CN103847939A - 一种液体介质下多旋翼机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种液体介质下多旋翼机器人。包括流线型封闭外壳、N旋翼本体、控制单元、N个圆筒形密封罩、自动上浮装置、远程遥控系统、感知系统、人机交互系统。N个圆筒形密封罩从上至下贯穿所述封闭外壳,且均匀对称分布;N旋翼本体的多个旋翼分别位于N个密封罩内,且N个旋翼的旋转面处于同一平面;控制单元用于控制N旋翼机器人的运动。本发明解决目前液体介质下机器人运动中姿态单一、不灵活等问题,并能够在断电或者动力不足等紧急情况下自动上浮。
Description
技术领域
本发明属于液体介质下机器人领域,具体涉及一种液体介质下多旋翼机器人。
背景技术
由于在一些较大液体容器内部实现侦察、救援以及危险作业等特殊任务的需求,目前液体内部机器人开始受到各国研究人员的青睐。液体内部机器人非常适合在液体容器内部实现搜索、检测、侦察和识别等工作。由于其应用环境较为特殊,如变电器、液压器,因此相对已有的水下潜水器比较,它要结构简单、重量轻、尺寸小、能够在复杂环境中灵活运动等优点。由于液体内部环境未知,甚至带有危险。现实的需要促使了液体介质下机器人的开发与研究。
经过对现有专利技术文献的检索发现,中国专利申请号为200510027657,公开日:2007年1月17日,名称:小型水下机器人。一种小型水下机器人,具有外壳、密封舱、外挂式电动螺旋桨推进装置、电动姿态控制装置、发泡材料浮体,改进后,密封舱壳体的两端各有一个开槽支架,三者O形圈径向密封,一体化齿轮传动的电动姿态控制装置的支架装于开槽支架的槽内,外壳分段组成,用接环连接,外壳中段的两端面有槽,姿态控制轴在槽内,两外螺纹接环拧入外壳中段两端后将所有零件挤在一起,所有壳体材料均为塑料型材,支架为注塑件,故安装方便,便于系列化制造。此专利采用外挂式电动螺旋桨推进装置,因为液体内部环境的未知性,可能会被卡住等不安全因素;此外此专利不具备紧急情况下自动上浮功能。
中国专利申请号为:201210445986,公开日:2013年3月6日。名称:一种核电站微小型作业水下机器人。一种核电站微小型作业水下机器人,它包括水下机器人本体和岸上控制系统两部分,其中本体的水平和垂直方向上分别安装有两枚推进器,前部右侧安装深度计,前方底部安装机械手,顶部安装声纳,控制舱安装在本体中后部,外舱通过透明玻璃罩密封,安装有后视摄像头和辅助照明LED灯,本体前部安装有前视摄像系统,由可变焦耐辐照摄像管,云台和照明灯组成,视频图像和控制信号通过屏蔽电缆传至岸上控制系统,控制系统由运动控制杆、机械手控制键、键盘、主显示屏、速度调节旋钮组成。此发明由于核电站堆芯池,乏燃料池和构件池的监测和简单的异物打捞工作。但是此发明不利于避障、容易被卡住,运动不方便,姿态较为固定。现有潜水器等水下机器人运动不灵活,姿态较为单一,不能很好地满足特殊的需求。
发明内容
本发明提出一种液体介质下多旋翼机器人,解决目前液体介质下机器人运动中姿态单一,不灵活等问题,并能够在断电或者动力不足等紧急情况下自动上浮。
为了解决上述技术问题,本发明提供一种液体介质下多旋翼机器人,包括流线型封闭外壳、N旋翼本体、控制单元、N个圆筒形密封罩、自动上浮装置;所述N个圆筒形密封罩从上至下贯穿封闭外壳形成N个贯穿孔;所述N旋翼本体的N个旋翼分别位于N个贯穿孔内,且N个旋翼的旋转面处于同一平面;控制单元用于控制液体介质下多旋翼机器人的运动;其中N≥3。
本发明与现有技术相比,其显著优点在于:
(1)本发明基于N旋翼本体提供动力,具有在液体内部飞行稳定性和姿态多样性,且通过控制单元能够实现自动控制飞行。
