CN117120217A - 具有关节腿的无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无人机，该无人机具有至少一个中央主体，至少一个推力元件，至少一个关节腿(150)，其中，该至少一个关节腿(150)具有通过关节(160)连接的腿部(170)，其中，该至少一个关节腿(150,150’)以铰接方式经由近端(180)连接到中央主体(110)。根据本发明规定，至少一个关节腿(150,150’)的远端具有可互换卡盘(200)，经由该可互换卡盘(200)，关节腿(150,150’)的远端可以连接到选择的传感装置(210)和/或抓握装置(220)和/或工具(230)。

Description

具有关节腿的无人机
本发明涉及一种无人机，该无人机包括至少一个中央主体、多个螺旋桨叶片、包括通过关节连接的链节的多个铰接臂，其中，螺旋桨叶片围绕基本上彼此平行的轴线可旋转地悬挂，并且其中，螺旋桨叶片的悬挂刚性地连接到中央主体，其中，铰接臂通过铰链经由近端连接到中央主体。
众所周知，自主装置被用于监控杂乱区域和执行各种各样的任务。这些自主装置是无人机、猪、爬行类装置和狗类装置，它们以机器人的方式能够至少部分地自主执行预定任务。
从美国专利申请US2018/0127092A1的公开中，已知一种奔跑和飞行的无人机。作为六足动物，它的螺旋桨翼可以折叠在可移动臂上，当折叠起来时，它指向上方并紧贴肢体。这些无人机可以跑，也可以飞。
上述公开还提到了互联网视频，其中，类似蜘蛛的八足动物与一个小机器人一起出现，令人惊讶地想到真正的大蜘蛛，其运动系统模仿奔跑的蜘蛛的运动，还可以做出蜘蛛典型的威胁姿势。配备了微型计算机这些小机器人模仿各种运动的生动的特点，从外面看起来非常自然和真实。这些微型机器人旨在作为玩具或可行性研究，但它们本身不能完成任何任务，如开关电气装置，监控房间或建筑物，或移动小物体。
本发明的目的是提供一种小型机器人，其可以执行大量较小的家务、监控任务或数据采集任务，而无需人工干预，即无需人工控制。
本发明通过具有根据权利要求1的特征的无人机来实现。在权利要求1的从属权利要求中详细说明了进一步的有利实施例。
根据本发明，通用类型的无人机设置有带有铰接臂的至少一个推力元件，其中，至少一个铰接臂的远端具有可互换的卡盘，通过该卡盘，铰接臂的远端可以连接到选择的传感装置和/或抓握装置和/或工具。
因此，根据本发明的无人机不具有两种相互排斥的运动模式，即飞行或奔跑，但是至少一个推力元件和铰接臂可以彼此独立地使用。因此，有可能插入至少一个推力元件和铰接臂。例如，在爬升任务中，无人机可以通过向后推动至少一个推力元件来产生作用在铰接臂上的力。在爬升任务期间，通过至少一个推力元件的作用，无人机还有可能被支撑在空中。最后，无人机在用铰接臂飞行时也有可能在其下方抓着物体，就像猛禽或昆虫一样。同时使用至少一个推力元件和铰接臂的另一种可能性是在向上躺着的背部表面或头部表面上运输物体，就像螃蟹或小龙虾运输物体一样。使用至少一个推力元件需要大量的能量。因此，无人机的工作时间受到所携带的蓄电池/电池的容量以及无人机的重量(包括其负载)的限制。蓄电池或电池的重量占总重量的相当大的比例。电池越小，可能的负载越高，但是一方面通过更小的电池缩短了飞行时间，并且由于更高的负载而增加的能量消耗，也缩短了可能的飞行时间。为了减轻重量，即使是最小的重量减轻也很重要。因此，根据本发明的无人机具有狭窄的铰接臂，作为具有框架的轻质结构。为此，铰接臂例如由薄铝板构成，该薄铝板具有凹部，该凹部使铰接臂的单个链节具有桁架复合体的外观。
为了增加用途的多样性，可以规定，铰接臂的至少一个链节具有大于180°的张角α。此外，相对于中央主体的尺寸，有可能确定各个链节的长度和铰接臂的关节的张角α，使得第一铰接臂的远端可以被带到与第一铰接脚相对的第二铰接臂的近端。这个定义让人想起幼儿园小朋友的学校成熟度测试，他们必须用手臂抓住自己的头，并且摸对面的耳朵，才能克服学校能力的第一道坎。与已知的无人机相比，无人机自给自足的这些特征所实现的灵活性导致了更大范围的应用。
