CN116022324B - 一种链式自主拼接重构的模块化空中机器人 - Google Patents
一种链式自主拼接重构的模块化空中机器人 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种链式自主拼接重构的模块化空中机器人，由若干个拼接扩展模块拼接而成；其中，第i个拼接扩展模块包括保护框架，所述保护框架上安装有含桨叶的动力电机；在保护框架的一端设有关节X轴向旋转控制电机，关节X轴向旋转控制电机的输出端安装有关节Y轴向旋转控制电机，关节Y轴向旋转控制电机的输出端安装有拼接母头；保护框架的另一端设有关节Z轴向旋转控制电机，固定关节Z轴向旋转控制电机的输出端安装有拼接子头；所述拼接母头与第i+1个拼接扩展模块中的拼接子头配合；所述拼接子头与第i‑1个拼接扩展模块中的拼接母头配合。本发明可以根据执行任务的不同，自适应地调整拼接扩展模块的姿态和数量，实现自主拼接。
Description
技术领域
本发明涉及自组装模块化空中机器人领域，尤其涉及一种链式自主拼接重构的模块化空中机器人。
背景技术
模块化空中机器人，源自模块化机器人领域，为可实现飞行能力或者以飞行作为主要移动方式的模块化机器人，实现由一些较为简单的空中机器人模块单元拼接成结构上更复杂的空中机器人以实现单个小型空中机器人无法完成的复杂任务，并且整体有一定的可重构能力，以应对不同任务下对拼接成整体的空中机器人单元数量以及拼接成的形状不同的需求，从而可以体现出小型空中机器人单元的便携性以及飞行移动灵活能力下又可以实现对复杂任务的操作能力与适应能力。
自主拼接能力，指多个模块化空中机器人在空中悬停或者飞行移动过程中自主的刚性的拼接在一起，并且不中断飞行情况下在拼接成一体后仍然可实现稳定飞行的能力；可重构能力，指多个模块化空中机器人拼接成一体后为实现接下来其他的不同任务而需要断开部分已经拼接好的模块单元或者拼接加入更多的单元模块，或者在不删减单元模块下整体变形成不同的形状以适应不同任务的能力。
目前的技术上，例如东京大学的DRAGON空中机器人，具备拼接后的自主变形能力，具有一定的自主重构能力，但是需要在各部分模块化机器人停止运作情况下人为手动的拼接，整体操作效率低，没有自主拼接能力，而宾西法尼亚大学的ModQuad模块化空中机器人，具有自主空中拼接能力，但是无法自主拆卸的磁力拼接导致无法实现拼接后的自主断开模块单元的能力，可重构能力不足，导致难以实现更多不同的操作任务，而ETH的自组装空中机器人需要在地面上依靠机器人的轮移动拼接后才能起飞，无法在空中就完成拼接任务，而且拼接后各个模块单元相对位置固定，整体无法变形，所以可重构能力不足。
目前的模块化空中机器人在自主拼接，自主重构能力上存在各自的不足，一是自主拼接能力不足：需要人工拼接，一是可重构能力不足：无法自主的模块拆卸导致数量上无法减少或者无法实现整体变形而导致的重构能力不足，导致可完成的任务种类受限制，无法更好的体现模块化空中机器人的优势，三是自主拼接与可重构能力均存在不足。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提出了一种链式自主拼接自主重构模块化空中机器人及其控制方法。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
本发明提出了一种链式自主拼接重构的模块化空中机器人，由若干个拼接扩展模块拼接而成；其中，第i个拼接扩展模块包括保护框架，所述保护框架上安装有含桨叶的动力电机；在保护框架的一端设有关节X轴向旋转控制电机，关节X轴向旋转控制电机的输出端安装有关节Y轴向旋转控制电机，关节Y轴向旋转控制电机的输出端安装有拼接母头；保护框架的另一端设有关节Z轴向旋转控制电机，固定关节Z轴向旋转控制电机的输出端安装有拼接子头；所述拼接母头与第i+1个拼接扩展模块中的拼接子头配合；所述拼接子头与第i-1个拼接扩展模块中的拼接母头配合。
进一步地，所述拼接母头具体包括拼接母头机臂，所述拼接母头机臂的一端与关节Y轴向旋转控制电机的输出端相连，另一端与拼接母头楔形头连接；所述拼接母头楔形头内设有拼接母头永磁铁。