(2)本发明采用封闭的流线椭圆型外壳设计,在旋翼上、下方的外壳留有网状小孔。一是机器人内部所有器件安全性得到了保证;二是利用流线椭圆形的设计,有助于减少液体对机器人的运动阻力,节省能量;三是由于液体内部环境的不可知,可能会有一些障碍物,流线椭圆形的另一设计有助于液体内部机器人避障、越障;特别是某些情况下被障碍物卡住的时候,此时机器人受力不平衡就可以自动从障碍物中脱落。
(3)本发明根据阿基米德原理设计自动上浮装置,当断电或者紧急情况下,可实现机器人的自动上升,提高机器人的安全性。
附图说明
图1是本发明液体介质下多旋翼机器人的旋翼本体为四旋翼时总体结构示意图。
图2是本发明液体介质下多旋翼机器人的旋翼本体为四旋翼时的俯视图。
图3是本发明液体介质下多旋翼机器人的旋翼本体为四旋翼时的剖视图。
图4是本发明液体介质下多旋翼机器人的旋翼本体为四旋翼本体结构的示意图。
图5是本发明液体介质下多旋翼机器人的旋翼本体为六旋翼时总体结构示意图。
图6是本发明液体介质下多旋翼机器人的旋翼本体为六旋翼时的俯视图。
图7是本发明液体介质下多旋翼机器人的旋翼本体为六旋翼时的剖视图。
图8是本发明液体介质下多旋翼机器人的旋翼本体为六旋翼本体结构的示意图。
图9是本发明中任意一个旋翼的密封结构示意图。
图10是本发明控制单元结构框图。
图11是本发明感知系统示意图。
具体实施方式
如图1和图5所示,本发明液体介质下多旋翼机器人,包括流线型封闭外壳7、N旋翼本体1、控制单元6、N个圆筒形密封罩4、自动上浮装置;
所述N个圆筒形密封罩4从上至下贯穿封闭外壳7形成N个贯穿孔,液体可以在N个贯穿孔中流动;N个圆筒形密封罩4可以是正圆形或椭圆形;所述N旋翼本体1的N个旋翼9分别位于N个贯穿孔内,且N个旋翼9的旋转面处于同一平面,从而旋动液体产生动力;根据液体介质下多旋翼机器人在液体内部运动的要求,当N个旋翼9正转时,液体给N个旋翼9向下的压力从而克服机器人的浮力,实现向下的运动;当N个旋翼9反转或者停止转动时,机器人将向上运动。
N旋翼本体1还包括N个旋翼电机8、N个旋翼电机驱动器10、N个支撑杆11;N个旋翼9分别安装在N个旋翼电机8上;N个旋翼电机8分别与N个旋翼电机驱动器10相连接;N个旋翼电机8分别安装在N个支撑杆11的一端;N个支撑杆11的另一端安装在位于封闭外壳7内部的支撑平台5上,以便支撑起N旋翼本体1。通过控制N个旋翼电机8的转速,可以实现对机器人飞行姿态的控制。
N个旋翼电机驱动器10均与控制单元6连接,控制单元6根据机器人需要达到的不同运动姿态计算出N个旋翼电机8需要具备的转速,然后通过N个旋翼电机驱动器10控制N个旋翼电机的转速,从而产生不同的压力,实现机器人的不同位姿。
如图3、图4和图8所示,控制单元6固定放置在四旋翼本体1中央。控制单元6是机器人的大脑所在,负责处理当前感知数据、与人机交互系统实现通信、控制N旋翼机器人的飞行动作等功能。
如图10所示,控制单元6包括主控单片机13、姿态测量传感器14、气压传感器15、超声波传感器16;主控单片机13用于计算N个旋翼电机8的转速,控制N旋翼本体1按照操纵员发送的控制命令飞行;姿态测量传感器14包括三轴陀螺仪和三轴加速度计,用于提供和反馈液体介质下多旋翼机器人的实时位姿;气压传感器15用于测量气压,并提供给主控单片机13用于计算液体介质下多旋翼机器人在液体内部的当前高度;超声波传感器16用于测量液体介质下多旋翼机器人与周围障碍物的距离,并将距离信息反馈至主控单片机13。
如图9所示,N个旋翼电机8分别与N个旋翼9同时位于N个贯穿孔内;N个旋翼电机8的外部分别用旋翼电机密封罩包裹,阻止液体的渗入;N个支撑杆11与密封罩4的连接处密封结合;将机器人的其余部件完全密封在封闭外壳7内。通过前述密封处理,一方面机器人内部元件与液体隔绝,防止导电等安全问题;另一方面机器人内部与外界物体隔绝,是机器人外部尽量保持光滑的流线型外形,防止机器人被外界物体钩挂等问题。
每个N个贯穿孔的两端均安装有过滤网,过滤网阻止杂物进入贯穿孔,从而保护N个旋翼9的正常工作。
