專利名稱：一種飛行和爬壁兩棲機器人及其控制方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于機器人技術(shù)領域，特別是一種同時具有飛行和爬壁兩棲機器人及其控制方法。
背景技術(shù)：
近年來，飛行機器人在軍事和民用上都獲得了廣泛應用。在軍事上，主要用于偵查、救援、通信中繼、電磁干擾以及生化檢測等；民用上，主要包括氣象監(jiān)測、資源探索、交通監(jiān)管、航拍等。申請人申請的專利201110322551.6公開了一種空中飛行和全方位吸附微型機器人?；谒男淼涂诊w行穩(wěn)定的特點，通過吸附裝置使機器人擁有在空中物體表面棲息吸附的能力，實現(xiàn)了仿飛行生物飛行和棲息的機制。這很大程度提高了機器人的續(xù)航時間，但是如果想要移動到壁面另一個位置控制比較復雜，且飛行的功耗比較高。爬壁機器人可以采用磁吸附、負壓吸附、仿生吸附以及靜電吸附等方式使機器人可以吸附于壁面上。專利201010147738.2公開了一種履帶式爬壁機器人，裝有兩套吸附裝置，由吸盤式電磁鐵和真空吸盤組成，具有吸附性強，載重量大等特點。專利200610151073.6公開了一種基于負壓吸附原理的小型爬壁機器人，離心風機采用倒置的電機驅(qū)動，推進機構(gòu)采用四輪驅(qū)動。采用無正壓力損失的被動密封方式，依靠膠吸附機構(gòu)實現(xiàn)長期吸附功能。專利201110322552.0公開了一種可重構(gòu)的爬壁機器人及其協(xié)同越障方法，每個可重構(gòu)爬壁機器人是一個獨立的個體，在無障礙時獨立完成偵察等任務，在某個爬壁機器人需要跨越障礙時，兩個獨立的可重構(gòu)爬壁機器人通過組合為一個整體，協(xié)同完成越障。爬壁機器人可以在壁面上自由的爬行，有些有一定越障能力，但存在移動速度慢、越障困難等缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種飛行和爬壁兩棲機器人及其控制方法，可以在飛行和爬壁之間進行自主的切換，并遠距離移動到目標位置、吸附在壁面上進行棲息、同時在壁面實現(xiàn)自由移動等。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種飛行和爬壁兩棲機器人，包括飛行子系統(tǒng)、爬壁子系統(tǒng)、連接機構(gòu)和機載控制系統(tǒng)，飛行子系統(tǒng)和爬壁子系統(tǒng)通過連接機構(gòu)以0-90°的角度固定，機載控制系統(tǒng)安裝在飛行子系統(tǒng)或者爬壁子系統(tǒng)上，機載控制系統(tǒng)通過控制飛行子系統(tǒng)和爬壁子系統(tǒng)使機器人具有飛行、爬壁和棲息三種狀態(tài)；
其中所述的飛行子系統(tǒng)采用2η個旋翼結(jié)構(gòu)，由旋翼、旋翼電機、旋翼電機驅(qū)動器、支撐臂、起落支架組成，該旋翼、旋翼電機、旋翼電機驅(qū)動器、支撐臂為2η個，旋翼固定安裝在各自的旋翼電機上，旋翼有正、反槳之分，對角線上的旋翼電機使用相同的旋翼，相鄰的旋翼電機上旋翼不同；驅(qū)動器分別與各自的旋翼電機連接；支撐臂一端固定在一起，旋翼電機、驅(qū)動器、起落支架分別設置在各自的支撐臂的另一端，η > 2。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點:(1)本發(fā)明具有三種運行狀態(tài)，包括飛行狀態(tài)、棲息狀態(tài)和爬壁狀態(tài)，可以在這三種狀態(tài)下分別工作且可以進行自主的切換。(2)本發(fā)明同時具有遠距離飛行和三維空間壁面自由移動的特點，同時克服了飛行機器人功耗高、續(xù)航能力不足和爬壁機器人移動緩慢、越障困難等缺點。(3)本發(fā)明可以實現(xiàn)全方位的吸附，能夠適應不同傾角壁面的吸附和爬行，且采用了防傾覆機構(gòu)。(4)本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、設計合理、操作簡單、控制靈活、可持續(xù)工作時間長，具有良好的應用價值和使用前景，可滿足多種任務需求。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。


