可变形多模态陆空飞行机器人

1.一种可变形多模态陆空飞行机器人，其特征在于，包括：本体(10)、自动驾驶仪(20)、翼臂装置(30)、轮毂装置(40)和吸附装置(50)；
所述本体(10)上呈十字形安装有四组翼臂装置(30)，所述翼臂装置包括翼大臂(300)、翼小臂(301)、旋转关节(302)、安装支架(303)、电机(304，305)和减震套筒(306)，所述翼大臂(300)安装在本体上，所述翼小臂(301)通过旋转关节(302)与翼大臂(300)连接，安装支架(303)通过减震套筒(306)与翼小臂(301)连接，在安装支架(303)上竖直安装两台互为逆向运转的电机(304，305)；
所述轮毂装置(40)分别安装在四组翼臂装置(30)上，并且，通过电机驱动轮毂装置(40)的运转；所述吸附装置(50)安装在本体上部，用于以指定角度吸附在物体表面，所述自动驾驶仪(20)安装在本体上，自动驾驶仪(20)分别驱动轮毂装置(40)与吸附装置(50)运转，同时，自动驾驶仪驱动翼臂装置(30)的旋转关节(302)旋转，使翼小臂(301)带动轮毂装置(40)旋转到指定角度，实现飞行模态和地面行走模态的切换；
前翼臂装置和后翼臂装置的翼大臂、翼小臂的长度分别大于、小于左翼臂装置和右翼臂装置的翼大臂、翼小臂的长度。
2.根据权利要求1所述的可变形多模态陆空飞行机器人，其特征在于，所述四组翼臂装置(30)分为等长的前翼臂装置(31)、后翼臂装置(32)、左翼臂装置(33)和右翼臂装置(34)，所述前翼臂装置(31)和后翼臂装置(32)位于同一轴线上，所述左翼臂装置(33)和右翼臂装置(34)位于同一轴线上，并且，前翼臂装置(31)和后翼臂装置(32)的翼大臂、翼小臂的长度分别大于、小于左翼臂装置(33)和右翼臂装置(34)的翼大臂、翼小臂的长度。
3.根据权利要求1或2所述的可变形多模态陆空飞行机器人，其特征在于，在飞行模态时，四组翼臂装置(30)的翼小臂(301)在旋转关节(302)的带动下展开为水平位置，机器人呈共轴双桨八旋翼飞行器构型。
4.根据权利要求2所述的可变形多模态陆空飞行机器人，其特征在于，在行走模态时，左翼臂装置(33)和右翼臂装置(34)均向下旋转到竖直位置，轮毂装置接触地面成为地面行走轮，用于控制方向；前翼臂装置(31)和后翼臂装置(32)的翼小臂向下旋转0-90度，由轮毂装置(40)产生的空气动力提供前进、后退的推进力。
5.根据权利要求1所述的可变形多模态陆空飞行机器人，其特征在于，所述轮毂装置(40)包括上轮毂机构(41)和下轮毂机构(42)，所述上轮毂机构和下轮毂机构包括轴座(400,401)、轮辐(402,404)、轮毂圈(403,405)，上轮毂机构和下轮毂机构分别通过轴座(400,401)安装在互为逆向运转的电机(304，305)轴上；所述轴座(400,401)与轮毂圈(403,
405)之间环设有多条轮辐(402,404)，所述轮辐(402,404)为桨叶状，上轮毂机构和下轮毂机构上安装的轮辐的桨叶构型互为反向。
6.根据权利要求1所述的可变形多模态陆空飞行机器人，其特征在于，所述吸附装置(50)包括基座(500)、吸附臂(501)、吸盘臂(502)、吸盘(503)、吸附臂舵机(504)、吸盘臂舵机(505)、吸气管道(506)和真空泵(507)；
所述基座(500)安装在本体上部，安装在本体上的吸附臂舵机(504)、吸盘臂舵机(505)分别通过吸附臂(501)、吸盘臂(502)控制吸盘(503)运转，所述吸盘(503)内设有真空负压腔，负压腔通过吸气管道(506)与真空泵(507)连通，真空泵通过吸气管道不断抽气，在吸盘内形成负压，保障吸盘牢固地吸附在物体表面。
7.根据权利要求6所述的可变形多模态陆空飞行机器人，其特征在于，在吸盘上固装有连接耳(508)，所述吸附臂(501)的两端分别与吸附臂舵机(504)和连接耳(508)铰接，所述吸盘臂(502)的两端分别与吸盘臂舵机(505)和连接耳(508)连接；所述吸附臂舵机(504)转动时，带动吸附臂和吸盘臂整体转动，进而调整吸盘臂(502)相对于基座(500)的角度；所述吸盘臂舵机(505)转动时，吸附臂保持不动，进而调整吸盘相对于吸附臂的角度。
