CN110154659A - 昆虫式陆空两栖机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种昆虫式陆空两栖机器人，包括空中巡航子系统、斜坡行走子系统、无线通讯和连接机构，属于智能机器人领域。斜坡行走子系统搭载于四旋翼无人机，可以同时实现空中巡航、碰撞着陆和斜坡行走三种状态。本发明机器人区别于传统斜坡行走方式，采用物理抓附，在非结构化表面上有非常稳定和节能的工作性能。机器人结构紧凑、高度集成、质量轻盈、作业灵活。针对目前锂电池无人机的续航能力，本机器人添加了栖息功能，大大增加了工作时间，并为无人机的工种多样化创造了突破性的平台。

Description

昆虫式陆空两栖机器人

技术领域

本发明属于智能机器人领域，具体涉及一种昆虫式陆空两栖机器人。

背景技术

由于空气动力效率和锂电池能源的限制，目前国内外各种微型和小型空中巡航器均无法长时间执行任务（一般低于40分钟），同时其无法在非水平表面进行着陆。为有效地增加灾后搜救、城市监管、军事侦察和外星探索等任务的执行期限，要求空中巡航机器人能在复杂环境下具有稳定的碰撞着陆和斜坡行走能力以降低能源消耗。因此，同时具备空中巡航能力、竖向璧面的栖息能力以及斜坡行走能力的昆虫式空中巡航-斜坡行走机器人（即两栖机器人）是目前微型空中巡航机器人的发展方向之一。

未来的空中巡航-斜坡行走机器人需要能够在人类不能或难以到达的已知或未知环境里空中巡航和斜坡行走，要求机器人不仅适应结构化的环境，还要适应可能遇到非结构化的环境，例如外星地表。行走机器人目前比较成熟，但是，实现三维空间无障碍运动机器人在非结构环境下（即粗糙、多裂缝且布满灰尘环境）的自主行走仍然存在难点。在国内外研究人员的共同努力之下，行走机器人已经能够稳定地在光滑垂直表面上下行走。然而，实现机器人三维空间粗糙表面的无障碍运动仍面临更多的关键科学问题和更大的技术挑战。在数十亿年的进化历程中，生物体为了生存环境不断地优化自身结构，发展了各种精巧、拥有独特功能的运动模式和结构。尤其是各类昆虫，为仿生斜坡行走机器人科研学者提供了灵感，伴随相应的智能控制系统，促使这类机器人通过特殊的仿生机械结构—爪子，能够在三维空间表面自由斜坡行走。自然界和人类生活环境中大多数壁面都是粗糙、多裂缝且布满灰尘的，这种爪刺附着方式能够相较真空式、磁吸附、普通粘附材料类的粘附方式更具实用性，更大一个好处它能够减少能源的消耗，提高使用时长，缩小结构体积，在非结构化的环境中有着更加好的表现。

刘彦伟在《爪刺式爬壁机器人仿生机理与系统研究》一文中，采用仿生爪刺粘附式原理设计制造了新型斜坡行走机器人，能够在非结构壁面行走运动。其考虑抓附的稳定性和负载能力采用了爪刺对抓模型，但由于整个系统较为庞大和笨重，只能进行简单的斜坡行走功能。本发明改进了其斜坡行走方式，并实现了空中巡航与斜坡行走的结合，将机器人做的更加轻质和节能。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种昆虫式空中巡航斜坡行走机器人，解决了传统斜坡行走机器人笨重、能耗高、工作环境苛刻、工作状态单一等问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种昆虫式空中巡航斜坡行走机器人，包括空中巡航子系统、斜坡行走驱动装置和行走子系统，斜坡行走驱动装置通过胶合搭载于空中巡航子系统顶面，斜坡行走驱动装置的信号线通过焊接连于空中巡航子系统外接针脚，斜坡行走子系统设置在斜坡行走驱动装置顶面。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）同时具备空中巡航能力、竖向璧面的斜坡行走能力，属于两栖机器人，是仿生机器人领域中的一个创新发明。

（2）传统的电磁式、真空式、粘液式的斜坡行走机器人只能在金属、玻璃等光滑结构化表面作业且体型笨重、能耗高，本发明机器人体型小质量轻，能耗低，适用于粗糙、布满灰尘的自然非结构化表面。

（3）目前小型无人机的瓶颈在于锂电池的限制，作业时间短，可集成的功能单一，以拍摄和巡航为主，而本机器人搭载了斜坡行走机器人之后，能够让执行任务的飞行器进行中途栖息，大大增加作业时长，并创造了集成壁面作业功能的平台，拓宽了无人机的使用领域。

附图说明

图1为本发明的昆虫式陆空两栖机器人的整体结构示意图。

图2为本发明的空中巡航系统的结构示意图。

图3为本发明的斜坡行走驱动装置的结构示意图。

图4为本发明的斜坡行走机械装置的结构示意图。

图5为本发明的空中巡航、碰撞着陆、斜坡行走三种状态切换关系图。

图6为本发明的斜坡行走迈步行进原理的示意图，其中图（a）为着陆方式示意图，图（b）为非承力足脱离壁面示意图，图（c）非承力足向上迈步示意图，图（d）为承力足与非承力足切换示意图。

