專利名稱：一種飛行和爬壁兩棲機(jī)器人及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種同時(shí)具有飛行和爬壁兩棲機(jī)器人及其控制方法。
背景技術(shù)：
近年來，飛行機(jī)器人在軍事和民用上都獲得了廣泛應(yīng)用。在軍事上，主要用于偵查、救援、通信中繼、電磁干擾以及生化檢測等；民用上，主要包括氣象監(jiān)測、資源探索、交通監(jiān)管、航拍等。申請(qǐng)人申請(qǐng)的專利201110322551.6公開了一種空中飛行和全方位吸附微型機(jī)器人。基于四旋翼低空飛行穩(wěn)定的特點(diǎn)，通過吸附裝置使機(jī)器人擁有在空中物體表面棲息吸附的能力，實(shí)現(xiàn)了仿飛行生物飛行和棲息的機(jī)制。這很大程度提高了機(jī)器人的續(xù)航時(shí)間，但是如果想要移動(dòng)到壁面另一個(gè)位置控制比較復(fù)雜，且飛行的功耗比較高。爬壁機(jī)器人可以采用磁吸附、負(fù)壓吸附、仿生吸附以及靜電吸附等方式使機(jī)器人可以吸附于壁面上。專利201010147738.2公開了一種履帶式爬壁機(jī)器人，裝有兩套吸附裝置，由吸盤式電磁鐵和真空吸盤組成，具有吸附性強(qiáng)，載重量大等特點(diǎn)。專利200610151073.6公開了一種基于負(fù)壓吸附原理的小型爬壁機(jī)器人，離心風(fēng)機(jī)采用倒置的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，推進(jìn)機(jī)構(gòu)采用四輪驅(qū)動(dòng)。采用無正壓力損失的被動(dòng)密封方式，依靠膠吸附機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)長期吸附功能。專利201110322552.0公開了一種可重構(gòu)的爬壁機(jī)器人及其協(xié)同越障方法，每個(gè)可重構(gòu)爬壁機(jī)器人是一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，在無障礙時(shí)獨(dú)立完成偵察等任務(wù)，在某個(gè)爬壁機(jī)器人需要跨越障礙時(shí)，兩個(gè)獨(dú)立的可重構(gòu)爬壁機(jī)器人通過組合為一個(gè)整體，協(xié)同完成越障。爬壁機(jī)器人可以在壁面上自由的爬行，有些有一定越障能力，但存在移動(dòng)速度慢、越障困難等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種飛行和爬壁兩棲機(jī)器人及其控制方法，可以在飛行和爬壁之間進(jìn)行自主的切換，并遠(yuǎn)距離移動(dòng)到目標(biāo)位置、吸附在壁面上進(jìn)行棲息、同時(shí)在壁面實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)等。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種飛行和爬壁兩棲機(jī)器人，包括飛行子系統(tǒng)、爬壁子系統(tǒng)、連接機(jī)構(gòu)和機(jī)載控制系統(tǒng)，飛行子系統(tǒng)和爬壁子系統(tǒng)通過連接機(jī)構(gòu)以0-90°的角度固定，機(jī)載控制系統(tǒng)安裝在飛行子系統(tǒng)或者爬壁子系統(tǒng)上，機(jī)載控制系統(tǒng)通過控制飛行子系統(tǒng)和爬壁子系統(tǒng)使機(jī)器人具有飛行、爬壁和棲息三種狀態(tài)；
其中所述的飛行子系統(tǒng)采用2η個(gè)旋翼結(jié)構(gòu)，由旋翼、旋翼電機(jī)、旋翼電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、支撐臂、起落支架組成，該旋翼、旋翼電機(jī)、旋翼電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、支撐臂為2η個(gè)，旋翼固定安裝在各自的旋翼電機(jī)上，旋翼有正、反槳之分，對(duì)角線上的旋翼電機(jī)使用相同的旋翼，相鄰的旋翼電機(jī)上旋翼不同；驅(qū)動(dòng)器分別與各自的旋翼電機(jī)連接；支撐臂一端固定在一起，旋翼電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、起落支架分別設(shè)置在各自的支撐臂的另一端，η > 2。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn):(1)本發(fā)明具有三種運(yùn)行狀態(tài)，包括飛行狀態(tài)、棲息狀態(tài)和爬壁狀態(tài)，可以在這三種狀態(tài)下分別工作且可以進(jìn)行自主的切換。(2)本發(fā)明同時(shí)具有遠(yuǎn)距離飛行和三維空間壁面自由移動(dòng)的特點(diǎn)，同時(shí)克服了飛行機(jī)器人功耗高、續(xù)航能力不足和爬壁機(jī)器人移動(dòng)緩慢、越障困難等缺點(diǎn)。(3)本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)全方位的吸附，能夠適應(yīng)不同傾角壁面的吸附和爬行，且采用了防傾覆機(jī)構(gòu)。(4)本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)合理、操作簡單、控制靈活、可持續(xù)工作時(shí)間長，具有良好的應(yīng)用價(jià)值和使用前景，可滿足多種任務(wù)需求。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖1是本發(fā)明飛行和爬壁兩棲機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明四輪驅(qū)動(dòng)式爬壁機(jī)構(gòu)的立體圖。圖3是本發(fā)明爬壁機(jī)構(gòu)底部密封腔平面圖。圖4是本發(fā)明飛行和雙足式爬壁兩棲機(jī)器人地示意圖。圖5是本發(fā)明蠕動(dòng)式爬壁機(jī)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明齒輪齒條傳動(dòng)示意圖。圖7(a)是本發(fā)明機(jī)器人頂吸示意圖。