圖1是本發(fā)明飛行和爬壁兩棲機器人的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明四輪驅(qū)動式爬壁機構(gòu)的立體圖。圖3是本發(fā)明爬壁機構(gòu)底部密封腔平面圖。圖4是本發(fā)明飛行和雙足式爬壁兩棲機器人地示意圖。圖5是本發(fā)明蠕動式爬壁機構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明齒輪齒條傳動示意圖。圖7(a)是本發(fā)明機器人頂吸示意圖。

圖7(b)是本發(fā)明機器人側(cè)吸示意圖。圖7(c)是本發(fā)明機器人全方位吸附示意圖。圖8是本發(fā)明配重平衡示意圖。圖9是本發(fā)明機器人控制系統(tǒng)連接示意圖。圖10是本發(fā)明機器人飛行、棲息和爬壁三種模態(tài)切換控制圖。圖11是本發(fā)明飛行和吸附轉(zhuǎn)換過程控制框圖。圖12是本發(fā)明機器人壁面爬行示意圖。圖13是本發(fā)明飛行和爬壁兩棲機器人在偵察上的應用示意圖。
具體實施例方式結(jié)合圖1，本發(fā)明飛行和爬壁兩棲機器人，包括飛行子系統(tǒng)1、爬壁子系統(tǒng)2、連接機構(gòu)3和機載控制系統(tǒng)4，飛行子系統(tǒng)I和爬壁子系統(tǒng)2通過連接機構(gòu)3以0-90°的角度固定(用水平側(cè)吸和垂直頂吸)，連接方式主要有以下幾種:(I)主要用于在天花板等水平壁面的吸附和移動；(2)主要用于在垂直壁面的吸附和移動；(3)用于全方位的吸附和移動。機載控制系統(tǒng)4安裝在飛行子系統(tǒng)I或者爬壁子系統(tǒng)2上，機載控制系統(tǒng)4通過控制飛行子系統(tǒng)I和爬壁子系統(tǒng)2使機器人具有飛行、爬壁和棲息三種狀態(tài)；控制單元4控制機器人在三種狀態(tài)下分別工作，并可以進行自主的切換。其中所述的飛行子系統(tǒng)I采用2η個旋翼結(jié)構(gòu)，由旋翼5、旋翼電機6、旋翼電機驅(qū)動器7、支撐臂8、起落支架9組成，該旋翼5、旋翼電機6、旋翼電機驅(qū)動器7、支撐臂8為2η個，旋翼5固定安裝在各自的旋翼電機6上,旋翼5有正、反槳之分,對角線上的旋翼電機6使用相同的旋翼5,相鄰的旋翼電機6上旋翼5不同；驅(qū)動器7分別與各自的旋翼電機6連接；支撐臂8 —端固定在一起，旋翼電機6、驅(qū)動器7、起落支架9分別設置在各自的支撐臂8的另一端，n ^ 2ο
以四旋翼為例，包括四個旋翼5、四個旋翼電機6、四個旋翼電機驅(qū)動器7、四個支撐臂8、起落支架9，四個旋翼5固定安裝在各自的旋翼電機6上，旋翼5有正、反槳之分，對角線上的旋翼電機6使用相同的旋翼5,相鄰的旋翼電機6上旋翼5不同。四個驅(qū)動器7分另IJ與各自的旋翼電機6連接。四個支撐臂8 一端固定在一起，四個旋翼電機6、四個驅(qū)動器
7、四個起落支架9分別設置在各自的支撐臂8的另一端。具體而言，四個旋翼電機6、四個驅(qū)動器7設置在支撐臂8另一端上面，起落支架9安裝在支撐臂8另一端下面。四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)可以是多種形狀，如十字型，X形狀等，也可以采用碳纖維材料管狀結(jié)構(gòu)，重量輕剛性好。結(jié)合圖2，本發(fā)明飛行和爬壁兩棲機器人的爬壁子系統(tǒng)2包括吸附單元和移動單元，該吸附單元采用磁吸附、靜電吸附或者負壓吸附，所述移動單元采用輪式、履帶式或蠕動爬行式。其中吸附單元采用渦輪的負壓吸附方式，移動單元采用輪式時，所述吸附單元包括密封裙10、密封內(nèi)襯11、支撐底板12、離心泵13、離心泵電機14、離心泵電機驅(qū)動器15，所述移動單元包括四個車輪16、四個車輪舵機17 ;密封裙10垂直固定安裝在機器人支撐底板12的四周；密封內(nèi)襯11設置在支撐底板12的下底面，在支撐底板12的中間設置成通孔19，通孔19處有過濾網(wǎng)，防止灰塵或雜物進入離心泵13，密封內(nèi)襯11位于通孔19和密封裙10之間；密封裙10、密封內(nèi)襯11和支撐底板12組成密封腔；由于壁面環(huán)境的復雜性，磨損、灰塵、潮濕等原因會導致密封腔的密封效果不再理想，為了方便更換，可以使用安裝夾18。