CN105730173B - 一种水陆空墙壁四栖机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水陆空墙壁四栖机器人，包括有飞行系统、爬壁行走系统、吸附系统、支撑系统、漂浮系统和控制系统，其中飞行系统为机器人的主体，吸附系统和支撑系统安装在飞行系统顶部，爬壁行走系统连接在飞行系统下部，漂浮系统安装在爬壁行走系统底部，控制系统控制飞行系统、爬壁行走系统、吸附系统、支撑系统和漂浮系统的工作实现对机器人的整体控制。有益效果：机器人通过各个系统之间的配合实现了飞行、爬壁、地面行走、水面行走和栖息于墙壁等功能，并且各个功能之间可自由切换。大大简化了装置结构，降低机器人的总体重量。使整个装置更加紧凑。具有很强的爬坡能力。

Description

一种水陆空墙壁四栖机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别涉及一种水陆空墙壁四栖机器人。

背景技术

近年来，随着社会的发展，对机器人的应用越来越多，如用来侦查、救援、特种作业等。常见的机器人有飞行机器人、爬壁机器人、地面行走机器人和水上行走机器人。但传统的飞行机器人续航时间短，侦查时隐蔽性差；爬壁机器人移动速度慢，越障能力差。对此专利201110322551.6公开了一种具有飞行和吸附两种功能的机器人，该机器人以四旋翼为主体，通过吸附装置使机器人拥有在墙壁表面栖息的能力，其吸附功率远小于飞行功率，针对固定目标侦测时间大幅增加。但其无法实现爬壁的功能，降低了机器人的灵活性。专利201510066785.7公开了一种飞行爬壁机器人，该机器人除具有飞行和栖息于墙壁的功能外，还拥有爬壁功能，但其爬壁时的灵活性、稳定性和隐蔽性较差。专利200910079365.7公开了一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人，该机器人拥有飞行和爬壁的能力，但其不具有栖息与墙壁的功能，同样其爬壁时的灵活性、稳定性和隐蔽性较差。专利201520649047.0公开了一种海陆空四轴双体交通工具，该机器人具有飞行、地面行走和水面行走的功能，但其水面行走和陆地行走时需要额外的电机，装置不够紧凑。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的机器人在进行相关作业过程中存在诸多问题而提供的一种水陆空墙壁四栖机器人。

本发明提供的水陆空墙壁四栖机器人包括有飞行系统、爬壁行走系统、吸附系统、支撑系统、漂浮系统和控制系统，其中飞行系统为机器人的主体，吸附系统和支撑系统安装在飞行系统顶部，爬壁行走系统连接在飞行系统下部，漂浮系统安装在爬壁行走系统底部，控制系统控制飞行系统、爬壁行走系统、吸附系统、支撑系统和漂浮系统的工作实现对机器人的整体控制。

飞行系统包括有机架、可旋转电机组件、第一舵机、第一摇杆、第二摇杆和连杆，其中机架由两个纵向连杆、两个横向连杆、轴承座、底板和顶板组成，两横向连杆利用T型连接件连接在纵向连杆上，横向连杆的中间位置由连接座与底板连接，连接座由螺栓螺母固定在顶板上，底板与顶板之间由双头螺栓和螺母连接，轴承座竖直的固连在纵向连杆的两端，所述的可旋转电机组件为对称结构，设置有两组，可旋转电机组件靠两端的轴承安装在机架的轴承座中，可旋转电机组件由无刷电机、螺旋桨、电机座、第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆和轴承组成，其中无刷电机、螺旋桨、电机座、第一连接杆、第二连接杆和轴承均设置有两个，第一连接杆两端分别与轴承内孔和第二连杆内孔过盈配合连接，第二连接杆的另一端连接在电机座的孔中，电机座另一侧的孔中连有第三连接杆，第三连接杆另一端同样连接有电机座，电机座另一侧孔中连有第二连接杆，第二连接杆另一端连接有第一连接杆，通过第一连接杆末端与轴承相连，螺旋桨安装在无刷电机上，无刷电机底部有螺纹孔，能够与电机座通过螺钉连接，两个无刷电机的轴线方向相同，第一舵机、第一摇杆、第二摇杆和连杆设有两组，第一舵机固定在底板下，第一摇杆一端固连在第一舵机上，另一端与连杆铰接，连杆另一端与第二摇杆铰接，第二摇杆另一端固连在第三连接杆上。

纵向连杆和横向连杆的材质为碳纤维管；底板和顶板为碳纤维材料或轻质铝制成；T型连接件、连接座和轴承座材质为ABS材料，第一连接杆的材质为轻质铝，第二连接杆和第三连接杆的材质为碳纤维管，电机座的材质为ABS材料，前述组件中ABS材料均能利用3D打印技术加工制造。

爬壁行走系统包括底盘、前轮、后轮、弹簧伸缩杆、圆形导轨、滑块、丝杠螺母、步进电机、第三舵机，圆形导轨设有四个，分别通过T型连接件固连在纵向连杆上，且四个圆形导轨保持竖直，四个圆形导轨上套有四个滑块，四个滑块连接在底盘上，底盘中间位置连有丝杠螺母，丝杠螺母与步进电机相连，通过步进电机实现底盘的升降，步进电机穿透顶板固定在底板上，两后轮固定在底盘后方，后轮保持固定且始终保持与纵向连杆平行的方向，两弹簧伸缩杆连接在底盘前方，两弹簧伸缩杆另一端固定有第三舵机，第三舵机的方向竖直向上，两第三舵机另一端与两前轮相连，以控制前轮转动，两前轮外侧设有两个制动器，制动器缩回能够起到前轮锁死的作用。