8.根据权利要求1所述的可变形多模态陆空飞行机器人，其特征在于，所述自动驾驶仪(20)包括电源、中央处理器以及分别与中处理器连接的数传电台、图传电台、遥控器接收机、GPS模块、数据测量装置、旋转关节驱动器、吸附舵机驱动器；
所述数传电台用于将机器人的运行状态信息通过无线方式传递至远程地面控制站；
所述图传电台用于将机器人实时采集到的图像信息通过无线方式传递至远程地面控制站；
所述遥控器接收机用于接收远程遥控器发送的遥控指令；
所述GPS模块用于实时获取机器人的地理坐标信息；
轮毂电机驱动器用于驱动安装在翼臂装置上的电机；
所述旋转关节驱动器用于驱动旋转关节的运转；
所述吸附舵机驱动器用于驱动吸附臂舵机和吸盘舵机的运转。
9.根据权利要求8所述的可变形多模态陆空飞行机器人，其特征在于，所述数据测量装置包括：
三轴陀螺仪，用于测量机器人的三轴旋转速率；
三轴加速度计，用于测量机器人的三轴加速度；
三轴磁场计，用于测量地磁在机器人上的三轴分量；
气压高度计，用于测量机器人所处的气压和高度；
超声波传感器，用于测量机器人相对于地面或障碍物间的距离。

可变形多模态陆空飞行机器人\n技术领域\n[0001] 本发明涉及移动机器人领域，具体地说是一种复杂恶劣环境下可变形的多模态陆空飞行机器人。\n背景技术\n[0002] 目前，军事侦察、城市安防、灾害救援等许多应用领域都要求机器人在复杂恶劣的环境下具有很强的环境适应能力和多任务处理能力，而单一运动模态的机器人很难同时满足这些需求。例如：地面移动机器人具有很好的可靠性和负载能力，但难以完成翻越障碍、涉水等任务；多旋翼飞行器具有很好的稳定性和机动性，但续航时间较短，难以完成长时工作。因此，将各种运动模态的优点集成起来，研究多模态机器人，具有重要的理论意义和应用价值。\n[0003] 当前阶段，国内外对于多模态机器人的研究很少，且将其应用于复杂恶劣环境下都有明显的局限性。水上飞机能实现水空两栖作业，但大多应用于开阔水面，很难在城市安防、灾害救援等局部狭小范围内应用，且无法完成地面作业；申请号201410716895.9名称为“陆空两栖机器人”的发明专利，设计了一种直升机共轴双桨搭配不完全轮的陆空两栖机器人，但其采用的直升机构型飞行模式稳定性远远不及多旋翼构型，而陆行装置与飞行装置的简单直接连接也增加了机器人自重，减小了有效负载；最近，加州大学伯克利分校研究了一种用机器蟑螂VelociRoACH搭载机器鸟H2Bird的合体机器人，机器蟑螂利用地面移动速度为机器鸟的起飞提供初速，但这本质上是两个机器人的配合使用，而非一个机器人的“两栖”功能，且该机器鸟尺寸很小，起飞速度要求较低。\n[0004] 综上所述，旨在克服现有技术困难和系统缺陷，本发明提出了一种能适用于复杂恶劣环境的可变形陆空多模态飞行机器人。\n发明内容\n[0005] 本发明旨在复杂恶劣环境下提供一种能实现行走、飞行、吸附三种运动模态的可变形多模态陆空飞行机器人，降低功耗，提高环境适应能力和多任务处理能力。\n[0006] 为达到上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种可变形多模态陆空飞行机器人，包括：本体、自动驾驶仪、翼臂装置、轮毂装置和吸附装置；\n[0007] 所述本体上呈十字形安装有四组翼臂装置，所述翼臂装置包括翼大臂、翼小臂、旋转关节、安装支架、电机和减震套筒，所述翼大臂安装在本体上，所述翼小臂通过旋转关节与翼大臂连接，安装支架通过减震套筒与翼小臂连接，在安装支架上竖直安装两台互为逆向运转的电机；\n[0008] 所述轮毂装置分别安装在四组翼臂装置上，并且，通过电机驱动轮毂装置的运转；\n所述吸附装置安装在本体上部，用于以指定角度吸附在物体表面；所述自动驾驶仪安装在本体上，自动驾驶仪分别驱动轮毂装置与吸附装置运转，同时，自动驾驶仪驱动翼臂装置的旋转关节旋转，使翼小臂带动轮毂装置旋转到指定角度，实现飞行模态和地面行走模态的切换。