CN113238569A - 一种新型飞行栖附机器人及其自主栖附系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型飞行栖附机器人及其自主栖附系统，包括无人机上板、安装于所述无人机上板上的底座、安装于所述底座上的舵机Ⅰ和舵机Ⅱ以及分别通过所述舵机Ⅰ和舵机Ⅱ驱动转动的手臂Ⅰ和手臂Ⅱ；所述手臂Ⅰ的外端铰接有手臂Ⅲ；所述手臂Ⅰ内端处安装有舵机Ⅲ，所述舵机Ⅲ通过四连杆机构驱动手臂Ⅲ转动；所述手臂Ⅱ和手臂Ⅲ的表面设有相互配合实现自锁的棘齿；本发明的飞行栖附机器人及其自主栖附系统能够从树枝、线缆等物体侧面进行侧向自主栖附，并且能够实现栖附自锁，以克服现有监视、侦察飞行机器人续航时间段、隐蔽性差等问题，以及难以实现自主栖附的难题。
Description
技术领域
本发明涉及飞行机器人自主监视、侦察领域，具体而言，涉及一种新型飞行栖附机器人的结构及其自主栖附系统。
背景技术
无人机已经越来越多地应用于监视和侦察领域，例如交通监视、探索、救援和军事侦察。对于这种无人机，续航时间是最关键的问题，由于小型无人机尺寸和负载限制，它们的续航时间一般来说都很短。而且飞行时的噪声也会影响侦察效果。飞行栖附概念的提出得以部分解决此问题，模仿鸟类在自然界的栖附，以减少能量消耗，提高续航时间。
自飞行栖附这一概念提出以来，世界范围内的学者开展了许多研究。目前，栖附方式可分为两种：机械式和非机械式。非机械式指的是栖附力主要是由非机械的方法产生，如空气压强差，干胶，磁吸附，静电吸附等。这种非机械式的栖附方式对被栖附物体表面有较高的需求，通常只能在特定环境下进行，而且其负载能力也有比较大的限制，并不适用于在室外场景中进行飞行栖附。机械式的栖附方式在野外栖附环境中适应性更强，且负载能力更大。而且国内外关于实现自主飞行栖附，即让飞行栖附机器人具有自主性，能选择合适的栖附目标，实现无人工干预的自主栖附过程的研究也相对较少。
因此，为提高小型无人机在执行监视、侦察任务时的续航时间和隐蔽性。研发一种能够在室外多种场景中进行栖附，并且减少人工干预，实现自主栖附的飞行栖附机器人及其自主栖附系统具有重要意义。
发明内容
因此，本发明的目的是发明一种能够从树枝、线缆等物体侧面进行侧向自主栖附，并且能够实现栖附自锁的新型飞行栖附机器人及其自主栖附系统，以克服现有监视、侦察飞行机器人续航时间段、隐蔽性差等问题，以及难以实现自主栖附的难题。
本发明的新型飞行栖附机器人，包括无人机上板、安装于所述无人机上板上的底座、安装于所述底座上的舵机Ⅰ和舵机Ⅱ以及分别通过所述舵机Ⅰ和舵机Ⅱ驱动转动的手臂Ⅰ和手臂Ⅱ；所述手臂Ⅰ的外端铰接有手臂Ⅲ；所述手臂Ⅰ内端处安装有舵机Ⅲ，所述舵机Ⅲ通过四连杆机构驱动手臂Ⅲ转动；所述手臂Ⅱ和手臂Ⅲ的表面设有相互配合实现自锁的棘齿。
进一步，所述手臂Ⅰ和手臂Ⅲ的内表面设有多孔硅胶垫。
进一步，所述手臂Ⅲ的外端设有尖锐棘刺。
进一步，所述无人机上板和底座之间通过子母铆钉连接；所述子母铆钉套设有缓冲自锁弹簧。
进一步，本发明的新型飞行栖附机器人还包括线绳式被动自锁机构；所述线绳式被动自锁机构包括设置于手臂Ⅲ外端的线绳起始孔、设置于手臂Ⅰ和手臂Ⅲ内表面的线绳引导槽和线绳；所述线绳的起始端连接于所述线绳起始孔，线绳依次通过手臂Ⅲ和手臂Ⅰ的线绳引导槽，穿过装置底座的中间孔后连接于无人机机体。
进一步，所述手臂Ⅰ和手臂Ⅲ的内侧贴有贴片式压力传感器。
本发明还公开了一种采用所述飞行栖附机器人的自主栖附系统，包括用于获取三维环境信息的双目立体摄像头、用于进行视觉处理算法与上层规划控制算法的机载计算机、用于地面端监控、控制的远程终端、用于监控周围环境的摄像头模块、用于传输图像数据信息的图传、数传模块、用于感知栖附装置和被栖附对象表面压力的压力传感器模块、用于控制飞行器运动的飞行控制器模块、用于控制栖附装置动作的栖附装置控制器模块和用于紧急情况处理的遥控器模块。
本发明的有益效果为：
1：本发明通过舵机Ⅰ和舵机Ⅲ使该手臂Ⅰ和手臂Ⅲ转动并缠绕被栖附物体；然后舵机Ⅱ驱动手臂Ⅱ通过其内表面的棘齿和手臂Ⅲ外表面上的棘齿配合，实现更有效的包覆和自锁。