支撑系统包括第二舵机、支撑杆、弯曲弹簧和滚轮，第二舵机固定在顶板上中间靠前位置，第二舵机头部连有支撑杆，支撑杆末端通过弯曲弹簧与滚轮相连。

吸附系统包括真空吸盘和真空泵，真空泵固定在底板下，真空泵与真空吸盘通过管路连接，真空吸盘利用螺母连接在顶板上。

漂浮系统包括两个浮体，两浮体分别连接在圆形导轨下方，浮体还通过管路与真空泵连接，浮体为可充气形式，能够利用真空泵进行充气放气。

控制系统包括有单片机、陀螺仪、加速度计、高度计、GPS模块、超声波传感器、气压传感器、无刷电调、舵机驱动器、电机驱动器、无线数据传输模块、远程遥控器、第一电磁阀和第二电磁阀，其中陀螺仪、加速度计、高度计、GPS模块、超声波传感器、气压传感器、无刷电调、舵机驱动器、电机驱动器、无线数据传输模块、第一电磁阀和第二电磁阀连接在单片机上，远程遥控器通过无线数据传输模块与单片机实现数据传输，控制系统中的陀螺仪与加速度计用来采集机器人的运动信息和姿态信息，高度计能够测量机器人的当前高度，通过GPS模块能够实现飞行机器人自主导航飞行，超声波传感器用以实现飞行机器人的壁障功能，单片机用来实现对机器人的整体控制，无刷电调与无刷电机相连，用来调节无刷电机转速；舵机驱动器上连有第一舵机、第二舵机和第三舵机，用以控制各个舵机的转动角度；第一电磁阀和第二电磁阀分别用来控制真空吸盘及浮体气路的通断；电机驱动器与真空泵相连，可控制真空泵的通断及正反转；气压传感器安装在真空吸盘气路中，以检测气路中的气压值。

本发明的工作原理：

1、飞行原理：

飞行前需调节螺旋桨至水平位置，此时的飞行系统相当于四旋翼飞行器，通过控制系统调节四个无刷电机的转速即可实现升降和前后左右飞行。

2、行走原理：

行走前先将爬壁行走系统的两个前轮和两个后轮降至最低位置。在行走速度要求不高的情况下保持前两个螺旋桨与地面水平且关闭前两个无刷电机，后两个螺旋桨与地面垂直，此时后两个螺旋桨为机器人提供行走动力。

在两前轮摆正的情况下，当后两个螺旋桨以相同的转速正转时，机器人获得一个向前的作用力，此时机器人向前运动；若后两个螺旋桨以相同的转速反转时，机器人获得一个向后的作用力，此时机器人向后运动。

在两前轮向右转且没有被锁住时，后两个螺旋桨正转，且左后螺旋桨的转速大于右后螺旋桨的转速时，机器人向前行进且向右侧转弯；若后两个螺旋桨反转，且左后螺旋桨的转速大于右后螺旋桨的转速时，机器人向后行进且向右侧转弯。转弯速度快慢由后两个电机的转速决定，转弯半径的大小由两前轮的转角大小及后两个螺旋桨的转速差决定，两前轮转角越大且后两个螺旋桨的转速差越大，则转弯半径越小。若两前轮右转且右前轮被锁住时，后两个螺旋桨正转，且左后螺旋桨的转速大于右后螺旋桨的转速时，机器人以右前轮为中心向右前转弯；若后两个螺旋桨反转，且左后螺旋桨的转速大于右后螺旋桨的转速时，机器人以右前轮为中心向右后转弯。转弯速度由两前轮转角大小及后两个螺旋桨的转速快慢及转速差决定。

相同的在两前轮向左转且没有被锁住时，后两个螺旋桨正转，且右后螺旋桨的转速大于左后螺旋桨的转速时，机器人向前行进且向左侧转弯；若后两个螺旋桨反转，且右后螺旋桨的转速大于左后螺旋桨的转速时，机器人向后行进且向左侧转弯。转弯速度快慢由后两个电机的转速决定，转弯半径的大小由两前轮的转角大小及后两个螺旋桨的转速差决定，两前轮转角越大且后两个螺旋桨的转速差越大，则转弯半径越小。若两前轮左转且左前轮被锁住时，后两个螺旋桨正转，且右后螺旋桨的转速大于左后螺旋桨的转速时，机器人以左前轮为中心向左前转弯；若后两个螺旋桨反转，且右后螺旋桨的转速大于左后螺旋桨的转速时，机器人以左前轮为中心向左后转弯。转弯速度由两前轮转角大小及后两个螺旋桨的转速快慢及转速差决定。

在机器人对行走速度要求较高的情况下保持前四个螺旋桨均与地面垂直，此时四个螺旋桨同时为机器人提供行走动力。四个螺旋桨均与地面垂直时机器人的行走转弯策略与后两个螺旋桨与地面垂直时基本相同，只是将左后螺旋桨置换为左侧两螺旋桨(左前螺旋桨和左后螺旋桨)，右后螺旋桨置换为右侧两螺旋桨(右前螺旋桨和右后螺旋桨)。

