CN115303477A - 一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人及工作方法和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人及工作方法和控制方法，机器人包括飞行器、固连于飞行器腹部的附着组件、连接于飞行器的作业组件；飞行器包括机身和倾转旋翼组件，倾转旋翼组件包括安装于旋翼臂外端的倾转机构、固连于倾转机构输出端的旋翼电机、由旋翼电机驱动的旋翼；作业组件包括多自由度的机械臂、位于机械臂末端的作业工具；空中机器人的尾部设有尾支撑组件；尾支撑组件包括尾支撑基座、固连于尾支撑基座的尾支撑舵机、由尾支撑舵机驱动旋转的尾支撑件。本发明能够实现空中机器人任意姿态附着在树木、墙面、高塔等建筑或物体上，并且通过作业装置实现树木切割、高塔异物清除、侦察监视等工作。

Description

一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人及工作方法和控制方法

技术领域

本发明涉及仿生机器人应用技术，特别是涉及一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人及工作方法和控制方法。

背景技术

近年来，多旋翼无人机的发展迅猛，在军事及国民经济生活中都得到了广泛的应用。在科学技术飞速发展的今天，越来越多的多旋翼无人机将应用于军事和国民生活。在商业中，多旋翼无人机被大量用于航拍；在工农业中，智能多旋翼无人机的使用可大大节约劳动成本，在一些地势广阔且平坦的地区，农业植保机器人在灌溉和喷洒农药等方面己大显身手，与此同时一些著名的电商和快递公司也在大力研发快递多旋翼无人机；在抗灾中，多旋翼无人机己成为数据收集不可或缺的设备；在深林防火、环境勘察和抗震救灾等方面，多旋翼无人机都表现出独特的潜力与性能优势。

传统多旋翼飞行器属于欠驱动系统，通过电机差速转动产生期望力和力矩，以实现轨迹跟踪，由于电机相对于机体的角度固定，其产生的推力方向始终垂直于机体所在平面，这种欠驱动的方式降低了多旋翼飞行器的机动性和灵活性。因此，目前关于多旋翼仿鸟栖息行为的研究主要为水平栖息，即多旋翼只能在水平面栖息，而自然界中存在啄木鸟等鸟类可以实现在垂直的树干上栖息。若无人机能实现啄木鸟一样栖息在垂直物体上，将极大扩展多旋翼的应用范围，具有广阔的应用前景。

仿啄木鸟附着作业的空中机器人是一种仿啄木鸟攀缘在直立的树干上这种行为的一种多旋翼飞行器。这种新型的多旋翼飞行器极大扩展了传统多旋翼飞行器的应用范围。一方面，采用倾转多旋翼的驱动方式，改进了传统多旋翼只能控制姿态的缺点，能够实现飞行器的位姿独立控制；另一方面，采用机械爪、吸盘等栖息机构，能够实现多旋翼飞行器攀缘于树干等垂直物体上，并且栖息于物体上可关闭旋翼动力，可有效的提高飞行器的续航能力和操作性。

2021年6月11日公开的专利申请CN112937840A“栖息装置及多旋翼仿生栖息无人机与栖息运动方法”。包括栖息装置，通过连接板固定于多旋翼无人机正上方，包括N 个对称安装的脚趾机构和动力系统；螺纹推杆电机正向或反向旋转带动栖息装置收缩或展开；上述脚趾机构包括卷曲脚掌、黏附材料、导向滚轮以及钩爪推杆；钩爪推杆第一端与螺纹法兰支架相铰接，导向滚轮安装于钩爪推杆第二端且始终与卷曲脚掌第二端下表面相切栖息装置能空中充电，同时适应水平顶面、水平圆柱状面以及水平圆孔顶面，实现多旋翼无人机全天候多栖息功能。但该栖息装置和仿生栖息无人机有极大的缺陷，即只能适应于水平顶面，很难实现鸟类在垂直面和倾斜面栖息的效果。

目前关于多旋翼无人机仿鸟实现在垂直面和倾斜面栖息的研究尚未有报道。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人，实现类似啄木鸟附着于树木的栖息与作业行为，满足空中机器人在水平、倾斜、垂直等多种物体上的附着需求。

本发明的另一个目的是提供一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人的工作方法。

本发明的又一个目的是提供一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人的控制方法。

技术方案：本发明的一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人，包括飞行器、固连于飞行器腹部的附着组件、连接于飞行器的作业组件，飞行器包括机身以及连接于机身周边的至少两个倾转旋翼组件，飞行器通过附着组件以任意姿态附着在待附着物体上，并通过作业组件进行作业。