将参考以下附图更详细地解释本发明。这些显示:
图1示出了根据本发明的无人机，其在纯飞行操作中具有悬挂的铰接臂，
图2示出了处于纯爬行模式的来自图1的无人机，
图3示出了处于爬升模式的来自上述附图的无人机，同时结合使用螺旋桨翼和铰接臂，
图4示出了来自上述附图的无人机，其具有作为操纵器和作为移动装置的铰接臂的组合操作模式，
图5示出了来自上述附图的无人机在家庭情况下的复杂爬升应用中，
图6示出了根据本发明的无人机通过公共通信网络与远程控制计算机的交互，
图7示出了根据本发明的无人机的分离的铰接臂，其具有作为工具或抓握元件的可连续移动的单个手指，
图8.1至8.4示出了处于不同弯曲状态的可连续移动的单个手指，
图9.1至9.3示出了根据本发明的具有三种不同附件的无人机的铰接臂的分离链节，
图9.4示出了根据本发明的无人机铰接臂的分离链节，其具有可见的可互换卡盘，
图10示出了图2的无人机，其具有放置在一些铰接臂上的抓握装置和传感装置，
图11示出了根据本发明的无人机的优选长度和张角比的示意图，
图12.1至12.5示出了根据本发明的无人机在蓄电池自主更换期间的各种状态下的详细视图；
图13示出了作为充电装置和无线电中继站(路由器)的基站的表示，
图14示出了说明与作为控制计算机的远程计算机通信的协议的示意图，
图15示出了内部扭矩均衡的单螺旋桨无人机的示意图，该无人机具有两个铰接臂。
图1示出了根据本发明的无人机100，其在纯飞行模式下具有悬挂的铰接臂150。无人机100具有至少一个中央主体110。控制装置S(图6)位于该中央主体110中，并且设置有多个螺旋桨翼120，这些螺旋桨以旋转的方式布置在中央主体附近。螺旋桨翼120被悬挂以便围绕基本上彼此平行的轴线A旋转。关于该示例性实施例中的飞行装置，它是具有螺旋桨翼120的刚性悬架130的无人机100。螺旋桨翼120的悬架130因此刚性连接到中央主体110。在该示例性实施例变型中，例如，在飞行期间至少悬架的位置和/或朝向没有动态变化。无人机100进一步包括多个铰接臂150。铰接臂150又具有通过关节160连接的链节170。铰接臂150具有近端180和远端190。铰接臂150的近端180靠近中央主体110。铰接臂110也具有远端190。该远端190对应于昆虫的脚趾头，并且远离中央主体110。
根据本发明的思想，至少一个铰接臂150的远端190具有可互换卡盘200。远端190可以通过可互换卡盘200连接到选择的传感装置210、抓握装置220和/或工具230。传感装置210可以是探头，可以是感测元件，但也可以是用于感测特定环境状态的光学、化学或物理传感器。可互换的卡盘可以减轻重量，并且只携带相应应用必需的功能性压载物。在这里所示的情况下，无人机100处于铰接臂150下垂的纯飞行模式。悬挂的铰接臂150没有布置在螺旋桨翼120的顺风方向，从而螺旋桨翼120的性能不会由于不利的空气动力而降低。
在图2中，来自图1的无人机100显示为处于纯爬行模式。在爬行模式中，通常规定螺旋桨翼120不启动并且处于静止位置。然而，可能的情况是，取决于预期用途，螺旋桨翼120以向下的推力操作，以便增加无人机100的重量，例如，为了依靠其自身重量压下物体。然而，也有可能在爬行操作中使用具有轻微向上推力的无人机100，例如，为了降低无人机100的固有重量在非常差的承载表面上的影响。这可能是有意义的，例如，如果无人机100需要在沼泽区域的灌木丛下移动以到达期望的目的地。
在图3中，来自上述附图的无人机100被示出为处于爬升模式，其中，它使用螺旋桨翼120并且在不同的功能中使用铰接臂150。利用铰接臂150的一部分，无人机100站立在底层地板上的四个铰接臂150的远端190上。为此目的，关节160几乎被推过，这意味着各个链节170具有大约180°的角度。利用另外四个铰接臂150，无人机100沿着近似垂直的墙壁(这里未示出)悬挂。为了稳定其位置，无人机100采用螺旋桨翼120。