机器人还可以保持四个螺旋桨都处于倾斜状态，实现机器人的前后左右行进，此种运动形式的运动过程比较平稳，但相对耗电。

3、爬陡坡原理：

在坡度较大时正常的行走模式可能会出现打滑或侧翻的情况，此时前两个水平螺旋桨可反转，这样机器人获得一个向下的作用力，还可以保持四个螺旋桨处于倾斜状态，使机器人获得一个向下的分力，增加机器人的抓地力，防止机器人在爬坡时出现打滑及侧翻的情况。

4、爬壁原理：

竖直墙壁爬壁时机器人的两个前轮和两个后轮升至最上方，均与墙壁接触，飞行器的上方朝向墙壁，此时四个螺旋桨始终为机器人提供垂直于墙壁向里的力，保证机器人紧贴于墙壁。机器人静止时两个前轮处于锁紧状态，此时机器人的重力与墙壁及两个前轮和两个后轮之间的摩擦力相平衡，保证机器人不会受重力的影响而下落。

机器人在竖直墙壁行走时四个螺旋桨均处于倾斜位置。根据行走方向的不同，可以分为三种运动形式，分别是竖直行走、水平行走和倾斜行走。竖直行走时机器人的重力完全靠螺旋桨提供的升力克服，此时应使四个螺旋桨的倾斜角较大(即接近于和墙壁垂直的位置)，以获得较高的平行于墙壁的分力，起到克服重力的作用；水平行走时机器人的重力完全靠墙壁及两个前轮和两个后轮之间的摩擦力克服，此时应使四个螺旋桨的倾斜角较小(即接近于和墙壁平行的位置)，以获得较高的垂直于墙壁的分力，增大两个前轮和两个后轮与墙壁之间的摩擦力，起到克服重力的作用；倾斜行走时螺旋桨转动的角度介于竖直行走和水平行走之间，当行走方向偏向竖直位置，则螺旋桨的转动角度偏向于和墙壁垂直。当行走方向偏向水平位置，则螺旋桨的转动角度偏向于和墙壁平行。机器人在竖直墙壁上前后左右行进的原理与地面行走基本相同，所不同的是需要时刻克服重力的影响。

倾斜墙壁的爬壁原理及爬壁过程与竖直墙壁基本相同。

水平墙壁(天花板)爬壁时机器人的两个前轮和两个后轮升至最上方，均与墙壁接触，此时机器人的重力、螺旋桨受到的竖直向上的分力和天花板对机器人的作用力，三个力相平衡，保证机器人稳定吸附在天花板上。天花板前后左右行进的原理与地面行走基本相同，所不同的是两前螺旋桨(处于水平位置)需始终为机器人提供一个向上的升力，保证机器人一直贴附于墙壁上。

水面行走原理：

5、水面工作原理：

水面行走的前后左右行走策略与地面行走类似，漂浮在水面后将两后螺旋桨调整到垂直状态，两前螺旋桨水平，两后螺旋桨为机器人提供动力，两前螺旋桨起到辅助机器人整体平衡的作用。

当两后螺旋桨同时正转且转速相同时，机器人获得一个向前的推力，机器人前行；相反的若两后螺旋桨反转则机器人获得一个向后的力，机器人后退。

当两后螺旋桨正转且左后螺旋桨的转速大于右后螺旋桨的转速时，机器人向右前转弯；相反的若两后螺旋桨反转且左后螺旋桨的转速大于右后螺旋桨的转速时，机器人向右后转弯。

当两后螺旋桨正转且右后螺旋桨的转速大于左后螺旋桨的转速时，机器人向左前转弯；相反的若两后螺旋桨反转且右后螺旋桨的转速大于左后螺旋桨的转速时，机器人向左后转弯。

在水面行进速度较快时，机器人可能会出现侧翻，因此在加速度传感器检测到机器人姿态倾斜，有侧翻倾向时，两前螺旋桨可为机器人提供一个向下的力，防止机器人侧翻。

机器人还可以保持四个螺旋桨都处于倾斜状态，实现机器人的前后左右行进。

6、工作过程

飞行爬壁切换过程：

由飞行状态切换至竖直墙壁上爬壁过程，首先在飞行状态时控制机器人前端靠近墙壁；然后将两个前轮和两个后轮上升至最高位置，同时保持两个前轮摆正并处于锁死状态；之后将辅助支撑杆向墙壁伸出，直至辅助支撑杆端部滚轮与两前轮前端在同一竖直平面内；接下来控制机器人向墙壁运动，直至两前轮和滚轮与墙壁接触；最后第二舵机配合四个无刷电机使机器人以前轮为中心向墙壁翻转，直至机器人整体贴附在墙壁上，飞行至爬壁过程切换完成。切换过程中两前轮和墙壁之间的摩擦力以及四个无刷电机提供的竖直向上的分力，起到与机器人重力相平衡的效果，使机器人在整个切换的过程中都会安全稳定的贴附在墙壁上。由爬壁状态切换至飞行状态，首先保持机器人处于竖直状态两前轮向下，且两个前轮摆正并处于锁死状态；然后调节四个螺旋桨与墙壁平行；之后第三舵机控制支撑杆转动，同时调整四个无刷电机的转速，使机器人以两前轮为支点向墙壁外侧转动；当机器人转动至水平位置时收回支撑杆，爬壁至飞行状态切换完成。

