CN108583863B - 一种具有壁面着陆与起飞功能的四旋翼飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有壁面着陆与起飞功能的四旋翼飞行器，包括旋翼机本体，旋翼机本体上连接有起落机构，起落机构包括连接架，连接架的两端分别通过支杆连接U形的起落架，起落架的两个侧挡端部分别与支杆的一端通过转轴连接，且起落架的两个侧挡端部还分别连接支腿的一端，支腿的另一端设有滑行轮，起落架的横杆上设有粘附机构，起落架与支杆的连接处还设有弹性元件，连接架两端端部还分别连接有锁紧簧片，旋翼机本体与连接架连接。该旋翼飞行器翻转较小角度后，通过粘附装置来平衡四旋翼飞行器的重力，四旋翼飞行器本体变换姿态使其顶面贴近壁面，使四旋翼飞行器的着陆过程稳定、可靠。

Description

一种具有壁面着陆与起飞功能的四旋翼飞行器
技术领域
本发明属于工程仿生学和机械设计制造技术领域，涉及一种具有壁面着陆与起飞功能的四旋翼飞行器。
背景技术
旋翼飞行器具有体积小、运动灵活、可垂直起降、操作简单、复杂空间环境适应性强等优点，在灾难搜救、军事侦察等领域具有广阔的应用前景，而续航时间短是限制旋翼飞行器实际应用的主要技术瓶颈之一。
通过模仿鸟类、飞行昆虫着陆行为，为四旋翼飞行器复合壁面着陆功能，四旋翼飞行器在不必要飞行的时候以低功耗状态着陆在壁面上执行任务或休息，能够有效延长其有效任务时间。
国内外对四旋翼飞行器在杆状物上着陆开展了较多研究，壁面着陆方面研究较少。中国专利(申请号201110322551.6；专利名称：一种空中飞行和全方位吸附微型机器人；公开号：102390528A；公开日：2012.03.28)公开了一种空中飞行和全方位吸附微型机器人，通过吸附装置使机器人拥有在空中物体表面栖息吸附的能力，实现了仿飞行生物飞行和栖息的机制，但是着陆在壁面上时，四旋翼飞行器仍处于水平姿态，重心距离壁面较远，倾覆力矩较大。美国斯坦福大学研制的具有飞行和爬壁功能的SCAMP机器人着陆在壁面上时四旋翼顶部贴近壁面，重心距离壁面较近，倾覆力矩小(Pope M T,Kimes C W,Jiang H,etal.A Multimodal Robot for Perching and Climbing on Vertical Outdoor Surfaces[J].IEEE Transactions on Robotics,2017,33(1):38-48.)，但在壁面着陆过程中，SCAMP机器人头部接触壁面支撑，在自身惯性和气动推进力的作用下机身翻转90°后爪刺结构才接触壁面进行粘附，在翻转过程中，气动推进力在竖直方向上的分力不足以克服自身重力，稳定性不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有壁面着陆与起飞功能的四旋翼飞行器，该旋翼飞行器翻转较小角度后，通过粘附装置来平衡四旋翼飞行器的重力，四旋翼飞行器本体变换姿态使其顶面贴近壁面，使四旋翼飞行器的着陆过程稳定、可靠。
本发明所采用的技术方案是，一种具有壁面着陆与起飞功能的四旋翼飞行器，包括旋翼机本体，旋翼机本体上连接有起落机构，起落机构包括连接架，连接架的两端分别通过支杆连接U形的起落架，起落架的两个侧挡端部分别与支杆的一端通过转轴连接，且起落架的两个侧挡端部还分别连接支腿的一端，支腿的另一端设有滑行轮，起落架的横杆上设有粘附机构，起落架与支杆的连接处还设有弹性元件，连接架两端端部还分别连接有锁紧簧片，旋翼机本体与连接架连接。
本发明的特点还在于，
锁紧簧片的一端通过螺栓连接在连接架，锁紧簧片的另一端为弯钩状。
锁紧簧片为形状记忆合金片，形状记忆合金片上缠绕有加热线圈。
锁紧簧片为电致动聚合物。
弹性元件为橡皮筋或者弹簧，弹性元件的一端连接在支腿上，弹性元件的另一端连接在支杆上。
本发明的有益效果如下：
(1)着陆在壁面上时，四旋翼飞行器顶部贴近壁面，重心距离壁面较近，倾覆力矩力，对粘附结构的要求较低；
(2)模仿苍蝇壁面着陆机制，起落架与旋翼机本体(四旋翼)之间具有转动关节，起落架接触壁面后翻转较小角度后粘附装置粘附提高竖直支撑力，然后四旋翼飞行器变化姿态，着陆过程稳定性好；
