CN114379775B - 一种防撞缓冲贴壁飞行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种防撞缓冲贴壁飞行机器人；负压吸附腔体的敞口端面所在的平面为负压吸附腔体的吸附面，负压吸附腔体的吸附面上设置缓冲贴壁密封垫，这样一方面，可以使负压吸附腔体的敞口端面更好地贴合作业面，便于形成负压，另一方面，着陆冲击力较大时，负压吸附腔体的敞口端与作业面软碰撞，不至于影响整体结构飞行吸附的稳定性；负压吸附腔体的负压腔里可弹性连接的行走装置，以使机器人吸附作业时在作业面上软着陆和移动行走，而且着陆冲击力较大时，行走装置与作业面软碰撞，实现软着陆，保证飞行吸附的稳定性，避免着陆意外的发生。

Description

一种防撞缓冲贴壁飞行机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种防撞缓冲贴壁飞行机器人。

背景技术

近些年飞行机器人，特别是旋翼式无人机，在复杂场下里的视觉检测任务也有了一些应用。但是无人机在检测时必须要保持一定的安全距离，也容易受到自然风、建筑风的影响。往往只能进行视觉或者雷达这样可以远距离无接触的检测任务，对于需要近距离接触的检测任务就无法进行。对于近距离接触的检测任务，大多利用防撞缓冲贴壁飞行机器人进行检测，防撞缓冲贴壁飞行机器人的原理是采用负压吸附，负压吸附对壁面材料没有特殊要求，但对壁面的平整度要求较高；现有的负压吸附机器人基本只能在连续的平面上爬行，越障能力非常弱，遇到不平整的障碍就会负压降低而失稳，且难以大范围灵活移动；而且，现有的飞行机器人在于作业面接触时，通常冲击力比较大，为硬着陆，这样对飞行机器的贴壁性和吸附稳定性带来极大的负面影响，易出现着陆意外的发生。

因此，针对上述问题，业内急需一种防撞缓冲贴壁飞行机器人。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种防撞缓冲贴壁飞行机器人，解决现有无人机执行任务作业时难以吸附停驻近距离接触目标物体，以及现有吸附机器人贴壁性差和硬着陆带来的吸附稳定性差的技术问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种防撞缓冲贴壁飞行机器人，其包括负压吸附腔体、飞行吸附动力装置、行走装置、控制系统；

负压吸附腔体为顶部敞口的空腔结构，负压吸附腔体的敞口端面所在的平面为负压吸附腔体的吸附面，负压吸附腔体的吸附面上设置缓冲贴壁密封垫；

飞行吸附动力装置设置于负压吸附腔体的负压腔内，飞行吸附动力装置的进风口朝向负压吸附腔体的吸附面，且飞行吸附动力装置的进风口的端面低于负压腔的吸附面；飞行吸附动力装置的出风口位于负压腔的底部，且飞行吸附动力装置的出风口贯穿负压腔的底部；

负压吸附腔体的负压腔里可弹性连接的行走装置，在弹力作用下行走装置的贴壁部分伸出所述吸附面上缓冲贴壁密封垫外，以使机器人吸附作业时在作业面上软着陆和移动行走；

所述飞行吸附动力装置和行走装置分别与所述控制系统连接，所述控制系统控制所述飞行吸附动力装置和行走装置的运转。

其中，所述飞行吸附动力装置为涵道风机。

其中，所述行走装置包括安装座、驱动电机和行走车轮；

安装座设置于负压吸附腔体内靠近腔壁的位置，安装座具有安装腔，驱动电机的连接端设置于安装腔内，驱动电机的输出端连接所述行走车轮。

其中，行走装置还包括缓冲机构，缓冲机构设置于安装腔；缓冲机构一端抵接安装腔底面，缓冲机构另一端抵接驱动电机；用以驱动电机及行走车轮贴靠作业面时的缓冲。

其中，所述缓冲机构包括上下相连接的第一弹性缓冲件和第二弹性缓冲件；

第一弹性缓冲件的上端抵接驱动电机的连接端，第二弹性缓冲件的下端抵接安装腔的底部。

其中，第一弹性缓冲件为弹簧；第二弹性缓冲件的材质为发泡材料。

其中，第一弹性缓冲件为发泡材料制成的弹性体；第二弹性缓冲件为弹簧。

其中，所述发泡材料为发泡丁腈、发泡硅胶或发泡三元乙丙材料中的任意一种或多种。

其中，所述安装腔内设有台阶，台阶将安装腔分成第一安装腔和第二安装腔；所述第一安装腔的直径大于驱动电机连接端的直径，驱动电机连接端的直径大于第二安装腔的直径；驱动电机的连接端插设于第一安装腔，台阶用以驱动电机及行走车轮的缓冲限位。

