，以适应水、陆、空多栖环境的运动需求，无需借助外部结构。

[0052] 参照图5，机器人还具有中间模式，机器人处于中间模式时，四个第一转轴130的轴线平行，并且通过第一转轴130转动连接的相邻连杆110平行，通过第二转轴140转动连接的相邻连杆110垂直，此时变胞机构100所形成的闭环结构呈正方形，第二转轴140位于变胞机构100的对角位置，第一转轴130位于变胞机构100每个边的中心位置。机器人能够依次经历中间模式、第一运动模式、第二运动模式与第三运动模式，使机器人能够在各个运动模式之间快速切换，机器人的机动性强；可理解的，机器人能够在不同的运动模式之间快速切换，如，由第二运动模式切换至第一运动模式或者第三运动模式，或者由第一运动模式切换至第二运动模式或中间模式，或者，由第三运动模式切换至第二运动模式。

[0053] 具体的，定义位于较低位置的两个第一转轴130分别为第一转轴130a与第一转轴130b，机器人处于第一运动模式时，通过第一转轴130a转动连接的相邻连杆110平行，通过第一转轴130b转动连接的相邻连杆110平行，此时通过第一转轴130a与第一转轴130b转动连接的连杆110均相互平行，机器人与水面的接触面积较大，机器人在水中的行进更为平稳，降低机器人行进过程中的晃动。可理解的，在其他实施例中，设置通过第一转轴130a转动连接的相邻连杆110互成一定角度，通过第一转轴130b转动连接的相邻连杆110互成一定角度。

[0054] 进一步的，机器人处于第一运动模式时，位于较高位置的两个第一转轴130以及通过较高位置的第一转轴130转动连接的相邻连杆110均位于较低位置的两个第一转轴130之间，机器人在第一运动模式下的结构连接更为紧凑，运行更加平稳。

[0055] 第二运动模式包括第一运动形态与第二运动形态，参照图2与图7，机器人处于第一运动形态时，四个第一转轴130的轴线共面，此时其中两个第一转轴130分别位于变胞机构100相对的两侧，且两个第一转轴130的轴线平行，另外两个第一转轴130分别位于变胞机构100另外相对的两侧，且两个第一转轴130的轴线平行，定义其中两个轴线平行的第一转轴130的轴线方向为X，另外两个轴线平行的第一转轴130的轴线方向为Y，X与Y垂直，并且四个第一转轴130的轴线均处于同一平面。

[0056] 参照图3与图8，机器人处于第二运动形态时，四个第一转轴130的轴线相交，即，四个第一转轴130的轴线均不平行。机器人处于第一运动形态时，通过第一转轴130转动连接的相邻连杆110互成第一角度，机器人处于第二运动形态时，通过第一转轴130转动连接的相邻连杆110互成第二角度，并且第二角度大于第一角度；从而，在第一运动形态下的各连杆110相较于在第二运动形态下的各连杆110朝向机器人的中心靠拢，机器人整体在第一运动形态下向水平面的投影面积小于在第二运动形态下向水平面的投影面积，机器人在第二运动形态下能够提供较大的安装面积与空间供机器人中的其他模块搭载，机器人在第一运动形态下的结构更为紧凑，具有较高的运动灵活度及便捷度。

[0057] 本发明中，通过第一转轴130转动连接的相邻连杆110沿第一转轴130的轴线分布，示例性的，两个连杆110沿第一转轴130的轴线分布，并且两个连杆110的端部通过第一转轴130转动连接，当机器人处于第三运动模式时，两个连杆110通过绕第一方向相对转动，实现了相邻连杆110的至少部分沿第一转轴130的轴线相互层叠，由于相邻连杆110层叠，通过第一转轴130转动连接的两个连杆110共同形成连接桨轮300的悬臂，悬臂的一端连接桨轮
300，另一端连接第二转轴140，并且第二转轴140位于机器人的中心位置，以降低机器人在飞行过程中的阻力，机器人的飞行效率高。