图7为本发明的斜坡行走过程防止脱落二次抓附的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明将昆虫式行走系统与微型空中巡航机器人相结合，设计昆虫式陆空两栖机器人，其不仅够克服原有空中巡航机器人作业时长短的缺点，还能扩大纯斜坡行走机器人的工作范围。

结合图1，本发明昆虫式空中巡航斜坡行走机器人，包括空中巡航子系统I、斜坡行走驱动装置II和斜坡行走子系统III，斜坡行走驱动装置II通过胶合搭载于空中巡航子系统I顶面，斜坡行走驱动装置II的信号线通过焊接连于空中巡航子系统I外接针脚，斜坡行走子系统III设置在斜坡行走驱动装置II顶面。

结合图2，所述空中巡航子系统I包括无人机1和斜坡行走驱动装置底座2，无人机1是采用Bitcraze公司的crazyflie2.0型号无人机，所述无人机1中自带集成电路，斜坡行走驱动装置底座2胶合在集成电路顶面，用于连接斜坡行走驱动装置II。集成电路中嵌入了STM- 32F405单片机、三轴陀螺仪、三轴磁力计、三轴加速度计和压力计传感器、NRF- 51822无线通讯模块和四个LED灯。通过单片机的PWM输出控制无人机的无刷电机进行空中巡航。

结合图3，所述斜坡行走驱动装置II是行走驱动力的来源，包括Hitec HS-5035HD型号舵机3、伸缩臂底座4、Hobbyking HK-5320型号舵机5、导向管底座6和舵机底座7。HitecHS-5035HD型号舵机3和舵机底座7均采用强力胶合在斜坡行走驱动装置底座2顶面，Hobbyking HK- 5320型号舵机5固定在舵机底座7顶面，伸缩臂底座4和导向管底座6均采用3D打印制造，伸缩臂底座4穿过Hitec HS-5035HD型号舵机3顶面后与Hitec HS-5035HD型号舵机3的转轮轮齿啮合，导向管底座6穿过Hobbyking HK-5320型号舵机5侧面后与Hobbyking HK-5320型号舵机5的舵机转轮轮齿啮合，行走子系统III设置在Hobbyking HK-5320型号舵机5的顶面。

结合图4，所述斜坡行走子系统III是本发明的创新重点，包括平衡支撑架9、旋转臂12、导向管14、滚轮15、两个尾部移动滚轮8、两根柔性着陆架10、两根支撑主干11、两根弦线13、两根恢复弹簧16、两个爪足17和若干爪刺18。平衡支撑架9、柔性着陆架10，支撑主干11、旋转臂12、导向管14分别采用不同型号的碳纤维棒材和板材加工制作为杆件，柔性着陆架10顶部采用聚氨酯橡胶材料作为撞击缓冲体，两根平行设置的支撑主干11以胶合的方式分别连于Hobbyking HK-5320型号舵机5两侧顶部，达成斜坡行走子系统III和斜坡行走驱动装置II的集成。导向管14为T行杆件包括第一导向管和第二导向管，第一导向管垂直设置在第二导向管一端，且第一导向管上对称设有两个通孔，两根支撑主干11一端设有滚轮15，第二导向管的另一端伸入两根支撑主干11之间，并与导向管底座6粘结，支撑主干11另一端与平衡支撑架9垂直连接，平衡支撑架9为U形杆，两个开放端垂直向上，开放端端部设有尾部移动滚轮8。两根相互平行的柔性着陆架10斜向下设置，并固定于平衡支撑架9中心。旋转臂12通过伸缩臂底座4设置于支撑主干11上方，两根弦线13对称设置于第二导向管两侧，一端与旋转臂12端部固连，另一端分别与穿过第一导向管上的两个通孔并连接于两个爪足17上，每个爪足17顶面分别设有若干爪刺18，两根平行的恢复弹簧16均位于弦线13下方，一端固定于滚轮15上，另一端固连与两个爪足17上。所述两根恢复弹簧16在图4中所示初始位置处存在预张力，从而使两根弦线13处于时刻紧绷状态并稳定住两个爪足17。其中爪足17包括外壳和爪刺18，爪刺18能够促使机器人在非结构化表面进行物理抓附，其尖端半径为20微米，依据摩擦自锁原理与结构表面颗粒产生粘结力从而实现栖息与斜坡行走。

结合图1，描述机器人各部件的运动关系：Hitec HS-5035HD型号舵机3提供转动扭矩带动旋转臂12旋转，进而带动两根弦线13和两个爪足17在水平面上移动，Hobbyking HK-5320型号舵机5带动导向管14的旋转进而带动两根弦线13和两个爪足17在垂直面上移动，在此联动驱动力配合之下使爪足17进行迈步行进。

工作过程

本发明的机器人可实现空中巡航、碰撞着陆和斜坡行走三种状态，结合图5，机器人可以在平地上起飞，通过对四旋翼电机的控制在空中进行自由空中巡航，当空中巡航到某一非结构化倾斜或者垂直表面时，给予机器人减速控制信号，与表面进行接触碰撞、翻转之后通过爪刺18抓附完成着陆并栖息，再给予斜坡行走信号，驱动Hitec HS-5035HD型号舵机3和Hobbyking HK-5320型号舵机5带动爪足17迈步行走，同时也可以控制爪足脱离表面进行复飞。

