CN108944304B - 一种兼具飞行和爬壁功能的两栖机器人 - Google Patents

一种兼具飞行和爬壁功能的两栖机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种兼具飞行和爬壁功能的两栖机器人，包括履带爬壁机构，履带爬壁机构上连接有四旋翼倾转机构。该机器人通过倾转旋翼的方式来变换机器人的姿态，飞行时，履带爬壁机构处于水平姿态，需要在壁面上着陆时，四旋翼倾转机构将履带爬壁机构变换为近似竖直姿态，并逐渐接近壁面进行稳定着陆，使机器人重心紧贴壁面，同时着陆过程中旋翼提供稳定的竖直升力。

Description

一种兼具飞行和爬壁功能的两栖机器人
技术领域
本发明属于特种机器人技术领域，涉及一种兼具飞行和爬壁功能的两栖机器人。
背景技术
爬壁机器人是能够在垂直壁面上爬行的特种机器人，在灾难搜救、军事侦察、桥梁检测、星球探测等领域具有广阔的应用前景。而单一爬壁功能很难适应复杂的任务环境，例如出发地距离执行侦察任务的目的地有一定距离，机器人需要适应复杂地形环境，且爬行速度较慢。
兼具飞行和爬壁功能的机器人能够提升机器人的任务执行能力，飞行功能可以辅助爬壁机器人适应复杂的任务环境。中国专利(申请号：201310118990.4；专利名称：一种飞行和爬壁两栖机器人及其控制方法；公开号：103192987A；公开日：2013.07.10)公开了一种飞行和爬壁两栖机器人及其控制方法，可以在飞行和爬壁之间进行自主的切换，着陆在壁面上时四旋翼处于水平姿态，重心距离壁面较远，倾覆力矩大。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,et al.A Multimodal Robot for Perchingand 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，四旋翼翻转较大角度后，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兼具飞行和爬壁功能的两栖机器人，该机器人通过倾转旋翼的方式来变换机器人的姿态，使机器人重心紧贴壁面，同时着陆过程中旋翼提供稳定的竖直升力。
本发明所采用的技术方案是，一种兼具飞行和爬壁功能的两栖机器人，包括履带爬壁机构，包括履带爬壁机构上连接有四旋翼倾转机构。
本发明的特点还在于，
履带爬壁机构包括机构本体，机构本体的相对两侧分别设有粘附履带本体(1-2)，每条粘附履带本体的两端分别设有带轮A和带轮B；
机构本体的一端设有两个爬壁电机，一个爬壁电机对应驱动一条粘附履带本体动作；每条粘附履带本体上的带轮A与一个爬壁电机的输出轴连接；
机构本体的另一端中部设有尾巴，尾巴上连接有舵机A，舵机A的输出轴连接在机构本体上；
机构本体两端的相对两侧分别设有支座，机构本体通过支座与四旋翼倾转机构连接。
四旋翼倾转机构包括位于机构本体两端的转轴A和转轴B，转轴A的两端和转轴B的两端分别通过支座支撑，且转轴A的两端和转轴B的两端分别设有旋翼电机，每个旋翼电机的输出轴朝上设置，且旋翼电机的输出轴上设有旋翼；
转轴A的中部分别设有导向槽A和导向槽B，转轴B的中部分别设有导向槽C和导向槽D，导向槽A和导向槽C位于同一个平面内，导向槽B和导向槽D位于同一个平面内；
绳索A的一端固定在导向槽A内，绳索A的另一端绕在导向槽C内；绳索B的一端绕在导向槽B内，绳索B的另一端连接在舵盘上；舵盘上还连接绳索C的一端，绳索C的另一端绕在导向槽D内；
机构本体的中部设有舵机B，舵机B的输出轴与舵盘连接。
绳索A、绳索B及绳索C均为涤纶绳。
粘附履带本体的外表面设有粘附爪刺或仿生干粘附材料。
本发明的有益效果如下：
(1)机器人采取倾转旋翼的方式将机器人由水平姿态变换到近似竖直的姿态，重心距离壁面近，在壁面上着陆和爬行稳定；
(2)机器人在近似悬停的状态下完成着陆和起飞操作，稳定性和可靠性高；
(3)机器人具有飞行、壁面停留、爬壁三种工作状态，可以在这三种间稳定切换，结构紧凑、机动性好、操作简单，可以适应复杂作业环境和任务。
附图说明
图1是本发明一种兼具飞行和爬壁功能的两栖机器人的结构示意图；
图2是本发明一种兼具飞行和爬壁功能的两栖机器人中粘附履带本体与带轮A、带轮B配合的结构示意图；