在图4中，上述图中的无人机100被绘制成处于作为操纵器和作为移动装置的铰接臂150的组合操作。在此，作为物体140的示例，铰接臂150的部分包围了一个球，该球搁置在面向上的后表面340上并由后面的铰接臂150保持。由于球相对于轻型无人机100的重量具有不可忽略的重量，所以无人机100站立在底层地板上的四个铰接臂150的远端190上。为此目的，关节160几乎被推过，这意味着各个链节170具有大约180°的角度。为了稳定其位置，无人机100采用具有向上推力的螺旋桨翼120。
在图5中，上述附图的无人机100被示出在家庭情况下处于复杂的爬升部署中。这里示出的情况示出了无人机100完成改变洗衣机W的洗涤程序的任务，这对于家庭来说是典型的。这里无人机100利用七个铰接臂150控制在洗衣机W上的爬升，而第八个铰接臂150致动洗衣机W的开关。为了完成这里概述的任务，经由基站350连接到互联网的无人机100将来自立体摄像机320的数据发送到远程计算机380，该数据可以用来自激光雷达检测装置330的数据来丰富。在本示例中，无人机100将洗衣机W的图像和洗衣机W的近似轮廓连同改变洗衣机W的程序的公式化任务一起发送到远程计算机380。通过其他无人机的各种类似任务训练的远程计算机380中的AI算法为无人机100制定控制指令以按下洗衣机W的特定按钮。AI算法克服了识别洗衣机W类型的任务并从任务中得出洗衣机W的哪个按钮必须被致动。
图6中示出了无人机100和远程计算机380的交互中涉及的元件。这示出了根据本发明的无人机100经由公共通信网络与作为控制计算机的远程计算机380的交互。无人机100经由WLAN或BlueTooth连接到基站350，其符号以双箭头示出。在本申请提交的时间，WLAN和BlueTooth是用于家庭或工业专用短程网络的常见无线协议。然而，可以使用其他时间调整协议。基站350充当无线电中继装置360。用今天的行话来说：作为WLAN路由器。为此，基站350也可以用作充电站370。经由无线电中继装置360，无人机经由互联网(画为云)与远程计算机380通信。该远程计算机380具有更高的计算能力、数据库，并且主要连接到大量的类似无人机，以便通过来自各种无人机100的反馈“学习”，即独立地调整其AI算法。
图7示出了根据本发明的无人机100的分离的铰接臂150，其具有作为工具230或抓握装置220的可连续移动的单个手指。具有由铝板形成的穿孔板的轻质结构(这让人想起桁架复合材料)的铰接臂150不能被任何更小的物体抓住。为了教导无人机100抓握，铰接臂150通过可互换卡盘200连接到聚合物延伸部270形式的抓握装置220。聚合物延伸部270是具有硅树脂状或橡胶状压花的细长带。在聚合物延伸部270内，存在偏离于纵向轴线L的通道280。钢芯290在通道280中延伸。这是在内部固定连接到聚合物延伸部270的顶点300的细的重型线。如果拉动钢芯290，例如，因为细长的钢芯290由可互换卡盘200致动，而卡盘200又由钢芯通过铰接脚150致动，所以聚合物延伸部270弯曲。聚合物延伸部270的弯曲是由通道280的偏离路线引起的。在聚合物延伸部270的向内弯曲侧可以存在结构或凹陷。当聚合物延伸部270缠绕在物体上以用于抓握时，它们起到章鱼吸盘的作用，并有助于牢牢地抓握物体。
图8.1、图8.2、图8.3和图8.4示出了处于不同弯曲状态的可连续移动的单个手指。在图8.1中，直的聚合物延伸部分270以部分穿孔的视图显示。相对于纵向轴线L，通道280偏离地延伸，也就是说靠近纵向轴线L延伸。图8.2示出了聚合物延伸部270最初仅轻微弯曲，这是通过拉动钢芯290产生的。图8.3示出了聚合物延伸部270已经较大的弯曲，这是通过进一步拉动钢芯290产生的。最后，图8.4示出了通过连续拉动钢芯290而产生的聚合物延伸部270的强弯曲。由于聚合物延伸部270的弯曲，有可能牢牢地抓住小物体。硅树脂或橡胶的湿润的、轻微吸湿的表面增强了抓握。这种表面被称为由日常物品制成的防滑、粘性表面。