进一步地，所述拼接母头楔形头的自由端安装有螺杆旋转控制电机，螺杆旋转控制电机控制螺杆转动，螺杆与方型块相连，推动方型块轴向运动，用于在拼接母头与拼接子头断开时推动拼接子头。
进一步地，所述拼接子头包括拼接子头机臂，拼接子头机臂的一端与关节Z轴向旋转控制电机的输出端相连，另一端与拼接子头楔形头连接。
进一步地，所述拼接子头机臂上还安装有拼接子头卡销旋转控制电机，所述拼接子头楔形头上设有一拼接子头卡销，拼接子头卡销旋转控制电机的输出轴与拼接子头卡销相连，通过拼接子头卡销旋转控制电机控制拼接子头卡销的旋转，用于拼接母头与拼接子头配合时卡紧拼接母头。
进一步地，所述拼接母头楔形头上还开有一方形孔；所述子头卡销穿过方形孔，旋转卡紧拼接母头。
进一步地，所述拼接子头楔形头的前端还嵌有拼接子头永磁铁；所述拼接子头永磁铁与拼接母头永磁铁的位置相对。
进一步地，所述保护框架的上层安装有动力电池，在动力电池的上方通过支撑柱安装有上位机、二维码图片固定板、视觉传感器、飞控驱动器；所述动力电池给上位机和含桨叶的动力电机供电，以驱动视觉传感器、飞控驱动器工作；所述上位机通过视觉传感器识别待拼接扩展模块上的二维码图片固定板获取位姿信息，以此通过飞控驱动器控制关节Y轴向旋转控制电机、关节X轴向旋转控制电机、关节Z轴向旋转控制电机，与待拼接扩展模块拼接。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提供了一种链式自主拼接重构的模块化空中机器人由若干个拼接扩展模块拼接而成，可以根据执行任务的不同，自适应地调整拼接扩展模块的姿态和数量。实现自主拼接，实现更高的自主重构操作，弥补目前空中模块化机器人在自主拼接，自主重构能力不足的问题，进一步提高模块化空中机器人的自主作业能力，复杂任务适应能力。
附图说明
图1为单个模块化空中机器人的第一视角的示意图；
图2为单个模块化空中机器人的第二视角的示意图；
图3为拼接母头部分的示意图；
图4为拼接子头卡销部分的局部剖视图；
图5为关节各轴向旋转的示意图；
图6为模块化空中机器人拼接过程的示意图；
图7为模块化空中机器人拼接结束的示意图；
图8为模块化空中机器人拼接后变形的俯视图；
图9为模块化空中机器人拼接后变形的侧视图；
图10为模块化空中机器人拼接后变形的斜视图。
图中，1-含桨叶的动力电机；2-保护框架；3-关节Y轴向旋转控制电机；4-拼接母头机臂；5-拼接母头永磁铁；6-拼接母头楔形头；7-关节X轴向旋转控制电机；8-关节Z轴向旋转控制电机；9-拼接子头机臂；10-拼接子头卡销旋转控制电机；11-拼接子头楔形头；12-动力电池；13-上位机；14-二维码图片固定板；15-视觉传感器；16-飞控驱动器；17-拼接子头卡销；18-拼接子头永磁铁；19-螺杆旋转控制电机；20-螺杆；21-螺丝孔方型块；22-第i个拼接扩展模块；23-第i+1个拼接扩展模块。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
如图1-图10所示，本发明提供了一种链式自主拼接重构的模块化空中机器人，实现多个模块化空中机器人在空中自主刚性地链式地拼接在一起，同时可以根据任务变化，将拼接在一起的相邻的模块化空中机器人可以自主的分离。同时拼接在一起的整体呈链式分布，拼接部分安装电机，可控制拼接部分实现三个自由度地旋转，从而可以实现整体在飞行过程中的形状变形以适应更复杂地任务，可重构能力较强。
如图1所示，本发明提供了一种链式自主拼接重构的模块化空中机器人由若干个拼接扩展模块拼接而成。其中，第i个拼接扩展模块包括保护框架2，所述保护框架2分为双层结构。保护框架2的下层安装有4个含桨叶的动力电机1，以提供单个拼接扩展模块在空间中的6自由度移动。保护框架2的上层安装有动力电池12，在动力电池12的上方通过支撑柱安装有上位机13、二维码图片固定板14、视觉传感器15、飞控驱动器16，动力电池12给上位机13和动力电机1供电，同时供电给飞控驱动器16使其工作，上位机13连接视觉传感器15，给视觉传感器15供电同时采集来自视觉传感器15的图像信息。在本实例中，所述上位机13采用nx开发板。