如图10所示,本发明一种液体介质下多旋翼机器人还包括远程遥控系统,所述远程遥控系统包括遥控装置19、遥控收发模块18和单片机遥控收发模块17,单片机遥控收发模块17集成在控制单元6内;远程遥控系统用于实现目标命令与主控单片机13的通信;操作员通过遥控装置19将指令数据通过遥控收发模块18发送给主控单片机13,主控单片机13通过单片机遥控收发模块17接收指令数据;主控单片机13根据指令数据控制四旋翼机器人工作,例如:主控单片机13根据接收的目标位置和姿态指令计算出四个旋翼电机8-1、8-2、8-3、8-4的转速,从而控制机器人到达目标位置。
如图1、图5和图10所示,本发明一种液体介质下多旋翼机器人还包括感知系统,所述感知系统包括两自由度可调节装置2、摄像头23;所述两自由度可调节装置2包括纵向转动机构24、支杆25、横向转动机构26、底座27;摄像头23安装在纵向转动机构24上,实现摄像头23在纵向的转动;纵向转动机构24安装在支杆25的一端,支杆25的另一端与横向转动机构26相连接,横向转动机构26安装在底座27上,实现支杆25在横向转动,带动摄像头23的横向转动,两自由度可调节装置2通过底座27安装在封闭外壳7的内部;可调节装置2纵向和横向的控制可以由控制单元6控制。
如图10所示,本发明基于四旋翼原理的液体介质下机器人,还包括人机交互系统,所述人机交互系统包括上位机20、上位机无线收发模块21、单片机无线收发模块22;单片机无线收发模块22集成在控制单元6内,上位机无线收发模块21与单片机无线收发模块22通过无线网络通信。
操作员可以通过上位机20发送控制命令并通过上位机无线收发模块21和单片机无线收发模块22传输给主控单片机13,从而向四个旋翼电机驱动器10-1、10-2、10-3、10-4发送指令,实现对机器人的控制。
主控单片机13也可以通过单片机无线收发模块22向人机交互系统实时接收/发送四旋翼机器人的各种飞行数据,包括感知系统、姿态测量传感器14、气压传感器15、超声波传感器16采集的图像视频信息,机器人位姿、深度、速度、飞行轨迹、电源电压等重要信息,人机交互系统将数据信息显示在上位机20上。
当本发明一种液体介质下多旋翼机器人同时安装有远程遥控系统和人机交互系统时,操作员既可以通过远程遥控系统实现对四旋翼机器人的控制,也可以通过人机交互系统实现对四旋翼机器人的控制。
进一步,可以将远程遥控系统的遥控装置19、遥控收发模块18和人机交互系统的上位机20、上位机无线收发模块21集成在一个硬件内,从而实现整个系统的易于携带的特点。
如图1和图5所示,本发明一种液体介质下多旋翼机器人所述自动上浮装置为一个密封的可充气腔体3,可充气腔体3在液体内部产生的浮力大于液体介质下多旋翼机器人的自重。可充气腔体3是使用具有收缩能力的材料制作,比如pp材料,轧光尼龙。自动上浮装置可以放置于四旋翼机器人内几何中心上方。
自动上浮装置可以根据需要实现四旋翼机器人在液体中的自动上浮。根据阿基米德原理F浮=ρ液gV排和G重力=mg,设定可充气腔体3在液体内部产生的浮力约等于四旋翼机器人自身重力的1.5倍,当四旋翼机器人断电或者某些紧急情况下失去动力时,依靠可充气腔体3产生的大于自身重量的浮力,四旋翼机器人能够自动上浮。当计算出所需气体体积时,操作员可以事先向充气口灌入目标体积的气体。比如在水中,ρ水V排=1.5m,ρ水为1g/cm3,机器人重量为1500g,如此只需要往可充气腔体注入2250cm3,也就是一个13cm大小的立方体。
如图1和图5所示,流线型封闭外壳7可以为椭圆形。封闭外壳7的流线型设计有助于减少液体对四旋翼机器人的阻力,节约能量。
本发明液体介质下多旋翼机器人的N旋翼本体1可以是四旋翼、六旋翼、八旋翼等。
实施例一
本发明液体介质下多旋翼机器人的旋翼本体为四旋翼时的具体结构如下:
如图2、图3和图4所示,包括流线型封闭外壳7、四旋翼本体1、控制单元6。