图3本发明一种兼具飞行和爬壁功能的两栖机器人中转轴A与转轴B连接的结构示意图；
图4本发明一种兼具飞行和爬壁功能的两栖机器人中绳索A、绳索B及绳索C的传动原理简图；
图5是本发明一种兼具飞行和爬壁功能的两栖机器人中粘附爪刺与粘附履带本体配合的局部示意图；
图6是本发明一种兼具飞行和爬壁功能的两栖机器人在壁面着陆的过程示意图；
图7是本发明一种兼具飞行和爬壁功能的两栖机器人在不同壁面间过渡的示意图。
图中，1.履带爬壁机构，1-1.机构本体，1-2.粘附履带本体，1-3.带轮A，1-4.带轮B，1-5.爬壁电机，1-6.尾巴，1-7.舵机A，1-8.支座；
2.四旋翼倾转机构，2-1.转轴A，2-2.转轴B，2-3.旋翼电机，2-4.旋翼，2-5.导向槽A，2-6.导向槽B，2-7.导向槽C，2-8.导向槽D，2-9.绳索A，2-10.绳索B，2-11.舵盘，2-12.绳索C，2-13.舵机B，2-14.电机座；
3.粘附爪刺，4.凹槽，5.壁面，6.柔性条。
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。
本发明一种兼具飞行和爬壁功能的两栖机器人，如图1、2所示，包括履带爬壁机构1，包括履带爬壁机构1上连接有四旋翼倾转机构2。
履带爬壁机构1包括机构本体1-1，机构本体1-1的相对两侧分别设有粘附履带本体1-2，每条粘附履带本体1-2的两端分别设有带轮A1-3和带轮B1-4；
机构本体1-1的一端设有两个爬壁电机1-5，一个爬壁电机1-5对应驱动一条粘附履带本体1-2动作；每条粘附履带本体1-2上的带轮A1-3与一个爬壁电机1-5的输出轴连接；两个爬壁电机1-5同步运动。
机构本体1-1的另一端中部设有尾巴1-6，尾巴1-6上连接有舵机A1-7，舵机A1-7的输出轴连接在机构本体1-1上；舵机A1-7用于调节尾巴1-6在壁面的支撑力。
机构本体1-1两端的相对两侧分别设有支座1-8，机构本体1-1通过支座1-8与四旋翼倾转机构2连接。
如图3、4所示，四旋翼倾转机构2包括位于机构本体1-1两端的转轴A2-1和转轴B2-2，转轴A2-1的两端和转轴B2-2的两端分别通过支座1-8支撑，且转轴A2-1的两端和转轴B2-2的两端分别设有旋翼电机2-3，每个旋翼电机2-3的输出轴朝上设置，且旋翼电机2-3的输出轴上设有旋翼2-4；转轴A2-1的两端和转轴B2-2的两端分别设有电机座2-14，旋翼电机2-3安装在电机座2-14上。
转轴A2-1的中部分别设有导向槽A2-5和导向槽B2-6，转轴B2-2的中部分别设有导向槽C2-7和导向槽D2-8，导向槽A2-5和导向槽C2-7位于同一个平面内，导向槽B2-6和导向槽D2-8位于同一个平面内；
绳索A2-9的一端固定在导向槽A2-7内，绳索A2-9的另一端绕在导向槽C2-7内；绳索B2-10的一端绕在导向槽B2-6内，绳索B2-10的另一端连接在舵盘2-11上；舵盘2-11上还连接绳索C2-12的一端，绳索C2-12的另一端绕在导向槽D2-8内；
机构本体1-1的中部设有舵机B2-13，舵机B2-13的输出轴与舵盘2-11连接。
绳索A2-9、绳索B2-10及绳索C2-12均为涤纶绳。
如图5所示，粘附履带本体1-2的外表面设有粘附爪刺3，粘附履带本体1-2上设置粘附爪刺3时，在粘附履带本体1-2的表面阵列开设有凹槽4，凹槽4内固定有柔性条6，粘附爪刺3固定在柔性条6一端端部。
粘附履带本体1-2表面也可设置具有方向性的仿生干粘附材料，或者设置粘附力可控的负压吸附或电磁吸附，在需要脱附时可以轻松脱附，便于机器人进行起飞操作。
本发明一种兼具飞行和爬壁功能的两栖机器人的工作原理为，四旋翼倾转机构2与履带爬壁机构1连接后，绳索A2-9、绳索B2-10和绳索C2-12均处于张紧状态，四个旋翼(转轴A2-1和转轴B2-2上各有两个旋翼2-4)空间姿态一致，舵机B2-13通过由绳索A2-9、绳索B2-10、绳索C2-12及舵盘2-11组成的绳传动机构驱动转轴A2-1和转轴B2-2带着四个旋翼2-4同向、同步倾转运动。
如图6所示，机器人在空中飞行时可以倾转四个旋翼2-4实现履带爬壁机构1的姿态变换，在需要在壁面5上着陆时，四旋翼倾转机构2将履带爬壁机构1由水平姿态转换为近似竖直姿态后逐渐接近壁面并实施着陆操作，起飞过程相反。如图7所示，机器人可以通过飞行实现多个壁面间过渡运动。