[0058] 在另一实施例中，参照图5与图9，通过第一转轴130转动连接的相邻连杆110中，其中一个连杆110设有容纳槽111，当机器人处于第三运动模式时，另一连杆110的至少部分容纳于容纳槽111内，从而两个连杆110在第一转轴130的轴线方向层叠设置，如此，通过第一转轴130转动连接的两个连杆110共同形成连接桨轮300的悬臂，悬臂的一端连接桨轮300，另一端连接第二转轴140，并且第二转轴140位于机器人的中心位置，以降低机器人在飞行过程中的阻力。

[0059] 可理解的，通过第一转轴130转动连接的相邻连杆110中，其中一个连杆110具有容纳槽111，同样的，通过第二转轴140转动连杆110的相邻连杆110中，其中一个连杆110具有容纳槽111。为使相邻连杆110能够最大化地层叠，分别在连杆110的两端设置转动部，相邻连杆110的转动部通过第一转轴130或第二转轴140转动连接，在通过第一转轴130转动连接的相邻连杆110中，其中一个连杆110的两个转动部之间限定出容纳槽111，因此另一连杆110除转动部之外的部分均能够容纳于容纳槽111内，相邻连杆110的层叠程度较高。

[0060] 本发明中，连杆110包括第一连接部112与第二连接部113，第一连接部112与第二连接部113互成45°，相邻连杆110的第一连接部112通过第一转轴130转动连接，相邻连杆110的第二连接部113通过第二转轴140转动连接，容纳槽111设置于第一连接部112。在机器人处于第三运动模式时，通过第一转轴130转动连接的相邻连杆110中，其中一个连杆110的第一连接部112容纳于另一连杆110的容纳槽111中，两个连杆110的第一连接部112共同形成悬臂，相邻的悬臂相互垂直，桨轮300连接于悬臂的一端，第二连接部113连接于悬臂的另一端，通过第二转轴140转动连接的相邻第二连接部113位于相邻的转臂之间，且通过第二转轴140转动连接的相邻连杆110的第二连接部113相互平行，通过第一转轴130转动连接的相邻连杆110的第二连接部113相互垂直，且能够相互抵接，第二连接部113能够最大化的相互靠拢，并集中于机器人的中心位置。

[0061] 另外，参照图10与图11，通过第二转轴140转动连接的相邻第二连接部113中，其中一个第二连接部113包括两个相对设置的连接板1131，另一个第二连接部113的内部容纳有第一驱动元件210，且第一驱动元件210连接于两个连接板1131之间。如此，第一驱动元件210能够内置于连杆110的内部，第一驱动元件210驱动两个第二连接部113绕第二方向转动。

[0062] 需说明的是，本发明中，在任意的两个第一转轴130与任意的两个第二转轴140处连接第一驱动元件210，连接有第一驱动元件210的两个第一转轴130可以沿变胞机构100的环绕方向相邻或间隔，同样的，连接有第一驱动元件210的两个第二转轴140可以沿变胞机构100的环绕方向相邻或间隔。因此，存在一个连杆110内设置有两个第一驱动元件210，两个第一驱动元件210分别连接于此连杆110的两端，并分别用于驱动连杆110绕第一方向与第二方向转动，存在一个连杆110的内部设有一个第一驱动元件210，第一驱动元件210设置于连杆110的端部，并用于驱动连杆110绕第一方向或第二方向转动。

[0063] 进一步的，本发明中包括三种形态的连杆110，其中一种连杆110的第一连接部112设置有容纳槽111，第二连接部113包括两个间隔的连接板1131，其中一种连杆110的第一连接部112未设置容纳槽111，且内部能够容纳第一驱动元件210，第二连接部113包括两个间隔的连接板1131，其中一种连杆110的第一连接部112未设置容纳槽111，第二连接部113未设置连接板1131，第一连接部112与第二连接部113的内部均能够容纳第一驱动元件210。根据第一转轴130、第二转轴140的位置以及第一驱动元件210的位置设置需求，选择形态的连杆110进行连接。

