CN108502044B - 一种组合分离式旋翼与足式移动操作机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多旋翼飞行机器人和多足腿臂融合机器人，包括多旋翼飞行机构、多足步行操作机构，以及实现多旋翼飞行机构与多足步行操作机构两者结合与分离的组合分离机构。上述多旋翼飞行机构包含四旋翼、六旋翼、八旋翼等飞行机构，多足移动操作机构包括四足、六足、八足等移动操作机构。所述组合分离机构包括上连接模块与下连接模块，分别安装于多旋翼飞行机构底部与多足步行操作机构顶部，通过两者间锁定配合，可实现空中飞行、支撑面飞爬、陆地攀爬行走以及相应的操作功能，并可通过机器人机构的组合分离，完成多模式空地协同作业。

Description

一种组合分离式旋翼与足式移动操作机器人

技术领域

本发明属于机器人学、机构学、空气动力学等领域，涉及一类组合分离式旋翼与足式移动操作机器人。

背景技术

移动机器人的运动方式从大类上可以分为空中飞行、陆地移动、水下游动三种。

在飞行机器人中，多旋翼无人机平台由于具有结构简单、功能性强、易于实现等一系列特点，近10年来得到了持续的关注和飞速的发展。相比固定翼平台，多旋翼无人机平台可以实现悬停和垂直起降的特点极大地拓展了其应用范围。相比直升机平台，多旋翼无人机平台结构简单、动态特性更好。

陆地移动机器人中，多足步行机器人由于其与支撑面是点接触，不需要连续的支撑面，可以在各种复杂的地形上运动，相对轮式和履带式的移动机器人，更适应凹凸不平的复杂地面环境。多足腿臂融合机器人是具有腿臂融合分支的多足步行机器人，功能复用的腿臂融合分支使多足腿臂融合机器人除具有多足步行机器人的良好地形适应性外，还具备灵活的操作功能。

但是，任一种移动方式在兼具优点情况下，也有自身的局限性。多旋翼飞行机器人相比多足腿臂融合机器人具有更广阔的运动范围和更快的运动速度，且其飞行高度优势使其通讯能力受环境影响较小，但其高度的约束限制了其对地面目标信息获取的精度，多足腿臂融合机器人则具有很好的地形适应性和灵巧操作能力，可以精确定位地面目标，并执行相关的地面任务，但其通讯却很容易受到地面障碍物的影响。并且，以仿生学角度来看，自然界中的飞鸟、昆虫等的物种都具有翅膀和足爪，除具备飞行能力外还具备攀爬行走与操作能力。

发明内容

针对上述多旋翼飞行机器人和多足腿臂融合机器人各自的优点和不足，为提高机器人的复杂环境适应性及满足更高的功能需求，本发明提出一种组合分离式旋翼与足式移动操作机器人，将多旋翼飞行和多足移动操作有机结合，相互弥补两者的不足。

本发明组合分离式旋翼与足式移动操作机器人，包括多旋翼飞行机构与多足步行操作机构。多旋翼飞行机构与多足步行操作机构上分别安装有上连接模块与下连接模块，通过上连接模块与下连接模块间的配合，实现多旋翼飞行机构与多足步行操作机构间的对接；且对接后具有三种工作模式，分别为：飞行模式、飞爬模式和行走模式。

飞行模式组合形态下，足式行走操作机构作为多旋翼飞行机构负载，由多旋翼飞行机构携带飞行。

飞爬模式组合形态下，多旋翼飞行机构与足式行动操作机构都作为动力源，二者互不作为负载时，多旋翼飞行机构依靠自身旋翼旋转提供的浮力，足式行走操作机构依靠自身足端的支撑力；二者在互为负载时，依靠二者同时提供动力以实现在斜面或壁面的飞爬作业。

行走模式组合形态下，多旋翼飞行机构作为足式行走操作机构的负载，由足式行走操作机构携带多旋翼飞行机构行走。

本发明的优点在于：

1、本发明组合分离式旋翼与足式移动操作机器人，是一种基于多旋翼飞行机构和多足行走操作机构组合、拆分一体化设计的新型多功能移动操作机器人，能够很好的满足当下机器人多功能、高适应性的需求。

2、本发明组合分离式旋翼与足式移动操作机器人，可以实现多旋翼飞行机构和多足行走移动操作机构的分离与组合，从而兼具多旋翼飞行机器人的大范围、远距离快速机动的特性，和多足腿臂融合机器人良好的地形适应性和灵巧操作能力，并可实现二者的有机协同做业。