图9.1、图9.2和图9.3示出了根据本发明的具有三种不同附件的无人机100的铰接臂150的分离链节。图9.1示出了作为示例工具的挂钩，其允许无人机100连接到相应的突起。示例挂钩是通用的，并且如果物体具有相应的挂钩延伸部，也可以用于提升物体。图9.2示出了具有四个聚合物延伸部270的抓握装置，其可以像鸟爪一样提起小物体。图9.3示出了看起来像垫子的传感器。温度探头和/或湿度探头位于传感器中。通过该传感器，无人机100可以确定表面是否温暖，例如，以检测物体的状况。
图9.4示出了根据本发明的具有可见的可互换卡盘200的无人机100的铰接臂150的分离链节170。可互换卡盘200具有平行六面体锁定心轴，其中布置有电触点240。为此，至少一个铰接臂150的远端190具有电触点240，用于将作为无人机100的一部分的蓄电池250连接到外部电源260，例如用于给蓄电池250充电的主电源。电触点240允许电连接到无人机100的蓄电池250。有可能通过该电触点240给蓄电池250充电。如果无人机100在自主蓄电池更换期间短暂地更换其自己的蓄电池250而没有其自己的电源，电触点240也有可能向无人机100供应电力。
图10示出了图2的无人机100在爬行模式中，抓握装置220安装在一些铰接臂150和传感装置240上。根据预期的用途，可以根据需要更换铰接臂配备的各种工具。
图11示出了根据本发明的无人机100的优选长度和张角比的示意图。优选地，铰接臂150是细长且狭窄的。相对于中央主体110的尺寸，优选地确定各个链节170的长度l和铰接臂150、150’的关节160的张角α，使得第一铰接臂150的远端190可以被带到与第一铰接臂150相对的第二铰接臂150’的近端180。这个定义让人想起针对人类儿童的物理学校能力测试。铰接臂的长度和布置以及铰接臂150中的关节160的张角有助于无人机100的高部署灵活性。
图12.1、图12.2、图12.3、图12.4、图12.5示出了根据本发明的无人机100在可充电电池250的自主更换期间在各种状态下的视图的细节。如图12.1和12.2所示，为了更换位于面朝上的后表面340之上或之中的蓄电池250，无人机100使铰接臂150与其背部接合，该铰接臂150与蓄电池250中的相应接收插座中的可互换卡盘200接合。为了使无人机100能够自主地更换蓄电池250，另一个短期蓄电池可以存在于中央主体110中，或者为了避免重负，可以规定无人机100通过相应铰接臂150的可互换卡盘200上的电触点240接收另一个铰接臂150的电流。然后，无人机100将蓄电池250从其位置提升到面向上的后表面340之上或之内。此时，无人机100依赖于外部电源或短期电池的电源。然后，无人机100可以通过移动铰接臂150并且还通过移动其自身的中央主体110，在铰接臂150上方枢转蓄电池250。在这种情况下，有可能仅轻微移动蓄电池250的重心，并且通过绕蓄电池250的重心枢转来移动铰接臂150。这项技术被用于一些工业机器人以节省能源，同时也减少关节上的负荷。为此，控制程序可以计算对应于简单的三维李萨如(Lissajous)图形的蓄电池250的轨迹，以避免强烈的加速。这有助于避免突然的负载变化，从而延长机构的使用寿命。图12.4和12.5示出了移除排空的蓄电池250的最后阶段。在图12.5中，无人机100将蓄电池250放置在充电站360中，其中另一个蓄电池250’已经充好电并等待安装在无人机100中。
图13示出了充当充电装置360和无线电中继站370(路由器)的基站350的图示。该基站350可以容纳一组蓄电池250、抓握装置220、传感装置210和/或工具。通过控制作为控制计算机或主计算机的远程计算机380，由远程计算机380控制的无人机100可以自主地将附件切换到可互换卡盘200。
