CN114013230B - 一种具备墙面栖停与爬行能力的四旋翼机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种具备墙面栖停与爬行能力的四旋翼飞行器，包含四旋翼飞行器与墙面爬行机构。墙壁爬行装置包括舵机、舵机摇臂和爬行部件，爬行部件由拉力弹簧、前侧组件和后侧组件组成。无人机包含飞行模式与栖停/爬行模式，当转入栖停/爬行模式时，四旋翼飞行器驶向墙面并将机身向上仰起，将墙面爬行机构朝向垂面。当四旋翼飞行器与墙面接触后，在冲击力作用下，墙面爬行机构钩爪与墙面产生相互作用力，将四旋翼飞行器固定住墙面上。稳定停靠后，通过旋转舵机，驱动墙面爬行机构带动四旋翼飞行器沿墙面爬行机动。在墙面栖停与爬行过程中，墙面爬行机构产生作用力以平衡重力，飞行器可以关闭电机，从而达到降低功耗、延长有效任务时间的目的。

Description

一种具备墙面栖停与爬行能力的四旋翼机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种具备墙面栖停与爬行能力的四旋翼机器人。
背景技术
微小型四旋翼无人机是当下的研究热点，民用领域中，微小型四旋翼无人机可以承担区域监控、数据采集、航空拍摄等任务。科研领域中，微小型四旋翼无人机的研 发涉及总体设计、飞行控制、MEMS技术、导航技术等多个领域，是多科学融合研究的一个理想平台。
微小型四旋翼无人机虽然具有轻小便携、灵活机动等众多优势，但是，由于体积与尺寸成三次方关系，因此，在无人机小型化发展过程中，无人机尺度的减缩必然导 致储能空间的急剧减缩，由此引发了微小型四旋翼无人机的续航不足问题。以 Dragonflyer X4为例，该型号无人机起飞重量为680g，尺寸为64.5cm，飞行时间为30 分钟。续航不足使得微小型无人机的机动优势一定程度上被抵消，也因此引发微小型无人机使用效能恶化的问题。如何解决微小型四旋翼无人机的续航问题，成为了当下 学术界的热点话题。
源于鸟类栖停行为的垂面栖停机动是当前解决微小型四旋翼无人机续航缺陷的一 个有效手段。该方法是模仿鸟类栖落在树枝或者地面的一种仿生策略，通过在无人机上加装模仿动物肢体的栖附装置，赋予无人机在建筑物壁面栖附的能力。无人机栖附 时无需驱动螺旋桨而是借助外部作用力克服重力，达到降低能耗、延长有效任务时间的目的。栖停机动赋予无人机模态转换能力，使得无人机可以降落在建筑物壁面，能 够有效延长任务时间。
现有的机器人栖附方式主要采用以下几种原理：
(1)多足仿生吸附结构。
(2)抽真空吸附式结构。
(3)车式磁铁吸附式结构。
(4)多螺旋桨斜推式结构。
CN204527386U公开了一种履带式多吸盘爬墙机器人，能够在墙面进行爬行与转向，解决了传统爬墙机器人转弯困难的问题，提高了爬墙机器人的灵活性。 CN207120808U公开一种吸盘类的爬墙机器人，对地形的适应性好，吸盘利用率高，并可以利用简单元器件检测落点的可吸附性，简单实用，结构紧凑，可靠性高。 CN209650403U公开了一种用于爬墙机器人的多自由度球形螺旋桨机构，提高了爬墙 机器人的续航时间以及其灵活性、鲁棒性和实用性。
但调研表明，现有技术存在仿生式爬墙机器人运动缓慢，多螺旋桨式爬墙机器人功率过大、续航时间过短，真空吸附式爬墙机器人对墙壁表面粗糙度和平整度要求过 高的问题。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种具备墙面栖停与爬行能力的四旋翼机器人，可以在较为粗糙的建筑物外表面栖停并进行爬行。