安裝夾18安裝在支撐底板12四周，用于固定密封裙10和密封內(nèi)襯11。離心泵13的進氣口與支撐底板12的通孔19位置對應并固定安裝在支撐底板12的上面，離心泵電機14的輸出軸與離心泵12連接；離心泵電機驅(qū)動器15與離心泵電機14的電極連接，并設置在支撐底板12上，離心泵驅(qū)動器15的控制信號連接到單片機控制器28的IO輸出腳；四個車輪舵機17固定在支撐底板12的四個角上，四個車輪16與各自的車輪舵機連接17。同時設計了爬壁子系統(tǒng)殼體，殼體固定在支撐底板12上，四個車輪16對稱安裝在殼體的兩邊。所述密封裙10整體呈無縫結(jié)構(gòu)，由耐磨尼龍布加工而成。密封裙10內(nèi)部均勻填充軟彈性材料如橡膠、海綿、氣體等，填充軟彈性材料的作用是使密封裙10和壁面接觸的時候不至于過軟而影響密封腔的密封，以提高對不光滑平整壁面的適應性，從而減小泄漏流量，另外在遇到較小的障礙例如壁面突起的小顆粒等可以自然越過而不影響機器人的正常移動。密封的高度可由軟彈性材料的高度進行調(diào)整，如果密封裙10高出輪子過多，則會影響機器人在壁面上的移動，如果過低又會降低密封效果。結(jié)合圖4、圖5、圖6，本發(fā)明飛行和爬壁兩棲機器人的吸附單元采用真空隔膜泵的負壓吸附方式，移動單元采用蠕動式爬行時，吸附單元包括兩個真空吸盤20和微型真空泵，所述移動單元包括兩個移動緩沖裝置21、一個運動機構(gòu)22、兩個真空吸盤20和連桿，兩個真空吸盤20為吸附單元和移動單元共用，兩個真空吸盤20通過中空的連桿各連接一個移動緩沖裝置21，兩個移動緩沖裝置21均通過連桿與運動機構(gòu)22連接，固定在支撐臂8上的微型真空泵通過軟管與中空的連桿連接，該中空的連桿與真空吸盤20密封連接，通過抽氣使得真空吸盤20內(nèi)形成一定真空度，從而實現(xiàn)對壁面的吸附。運動機構(gòu)22包括齒輪24、齒條23和驅(qū)動電機，齒輪24、齒條23和驅(qū)動電機設置在運動機構(gòu)殼體內(nèi)，齒輪24與驅(qū)動電機連接，齒條23與齒輪24相互嚙合；兩個移動緩沖裝置21分別通過連桿與運動機構(gòu)殼體一端連接，該運動機構(gòu)殼體另一端與連接機構(gòu)3連接。
飛行子系統(tǒng)I和爬壁子系統(tǒng)2通過連接機構(gòu)3連接，連接方式如圖7(a)所示，主要用于在天花板等水平壁面的吸附(頂吸)和移動，此時連接機構(gòu)3主要由兩根支桿25組成，兩根支桿25的一端連接飛行子系統(tǒng)1，另一端連接爬壁子系統(tǒng)2，位置、角度不限，但以一端固定在飛行機構(gòu)中央位置，另一端固定在爬壁機構(gòu)中央位置，且相互垂直為最佳。此時，重心比較靠近中央位置，對于機器人的空中穩(wěn)定飛行比較有益。連接方式也可以如圖7(b)所示，主要用于在垂直壁面的吸附(側(cè)吸)和移動，此時連接機構(gòu)3上還需要固定配重27，用于保持機器人的平衡，使重心盡量處于飛行子系統(tǒng)I的中央位置。但是即使這樣，當吸附在壁面以后，由于重心距離壁面比較遠，需要很大的吸附力才能保持力矩平衡，這將很容易導致機器人傾覆。所以此時爬壁子系統(tǒng)還包括一個支撐機構(gòu)26，并且可以在安裝爬壁子系統(tǒng)組成部分時使重心盡量往后移，這樣墻壁對支撐結(jié)構(gòu)26的作用力就會提高，力矩就會增大，從而起到很好的防傾覆效果。兩根支桿25的一端連接爬壁子系統(tǒng)2，該爬壁子系統(tǒng)2上設置一個支撐機構(gòu)26，飛行子系統(tǒng)I設置在兩根支桿25上，配重27在兩根支桿25的另一端上移動，使機器人的重心在飛行子系統(tǒng)I的中央位置。