优选的，倾转旋翼组件包括旋翼臂、倾转机构、旋翼和旋翼电机，旋翼臂安装于机身上，其外端安装有倾转机构，旋翼电机固连于倾转机构输出端，用于驱动旋翼；倾转机构的自由度为Q，Q∈[1,2]，Q＝1时，倾转旋翼组件为俯仰单倾转组件或滚转单倾转组件，Q＝2时，倾转旋翼组件为二倾转组件；旋翼电机的数量为M，M∈[1,2]，M＝2 时旋翼电机为共轴反向安装，旋翼数量与旋翼电机相等。

优选的，当倾转机构的自由度Q＝1时存在单俯仰或滚转倾转，若为单俯仰倾转，倾转机构包括俯仰单倾转组件旋翼电机座和俯仰单倾转组件俯仰关节，旋翼电机安装于俯仰单倾转组件旋翼电机座上，俯仰单倾转组件旋翼电机座绕俯仰单倾转组件俯仰关节旋转，俯仰单倾转组件俯仰关节连接在旋翼臂上；若为单滚转倾转，倾转机构包括滚转单倾转组件旋翼电机座和滚转单倾转组件滚转关节，旋翼电机安装于滚转单倾转组件旋翼电机座上，滚转单倾转组件旋翼电机座绕滚转单倾转组件滚转关节旋转，滚转单倾转组件滚转关节连接在旋翼臂上；当Q＝2时，倾转机构包括二倾转组件旋翼电机座、二倾转组件滚转关节和二倾转组件俯仰关节，旋翼电机安装于二倾转组件旋翼电机座，二倾转组件旋翼电机座绕二倾转组件滚转关节旋转，二倾转组件滚转关节绕二倾转组件俯仰关节旋转，二倾转组件俯仰关节连接在旋翼臂上。

优选的，附着组件包括附着基座、多连杆机构、抱夹、法兰盘和附着电机，多连杆机构有两套，左右对称分布于附着基座下端，抱夹连接于多连杆机构末端，附着电机内置于附着基座内部，法兰盘设置于两套多连杆机构之间，并与附着电机输出端连接，法兰盘在附着电机的旋转驱动下带动两侧的抱夹向内加紧或向外松开。

优选的，附着组件通过机械缓冲装置连接于机身上，机械缓冲装置包括机械缓冲装置基座和安装于机械缓冲装置基座内的弹簧阻尼缓冲器，机械缓冲装置基座和附着基座通过活动螺栓连接，保证了具有可缓冲移动的空间。

优选的，附着组件的数量K≥1；当K≥2时，附着组件的排列方式为纵列式、横列式或两种方式的组合。

优选的，作业组件包括多自由度的机械臂、位于机械臂末端的作业工具，多自由度的机械臂通过机械臂基座安装于机身上。

优选的，空中机器人还包括尾支撑组件，尾支撑组件包括固连于机身尾部的尾支撑基座、固连于尾支撑基座的尾支撑舵机(502)、由尾支撑舵机驱动旋转的尾支撑件(503)，尾支撑件(503)末端支撑在待附着物体上。

本发明的一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人的工作方法，包括附着方法和附着脱离方法；其中：

附着方法为：当空中机器人飞行到待附着物体附近后，首先根据接收到的俯仰姿态垂直遥控指令，调整倾转旋翼组件的倾转角度、旋翼转速和飞行高度，使空中机器人俯仰姿态变为垂直，并使附着组件朝向待附着物体；然后根据接收到的附着遥控指令，控制空中机器人前飞，当待附着物体进入附着组件范围时，利用附着组件进行附着；接着根据接收到的作业指令，控制作业组件置作业；

附着脱离方法为：当空中机器人附着于待附着物体后，首先根据接收到的脱离遥控指令，空中机器人打开附着组件，调整倾转旋翼组件倾转角度，使空中机器人退出附着物体的同时保持高度，在退出附着物体设定距离后，改变倾转旋翼组件的倾转角度使空中机器人恢复水平。

本发明的一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人的控制方法，包括倾转旋翼组件的控制方法、附着组件的控制方法、尾支撑组件的控制方法以及作业组件的控制方法，具体为：