圖7(b)是本發(fā)明機(jī)器人側(cè)吸示意圖。圖7(c)是本發(fā)明機(jī)器人全方位吸附示意圖。圖8是本發(fā)明配重平衡示意圖。圖9是本發(fā)明機(jī)器人控制系統(tǒng)連接示意圖。圖10是本發(fā)明機(jī)器人飛行、棲息和爬壁三種模態(tài)切換控制圖。圖11是本發(fā)明飛行和吸附轉(zhuǎn)換過程控制框圖。圖12是本發(fā)明機(jī)器人壁面爬行示意圖。圖13是本發(fā)明飛行和爬壁兩棲機(jī)器人在偵察上的應(yīng)用示意圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖1，本發(fā)明飛行和爬壁兩棲機(jī)器人，包括飛行子系統(tǒng)1、爬壁子系統(tǒng)2、連接機(jī)構(gòu)3和機(jī)載控制系統(tǒng)4，飛行子系統(tǒng)I和爬壁子系統(tǒng)2通過連接機(jī)構(gòu)3以0-90°的角度固定(用水平側(cè)吸和垂直頂吸)，連接方式主要有以下幾種:(I)主要用于在天花板等水平壁面的吸附和移動(dòng)；(2)主要用于在垂直壁面的吸附和移動(dòng)；(3)用于全方位的吸附和移動(dòng)。機(jī)載控制系統(tǒng)4安裝在飛行子系統(tǒng)I或者爬壁子系統(tǒng)2上，機(jī)載控制系統(tǒng)4通過控制飛行子系統(tǒng)I和爬壁子系統(tǒng)2使機(jī)器人具有飛行、爬壁和棲息三種狀態(tài)；控制單元4控制機(jī)器人在三種狀態(tài)下分別工作，并可以進(jìn)行自主的切換。其中所述的飛行子系統(tǒng)I采用2η個(gè)旋翼結(jié)構(gòu)，由旋翼5、旋翼電機(jī)6、旋翼電機(jī)驅(qū)動(dòng)器7、支撐臂8、起落支架9組成，該旋翼5、旋翼電機(jī)6、旋翼電機(jī)驅(qū)動(dòng)器7、支撐臂8為2η個(gè)，旋翼5固定安裝在各自的旋翼電機(jī)6上,旋翼5有正、反槳之分,對(duì)角線上的旋翼電機(jī)6使用相同的旋翼5,相鄰的旋翼電機(jī)6上旋翼5不同；驅(qū)動(dòng)器7分別與各自的旋翼電機(jī)6連接；支撐臂8 —端固定在一起，旋翼電機(jī)6、驅(qū)動(dòng)器7、起落支架9分別設(shè)置在各自的支撐臂8的另一端，n ^ 2ο
以四旋翼為例，包括四個(gè)旋翼5、四個(gè)旋翼電機(jī)6、四個(gè)旋翼電機(jī)驅(qū)動(dòng)器7、四個(gè)支撐臂8、起落支架9，四個(gè)旋翼5固定安裝在各自的旋翼電機(jī)6上，旋翼5有正、反槳之分，對(duì)角線上的旋翼電機(jī)6使用相同的旋翼5,相鄰的旋翼電機(jī)6上旋翼5不同。四個(gè)驅(qū)動(dòng)器7分另IJ與各自的旋翼電機(jī)6連接。四個(gè)支撐臂8 一端固定在一起，四個(gè)旋翼電機(jī)6、四個(gè)驅(qū)動(dòng)器
7、四個(gè)起落支架9分別設(shè)置在各自的支撐臂8的另一端。具體而言，四個(gè)旋翼電機(jī)6、四個(gè)驅(qū)動(dòng)器7設(shè)置在支撐臂8另一端上面，起落支架9安裝在支撐臂8另一端下面。四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)可以是多種形狀，如十字型，X形狀等，也可以采用碳纖維材料管狀結(jié)構(gòu)，重量輕剛性好。結(jié)合圖2，本發(fā)明飛行和爬壁兩棲機(jī)器人的爬壁子系統(tǒng)2包括吸附單元和移動(dòng)單元，該吸附單元采用磁吸附、靜電吸附或者負(fù)壓吸附，所述移動(dòng)單元采用輪式、履帶式或蠕動(dòng)爬行式。其中吸附單元采用渦輪的負(fù)壓吸附方式，移動(dòng)單元采用輪式時(shí)，所述吸附單元包括密封裙10、密封內(nèi)襯11、支撐底板12、離心泵13、離心泵電機(jī)14、離心泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)器15，所述移動(dòng)單元包括四個(gè)車輪16、四個(gè)車輪舵機(jī)17 ;密封裙10垂直固定安裝在機(jī)器人支撐底板12的四周；密封內(nèi)襯11設(shè)置在支撐底板12的下底面，在支撐底板12的中間設(shè)置成通孔19，通孔19處有過濾網(wǎng)，防止灰塵或雜物進(jìn)入離心泵13，密封內(nèi)襯11位于通孔19和密封裙10之間；密封裙10、密封內(nèi)襯11和支撐底板12組成密封腔；由于壁面環(huán)境的復(fù)雜性，磨損、灰塵、潮濕等原因會(huì)導(dǎo)致密封腔的密封效果不再理想，為了方便更換，可以使用安裝夾18。安裝夾18安裝在支撐底板12四周，用于固定密封裙10和密封內(nèi)襯11。離心泵13的進(jìn)氣口與支撐底板12的通孔19位置對(duì)應(yīng)并固定安裝在支撐底板12的上面，離心泵電機(jī)14的輸出軸與離心泵12連接；離心泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)器15與離心泵電機(jī)14的電極連接，并設(shè)置在支撐底板12上，離心泵驅(qū)動(dòng)器15的控制信號(hào)連接到單片機(jī)控制器28的IO輸出腳；四個(gè)車輪舵機(jī)17固定在支撐底板12的四個(gè)角上，四個(gè)車輪16與各自的車輪舵機(jī)連接17。