一种飞行和爬壁两栖机器人及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种飞行和爬壁两栖机器人及其控制方法，包括飞行子系统、爬壁子系统、连接机构和机载控制系统，飞行子系统和爬壁子系统通过连接机构以0-90°的角度固定，机载控制系统安装在飞行子系统或者爬壁子系统上，机载控制系统通过控制飞行子系统和爬壁子系统使机器人具有飞行、爬壁和栖息三种状态。本发明专利技术可以在这三种状态下分别工作且可以进行自主的切换；结构紧凑、设计合理、操作简单、控制灵活、可持续工作时间长，具有良好的应用价值和使用前景，可满足多种任务需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器人
，特别是一种同时具有飞行和爬壁两栖机器人及其控制方法。
技术介绍
近年来，飞行机器人在军事和民用上都获得了广泛应用。在军事上，主要用于侦查、救援、通信中继、电磁干扰以及生化检测等；民用上，主要包括气象监测、资源探索、交通监管、航拍等。申请人申请的专利201110322551.6公开了一种空中飞行和全方位吸附微型机器人。基于四旋翼低空飞行稳定的特点，通过吸附装置使机器人拥有在空中物体表面栖息吸附的能力，实现了仿飞行生物飞行和栖息的机制。这很大程度提高了机器人的续航时间，但是如果想要移动到壁面另一个位置控制比较复杂，且飞行的功耗比较高。爬壁机器人可以采用磁吸附、负压吸附、仿生吸附以及静电吸附等方式使机器人可以吸附于壁面上。专利201010147738.2公开了一种履带式爬壁机器人，装有两套吸附装置，由吸盘式电磁铁和真空吸盘组成，具有吸附性强，载重量大等特点。专利200610151073.6公开了一种基于负压吸附原理的小型爬壁机器人，离心风机采用倒置的电机驱动，推进机构采用四轮驱动。采用无正压力损失的被动密封方式，依靠胶吸附机构实现长期吸附功能。专利201110322552.0公开了一种可重构的爬壁机器人及其协同越障方法，每个可重构爬壁机器人是一个独立的个体，在无障碍时独立完成侦察等任务，在某个爬壁机器人需要跨越障碍时，两个独立的可重构爬壁机器人通过组合为一个整体，协同完成越障。爬壁机器人可以在壁面上自由的爬行，有些有一定越障能力，但存在移动速度慢、越障困难等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，可以在飞行和爬壁之间进行自主的切换，并远距离移动到目标位置、吸附在壁面上进行栖息、同时在壁面实现自由移动等。实现本专利技术目的的技术解决方案为:一种飞行和爬壁两栖机器人，包括飞行子系统、爬壁子系统、连接机构和机载控制系统，飞行子系统和爬壁子系统通过连接机构以0-90°的角度固定，机载控制系统安装在飞行子系统或者爬壁子系统上，机载控制系统通过控制飞行子系统和爬壁子系统使机器人具有飞行、爬壁和栖息三种状态； 其中所述的飞行子系统采用2η个旋翼结构，由旋翼、旋翼电机、旋翼电机驱动器、支撑臂、起落支架组成，该旋翼、旋翼电机、旋翼电机驱动器、支撑臂为2η个，旋翼固定安装在各自的旋翼电机上，旋翼有正、反桨之分，对角线上的旋翼电机使用相同的旋翼，相邻的旋翼电机上旋翼不同；驱动器分别与各自的旋翼电机连接；支撑臂一端固定在一起，旋翼电机、驱动器、起落支架分别设置在各自的支撑臂的另一端，η > 2。本专利技术与现有技术相比，其显著优点:(1)本专利技术具有三种运行状态，包括飞行状态、栖息状态和爬壁状态，可以在这三种状态下分别工作且可以进行自主的切换。(2)本专利技术同时具有远距离飞行和三维空间壁面自由移动的特点，同时克服了飞行机器人功耗高、续航能力不足和爬壁机器人移动缓慢、越障困难等缺点。(3)本专利技术可以实现全方位的吸附，能够适应不同倾角壁面的吸附和爬行，且采用了防倾覆机构。(4)本专利技术结构紧凑、设计合理、操作简单、控制灵活、可持续工作时间长，具有良好的应用价值和使用前景，可满足多种任务需求。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1是本专利技术飞行和爬壁两栖机器人的结构示意图。图2是本专利技术四轮驱动式爬壁机构的立体图。图3是本专利技术爬壁机构底部密封腔平面图。图4是本专利技术飞行和双足式爬壁两栖机器人地示意图。图5是本专利技术蠕动式爬壁机构示意图。图6是本专利技术齿轮齿条传动示意图。图7(a)是本专利技术机器人顶吸示意图。 图7(b)是本专利技术机器人侧吸示意图。图7(c)是本专利技术机器人全方位吸附示意图。图8是本专利技术配重平衡示意图。图9是本专利技术机器人控制系统连接示意图。图10是本专利技术机器人飞行、栖息和爬壁三种模态切换控制图。图11是本专利技术飞行和吸附转换过程控制框图。