水平墙壁(即天花板)的飞行与爬壁切换过程较为简单，首先将两个前轮和两个后轮升至最高位置，再控制机器人上升直至两个前轮和两个后轮与墙壁接触，飞行至爬壁状态切换完成。由爬壁状态切换至飞行状态的过程与上述过程相反。

倾斜墙壁的飞行状态与爬壁状态的切换过程与垂直墙壁基本相同。

飞行行走切换过程：

在飞行时首先将两个前轮和两个后轮下降到最低位置，接下来降落机器人，使两个前轮和两个后轮与地面接触，飞行至行走过程切换完成，行走状态切换至飞行状态与上述过程相反。

水面降落起飞过程：

水面降落过程，首先抬起两个前轮和两个后轮至最高位置，开启真空泵和第二电磁阀向浮体中打气，在浮体中的气体充满后，控制机器人降落在水面上，水面起飞过程与水面降落的过程相反。

爬壁栖息切换过程：

在机器人处于爬壁状态时，开启真空泵打开第一电磁阀关闭第二电磁阀，使真空吸盘具有吸附能力。此时降低两个前轮和两个后轮的高度，锁死两前轮，在气压传感器检测到真空吸盘吸附到墙壁后，两个前轮和两个后轮保持在当前位置，关闭无刷电机，机器人栖息在墙壁上。处于栖息状态时，机器人所消耗的能量主要来自于真空泵，由于真空泵的功率远远小于无刷电机的功率，因此栖息状态时机器人的工作时间远远超过其他状态，并且真空泵工作时的噪音远小于无刷电机工作时的噪音，利用此特点机器人可实现对固定目标的长期隐蔽监测。由栖息状态切换至爬壁状态，首先开启无刷电机使机器人获的一个垂直于墙壁向里的力，然后关闭真空泵断开吸盘，最后向上提升两个前轮和两个后轮至最高位置，机器人由栖息至爬壁状态切换完成。

本发明的有益效果：

1、本发明集合了飞行机器人、爬壁机器人、地面行走机器人和水面行走机器人的优点，相对于爬壁机器人和地面行走机器人的灵活性提高，并且解决了爬壁机器人长距离运动过程中时间长灵活性差的问题。在针对固定目标进行侦测时，相对于飞行机器人的工作时间得到延长，并且隐蔽性大大提高。

2、机器人通过各个系统之间的配合实现了飞行、爬壁、地面行走、水面行走和栖息于墙壁等功能，并且各个功能之间可自由切换。

3、机器人的飞行、爬壁、地面行走和水面行走的动力均由无刷电机提供，不需要额外的行走电机和水上电机，大大简化了装置结构，降低机器人的总体重量。

4、机器人的爬壁行走系统的轮子可上下调节，达到单一装置实现爬壁与地面行走两种功能，简化整机结构。

5、机器人的漂浮系统为充气式结构，在不需要时可以将其中的气体排出，使整个装置更加紧凑。

6、机器人行走在坡度较大的地面时，飞行系统可起到辅助行走的功能，具有很强的爬坡能力。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明飞行系统结构示意图。

图3为本发明可旋转电机组件示意图。

图4为本发明爬壁行走系统示意图。

图5为本发明控制系统示意图。

1、飞行系统 2、爬壁行走系统 3、吸附系统 4、支撑系统

5、漂浮系统 6、控制系统 7、机架 8、可旋转电机组件

9、第一舵机 10、第一摇杆 11、第二摇杆 12、连杆

13、纵向连杆 14、横向连杆 15、轴承座 16、底板

17、顶板 18、T型连接件 19、连接座 20、无刷电机

21、螺旋桨 22、电机座 23、第一连接杆 24、第二连接杆

25、第三连接杆 26、轴承 27、底盘 28、前轮 29、后轮

30、弹簧伸缩杆 31、圆形导轨 32、滑块 33、丝杠螺母

34、步进电机 35、第三舵机 36、制动器 37、第二舵机

38、支撑杆 39、弯曲弹簧 40、滚轮 41、真空吸盘

42、真空泵 43、浮体 44、单片机 45、陀螺仪 46、加速度计

47、高度计 48、GPS模块 49、超声波传感器 50、气压传感器

51、无刷电调 52、舵机驱动器 53、电机驱动器 54、无线数据传输模块55、远程遥控器 56、第一电磁阀 57、第二电磁阀。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3、图4和图5所示：

本发明提供的水陆空墙壁四栖机器人包括有飞行系统1、爬壁行走系统2、吸附系统3、支撑系统4、漂浮系统5和控制系统6，其中飞行系统1为机器人的主体，吸附系统3和支撑系统4安装在飞行系统1顶部，爬壁行走系统2连接在飞行系统1下部，漂浮系统5安装在爬壁行走系统2底部，控制系统6控制飞行系统1、爬壁行走系统2、吸附系统3、支撑系统4和漂浮系统5的工作实现对机器人的整体控制。