四个圆筒形密封罩4-1、4-2、4-3、4-4从上至下贯穿封闭外壳7;四旋翼本体1的四个旋翼9-1、9-2、9-3、9-4分别位于四个密封罩4-1、4-2、4-3、4-4所形成的贯穿孔内,且四个旋翼9-1、9-2、9-3、9-4的旋转面处于同一平面。
四旋翼本体1还包括四个旋翼电机8-1、8-2、8-3、8-4、四个旋翼电机驱动器10-1、10-2、10-3、10-4、四个支撑杆11-1、11-2、11-3、11-4;四个旋翼9-1、9-2、9-3、9-4分别安装在四个旋翼电机8-1、8-2、8-3、8-4上;四个旋翼电机8-1、8-2、8-3、8-4分别与四个旋翼电机驱动器10-1、10-2、10-3、10-4相连接;四个旋翼电机8-1、8-2、8-3、8-4分别安装在四个支撑杆11-1、11-2、11-3、11-4的一端;四个支撑杆11-1、11-2、11-3、11-4的另一端安装在位于封闭外壳7内部的支撑平台5上,以便支撑起四旋翼本体1,四个支撑杆11-1、11-2、11-3、11-4相互之间的夹角可以调整,从而形成不同的形状,一般为“X”形。
四个旋翼电机驱动器10-1、10-2、10-3、10-4均与本体控制单元6连接,控制单元6根据机器人需要达到的不同运动姿态计算出旋翼电机8-1、8-2、8-3、8-4需要具备的转速,然后通过四个旋翼电机驱动器10-1、10-2、10-3、10-4控制四个旋翼电机8-1、8-2、8-3、8-4的转速,从而使四个旋翼9-1、9-2、9-3、9-4产生不同的压力,实现机器人的不同位姿。当四个旋翼9-1、9-2、9-3、9-4产生向下的合推力加机器人的重力大于浮力时,机器人向下运动;当相反的改变旋翼9-2和9-4的转速时,会引起机器人俯仰运动;当相反的改变旋翼9-1和9-3的转速时,会引起滚转运动;四个旋翼9-1、9-2、9-3、9-4转速不同会引起偏航运动。
四个旋翼电机8-1、8-2、8-3、8-4分别同时与四个旋翼9-1、9-2、9-3、9-4位于四个密封罩4-1、4-2、4-3、4-4内;四个旋翼电机8-1、8-2、8-3、8-4的外部分别用旋翼电机密封罩包裹,阻止液体的渗入;四个支撑杆11-1、11-2、11-3、11-4与密封罩4-1、4-2、4-3、4-4的连接处密封结合,将机器人的其余部件完全密封在封闭外壳7内。
每个密封罩4-1、4-2、4-3、4-4的两端均安装有过滤网。
控制单元6固定放置在四个支撑杆11-1、11-2、11-3、11-4的连接处,以支撑平台5的中央位置为最佳。
控制单元6的主控单片机13用于计算四个旋翼电机8-1、8-2、8-3、8-4的转速,控制四旋翼本体1按照操纵员发送的控制命令稳定飞行。
实施例二
本发明液体介质下多旋翼机器人的旋翼本体为六旋翼时的具体结构如下:
如图5、图6、图7和图8所示,包括流线型封闭外壳7、四旋翼本体1、控制单元6。
六个圆筒形密封罩6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6从上至下贯穿封闭外壳7;六旋翼本体1的六个旋翼9-1、9-2、9-3、9-4、9-5、9-6分别位于六个密封罩4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、5-6所形成的贯穿孔内,且六个旋翼9-1、9-2、9-3、9-4、9-5、9-6的旋转面处于同一平面。