連接方式也可以如圖7(c)所示，這可以用于全方位的吸附和移動，此時連接機構(gòu)3包括兩個連接緩沖裝置29、兩根支桿25、配重27、兩個套管28、關節(jié)臂30、關節(jié)臂驅(qū)動器31，兩根支桿25設置在飛行子系統(tǒng)I上，兩個套管28安裝在兩根支桿25上，該套管在支桿上自由移動，該兩個套管28直徑小于支桿頂端的直徑，防止由于緩沖裝置21的反作用力而飛出；每個連接緩沖裝置21—端固定在支桿上，另一端與套管28連接；關節(jié)臂30的一端與配重27連接，固定在連接兩個套管28的橫梁上，關節(jié)臂30的另一端與爬壁子系統(tǒng)2的爬壁子系統(tǒng)殼體連接。如圖8所示，當爬壁子系統(tǒng)2轉(zhuǎn)動時，配重27隨之轉(zhuǎn)動，始終保持重心在關節(jié)處，這樣就保證了爬壁機構(gòu)在空中轉(zhuǎn)動時機器人的整體平衡性。關節(jié)臂驅(qū)動器31與關節(jié)臂30連接，用于實現(xiàn)關節(jié)臂30在空中的全方位轉(zhuǎn)動，同時關節(jié)臂驅(qū)動器31通過串口與控制系統(tǒng)4的單片機控制器連接，實現(xiàn)對關節(jié)臂30轉(zhuǎn)動的控制。緩沖裝置21可以是彈簧、氣缸或活塞等。如圖9所示，所述控制系統(tǒng)4包括單片機控制器33、三軸陀螺儀34、三軸加速度計35、高度傳感器36，高精度三軸陀螺儀34和三軸加速度計35用于感知飛行子系統(tǒng)I的運動狀態(tài)和本體姿態(tài)，并反饋給單片機控制器33，單片機控制器33通過飛行器控制算法解算出四個電機轉(zhuǎn)速，傳輸給四個旋翼電機驅(qū)動器7，使飛行器能夠按照發(fā)送的控制命令穩(wěn)定飛行；高度傳感器36用于測量機器人的當前高度，實現(xiàn)機器人的定高懸停，將使機器人在飛行和棲息之間切換時先處于懸停過渡狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)4還包括超聲波傳感器37、GPS模塊38,超聲波傳感器37用于測量機器人與前方障礙物的距離，通過串口傳輸給單片機控制器33，用于機器人的自主避障；也可以用于測量與待吸附壁面的距離，逐漸調(diào)整機器人的飛行狀態(tài)，使機器人在距離壁面較小位置處于懸停狀態(tài)；GPS模塊38用于機器人的定位和自主導航，可以使機器人按照規(guī)劃的路線自主飛行，并記錄一些障礙點的位置信息，用于離線創(chuàng)建地圖，提高下次規(guī)劃路線的效率。所述控制系統(tǒng)4還包括氣壓傳感器39、壓力傳感器40、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊41、遙控接收裝置43，氣壓傳感器39用來測量爬壁子系統(tǒng)2密封腔內(nèi)壓強，通過串口傳送給單片機控制器33，離心泵電機驅(qū)動器15與單片機控制33的IO連接，從而實現(xiàn)對吸附力的控制。壓力傳感器40安裝在支桿25或關節(jié)臂30上，用于測量機器人與壁面接觸時，壁面對機器人地反作用力。無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊41或遙控接收裝置43用來接收操作者的命令，實現(xiàn)對旋翼電機驅(qū)動器7和車輪舵機17的控制，從而實現(xiàn)飛行子系統(tǒng)I和爬壁子系統(tǒng)2的分別工作，并使機器人在三種狀態(tài)(飛行、棲息、爬壁)下分別工作且可以相互切換。與機載控制系統(tǒng)4配套使用的是地面控制系統(tǒng)，地面控制系統(tǒng)包括無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊41、上位機42和遙控裝置44。單片機控制器33通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊41實時接收發(fā)送機器人的各種飛行和爬壁數(shù)據(jù)并在上位機42上顯示，包括電池電壓、坐標、高度、姿態(tài)、飛行時間、飛行速度、飛行路徑、GPS狀態(tài)、密封腔內(nèi)壓強等重要信息；操作者通過遙控裝置44發(fā)送控制命令通過遙控接收裝置43接收，由串口傳輸給單片機控制器33 ;操作者也可以通過上位機42發(fā)送控制命令通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊41傳輸給單片機控制器33，這提高了系統(tǒng)集成性，冋時提聞了系統(tǒng)的各錯能力。