CN113147294B - 一种陆空两栖自主侦查机器人及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种陆空两栖自主侦查机器人及工作方法，包括：折叠式机器人本体、四足结构、四旋翼结构、核心处理模块，视觉采集模块。上述机器人主体上设置有四旋翼结构、四足结构、核心处理模块和视觉采集模块，通过上述视觉采集模块获取场景中的图像及视频信息，并经核心处理模块实现自主作业。上述陆空两栖自主侦查机器人兼备四足式结构特有的地面行走和旋翼式飞行器的空中飞行功能，通过核心处理模块与地面系统进行信息交互，可实现空中与陆地的情报信息获取。本发明的技术方案结构简单、安装方便、体积小、飞行效率高，有利于实现两栖机器人的微型化设计并适用于城市楼群、野外等复杂环境中自主作业。
Description
技术领域
本发明涉及两栖机器人技术领域，特别是涉及一种陆空两栖自主侦查机器人及工作方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步，利用智能科技获取情报信息的方式逐渐成熟，无人机因其机动灵活的起降方式、低空循迹的自主飞行、快速响应的多数据获取能力等优势，不仅在军用和民用等领域都得到了广泛应用。另外，随着机器人技术的不断发展，轮式，履带式、足式机器人的研究也发展迅速。尤其是针对四足机器人的研究成为近年机器人领域的研究热点，四足机器人主要是人们仿造自然界中的四足哺乳动物的身体结构如猎豹、狗和马等进行设计的，其具有丰富的运动步态如行走、奔跑、跳跃等多种形式，非常适合在复杂、非结构化的环境下工作。然而，无论是结构单一的无人机还是四足机器人，都具有自身的优势和局限性，多旋翼无人机最大的特点是能够方便的垂直起飞和降落，但能量消耗巨大，难以长时间维持作业。四足机器人由于具有丰富的运动步态使其能够适用于复杂的作业环境如石子、泥泞、草丛等场地，但由于环境过于复杂，给自主导航带来极大挑战。陆空两栖机器人能够很好的解决单一无人机和四足机器人存在的以上局限问题，如：当机器人进行侦查作业时，在不需要无人机一直处于飞行状态时，机器人可降落至陆地进行四足运动以达到降低能耗的要求；若机器人在陆地作业时，遇到沟壑、岩石等复杂场景，可通过飞行越过障碍。另外，机器人在陆地运动发生导航偏差情况时，也可通过飞行上升至空中，以实现及时调整航向的功能。因此，陆空两栖机器人能够更加广泛的应用于野外搜救、险情预警、地质勘察等复杂环境。
现有技术有如下的缺点：
缺点一：现有陆空两栖机器人结构方面大多采用轮式、履带式设计，虽然较好地拓展了机器人的多域作业能力，且轮式与履带式机械应用广泛，门槛较低，在低洼、泥泞的地面下行走能力不足，导致轮式、履带式机器人发生打滑、侧翻等问题。
缺点二：现有陆空两栖机器人负载大、导致能耗大、以致续航能力严重不足。现有轮式、履带式的机器人设计采用液压或电机驱动，其动力装置庞大，导致整机自身质量大，在续航能力、可拓展性和微型化设计方面均存在严重不足。
缺点三：现有的陆空两栖机器人大多基于遥控器控制动作，自主作业性能不足。现有的研发设备大多采用传统的控制方式，人工干预大，自主性严重不足。
因此，有必要设计一种陆空两栖自主侦查机器人解决上述问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明一种陆空两栖自主侦查机器人及工作方法，通过视觉采集模块获取场景中的图像及视频信息，并经核心处理模块实现两栖机器人进行空中和陆地上的自主侦查作业。