无人机包含飞行模式与栖停/爬行模式，四旋翼飞行器借助螺旋桨推力可以进行空 中飞行，当转入栖停/爬行模式时，四旋翼机器人驶向墙面并将机身向上仰起，将墙面爬行机构朝向垂面。当四旋翼机器人与墙面接触后，在冲击力作用下，墙面爬行机构钩爪与墙面产生相互作用力，该作用力能够将四旋翼机器人固定住墙面上。当四旋翼 机器人在墙面上稳定停靠后，通过旋转舵机，可以驱动墙面爬行机构带动四旋翼飞行 器沿墙面进行爬行机动。无人机在墙面栖停与爬行过程中，墙面爬行机构产生作用力 以平衡重力，飞行器可以关闭电机，从而达到降低功耗、延长有效任务时间的目的。
本发明的技术方案为：
所述一种具备墙面栖停与爬行能力的四旋翼机器人，包括四旋翼飞行器与墙面爬行装置；
所述墙面爬行装置固定在四旋翼飞行器腹部；
所述墙壁爬行装置包括舵机、舵机摇臂和爬行部件；在舵机摇臂左右两侧各有一套爬行部件；
所述舵机安装在四旋翼飞行器内部，舵机输出轴从四旋翼飞行器腹部伸出，连接处于四旋翼飞行器下部的舵机摇臂中部位置，能够带动舵机摇臂转动，使舵机摇臂两 端前后摆动；
所述爬行部件由拉力弹簧、前侧组件和后侧组件组成；
所述前侧组件包括前侧旋转轴、前侧支撑臂、前侧固定钩爪、滑动钩爪组件和前向驱动摇臂；所述滑动钩爪组件包括曲柄机构、滑块轨道和滑动爬行钩爪；所述后侧 组件包括后侧旋转轴、后侧支撑臂、爬行牵引弹簧、后侧对爪组件和后侧对爪旋转摇 臂；所述后侧对爪组件包括后侧爬行辅助钩爪和后侧固定钩爪；
在前侧支撑臂上端开有旋转孔位，与安装在四旋翼飞行器上的前侧旋转轴连接，能够绕前侧旋转轴旋转；前侧支撑臂下端开有避让槽，供曲柄机构的长连杆穿过，且 前侧支撑臂下端转动连接前侧固定钩爪以及滑动钩爪组件；
所述曲柄机构包括长连杆和短连杆，长连杆和短连杆一端铰接，并且同步与前向驱动摇臂一端铰接，长连杆穿过前侧支撑臂下端的避让槽后与滑动爬行钩爪铰接，所 述滑动爬行钩爪穿过滑块轨道，能够在滑块轨道上滑动；所述滑块轨道端部与短连杆 铰接，且所述滑块轨道还与前侧支撑臂下端转动连接；所述前向驱动摇臂另一端与舵机摇臂端部铰接；前侧固定钩爪以及滑动爬行钩爪的方向相同，均朝向后方；
在后侧支撑臂上端开有旋转孔位，与安装在无人机机架上的后侧旋转轴连接，能够绕后侧旋转轴旋转；后侧支撑臂下端也开有旋转孔位，通过旋转轴与后侧对爪组件 中部转动连接，后侧对爪组件具有绕该轴旋转的自由度；后侧爬行辅助钩爪和后侧固 定钩爪的方向相反，且后侧爬行辅助钩爪方向朝向后方，后侧固定钩爪方向朝向前方；后侧固定钩爪上部具有后侧对爪旋转摇臂；后侧对爪旋转摇臂分为与后侧固定钩爪固 定的支臂和与所述支臂一端转动配合的摆臂；所述摆臂另一端与舵机摇臂端部通过爬 行牵引弹簧连接；
前侧支撑臂与后侧支撑臂之间通过拉力弹簧连接。
进一步的，所述墙壁爬行装置除舵机和拉力弹簧以及爬行牵引弹簧外，均采用3D打印技术加工制造，材料为ABS塑料。
进一步的，所述墙壁爬行机构的所有钩爪末端的构造均为细小的针刺结构，所述针刺结构头部半径尺度为微米量级，能够与建筑物墙壁上的微小凸起颗粒产生相互作 用。
进一步的，所述四旋翼飞行器包括机身、传感器、图像处理板、接收机、控制器、 电子调速器、动力电池；
所述机身包括机架、旋翼固定臂、旋翼固定臂端部电机座、无刷电机、螺旋桨；
机架作为四旋翼飞行器的主承力结构，四个旋翼固定臂与机架固定连接，呈X布局向外延伸；所述旋翼固定臂的端部对应固定安装无刷电机，所述无刷电机输入端包 含正极线、负极线与信号线，正极线、负极线与动力电池相连，负责电机驱动能量输 入，信号线与电子调速器相连，用于控制电机转速；所述无刷电机动力输出端连接有 螺旋桨。