3、本发明组合分离式旋翼与足式移动操作机器人，相较于传统移动机器人单一运动模式的局限性，兼具飞行、飞爬、行走三种移动模式，并且可实现三种移动模式下的操作功能。

附图说明

图1为本发明组合分离式旋翼与足式移动操作机器人组合形态下的飞行与飞爬模式示意图；

图2为本发明组合分离式旋翼与足式移动操作机器人中多旋翼飞行机构示意图；

图3为本发明组合分离式旋翼与足式移动操作机器人中多足步行操作机构示意图；

图4为本发明组合分离式旋翼与足式移动操作机器人的组合分离机构中上连接模块结构示意图；

图5为本发明组合分离式旋翼与足式移动操作机器人的组合分离机构中下连接模块结构示意图；

图6为本发明组合分离式旋翼与足式移动操作机器人组合形态下的行走模式示意图。

图中：

1-多旋翼飞行机构 2-组合分离机构 3-多足步行操作机构

101-飞行机构本体组件 102-机翼臂组件 103-本体下挂载组件

104-旋翼 201-上连接模块 201a-上连接板

201b-连杆 201c-缓冲弹簧 201d-滑块

201e-底板 201f-上支撑杆 201g-下支撑杆

202-下连接模块 202a-套筒 202b-下连接板

201c-缓冲弹簧 201d-滑块 201e-底板

201f-上支撑杆 201g-下支撑杆 301-腿臂融合机构本体组件

302-单腿分支

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明组合分离式旋翼与足式移动操作机器人，物理机械结构包括多旋翼飞行机构1、组合分离机构2和多足步行操作机构3，如图1所示。同时在物理机械结构的基础上搭建控制系统和传感系统，并配置动力元件。

所述多旋翼飞行机构1涵盖四旋翼、六旋翼、八旋翼等飞行机构；多足行走操作机构3涵盖四足、六足、八足等行走操作机构。在此仅选用六旋翼飞行机构和四足腿臂融合机构进行说明。

所述六旋翼飞行机构主要包括飞行机构本体组件101、6条机翼臂组件102以及本体下挂载组件103，如图2所示。其中，飞行机构本体组件101周向均布6条机翼臂组件102。6条机翼臂组件102外端端部安装有由电机驱动的旋翼104，且相邻机翼臂组件102上的旋翼104构型不同，以使旋转方向相反。飞行机构本体组件101下方安装有本体下挂载组件103，其上除安装有电池组，传感器等辅助元件外，还可安装摄像头组件，摄像头云台含有沿垂直轴和水平轴两个转动自由度。

四足腿臂融合机构包括腿臂融合机构本体组件301与4条单腿分支302，如图3所示。腿臂融合机构本体组件301为矩形结构，4条单腿分支302在腿臂融合机构主体组件301左右各安装两条，且最优对称布置。4条单腿分支302中包含3条普通单腿分支以及1条腿臂融合单腿。且4条单腿分支302中，髋关节舵机安装位置与腿臂融合机构本体组件301对称轴成45°方位。上述单腿分支302自由度越多，腿就越灵活，但其设计、控制难度和腿的质量将逐步地增大。本发明示例中普通腿单腿分支组件包含3个自由度，腿臂融合分支组件包含5个自由度。4条单腿结构的自由度均采用舵机输出，实现行走和操作功能。

所述组合分离机构2安装于腿臂融合机构本体组件301顶面，用于实现上述六旋翼飞行机构与四足腿臂融合机构间的对接以及分离。组合分离机构2包括上连接模块201与下连接模块202，如图2、图3所示。其中，上连接模块201与六旋翼飞行机构固连，可简化为圆周分布的3个平面四杆机构，包括上连接板201a、连杆201b、缓冲弹簧201c、滑块201d、底板201e与支撑杆组件，如图4所示。其中，上连接板201a安装于本体下挂载组件103上，水平设置。用于其他组成部分的安装。连杆201b竖直设置，顶端固定安装于上连接板201a底面中心位置。下端固定于底板201e中心位置。滑块201d套于连杆201b上，可沿连杆201b上下滑动；同时连杆201b上还套有缓冲弹簧201c，缓冲弹簧201c位于滑块201d与上连接板201a之间，当滑块201d上移后压缩，并通过缓冲弹簧201c的回弹力，使滑块201d归位。上述底板201e与滑块201d均为圆形板状结构，底板201e周向上均设有三个下连接槽，同时滑块201d上周向对应位置均设有三个上连接槽；相互对应的上连接槽与下连接槽间安装一套支撑杆组件。