倾转旋翼组件的控制方法为：

机身的主控制器通过控制倾转旋翼组件倾转的转动角度和旋翼电机的转速来动态改变空中机器人的姿态，使空中机器人呈不同的姿态附着于待附着物体；

当倾转机构的自由度Q＝1且为单俯仰倾转时，空中机器人实现俯仰姿态垂直；

当倾转机构的自由度Q＝1且为单滚转倾转时，空中机器人实现滚转姿态垂直；

当倾转机构的自由度Q＝2时，空中机器人实现俯仰滚转姿态同时垂直；

配合附着组件和尾支撑组件进行附着协调降落：

若通过附着组件和尾支撑组件成功附着于待附着物体上，倾转旋翼组件的旋翼降低转速时空中机器人未出现打滑现象，则附着效果良好，旋翼缓慢降速直至停转；

若通过附着组件和尾支撑组件成功附着于待附着物体上，旋翼降低转速时，空中机器人开始出现打滑现象，则此刻转速为附着临界点，停止降速的同时增大附着组件的收缩力度和尾支撑组件的支撑力度，接着旋翼继续降速，若继续出现打滑，则重复上述“停止降速的同时增大附着组件的收缩力度和尾支撑组件的支撑力度，接着旋翼继续降速，若继续出现打滑”的步骤，直至不打滑时旋翼停转；若附着组件达到最大的收缩力度、尾支撑组件达到最大支撑力度，仍出现打滑现象，则已达到附着范围的最大值，停止旋翼降速并退出；

附着组件的控制方法为：

附着控制器实时采集附着电机工作时的电流、转速和温度，并发送至机身的主控制器以用于监控；

实时评估附着组件的工作状态：

若附着电机的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，则判定附着组件过载；

若附着电机的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，则判定附着组件卡阻；

若附着电机的电流或转速出现周期性的脉动且幅度超过设定门限，则判定附着组件发生损伤；

附着组件工作状态的异常处理方法：

若判定为过载，则向机身发送悬停指令，停止附着；

若判定为卡阻或损伤，则令附着电机刹车，同时向机身发送回退指令；

尾支撑组件的控制方法为：

尾支撑控制器实时采集尾支撑舵机工作时的电流、转速和温度，并发送至机身的主控制器以用于监控；

实时评估尾支撑组件的工作状态：

若尾支撑舵机的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，则判定尾支撑组件过载；

若尾支撑舵机的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，则判定尾支撑组件卡阻；

若附着电机的电流或转速出现周期性的脉动且幅度超过设定门限，则判定尾支撑组件发生损伤；

尾支撑组件工作状态的异常处理方法：

若判定为过载，则向机身发送悬停指令，停止附着；

若判定为卡阻或损伤，则令附着电机刹车，同时向机身发送回退指令；

作业组件的控制方法为：

当作业组件收到机身中的主控制器的“作业”指令时，多自由度机械臂上的机械臂控制器驱动机械臂运动，从而带动作业工具开始朝向目标运动；

作业工具上自带的摄像头将采集的图像发送至机械臂控制器，机械臂控制器检测需要作业的目标，根据目标实时的调整多自由度机械臂；

实时评估作业组件的工作状态：

若某一节机械臂的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，则判定这一节机械臂过载；

若某一节机械臂的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，则判定这一节机械臂卡阻；

若某一节机械臂的电流或转速出现周期性的脉动且幅度超过设定门限，则判定这一节机械臂发生损伤；

作业组件工作状态的异常处理方法：

若判定为过载、卡阻或损伤，则停止作业，同时向机身发送回退指令。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著技术效果为：(1)本发明通过在机身上安装旋翼组件、附着组件、作业组件、能够实现空中机器人在垂直面或倾斜面上栖息，扩展了空中机器人的应用范围，提高了空中机器人的机动能力和作业能力；并进一步通过在机身尾部安装尾支撑组件，提高空中机器人附着的稳定性和可靠性；(2)空中机器人具有动态改变姿态的能力，升力由旋翼提供，通过倾转电机改变旋翼的升力方向，可实现空中机器人任意姿态的悬停和运动，这种旋翼加倾转的方式将传统多旋翼的线运动和角运动解耦，能够实现六自由度运动，解决了传统多旋翼不能线运动和角运动独立控制的问题；(3)附着组件安装于机身的下方，可有效避免附着时物体对旋翼组件的干涉，减少坠机风险，提高附着的安全性；(4)附着组件采用左右双侧对称结构或者前后对称结构，固连于机身的下方，多组附着组件增加了附着的稳定性与可靠性；当附着组件遭受外力干扰时，相比与单个附着组件方式，不易掉落，难以造成附着组件的形变或断裂，保证了空中机器人的附着安全性；(5)附着组件同时具有起落架的作用；(6)抱夹或附着爪表面具有尖齿，附着时能够嵌入物体中起到增大摩擦力的作用；(7)尾支撑组件在附着过程中，和附着组件构成三角形的结构，通过三角形的稳定性，提高了空中机器人的稳定性和可靠性；相比于单独的附着组件，增加了尾支撑组件后，空中机器人附着更加的安全可靠；(8)尾支撑组件可旋转尾翼支撑面，用于调整尾翼支撑面的角度，更好的适应不同的栖息场景，同时在飞行过程中，可折叠至机身；(9)尾支撑组件末端具有尾翼尖齿，能够嵌入栖息面的表面，增大栖息的支撑力；(10)作业组件通过多自由度机械臂连接末端工具，末端工具可根据应用场景进行更换，包括但不限于锯子、机械爪、剪刀等工具。