进一步的，所述接收机、控制器、传感器、电子调速器构成无人机运动控制链路，所述接收机接受来自遥控器的操纵指令，所述传感器为无人机提供位置信息、姿态信 息与距离信息，操纵指令与位置信息、姿态信息以及距离信息共同输入到所述控制器 中，经所述控制器处理，解算电机转速控制指令，再经由电子调速器对电机转速进行调节。
进一步的，所述传感器包括可见光摄像头、激光测距雷达、光流传感器。
进一步的，所述控制器包括飞行控制板、惯性导航单元；所述飞行控制板能够接收来自接收机、传感器以及惯性导航单元的信息，通过执行内嵌控制算法，最终解算 电机转速控制指令，该指令通过接插件发送至电子调速器，电子调速器通过信号线输 出速度调节信号，改变电机转速。
进一步的，所述机架、旋翼固定臂与电机座均为碳纤维材质，板材厚度为2mm， 满足结构承载需求与轻量化设计要求；所述无刷电机为EX1102电机，选型满足推重 比与尺寸约束，所述螺旋桨为3018螺旋桨，选型满足气动性能需求与尺寸约束。
进一步的，所述可见光摄像头型号为OV5640，所述激光测距雷达型号为VL53L1X，所述光流传感器型号为GL9306，所述图像处理板型号为Hi3516DV300； 所述接收机型号为XR502微型接收机，所述飞行控制板型号为Kakute F7 mini V2飞 控，电子调速器型号为ATK-BL32四合一电调；所述动力电池型号为格氏电池500mAh 电池。
有益效果
本发明提出的具备墙面栖停与爬行能力的四旋翼机器人，通过前侧固定钩爪、后侧固定钩爪以及拉力弹簧，具备了着陆缓冲与固定栖附的能力。一方面，冲击能量被 弹簧锁吸收，降低了机构回弹的反向载荷，另一方面，弹簧张开后，弹簧拉力使得前 侧固定钩爪、后侧固定钩爪与抓附表面产生挤压并产生相互作用力，该作用力对于飞行器而言，起到平衡重力与力矩的重要，实现最终栖附。
本发明提出的具备墙面栖停与爬行能力的四旋翼机器人，通过滑动钩爪组件、后侧爬行辅助钩爪以及舵机，实现无人机墙面爬行过程。当一侧的滑动钩爪前伸与爬行 辅助钩爪松弛时，另一侧钩爪将与表面紧密接触，舵机交替转动，两侧交替松弛与抓 附，实现在承受重力的同时还能够爬行移动。
本发明提出的四旋翼机器人，具备空中飞行与墙面爬行能力，与常规的系统集成所不同，本发明的爬行装置在考虑模态转换过程后进行了适应性改进，使得爬行机构 不仅具有常规爬行机器人的负重爬行能力，还可以在无人机由空中转入墙面栖附的过 渡过程中，吸收冲击能量并产生抓附作用力，防止无人机撞击壁面而引起反弹。
本发明能够使飞行状态的无人机在室外、野外等粗糙墙面进行栖附与爬行，在栖附过程中，墙面爬行机构能够产生平衡重力的作用力，因此，在栖附与爬行时，无人 机可以关闭四旋翼电机，能够极大地降低能量消耗与工作噪声，延长有效任务时间， 提高无人机的隐蔽性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1四旋翼机器人侧视图；
图2四旋翼机器人前视图；
图3四旋翼飞行器示意图；
图4墙面爬行机构示意图；
图5四旋翼机器人钩爪与墙壁相互作用示意图；
图6墙面爬行机构参数标注与受力分析示意图；
图7四旋翼机器人模态转换过程示意图；
图8四旋翼机器人墙面爬行机构运动示意图；
图中：
1-四旋翼飞行器；2-墙面爬行装置；3-四旋翼飞行器机架；
4A-旋翼固定臂，4B-旋翼固定臂端部电机座，4C-无刷电机；
5A-可见光摄像头，5B-激光测距雷达，5C光流传感器；6-接收机；
7A-图像处理板，7B-飞行控制板，7C-电子调速器；8-动力电池，9-舵机；
10-前侧旋转轴；11前侧支撑臂；12-前侧固定钩爪；13-滑动钩爪组件；