2：本发明的手臂Ⅰ和手臂Ⅲ内侧设有起缓冲作用的多孔硅胶垫，同时该多孔硅胶垫可以增大栖附表面的粗糙度以增大摩擦力。
3：本发明的手臂Ⅲ末端设有尖锐棘刺，通过增大径向正压力以增大摩擦力。
4：本发明的舵机Ⅲ通过一个四连杆机构驱动手臂Ⅲ转动，便于将舵机Ⅲ布置在较低的位置，以减少对飞行器重心偏移的影响。
5：该发明使用套在子母铆钉上的弹簧实现栖附时的缓冲效果。
6：本发明还设置了线绳式的被动自锁机构，当该飞行栖附机器人成功抓住物体后，无人机旋翼停转，弹簧因为无人机的重力被压缩，栖附装置和无人机机体之间的距离变大，线绳被拉紧，使得手臂Ⅰ和手臂Ⅲ的内侧被拉紧，实现自锁。
7：本发明的手臂Ⅰ和手臂Ⅲ的内表面贴有贴片式压力传感器，可以获得执行栖附动作时“手臂”与被栖附物体两者产生的压力，当压力达到阈值时说明栖附装置已经实现可靠的栖附，使舵机停止旋转。
8：本发明的自主栖附系统，根据双目摄像头获取的信息建立栖附环境地图的三维建图算法模块；根据远程终端人在环选取的栖附目标点信息进行栖附目标的提取、定位、跟踪算法模块；根据栖附目标点集相对于摄像头的位置信息进行的栖附目标三维姿态重建的算法模块；栖附装置开闭与飞行器姿态调整算法模块；机载计算机与飞行控制器、栖附装置、远程终端进行通信的通信模块。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明：
图1为本发明的栖附装置的整体结构示意图；
图2为本发明的手臂Ⅲ的结构示意图；
图3为本发明的手臂Ⅰ的结构示意图；
图4为本发明的手臂Ⅱ的结构示意图；
图5为本发明的飞行栖附机器人整体闭合状态示意图；
图6为本发明的飞行栖附机器人整体张开状态示意图；
图7为本发明的自主栖附系统的结构示意图；
图8为本发明的飞行栖附机器人自主栖附过程流程图；
具体实施方式
实施例一
如图1所示，本实施例的新型飞行栖附机器人，包括无人机上板1、安装于所述无人机上板1上的底座2、安装于所述底座2上的舵机Ⅰ3和舵机Ⅱ16以及分别通过所述舵机Ⅰ3和舵机Ⅱ16驱动转动的手臂Ⅰ11和手臂Ⅱ13；如图所示，手臂Ⅰ11和手臂Ⅱ13分别通过舵机连接件Ⅰ7和舵机连接件Ⅱ15连接于舵机Ⅰ3和舵机Ⅱ16的转轴；所述手臂Ⅰ11的外端铰接有手臂Ⅲ12；舵机连接件Ⅰ7上安装有舵机Ⅲ，所述舵机Ⅲ通过四连杆机构驱动手臂Ⅲ12转动，所述舵机Ⅲ的转轴固定连接有舵机连接件Ⅲ9；手臂Ⅲ12内端与舵机连接件Ⅲ9之间铰接有连杆10；所述舵机连接件Ⅲ9、连杆10、手臂Ⅲ12和手臂Ⅰ11共同构成四连杆机构；所述手臂Ⅱ13的内表面和手臂Ⅲ12的外表面设有相互配合实现自锁的棘齿(17、23)。通过舵机Ⅰ3和舵机Ⅲ8使手臂Ⅰ11和手臂Ⅲ12转动并缠绕被栖附物体；然后舵机Ⅱ16驱动手臂Ⅱ13通过其内表面的棘齿23和手臂Ⅲ12外表面上的棘齿17配合，实现更有效的包覆和自锁。
本实施例中，所述手臂Ⅰ11和手臂Ⅲ12的内表面设有多孔硅胶垫14；多孔硅胶垫14可以起到缓冲作用，同时该多孔硅胶垫14可以增大栖附表面的粗糙度以增大摩擦力。
本实施例中，所述手臂Ⅲ12的外端设有尖锐棘刺20，尖锐棘刺20在栖附时可部分嵌入被栖附物体表面，从而增大手臂Ⅲ12的径向正压力以增大摩擦力。
本实施例中，所述无人机上板1和底座2之间通过子母铆钉5连接；每个所述子母铆钉5套设有两个缓冲自锁弹簧4，两缓冲自锁弹簧4分设在底座2上下两侧，通过自锁弹簧4实现栖附时的缓冲效果。
本实施例的新型飞行栖附机器人还包括线绳6式被动自锁机构；所述线绳6式被动自锁机构包括设置于手臂Ⅲ12外端的线绳起始孔19、设置于手臂Ⅰ11和手臂Ⅲ12内表面的线绳引导槽21和线绳6(如图2-4所示)；所述线绳6的起始端连接于所述线绳起始孔19，线绳6依次通过手臂Ⅲ12和手臂Ⅰ11的线绳引导槽21，穿过装置底座2的中间孔后连接于无人机机体，当该飞行栖附机器人成功抓住物体后，无人机旋翼停转，弹簧4因为无人机的重力被压缩，栖附装置和无人机机体之间的距离变大，线绳6被拉紧，使得手臂Ⅰ11和手臂Ⅲ12的内侧被拉紧，实现自锁。
本实施例中，所述手臂Ⅰ11和手臂Ⅲ12的内侧贴有贴片式压力传感器。通过贴片式压力传感器，可以获得执行栖附动作时“手臂”与被栖附物体两者产生的压力，当压力达到阈值时说明栖附装置已经实现可靠的栖附，使舵机停止旋转。