在保护框架2的一端通过第一电机固定支架固定关节X轴向旋转控制电机7，关节X轴向旋转控制电机7的输出轴与第二电机固定支架连接，通过第二电机固定支架安装关节Y轴向旋转控制电机3，关节Y轴向旋转控制电机3的输出端安装有拼接母头。保护框架2的另一端通过第三电机固定支架固定关节Z轴向旋转控制电机8，固定关节Z轴向旋转控制电机8的输出端安装有拼接子头。所述拼接母头与第i+1个拼接扩展模块中的拼接子头配合。所述拼接子头与第i-1个拼接扩展模块中的拼接母头配合。
具体地，如图3所示，所述拼接母头具体包括拼接母头机臂4、拼接母头楔形头6、螺杆旋转控制电机19、螺杆20、方型块21。其中，拼接母头机臂4的一端与关节Y轴向旋转控制电机3的输出端相连，另一端与拼接母头楔形头6连接。所述拼接母头楔形头6与第i+1个拼接扩展模块中的拼接子头连接，且拼接母头楔形头6为楔形，与拼接子头的外形契合，可以在弥补拼接过程中的对接误差的同时又可以减小拼接完成后的两头间的晃动。所述拼接母头楔形头6内设有拼接母头永磁铁5，该拼接母头永磁铁5与第i+1个拼接扩展模块中的拼接子头设有的永磁铁的位置对应，可以弥补对接误差。拼接母头楔形头6的自由端安装有螺杆旋转控制电机19，螺杆旋转控制电机19控制螺杆20转动，螺杆20与方型块21相连，该方型块21与拼接母头楔形头6的后端方型卡槽契合，用于防止螺杆转动推动方型块21时方型块21的转动，将子头拼接部分推出拼接母头，使得子母头各自永磁铁分离。同时拼接母头后端的方型卡槽开有一方形孔，以防止拼接子头卡销17旋转卡紧过程中发生干涉。
如图2和图4所示，所述拼接子头包括拼接子头机臂9、拼接子头卡销旋转控制电机10、拼接子头楔形头11、拼接子头卡销17和拼接子头永磁铁18。其中，拼接子头机臂9的一端与关节Z轴向旋转控制电机8的输出端相连，另一端与拼接子头楔形头11连接，并且拼接子头机臂9上还安装有拼接子头卡销旋转控制电机10。所述拼接子头楔形头11与与拼接母头的外形契合，可物理上弥补拼接过程中的对接误差。拼接子头楔形头11的前端还嵌有拼接子头永磁铁18，以弥补与拼接母头的对接误差，并且可以减小对接后对接子头与母头间的晃动。所述拼接子头楔形头11上设有一拼接子头卡销17，所述拼接子头卡销17被设计为楔形，拼接子头卡销旋转控制电机10的输出轴与拼接子头卡销17相连，通过拼接子头卡销旋转控制电机10控制拼接子头卡销17的旋转，用于对接完成后与拼接母头间卡紧，进一步保证子母头间刚性的连接。
下面以本发明提供的一种链式自主拼接重构的模块化空中机器人执行抓取搬运物体任务为例，展开说明本发明机器人的工作过程。
实现抓取搬运物体任务时，在起始点起飞多个拼接扩展模块(即多架模块化空中机器人)，依靠单个拼接扩展模块的灵活快速的特点到达待搬运物体附近，然后以其中一个拼接扩展模块为起始模块，其他拼接扩展模块识别起始模块的二维码精确计算起始模块单元的相对位姿，此时所有的关节驱动电机均不旋转，依靠两部分机器人的位姿控制来完成对接与拼接。具体过程为扩展模块单元使用拼接子头通过识别到的二维码相对位姿信息控制对准起始模块单元的拼接母头，同时在子母头的楔形形状与两个拼接头对应位置的磁铁的弥补对接误差作用下，完成子母头的完全对接，此时起始模块单元与拼接扩展单元相对静止，拼接扩展单元的拼接子头在电机控制下旋转卡紧母头，此时起始模块单元母头处的螺杆控制推动的方型块靠近起始模块单元的机体，防止拼接过程中与拼接子头最前端的卡销干涉，至此自主拼接操作完成，当需要更多模块单元拼接需求时，只需把已经拼接好的部分当成起始模块单元或者是扩展模块，当成起始模块单元时，识别起始模块单元末尾的二维码作为起始模块单元的位姿信息进行模块进一步拼接扩展，当成扩展模块时，另外的起始模块单元识别该扩展模块末尾的二维码作为起始模块单元的位姿信息进行模块进一步拼接扩展。
之后拼接好的整体飞行靠近需要操作的物体，通过关节处的关节驱动电机转动关节，达到整体的形状变形来夹住物体，达到抓取搬运任务。