所述支撑杆组件包括上支撑杆201f与下支撑杆201g。其中，上支撑杆201f末端置于上连接槽内，与上连接槽间铰接。下支撑杆201g末端置于下连接槽内，与下连接槽间铰接。下支撑杆201g的前端用于与下连接模块配合实现两者间的锁定；上支撑杆201f前端设计有U型连接头，通过U型连接头与下支撑杆201f中部铰接。由此当下支撑杆201g上摆时，会使上支撑杆201f推动滑块201d上移压缩缓冲弹簧201c。上述上支撑杆201f与下支撑杆201g的末端，以及下支撑杆201g的前端端面为平面，端面外缘周向设计为圆弧面；由此，通过上支撑杆201f末端圆弧面使上支撑杆201f运动过程中末端不会与上连接槽底面间发生干涉；通过下支撑杆201g末端圆弧面使下支撑杆201g上摆运动过程中末端不会与下连接槽底面发生干涉，且在当下支撑杆201g下摆至与水平面平行时，下支撑杆201g末端端面与下连接槽底面间完全贴合，进而限制了下支撑杆201g的下摆；通过下支撑杆201g前端弧形面，保证下支撑杆201g与下连接模块202中套筒202a内壁间的滑动顺畅。

所述下连接模块202包括套筒202a与下连接板202b，如图5所示。其中，下连接板202b安装于腿臂融合机构主体组件301顶部中心位置，其顶面设计为锥面。套筒202a固定于下连接板上202b；该套筒202a侧壁周向上开有3个沿套筒202a轴向设计的滑槽202c，用来配合上连接模块201实现六旋翼飞行机构与四足腿臂融合机构间的对接。

本发明组合分离式旋翼与足式移动操作机器人的组合形态可分为：飞行与飞爬模式，如图1所示；以及行走模式，如图6所示。其中，飞行模式下，仅六旋翼飞行机构1的旋翼104工作，四足腿臂融合机构不触地不工作；飞爬模式下，六旋翼飞行机构1的旋翼104与四足腿臂融合机构同时工作，四足腿臂融合机构触地行走，由旋翼104提供一部分升力，四足腿臂融合机构提供一部分支持力，二者共同作用抵消机器人整体的重力。

1、飞行与飞爬模式下，六旋翼飞行机构与四足腿臂融合机构间的组合过程可分为对接、下滑、上浮、锁定四个阶段。

对接阶段时，调整多旋翼飞行机构的位置与姿态，使上连接模块201中连杆201b垂直于水平面，同时使上连接模块201与下连接模块202同轴，且上连接模块201水平投影中三个下支撑杆201g端部落在下连接模块202水平投影中套筒202a边缘重合。

下滑阶段时，控制多旋翼飞行机构平稳下滑，使三个下支撑杆201g同时与套筒202a顶边接触；此时，多旋翼飞行机构1继续下滑，三个下支撑杆201g受压上摆，缓冲弹簧201c压缩，整个上连接模块201进入套筒202a内；直至三个下支撑杆201g端部到达滑槽202c所在平面位置。若三个下支撑杆201g在下滑过程中，分别与三个滑槽202c位于同一竖直线上，则在下支撑杆201g到达滑槽202c位置时，缓冲弹簧201c回弹，滑块201d回归零位，使三个下支撑杆201g下摆分别进入套筒201c的三个滑槽202c内。否则，在到达滑槽202c位置时，通过控制多旋翼飞行机构1水平旋转，使三个下支撑杆201g分别到达三个滑槽202c位置，此时缓冲弹簧201c回弹，滑块201d回归零位，使三个下支撑杆201g下摆分别进入套筒201c的三个滑槽202c内。

上浮及锁定阶段时，控制多旋翼飞行机构缓慢上浮，使三个下支撑杆201g分别沿三个滑槽202c内向上移动，直至三个下支撑杆201g分别滑至三个滑槽202c顶端。

飞行与飞爬模式下，六旋翼飞行机构与四足腿臂融合机构间的分离过程可分为下滑、自旋、上浮、分离四个阶段。

下滑阶段时，控制多旋翼飞行机构平稳下滑，使三个下支撑杆201g分别与三个滑槽202c底端接触；此时，多旋翼飞行机构继续下滑，三个下支撑杆201g受压上摆，缓冲弹簧压缩，使三个下支撑杆201g收回套筒202a内。