13A-曲柄滑块机构；13B-滑块轨道；13C-滑动爬行钩爪；
14-后侧旋转轴；15-后侧支撑臂；16-后侧对爪组件；
16A-后侧爬行辅助钩爪；16B后侧固定钩爪；17-后侧对爪旋转摇臂；
18-舵机输出轴；19-拉力弹簧；20-前向驱动摇臂；
21-爬行牵引弹簧；22-舵机摇臂。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参 考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限 制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、 “内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件 必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以 明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两 个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1～图4所示，本实施例中提出的备墙面栖停与爬行能力的四旋翼机器人，包括四旋翼飞行器与墙面爬行装置两个部分。
所述四旋翼飞行器包括机身、传感器、图像处理板、接收机、控制器、电子调速器、动力电池。
所述机身包括机架、旋翼固定臂、旋翼固定臂端部电机座、无刷电机、螺旋桨。
机架作为四旋翼飞行器的主承力结构，四个旋翼固定臂与机架固定连接，呈X布局向外延伸。所述旋翼固定臂的端部对应固定安装无刷电机，所述无刷电机输入端包 含正极线、负极线与信号线，正极线、负极线与动力电池相连，负责电机驱动能量输 入，信号线与电子调速器相连，用于控制电机转速。所述无刷电机动力输出端连接有 螺旋桨。
所述接收机、控制器、传感器、电子调速器构成无人机运动控制链路，所述接收 机可以接受来自遥控器的操纵指令，所述传感器为无人机提供位置信息、姿态信息与 距离信息，操纵指令与位置信息、姿态信息以及距离信息共同输入到所述控制器中， 经所述控制器处理，解算电机转速控制指令，再经由电子调速器对电机转速进行调节。
所述传感器包括可见光摄像头、激光测距雷达、光流传感器。
所述控制器包括飞行控制板、惯性导航单元。所述飞行控制板能够接收来自接收机、传感器以及惯性导航单元的信息，通过执行内嵌控制算法，最终解算电机转速控 制指令，该指令通过接插件发送至电子调速器，电子调速器通过信号线输出速度调节 信号，改变电机转速。
所述动力电池为全飞行器的元器件供给能源，对于不同电压输出的元器件模块，通过连接适当的稳压电路模块进行电压量值调整。
本实施例中，所述机架、旋翼固定臂与电机座均为碳纤维材质，板材厚度为2mm，满足结构承载需求与轻量化设计要求。所述无刷电机为EX1102电机，选型满足推重 比与尺寸约束，所述螺旋桨为3018螺旋桨，选型满足气动性能需求与尺寸约束。
所述可见光摄像头型号为OV5640，所述激光测距雷达型号为VL53L1X，所述光 流传感器型号为GL9306，所述图像处理板型号为Hi3516DV300。所述接收机型号为 XR502微型接收机，所述飞行控制板型号为Kakute F7 mini V2飞控，电子调速器型号 为ATK-BL32四合一电调。所述动力电池型号为格氏电池500mAh电池。