当任务变化时，如果不需要太多已经拼接好的模块单元，即需要拆卸下部分模块单元时，在需要拆卸的关节处，通过电机控制卡销旋转脱开卡紧状态，此时由于磁力存在对脱开有影响，所有之后再通过控制电机转动螺杆推动方型块，方型块在卡槽内向拼接子头方向移动直到推开子头，然后带有该拼接子头的模块单元飞行移动离开。
实现暂栖任务时，拼接与整体变形步骤一样，只需抓取栖息物体后停止动力电机转动达到暂栖操作。
实现全向或者全驱动时，拼接与整体变形步骤一样，只需按需求拼接合适数量的模块单元，并且各拼接完成的关节转动合适的角度实现整体的全向或者全驱动。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。
Claims (8)
1.一种链式自主拼接重构的模块化空中机器人，其特征在于，由若干个拼接扩展模块拼接而成；其中，第i个拼接扩展模块包括保护框架（2），所述保护框架（2）上安装有含桨叶的动力电机（1）；在保护框架（2）的一端设有关节X轴向旋转控制电机（7），关节X轴向旋转控制电机（7）的输出端安装有关节Y轴向旋转控制电机（3），关节Y轴向旋转控制电机（3）的输出端安装有拼接母头；保护框架（2）的另一端设有关节Z轴向旋转控制电机（8），固定关节Z轴向旋转控制电机（8）的输出端安装有拼接子头；所述拼接母头与第i+1个拼接扩展模块中的拼接子头配合；所述拼接子头与第i-1个拼接扩展模块中的拼接母头配合。
2.根据权利要求1所述的链式自主拼接重构的模块化空中机器人，其特征在于，所述拼接母头具体包括拼接母头机臂（4），所述拼接母头机臂（4）的一端与关节Y轴向旋转控制电机（3）的输出端相连，另一端与拼接母头楔形头（6）连接；所述拼接母头楔形头（6）内设有拼接母头永磁铁（5）。
3.根据权利要求2所述的链式自主拼接重构的模块化空中机器人，其特征在于，所述拼接母头楔形头（6）的自由端安装有螺杆旋转控制电机（19），螺杆旋转控制电机（19）控制螺杆（20）转动，螺杆（20）与方型块（21）相连，推动方型块（21）轴向运动，用于在拼接母头与拼接子头断开时推动拼接子头。
4.根据权利要求3所述的链式自主拼接重构的模块化空中机器人，其特征在于，所述拼接子头包括拼接子头机臂（9），拼接子头机臂（9）的一端与关节Z轴向旋转控制电机（8）的输出端相连，另一端与拼接子头楔形头（11）连接。
5.根据权利要求4所述的链式自主拼接重构的模块化空中机器人，其特征在于，所述拼接子头机臂（9）上还安装有拼接子头卡销旋转控制电机（10），所述拼接子头楔形头（11）上设有一拼接子头卡销（17），拼接子头卡销旋转控制电机（10）的输出轴与拼接子头卡销（17）相连，通过拼接子头卡销旋转控制电机（10）控制拼接子头卡销（17）的旋转，用于拼接母头与拼接子头配合时卡紧拼接母头。
6.根据权利要求5所述的链式自主拼接重构的模块化空中机器人，其特征在于，所述拼接母头楔形头（6）上还开有一方形孔；所述拼接子头卡销（17）穿过方形孔，旋转卡紧拼接母头。
7.根据权利要求4所述的链式自主拼接重构的模块化空中机器人，其特征在于，所述拼接子头楔形头（11）的前端还嵌有拼接子头永磁铁（18）；所述拼接子头永磁铁（18）与拼接母头永磁铁（5）的位置相对。
8.根据权利要求1所述的链式自主拼接重构的模块化空中机器人，其特征在于，所述保护框架（2）的上层安装有动力电池（12），在动力电池（12）的上方通过支撑柱安装有上位机（13）、二维码图片固定板（14）、视觉传感器（15）、飞控驱动器（16）；所述动力电池（12）给上位机（13）和含桨叶的动力电机（1）供电，以驱动视觉传感器（15）、飞控驱动器（16）工作；所述上位机（13）通过视觉传感器（15）识别待拼接扩展模块上的二维码图片固定板（14）获取位姿信息，以此通过飞控驱动器（16）控制关节Y轴向旋转控制电机（3）、关节X轴向旋转控制电机（7）、关节Z轴向旋转控制电机（8），与待拼接扩展模块拼接。
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