所述機器人的控制難點在于如何實現(xiàn)飛行和棲息之間的自主切換。飛行狀態(tài)向棲息狀態(tài)切換時，由于壁面對機器人的反作用力，機器人的運動狀態(tài)受到約束，原有的控制規(guī)律將會失效；同時在吸附到飛行轉(zhuǎn)換的過程中，由于吸附力對機器人的約束，原有的控制規(guī)律也將打破。如圖10所示，本發(fā)明通過上述的飛行和爬壁兩棲機器人進行控制處理，可以實現(xiàn)該機器人的飛行、吸附和爬壁三種模態(tài)間自主的切換，其中路線A實現(xiàn)機器人空中穩(wěn)定飛行到目標物穩(wěn)定吸附，再到三維空間壁面爬行的過程；路線B則反映了其逆過程的切換控制流程。本發(fā)明主要研究飛行和吸附轉(zhuǎn)換過程中，由于吸附力的約束，正常飛行控制規(guī)律失效下的瞬態(tài)控制方法。實現(xiàn)飛行和棲息自主切換的控制如圖11所示，主要包括飛行到棲息的切換和棲息到飛行的切換控制。首先分析多棲機器人的機構(gòu)特征、空氣動力學等建立飛行和爬壁兩棲機器人的動力學數(shù)學模型。通過多傳感器采集多種信息，如位置、姿態(tài)、力等，分別進行位置姿態(tài)反饋、力反饋和距離反饋，將多信息進行融合同時進行決策，通過開關切換到位置控制器或位移/力混合控制器，結(jié)合輸入的位置或力進行處理，然后再傳送給機器人，這樣就形成了飛行和棲息自主切換的閉環(huán)控制。本發(fā)明飛行和爬壁兩棲機器人實現(xiàn)機器人的飛行、吸附和爬壁三種模態(tài)間自主的切換，首先飛行、吸附切換控制步驟如下:
步驟一:首先操作者通過上位機42或遙控裝置44發(fā)送控制命令給單片機控制器33控制機器人向目標位置飛行，超聲波傳感器37測量機器人與待吸附壁面距離，此時切換到位置控制器，當距離小于d0 (小于I米)后，位置控制器自動加入自調(diào)整過程，分配給自調(diào)整較大的權(quán)重值(與人工輸入操作相比較而言)，用于規(guī)劃機器人的飛行路徑，使機器人在距離壁面的距離dl (小于15cm)時，處于懸停狀態(tài)且正對壁面，過程中遠程控制微調(diào)機器人的狀態(tài)和姿態(tài)，兩者共同作用于機器人。步驟二:當單片機控制器33接收到飛行向棲息切換的控制命令時，以小俯仰角(小于±5° )緩慢向壁面飛行(由于連接緩沖裝置29的存在，不會猛烈的撞擊到壁面)，同時離心泵驅(qū)動器15自動啟動離心泵電機14，離心泵13開始工作；當為全方位吸附時，可以通過關節(jié)臂驅(qū)動器31驅(qū)動關節(jié)臂30轉(zhuǎn)動，使爬壁子系統(tǒng)2緊靠壁面。步驟三:機器人與壁面的接觸過程中，由于壁面對機器人位置的約束，原有的控制規(guī)律將會失效，此時自動切換到位移/力混合控制，通過壓力傳感器40反饋壁面對機器人的反作用力，并對其進行補償使機器人產(chǎn)生與反作用力相反方向的慣性力，抵銷壁面對機器人的反作用力，同時調(diào)整機器人的姿態(tài)，使得機器人可以懸停且以一定壓力緊靠壁面。步驟四:根據(jù)氣壓傳感器39測量密封腔內(nèi)壓強值，動態(tài)調(diào)節(jié)離心泵電機14的轉(zhuǎn)速，當爬壁子系統(tǒng)2緊靠壁面且吸附穩(wěn)定后，停止飛行子系統(tǒng)I的工作。步驟五:當完成任務后，機器人從棲息狀態(tài)切換到飛行狀態(tài)，由于吸附力的約束，原有的飛行控制規(guī)律也將失效，通過壓力傳感器40的力反饋和超聲波傳感器37的位移反饋，進行位移/力混合控制，逐漸增大飛行子系統(tǒng)I旋翼5的轉(zhuǎn)速，并同時降低離心泵電機14的轉(zhuǎn)速，通過氣壓傳感器39實時反饋爬壁子系統(tǒng)2的吸附情況(因為吸附力對飛行子系統(tǒng)I有力的約束，突然關閉離心泵13會出現(xiàn)力的不平衡，導致機器人撞到壁面上)，由超聲波傳感器37測量與壁面的距離，當離壁面距離為dl時，使機器人處于懸停狀態(tài)，且爬壁子系統(tǒng)2停止工作。步驟六:再次切換到位置控制，通過上位機42或者遙控裝置44控制機器人返航。其次，四輪驅(qū)動方式爬行已經(jīng)比較成熟，這里主要介紹蠕動式爬行，所述的爬壁控制步驟如下:
飛行和爬壁兩棲機器人通過兩個吸附足A、B來實現(xiàn)機器人在三維空間壁面的爬行，每個吸附足包括真空吸盤20、氣壓傳感器39、自適應模糊PID控制器，氣壓傳感器39與自適應模糊PID控制器相連，氣壓傳感器39測量真空吸盤20內(nèi)的真空度，使得其能自適應各種自然環(huán)境壁面。如圖12所示，其中運動機構(gòu)22通過齒輪齒條傳動實現(xiàn)伸縮，通過下述控制步驟實現(xiàn)兩個吸附足的蠕動式爬行:
Ca)開始時激活吸附足A、B，使得機器人能夠穩(wěn)定棲息在三維空間壁面；
(b)釋放吸附足B，通過運動機構(gòu)22中的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動實現(xiàn)收縮，從而驅(qū)動其向上運
動；
(c)到達某個位置后，重新激活吸附足B;
(d)釋放吸附足A，運動機構(gòu)22通過伸展驅(qū)動吸附足A向上運動，如此反復就實現(xiàn)了機器人在壁面的蠕動爬行。飛行和爬壁兩棲機器人具有極大的應用價值，這里以軍事偵察為例，如圖13所示，此時在爬壁子系統(tǒng)2上安裝了具有兩自由度的攝像裝置45，也可以安裝在飛行子系統(tǒng)I上。攝像裝置45包括無線攝像頭46、驅(qū)動舵機47、底座48、垂直支桿49和橫向轉(zhuǎn)動部件50，驅(qū)動舵機47與垂直支桿49連接，用于實現(xiàn)垂直支桿49在縱向平面上的轉(zhuǎn)動，垂直支桿49 一端與底座48連接，另一端用來固定橫向轉(zhuǎn)動部件50 ;橫向轉(zhuǎn)動部件50與無線攝像頭46連接，使無線攝像頭46可以在橫向上移動，驅(qū)動舵機47和橫向轉(zhuǎn)動部件50保證了無線攝像頭46在三維空間的移動能力。配套使用的還有無線視頻傳輸模塊51，可以通過無線視頻傳輸模塊51將視頻信息傳送給上位機42。
權(quán)利要求
1.一種飛行和爬壁兩棲機器人，其特征在于包括飛行子系統(tǒng)(I)、爬壁子系統(tǒng)(2)、連接機構(gòu)(3)和機載控制系統(tǒng)(4)，飛行子系統(tǒng)(I)和爬壁子系統(tǒng)(2)通過連接機構(gòu)(3)以0-90°的角度固定，機載控制系統(tǒng)(4)安裝在飛行子系統(tǒng)(I)或者爬壁子系統(tǒng)(2)上，機載控制系統(tǒng)(4)通過控制飛行子系統(tǒng)(I)和爬壁子系統(tǒng)(2)使機器人具有飛行、爬壁和棲息三種狀態(tài)； 其中所述的飛行子系統(tǒng)(I)米用2η個旋翼結(jié)構(gòu)，由旋翼(5)、旋翼電機(6)、旋翼電機驅(qū)動器(7)、支撐臂(8)、起落支架(9)組成，該旋翼(5)、旋翼電機(6)、旋翼電機驅(qū)動器(7)、支撐臂(8 )為2η個，旋翼(5 )固定安裝在各自的旋翼電機(6 )上，旋翼(5 )有正、反槳之分，對角線上的旋翼電機(6)使用相同的旋翼(5),相鄰的旋翼電機(6)上旋翼(5)不同；驅(qū)動器(7)分別與各自的旋翼電機(6)連接；支撐臂(8) —端固定在一起，旋翼電機(6)、驅(qū)動器(7)、起落支架(9)分別設置在各自的支撐臂(8)的另一端，η > 2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行和爬壁兩棲機器人，其特征在于所述爬壁子系統(tǒng)(2)包括吸附單元和移動單元，該吸附單元采用磁吸附、靜電吸附或者負壓吸附，所述移動單元采用輪式、履帶式或蠕動爬行式。