Claims (3)

1.一种兼具飞行和爬壁功能的两栖机器人，其特征在于：包括履带爬壁机构(1)，所述履带爬壁机构(1)上连接有四旋翼倾转机构(2)；
所述履带爬壁机构(1)包括机构本体(1-1)，机构本体(1-1)的相对两侧分别设有粘附履带本体(1-2)，每条粘附履带本体(1-2)的两端分别设有带轮A(1-3)和带轮B(1-4)；
机构本体(1-1)的一端设有两个爬壁电机(1-5)，一个爬壁电机(1-5)对应驱动一条粘附履带本体(1-2)动作；每条粘附履带本体(1-2)上的带轮A(1-3)与一个爬壁电机(1-5)的输出轴连接；
机构本体(1-1)的另一端中部设有尾巴(1-6)，尾巴(1-6)上连接有舵机A(1-7)，舵机A(1-7)的输出轴连接在机构本体(1-1)上；
机构本体(1-1)两端的相对两侧分别设有支座(1-8)，机构本体(1-1)通过支座(1-8)与所述四旋翼倾转机构(2)连接；
所述四旋翼倾转机构(2)包括位于机构本体(1-1)两端的转轴A(2-1)和转轴B(2-2)，转轴A(2-1)的两端和转轴B(2-2)的两端分别通过支座(1-8)支撑，且转轴A(2-1)的两端和转轴B(2-2)的两端分别设有旋翼电机(2-3)，每个旋翼电机(2-3)的输出轴朝上设置，且旋翼电机(2-3)的输出轴上设有旋翼(2-4)；
转轴A(2-1)的中部分别设有导向槽A(2-5)和导向槽B(2-6)，转轴B(2-2)的中部分别设有导向槽C(2-7)和导向槽D(2-8)，导向槽A(2-5)和导向槽C(2-7)位于同一个平面内，导向槽B(2-6)和导向槽D(2-8)位于同一个平面内；
绳索A(2-9)的一端固定在导向槽A(2-7)内，绳索A(2-9)的另一端绕在导向槽C(2-7)内；绳索B(2-10)的一端绕在导向槽B(2-6)内，绳索B(2-10)的另一端连接在舵盘(2-11)上；舵盘(2-11)上还连接绳索C(2-12)的一端，绳索C(2-12)的另一端绕在导向槽D(2-8)内；
所述机构本体(1-1)的中部设有舵机B(2-13)，舵机B(2-13)的输出轴与所述舵盘(2-11)连接。
2.根据权利要求1所述的一种兼具飞行和爬壁功能的两栖机器人，其特征在于：所述绳索A(2-9)、绳索B(2-10)及绳索C(2-12)均为涤纶绳。
3.根据权利要求1所述的一种兼具飞行和爬壁功能的两栖机器人，其特征在于：所述粘附履带本体(1-2)的外表面设有粘附爪刺或仿生干粘附材料。
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