结合图6，图6（a）中机器人与表面接触碰撞、翻转，以四旋翼的残余推力完成附着；图6（b）中Hobbyking HK-5320型号舵机5通过弦线13作用于上方的爪足17使之压向墙面，但是还没有与墙面的粗糙颗粒进行啮合，整个机器人的重量置于下方的爪足17；图6（c）中Hobbyking HK-5320型号舵机5转动，下方的爪足17已经脱离墙面，上方的爪足17承载了所有重量；图6（d）中，Hitec HS-5035HD型号舵机3转动，使下方爪足17迈步向上，图6（c）中下方的爪足17已经迈了一步，此时在上方。反复操作bcd即可完成行走。

结合图7，在斜坡行走过程中，三轴加速度传感器通过实时监测，判断当竖直方向加速度突变时，表明机器人从表面上脱落，给予反馈信号，微处理器自动给予电机控制信号使电机产生向表面内方向的推力，从而使机器人进行二次抓附。

Claims (6)

1.一种昆虫式陆空两栖机器人，其特征在于：包括空中巡航子系统（I）、斜坡行走驱动装置（II）和斜坡行走子系统（III），斜坡行走驱动装置（II）通过胶合搭载于空中巡航子系统（I）顶面，斜坡行走驱动装置（II）的信号线通过焊接连于空中巡航子系统（I）外接针脚，斜坡行走子系统（III）设置在斜坡行走驱动装置（II）顶面。

2.根据权利要求1所述的昆虫式空中巡航斜坡行走机器人，其特征在于：所述空中巡航子系统（I）包括无人机（1）和斜坡行走驱动装置底座（2），斜坡行走驱动装置底座（2）固定在无人机（1）上。

3.根据权利要求2所述的昆虫式空中巡航斜坡行走机器人，其特征在于：无人机（1）采用Bitcraze公司的crazyflie2.0型号无人机，所述无人机（1）中自带集成电路，斜坡行走驱动装置底座（2）胶合在集成电路顶面，用于连接斜坡行走驱动装置（II）。

4.根据权利要求1所述的昆虫式空中巡航斜坡行走机器人，其特征在于：所述斜坡行走驱动装置（II）包括舵机（3）、伸缩臂底座（4）、舵机（5）、导向管底座（6）和舵机底座（7）；舵机（3）和舵机底座（7）均采用强力胶合在斜坡行走驱动装置底座（2）顶面，舵机（5）固定在舵机底座（7）顶面，伸缩臂底座（4）和导向管底座（6）均采用3D打印制造，伸缩臂底座（4）穿过舵机（3）顶面后与舵机（3）的转轮轮齿啮合，导向管底座（6）穿过舵机（5）侧面后与舵机（5）的舵机转轮轮齿啮合，行走子系统（III）设置在舵机（5）的顶面。

5.根据权利要求4所述的昆虫式空中巡航斜坡行走机器人，其特征在于：舵机（3）采用Hitec HS-5035HD型号舵机，舵机（5）采用Hobbyking HK-5320型号舵机。

6.根据权利要求1所述的昆虫式空中巡航斜坡行走机器人，其特征在于：所述行走子系统（III）包括平衡支撑架（9）、旋转臂（12）、导向管（14）、滚轮（15）、两个尾部移动滚轮（8）、两根柔性着陆架（10）、两根支撑主干（11）、两根弦线（13）、两根恢复弹簧（16）、两个爪足（17）和若干爪刺（18）；平衡支撑架（9）、柔性着陆架（10），柔性着陆架（10）顶部采用聚氨酯橡胶材料作为撞击缓冲体，两根平行设置的支撑主干（11）以胶合的方式分别连于舵机（5）两侧顶部，达成行走子系统（III）和斜坡行走驱动装置（II）的集成；

导向管（14）为T行杆件包括第一导向管和第二导向管，第一导向管垂直设置在第二导向管一端，且第一导向管上对称设有两个通孔，两根支撑主干（11）一端设有滚轮（15），第二导向管的另一端伸入两根支撑主干（11）之间，并与导向管底座（6）粘结，支撑主干（11）另一端与平衡支撑架（9）垂直连接，平衡支撑架（9）为U形杆，两个开放端垂直向上，开放端端部设有尾部移动滚轮（8）；两根相互平行的柔性着陆架（10）斜向下设置，并固定于平衡支撑架（9）中心；旋转臂（12）通过伸缩臂底座（4）设置于支撑主干（11）上方，两根弦线（13）对称设置于第二导向管两侧，一端与旋转臂（12）端部固连，另一端分别与穿过第一导向管上的两个通孔并连接于两个爪足（17）上，每个爪足（17）顶面分别设有若干爪刺（18），两根平行的恢复弹簧（16）均位于弦线（13）下方，一端固定于滚轮（15）上，另一端固连与两个爪足（17）上。