六旋翼本体1还包括六个旋翼电机8-1、8-2、8-3、8-4、8-5、8-6、六个旋翼电机驱动器10-1、10-2、10-3、10-4、10-4、10-5、10-6、六个支撑杆11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6;六个旋翼9-1、9-2、9-3、9-4、9-5、9-6分别安装在六个旋翼电机8-1、8-2、8-3、8-4、8-5、8-6上;六个旋翼电机8-1、8-2、8-3、8-4、8-5、8-6分别与六个旋翼电机驱动器10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6相连接;六个旋翼电机8-1、8-2、8-3、8-4、8-5、8-6分别安装在六个支撑杆11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6的一端;六个支撑杆11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6的另一端安装在位于封闭外壳7内部的支撑平台5上,以便支撑起六旋翼本体1,六个支撑杆11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6相互之间的夹角可以调整,从而形成不同的形状,一般为“X”形。
六个旋翼电机驱动器10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6均与本体控制单元6连接,控制单元6根据机器人需要达到的不同运动姿态计算出旋翼电机8-1、8-2、8-3、8-4、8-5、8-6需要具备的转速,然后通过六个旋翼电机驱动器10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6控制六个旋翼电机8-1、8-2、8-3、8-4、8-5、8-6的转速,从而产生不同的压力,实现机器人的不同位姿。
六个旋翼电机8-1、8-2、8-3、8-4、8-5、8-6分别同时与六个旋翼9-1、9-2、9-3、9-4、9-5、9-6位于六个密封罩4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6内;六个旋翼电机8-1、8-2、8-3、8-4、8-5、8-6的外部分别用旋翼电机密封罩包裹,阻止液体的渗入;六个支撑杆11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6与密封罩4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、5-6的连接处密封结合,将机器人的其余部件完全密封在封闭外壳7内。
每个密封罩4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6的两端均安装有过滤网。
控制单元6固定放置在六个支撑杆11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6的连接处,以支撑平台5的中央位置为最佳。
控制单元6的主控单片机13用于计算六个旋翼电机8-1、8-2、8-3、8-4、8-5、8-6的转速,控制六旋翼本体1按照操纵员发送的控制命令稳定飞行。
Claims (10)
1.一种液体介质下多旋翼机器人,其特征在于,包括流线椭圆型封闭外壳(7)、N旋翼本体(1)、控制单元(6)、N个圆筒形密封罩(4)、自动上浮装置;所述N个圆筒形密封罩(4)从上至下贯穿封闭外壳(7)形成N个贯穿孔;所述N旋翼本体(1)的N个旋翼(9)分别位于N个贯穿孔内,且N个旋翼(9)的旋转面处于同一平面;控制单元(6)用于控制液体介质下多旋翼机器人的运动;其中N≥3。
2.如权利要求1所述的液体介质下多旋翼机器人,其特征在于,N旋翼本体(1)还包括N个旋翼电机(8)、N个旋翼电机驱动器(10)、N个支撑杆(11);N个旋翼(9)分别安装在N个旋翼电机(8)上;N个旋翼电机(8)分别与N个旋翼电机驱动器(10)相连接;N个旋翼电机(8)分别安装在N个支撑杆(11)的一端;N个支撑杆(11)的另一端安装在位于封闭外壳7内部的支撑平台(5)上;N个旋翼电机驱动器(10)均与控制单元(6)连接,控制单元(6)通过N个旋翼电机驱动器(10)控制N个旋翼电机(8)的转速。