最后，图14示出了说明与作为控制计算机的远程计算机380通信的协议的示意图，作为控制无人机的方法。它开始于由无人机100获取410传感数据。传感数据是图像、立体图像、激光雷达数据、温度、湿度，但是如果需要，也可以是通过触觉传感器记录的触觉数据。然后通过由无人机100将传感数据与任务一起发送420到远程计算机380来传输该传感数据。例如，这可以是已经描述过的打开或关闭洗衣机或电器的任务。然后由远程计算机380计算430控制指令。远程计算机具有通过反馈学习的人工智能。远程计算机向无人机100发送(440)计算的控制信息。无人机100试图执行控制命令并提供反馈。这是通过由无人机100向远程计算机380发送(450)控制成功数据作为反馈来完成的。反馈可以是确认或否认被AI算法怀疑的效果的结果。AI算法可以给出控制信息，例如按下位置(三个立体角r、t、p的空间方向上的x、y、z)上的按钮。按完之后，洗衣机应该会突然安静。不管是不是这种情况，无人机100将反馈发送回远程计算机380，远程计算机380总是根据该数据完善其自己的AI算法。在反馈之后，无人机100的控制指令和对应的控制成功数据被记录460在远程计算机380中的自优化算法400的数据库390中，并且自优化算法(AI算法)400被调整470以在远程计算机380中计算控制指令。在另一无人机或同一无人机发出请求的情况下，经过调整的人工智能算法可以提供准确的控制信息。
本发明以八足动物(即具有8个铰接臂)为基础进行了演示。原则上，也可以考虑四足动物(4个铰接臂)、五足动物(5个铰接臂)、六足动物(6个铰接臂)、七足动物(7个铰接臂)、九足动物(9个铰接臂)和十足动物(10个铰接臂)。十二足动物(12个铰接臂)也是可能的。铰接臂体的数量由要执行的任务决定。
最后，图15显示了没有保护环的单螺旋桨无人机，它在中央主体中有扭矩补偿，由与螺旋桨反向旋转的质量表示。这种无人机只有两个铰接臂，但该无人机仍然可以安全地运行，而不必保持平衡，因为无人机可以通过螺旋桨或推力元件的作用支撑和稳定自身抵抗推力。
在上述实施例中，已经介绍了具有螺旋桨翼的无人机。然而，除了螺旋桨翼，也可以使用环形喷嘴，其由中央主体中的鼓风机吹动。参考戴森(Dyson)风扇，这种类型的无人机被通俗地称为戴森无人机或喷流(jetstream)无人机。这些无人机的外部特征是没有外部可识别的运动部件的设计。
参考数字标号列表
100 无人机 320 立体摄像机
110 中央主体 330 激光雷达检测装置
120 螺旋桨翼 340 后表面
130 悬架 350 基站
140 物体 360 加载装置
150 铰接臂 370 无线电中继装置
150'铰接臂 380 远程计算机
160 关节 390 数据库
170 链节 400 算法
180 近端 410 记录
190 远端 420 发送
200 可互换卡盘 430 计算
210 传感装置 440 发送
220 抓握装置 450 发送
230 工具 460 记录
240 电触点 470 调整
250 蓄电池 α 张角
250'蓄电池 A 轴线
260 外部电源 L 纵向轴线
270 聚合物延伸部 l 长度
280 通道 S 控制装置
290 钢芯 W 洗衣机
300 顶点
310 致动器

Claims (12)

1.一种无人机(100)，包括
至少一个中央主体(110)，
至少一个推力元件，
至少一个铰接臂(150)，其中，所述至少一个铰接臂(150)具有通过关节(160)连接的链节(170)，其中，至少一个铰接臂(150，150’)通过近端(180)以铰接方式连接到所述中央主体(110)，
其特征在于，
所述至少一个铰接臂(150，150’)的远端(190)具有可互换卡盘(200)，通过所述卡盘，所述铰接臂(150，150’)的所述远端(190)可以连接到选择的传感装置(210)和/或抓握装置(220)和/或工具(230)。
2.根据权利要求1所述的无人机，
其特征在于，
所述至少一个铰接臂(150，150’)的至少一个关节(160)具有大于180°的张角(α)。