附图说明

图1为仿啄木鸟附着作业的空中机器人的附着示意图；

图2为仿啄木鸟附着作业的空中机器人俯仰单倾转旋翼组件的结构示意图；

图3为仿啄木鸟附着作业的空中机器人滚转单倾转旋翼组件的结构示意图；

图4为仿啄木鸟附着作业的空中机器人双倾转旋翼组件的结构示意图；

图5为仿啄木鸟附着作业的空中机器人附着组件的结构示意图；

图6为仿啄木鸟附着作业的空中机器人附着组件的剖面示意图；

图7为仿啄木鸟附着作业的空中机器人作业组件的结构示意图；

图8为仿啄木鸟附着作业的空中机器人尾支撑组件的结构示意图；

图9为仿啄木鸟附着作业的空中机器人附着过程示意图；

图10为仿啄木鸟附着作业的空中机器人附着脱离过程示意图；

图中，1—机身，2—旋翼组件，3—附着组件，4—作业组件，5—尾支撑组件，6—树木，201—旋翼臂，202—旋翼，203—旋翼电机，2101—俯仰单倾转组件旋翼电机座， 2102—俯仰单倾转组件俯仰关节，2201—滚转单倾转组件旋翼电机座，2202—滚转单倾转组件滚转关节，2301—二倾转组件旋翼电机座，2302—二倾转组件滚转关节，2303—二倾转组件俯仰关节，301—机械缓冲装置基座，302—附着基座，303—多连杆机构， 304—抱夹，305—抱夹电机法兰盘，306—弹簧阻尼缓冲器，307—附着电机，308—活动螺栓，401—多自由度机械臂，402—作业工具，403—机械臂基座，501—尾支撑基座， 502—尾支撑舵机，503—尾支撑件。

具体实施方式

下面，结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图1所示，一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人，包括飞行器、固连于飞行器腹部的附着组件3、连接于飞行器的作业组件4，飞行器通过附着组件3以任意姿态附着在待附着物体上，并通过作业组件4进行作业。其中飞行器包括机身1、通过旋翼臂201连接于机身周边的N个倾转旋翼组件2，N≥2。

优选的，上述倾转旋翼组件2包括安装于旋翼臂201外端的倾转机构、固连于倾转机构输出端的旋翼电机203、由旋翼电机驱动的旋翼202；倾转机构内置Q个倾转电机，则倾转机构的自由度为Q，Q∈[1,2]，Q＝1时，倾转旋翼组件为俯仰单倾转组件或滚转单倾转组件，Q＝2时，倾转旋翼组件为二倾转组件；每个倾转旋翼组件包括1或2个旋翼，每个旋翼有一个旋翼电机驱动，旋翼电机203的数量为M，M∈[1,2]，M＝2时旋翼电机203为共轴反向安装。

实施例2：一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人，所述倾转旋翼组件倾转自由度个数Q＝1，如图2所示，倾转机构包括俯仰单倾转组件旋翼电机座2101和俯仰单倾转组件俯仰关节2102，旋翼电机203安装于俯仰单倾转组件旋翼电机座2101上，俯仰单倾转组件旋翼电机座2101可绕俯仰单倾转组件俯仰关节2102旋转，俯仰单倾转组件俯仰关节2102连接在旋翼臂201上；可实现单俯仰倾转。