同時(shí)設(shè)計(jì)了爬壁子系統(tǒng)殼體，殼體固定在支撐底板12上，四個(gè)車輪16對(duì)稱安裝在殼體的兩邊。所述密封裙10整體呈無縫結(jié)構(gòu)，由耐磨尼龍布加工而成。密封裙10內(nèi)部均勻填充軟彈性材料如橡膠、海綿、氣體等，填充軟彈性材料的作用是使密封裙10和壁面接觸的時(shí)候不至于過軟而影響密封腔的密封，以提高對(duì)不光滑平整壁面的適應(yīng)性，從而減小泄漏流量，另外在遇到較小的障礙例如壁面突起的小顆粒等可以自然越過而不影響機(jī)器人的正常移動(dòng)。密封的高度可由軟彈性材料的高度進(jìn)行調(diào)整，如果密封裙10高出輪子過多，則會(huì)影響機(jī)器人在壁面上的移動(dòng)，如果過低又會(huì)降低密封效果。結(jié)合圖4、圖5、圖6，本發(fā)明飛行和爬壁兩棲機(jī)器人的吸附單元采用真空隔膜泵的負(fù)壓吸附方式，移動(dòng)單元采用蠕動(dòng)式爬行時(shí)，吸附單元包括兩個(gè)真空吸盤20和微型真空泵，所述移動(dòng)單元包括兩個(gè)移動(dòng)緩沖裝置21、一個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)22、兩個(gè)真空吸盤20和連桿，兩個(gè)真空吸盤20為吸附單元和移動(dòng)單元共用，兩個(gè)真空吸盤20通過中空的連桿各連接一個(gè)移動(dòng)緩沖裝置21，兩個(gè)移動(dòng)緩沖裝置21均通過連桿與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)22連接，固定在支撐臂8上的微型真空泵通過軟管與中空的連桿連接，該中空的連桿與真空吸盤20密封連接，通過抽氣使得真空吸盤20內(nèi)形成一定真空度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壁面的吸附。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)22包括齒輪24、齒條23和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，齒輪24、齒條23和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)置在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體內(nèi)，齒輪24與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，齒條23與齒輪24相互嚙合；兩個(gè)移動(dòng)緩沖裝置21分別通過連桿與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體一端連接，該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體另一端與連接機(jī)構(gòu)3連接。
飛行子系統(tǒng)I和爬壁子系統(tǒng)2通過連接機(jī)構(gòu)3連接，連接方式如圖7(a)所示，主要用于在天花板等水平壁面的吸附(頂吸)和移動(dòng)，此時(shí)連接機(jī)構(gòu)3主要由兩根支桿25組成，兩根支桿25的一端連接飛行子系統(tǒng)1，另一端連接爬壁子系統(tǒng)2，位置、角度不限，但以一端固定在飛行機(jī)構(gòu)中央位置，另一端固定在爬壁機(jī)構(gòu)中央位置，且相互垂直為最佳。此時(shí)，重心比較靠近中央位置，對(duì)于機(jī)器人的空中穩(wěn)定飛行比較有益。連接方式也可以如圖7(b)所示，主要用于在垂直壁面的吸附(側(cè)吸)和移動(dòng)，此時(shí)連接機(jī)構(gòu)3上還需要固定配重27，用于保持機(jī)器人的平衡，使重心盡量處于飛行子系統(tǒng)I的中央位置。但是即使這樣，當(dāng)吸附在壁面以后，由于重心距離壁面比較遠(yuǎn)，需要很大的吸附力才能保持力矩平衡，這將很容易導(dǎo)致機(jī)器人傾覆。所以此時(shí)爬壁子系統(tǒng)還包括一個(gè)支撐機(jī)構(gòu)26，并且可以在安裝爬壁子系統(tǒng)組成部分時(shí)使重心盡量往后移，這樣墻壁對(duì)支撐結(jié)構(gòu)26的作用力就會(huì)提高，力矩就會(huì)增大，從而起到很好的防傾覆效果。兩根支桿25的一端連接爬壁子系統(tǒng)2，該爬壁子系統(tǒng)2上設(shè)置一個(gè)支撐機(jī)構(gòu)26，飛行子系統(tǒng)I設(shè)置在兩根支桿25上，配重27在兩根支桿25的另一端上移動(dòng)，使機(jī)器人的重心在飛行子系統(tǒng)I的中央位置。連接方式也可以如圖7(c)所示，這可以用于全方位的吸附和移動(dòng)，此時(shí)連接機(jī)構(gòu)3包括兩個(gè)連接緩沖裝置29、兩根支桿25、配重27、兩個(gè)套管28、關(guān)節(jié)臂30、關(guān)節(jié)臂驅(qū)動(dòng)器31，兩根支桿25設(shè)置在飛行子系統(tǒng)I上，兩個(gè)套管28安裝在兩根支桿25上，該套管在支桿上自由移動(dòng)，該兩個(gè)套管28直徑小于支桿頂端的直徑，防止由于緩沖裝置21的反作用力而飛出；每個(gè)連接緩沖裝置21—端固定在支桿上，另一端與套管28連接；關(guān)節(jié)臂30的一端與配重27連接，固定在連接兩個(gè)套管28的橫梁上，關(guān)節(jié)臂30的另一端與爬壁子系統(tǒng)2的爬壁子系統(tǒng)殼體連接。