3.根据权利要求1或2所述的无人机，
其特征在于，
所述至少一个铰接臂(150，150’)的所述远端(190)具有电触点(240)，用于将作为所述无人机(100)一部分的蓄电池(250)连接到外部电源(260)以对所述蓄电池(250)充电。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的无人机，
其特征在于，
所述至少一个铰接臂(150，150’)的所述远端(190)连接到由至少一个硅树脂或橡胶弹性聚合物延伸部(270)组成的抓握装置(220)，
其内部具有偏离所述纵向轴线(L)的用于钢芯(290)的通道(280)，
其连接到所述聚合物延伸部(270)的所述内部顶点(300)并且通过所述偏离通道(280)向外引导，
其中，所述钢芯(290)通过致动器(310)弯曲所述聚合物延伸部(270)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的无人机，
其特征在于，
相对于所述中央主体(110)的尺寸，确定各个链节(170)的长度(I)和所述至少一个铰接臂(150，150’)的所述关节的所述张角(α)，
使得第一铰接臂(150)的远端(190)可以被带到与所述第一铰接臂(150)相对的第二铰接臂(150’)的近端(180)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的无人机，
其特征在于，
其具有控制装置(310)，所述控制装置可以通过无线电链路连接到远程计算机(380)并被控制。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的无人机，
其特征在于，
所述中央主体(110)具有立体摄像机(320)和/或激光雷达检测装置(330)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的无人机，
其特征在于，
其中，蓄电池(250)设置在所述无人机(100)的面向上的后表面(340)上或后表面(340)中。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的无人机，
其特征在于，
所述至少一个推力元件由螺旋桨翼(120)组成，
其中，所述螺旋桨翼(120)被悬挂成围绕基本上彼此平行的轴线(A)旋转，并且
其中，所述螺旋桨翼(120)的所述悬架(130)刚性连接到所述中央主体(110)。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的无人机，
其特征在于，
至少一个环形推力喷嘴由中央鼓风机从所述中央主体吹动。
11.套件，其特征在于，由以下组成
根据权利要求1至7中任一项所述的无人机(100)，
基站(350),包括
用于给蓄电池(250)充电的充电装置(360)，
无线电中继装置(路由器)(370)，以及
用在所述无人机(100)上的多个传感装置(210)和/或抓握装置(220)和/或工具(230)。
12.一种控制根据权利要求1至11中任一项所述的无人机的方法，
其特征在于
由所述无人机(100)记录(410)传感数据，
由所述无人机(100)向远程计算机(380)发送(420)所述传感数据，
由所述远程计算机(380)计算(430)控制指令，
由所述远程计算机(380)向所述无人机(100)发送(440)所述控制信息，
由所述无人机(100)向所述远程计算机(380)发送(450)控制成功数据，
在所述远程计算机(380)中的自优化算法(400)的数据库(390)中，记录(460)所述无人机(100)的所述控制指令和对应的所述控制成功数据，以及
调整(470)所述自优化算法(400)以计算所述远程计算机(380)中的控制指令。
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