飞行系统1包括有机架7、可旋转电机组件8、第一舵机9、第一摇杆10、第二摇杆11和连杆12，其中机架7由两个纵向连杆13、两个横向连杆14、轴承座15、底板16和顶板17组成，两横向连杆14利用T型连接件18连接在纵向连杆13上，横向连杆14的中间位置由连接座19与底板16连接，连接座19由螺栓螺母固定在顶板17上，底板16与顶板17之间由双头螺栓和螺母连接，轴承座15竖直的固连在纵向连杆13的两端，所述的可旋转电机组件8为对称结构，设置有两组，可旋转电机组件8靠两端的轴承26安装在机架7的轴承座15中，可旋转电机组件8由无刷电机20、螺旋桨21、电机座22、第一连接杆23、第二连接杆24、第三连接杆25和轴承26组成，其中无刷电机20、螺旋桨21、电机座22、第一连接杆23、第二连接杆24和轴承26均设置有两个，第一连接杆23两端分别与轴承26内孔和第二连杆24内孔过盈配合连接，第二连接杆24的另一端连接在电机座22的孔中，电机座22另一侧的孔中连有第三连接杆25，第三连接杆25另一端同样连接有电机座22，电机座22另一侧孔中连有第二连接杆24，第二连接杆24另一端连接有第一连接杆23，通过第一连接杆23末端与轴承26相连，螺旋桨21安装在无刷电机20上，无刷电机20底部有螺纹孔，能够与电机座22通过螺钉连接，两个无刷电机20的轴线方向相同，

第一舵机9、第一摇杆10、第二摇杆10和连杆12设有两组，第一舵机9固定在底板16下，第一摇杆10一端固连在第一舵机9上，另一端与连杆12铰接，连杆12另一端与第二摇杆11铰接，第二摇杆11另一端固连在第三连接杆25上。

纵向连杆13和横向连杆14的材质为碳纤维管；底板16和顶板17为碳纤维材料或轻质铝制成；T型连接件18、连接座19和轴承座15材质为ABS材料，第一连接杆23的材质为轻质铝，第二连接杆34和第三连接杆35的材质为碳纤维管，电机座22的材质为ABS材料，前述组件中ABS材料均能利用3D打印技术加工制造。

爬壁行走系统2包括底盘27、前轮28、后轮29、弹簧伸缩杆30、圆形导轨31、滑块32、丝杠螺母33、步进电机34、第三舵机35，圆形导轨31设有四个，分别通过T型连接件18固连在纵向连杆13上，且四个圆形导轨31保持竖直，四个圆形导轨31上套有四个滑块32，四个滑块32连接在底盘27上，底盘27中间位置连有丝杠螺母33，丝杠螺母33与步进电机34相连，通过步进电机34实现底盘27的升降，步进电机34穿透顶板17固定在底板16上，两后轮29固定在底盘27后方，后轮29保持固定且始终保持与纵向连杆13平行的方向，两弹簧伸缩杆30连接在底盘27前方，两弹簧伸缩杆30另一端固定有第三舵机35，第三舵机35的方向竖直向上，两第三舵机35另一端与两前轮28相连，以控制前轮28转动，两前轮28外侧设有两个制动器36，制动器36缩回能够起到前轮28锁死的作用。

支撑系统4包括第二舵机37、支撑杆38、弯曲弹簧39和滚轮40，第二舵机37固定在顶板17上中间靠前位置，第二舵机37头部连有支撑杆38，支撑杆38末端通过弯曲弹簧39与滚轮40相连。

吸附系统3包括真空吸盘41和真空泵42，真空泵42固定在底板16下，真空泵42与真空吸盘41通过管路连接，真空吸盘41利用螺母连接在顶板17上。

漂浮系统5包括两个浮体43，两浮体43分别连接在圆形导轨31下方，浮体43还通过管路与真空泵42连接，浮体43为可充气形式，能够利用真空泵42进行充气放气。

控制系统6包括有单片机44、陀螺仪45、加速度计46、高度计47、GPS模块48、超声波传感器49、气压传感器50、无刷电调51、舵机驱动器52、电机驱动器53、无线数据传输模块54、远程遥控器55、第一电磁阀56和第二电磁阀57，其中陀螺仪45、加速度计46、高度计47、GPS模块48、超声波传感器49、气压传感器50、无刷电调51、舵机驱动器52、电机驱动器53、无线数据传输模块54、第一电磁阀56和第二电磁阀57连接在单片机44上，远程遥控器55通过无线数据传输模块54与单片机44实现数据传输，控制系统6中的陀螺仪45与加速度计46用来采集机器人的运动信息和姿态信息，高度计47能够测量机器人的当前高度，通过GPS模块48能够实现飞行机器人自主导航飞行，超声波传感器49用以实现飞行机器人的壁障功能，单片机44用来实现对机器人的整体控制，无刷电调51与无刷电机20相连，用来调节无刷电机20转速；舵机驱动器52上连有第一舵机9、第二舵机37和第三舵机35，用以控制各个舵机的转动角度；第一电磁阀56和第二电磁阀57分别用来控制真空吸盘41及浮体43气路的通断；电机驱动器53与真空泵42相连，可控制真空泵42的通断及正反转；气压传感器50安装在真空吸盘41气路中，以检测气路中的气压值。

本发明的工作原理：

1、飞行原理：

飞行前需调节螺旋桨21至水平位置，此时的飞行系统1相当于四旋翼飞行器，通过控制系统6调节四个无刷电机20的转速即可实现升降和前后左右飞行。

2、行走原理：

行走前先将爬壁行走系统2的两个前轮28和两个后轮29降至最低位置。在行走速度要求不高的情况下保持前两个螺旋桨21与地面水平且关闭前两个无刷电机20，后两个螺旋桨21与地面垂直，此时后两个螺旋桨21为机器人提供行走动力。