自旋阶段时，控制多旋翼飞行机构水平旋转，使三个下支撑杆201g与套筒202a上的三个滑槽202c周向错开。

上浮与分离阶段时，控制多旋翼飞行器1竖直方向缓慢上浮，直至上连接模块201脱离套筒202a。

2、行走模式下，六旋翼飞行机构与四足腿臂融合机构间的组合过程可分为对接、下滑、锁定三个阶段。

对接阶段时，调整多旋翼飞行机构的位置与姿态，使上连接模块201中连杆201b垂直于水平面，并使上连接模块201与下连接模块202同轴；同时，还需使三个下支撑杆201g与三个滑槽202c间错开。

下滑及锁定阶段时，控制多旋翼飞行机构平稳下滑，使三个下支撑杆201g同时与套筒202a顶边接触；此时，多旋翼飞行机构继续下滑，三个下支撑杆201g受压上摆，缓冲弹簧201c压缩，整个上连接模块201进入套筒202a内；直至三个下支撑杆201g的末端与下连接板202b锥面接触。

行走模式下，六旋翼飞行机构与四足腿臂融合机构间的分离时，直接控制六旋翼飞行机构上浮至上连接模块201脱离套筒202a即可。

上述飞行与飞爬模式和行走模式组合状态下间还可随时进行切换，具体切换方式如下；

1)飞行与飞爬模式切换至行走模式，分为下滑、自旋、锁定三个阶段。

下滑阶段时，控制多旋翼飞行机构平稳下滑，使三个下支撑杆201g分别与三个滑槽202c底端接触；此时，多旋翼飞行机构继续下滑，三个下支撑杆201g受压上摆，缓冲弹簧201c压缩，使三个下支撑杆201g收回套筒内。

自旋阶段时，控制多旋翼飞行机构水平旋转，使三个下支撑杆201g与套筒上的三个滑槽202c周向错开。

锁定阶段时，控制多旋翼飞行机构继续平稳下滑，直至三个下支撑杆201g的末端与下连接板202b锥面接触。

2)行走模式切换至飞行与飞爬模式，分为上浮、自旋、上浮、锁定四个阶段。

上浮阶段时，控制多旋翼飞行机构平稳上浮，使三个下支撑杆201g到达滑槽202c所在平面位置。

自旋阶段时，控制多旋翼飞行机构水平旋转，使三个下支撑杆201g分别到达三个滑槽202c位置，此时缓冲弹簧201c回弹，滑块201d回归零位，使三个下支撑杆201g下摆分别进入套筒202a的三个滑槽202c内。

上浮及锁定阶段时，控制多旋翼飞行机构缓慢上浮，使3个下支撑杆201g分别3三个滑槽202c内向上移动，直至三个下支撑杆201g分别滑至三个滑槽202c顶端。

本发明组合分离式旋翼与足式移动操作机器人可进行飞行模式、飞爬模式、行走模式及双机协同模式，具体如下；

飞行模式组合形态下，如图1所示，足式行走操作机构3作为多旋翼飞行机构1负载，由多旋翼飞行机构1携带飞行，可执行远距离运输、侦察以及使用足式行走操作机构3的融合腿臂执行空中操作等一系列任务。

飞爬模式组合形态下，如图1所示，多旋翼飞行机构1与足式行动操作机构3都作为动力源，二者可完全互不作为负载，多旋翼飞行机构1依靠自身旋翼102旋转提供的浮力，足式行走操作机构3依靠自身足端的支撑力，可实现在平坦地面的飞爬。相较于行走模式，可提高运行速度与效率。此外，二者也可在互为负载的同时，依靠自身提供动力以实现在斜面或壁面的飞爬作业。

行走模式组合形态下，如图2所示，多旋翼飞行机构1作为足式行走操作机构3的负载，由其携带行走，并且组合分离机构2中的缓冲弹簧201c作为柔性环节，不仅能够减轻组合分离过程中的振动、冲击等影响，在行走模式下也可实现柔顺缓冲功能，可使本发明更好地执行地面行走、侦察、操作等一系列任务。