其中，所述行走装置的数量为多件，多件行走装置成中心对称的方式布置在靠近负压吸附腔体侧壁的位置。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明的防撞缓冲贴壁飞行机器人，负压吸附腔体为顶部敞口的空腔结构，负压吸附腔体的敞口端面所在的平面为负压吸附腔体的吸附面；飞行吸附动力装置和行走装置分别与控制系统连接；飞行吸附动力装置设置于负压吸附腔体的负压腔内，飞行吸附动力装置的进风口朝向负压吸附腔体的吸附面，且飞行吸附动力装置的进风口的端面低于负压腔的吸附面；飞行吸附动力装置的出风口位于负压腔的底部，且飞行吸附动力装置的出风口贯穿负压腔的底部。飞行吸附动力装置在控制系统的控制作用下，飞行吸附动力装置将进风口的风快速抽取至负压腔底部的出风口，出风口的风反向给予负压吸附腔体推力，提供机器人上升飞行动力；进风口的风(气流)被快速抽取流动形成负压腔吸附面的负压，满足机器人负压吸附在所需作业物体的表面，实现机器人在所需作业表面近距离地接触执行相关任务，完美地应用了机器人具备的飞行和负压吸附两项功能。

本发明的防撞缓冲贴壁飞行机器人吸附之后，控制系统还能够控制飞行吸附动力装置的动力以维持负压腔吸附面的负压，保持机器人持续的吸附能力，当机器人受到干扰，负压降低的时候，控制器控制提高飞行吸附动力装置的动力，又能加速风的快速流动提高负压腔吸附面负压，保持机器人原有的姿态不变，确保机器人照常稳定吸附在所需作业的平面。负压吸附腔体的负压腔里设有行走装置，以使机器人吸附作业时在作业面移动行走，行走装置在控制系统的控制下，能够精准地调整机器人的作业方向以及控制机器人在作业平面移动至待作业位置，进行作业任务。

本发明中，负压吸附腔体的敞口端面所在的平面为负压吸附腔体的吸附面，负压吸附腔体的吸附面上设置缓冲贴壁密封垫，这样一方面，可以使负压吸附腔体的敞口端面更好地贴合作业面，便于形成负压，另一方面，着陆冲击力较大时，负压吸附腔体的敞口端与作业面软碰撞，不至于影响整体结构飞行吸附的稳定性；负压吸附腔体的负压腔里可弹性连接的行走装置，在弹力作用下行走装置的贴壁部分伸出所述吸附面上缓冲贴壁密封垫外，以使机器人吸附作业时在作业面上软着陆和移动行走，而且着陆冲击力较大时，行走装置与作业面软碰撞，实现软着陆，保证飞行吸附的稳定性，避免着陆意外的发生。

附图说明

图1为本发明一种防撞缓冲贴壁飞行机器人的结构轴测示意图；

图2是图1中一种防撞缓冲贴壁飞行机器人的结构俯视示意图；

图3是图1中行走装置的结构示意图；

图中：1、涵道风机，2、供电系统，3、行走装置，3.1、安装座，3.2、第二弹性缓冲件，3.3、第一弹性缓冲件，3.4、驱动电机，3.5、行走车轮，4、飞行控制单元，5、负压吸附腔体，5.1、负压腔，6、遥控控制单元，7、缓冲贴壁密封垫。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1至图3，本发明提供了一种防撞缓冲贴壁飞行机器人，包括负压吸附腔体5、飞行吸附动力装置、行走装置3、控制系统和供电系统2；负压吸附腔体为顶部敞口的空腔结构，负压吸附腔体的敞口端面所在的平面为负压吸附腔体的吸附面，负压吸附腔体的吸附面上设置缓冲贴壁密封垫7；

飞行吸附动力装置设置于负压吸附腔体的负压腔5.1内，飞行吸附动力装置的进风口朝向负压吸附腔体的吸附面，且飞行吸附动力装置的进风口的端面低于负压腔的吸附面；飞行吸附动力装置的出风口位于负压腔的底部，且飞行吸附动力装置的出风口贯穿负压腔的底部；