3.根 據(jù)權(quán)利要求2所述的飛行和爬壁兩棲機器人，其特征在于吸附單元采用渦輪的負壓吸附方式，移動單元采用輪式時，所述吸附單元包括密封裙(10)、密封內(nèi)襯(11)、支撐底板(12)、離心泵(13)、離心泵電機(14)、離心泵電機驅(qū)動器(15)，所述移動單元包括四個車輪(16)、四個車輪舵機(17);密封裙(10)垂直固定安裝在機器人支撐底板(12)的四周；密封內(nèi)襯(11)設置在支撐底板(12)的下底面，在支撐底板(12)的中間設置成通孔(19)，通孔(19)處有過濾網(wǎng)，密封內(nèi)襯(11)位于通孔(19)和密封裙(10)之間；密封裙(10)、密封內(nèi)襯(11)和支撐底板(12)組成密封腔；離心泵(13)的進氣口與支撐底板(12)的通孔(19)位置對應并固定安裝在支撐底板(12)的上面，離心泵電機(14)的輸出軸與離心泵(12)連接；離心泵電機驅(qū)動器(15)與離心泵電機(14)的電極連接，并設置在支撐底板(12)上，離心泵驅(qū)動器(15)的控制信號連接到單片機控制器(28)的IO輸出腳；四個車輪舵機(17)固定在支撐底板(12)的四個角上，四個車輪(16)與各自的車輪舵機連接(17)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的飛行和爬壁兩棲機器人，其特征在于還設置一個安裝夾(18)，該安裝夾(18)安裝在支撐底板(12)四周，用于固定密封裙(10)和密封內(nèi)襯(11)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的飛行和爬壁兩棲機器人，其特征在于吸附單元采用真空隔膜泵的負壓吸附方式，移動單元采用蠕動式爬行時，吸附單元包括兩個真空吸盤(20)和微型真空泵，所述移動單元包括兩個移動緩沖裝置(21)、一個運動機構(gòu)(22)、兩個真空吸盤(20)和連桿，兩個真空吸盤(20)為吸附單元和移動單元共用，兩個真空吸盤(20)通過中空的連桿各連接一個移動緩沖裝置(21)，兩個移動緩沖裝置(21)均通過連桿與運動機構(gòu)(22)連接，固定在支撐臂(8)上的微型真空泵通過軟管與中空的連桿連接，該中空的連桿與真空吸盤(20)密封連接；運動機構(gòu)(22)包括齒輪(24)、齒條(23)和驅(qū)動電機，齒輪(24)、齒條(23 )和驅(qū)動電機設置在運動機構(gòu)殼體內(nèi)，齒輪(24 )與驅(qū)動電機連接，齒條(23 )與齒輪(24)相互嚙合；兩個移動緩沖裝置(21)分別通過連桿與運動機構(gòu)殼體一端連接，該運動機構(gòu)殼體另一端與連接機構(gòu)3連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的飛行和爬壁兩棲機器人，其特征在于當頂吸時，連接機構(gòu)(3)由兩根支桿(25)組成，兩根支桿(25)的一端連接飛行子系統(tǒng)(1)，另一端連接爬壁子系統(tǒng)(2)；當側(cè)吸時，連接機構(gòu)3由兩根支桿(25)組成，兩根支桿(25)的一端連接爬壁子系統(tǒng)(2),該爬壁子系統(tǒng)(2)上設置一個支撐機構(gòu)(26)，飛行子系統(tǒng)(I)設置在兩根支桿(25)上，配重(27)在兩根支桿(25)的另一端上移動，使機器人的重心在飛行子系統(tǒng)(I)的中央位置； 當全方位的吸附時，連接機構(gòu)(3)包括兩個連接緩沖裝置(29)、兩根支桿(25)、配重(27)、兩個套管(28)、關節(jié)臂(30)、關節(jié)臂驅(qū)動器(31)，兩根支桿(25)設置在飛行子系統(tǒng)(I)上，兩個套管(28 )安裝在兩根支桿(25 )上，該套管在支桿上自由移動，該兩個套管(28 )直徑小于支桿頂端的直徑；每個連接緩沖裝置(21) —端固定在支桿上，另一端與套管(28)連接；關節(jié)臂(30)的一端與配重(27)連接，固定在連接兩個套管(28)的橫梁上，關節(jié)臂(30)的另一端與爬壁子系統(tǒng)(2)連接；當爬壁子系統(tǒng)(2)轉(zhuǎn)動時，配重(27)隨之轉(zhuǎn)動，始終保持重心在關節(jié)處；關節(jié)臂驅(qū)動器(31)與關節(jié)臂(30)連接，用于實現(xiàn)關節(jié)臂(30)在空中的全方位轉(zhuǎn)動，同時關節(jié)臂驅(qū)動器(31)通過串口與控制系統(tǒng)(4)的單片機控制器連接，實現(xiàn)對關節(jié)臂(30)轉(zhuǎn)動的控制。