如圖8所示，當(dāng)爬壁子系統(tǒng)2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，配重27隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，始終保持重心在關(guān)節(jié)處，這樣就保證了爬壁機(jī)構(gòu)在空中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)機(jī)器人的整體平衡性。關(guān)節(jié)臂驅(qū)動(dòng)器31與關(guān)節(jié)臂30連接，用于實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)臂30在空中的全方位轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)關(guān)節(jié)臂驅(qū)動(dòng)器31通過串口與控制系統(tǒng)4的單片機(jī)控制器連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)臂30轉(zhuǎn)動(dòng)的控制。緩沖裝置21可以是彈簧、氣缸或活塞等。如圖9所示，所述控制系統(tǒng)4包括單片機(jī)控制器33、三軸陀螺儀34、三軸加速度計(jì)35、高度傳感器36，高精度三軸陀螺儀34和三軸加速度計(jì)35用于感知飛行子系統(tǒng)I的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和本體姿態(tài)，并反饋給單片機(jī)控制器33，單片機(jī)控制器33通過飛行器控制算法解算出四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，傳輸給四個(gè)旋翼電機(jī)驅(qū)動(dòng)器7，使飛行器能夠按照發(fā)送的控制命令穩(wěn)定飛行；高度傳感器36用于測量機(jī)器人的當(dāng)前高度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的定高懸停，將使機(jī)器人在飛行和棲息之間切換時(shí)先處于懸停過渡狀態(tài)。控制系統(tǒng)4還包括超聲波傳感器37、GPS模塊38,超聲波傳感器37用于測量機(jī)器人與前方障礙物的距離，通過串口傳輸給單片機(jī)控制器33，用于機(jī)器人的自主避障；也可以用于測量與待吸附壁面的距離，逐漸調(diào)整機(jī)器人的飛行狀態(tài)，使機(jī)器人在距離壁面較小位置處于懸停狀態(tài)；GPS模塊38用于機(jī)器人的定位和自主導(dǎo)航，可以使機(jī)器人按照規(guī)劃的路線自主飛行，并記錄一些障礙點(diǎn)的位置信息，用于離線創(chuàng)建地圖，提高下次規(guī)劃路線的效率。所述控制系統(tǒng)4還包括氣壓傳感器39、壓力傳感器40、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊41、遙控接收裝置43，氣壓傳感器39用來測量爬壁子系統(tǒng)2密封腔內(nèi)壓強(qiáng)，通過串口傳送給單片機(jī)控制器33，離心泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)器15與單片機(jī)控制33的IO連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)吸附力的控制。壓力傳感器40安裝在支桿25或關(guān)節(jié)臂30上，用于測量機(jī)器人與壁面接觸時(shí)，壁面對(duì)機(jī)器人地反作用力。無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊41或遙控接收裝置43用來接收操作者的命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋翼電機(jī)驅(qū)動(dòng)器7和車輪舵機(jī)17的控制，從而實(shí)現(xiàn)飛行子系統(tǒng)I和爬壁子系統(tǒng)2的分別工作，并使機(jī)器人在三種狀態(tài)(飛行、棲息、爬壁)下分別工作且可以相互切換。與機(jī)載控制系統(tǒng)4配套使用的是地面控制系統(tǒng)，地面控制系統(tǒng)包括無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊41、上位機(jī)42和遙控裝置44。單片機(jī)控制器33通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊41實(shí)時(shí)接收發(fā)送機(jī)器人的各種飛行和爬壁數(shù)據(jù)并在上位機(jī)42上顯示，包括電池電壓、坐標(biāo)、高度、姿態(tài)、飛行時(shí)間、飛行速度、飛行路徑、GPS狀態(tài)、密封腔內(nèi)壓強(qiáng)等重要信息；操作者通過遙控裝置44發(fā)送控制命令通過遙控接收裝置43接收，由串口傳輸給單片機(jī)控制器33 ;操作者也可以通過上位機(jī)42發(fā)送控制命令通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊41傳輸給單片機(jī)控制器33，這提高了系統(tǒng)集成性，冋時(shí)提聞了系統(tǒng)的各錯(cuò)能力。所述機(jī)器人的控制難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)飛行和棲息之間的自主切換。飛行狀態(tài)向棲息狀態(tài)切換時(shí)，由于壁面對(duì)機(jī)器人的反作用力，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受到約束，原有的控制規(guī)律將會(huì)失效；同時(shí)在吸附到飛行轉(zhuǎn)換的過程中，由于吸附力對(duì)機(jī)器人的約束，原有的控制規(guī)律也將打破。