[0064] 参照图1至图4，机器人还包括桨轮驱动机构400，桨轮驱动机构400包括连接于连杆110的第二驱动元件410与第三驱动元件420，第二驱动元件410位于转轮310内部，并与桨叶320连接，以驱动桨叶320转动，第三驱动元件420与转轮310连接，并用于驱动转轮310转动。从而，机器人处于第一运动模式与第三运动模式时，第三驱动元件420不工作，第二驱动元件410驱动桨叶320转动，机器人处于第二运动模式时，第二驱动元件410不工作，第三驱动元件420驱动转轮310转动；桨叶320的转动与转轮310的转动相互独立，能够满足机器人在不同运动模式下的运动需求。

[0065] 本发明中，转轮310的轴线与桨叶320的轴线共线，桨叶320的外侧与转轮310的内侧之间存在间隙，并共同限定出涵道330，以供气流流动，保证桨叶320的转动能够为机器人的飞行提供升力。另外，转轮310可设置镂空形态，使涵道330与转轮310的外部空间连通，以加强桨叶320旋转时的空气流通，降低由于气流干扰造成的升力损失。

[0066] 转轮310包括骨架311与嵌设于骨架311内的多个麦克纳姆轮312，麦克纳姆轮312的转动轴线沿骨架311的周向相对转轮310的轴线倾斜，即麦克纳姆轮312的母线沿骨架311的周向倾斜，在机器人处于第二运动模式时，四个桨轮300中的麦克纳姆轮312均与地面接触，并能够同步转动，实现机器人陆地的全向移动。

[0067] 另外，沿骨架311的周向相邻的麦克纳姆轮312之间具有间隙，以使转轮310内部的涵道330与转轮310外部空间连通，保证空气流通，减小升力损失。

[0068] 第三驱动元件420与骨架311连接，并驱动骨架311转动，麦克纳姆轮312在骨架311转动的同时沿自身母线转动，使机器人能够全向移动。骨架311的转动轴线可设置为与桨叶320的转动轴线平行，有利于降低二者运动时干涉的风险，并且机器人处于第一工作模式时，水流可经骨架311与桨叶320之间的间隙流动，机器人处于第三工作模式时，气流可经骨架311与桨叶320之间的间隙流动，以降低机器人在第一、第三功能模式下的运动阻力。

[0069] 在一个实施例中，第三驱动元件420安装于连杆110的第二连接部113，或者第三驱动元件420设置于第一连接部112与第二连接部113的连接位置，第三驱动元件420的输出端与骨架311连接。进一步的，骨架311沿轴向上的一端连接有传动架340，传动架340呈环状，传动架340的内侧设置有轮齿，第三驱动元件420的一端传动连接有若干齿轮430，其中一个齿轮430与传动架340内的轮齿啮合，以将第三驱动元件420的转动动力传递至传动架340，使传动架340带动骨架311转动；由于齿轮430啮合于传动架340的内侧，第三驱动元件420与转轮310之间的传动结构对转轮310的转动进行避让，使转轮310能够平稳转动。

[0070] 本发明中，麦克纳姆轮312沿转轮310的轴线排布有至少两层，每层的麦克纳姆轮312围设形成转动单元313，至少其中一个转动单元313的最大外径不大于相邻的转动单元
313的最小外径，使相邻的转动单元313的外径具有变化趋势。定义转动单元313的外径为，相应的转动单元313内的多个麦克纳姆轮312的母线所形成的外周面的外径。在机器人切换至第二运动模式，并且处于第一运动形态时，外径较大的转动单元313内的麦克纳姆轮312与地面接触，外径较小的转动单元313内的麦克纳姆轮312不接触地面，在机器人处于第二运动形态时，外径较小的转动单元313内的麦克纳姆轮312与地面接触，外径较大的转动单元313内的麦克纳姆轮312不接触地面；即，无论机器人以何种形态在地面行走，均有相应层的转动单元313与地面接触，并为机器人行进提供直线速度。

[0071] 可理解的，机器人处于第二运动模式时，外径较大的转动单元313相较于外径较小的转动单元313更靠近机器人的中心；外径较大的转动单元313的外周面相较于外径较小的转动单元313的外周面倾斜，并互成角度a，角度a可根据机器人在第一运动形态与第二运动形态之间切换时，所收拢或扩张的程度设置。

[0072] 上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。