本发明提供一种陆空两栖自主侦查机器人，包括机器人本体，机器人本体上设置有可折叠式的4个机臂和4条具有八自由度的腿结构，4个机臂结构相同且对称安装与机器人本体上，4个机臂包括第一机臂、第二机臂、第三机臂和第四机臂，各机臂上设置有4个无刷电机、4个电调、4个旋翼、机臂主干A、机臂主干B、机臂主干C和机臂主干D，4条腿结构包括左前腿、右前腿、左后腿、右后腿和舵机，所述舵机通过对应舵机驱动器且安置于机器人本体下方；
所述左前腿包括大腿舵机、小腿舵机、大腿骨架、小腿骨架、髋关节结构及微型起落结构、髋关节轴承、连杆结构及舵机摆臂和足部缓冲垫，所述大腿舵机连接于大腿骨架，设置于大腿舵机固定结构，小腿舵机连接连杆结构与舵机摆臂，设置于大腿骨架，大腿骨架连接于大腿舵机和小腿骨架，设置于髋关节结构，并安装有小腿舵机，小腿骨架连接大腿骨架及连杆结构，安装有足部缓冲垫，所述机器人本体上设置有核心处理器、电流计单元、电压报警单元、飞控、舵机驱动器、无线数传模块、无线图传模块、GPS、视觉采集模块、安全开关和蜂鸣器且通过信号传输线与作为电源的锂电池相连。
作为本发明机器人进一步改进，所述的核心处理器还配套有第一稳压单元及飞控数据传输单元，通过螺钉固定于机器人本体上；
所述飞控通过电调连接于所述第一机臂、第二机臂、第三机臂和第四机臂，通过总线连接第一无线数传模块，通过总线连接GPS，通过电流计单元与电源管理模块有电连接，通过总线连接安全开关，通过通讯线缆连接核心处理器，通过海绵胶固定于第一减震单元。
作为本发明机器人进一步改进，所述机器人本体的四足控制系统包括左前腿、右前腿、左后腿、右后腿、舵机驱动器和第二稳压单元，通过螺栓及螺母固定于所述机器人本体；
所述左前腿、右前腿、左后腿、右后腿通过舵机线缆连接舵机驱动器，与第二稳压单元有电连接，通过总线连接所述核心处理器。
作为本发明机器人进一步改进，所述机器人本体的无线数传系统包括第一无线数传模块和第二无线数传模块，第一无线数传模块通过总线连接于飞行控制系统，通过海绵胶固定于机器人本体，第二无线数传模块通过总线连接飞行控制系统，通过海绵胶固定于机器人本体。
作为本发明机器人进一步改进，所述无线图传模块通过总线连接图像采集系统，通过海绵胶固定于机器人本体，所述无线图传模块与高清运动相机配合，所述高清运动相机通过线缆连接无线图传模块，所述高清运动相机通过二轴无刷电机云台固定在机器人本体前端，所述二轴无刷电机云台通过线缆连接云台控制单元，云台控制单元通过线缆连接二轴无刷电机云台及核心处理器，通过尼龙柱及螺母固定于第二减震单元。
本发明提供一种陆空两栖自主侦查机器人工作方式，具有两种工作模式，具体模式如下：
工作模式一：手动状态时调整四个旋翼位置，使之与对应的机臂本体基本共线，其步骤是：首先，打开机器人尾部的锁死装置，将第二机臂顺时针旋转120度至安装于该机臂的无刷电机紧靠机器人本体；其次，打开机器人头部的锁死装置，将第三机臂逆时针旋转120度至其上机臂主干B紧靠第二机臂上的电调；适当调整旋翼的位置至与机器人本体水平中线，以进一步减少体积；最后，调整机器人四足，其步骤是：将大腿骨架顺时针旋转至水平，小腿骨架通过连杆结构及舵机摆臂水平收起；
工作模式二：在自主运行状态时，机器人左侧及右侧的两组机臂对称展开，其步骤如是：机器人头部的第三机臂顺时针旋转120度至极限后，然后两栖机器人尾部的第二机臂逆时针旋转约120度至极限，关闭锁死装置，接通锂电池及电流计单元，开启安全开关，最后开机自启动调试程序，大腿舵机、小腿舵机自动初始化使其保持站立姿态，通过地面站发送指令，整机便会自主进行运动决策。
本发明与相关技术相比所具有的有益效果是：
1)陆空两栖自主侦查机器人采用了新型的机体折叠式旋翼和四足结构一体化设计，拓展了机器人的作业环境。