实施例二
本实施例还公开了一种采用所述飞行栖附机器人的自主栖附系统，包括用于获取三维环境信息的双目立体摄像头、用于进行视觉处理算法与上层规划控制算法的机载计算机、用于地面端监控、控制的远程终端、用于监控周围环境的摄像头模块、用于传输图像数据信息的图传、数传模块、用于感知栖附装置和被栖附对象表面压力的压力传感器模块、用于控制飞行器运动的飞行控制器模块、用于控制栖附装置动作的栖附装置控制器模块和用于紧急情况处理的遥控器模块。机载计算机内部包括根据双目摄像头获取的信息建立栖附环境地图的三维建图算法模块、根据远程终端人在环选取的栖附目标点信息进行栖附目标的提取、定位、跟踪算法模块；根据栖附目标点集相对于摄像头的位置信息进行的栖附目标三维姿态重建的算法模块、栖附装置开闭与飞行器姿态调整算法模块；所述机载计算机与飞行控制器、栖附装置、远程终端进行通信的通信模块。如图8为飞行栖附机器人自主栖附过程；
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种新型飞行栖附机器人，其特征在于：包括无人机上板、安装于所述无人机上板上的底座、安装于所述底座上的舵机Ⅰ和舵机Ⅱ以及分别通过所述舵机Ⅰ和舵机Ⅱ驱动转动的手臂Ⅰ和手臂Ⅱ；所述手臂Ⅰ的外端铰接有手臂Ⅲ；所述手臂Ⅰ内端处安装有舵机Ⅲ，所述舵机Ⅲ通过四连杆机构驱动手臂Ⅲ转动；所述手臂Ⅱ和手臂Ⅲ的表面设有相互配合实现自锁的棘齿。
2.根据权利要求1所述的新型飞行栖附机器人，其特征在于：所述手臂Ⅰ和手臂Ⅲ的内表面设有多孔硅胶垫。
3.根据权利要求1所述的新型飞行栖附机器人，其特征在于：所述手臂Ⅲ的外端设有尖锐棘刺。
4.根据权利要求1所述的新型飞行栖附机器人，其特征在于：所述无人机上板和底座之间通过子母铆钉连接；所述子母铆钉套设有缓冲自锁弹簧。
5.根据权利要求1所述的新型飞行栖附机器人，其特征在于：还包括线绳式被动自锁机构；所述线绳式被动自锁机构包括设置于手臂Ⅲ外端的线绳起始孔、设置于手臂Ⅰ和手臂Ⅲ内表面的线绳引导槽和线绳；所述线绳的起始端连接于所述线绳起始孔，线绳依次通过手臂Ⅲ和手臂Ⅰ的线绳引导槽，穿过装置底座的中间孔后连接于无人机机体。
6.根据权利要求1所述的新型飞行栖附机器人，其特征在于：所述手臂Ⅰ和手臂Ⅲ的内侧贴有贴片式压力传感器。
7.一种采用权利要求1-6任一项所述飞行栖附机器人的自主栖附系统，其特征在于：包括用于获取三维环境信息的双目立体摄像头、用于进行视觉处理算法与上层规划控制算法的机载计算机、用于地面端监控、控制的远程终端、用于监控周围环境的摄像头模块、用于传输图像数据信息的图传、数传模块、用于感知栖附装置和被栖附对象表面压力的压力传感器模块、用于控制飞行器运动的飞行控制器模块、用于控制栖附装置动作的栖附装置控制器模块和用于紧急情况处理的遥控器模块。
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| CN202110556973.3A CN113238569A (zh) | 2021-05-21 | 2021-05-21 | 一种新型飞行栖附机器人及其自主栖附系统 |
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| CN202110556973.3A CN113238569A (zh) | 2021-05-21 | 2021-05-21 | 一种新型飞行栖附机器人及其自主栖附系统 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113716040A (zh) * | 2021-09-09 | 2021-11-30 | 泉州中国兵器装备集团特种机器人研发中心 | 一种无人机栖停装置及栖停方法 |
| CN115520389A (zh) * | 2022-11-04 | 2022-12-27 | 之江实验室 | 一种具有柔性抓手和栖息装置的带臂无人机 |
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