负压吸附腔体的负压腔里可弹性连接的行走装置，在弹力作用下行走装置的贴壁部分伸出所述吸附面上缓冲贴壁密封垫外，以使机器人吸附作业时在作业面上软着陆和移动行走；

所述飞行吸附动力装置和行走装置分别与所述控制系统连接，所述控制系统控制所述飞行吸附动力装置和行走装置的运转。

飞行吸附动力装置在控制系统的控制作用下，飞行吸附动力装置将进风口的风快速抽取至负压腔底部的出风口，出风口的风反向给予负压吸附腔体推力，提供机器人上升飞行动力；进风口的风(气流)被快速抽取流动形成负压腔吸附面的负压，满足机器人负压吸附在所需作业物体的表面，实现机器人在所需作业表面近距离地接触执行相关任务；完美地应用了机器人具备的飞行和负压吸附两项功能。

本发明的防撞缓冲贴壁飞行机器人吸附之后，控制系统还能够控制飞行吸附动力装置的动力以维持负压腔吸附面的负压，保持机器人持续的吸附能力，当机器人受到干扰，负压降低的时候，控制器控制提高飞行吸附动力装置的动力，又能加速风的快速流动提高负压腔吸附面负压，保持机器人原有的姿态不变，确保机器人照常稳定吸附在所需作业的平面。负压吸附腔体的负压腔里设有行走装置，以使机器人吸附作业时在作业面移动行走；行走装置在控制系统的控制下，能够精准地调整机器人的作业方向以及控制机器人在作业平面移动至待作业位置，进行作业任务。

本发明实施例中，负压吸附腔体的敞口端面所在的平面为负压吸附腔体的吸附面，负压吸附腔体的吸附面上设置缓冲贴壁密封垫，这样一方面，可以使负压吸附腔体的敞口端面更好地贴合作业面，便于形成负压，另一方面，着陆冲击力较大时，负压吸附腔体的敞口端与作业面软碰撞，不至于影响整体结构飞行吸附的稳定性；负压吸附腔体的负压腔里可弹性连接的行走装置，在弹力作用下行走装置的贴壁部分伸出所述吸附面上缓冲贴壁密封垫外，以使机器人吸附作业时在作业面上软着陆和移动行走，而且着陆冲击力较大时，行走装置与作业面软碰撞，实现软着陆，保证飞行吸附的稳定性，避免着陆意外的发生。

作为一些可选实施例，所述飞行吸附动力装置为涵道风机1。多个所述涵道风机成中心对称的方式布设在所述负压吸附腔体内。中心对称的布置方式使得多个涵道风机均匀的分布于负压吸附腔体，很好地平衡了机器人的重量，同时多个涵道风机一同运转也不会造成机器人的上升动力不平衡，以及负压腔吸附面的负压不平衡；保证机器人能够平稳飞行以及具有稳定的负压吸附。

优选的，负压吸附腔体为敞口的方形空腔结构，涵道风机的数量为四件，四件涵道风机分别设置于方形空腔的四角。四角的涵道风机既很好的满足了对称布置，同时涵道风机动力源远离负压吸附腔体中心，减小了机器人的转动惯量。

所述涵道风机进风口的端面低于负压腔吸附面10-30mm；优选20mm；进风口的端面略低于负压腔的吸附面，既不影响涵道风机进风，将负压吸附腔体敞口端面的气流经涵道风机的进风口吸取至负压腔底部的涵道风机的出风口抽出，出风口的风反向给予负压吸附腔体推力，提供机器人上升飞行动力；进风口的风由于快速流动，形成负压腔吸附面的负压，满足机器人负压吸附在所需作业物体的表面；使得本申请的防撞缓冲贴壁飞行机器人在涵道风机的运转下完美完成飞行和负压吸附两项功能。

作为一些可实施方式，所述控制系统包括飞行控制单元4和遥控控制单元6，飞行控制单元用以控制防撞缓冲贴壁飞行机器人的吸附飞行，遥控控制单元用以防撞缓冲贴壁飞行机器人的无线遥控。优选的，遥控控制单元包括遥控系统和遥控器，遥控系统布置于负压吸附腔体的负压腔，遥控系统与飞行控制单元连接；遥控器与遥控系统无线连接；遥控器通过遥控系统传输指令至控制器，无线遥控防撞缓冲贴壁飞行机器人。

既满足操作人员通过飞行控制单元来控制防撞缓冲贴壁飞行机器人运转工作，又满足操作人员通过手持遥控器来无线遥控防撞缓冲贴壁飞行机器人，控制操作简单方便；同时实现机器人的多方式控制飞行。

进一步地，供电系统包括电池组电源，电池组电源与控制器连接；所述电池组电源为锂电池组电源或蓄电池组电源。飞行控制单元为PLC可编程控制器或单片机控制器或其他芯片式控制器，控制器中内置有飞行控制系统。