2)陆空两栖自主侦查机器人的四个机翼和四足单独驱动：增强了机器人的前进动力和越障性能。
3)陆空两栖自主侦查机器人搭载高清运动相机和图数传模块，实时反馈目标信息，提高了情报的获取和目标跟踪效率。
附图说明
图1为本发明提供的陆空两栖机器人的右视图；
图2为本发明提供的陆空两栖机器人的左视图；
图3为本发明提供的陆空两栖机器人的俯视图；
图4为图3所示第一机臂的俯视图；
图5为图3所示右后腿的俯视图；
图中：1、蜂鸣器，2、飞控，3、第一减震单元，4、云台控制单元，5、第二减震单元，6、二轴无刷电机云台，7、第一稳压单元，8、电流计单元，9、电压报警单元，10、飞控数据传输单元，11、锂电池，12、安全开关，13、第一无线数传模块，14、舵机驱动器，15、第二稳压单元，16、左前腿，17、左后腿，18、无线图传模块，19、第二机臂，20、第三机臂，21、第二无线数传模块，22、GPS，23、高清运动相机，24、第一机臂，25、右前腿，26、核心处理器，27、第四机臂，28、右后腿，29、无刷电机，30、旋翼，31、电调，32、信号传输线，33、机臂主干A，34、机臂主干B，35、大腿骨架，36、髋关节轴承，37、小腿舵机，38、舵机摆臂，39、大腿舵机，40、髋关节结构，41、微型起落结构，42、连杆结构，43、小腿骨架，44、足部缓冲垫。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明一种陆空两栖自主侦查机器人及工作方法，通过视觉采集模块获取场景中的图像及视频信息，并经核心处理模块实现两栖机器人进行空中和陆地上的自主侦查作业。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，陆空两栖自主侦查机器人包括机器人本体，本发明的陆空两栖自主侦查机器人，包括机器人本体，机器人本体上设置有可折叠式的4个机臂和4条具有八自由度的腿部结构。4个机臂结构相同且对称安装与机器人本体上，各机臂上设置有无刷电机29、电调31、旋翼30、机臂主干A33和机臂主干B34，用于实现机器人飞行运动。4条腿结构包括左前腿16、右前腿25、左后腿17、右后腿28，安置于机器人本体下方，用于机器人的陆地行走。左前腿16包括大腿舵机39、小腿舵机37、大腿骨架35、小腿骨架43、髋关节结构40及微型起落结构41、髋关节轴承36、连杆结构42及舵机摆臂38和足部缓冲垫44。大腿舵机39连接于大腿骨架35，设置于大腿舵机固定结构，用于实现大腿的转动。小腿舵机37连接连杆结构42与舵机摆臂38，设置于大腿骨架35，用于实现小腿部分的转动。大腿骨架35连接于大腿舵机39、小腿骨架43，设置于髋关节结构40，并安装有小腿舵机37，用于固定大腿构件。小腿骨架43连接大腿骨架35及连杆结构42，安装有足部缓冲垫44，用于连接固定小腿。机器人本体上设置有核心处理器26、飞控2、舵机驱动器14、第一无线数传模块13、第二无线数传模块21、无线图传模块18、GPS22、视觉采集模块、安全开关12、蜂鸣器1、用于两栖机器人实现空中和陆地上的自主侦查功能。
上述飞控2安置与机器人本体上，连接有无线数传模块、无线图传模块18、视觉采集模块、电调31、GPS22、安全开关12、蜂鸣器1，用于机器人的空中运动控制。
上述核心处理模块固定结构连接舵机驱动器14和第二稳压单元15，用于固定腿部运动构件。
上述无刷电机29安装于机臂主干B34上，且旋翼30安装于电机轴末端，通过电调31以调节无刷电机29动作。
上述机臂主干B34连接机器人本体及机臂主干A33，机臂主干A33与机臂主干B34进行连接，用于将旋翼30固定于机器人本体。