\n[0009] 进一步的，所述四组成十字形的翼臂装置分为等长的前翼臂装置、后翼臂装置、左翼臂装置和右翼臂装置，所述前翼臂装置和后翼臂装置位于同一轴线上，所述左翼臂装置和右翼臂装置位于同一轴线上，并且，前翼臂装置和后翼臂装置的翼大臂、翼小臂的长度分别大于、小于左翼臂装置和右翼臂装置的翼大臂、翼小臂的长度。\n[0010] 进一步的，在飞行模态时，四组翼臂装置的翼小臂在旋转关节的带动下展开为水平位置，机器人呈共轴双桨八旋翼飞行器构型。\n[0011] 进一步的，在行走模态时，左翼臂装置和右翼臂装置均向下旋转到竖直位置，轮毂装置接触地面成为地面行走轮，用于控制方向；前翼臂装置和后翼臂装置的翼小臂向下旋转0-90度，由轮毂装置产生的空气动力提供前进、后退的推进力。\n[0012] 进一步的，所述轮毂装置包括上轮毂机构和下轮毂机构，所述上轮毂机构和下轮毂机构均包括轴座、轮辐、轮毂圈，上轮毂机构和下轮毂机构分别通过轴座安装在互为逆向运转的电机轴上；所述轴座与轮毂圈之间环设有多条轮辐，所述轮辐为桨叶状，上轮毂机构和下轮毂机构上安装的轮辐的桨叶构型互为反向。\n[0013] 进一步的，所述吸附装置包括基座、吸附臂、吸盘臂、吸盘、吸附臂舵机、吸盘臂舵机、吸气管道和真空泵；\n[0014] 所述基座安装在本体上部，安装在本体上的吸附臂舵机、吸盘臂舵机分别通过吸附臂、吸盘臂控制吸盘运转，所述吸盘内设有真空负压腔，负压腔通过吸气管道与真空隔离泵连通，真空隔离泵通过吸气管道不断抽气，在吸盘内形成负压，保障吸盘牢固地吸附在物体表面。\n[0015] 进一步的，在吸盘上固装有连接耳，所述吸附臂的两端分别与吸附臂舵机和连接耳铰接，所述吸盘臂的两端分别与吸盘臂舵机和连接耳连接；所述吸附臂舵机转动时，带动吸附臂和吸盘臂整体转动，进而调整吸盘臂相对于基座的角度；所述吸盘臂舵机转动时，吸附臂保持不动，进而调整吸盘相对于吸附臂的角度。\n[0016] 进一步的，所述自动驾驶仪包括电源、中央处理器以及分别与中处理器连接的数传电台、图传电台、遥控器接收机、GPS模块、数据测量装置、旋转关节驱动器、吸附舵机驱动；\n[0017] 所述数传电台用于将机器人的运行状态信息通过无线方式传递至远程地面控制站；\n[0018] 所述图传电台用于将机器人实时采集到的图像信息通过无线方式传递至远程地面控制站；\n[0019] 所述遥控器接收机用于接收远程遥控器发送的遥控指令；\n[0020] 所述GPS模块用于实时获取机器人的地理坐标信息；\n[0021] 所述轮毂电机驱动器用于驱动安装在翼臂装置上的电机；\n[0022] 所述旋转关节驱动器用于驱动旋转关节的运转；\n[0023] 所述吸附舵机驱动器用于驱动吸附臂舵机和吸盘舵机的运转。\n[0024] 进一步的，所述数据测量装置包括：\n[0025] 所述三轴陀螺仪，用于测量机器人的三轴旋转速率；\n[0026] 所述三轴加速度计，用于测量机器人的三轴加速度；\n[0027] 所述三轴磁场计，用于测量地磁在机器人上的三轴分量；\n[0028] 所述气压高度计，用于测量机器人所处的气压和高度；\n[0029] 所述超声波传感器，用于测量机器人相对于地面或障碍物间的距离。\n[0030] 采用上述技术方案，本发明产生的技术效果有：\n[0031] (1)功耗低；相较于飞行模态，地面行走模态功耗较低，而吸附模态功耗则更低；采用可变形设计，带螺旋桨轮辐的轮毂既可在飞行模态中提供升力，又可在行走模态中充当地面行走轮，进一步减轻了机器人自重，降低了功耗，提高了有效负载。\n[0032] (2)环境适应能力和多任务处理能力强。在较为平坦的地面上，机器人采用行走模态；当遇到崎岖路面、不可通过的障碍物或需要涉水作业时，可切换到飞行模态；当需要做定点长时侦察时又可吸附到物体表面。多模态作业，从而满足各种复杂恶劣环境下的多种任务要求。