实施例3：一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人，所述倾转旋翼组件倾转自由度个数Q＝1，如图3所示所述滚转单倾转旋翼组件倾转自由度个数Q＝1，倾转机构包括滚转单倾转组件旋翼电机座2201和滚转单倾转组件滚转关节2202，旋翼电机203安装于滚转单倾转组件旋翼电机座2201上，滚转单倾转组件旋翼电机座2201可绕滚转单倾转组件滚转关节2202旋转，滚转单倾转组件滚转关节2202连接在旋翼臂201上；可实现单滚转倾转。

实施例4：一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人，所述倾转旋翼组件倾转自由度个数Q＝2，如图4所示，倾转机构包括二倾转组件旋翼电机座2301、二倾转组件滚转关节 2302和二倾转组件俯仰关节2303，旋翼电机203安装于二倾转组件旋翼电机座2301上，二倾转组件旋翼电机座2301可绕二倾转组件滚转关节2302旋转，二倾转组件滚转关节 2302可绕二倾转组件俯仰关节2303旋转，二倾转组件俯仰关节2303连接在旋翼臂201 上，可实现俯仰和滚转二倾转。

实施例5：如图5所示，附着组件3为抱夹构型，包括附着基座302，连接于附着基座302下端呈左右对称分布的两套多连杆机构303、连接于多连杆机构303末端且设有用于增大摩擦力的尖齿的抱夹304、内置于附着基座302内部的附着电机307、与两套多连杆机构303中部连接的抱夹电机法兰盘305，附着电机307的输出轴设有螺纹，可与法兰盘305的内螺纹相配合，在附着电机307的旋转驱动下，法兰盘305上下移动带动两侧的抱夹304向内加紧或向外松开，抱夹304的表面布置有增大摩擦力的尖齿。

附着组件3也可以采用附着爪，用于抓紧待附着物体。

优选的，上述附着组件3同时具有起落架的作用。

优选的，上述附着组件3与机身1之间设有机械缓冲装置。如图6所示，机械缓冲装置包括机械缓冲装置基座301和弹簧阻尼缓冲器306，机械缓冲装置基座301中安装有弹簧阻尼缓冲器306，机械缓冲装置基座301和附着基座302通过活动螺栓308连接，保证了具有可缓冲移动的空间。机械缓冲装置基座301与机身1腹部连接。

实施例6：一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人，其附着组件3上的机械缓冲装置如图6所示；机械缓冲装置基座301连接附着基座302和机身1腹部，机械缓冲装置基座301内部安装有弹簧阻尼缓冲器306，通过弹簧阻尼缓冲器306的减震效果起到在附着时减小冲击的作用。

实施例7：如图7所示，作业组件4包括多自由度的机械臂401、位于机械臂401 末端的作业工具402，多自由度的机械臂401通过机械臂基座403安装于机身1上。作业工具402包括刀、锯子、钳子、螺丝刀或机械爪。

实施例8：如图8所示，空中机器人的尾部设有提升附着稳定性的尾支撑组件5，所述尾支撑组件5包括尾支撑基座501、固连于尾支撑基座501的尾支撑舵机502、由尾支撑舵机502驱动旋转的尾支撑件503，尾支撑基座501安装于机身尾部，尾支撑舵机502驱动尾支撑件503旋转，使得尾支撑件503末端支撑在待附着物体上；尾支撑件 503尾端表面布置有增大摩擦力的尖齿。

实施例9：所述仿啄木鸟附着作业的空中机器人的工作方法与控制方法如下：

一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人附着方法如下：如图9所示，当空中机器人飞行到物体附近后，首先根据接收到的俯仰姿态垂直遥控指令后，调整倾转旋翼组件2的倾转角度、旋翼转速和飞行高度，使空中机器人俯仰姿态变为垂直，并使附着组件3朝向待附着物体，然后根据接收到的附着遥控指令后，控制空中机器人前飞，当物体进行附着组件范围时，利用附着组件3进行附着；接着根据接收到的作业指令后，控制作业组件4作业。

一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人附着脱离的方法如下：如图10所示，当空中机器人附着目标物后，首先接收到脱离的遥控指令后，空中机器人打开附着组件3，调整旋翼组件2倾转角度，使空中机器人退出附着目标物的同时保持高度，在退出附着物足够长的距离后，改变旋翼组件2的倾转角度使空中机器人恢复水平。

一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人的控制方法：包括旋翼组件2的控制方法、附着组件3的控制方法、尾支撑组件5的控制方法以及作业组件4的控制方法，具体如下：