双机协同模式下，多旋翼飞行机构1与足式行走操作机构3处于分离形态，多旋翼飞行机构1飞在空中，而足式行走操作机构3行走在地面。多旋翼飞行机构1具有飞行高度优势，使其通讯能力受环境影响较小，而足式行走操作机构3的通讯则很容易受到地面障碍物的影响，因此二者可进行协同工作，多旋翼飞行机构1可以为足式行走操作机构3提供通讯中继，为足式行走操作机构3大范围作业提供通讯保障。

Claims (3)

1.一种组合分离式旋翼与足式移动操作机器人，包括多旋翼飞行机构与多足步行操作机构；其特征在于：多旋翼飞行机构与多足步行操作机构上分别安装有上连接模块与下连接模块，通过上连接模块与下连接模块间的配合，实现多旋翼飞行机构与多足步行操作机构间的对接；

所述上连接模块包括上连接板、连杆、缓冲弹簧、滑块、底板与支撑杆组件；其中，上连接板用于与多旋翼飞行机构相连；连杆竖直设置，顶端安装于上连接板中心；下端固定于底板中心位置；滑块套于连杆上；连杆上还套有缓冲弹簧，缓冲弹簧位于滑块与上连接板之间；上述底板周向上均设有下连接槽，同时滑块上周向对应位置均设有上连接槽；相互对应的上连接槽与下连接槽间安装一套支撑杆组件；支撑杆组件包括上支撑杆与下支撑杆；其中，上支撑杆末端与上连接槽铰接；下支撑杆末端与下连接槽铰接；上支撑杆前端设计有U型连接头，通过U型连接头与下支撑杆中部铰接；

所述下连接模块包括套筒与下连接板；其中，下连接板用于连接腿臂融合机构，顶面设计为锥面；套筒固定于下连接板上；该套筒侧壁周向上开有沿套筒轴向设计的滑槽；

且对接后具有三种工作模式，分别为：飞行模式、飞爬模式和行走模式；

飞行模式组合形态下，足式行走操作机构作为多旋翼飞行机构负载，由多旋翼飞行机构携带飞行；

飞爬模式组合形态下，多旋翼飞行机构与足式行动操作机构都作为动力源，二者互不作为负载时，多旋翼飞行机构依靠自身旋翼旋转提供的浮力，足式行走操作机构依靠自身足端的支撑力；二者在互为负载时，依靠二者同时提供动力以实现在斜面或壁面的飞爬作业；

行走模式组合形态下，多旋翼飞行机构作为足式行走操作机构的负载，由足式行走操作机构携带多旋翼飞行机构行走。

2.如权利要求1所述一种组合分离式旋翼与足式移动操作机器人，其特征在于:多旋翼飞行机构与足式行走操作机构处于分离形态，进入双机协同模式，多旋翼飞行机构飞在空中，而足式行走操作机构行走在地面；由多旋翼飞行机构为足式行走操作机构提供通讯中继。

3.如权利要求1所述一种组合分离式旋翼与足式移动操作机器人，其特征在于:飞行与飞爬模式下，六旋翼飞行机构与四足腿臂融合机构间的组合过程可分为对接、下滑、上浮、锁定四个阶段：对接阶段时，调整多旋翼飞行机构的位置与姿态，使上连接模块与下连接模块同轴；下滑阶段时，控制多旋翼飞行机构平稳下滑，使下支撑杆与套筒顶边接触；此时，多旋翼飞行机构继续下滑，下支撑杆受压上摆，缓冲弹簧压缩，整个上连接模块进入套筒内；直至下支撑杆端部到达滑槽位置，此时缓冲弹簧回弹，滑块回归零位，使下支撑杆下摆分别进入套筒的滑槽内；上浮及锁定阶段时，控制多旋翼飞行机构缓慢上浮，使下支撑杆分别沿滑槽内向上移动，直至下支撑杆分别滑至滑槽顶端；

行走模式下，六旋翼飞行机构与四足腿臂融合机构间的组合过程可分为对接、下滑、锁定三个阶段：对接阶段时，调整多旋翼飞行机构的位置与姿态，使上连接模块与下连接模块同轴；同时，还需使下支撑杆与滑槽间错开；

下滑及锁定阶段时，控制多旋翼飞行机构平稳下滑，使下支撑杆同时与套筒顶边接触；此时，多旋翼飞行机构继续下滑，下支撑杆受压上摆，缓冲弹簧压缩，整个上连接模块进入套筒内；直至下支撑杆的末端与下连接板锥面接触。

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