(3)弹性元件在着陆过程中起缓冲作用，将冲击能量转化为弹性势能，在起飞过程中释放弹性势能进行弹跳起飞。
附图说明
图1是本发明一种具有壁面着陆与起飞功能的四旋翼飞行器的结构示意图；
图2是本发明一种具有壁面着陆与起飞功能的四旋翼飞行器着陆前的起落机构结构示意图；
图3是本发明一种具有壁面着陆与起飞功能的四旋翼飞行器着陆后的起落机构结构示意图；
图4是本发明一种具有壁面着陆与起飞功能的四旋翼飞行器锁紧簧片常态(锁紧)结构示意图；
图5是本发明一种具有壁面着陆与起飞功能的四旋翼飞行器中锁紧簧片解锁状态下的结构示意图；
图6是本发明一种具有壁面着陆与起飞功能的四旋翼飞行器中粘附机构的结构示意图；
图7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)是本发明一种具有壁面着陆与起飞功能的四旋翼飞行器在壁面上着陆的过程示意图；
图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)是本发明一种具有壁面着陆与起飞功能的四旋翼飞行器在壁面上起飞的过程示意图。
图中，1.旋翼机本体；
2.起落机构，2-1.连接架，2-2.支杆，2-3.起落架，2-4.转轴，2-5.支腿，2-6.滑行轮，2-7.弹性元件，2-8.锁紧簧片；
3.粘附机构，3-1.架板，3-2.隔板，3-3.柔性条，3-4.爪刺，3-5.凹槽；
4.壁面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种具有壁面着陆与起飞功能的四旋翼飞行器，如图1～3所示，包括旋翼机本体，旋翼机本体1上连接有起落机构2，起落机构2包括连接架2-1，连接架2-1的两端分别通过支杆2-2连接U形的起落架2-3，起落架2-3的两个侧挡端部分别与支杆2-2的一端通过转轴2-4连接，且起落架2-3的两个侧挡端部还分别连接支腿2-5的一端，支腿2-5的另一端设有滑行轮2-6，起落架2-3的横杆上设有粘附机构3，起落架2-3与支杆2-2的连接处还设有弹性元件2-7，连接架2-1两端端部还分别连接有锁紧簧片2-8，旋翼机本体1与连接架2-1连接。旋翼机本体1与起落机构2之间通过转轴2-4形成转动副。
锁紧簧片2-8的一端通过螺栓连接在连接架2-1，锁紧簧片2-8的另一端为弯钩状。
锁紧簧片2-8为形状记忆合金片，形状记忆合金片上缠绕有加热线圈。形状记忆合金材料的锁紧簧片可以通过线圈通电加热改变温度来改变形状。
锁紧簧片2-8为电致动聚合物。电致动聚合物材料的锁紧簧片可以通过施加电压来改变形状；
弹性元件2-7为橡皮筋或者弹簧，弹性元件2-7的一端连接在支腿2-5上，弹性元件2-7的另一端连接在支杆2-2上。弹性元件2-7连接在起落架2-4和连接架2-1之间，弹性元件2-7使得飞行器在着陆过程中起缓冲作用并将冲击能量存储起来，在飞行器弹跳起飞过程中弹性元件2-7释放能量。
粘附机构3可以是爪刺抓附结构、仿生干粘附材料、真空吸附、磁吸附或静电吸附，或者是复合其中两种或几种的粘附结构；粘附机构3用于将四旋翼飞行器粘附固定在壁面上。
爪刺抓附结构的粘附机构3包括L形架板3-1，架板3-1的横板内侧间隔设有若干隔板3-2，相邻两个隔板3-2之间设有柔性条3-3，柔性条3-3的一端顶在架板3-1的竖板内侧，柔性条3-3的另一端设有爪刺3-4。
柔性条3-3的另一端设有凹槽3-5，爪刺3-4嵌在凹槽3-5内，且爪刺3-4的形状与凹槽3-5的形状相适应，爪刺3-4的一端位于凹槽3-5内部，爪刺3-4的另一端沿着凹槽3-5伸出柔性条3-3。
柔性条3-3为将尼龙粉末3D打印一体成型的连续波浪形结构。