3.如权利要求2所述的液体介质下多旋翼机器人,其特征在于,控制单元(6)包括主控单片机(13)、姿态测量传感器(14)、气压传感器(15)、超声波传感器(16);
主控单片机(13)用于计算旋翼电机(8)的转速,控制N旋翼本体(1)按照操纵员发送的控制命令飞行;
姿态测量传感器(14)包括三轴陀螺仪和三轴加速度计,用于提供和反馈液体介质下多旋翼机器人的实时位姿;
气压传感器(15)用于测量气压,并提供给主控单片机(13)用于计算液体介质下多旋翼机器人在液体内部的当前高度;
超声波传感器(16)用于测量液体介质下多旋翼机器人与周围障碍物的距离,并将距离信息反馈至主控单片机(13)。
4.如权利要求1所述的液体介质下多旋翼机器人,其特征在于,N个旋翼电机(8)分别与N个旋翼(9)同时位于N个贯穿孔内;N个旋翼电机(8)的外部分别用旋翼电机密封罩包裹;N个支撑杆(11)与密封罩(4)的连接处密封结合;N个贯穿孔的两端均安装有过滤网。
5.如权利要求1所述的液体介质下多旋翼机器人,其特征在于,机器人质心在几何中心正下方。
6.如权利要求1所述的液体介质下多旋翼机器人,其特征在于,N=4,四个旋翼(9-1、9-2、9-3、9-4)产生向下的合推力和机器人重力之和大于浮力时,机器人向下运动;当相反地改变旋翼(9-2、9-4)的转速时,机器人做俯仰运动;当相反地改变旋翼(9-1、9-3)的转速时,机器人做滚转运动;当四个旋翼(9-1、9-2、9-3、9-4)转速不同时,机器人做非直线运动。
7.如权利要求1所述的液体介质下多旋翼机器人,其特征在于,所述自动上浮装置为充有空气的腔体(3),腔体(3)在液体内部产生的浮力大于液体介质下多旋翼机器人的自重。
8.如权利要求1所述的液体介质下多旋翼机器人,其特征在于,还包括远程遥控系统,所述远程遥控系统包括遥控装置(19)、遥控收发模块(18)和单片机遥控收发模块(17),单片机遥控收发模块(17)集成在控制单元(6)内;远程遥控系统用于实现目标命令与主控单片机(23)的通信;操作员通过遥控装置(19)将指令数据通过遥控收发模块(18)发送给主控单片机(23),主控单片机(23)通过单片机遥控收发模块(17)接收指令数据;主控单片机(23)根据指令数据控制多旋翼机器人工作。
9.如权利要求1所述的液体介质下多旋翼机器人,其特征在于,还包括感知系统,所述感知系统包括两自由度可调节装置(2)、摄像头(23);所述两自由度可调节装置(2)包括纵向转动机构(24)、支杆(25)、横向转动机构(26)、底座(27);摄像头(23)安装在纵向转动机构(24)上,实现摄像头(23)在纵向的转动;纵向转动机构(24)安装在支杆(25)的一端,支杆(25)的另一端与横向转动机构(26)相连接,横向转动机构(26)安装在底座(27)上,实现支杆(25)在横向转动,带动摄像头(23)的横向转动,两自由度可调节装置(2)通过底座(27)安装在封闭外壳(7)的内部;可调节装置(2)纵向和横向的控制可以由遥控装置发送命令完成。
10.如权利要求1所述的液体介质下多旋翼机器人,其特征在于,还包括人机交互系统,所述人机交互系统包括上位机(20)、上位机无线收发模块(21)、单片机无线收发模块(22);单片机无线收发模块(22)集成在控制单元(6)内,上位机无线收发模块(21)与单片机无线收发模块(22)通过无线网络通信;
操作员通过上位机(20)发送控制命令并通过上位机无线收发模块(21)和单片机无线收发模块(22)传输给主控单片机(23),从而向控制单元(6)发送指令;
主控单片机(23)通过无线收发模块(22)向人机交互系统实时传输多旋翼机器人的飞行数据,人机交互系统将飞行数据信息显示在上位机(20)上。
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