如圖10所示，本發(fā)明通過上述的飛行和爬壁兩棲機(jī)器人進(jìn)行控制處理，可以實(shí)現(xiàn)該機(jī)器人的飛行、吸附和爬壁三種模態(tài)間自主的切換，其中路線A實(shí)現(xiàn)機(jī)器人空中穩(wěn)定飛行到目標(biāo)物穩(wěn)定吸附，再到三維空間壁面爬行的過程；路線B則反映了其逆過程的切換控制流程。本發(fā)明主要研究飛行和吸附轉(zhuǎn)換過程中，由于吸附力的約束，正常飛行控制規(guī)律失效下的瞬態(tài)控制方法。實(shí)現(xiàn)飛行和棲息自主切換的控制如圖11所示，主要包括飛行到棲息的切換和棲息到飛行的切換控制。首先分析多棲機(jī)器人的機(jī)構(gòu)特征、空氣動(dòng)力學(xué)等建立飛行和爬壁兩棲機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型。通過多傳感器采集多種信息，如位置、姿態(tài)、力等，分別進(jìn)行位置姿態(tài)反饋、力反饋和距離反饋，將多信息進(jìn)行融合同時(shí)進(jìn)行決策，通過開關(guān)切換到位置控制器或位移/力混合控制器，結(jié)合輸入的位置或力進(jìn)行處理，然后再傳送給機(jī)器人，這樣就形成了飛行和棲息自主切換的閉環(huán)控制。本發(fā)明飛行和爬壁兩棲機(jī)器人實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的飛行、吸附和爬壁三種模態(tài)間自主的切換，首先飛行、吸附切換控制步驟如下:
步驟一:首先操作者通過上位機(jī)42或遙控裝置44發(fā)送控制命令給單片機(jī)控制器33控制機(jī)器人向目標(biāo)位置飛行，超聲波傳感器37測量機(jī)器人與待吸附壁面距離，此時(shí)切換到位置控制器，當(dāng)距離小于d0 (小于I米)后，位置控制器自動(dòng)加入自調(diào)整過程，分配給自調(diào)整較大的權(quán)重值(與人工輸入操作相比較而言)，用于規(guī)劃機(jī)器人的飛行路徑，使機(jī)器人在距離壁面的距離dl (小于15cm)時(shí)，處于懸停狀態(tài)且正對(duì)壁面，過程中遠(yuǎn)程控制微調(diào)機(jī)器人的狀態(tài)和姿態(tài)，兩者共同作用于機(jī)器人。步驟二:當(dāng)單片機(jī)控制器33接收到飛行向棲息切換的控制命令時(shí)，以小俯仰角(小于±5° )緩慢向壁面飛行(由于連接緩沖裝置29的存在，不會(huì)猛烈的撞擊到壁面)，同時(shí)離心泵驅(qū)動(dòng)器15自動(dòng)啟動(dòng)離心泵電機(jī)14，離心泵13開始工作；當(dāng)為全方位吸附時(shí)，可以通過關(guān)節(jié)臂驅(qū)動(dòng)器31驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)臂30轉(zhuǎn)動(dòng)，使爬壁子系統(tǒng)2緊靠壁面。步驟三:機(jī)器人與壁面的接觸過程中，由于壁面對(duì)機(jī)器人位置的約束，原有的控制規(guī)律將會(huì)失效，此時(shí)自動(dòng)切換到位移/力混合控制，通過壓力傳感器40反饋壁面對(duì)機(jī)器人的反作用力，并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償使機(jī)器人產(chǎn)生與反作用力相反方向的慣性力，抵銷壁面對(duì)機(jī)器人的反作用力，同時(shí)調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)，使得機(jī)器人可以懸停且以一定壓力緊靠壁面。步驟四:根據(jù)氣壓傳感器39測量密封腔內(nèi)壓強(qiáng)值，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)離心泵電機(jī)14的轉(zhuǎn)速，當(dāng)爬壁子系統(tǒng)2緊靠壁面且吸附穩(wěn)定后，停止飛行子系統(tǒng)I的工作。步驟五:當(dāng)完成任務(wù)后，機(jī)器人從棲息狀態(tài)切換到飛行狀態(tài)，由于吸附力的約束，原有的飛行控制規(guī)律也將失效，通過壓力傳感器40的力反饋和超聲波傳感器37的位移反饋，進(jìn)行位移/力混合控制，逐漸增大飛行子系統(tǒng)I旋翼5的轉(zhuǎn)速，并同時(shí)降低離心泵電機(jī)14的轉(zhuǎn)速，通過氣壓傳感器39實(shí)時(shí)反饋爬壁子系統(tǒng)2的吸附情況(因?yàn)槲搅?duì)飛行子系統(tǒng)I有力的約束，突然關(guān)閉離心泵13會(huì)出現(xiàn)力的不平衡，導(dǎo)致機(jī)器人撞到壁面上)，由超聲波傳感器37測量與壁面的距離，當(dāng)離壁面距離為dl時(shí)，使機(jī)器人處于懸停狀態(tài)，且爬壁子系統(tǒng)2停止工作。步驟六:再次切換到位置控制，通過上位機(jī)42或者遙控裝置44控制機(jī)器人返航。其次，四輪驅(qū)動(dòng)方式爬行已經(jīng)比較成熟，這里主要介紹蠕動(dòng)式爬行，所述的爬壁控制步驟如下:
飛行和爬壁兩棲機(jī)器人通過兩個(gè)吸附足A、B來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在三維空間壁面的爬行，每個(gè)吸附足包括真空吸盤20、氣壓傳感器39、自適應(yīng)模糊PID控制器，氣壓傳感器39與自適應(yīng)模糊PID控制器相連，氣壓傳感器39測量真空吸盤20內(nèi)的真空度，使得其能自適應(yīng)各種自然環(huán)境壁面。如圖12所示，其中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)22通過齒輪齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)伸縮，通過下述控制步驟實(shí)現(xiàn)兩個(gè)吸附足的蠕動(dòng)式爬行:
Ca)開始時(shí)激活吸附足A、B，使得機(jī)器人能夠穩(wěn)定棲息在三維空間壁面；
(b)釋放吸附足B，通過運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)22中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)收縮，從而驅(qū)動(dòng)其向上運(yùn)
動(dòng)；
(c)到達(dá)某個(gè)位置后，重新激活吸附足B;
(d)釋放吸附足A，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)22通過伸展驅(qū)動(dòng)吸附足A向上運(yùn)動(dòng)，如此反復(fù)就實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在壁面的蠕動(dòng)爬行。飛行和爬壁兩棲機(jī)器人具有極大的應(yīng)用價(jià)值，這里以軍事偵察為例，如圖13所示，此時(shí)在爬壁子系統(tǒng)2上安裝了具有兩自由度的攝像裝置45，也可以安裝在飛行子系統(tǒng)I上。攝像裝置45包括無線攝像頭46、驅(qū)動(dòng)舵機(jī)47、底座48、垂直支桿49和橫向轉(zhuǎn)動(dòng)部件50，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)47與垂直支桿49連接，用于實(shí)現(xiàn)垂直支桿49在縱向平面上的轉(zhuǎn)動(dòng)，垂直支桿49 一端與底座48連接，另一端用來固定橫向轉(zhuǎn)動(dòng)部件50 ;橫向轉(zhuǎn)動(dòng)部件50與無線攝像頭46連接，使無線攝像頭46可以在橫向上移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)47和橫向轉(zhuǎn)動(dòng)部件50保證了無線攝像頭46在三維空間的移動(dòng)能力。配套使用的還有無線視頻傳輸模塊51，可以通過無線視頻傳輸模塊51將視頻信息傳送給上位機(jī)42。
權(quán)利要求
1.一種飛行和爬壁兩棲機(jī)器人，其特征在于包括飛行子系統(tǒng)(I)、爬壁子系統(tǒng)(2)、連接機(jī)構(gòu)(3)和機(jī)載控制系統(tǒng)(4)，飛行子系統(tǒng)(I)和爬壁子系統(tǒng)(2)通過連接機(jī)構(gòu)(3)以0-90°的角度固定，機(jī)載控制系統(tǒng)(4)安裝在飛行子系統(tǒng)(I)或者爬壁子系統(tǒng)(2)上，機(jī)載控制系統(tǒng)(4)通過控制飛行子系統(tǒng)(I)和爬壁子系統(tǒng)(2)使機(jī)器人具有飛行、爬壁和棲息三種狀態(tài)； 其中所述的飛行子系統(tǒng)(I)米用2η個(gè)旋翼結(jié)構(gòu)，由旋翼(5)、旋翼電機(jī)(6)、旋翼電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(7)、支撐臂(8)、起落支架(9)組成，該旋翼(5)、旋翼電機(jī)(6)、旋翼電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(7)、支撐臂(8 )為2η個(gè)，旋翼(5 )固定安裝在各自的旋翼電機(jī)(6 )上，旋翼(5 )有正、反槳之分，對(duì)角線上的旋翼電機(jī)(6)使用相同的旋翼(5),相鄰的旋翼電機(jī)(6)上旋翼(5)不同；驅(qū)動(dòng)器(7)分別與各自的旋翼電機(jī)(6)連接；支撐臂(8) —端固定在一起，旋翼電機(jī)(6)、驅(qū)動(dòng)器(7)、起落支架(9)分別設(shè)置在各自的支撐臂(8)的另一端，η > 2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行和爬壁兩棲機(jī)器人，其特征在于所述爬壁子系統(tǒng)(2)包括吸附單元和移動(dòng)單元，該吸附單元采用磁吸附、靜電吸附或者負(fù)壓吸附，所述移動(dòng)單元采用輪式、履帶式或蠕動(dòng)爬行式。
3.根 據(jù)權(quán)利要求2所述的飛行和爬壁兩棲機(jī)器人，其特征在于吸附單元采用渦輪的負(fù)壓吸附方式，移動(dòng)單元采用輪式時(shí)，所述吸附單元包括密封裙(10)、密封內(nèi)襯(11)、支撐底板(12)、離心泵(13)、離心泵電機(jī)(14)、離心泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(15)，所述移動(dòng)單元包括四個(gè)車輪(16)、四個(gè)車輪舵機(jī)(17);密封裙(10)垂直固定安裝在機(jī)器人支撐底板(12)的四周；密封內(nèi)襯(11)設(shè)置在支撐底板(12)的下底面，在支撐底板(12)的中間設(shè)置成通孔(19)，通孔(19)處有過濾網(wǎng)，密封內(nèi)襯(11)位于通孔(19)和密封裙(10)之間；密封裙(10)、密封內(nèi)襯(11)和支撐底板(12)組成密封腔；離心泵(13)的進(jìn)氣口與支撐底板(12)的通孔(19)位置對(duì)應(yīng)并固定安裝在支撐底板(12)的上面，離心泵電機(jī)(14)的輸出軸與離心泵(12)連接；離心泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