在两前轮28摆正的情况下，当后两个螺旋桨21以相同的转速正转时，机器人获得一个向前的作用力，此时机器人向前运动；若后两个螺旋桨21以相同的转速反转时，机器人获得一个向后的作用力，此时机器人向后运动。

在两前轮28向右转且没有被锁住时，后两个螺旋桨21正转，且左后螺旋桨21的转速大于右后螺旋桨21的转速时，机器人向前行进且向右侧转弯；若后两个螺旋桨21反转，且左后螺旋桨21的转速大于右后螺旋桨21的转速时，机器人向后行进且向右侧转弯。转弯速度快慢由后两个电机的转速决定，转弯半径的大小由两前轮28的转角大小及后两个螺旋桨21的转速差决定，两前轮28转角越大且后两个螺旋桨21的转速差越大，则转弯半径越小。若两前轮28右转且右前轮28被锁住时，后两个螺旋桨21正转，且左后螺旋桨21的转速大于右后螺旋桨21的转速时，机器人以右前轮28为中心向右前转弯；若后两个螺旋桨21反转，且左后螺旋桨21的转速大于右后螺旋桨21的转速时，机器人以右前轮28为中心向右后转弯。转弯速度由两前轮28转角大小及后两个螺旋桨21的转速快慢及转速差决定。

相同的在两前轮28向左转且没有被锁住时，后两个螺旋桨21正转，且右后螺旋桨21的转速大于左后螺旋桨21的转速时，机器人向前行进且向左侧转弯；若后两个螺旋桨21反转，且右后螺旋桨21的转速大于左后螺旋桨21的转速时，机器人向后行进且向左侧转弯。转弯速度快慢由后两个电机的转速决定，转弯半径的大小由两前轮28的转角大小及后两个螺旋桨21的转速差决定，两前轮28转角越大且后两个螺旋桨21的转速差越大，则转弯半径越小。若两前轮28左转且左前轮28被锁住时，后两个螺旋桨21正转，且右后螺旋桨21的转速大于左后螺旋桨21的转速时，机器人以左前轮28为中心向左前转弯；若后两个螺旋桨21反转，且右后螺旋桨21的转速大于左后螺旋桨21的转速时，机器人以左前轮28为中心向左后转弯。转弯速度由两前轮28转角大小及后两个螺旋桨21的转速快慢及转速差决定。

在机器人对行走速度要求较高的情况下保持前四个螺旋桨21均与地面垂直，此时四个螺旋桨21同时为机器人提供行走动力。四个螺旋桨21均与地面垂直时机器人的行走转弯策略与后两个螺旋桨21与地面垂直时基本相同，只是将左后螺旋桨21置换为左侧两螺旋桨21(左前螺旋桨21和左后螺旋桨21)，右后螺旋桨21置换为右侧两螺旋桨21(右前螺旋桨21和右后螺旋桨21)。

机器人还可以保持四个螺旋桨21都处于倾斜状态，实现机器人的前后左右行进，此种运动形式的运动过程比较平稳，但相对耗电。

3、爬陡坡原理：

在坡度较大时正常的行走模式可能会出现打滑或侧翻的情况，此时前两个水平螺旋桨21可反转，这样机器人获得一个向下的作用力，还可以保持四个螺旋桨21处于倾斜状态，使机器人获得一个向下的分力，增加机器人的抓地力，防止机器人在爬坡时出现打滑及侧翻的情况。

4、爬壁原理：

竖直墙壁爬壁时机器人的两个前轮28和两个后轮29升至最上方，均与墙壁接触，飞行器的上方朝向墙壁，此时四个螺旋桨21始终为机器人提供垂直于墙壁向里的力，保证机器人紧贴于墙壁。机器人静止时两个前轮28处于锁紧状态，此时机器人的重力与墙壁及两个前轮28和两个后轮29之间的摩擦力相平衡，保证机器人不会受重力的影响而下落。

机器人在竖直墙壁行走时四个螺旋桨21均处于倾斜位置。根据行走方向的不同，可以分为三种运动形式，分别是竖直行走、水平行走和倾斜行走。竖直行走时机器人的重力完全靠螺旋桨21提供的升力克服，此时应使四个螺旋桨21的倾斜角较大(即接近于和墙壁垂直的位置)，以获得较高的平行于墙壁的分力，起到克服重力的作用；水平行走时机器人的重力完全靠墙壁及两个前轮28和两个后轮29之间的摩擦力克服，此时应使四个螺旋桨21的倾斜角较小(即接近于和墙壁平行的位置)，以获得较高的垂直于墙壁的分力，增大两个前轮28和两个后轮29与墙壁之间的摩擦力，起到克服重力的作用；倾斜行走时螺旋桨21转动的角度介于竖直行走和水平行走之间，当行走方向偏向竖直位置，则螺旋桨21的转动角度偏向于和墙壁垂直。当行走方向偏向水平位置，则螺旋桨21的转动角度偏向于和墙壁平行。机器人在竖直墙壁上前后左右行进的原理与地面行走基本相同，所不同的是需要时刻克服重力的影响。