(1)旋翼组件2的控制方法为：

(11)机身1的主控制器通过控制旋翼组件2的倾转的转动角度和旋翼电机203的转速来动态改变空中机器人的姿态，由此使空中机器人呈不同的姿态来进行附着。

(12)配合附着组件3和尾支撑组件5进行附着协调降落：

①若通过附着组件3和尾支撑组件5成功附着物体上，旋翼202降低转速时空中机器人未出现打滑现象，说明附着效果良好，旋翼202缓慢降速直至停转。

②若通过附着组件3和尾支撑组件5成功附着物体上，旋翼202降低转速时，空中机器人开始出现打滑现象，说明此刻转速为附着临界点，停止降速的同时增大附着组件3的收缩力度和尾支撑组件5的支撑力度，接着旋翼202继续降速，若继续出现打滑，重复上述“停止降速的同时增大附着组件3的收缩力度和尾支撑组件5的支撑力度，接着旋翼202继续降速”的步骤，直至不打滑时旋翼202停转。

③若通过附着组件3和尾支撑组件5成功附着物体上，旋翼202降低转速时，空中机器人开始出现打滑现象，说明此刻转速为附着临界点，停止降速的同时增大附着组件3的收缩力度和尾支撑组件5的支撑力度，接着旋翼202继续降速，若继续出现打滑，重复上述“停止降速的同时增大附着组件3的收缩力度和尾支撑组件5的支撑力度，接着旋翼202继续降速”的步骤，若附着组件达到最大的收缩力度、尾支撑组件达到最大支撑力度，任出现打滑现象，则说明已达到附着范围的最大值，停止旋翼202降速并退出。

(2)附着组件3的控制方法为：

(21)附着控制器实时采集附着电机307工作时的电流、转速和温度，并发送至机身1的主控制器以用于监控；

(22)实时评估附着组件3的工作状态：

①设过载对应的电流门限、转速门限、温度门限已知，若附着电机307的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，可判定附着组件3过载；

②设卡阻对应的电流门限、转速门限、温度门限已知，若附着电机307的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，可判定附着组件3卡阻；

③若附着电机307的电流或转速出现周期性的脉动且幅度超过预定门限，可判定附着组件发生损伤。

(23)工作状态的异常处理方法：

①若判定为过载，即向机身1主控制器发送悬停指令，停止附着；

②若判定为卡阻或损伤，即令附着电机307刹车，同时向机身1主控制器发送回退指令；

(3)尾支撑组件5的控制方法为：

(31)尾支撑控制器实时采集尾支撑舵机502工作时的电流、转速和温度，并发送至机身1的主控制器以用于监控；

(32)实时评估尾支撑组件5的工作状态：

①设过载对应的电流门限、转速门限、温度门限已知，若尾支撑舵机502的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，可判定尾支撑组件5过载；

②设卡阻对应的电流门限、转速门限、温度门限已知，若尾支撑舵机502的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，可判定尾支撑组件5卡阻；

③若尾支撑舵机502的电流或转速出现周期性的脉动且幅度超过预定门限，可判定尾支撑组件5发生损伤。

(33)工作状态的异常处理方法：

①若判定为过载，即向机身1发送悬停指令，停止附着；

②若判定为卡阻或损伤，即令尾支撑舵机502刹车，同时向机身1发送回退指令；

(4)作业组件4的控制方法为：

(41)当作业组件4收到机身1中的主控制器的“作业”指令时，多自由度机械臂401上的机械臂控制器驱动机械臂运动，从而带动作业工具402开始朝向目标运动；

(42)作业工具402上带有摄像头，摄像头将采集的图像发送至机械臂控制器，机械臂控制器检测需要作业的目标，根据目标实时的调整多自由度机械臂401；

(43)实时评估作业组件4的工作状态：

①设机械臂401的每一个关节过载对应的电流门限、转速门限、温度门限已知，若某一关节的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，可判定这某一关节过载；

②设某一关节对应的电流门限、转速门限、温度门限已知，若某一关节的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，可判定这一关节卡阻；

③若某一关节的电流或转速出现周期性的脉动且幅度超过预定门限，可判定这一关节发生损伤。

(44)工作状态的异常处理方法：

①若判定为过载、卡阻或损伤，即停止作业，同时向机身1发送回退指令。

Claims (10)

1.一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人，其特征在于：包括飞行器、固连于飞行器腹部的附着组件(3)、连接于飞行器的作业组件(4)，飞行器包括机身(1)以及连接于机身(1)周边的至少两个倾转旋翼组件(2)，飞行器通过附着组件(3)以任意姿态附着在待附着物体上，并通过作业组件(4)进行作业。

