基于四旋翼平台的分体式陆空两栖机器人结构设计与力学分析

0引言

在现代复杂任务环境中,具备多地形适应能力和多域作战能力的机器人系统正逐步成为军事侦察与救援领域的重要装备。陆空两栖机器人融合了飞行机器人[1]和地面机器人[2]的优势,能够兼顾空中快速部署与地面稳定作业,已被广泛应用于城市侦察、灾后搜救、巡逻巡检等任务中。

当前,多数两栖机器人为一体化结构,虽具备多环境适应能力,但在机动灵活性与结构布置上仍存在局限,难以兼顾结构紧凑性与模块功能扩展性。特别是在复杂地形中,传统机器人在越障能力、对接精度及抗冲击能力方面存在明显不足,限制了其作战效率与环境适应范围。

针对上述问题,本文设计了一种基于四旋翼飞行器平台的分体式陆空两栖机器人系统。系统由空中模块(飞行器)、地面模块(四轮机器人)和对接模块三部分组成,采用被动导引加磁力锁定的类锥杆对接结构,实现空地模块的自主对接与分离。飞行器具备一定抗风能力,地面平台具有良好的负载性能和地形适应性,对接模块结构紧凑、连接可靠。最终通过有限元分析验证关键部件在典型工况下的受力安全性,确保系统具备稳定运行能力。

1 总体结构设计

1.1 总体结构设计与工作流程

该机器人系统总体结构如图1所示,系统由三部分组成:四旋翼飞行器、地面四轮机器人、对接机构。飞行器搭载上对接端,在执行空中任务或地面结合需求时实现自动对接与分离。

任务开始前,四旋翼飞行器与地面机器人处于分离状态,飞行器搭载上对接端停留于起始区域,地面机器人通过定位系统向空中模块发送位置信息。飞行器接收到信号后自主起飞并导航至地面机器人所在区域,利用视觉识别装置识别下对接端导引型面,在重力作用与结构约束下实现自主导向对接。对接完成后由磁力锁进行锁定,使飞行器与地面机器人形成刚性连接,完成组合。任务执行完毕后,可控制磁力锁断电脱开,实现空地模块的快速分离与重组。

1.2 四旋翼飞行器设计

四旋翼飞行器是本系统空中模块的核心部分,承担对接与空地转换的飞行任务,其结构强度应满足搭载对接机构与完成多次起降的稳定要求;同时为实现与地面模块的 自由组合,其结构需具备紧凑性与适应性,要求尺寸控制合理并可实现一定程度的构型变化;考虑到整机飞行续航时间有限,飞行器应尽量采用轻量化材料与优化结构布局;此外,飞行器在实际应用中需满足6级风速(10.8~13.8 m/s)下的抗扰飞行能力,因此动力系统必须具备足够余量。

综合上述要求,飞行器采用X型四旋翼布局形式,避免传统十字型结构因横向尺寸过大带来的布置限制与气动干扰,如图2所示。

无人机桨翼尺寸是确定无人机总体尺寸的关键,其一般与电机配套选择,综合市场表现本文最终选择了sunnyskyX6212s—180kv和carbon2065螺旋桨组合的动力系统,并根据最大拉力要求选择2065全碳纤维正反桨。根据《多旋翼飞行器设计与控制实践》[3]可得机架尺寸相关计算公式:

式中:rmax为旋翼最大半径;rp为旋翼半径;R为机架半径;θ为相邻两个电机之间的夹角;n为机臂数量。

根据其主要参数配置相关部件,同时考虑轻量化及飞行阻力的问题,四旋翼飞行器的具体设计如图3所示。

1.3 地面机器人设计

地面机器人[4]不仅承担常规地面行驶任务,同时也是飞行器的承载与对接平台,其结构设计应兼顾机动性能与承载稳定性。地面平台常见形式包括轮式、履带式和足式结构,不同类型平台在越障能力、速度控制和环境适应性方面各具优势。为满足复杂任务对系统多样化与环境适应性的需求,地面模块需具备独立驱动能力,并与飞行器实现良好的协同运行。因此,需根据具体任务场景选择合适的地面结构形式,确保整个两栖系统在地面环境中具备稳定、可靠的运动性能。

根据设计的功能需求、应用场景、两栖系统的对接机构形式等,地面平台常见形式对比结果如表1所示,最终选择轮式移动机构中的四轮式移动机构作为地面机器人的主体部分来实现其主要功能,其模型结构如图4所示。