所述墙壁爬行装置具备墙壁抓附与爬行能力，通过抓附墙壁，利用装置与墙壁间的相互作用力，来平衡无人机的重力和相对墙面的力矩。所述墙壁爬行装置包括舵机、 舵机摇臂、拉力弹簧、前侧组件和后侧组件，其中，拉力弹簧、前侧组件和后侧组件 在舵机摇臂左右两侧各有一套。
所述舵机安装在机架内部，舵机输出轴从机架下部伸出，连接处于机架下部的舵机摇臂中部，从而能够带动舵机摇臂转动，使舵机摇臂两端前后摆动。
所述舵机摇臂两端分别安装一套爬行部件，所述爬行部件由拉力弹簧、前侧组件和后侧组件组成。其中所述前侧组件包括前侧旋转轴、前侧支撑臂、前侧固定钩爪、 滑动钩爪组件和前向驱动摇臂；所述滑动钩爪组件包括曲柄机构、滑块轨道和滑动爬 行钩爪；所述后侧组件包括后侧旋转轴、后侧支撑臂、爬行牵引弹簧、后侧对爪组件和后侧对爪旋转摇臂；所述后侧对爪组件包括后侧爬行辅助钩爪和后侧固定钩爪。
所述墙壁爬行装置除舵机和弹簧外，均采用3D打印技术加工制造，材料为ABS 塑料。
在前侧支撑臂上端开有旋转孔位，与安装在无人机机架上的前侧旋转轴连接，可以绕前侧旋转轴旋转。前侧支撑臂下端开有避让槽，供曲柄机构的长连杆穿过，且前 侧支撑臂下端转动连接前侧固定钩爪以及滑动钩爪组件。所述曲柄机构包括长连杆和 短连杆，长连杆和短连杆一端铰接，并且同步与前向驱动摇臂一端铰接，长连杆穿过 前侧支撑臂下端的避让槽后与滑动爬行钩爪铰接，所述滑动爬行钩爪穿过滑块轨道，能够在滑块轨道上滑动；所述滑块轨道端部与短连杆铰接，且所述滑块轨道还与前侧 支撑臂下端转动连接。所述前向驱动摇臂另一端与舵机摇臂端部铰接。前侧固定钩爪 以及滑动爬行钩爪的方向相同，均朝向后方。
在后侧支撑臂上端开有旋转孔位，与安装在无人机机架上的后侧旋转轴连接，可以绕后侧旋转轴旋转。后侧支撑臂下端也开有旋转孔位，通过旋转轴与后侧对爪组件 中部转动连接，后侧对爪组件具有绕该轴旋转的自由度。后侧爬行辅助钩爪和后侧固 定钩爪的方向相反，且后侧爬行辅助钩爪方向朝向后方，后侧固定钩爪方向朝向前方，且后侧固定钩爪上部具有后侧对爪旋转摇臂；后侧对爪旋转摇臂分为与后侧固定钩爪 固定的支臂和与所述支臂一端转动配合的摆臂；所述摆臂另一端与舵机摇臂端部通过 爬行牵引弹簧连接。
前侧支撑臂与后侧支撑臂之间通过拉力弹簧连接。
所述墙壁爬行机构的所有钩爪末端的构造均为细小的针刺结构，如图5所示。所述针刺结构头部半径尺度为微米量级，能够与建筑物墙壁上的微小凸起颗粒产生相互 作用，图6的右图给出了四旋翼机器人与墙壁之间的相互作用力及其分析模型。
所述四旋翼机器人具有空中飞行、墙面栖附、墙面爬行三种模态，当无人机由悬停进入墙面栖附模态，会在飞向墙面过程中将机身向上仰起的过程，将墙面爬行机构 完全朝向垂面，使得在接触时刻，机构与墙面能够完全接触。
所述墙面爬行机构的模态转换机理为：
无人机由飞行转入墙面栖附状态的过程如图7所示，悬停状态的机器人经历前飞加速、改平与机身仰起的过程，通过轨迹规划与飞行控制，保证无人机在与墙面接触 时刻，使得无人机轴线与墙面平行，恰好将腹部的墙壁爬行机构完全朝向垂面。无人 机与墙面接触时，仍具有一定的冲击速度，此时，无人机的冲击能量将无人机压向墙 面，墙面爬行机构的拉力弹簧向外张开，将冲击能量转化为弹性势能，当冲击能量被 完全耗散时，拉力弹簧由于拉伸产生的弹力有使拉力弹簧向内收缩并恢复至自由长度的趋势，但此时，所有钩爪末端的构造均为细小的针刺结构均已经于建筑物墙壁上的 微小凸起颗粒产生相互作用，拉力弹簧的拉力迫使针刺与墙壁表面微小凸起产生相互 挤压，产生的相互作用力主要是垂直接触面的法向支持力和摩擦力。一方面，这些作 用力平衡了机构背部的拉力弹簧的拉力，另一方面，全部钩爪的作用力平衡了无人机 的重力以及因重力在墙面之外而引起的力矩。无人机在降落到墙面的过程中，挤压作用是动态变化的，所产生的相互作用力也是动态变化的，只要机构所承受的法向支持 力和摩擦力满足物理条件约束，即可实现模态转换与静态栖附。