(15)與離心泵電機(jī)(14)的電極連接，并設(shè)置在支撐底板(12)上，離心泵驅(qū)動(dòng)器(15)的控制信號(hào)連接到單片機(jī)控制器(28)的IO輸出腳；四個(gè)車輪舵機(jī)(17)固定在支撐底板(12)的四個(gè)角上，四個(gè)車輪(16)與各自的車輪舵機(jī)連接(17)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的飛行和爬壁兩棲機(jī)器人，其特征在于還設(shè)置一個(gè)安裝夾(18)，該安裝夾(18)安裝在支撐底板(12)四周，用于固定密封裙(10)和密封內(nèi)襯(11)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的飛行和爬壁兩棲機(jī)器人，其特征在于吸附單元采用真空隔膜泵的負(fù)壓吸附方式，移動(dòng)單元采用蠕動(dòng)式爬行時(shí)，吸附單元包括兩個(gè)真空吸盤(20)和微型真空泵，所述移動(dòng)單元包括兩個(gè)移動(dòng)緩沖裝置(21)、一個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(22)、兩個(gè)真空吸盤(20)和連桿，兩個(gè)真空吸盤(20)為吸附單元和移動(dòng)單元共用，兩個(gè)真空吸盤(20)通過中空的連桿各連接一個(gè)移動(dòng)緩沖裝置(21)，兩個(gè)移動(dòng)緩沖裝置(21)均通過連桿與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(22)連接，固定在支撐臂(8)上的微型真空泵通過軟管與中空的連桿連接，該中空的連桿與真空吸盤(20)密封連接；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(22)包括齒輪(24)、齒條(23)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，齒輪(24)、齒條(23 )和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)置在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體內(nèi)，齒輪(24 )與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，齒條(23 )與齒輪(24)相互嚙合；兩個(gè)移動(dòng)緩沖裝置(21)分別通過連桿與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體一端連接，該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體另一端與連接機(jī)構(gòu)3連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的飛行和爬壁兩棲機(jī)器人，其特征在于當(dāng)頂吸時(shí)，連接機(jī)構(gòu)(3)由兩根支桿(25)組成，兩根支桿(25)的一端連接飛行子系統(tǒng)(1)，另一端連接爬壁子系統(tǒng)(2)；當(dāng)側(cè)吸時(shí)，連接機(jī)構(gòu)3由兩根支桿(25)組成，兩根支桿(25)的一端連接爬壁子系統(tǒng)(2),該爬壁子系統(tǒng)(2)上設(shè)置一個(gè)支撐機(jī)構(gòu)(26)，飛行子系統(tǒng)(I)設(shè)置在兩根支桿(25)上，配重(27)在兩根支桿(25)的另一端上移動(dòng)，使機(jī)器人的重心在飛行子系統(tǒng)(I)的中央位置； 當(dāng)全方位的吸附時(shí)，連接機(jī)構(gòu)(3)包括兩個(gè)連接緩沖裝置(29)、兩根支桿(25)、配重(27)、兩個(gè)套管(28)、關(guān)節(jié)臂(30)、關(guān)節(jié)臂驅(qū)動(dòng)器(31)，兩根支桿(25)設(shè)置在飛行子系統(tǒng)(I)上，兩個(gè)套管(28 )安裝在兩根支桿(25 )上，該套管在支桿上自由移動(dòng)，該兩個(gè)套管(28 )直徑小于支桿頂端的直徑；每個(gè)連接緩沖裝置(21) —端固定在支桿上，另一端與套管(28)連接；關(guān)節(jié)臂(30)的一端與配重(27)連接，固定在連接兩個(gè)套管(28)的橫梁上，關(guān)節(jié)臂(30)的另一端與爬壁子系統(tǒng)(2)連接；當(dāng)爬壁子系統(tǒng)(2)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，配重(27)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，始終保持重心在關(guān)節(jié)處；關(guān)節(jié)臂驅(qū)動(dòng)器(31)與關(guān)節(jié)臂(30)連接，用于實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)臂(30)在空中的全方位轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)關(guān)節(jié)臂驅(qū)動(dòng)器(31)通過串口與控制系統(tǒng)(4)的單片機(jī)控制器連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)臂(30)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制。