\n[0033] (3)结构稳定性好、机动性强。采用多旋翼结构使得飞行模态稳定性高、机动性强；\n每个翼臂末端安装两个反向螺旋桨，构成共轴双桨八旋翼构型，便于在同样体积下采用大桨获得更大的负载和机动性，同时上下反桨的扭转力矩相互抵消，便于在行走和飞行模态切换间保持平衡性。\n附图说明\n[0034] 图1是本发明可变形多模态陆空飞行机器人的结构示意图；\n[0035] 图2a是前翼臂装置和后翼臂装置的结构示意图；\n[0036] 图2b是左翼臂装置和右翼臂装置的结构示意图；\n[0037] 图3是本发明处于行走模态时的结构示意图；\n[0038] 图4是轮毂装置的结构示意图；\n[0039] 图5是吸附装置的结构示意图；\n[0040] 图6是自动驾驶仪的模块结构图；\n[0041] 图7是数据测量装置的模块结构图。\n具体实施方式\n[0042] 为使本发明的目的、技术方案和特点更加清晰明了，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。\n[0043] 如图1所示，本发明的可变形多模态陆空飞行机器人，包括：\n[0044] 本体10、自动驾驶仪20、翼臂装置30、轮毂装置40和吸附装置50；\n[0045] 本体10上呈十字形安装有四组翼臂装置30，所述的四组成十字形排布的翼臂装置\n30分为等长的前翼臂装置31、后翼臂装置32、左翼臂装置33和右翼臂装置34，前翼臂装置31和后翼臂装置32位于同一轴线上，左翼臂装置33和右翼臂装置34位于同一轴线上。\n[0046] 如图2a、2b所示，上述的各个翼臂装置均包括翼大臂300、翼小臂301、旋转关节\n302、安装支架303、电机304、电机305和减震套筒306，翼大臂300安装在本体上，翼小臂301通过旋转关节302与翼大臂300连接，安装支架303通过减震套筒306与翼小臂301连接，在安装支架303上竖直安装两台互为逆向运转的电机304、电机305。\n[0047] 并且，前翼臂装置31和后翼臂装置32的翼大臂长度分别大于左翼臂装置33和右翼臂装置34的翼大臂长度，前翼臂装置31和后翼臂装置32的翼小臂长度分别小于左翼臂装置\n33和右翼臂装置34的翼小臂的长度。使得左翼臂装置33和右翼臂装置34的旋转关节位置靠近机体，而前翼臂装置31和后翼臂装置32的旋转关节位置远离机体。\n[0048] 参考图1，轮毂装置40分别安装在上述四组翼臂装置30上，并且，通过电机驱动轮毂装置40的运转；吸附装置50安装在本体上部，用于以指定角度吸附在物体表面，自动驾驶仪20安装在本体上，自动驾驶仪20分别驱动轮毂装置40与吸附装置50运转，同时，自动驾驶仪驱动翼臂装置30的旋转关节302旋转，使翼小臂301带动轮毂装置40旋转到指定角度，实现飞行模态和地面行走模态的切换。\n[0049] 参考图2a、2b的翼臂结构，在飞行模态时，如图1所示，四组翼臂装置30的翼小臂\n301在旋转关节302的带动下展开为水平位置，机器人呈共轴双桨八旋翼飞行器构型。\n[0050] 当飞行器切换到行走模态后，如图3所示，左翼臂装置33和右翼臂装置34均向下旋转到竖直位置，轮毂装置接触地面成为地面行走轮，用于控制方向；前翼臂装置31和后翼臂装置32的翼小臂向下旋转0-90度，由轮毂装置40产生的空气动力提供前进、后退的推进力。\n[0051] 具体的，由飞行模态切换到行走模态包括如下步骤：\n[0052] (a)、机器人飞行到切换点处，做定点悬停飞行；\n[0053] (b)、机器人缓慢下降，同时左翼臂装置和右翼臂装置的翼小臂向下旋转到竖直位置，最终左右轮毂装置在下降过程中接触地面成为地面行走轮；在这个过程中，与翼小臂连接的减震套筒起悬挂减震作用，前、后翼臂装置上安装的轮毂装置产生的升力用以控制机器人平衡；\n[0054] (c)、前、后翼臂装置的翼小臂向下旋转一定角度，由于翼小臂较短，轮毂不会接触地面。至此，机器人切换到地面行走模态，此后由前后翼臂上的轮毂装置产生的空气动力提供前进、后退的推进力，地面行走轮仅控制方向。