所示机构承力分析方法与物理条件约束如下：
(1)前提条件：质量m、机构高度H1、弹簧高度H2、旋转轴间隔W、速度Vimp、 机构尺寸L、接触表面摩擦力系数μ、弹簧刚度kspring；
(2)简化模型：弹簧-铰链-支杆模型，如图6所示；
(3)分析方法：整体法与隔离法；
弹簧能量(Espring)分析
Figure SMS_1
Figure SMS_2
整体分析方法：
Fspring为机构内力，在整体法当中不参与分析，机构整体受力与力矩平衡可得：
Fz,1+Fz,2＝G
Fx,1+Fx,2＝0
Figure SMS_3
隔离分析方法：
关于1位置：
Figure SMS_4
关于2位置：
Figure SMS_5
(4)接触约束：滑动摩擦约束；
在1和2位置进行支持力FN与摩擦力Fμ分解，必须保证Fμ≤μFN。
所述墙面爬行机构的爬行机理为：
(1)左方钩爪松弛前伸，右方钩爪抓附承力。
左方舵机摇臂向前运动，推动左方的前向驱动摇臂向前运动，随之一起向前运动的是左方的前向驱动摇臂，当左方的曲柄机构关节转动时，会推动滑动钩爪组件沿滑 块轨道向前滑行，同时，爬行牵引弹簧拉动后侧对爪旋转摇臂，使后侧对爪组件绕自 身转轴旋转。另一侧，右方舵机摇臂向后运动，右方的前向驱动摇臂拉动曲柄机构，使得滑动爬行钩爪与墙面进行挤压，同时，右方的爬行牵引弹簧被压缩，产生的弹力 迫使右方的后侧固定钩爪与墙面进行挤压。
左方的滑动爬行钩爪与后侧固定钩爪均解除作用力，四旋翼机器人的全部重力由右侧钩爪以及左侧的前侧固定钩爪和后侧爬行辅助钩爪所承担。
(2)舵机反转，右方钩爪松弛前伸，左方钩爪抓附承力，无人机上行。
当舵机反向旋转时，左方舵机摇臂向后运动，右方舵机摇臂向前运动。其中，右 方舵机摇臂向前运动，使得右方机构进行与上述左侧机构相同运动过程，右方的滑动 爬行钩爪与后侧固定钩爪均解除作用力。进入松弛姿态。其中，左方舵机摇臂向后运 动，推动左方的前向驱动摇臂向后运动，左方的滑动钩爪在上一步移动过程中向前伸出，此时，该作用力迫使左方的滑动钩爪在当前位置与墙面产生挤压。在右方机构松 弛前提下，该作用力使得无人机沿墙面向上爬行，直至舵机隐蔽水平。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和 宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种具备墙面栖停与爬行能力的四旋翼机器人，其特征在于：包括四旋翼飞行器与墙面爬行装置；
所述墙面爬行装置固定在四旋翼飞行器腹部；
所述墙面爬行装置包括舵机、舵机摇臂和爬行部件；在舵机摇臂左右两侧各有一套爬行部件；
所述舵机安装在四旋翼飞行器内部，舵机输出轴从四旋翼飞行器腹部伸出，连接处于四旋翼飞行器下部的舵机摇臂中部位置，能够带动舵机摇臂转动，使舵机摇臂两端前后摆动；
所述爬行部件由拉力弹簧、前侧组件和后侧组件组成；
所述前侧组件包括前侧旋转轴、前侧支撑臂、前侧固定钩爪、滑动钩爪组件和前向驱动摇臂；所述滑动钩爪组件包括曲柄机构、滑块轨道和滑动爬行钩爪；所述后侧组件包括后侧旋转轴、后侧支撑臂、爬行牵引弹簧、后侧对爪组件和后侧对爪旋转摇臂；所述后侧对爪组件包括后侧爬行辅助钩爪和后侧固定钩爪；
在前侧支撑臂上端开有旋转孔位，与安装在四旋翼飞行器上的前侧旋转轴连接，能够绕前侧旋转轴旋转；前侧支撑臂下端开有避让槽，供曲柄机构的长连杆穿过，且前侧支撑臂下端转动连接前侧固定钩爪以及滑动钩爪组件；