本发明一种具有壁面着陆与起飞功能的四旋翼飞行器的工作过程为，起落机构2在着陆前和着陆后为两种状态，在着陆过程中起落架2-3绕转轴2-4转动，弹性元件2-4被拉长，起到缓冲作用并将冲击能量转化为弹性势能存储起来；着陆后，锁紧簧片2-8将起落架2-3与连接架2-1锁紧(锁紧簧片2-8的锁紧形态如图4所示，锁紧簧片2-8的一端通过螺栓固定在连接架2-1上，锁紧簧片2-8的另一端呈弯曲状，起落机构2着陆前，锁紧簧片2-8的弯钩端朝下悬空放置，参见图2；当起落机构2着陆之后，起落架2-3绕转轴2-4旋转，由于锁紧簧片2-8本身的弹性作用，起落架2-3的两个侧挡在转到与支杆2-2平齐的过程中，起落架2-3的两个侧挡在向下运动过程中会将锁紧簧片2-8向侧面推开，锁紧簧片2-8依靠自身的弹力恢复到常态，当起落架2-3的两个侧挡运动到与两个支杆2-2平齐的位置时，锁紧簧片2-8上的弯钩恰好卡在起落架2-3的两个侧挡上，参见图3；
起飞前，可以主动控制锁紧簧片2-8弯曲变形呈图5所示状态，将起落架2-3和连接架2-1解锁，需要解锁时，形状记忆合金材料的锁紧簧片通电升温发生弯曲变形，对电致动聚合物材料的锁紧簧片施加电压发生弯曲变形；锁紧簧片2-8发生弯曲变形之后，起落架2-3与连接架2-1分开实现解锁；四旋翼飞行器本体1在弹性元件4的作用下弹离壁面，弹性元件4释放弹性势能；
粘附机构3中L形架板3-1的横板与起落架2-3的横挡连接，使爪刺3-4朝上伸出，爪刺3-4以机械锁合的方式抓附在粗糙壁面上的凹坑或凸起上，柔性条2-3可以减小多个爪刺间的相互干涉，保证更多爪刺可以抓附在壁面上。
如图7、8所示，图7(a)是四旋翼飞行器飞向壁面的状态图，图7(b)起落机构2中的滑行轮2-6接触壁面，四旋翼飞行器整体开始绕滑行轮2-6顺时针翻转的状态图，图7(c)翻转较小角度后，爪刺抓附结构接触壁面4，爪刺3-4提供竖直向上的支撑力，旋翼机本体1开始绕在转轴2-4顺时针翻转的状态图，图7(d)旋翼机本体1翻转较大角度后其顶部贴近壁面4，弹簧锁片2-8锁紧起落机构2，旋翼逐渐停止旋转，爪刺抓附结构提供平衡四旋翼飞行器倾覆力矩的法向粘附力。图8(a)主动控制弹簧锁片弯曲变形，起落机构2解锁，旋翼机本体1在弹性元件的作用下开始绕转轴2-4顺时针翻转的状态图，图8(b)旋翼机本体1开始带着四旋翼飞行器一起绕滑行轮2-6顺时针翻转的状态图，图8(c)旋翼机本体处于接近水平状态时，旋翼启动，进入正常飞行状态图，图8(d)四旋翼飞行器飞离壁面的状态图。起落机构2辅助四旋翼飞行器在壁面上着陆、起飞过程中的完成姿态变换，需要在壁面4上着陆时，起落架2-3升起，四旋翼飞行器飞向壁面，起落架2-3下端接触壁面4，起落架2-3翻转较小角度，粘附装置3中的爪刺3-4抓附在壁面上提供竖直支撑力，四旋翼飞行器本体1在旋翼气动力的作用下绕转轴2-4翻转至顶部贴近壁面4，锁紧簧片2-8锁紧起落架2-3和连接架2-1，完成着陆操作，需要在壁面4上起飞时，锁紧簧片2-8弯曲变形，将起落架2-3和连接架2-1解锁，弹性元件2-7将四旋翼飞行器本体1弹离壁面进行起飞。

Claims (3)

1.一种具有壁面着陆与起飞功能的四旋翼飞行器，包括旋翼机本体(1)，其特征在于：所述旋翼机本体(1)上连接有起落机构(2)，所述起落机构(2)包括连接架(2-1)，连接架(2-1)的两端分别通过支杆(2-2)连接U形的起落架(2-3)，起落架(2-3)的两个侧挡端部分别与支杆(2-2)的一端通过转轴(2-4)连接，且起落架(2-3)的两个侧挡端部还分别连接支腿(2-5)的一端，支腿(2-5)的另一端设有滑行轮(2-6)，所述起落架(2-3)的横杆上设有粘附机构(3)，所述起落架(2-3)与支杆(2-2)的连接处还设有弹性元件(2-7)，连接架(2-1)两端端部还分别连接有锁紧簧片(2-8)，所述旋翼机本体(1)与连接架(2-1)连接；
所述锁紧簧片(2-8)的一端通过螺栓连接在连接架(2-1)，所述锁紧簧片(2-8)的另一端为弯钩状；
所述锁紧簧片(2-8)为形状记忆合金片，所述形状记忆合金片上缠绕有加热线圈。
2.根据权利要求1所述的一种具有壁面着陆与起飞功能的四旋翼飞行器，其特征在于：所述锁紧簧片(2-8)为电致动聚合物。
3.根据权利要求1所述的一种具有壁面着陆与起飞功能的四旋翼飞行器，其特征在于：所述弹性元件(2-7)为橡皮筋或者弹簧，弹性元件(2-7)的一端连接在支腿(2-5)上，弹性元件(2-7)的另一端连接在支杆(2-2)上。
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