2.根据权利要求1所述的一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人，其特征在于：倾转旋翼组件(2)包括旋翼臂(201)、倾转机构、旋翼(202)和旋翼电机(203)，旋翼臂(201)安装于机身(1)上，其外端安装有倾转机构，旋翼电机(203)固连于倾转机构输出端，用于驱动旋翼(202)；倾转机构的自由度为Q，Q∈[1,2]，Q＝1时，倾转旋翼组件为俯仰单倾转组件或滚转单倾转组件，Q＝2时，倾转旋翼组件为二倾转组件；旋翼电机(203)的数量为M，M∈[1,2]，M＝2时旋翼电机(203)为共轴反向安装，旋翼(202)数量与旋翼电机(203)相等。

3.根据权利要求2所述的一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人，其特征在于：当倾转机构的自由度Q＝1时存在单俯仰或滚转倾转，若为单俯仰倾转，倾转机构包括俯仰单倾转组件旋翼电机座(2101)和俯仰单倾转组件俯仰关节(2102)，旋翼电机(203)安装于俯仰单倾转组件旋翼电机座(2101)上，俯仰单倾转组件旋翼电机座(2101)绕俯仰单倾转组件俯仰关节(2102)旋转，俯仰单倾转组件俯仰关节(2102)连接在旋翼臂(201)上；若为单滚转倾转，倾转机构包括滚转单倾转组件旋翼电机座(2201)和滚转单倾转组件滚转关节(2202)，旋翼电机(203)安装于滚转单倾转组件旋翼电机座(2201)上，滚转单倾转组件旋翼电机座(2201)绕滚转单倾转组件滚转关节(2202)旋转，滚转单倾转组件滚转关节(2202)连接在旋翼臂(201)上；当Q＝2时，倾转机构包括二倾转组件旋翼电机座(2301)、二倾转组件滚转关节(2302)和二倾转组件俯仰关节(2303)，旋翼电机(203)安装于二倾转组件旋翼电机座(2301)，二倾转组件旋翼电机座(2301)绕二倾转组件滚转关节(2302)旋转，二倾转组件滚转关节(2302)绕二倾转组件俯仰关节(2303)旋转，二倾转组件俯仰关节(2303)连接在旋翼臂(201)上。

4.根据权利要求1所述的一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人，其特征在于：附着组件(3)包括附着基座(302)、多连杆机构(303)、抱夹(304)、法兰盘(305)和附着电机(307)，多连杆机构(303)有两套，左右对称分布于附着基座(302)下端，抱夹(304)连接于多连杆机构(303)末端，附着电机(307)内置于附着基座(302)内部，法兰盘(305)设置于两套多连杆机构(303)之间，并与附着电机(307)输出端连接，法兰盘在附着电机(307)的旋转驱动下带动两侧的抱夹(304)向内加紧或向外松开。

5.根据权利要求4所述的一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人，其特征在于：附着组件(3)通过机械缓冲装置连接于机身(1)上，机械缓冲装置包括机械缓冲装置基座(301)和安装于机械缓冲装置基座(301)内的弹簧阻尼缓冲器(306)，机械缓冲装置基座(301)和附着基座(302)通过活动螺栓(308)连接，保证了具有可缓冲移动的空间。

6.根据权利要求1所述的一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人，其特征在于：附着组件(3)的数量K≥1；当K≥2时，附着组件(3)的排列方式为纵列式、横列式或两种方式的组合。

7.根据权利要求1所述的一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人，其特征在于：作业组件(4)包括多自由度的机械臂(401)、位于机械臂(401)末端的作业工具(402)，多自由度的机械臂(401)通过机械臂基座(403)安装于机身(1)上。

8.根据权利要求1所述的一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人，其特征在于：空中机器人还包括尾支撑组件(5)，尾支撑组件(5)包括固连于机身(1)尾部的尾支撑基座(501)、固连于尾支撑基座(501)的尾支撑舵机(502)、由尾支撑舵机驱动旋转的尾支撑件(503)，尾支撑件(503)末端支撑在待附着物体上。

9.一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人的工作方法，其特征在于，包括附着方法和附着脱离方法；其中：

附着方法为：当空中机器人飞行到待附着物体附近后，首先根据接收到的俯仰姿态垂直遥控指令，调整倾转旋翼组件的倾转角度、旋翼转速和飞行高度，使空中机器人俯仰姿态变为垂直，并使附着组件朝向待附着物体；然后根据接收到的附着遥控指令，控制空中机器人前飞，当待附着物体进入附着组件范围时，利用附着组件进行附着；接着根据接收到的作业指令，控制作业组件置作业；