图12是本专利技术机器人壁面爬行示意图。图13是本专利技术飞行和爬壁两栖机器人在侦察上的应用示意图。具体实施例方式结合图1，本专利技术飞行和爬壁两栖机器人，包括飞行子系统1、爬壁子系统2、连接机构3和机载控制系统4，飞行子系统I和爬壁子系统2通过连接机构3以0-90°的角度固定(用水平侧吸和垂直顶吸)，连接方式主要有以下几种:(I)主要用于在天花板等水平壁面的吸附和移动；(2)主要用于在垂直壁面的吸附和移动；(3)用于全方位的吸附和移动。机载控制系统4安装在飞行子系统I或者爬壁子系统2上，机载控制系统4通过控制飞行子系统I和爬壁子系统2使机器人具有飞行、爬壁和栖息三种状态；控制单元4控制机器人在三种状态下分别工作，并可以进行自主的切换。其中所述的飞行子系统I采用2η个旋翼结构，由旋翼5、旋翼电机6、旋翼电机驱动器7、支撑臂8、起落支架9组成，该旋翼5、旋翼电机6、旋翼电机驱动器7、支撑臂8为2η个，旋翼5固定安装在各自的旋翼电机6上,旋翼5有正、反桨之分,对角线上的旋翼电机6使用相同的旋翼5,相邻的旋翼电机6上旋翼5不同；驱动器7分别与各自的旋翼电机6连接；支撑臂8 —端固定在一起，旋翼电机6、驱动器7、起落支架9分别设置在各自的支撑臂8的另一端，n ^ 2ο以四旋翼为例，包括四个旋翼5、四个旋翼电机6、四个旋翼电机驱动器7、四个支撑臂8、起落支架9，四个旋翼5固定安装在各自的旋翼电机6上，旋翼5有正、反桨之分，对角线上的旋翼电机6使用相同的旋翼5,相邻的旋翼电机6上旋翼5不同。四个驱动器7分另IJ与各自的旋翼电机6连接。四个支撑臂8 一端固定在一起，四个旋翼电机6、四个驱动器7、四个起落支架9分别设置在各自的支撑臂8的另一端。具体而言，四个旋翼电机6、四个驱动器7设置在支撑臂8另一端上面，起落支架9安装在支撑臂8另一端下面。四旋翼飞行器结构可以是多种形状，如十字型，X形状等，也可以采用碳纤维材料管状结构，重量轻刚性好。结合图2，本专利技术飞行和爬壁两栖机器人的爬壁子系统2包括吸附单元和移动单元，该吸附单元采用磁吸附、静电吸附或者负压吸附，所述移动单元采用轮式、履带式或蠕动爬行式。其中吸附单元采用涡轮的负压吸附方式，移动单元采用轮式时，所述吸附单元包括密封裙10、密封内衬11、支撑底板12、离心泵13、离心泵电机14、离心泵电机驱动器15，所述移动单元包括四个车轮16、四个车轮舵机17 ;密封裙10垂直固定安装在机器人支撑底板12的四周；密封内衬11设置在支撑底板12的下底面，在支撑底板12的中间设置成通孔19，通孔19处有过滤网，防止灰尘或杂物进入离心泵13，密封内衬11位于通孔19和密封裙10之间；密封裙10、密封内衬11和支撑底板12组成密封腔；由于壁面环境的复杂性，磨损、灰尘、潮湿等原因会导致密封腔的密封效果不再理想，为了方便更换，可以使用安装夹18。安装夹18安装在支撑底板12四周，用于固定密封裙10和密封内衬11。离心泵13的进气口与支撑底板12的通孔19位置对应并固定安装在支撑底板12的上面，离心泵电机14的输出轴与离心泵12连接；离心泵电机驱动器15与离心泵电机14的电极连接，并设置在支撑底板12上，离心泵驱动器15的控制信号连接到单片机控制器28的IO输出脚；四个车轮舵机17固定在支撑底板12的四个角上，四个车轮16与各自的车轮舵机连接17。同时设计了爬壁子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种飞行和爬壁两栖机器人，其特征在于包括飞行子系统（1）、爬壁子系统（2）、连接机构（3）和机载控制系统（4），飞行子系统（1）和爬壁子系统（2）通过连接机构（3）以0?90°的角度固定，机载控制系统（4）安装在飞行子系统（1）或者爬壁子系统（2）上，机载控制系统（4）通过控制飞行子系统（1）和爬壁子系统（2）使机器人具有飞行、爬壁和栖息三种状态；其中所述的飞行子系统（1）采用2n个旋翼结构，由旋翼（5）、旋翼电机（6）、旋翼电机驱动器（7）、支撑臂（8）、起落支架（9）组成，该旋翼（5）、旋翼电机（6）、旋翼电机驱动器（7）、支撑臂（8）为2n个，旋翼（5）固定安装在各自的旋翼电机（6）上，旋翼（5）有正、反桨之分，对角线上的旋翼电机（6）使用相同的旋翼（5），相邻的旋翼电机（6）上旋翼（5）不同；驱动器（7）分别与各自的旋翼电机（6）连接；支撑臂（8）一端固定在一起，旋翼电机（6）、驱动器（7）、起落支架（9）分别设置在各自的支撑臂（8）的另一端，n≥2。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘永，刘衍，孙国辛，
申请(专利权)人：南京理工大学，南京天恩美科技有限公司，
类型：发明
国别省市：