所述供电系统布置于负压吸附腔体的负压腔底部的中心位置；飞行控制单元和遥控控制单元对称分居在所述供电系统的两侧方，且飞行控制单元和遥控控制单元位于负压吸附腔体的负压腔底部；供电系统这种大重量的电源布置于中心，以及负压吸附腔体中各部件的对称均匀布置，有效地减小了机器人的转动惯量，降低了控制机器人空中翻转转向的难度，同时利用机器人空中平稳飞行以及机器人空中飞行的控制。

作为一些可实施方式，行走装置包括安装座3.1、驱动电机3.4和行走车轮 3.5；安装座设置于负压吸附腔体内靠近腔壁的位置，安装座具有安装腔，驱动电机的连接端设置于安装腔内，驱动电机的输出端连接所述行走车轮。驱动电机驱动行走车轮转动，以使机器人吸附作业时在作业面移动行走；正常状态下，行走装置的行走车轮的外边缘最高点高于负压腔的吸附面1-5mm，优选3mm；该高度间隙略高于负压腔的吸附面，极大地做到了不影响负压腔吸附面的吸附能力(间隙过大会造成吸附面漏风且增加维持吸附面负压状态的难度)；同时满足机器人在所需作业的表面移动行走，精准地调整机器人的作业方向以及控制机器人移动至待作业位置，进行作业任务；此外还能够移动作业(边移动边作业)。

作为一些可选实施例，行走装置还包括缓冲机构，缓冲机构设置于安装腔；缓冲机构一端抵接安装腔底面，缓冲机构另一端抵接驱动电机；用以驱动电机及行走车轮贴靠作业面时的缓冲。

进一步地，所述缓冲机构包括上下相连接的第一弹性缓冲件3.3和第二弹性缓冲件3.2；第一弹性缓冲件的上端抵接驱动电机的连接端，第二弹性缓冲件的下端抵接安装腔的底部。

优选的，第一弹性缓冲件为弹簧；第二弹性缓冲件的材质为发泡材料。所述发泡材料为发泡丁腈、发泡硅胶或发泡三元乙丙材料中的任意一种或多种。

当吸附式飞行机器需吸附停驻于作业平面时，对作业平面产生的冲击力会直接先作用于行走装置上。该冲击力首先通过行走车轮传递于第一弹性缓冲件～弹簧，弹簧缓冲机器人的高频冲击力，但无法吸收机器人的冲击动能；但当弹簧被压缩到一定程度，第二弹性缓冲件～发泡材料弹性体会继续缓冲机器人的低频冲击力，此弹性体是由发泡材料制成，在被压缩的同时吸收机器人冲击动能，从而减少机器人受到冲击力后产生的震荡，增加吸附稳定性，使机器人能够稳定可靠的吸附在作业平面上。

另一种实施方式，第一弹性缓冲件为发泡材料制成的弹性体；第二弹性缓冲件为弹簧。此实施方式下较第一弹性缓冲件为弹簧时的缓冲性能差些，但也优于普通常规的只应用弹簧缓冲。

作为一些可实施方式，所述安装腔内设有台阶，台阶为环形结构，限位件用以驱动电机的移动限位；台阶将安装腔分成第一安装腔和第二安装腔；所述第一安装腔的直径大于驱动电机连接端的直径，驱动电机连接端的直径大于第二安装腔的直径；驱动电机的连接端滑动插设于第一安装腔，驱动电机连接端与第一弹性缓冲件～弹簧抵接；第二弹性缓冲件～发泡材料弹性体的自由端设置于第二安装腔内的底面，与第二安装腔底部抵接。

行走车轮受冲击后带动驱动电机一同沿第一安装腔压缩移动，弹簧和发泡材料弹性体一同缓冲机器人受到冲击，台阶限制行走车轮以及驱动电机的移动行程，防止弹簧和发泡材料弹性体过度压缩，进一步缓冲降低机器人的冲击力，快速稳定机器人的姿态。

优选的，驱动电机的连接端还设有连接块，连接块设置于驱动电机连接端底部的中心部位，连接块为圆柱形块，圆柱形块插设于弹簧，稳固的随弹簧及发泡材料弹性体压缩缓冲；同时由于圆柱形块的存在，驱动电机连接端底部形成了配合台阶的第二台阶，驱动电机缓冲滑动至台阶时，第二台阶与台阶卡合接触，圆满的配合台阶的限位缓冲。

进一步地，第一弹性缓冲件还能选择橡胶弹簧等，第二弹性体缓冲件还可采用：包括但不限于橡胶、乳胶、EVA、ACF(人工软骨材料)、ABR(塑胶材料)、 EPS和XRD材料中一种或多种制成的弹性体。