倾斜墙壁的爬壁原理及爬壁过程与竖直墙壁基本相同。

水平墙壁(天花板)爬壁时机器人的两个前轮28和两个后轮29升至最上方，均与墙壁接触，此时机器人的重力、螺旋桨21受到的竖直向上的分力和天花板对机器人的作用力，三个力相平衡，保证机器人稳定吸附在天花板上。天花板前后左右行进的原理与地面行走基本相同，所不同的是两前螺旋桨21(处于水平位置)需始终为机器人提供一个向上的升力，保证机器人一直贴附于墙壁上。水面行走原理：

5、水面工作原理：

水面行走的前后左右行走策略与地面行走类似，漂浮在水面后将两后螺旋桨21调整到垂直状态，两前螺旋桨21水平，两后螺旋桨21为机器人提供动力，两前螺旋桨21起到辅助机器人整体平衡的作用。

当两后螺旋桨21同时正转且转速相同时，机器人获得一个向前的推力，机器人前行；相反的若两后螺旋桨21反转则机器人获得一个向后的力，机器人后退。

当两后螺旋桨21正转且左后螺旋桨21的转速大于右后螺旋桨21的转速时，机器人向右前转弯；相反的若两后螺旋桨21反转且左后螺旋桨21的转速大于右后螺旋桨21的转速时，机器人向右后转弯。

当两后螺旋桨21正转且右后螺旋桨21的转速大于左后螺旋桨21的转速时，机器人向左前转弯；相反的若两后螺旋桨21反转且右后螺旋桨21的转速大于左后螺旋桨21的转速时，机器人向左后转弯。

在水面行进速度较快时，机器人可能会出现侧翻，因此在加速度传感器检测到机器人姿态倾斜，有侧翻倾向时，两前螺旋桨21可为机器人提供一个向下的力，防止机器人侧翻。

机器人还可以保持四个螺旋桨21都处于倾斜状态，实现机器人的前后左右行进。

6、工作过程

飞行爬壁切换过程：

由飞行状态切换至竖直墙壁上爬壁过程，首先在飞行状态时控制机器人前端靠近墙壁；然后将两个前轮28和两个后轮29上升至最高位置，同时保持两个前轮28摆正并处于锁死状态；之后将辅助支撑杆38向墙壁伸出，直至辅助支撑杆38端部滚轮40与两前轮28前端在同一竖直平面内；接下来控制机器人向墙壁运动，直至两前轮28和滚轮40与墙壁接触；最后第二舵机37配合四个无刷电机20使机器人以前轮28为中心向墙壁翻转，直至机器人整体贴附在墙壁上，飞行至爬壁过程切换完成。切换过程中两前轮28和墙壁之间的摩擦力以及四个无刷电机20提供的竖直向上的分力，起到与机器人重力相平衡的效果，使机器人在整个切换的过程中都会安全稳定的贴附在墙壁上。由爬壁状态切换至飞行状态，首先保持机器人处于竖直状态两前轮28向下，且前两个轮子28摆正并处于锁死状态；然后调节四个螺旋桨21与墙壁平行；之后第三舵机35控制支撑杆38转动，同时调整四个无刷电机20的转速，使机器人以两前轮28为支点向墙壁外侧转动；当机器人转动至水平位置时收回支撑杆38，爬壁至飞行状态切换完成。

水平墙壁(即天花板)的飞行与爬壁切换过程较为简单，首先将两个前轮28和两个后轮29升至最高位置，再控制机器人上升直至两个前轮28和两个后轮29与墙壁接触，飞行至爬壁状态切换完成。由爬壁状态切换至飞行状态的过程与上述过程相反。

倾斜墙壁的飞行状态与爬壁状态的切换过程与垂直墙壁基本相同。

飞行行走切换过程：

在飞行时首先将两个前轮28和两个后轮29下降到最低位置，接下来降落机器人，使两个前轮28和两个后轮29与地面接触，飞行至行走过程切换完成，行走状态切换至飞行状态与上述过程相反。

水面降落起飞过程：

水面降落过程，首先抬起两个前轮28和两个后轮29至最高位置，开启真空泵42和第二电磁阀57向浮体43中打气，在浮体43中的气体充满后，控制机器人降落在水面上，水面起飞过程与水面降落的过程相反。

爬壁栖息切换过程：

在机器人处于爬壁状态时，开启真空泵42打开第一电磁阀56关闭第二电磁阀57，使真空吸盘41具有吸附能力。此时降低两个前轮28和两个后轮29的高度，锁死两前轮28，在气压传感器50检测到真空吸盘41吸附到墙壁后，两个前轮28和两个后轮29保持在当前位置，关闭无刷电机20，机器人栖息在墙壁上。处于栖息状态时，机器人所消耗的能量主要来自于真空泵42，由于真空泵42的功率远远小于无刷电机20的功率，因此栖息状态时机器人的工作时间远远超过其他状态，并且真空泵42工作时的噪音远小于无刷电机20工作时的噪音，利用此特点机器人可实现对固定目标的长期隐蔽监测。由栖息状态切换至爬壁状态，首先开启无刷电机20使机器人获的一个垂直于墙壁向里的力，然后关闭真空泵42断开吸盘，最后向上提升两个前轮28和两个后轮29至最高位置，机器人由栖息至爬壁状态切换完成。

Claims (4)