7.一種飛行和爬壁兩棲機(jī)器人的控制方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的飛行、吸附和爬壁三種模態(tài)間自主的切換，首先飛行、吸附切換控制步驟如下: 步驟一:首先操作者通過上位機(jī)(42)或遙控裝置(44)發(fā)送控制命令給單片機(jī)控制器(33)控制機(jī)器人向目標(biāo)位置飛行，超聲波傳感器(37)測量機(jī)器人與待吸附壁面距離，此時(shí)切換到位置控制器，當(dāng)距離小于d0后，位置控制器自動(dòng)加入自調(diào)整過程，分配給自調(diào)整大的權(quán)重值，用于規(guī)劃機(jī)器 人的飛行路徑，使機(jī)器人在距離壁面的距離dl時(shí)，處于懸停狀態(tài)且正對(duì)壁面，過程中遠(yuǎn)程控制微調(diào)機(jī)器人的狀態(tài)和姿態(tài)，兩者共同作用于機(jī)器人； 步驟二:當(dāng)單片機(jī)控制器(33)接收到飛行向棲息切換的控制命令時(shí)，以小俯仰角緩慢向壁面飛行，同時(shí)離心泵驅(qū)動(dòng)器(15)自動(dòng)啟動(dòng)離心泵電機(jī)(14)，離心泵(13)開始工作；步驟三:機(jī)器人與壁面的接觸過程中，自動(dòng)切換到位移/力混合控制，通過壓力傳感器(40)反饋壁面對(duì)機(jī)器人的反作用力，并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)，使得機(jī)器人懸停且緊靠壁面； 步驟四:根據(jù)氣壓傳感器(39)測量密封腔內(nèi)壓強(qiáng)值，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)離心泵電機(jī)(14)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)爬壁子系統(tǒng)(2)緊靠壁面且吸附穩(wěn)定后，停止飛行子系統(tǒng)(I)的工作； 步驟五:當(dāng)完成任務(wù)后，機(jī)器人從棲息狀態(tài)切換到飛行狀態(tài)，通過壓力傳感器(40)的力反饋和超聲波傳感器(37)的位移反饋，進(jìn)行位移/力混合控制，逐漸增大飛行子系統(tǒng)(I)旋翼(5)的轉(zhuǎn)速，并同時(shí)降低離心泵電機(jī)(14)的轉(zhuǎn)速，通過氣壓傳感器(39)實(shí)時(shí)反饋爬壁子系統(tǒng)(2)的吸附情況，由超聲波傳感器(37)測量與壁面的距離，當(dāng)離壁面距離為dl時(shí)，使機(jī)器人處于懸停狀態(tài)，且爬壁子系統(tǒng)(2)停止工作； 步驟六:再次切換到位置控制，通過上位機(jī)(42)或者遙控裝置(44)控制機(jī)器人返航； 其次，所述的爬壁控制步驟如下: 飛行和爬壁兩棲機(jī)器人通過兩個(gè)吸附足A、B來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在三維空間壁面的爬行，每個(gè)吸附足包括真空吸盤(20)、氣壓傳感器(39)、自適應(yīng)模糊PID控制器，氣壓傳感器(39)與自適應(yīng)模糊PID控制器相連，氣壓傳感器(39)測量真空吸盤(20)內(nèi)的真空度，使得其能自適應(yīng)各種自然環(huán)境壁面，通過下述控制步驟實(shí)現(xiàn)兩個(gè)吸附足的蠕動(dòng)式爬行:(a)開始時(shí)激活吸附足A、B，使得機(jī)器人能夠穩(wěn)定棲息在三維空間壁面； (b)釋放吸附足B，通過運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(22)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)收縮，從而驅(qū)動(dòng)其向上運(yùn)動(dòng)； (c)到達(dá)某個(gè)位置后，重新激活吸附足B; Cd)釋放吸附足A，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(22)通過伸展驅(qū)動(dòng)吸附足A向上運(yùn)動(dòng)，如此反復(fù)就實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在壁面的蠕動(dòng) 爬行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種飛行和爬壁兩棲機(jī)器人及其控制方法，包括飛行子系統(tǒng)、爬壁子系統(tǒng)、連接機(jī)構(gòu)和機(jī)載控制系統(tǒng)，飛行子系統(tǒng)和爬壁子系統(tǒng)通過連接機(jī)構(gòu)以0-90°的角度固定，機(jī)載控制系統(tǒng)安裝在飛行子系統(tǒng)或者爬壁子系統(tǒng)上，機(jī)載控制系統(tǒng)通過控制飛行子系統(tǒng)和爬壁子系統(tǒng)使機(jī)器人具有飛行、爬壁和棲息三種狀態(tài)。本發(fā)明可以在這三種狀態(tài)下分別工作且可以進(jìn)行自主的切換；結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)合理、操作簡單、控制靈活、可持續(xù)工作時(shí)間長，具有良好的應(yīng)用價(jià)值和使用前景，可滿足多種任務(wù)需求。
文檔編號(hào)B62D57/00GK103192987SQ201310118990
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月7日
發(fā)明者劉永, 劉衍, 孫國辛 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué), 南京天恩美科技有限公司