7.一種飛行和爬壁兩棲機器人的控制方法，其特征在于實現(xiàn)機器人的飛行、吸附和爬壁三種模態(tài)間自主的切換，首先飛行、吸附切換控制步驟如下: 步驟一:首先操作者通過上位機(42)或遙控裝置(44)發(fā)送控制命令給單片機控制器(33)控制機器人向目標位置飛行，超聲波傳感器(37)測量機器人與待吸附壁面距離，此時切換到位置控制器，當距離小于d0后，位置控制器自動加入自調(diào)整過程，分配給自調(diào)整大的權(quán)重值，用于規(guī)劃機器 人的飛行路徑，使機器人在距離壁面的距離dl時，處于懸停狀態(tài)且正對壁面，過程中遠程控制微調(diào)機器人的狀態(tài)和姿態(tài)，兩者共同作用于機器人； 步驟二:當單片機控制器(33)接收到飛行向棲息切換的控制命令時，以小俯仰角緩慢向壁面飛行，同時離心泵驅(qū)動器(15)自動啟動離心泵電機(14)，離心泵(13)開始工作；步驟三:機器人與壁面的接觸過程中，自動切換到位移/力混合控制，通過壓力傳感器(40)反饋壁面對機器人的反作用力，并對其進行補償，同時調(diào)整機器人的姿態(tài)，使得機器人懸停且緊靠壁面； 步驟四:根據(jù)氣壓傳感器(39)測量密封腔內(nèi)壓強值，動態(tài)調(diào)節(jié)離心泵電機(14)的轉(zhuǎn)速，當爬壁子系統(tǒng)(2)緊靠壁面且吸附穩(wěn)定后，停止飛行子系統(tǒng)(I)的工作； 步驟五:當完成任務后，機器人從棲息狀態(tài)切換到飛行狀態(tài)，通過壓力傳感器(40)的力反饋和超聲波傳感器(37)的位移反饋，進行位移/力混合控制，逐漸增大飛行子系統(tǒng)(I)旋翼(5)的轉(zhuǎn)速，并同時降低離心泵電機(14)的轉(zhuǎn)速，通過氣壓傳感器(39)實時反饋爬壁子系統(tǒng)(2)的吸附情況，由超聲波傳感器(37)測量與壁面的距離，當離壁面距離為dl時，使機器人處于懸停狀態(tài)，且爬壁子系統(tǒng)(2)停止工作； 步驟六:再次切換到位置控制，通過上位機(42)或者遙控裝置(44)控制機器人返航； 其次，所述的爬壁控制步驟如下: 飛行和爬壁兩棲機器人通過兩個吸附足A、B來實現(xiàn)機器人在三維空間壁面的爬行，每個吸附足包括真空吸盤(20)、氣壓傳感器(39)、自適應模糊PID控制器，氣壓傳感器(39)與自適應模糊PID控制器相連，氣壓傳感器(39)測量真空吸盤(20)內(nèi)的真空度，使得其能自適應各種自然環(huán)境壁面，通過下述控制步驟實現(xiàn)兩個吸附足的蠕動式爬行:(a)開始時激活吸附足A、B，使得機器人能夠穩(wěn)定棲息在三維空間壁面； (b)釋放吸附足B，通過運動機構(gòu)(22)中的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動實現(xiàn)收縮，從而驅(qū)動其向上運動； (c)到達某個位置后，重新激活吸附足B; Cd)釋放吸附足A，運動機構(gòu)(22)通過伸展驅(qū)動吸附足A向上運動，如此反復就實現(xiàn)了機器人在壁面的蠕動 爬行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種飛行和爬壁兩棲機器人及其控制方法，包括飛行子系統(tǒng)、爬壁子系統(tǒng)、連接機構(gòu)和機載控制系統(tǒng)，飛行子系統(tǒng)和爬壁子系統(tǒng)通過連接機構(gòu)以0-90°的角度固定，機載控制系統(tǒng)安裝在飛行子系統(tǒng)或者爬壁子系統(tǒng)上，機載控制系統(tǒng)通過控制飛行子系統(tǒng)和爬壁子系統(tǒng)使機器人具有飛行、爬壁和棲息三種狀態(tài)。本發(fā)明可以在這三種狀態(tài)下分別工作且可以進行自主的切換；結(jié)構(gòu)緊湊、設計合理、操作簡單、控制靈活、可持續(xù)工作時間長，具有良好的應用價值和使用前景，可滿足多種任務需求。
文檔編號B62D57/00GK103192987SQ201310118990
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月7日
發(fā)明者劉永, 劉衍, 孫國辛 申請人:南京理工大學, 南京天恩美科技有限公司