1.一种水陆空墙壁四栖机器人，包括有飞行系统、爬壁行走系统、吸附系统、支撑系统、漂浮系统和控制系统，其中飞行系统为机器人的主体，吸附系统和支撑系统安装在飞行系统顶部，爬壁行走系统连接在飞行系统下部，漂浮系统安装在爬壁行走系统底部，控制系统控制飞行系统、爬壁行走系统、吸附系统、支撑系统和漂浮系统的工作实现对机器人的整体控制，其特征在于：所述的支撑系统包括第二舵机、支撑杆、弯曲弹簧和滚轮，第二舵机固定在顶板上中间靠前位置，第二舵机头部连有支撑杆，支撑杆末端通过弯曲弹簧与滚轮相连，吸附系统包括真空吸盘和真空泵，真空泵固定在底板下，真空泵与真空吸盘通过管路连接，真空吸盘利用螺母连接在顶板上，漂浮系统包括两个浮体，两浮体分别连接在圆形导轨下方，浮体还通过管路与真空泵连接，浮体为可充气形式，能够利用真空泵进行充气放气，飞行系统包括有机架、可旋转电机组件、第一舵机、第一摇杆、第二摇杆和连杆，其中机架由两个纵向连杆、两个横向连杆、轴承座、底板和顶板组成，两横向连杆利用T型连接件连接在纵向连杆上，横向连杆的中间位置由连接座与底板连接，连接座由螺栓螺母固定在顶板上，底板与顶板之间由双头螺栓和螺母连接，轴承座竖直的固连在纵向连杆的两端，所述的可旋转电机组件为对称结构，设置有两组，可旋转电机组件靠两端的轴承安装在机架的轴承座中，可旋转电机组件由无刷电机、螺旋桨、电机座、第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆和轴承组成，其中无刷电机、螺旋桨、电机座、第一连接杆、第二连接杆和轴承均设置有两个，第一连接杆两端分别与轴承内孔和第二连杆内孔过盈配合连接，第二连接杆的另一端连接在电机座的孔中，电机座另一侧的孔中连有第三连接杆，第三连接杆另一端同样连接有电机座，电机座另一侧孔中连有第二连接杆，第二连接杆另一端连接有第一连接杆，通过第一连接杆末端与轴承相连，螺旋桨安装在无刷电机上，无刷电机底部有螺纹孔，能够与电机座通过螺钉连接，两个无刷电机的轴线方向相同，第一舵机、第一摇杆、第二摇杆和连杆设有两组，第一舵机固定在底板下，第一摇杆一端固连在第一舵机上，另一端与连杆铰接，连杆另一端与第二摇杆铰接，第二摇杆另一端固连在第三连接杆上。

2.根据权利要求1所述的一种水陆空墙壁四栖机器人，其特征在于：所述的纵向连杆和横向连杆的材质为碳纤维管；底板和顶板为碳纤维材料或轻质铝制成；T型连接件、连接座和轴承座材质为ABS材料，第一连接杆的材质为轻质铝，第二连接杆和第三连接杆的材质为碳纤维管，电机座的材质为ABS材料，前述组件中ABS材料均能利用3D打印技术加工制造。

3.根据权利要求1所述的一种水陆空墙壁四栖机器人，其特征在于：所述的爬壁行走系统包括底盘、前轮、后轮、弹簧伸缩杆、圆形导轨、滑块、丝杠螺母、步进电机、第三舵机，圆形导轨设有四个，分别通过T型连接件固连在纵向连杆上，且四个圆形导轨保持竖直，四个圆形导轨上套有四个滑块，四个滑块连接在底盘上，底盘中间位置连有丝杠螺母，丝杠螺母与步进电机相连，通过步进电机实现底盘的升降，步进电机穿透顶板固定在底板上，两后轮固定在底盘后方，后轮保持固定且始终保持与纵向连杆平行的方向，两弹簧伸缩杆连接在底盘前方，两弹簧伸缩杆另一端固定有第三舵机，第三舵机的方向竖直向上，两第三舵机另一端与两前轮相连，以控制前轮转动，两前轮外侧设有两个制动器，制动器缩回能够起到前轮锁死的作用。

4.根据权利要求1所述的一种水陆空墙壁四栖机器人，其特征在于：所述的控制系统包括有单片机、陀螺仪、加速度计、高度计、GPS模块、超声波传感器、气压传感器、无刷电调、舵机驱动器、电机驱动器、无线数据传输模块、远程遥控器、第一电磁阀和第二电磁阀，其中陀螺仪、加速度计、高度计、GPS模块、超声波传感器、气压传感器、无刷电调、舵机驱动器、电机驱动器、无线数据传输模块、第一电磁阀和第二电磁阀连接在单片机上，远程遥控器通过无线数据传输模块与单片机实现数据传输，控制系统中的陀螺仪与加速度计用来采集机器人的运动信息和姿态信息，高度计能够测量机器人的当前高度，通过GPS模块能够实现飞行机器人自主导航飞行，超声波传感器用以实现飞行机器人的壁障功能，单片机用来实现对机器人的整体控制，无刷电调与无刷电机相连，用来调节无刷电机转速；舵机驱动器上连有第一舵机、第二舵机和第三舵机，用以控制各个舵机的转动角度；第一电磁阀和第二电磁阀分别用来控制真空吸盘及浮体气路的通断；电机驱动器与真空泵相连，可控制真空泵的通断及正反转；气压传感器安装在真空吸盘气路中，以检测气路中的气压值。