1.4 对接机构设计

对接机构[5]是飞行器与地面机器人连接的关键组件,需具备结构紧凑、动作可靠、自主结合与分离等能力。当前常见的对接机构主要包括锥杆式、三爪式和异体同构周边式三类,其中异体同构式多用于航天大型设备,对体积与精度要求高,不适用于本系统。锥杆式与三爪式结构在中小型系统中应用广泛,其中锥杆式布局紧凑、结构简单,满足本系统小型化和快速对接的需求。

本系统在锥杆式原理基础上设计了类锥杆式对接机构,结构如图5所示。该机构分为上下两部分:上对接端安装于飞行器下部,为无源导引结构;下对接端设于地面机器人顶部,集成磁力锁与缓冲装置。对接过程依靠梯形导引面实现被动引导与姿态校正,最终由磁力锁完成锁紧连接,确保对接过程快速、稳定。图6所示为其对接过程流程图,对接完成后由磁力锁进行锁紧或分离控制,即可以实现飞行部分与地面部分的自由结合与分离。

2 动力学仿真与有限元分析

在对接过程中,飞行器识别地面标志后 自主降落,接近后取消动力,借助重力作用与导引型面完成对接。该过程属于典型的弱撞击,对结构安全性和精度存在影响。为评估其力学性能,本文对对接过程进行动力学仿真,并基于最大冲击力对关键部件开展有限元分析,验证其结构可靠性[6]。

2.1 弱撞击动力学仿真

仿真前,需要对模型进行相关简化,但同时要保证其力学模型具有一定的精确性和完整性,仿真过程中将材料相同且固定的部件组合成一个部件进行仿真。

此仿真过程中主要需要对四个升力进行参数的修改以及接触时间的修改,如图7所示,使对接过程中的冲击尽量小,且能够稳定下落,最后能平稳停在地面机器人上。其相关分析结果如图8和图9所示。

通过以上仿真可以观察到,四旋翼飞行器与地面机器人的对接过程基本符合该结构应有的运动规律,在对接过程中其能快速稳定下来,速度能快速降为零且相应的碰撞力在允许范围之内。

2.2 关键部件的有限元分析

该分析主要是进行静力学分析,主要 目的为校核静载荷作用下结构的刚度、强度。本文该部分分析内容主要针对此前动力学仿真过程中碰撞部件产生的冲击力进行,主要包括地面机器人上盖和四旋翼飞行器的机体两部分,同时还对磁力锁体也进行了强度分析。具体分析结果如图10~12所示。

将弱撞击过程中的最大力作为其接触过程中的力,对关键零部件的刚度、强度进行校核,得出关键受力部件处于安全范围内,且具有一定的安全裕度。

3结论

本文提出了一种适用于城市巷道及室内侦察的分体式陆空两栖机器人系统,具备快速部署与空地协同能力。围绕系统需求,完成了结构设计、设备选型与性能评估。飞行模块采用四旋翼结构,地面模块为四轮驱动平台,对接机构采用类锥杆式方案实现自主结合与分离。结合ADAMS和ANSYS软件,开展了对接过程的动力学仿真与关键部件的有限元分析,验证了系统在弱撞击工况下的结构可靠性与安全裕度,证明了设计的可行性与实用性。

[参考文献]

[1] MulgaonkarY,ArakiB,kohJ,etal.Theflying monkey: A mesoscale roBot that can run,fly,and grasp[c]//2016 IEEEInternationalconferenceonRoBotics and Automation(IcRA),2016:4672-4679.

[2] TakahashiN,YamashitaS,SatoY,et al.All-roundtwo-wheeledquadrotorhelicopterswithprotect-framesforair - land -seavehicle (controller designandautomaticchargingequipment) [J].AdvancedRoBotics,2015,29(1): 69-87.

[3]全权.多旋翼飞行器设计与控制实践[M].北京:电子工业出版社,2018.

[4]朱航.微小型陆空两栖机器人地面移动及控制技术[D].北京:北京理工大学,2015.

[5]李凯林,韩宝玲,罗庆生,等.组合式陆空两栖机器人的运动规划与仿真[J].机械设计与制造,2022(6):245-248.

[6]卢晓煜.飞行汽车对接系统的设计及可靠性评估[D].西安:长安大学,2021.

《机电信息》2025年第17期第11篇