附着脱离方法为：当空中机器人附着于待附着物体后，首先根据接收到的脱离遥控指令，空中机器人打开附着组件，调整倾转旋翼组件倾转角度，使空中机器人退出附着物体的同时保持高度，在退出附着物体设定距离后，改变倾转旋翼组件的倾转角度使空中机器人恢复水平。

10.一种仿啄木鸟附着作业的空中机器人的控制方法，其特征在于，包括倾转旋翼组件的控制方法、附着组件的控制方法、尾支撑组件的控制方法以及作业组件的控制方法，具体为：

(1)倾转旋翼组件的控制方法为：

(11)机身的主控制器通过控制倾转旋翼组件倾转的转动角度和旋翼电机的转速来动态改变空中机器人的姿态，使空中机器人呈不同的姿态附着于待附着物体；

当倾转机构的自由度Q＝1且为单俯仰倾转时，空中机器人实现俯仰姿态垂直；

当倾转机构的自由度Q＝1且为单滚转倾转时，空中机器人实现滚转姿态垂直；

当倾转机构的自由度Q＝2时，空中机器人实现俯仰滚转姿态同时垂直；

(12)配合附着组件和尾支撑组件进行附着协调降落：

若通过附着组件和尾支撑组件成功附着于待附着物体上，倾转旋翼组件的旋翼降低转速时空中机器人未出现打滑现象，则附着效果良好，旋翼缓慢降速直至停转；

若通过附着组件和尾支撑组件成功附着于待附着物体上，旋翼降低转速时，空中机器人开始出现打滑现象，则此刻转速为附着临界点，停止降速的同时增大附着组件的收缩力度和尾支撑组件的支撑力度，接着旋翼继续降速，若继续出现打滑，则重复上述“停止降速的同时增大附着组件的收缩力度和尾支撑组件的支撑力度，接着旋翼继续降速，若继续出现打滑”的步骤，直至不打滑时旋翼停转；若附着组件达到最大的收缩力度、尾支撑组件达到最大支撑力度，仍出现打滑现象，则已达到附着范围的最大值，停止旋翼降速并退出；

(2)附着组件的控制方法为：

(21)附着控制器实时采集附着电机工作时的电流、转速和温度，并发送至机身的主控制器以用于监控；

(22)实时评估附着组件的工作状态：

若附着电机的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，则判定附着组件过载；

若附着电机的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，则判定附着组件卡阻；

若附着电机的电流或转速出现周期性的脉动且幅度超过设定门限，则判定附着组件发生损伤；

(23)附着组件工作状态的异常处理方法：

若判定为过载，则向机身发送悬停指令，停止附着；

若判定为卡阻或损伤，则令附着电机刹车，同时向机身发送回退指令；

(3)尾支撑组件的控制方法为：

(31)尾支撑控制器实时采集尾支撑舵机工作时的电流、转速和温度，并发送至机身的主控制器以用于监控；

(32)实时评估尾支撑组件的工作状态：

若尾支撑舵机的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，则判定尾支撑组件过载；

若尾支撑舵机的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，则判定尾支撑组件卡阻；

若附着电机的电流或转速出现周期性的脉动且幅度超过设定门限，则判定尾支撑组件发生损伤；

(33)尾支撑组件工作状态的异常处理方法：

若判定为过载，则向机身发送悬停指令，停止附着；

若判定为卡阻或损伤，则令附着电机刹车，同时向机身发送回退指令；

(4)作业组件的控制方法为：

(41)当作业组件收到机身中的主控制器的“作业”指令时，多自由度机械臂上的机械臂控制器驱动机械臂运动，从而带动作业工具开始朝向目标运动；

(42)作业工具上自带的摄像头将采集的图像发送至机械臂控制器，机械臂控制器检测需要作业的目标，根据目标实时的调整多自由度机械臂；

(43)实时评估作业组件的工作状态：

若某一节机械臂的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，则判定这一节机械臂过载；

若某一节机械臂的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，则判定这一节机械臂卡阻；

若某一节机械臂的电流或转速出现周期性的脉动且幅度超过设定门限，则判定这一节机械臂发生损伤；

(44)作业组件工作状态的异常处理方法：

若判定为过载、卡阻或损伤，则停止作业，同时向机身发送回退指令。

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