上述无线数传模块包括第一无线数传模块13和第二无线数传模块21，第一无线数传模块13连接于飞控2，固定于机器人本体，用于手动控制模式下接收遥控器的信号并回传飞行数据。第二无线数传模块21连接飞控2，固定于上述机器人本体，用于自主控制模式下接收地面站的数据指令并返回飞行及运动数据。
上述视觉采集模块包括高清运动相机23、二轴无刷电机云台6、云台控制单元4、第二减震单元5，固定于上述机器人本体。高清运动相机23用于获取图像及视频信息。第二减震单元5用于进一步减少视频数据的抖动干扰。
上述GPS22连接于飞控2，固定于机器人本体，用于实时获取机器人地理位置信息。
上述蜂鸣器1连接于飞控2，固定于机器人本体，用于紧急情况报警。
上述安全开关12连接飞控2，用于启动时解锁飞控2及无刷电机29。
上述连杆结构42及舵机摆臂38连接小腿舵机37及小腿骨架43，用于实现小腿的伸缩动作。
上述髋关节结构40及微型起落结构41连接于机器人本体，设置有大腿结构及髋关节轴承36，用于固定大腿并保持其受力均衡。
本实施例的工作原理如下：
工作模式一：手动状态时调整四个旋翼30位置，使之与对应的机臂本体基本共线，其步骤是：首先，打开机器人尾部的锁死装置，将第二机臂19顺时针旋转120度至安装于该机臂的无刷电机29紧靠机器人本体；其次，打开机器人头部的锁死装置，将第三机臂20逆时针旋转120度至其上机臂主干B34紧靠第二机臂19上的电调31；适当调整旋翼30的位置至与机器人本体水平中线，以进一步减少体积；最后，调整机器人四足，其步骤是：将大腿骨架35顺时针旋转至水平，小腿骨架43通过连杆结构42及舵机摆臂38水平收起。
工作模式二：在自主运行状态时，机器人左侧及右侧的两组机臂对称展开，其步骤如是：机器人头部的第三机臂20顺时针旋转120度至极限后，然后两栖机器人尾部的第二机臂19逆时针旋转约120度至极限，关闭锁死装置，接通锂电池11及电流计单元8，开启安全开关12。最后开机自启动调试程序，大腿舵机39、小腿舵机37自动初始化使其保持站立姿态，通过地面站发送指令，整机便会自主进行运动决策。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例之一，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。
Claims (4)
1.一种陆空两栖自主侦查机器人，包括机器人本体，其特征在于：机器人本体上设置有可折叠式的4个机臂和4条具有八自由度的腿结构，4个机臂结构相同且对称安装与机器人本体上，4个机臂包括第一机臂（24）、第二机臂（19）、第三机臂（20）和第四机臂（27），各机臂上设置有1个无刷电机(29)、1个电调(31)、1个旋翼(30)、机臂主干A(33)、机臂主干B(34)、机臂主干C和机臂主干D，4条腿结构包括左前腿(16)、右前腿(25)、左后腿(17)、右后腿(28)通过舵机驱动，所述舵机通过对应舵机驱动器（14）且安置于机器人本体下方；
所述左前腿(16)包括大腿舵机(39)、小腿舵机(37)、大腿骨架(35)、小腿骨架(43)、髋关节结构(40)及微型起落结构(41)、髋关节轴承(36)、连杆结构(42)及舵机摆臂(38)和足部缓冲垫(44)，所述大腿舵机(39)连接于大腿骨架(35)，设置于大腿舵机固定结构，小腿舵机(37)连接连杆结构(42)与舵机摆臂(38)，设置于大腿骨架(35)，大腿骨架(35)连接于大腿舵机(39)和小腿骨架(43)，设置于髋关节结构(40)，并安装有小腿舵机(37)，小腿骨架(43)连接大腿骨架(35)及连杆结构(42)，安装有足部缓冲垫(44)，所述机器人本体上设置有核心处理器(26)、电流计单元（8）、电压报警单元（9）、飞控(2)、舵机驱动器(14)、无线数传模块、无线图传模块(18)、GPS(22)、视觉采集模块、安全开关(12)和蜂鸣器(1)且通过信号传输线（32）与作为电源的锂电池（11）相连；