作为一些可实施方式，所述行走装置的数量为多件，多件行走装置成中心对称的方式布置在靠近负压吸附腔体侧壁的位置。优选的，行走装置的数量为四件，四件行走装置成中心对称的方式分别布置在方形空腔的四侧，且行走装置的安装座连接于方形空腔底部。本发明装置将各功能部件均布置在负压腔底部，大大节约了空间，减小了机器人的外形尺寸；同时负压腔中各功能部件对称均匀布置，满足机器人的重心平衡的同时能够减小机器人的转动惯量，利于机器人实现空中翻转等复杂飞行操作。

吸附面的缓冲贴壁密封垫的高度比行走车轮外边缘最高点的高度略低或相等，缓冲贴壁密封垫一方面能够加强负压腔吸附面密封效果，维持负压腔吸附面的负压状态，另一方面，负压吸附停驻作业平面时，能够缓冲防护负压吸附腔体，防止负压吸附腔体端面碰撞受损。

本申请的防撞缓冲贴壁飞行机器人能够作为特种机器人运载平台，可以在其上搭载传感器和其他执行机构，实现传感器和其他执行机构在人难以到达的环境中进行相应作业。所述传感器包括可视传感器和测量传感器，可视传感器包括但不限于摄像头，测量传感器包括但不限于激光传感器、位移传感器、压力传感器、温度传感器、红外传感器和雷达传感器；其他执行机构包括但不限于测量装置、喷洒装置和清洗装置，测量装置用以实现机器人进行检测任务，喷洒装置用以实现机器人进行喷洒作业，清洗机构用以实现机器人进行清洁作业。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种防撞缓冲贴壁飞行机器人，其特征在于，包括负压吸附腔体、飞行吸附动力装置、行走装置、控制系统；

负压吸附腔体为顶部敞口的空腔结构，负压吸附腔体的敞口端面所在的平面为负压吸附腔体的吸附面，负压吸附腔体的吸附面上设置缓冲贴壁密封垫；

飞行吸附动力装置设置于负压吸附腔体的负压腔内，飞行吸附动力装置的进风口朝向负压吸附腔体的吸附面，且飞行吸附动力装置的进风口的端面低于负压腔的吸附面；飞行吸附动力装置的出风口位于负压腔的底部，且飞行吸附动力装置的出风口贯穿负压腔的底部；

负压吸附腔体的负压腔里可弹性连接行走装置，在弹力作用下行走装置的贴壁部分伸出所述吸附面上缓冲贴壁密封垫外；

所述飞行吸附动力装置和行走装置分别与所述控制系统连接，所述控制系统控制所述飞行吸附动力装置和行走装置的运转；

所述行走装置包括安装座、驱动电机和行走车轮；

安装座设置于负压吸附腔体内靠近腔壁的位置，安装座具有安装腔，驱动电机的连接端设置于安装腔内，驱动电机的输出端连接所述行走车轮；

行走装置还包括缓冲机构，缓冲机构设置于安装腔；缓冲机构一端抵接安装腔底面，缓冲机构另一端抵接驱动电机。

2.根据权利要求1所述的防撞缓冲贴壁飞行机器人，其特征在于，所述飞行吸附动力装置为涵道风机。

3.根据权利要求1所述的防撞缓冲贴壁飞行机器人，其特征在于，所述缓冲机构包括上下相连接的第一弹性缓冲件和第二弹性缓冲件；

第一弹性缓冲件的上端抵接驱动电机的连接端，第二弹性缓冲件的下端抵接安装腔的底部。

4.根据权利要求3所述的防撞缓冲贴壁飞行机器人，其特征在于，第一弹性缓冲件为弹簧；第二弹性缓冲件的材质为发泡材料。

5.根据权利要求3所述的防撞缓冲贴壁飞行机器人，其特征在于，第一弹性缓冲件为发泡材料制成的弹性体；第二弹性缓冲件为弹簧。

6.根据权利要求4或5所述的防撞缓冲贴壁飞行机器人，其特征在于，所述发泡材料为发泡丁腈 、发泡硅胶或发 泡三元乙丙材料中的任意一种或多种。

7.根据权利要求1所述的防撞缓冲贴壁飞行机器人，其特征在于，所述安装腔内设有台阶，台阶将安装腔分成第一安装腔和第二安装腔；所述第一安装腔的直径大于驱动电机连接端的直径，驱动电机连接端的直径大于第二安装腔的直径；驱动电机的连接端插设于第一安装腔，台阶用以驱动电机及行走车轮的缓冲限位。

8.根据权利要求1所述的防撞缓冲贴壁飞行机器人，其特征在于，所述行走装置的数量为多件，多件行走装置成中心对称的方式布置在靠近负压吸附腔体侧壁的位置。

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