\n[0055] 由行走模态切换到飞行模态包含与以上步骤相反的过程，在此不作赘述。另外，在切换过程中前、后翼臂装置的翼小臂无需旋转到竖直位置，只需与水平面呈一定角度，即可保证空气动力在水平方向产生一定分量的力，以此作为前进、后退的动力，这保证了飞行模态与行走模态的灵活、快速切换。\n[0056] 如图4所示，轮毂装置40包括上轮毂机构41和下轮毂机构42，上轮毂机构和下轮毂机构均包括轴座(400，401)、轮辐(402,404)、轮毂圈(403,405)；上轮毂机构通过轴座400安装在电机304轴上，下轮毂机构通过轴座401安装在逆向运转的电机305轴上，电机304与电机305分别进而带动上、下轮毂机构进行旋转；轴座(400,401)与轮毂圈(403,405)之间环设有多条轮辐(402,404)，轮辐为桨叶状，上轮毂机构和下轮毂机构上安装的轮辐的桨叶构型互为反向,形成正反桨配对：整体升力面朝上，但螺旋桨扭转力矩方向相反，可相互抵消。采用正反桨配对构型，既能在同样体积下采用大桨获得更大的负载和机动性，又便于在行走和飞行模态切换间保持机器人的平衡性。\n[0057] 如图5所示，吸附装置50包括基座500、吸附臂501、吸盘臂502、吸盘503、吸附臂舵机504、吸盘臂舵机505、吸气管道506和真空泵507；\n[0058] 基座500安装在本体上部，安装在本体上的吸附臂舵机504、吸盘臂舵机505分别通过吸附臂501、吸盘臂502控制吸盘503运转，吸盘503内设有真空负压腔，负压腔通过吸气管道506与真空隔离泵507连通，真空隔离泵通过吸气管道不断抽气，在吸盘内形成负压，保障吸盘牢固地吸附在物体表面。吸附模态能使机器人做长时的定点侦察、打击，保证了较好的隐蔽性，且吸附功耗较飞行或地面行走模态的功耗低得多。\n[0059] 在吸盘上固装有连接耳508，吸附臂501的两端分别与吸附臂舵机504和连接耳508铰接，吸盘臂502的两端分别与吸盘臂舵机505和连接耳508连接；构成一个二自由度的运动机构，吸附臂舵机504转动时，带动吸附臂和吸盘臂整体转动，进而调整吸盘臂502相对于基座500的角度；吸盘臂舵机505转动时，吸附臂保持不动，进而调整吸盘相对于吸附臂的角度。这样一个二自由度的运动机构，使得机器人能够灵活地以指定角度吸附在物体表面。\n[0060] 以上机器人各部分机构的有序运行都是在自动驾驶仪的控制下完成的。\n[0061] 如图6所示，本发明的自动驾驶仪20包括电源、中央处理器以及分别与中处理器连接的数传电台、图传电台、遥控器接收机、GPS模块、数据测量装置、旋转关节驱动器、吸附舵机驱动；\n[0062] 数传电台用于将机器人的位置、速度等运行状态信息通过无线方式传递至远程地面控制站；\n[0063] 图传电台用于将机器人实时采集到的图像信息通过无线方式传递至远程地面控制站；\n[0064] 遥控器接收机用于接收远程遥控器发送的遥控指令；\n[0065] GPS模块用于实时获取机器人的地理坐标信息；\n[0066] 轮毂电机驱动器用于驱动安装在翼臂装置上的电机；\n[0067] 旋转关节驱动器用于驱动旋转关节的运转；\n[0068] 吸附舵机驱动器用于驱动吸附臂舵机和吸盘舵机的运转。\n[0069] 如图7所示，所述的数据测量装置包括：\n[0070] 三轴陀螺仪，用于测量机器人的三轴旋转速率；\n[0071] 三轴加速度计，用于测量机器人的三轴加速度；\n[0072] 三轴磁场计，用于测量地磁在机器人上的三轴分量；\n[0073] 气压高度计，用于测量机器人所处的气压和高度；\n[0074] 超声波传感器，用于测量机器人相对于地面或障碍物间的距离。\n[0075] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和特点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。