所述的核心处理器(26)还配套有第一稳压单元(7)及飞控数据传输单元（10），通过螺钉固定于机器人本体上；
所述飞控(2)通过电调(31)连接于所述第一机臂(24)、第二机臂(19)、第三机臂(20)和第四机臂(27)，通过总线连接第一无线数传模块(13)，通过总线连接GPS(22)，通过电流计单元(8)与电源管理模块有电连接，通过总线连接安全开关(12)，通过通讯线缆连接核心处理器(26)，通过海绵胶固定于第一减震单元(3)；
所述机器人本体的四足控制系统包括左前腿(16)、右前腿(25)、左后腿(17)、右后腿(28)、舵机驱动器(14)和第二稳压单元(15)，通过螺栓及螺母固定于所述机器人本体；
所述左前腿(16)、右前腿(25)、左后腿(17)、右后腿(28)通过舵机线缆连接舵机驱动器(14)，与第二稳压单元(15)有电连接，通过总线连接所述核心处理器(26)。
2.根据权利要求1所述的一种陆空两栖自主侦查机器人，其特征在于：所述机器人本体的无线数传系统包括第一无线数传模块(13)和第二无线数传模块(21)，第一无线数传模块(13)通过总线连接于飞行控制系统，通过海绵胶固定于机器人本体，第二无线数传模块(21)通过总线连接飞行控制系统，通过海绵胶固定于机器人本体。
3.根据权利要求1所述的一种陆空两栖自主侦查机器人，其特征在于：所述无线图传模块(18)通过总线连接图像采集系统，通过海绵胶固定于机器人本体，所述无线图传模块(18)与高清运动相机(23)配合，所述高清运动相机(23)通过线缆连接无线图传模块(18)，所述高清运动相机(23)通过二轴无刷电机云台(6)固定在机器人本体前端，所述二轴无刷电机云台(6)通过线缆连接云台控制单元(4)，云台控制单元(4)通过线缆连接二轴无刷电机云台(6)及核心处理器(26)，通过尼龙柱及螺母固定于第二减震单元(5)。
4.一种如权利要求1-3任意一项所述陆空两栖自主侦查机器人工作方式，具有两种工作模式，具体模式如下，其特征在于：
工作模式一：手动状态时调整四个旋翼(30)位置，使之与对应的机臂本体基本共线，其步骤是：首先，打开机器人尾部的锁死装置，将第二机臂(19)顺时针旋转120度至安装于该机臂的无刷电机(29)紧靠机器人本体；其次，打开机器人头部的锁死装置，将第三机臂(20)逆时针旋转120度至其上机臂主干B(34)紧靠第二机臂(19)上的电调(31)；适当调整旋翼(30)的位置至与机器人本体水平中线，以进一步减少体积；最后，调整机器人四足，其步骤是：将大腿骨架(35)顺时针旋转至水平，小腿骨架(43)通过连杆结构(42)及舵机摆臂(38)水平收起；
工作模式二：在自主运行状态时，机器人左侧及右侧的两组机臂对称展开，其步骤如是：机器人头部的第三机臂(20)顺时针旋转120度至极限后，然后两栖机器人尾部的第二机臂(19)逆时针旋转120度至极限，关闭锁死装置，接通锂电池(11)及电流计单元(8)，开启安全开关(12)，最后开机自启动调试程序，大腿舵机(39)、小腿舵机(37)自动初始化使其保持站立姿态，通过地面站发送指令，整机便会自主进行运动决策。
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