所述曲柄机构包括长连杆和短连杆，长连杆和短连杆一端铰接，并且同步与前向驱动摇臂一端铰接，长连杆穿过前侧支撑臂下端的避让槽后与滑动爬行钩爪铰接，所述滑动爬行钩爪穿过滑块轨道，能够在滑块轨道上滑动；所述滑块轨道端部与短连杆铰接，且所述滑块轨道还与前侧支撑臂下端转动连接；所述前向驱动摇臂另一端与舵机摇臂端部铰接；前侧固定钩爪以及滑动爬行钩爪的方向相同，均朝向后方；
在后侧支撑臂上端开有旋转孔位，与安装在无人机机架上的后侧旋转轴连接，能够绕后侧旋转轴旋转；后侧支撑臂下端也开有旋转孔位，通过旋转轴与后侧对爪组件中部转动连接，后侧对爪组件具有绕该轴旋转的自由度；后侧爬行辅助钩爪和后侧固定钩爪的方向相反，且后侧爬行辅助钩爪方向朝向后方，后侧固定钩爪方向朝向前方；后侧固定钩爪上部具有后侧对爪旋转摇臂；后侧对爪旋转摇臂分为与后侧固定钩爪固定的支臂和与所述支臂一端转动配合的摆臂；所述摆臂另一端与舵机摇臂端部通过爬行牵引弹簧连接；
前侧支撑臂与后侧支撑臂之间通过拉力弹簧连接。
2.根据权利要求1所述一种具备墙面栖停与爬行能力的四旋翼机器人，其特征在于：所述墙面爬行装置除舵机和拉力弹簧以及爬行牵引弹簧外，均采用3D打印技术加工制造，材料为ABS塑料。
3.根据权利要求1所述一种具备墙面栖停与爬行能力的四旋翼机器人，其特征在于：所述墙面爬行装置的所有钩爪末端的构造均为细小的针刺结构，所述针刺结构头部半径尺度为微米量级，能够与建筑物墙壁上的微小凸起颗粒产生相互作用。
4.根据权利要求1所述一种具备墙面栖停与爬行能力的四旋翼机器人，其特征在于：所述四旋翼飞行器包括机身、传感器、图像处理板、接收机、控制器、电子调速器、动力电池；
所述机身包括机架、旋翼固定臂、旋翼固定臂端部电机座、无刷电机、螺旋桨；
机架作为四旋翼飞行器的主承力结构，四个旋翼固定臂与机架固定连接，呈X布局向外延伸；所述旋翼固定臂的端部对应固定安装无刷电机，所述无刷电机输入端包含正极线、负极线与信号线，正极线、负极线与动力电池相连，负责电机驱动能量输入，信号线与电子调速器相连，用于控制电机转速；所述无刷电机动力输出端连接有螺旋桨。
5.根据权利要求4所述一种具备墙面栖停与爬行能力的四旋翼机器人，其特征在于：所述接收机、控制器、传感器、电子调速器构成无人机运动控制链路，所述接收机接受来自遥控器的操纵指令，所述传感器为无人机提供位置信息、姿态信息与距离信息，操纵指令与位置信息、姿态信息以及距离信息共同输入到所述控制器中，经所述控制器处理，解算电机转速控制指令，再经由电子调速器对电机转速进行调节。
6.根据权利要求4所述一种具备墙面栖停与爬行能力的四旋翼机器人，其特征在于：所述传感器包括可见光摄像头、激光测距雷达、光流传感器。
7.根据权利要求4所述一种具备墙面栖停与爬行能力的四旋翼机器人，其特征在于：所述控制器包括飞行控制板、惯性导航单元；所述飞行控制板能够接收来自接收机、传感器以及惯性导航单元的信息，通过执行内嵌控制算法，最终解算电机转速控制指令，该指令通过接插件发送至电子调速器，电子调速器通过信号线输出速度调节信号，改变电机转速。
8.根据权利要求4所述一种具备墙面栖停与爬行能力的四旋翼机器人，其特征在于：所述机架、旋翼固定臂与电机座均为碳纤维材质，板材厚度为2mm，满足结构承载需求与轻量化设计要求；所述无刷电机为EX1102电机，选型满足推重比与尺寸约束，所述螺旋桨为3018螺旋桨，选型满足气动性能需求与尺寸约束。
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