专利名称：一种飞行和爬壁两栖机器人及其控制方法
技术领域：
本发明属于机器人技术领域，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。
背景技术：
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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种飞行和爬壁两栖机器人及其控制方法，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。实现本发明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。本发明与现有技术相比，其显著优点:(1)本发明具有三种运行状态，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)本发明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)本发明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)本发明结构紧凑、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。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明飞行和爬壁两栖机器人的结构示意图。图2是本发明四轮驱动式爬壁机构的立体图。图3是本发明爬壁机构底部密封腔平面图。图4是本发明飞行和双足式爬壁两栖机器人地示意图。图5是本发明蠕动式爬壁机构示意图。图6是本发明齿轮齿条传动示意图。图7(a)是本发明机器人顶吸示意图。
图7(b)是本发明机器人侧吸示意图。图7(c)是本发明机器人全方位吸附示意图。图8是本发明配重平衡示意图。图9是本发明机器人控制系统连接示意图。图10是本发明机器人飞行、栖息和爬壁三种模态切换控制图。图11是本发明飞行和吸附转换过程控制框图。图12是本发明机器人壁面爬行示意图。图13是本发明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，本发明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，本发明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。同时设计了爬壁子系统壳体，壳体固定在支撑底板12上，四个车轮16对称安装在壳体的两边。所述密封裙10整体呈无缝结构，由耐磨尼龙布加工而成。密封裙10内部均匀填充软弹性材料如橡胶、海绵、气体等，填充软弹性材料的作用是使密封裙10和壁面接触的时候不至于过软而影响密封腔的密封，以提高对不光滑平整壁面的适应性，从而减小泄漏流量，另外在遇到较小的障碍例如壁面突起的小颗粒等可以自然越过而不影响机器人的正常移动。密封的高度可由软弹性材料的高度进行调整，如果密封裙10高出轮子过多，则会影响机器人在壁面上的移动，如果过低又会降低密封效果。结合图4、图5、图6，本发明飞行和爬壁两栖机器人的吸附单元采用真空隔膜泵的负压吸附方式，移动单元采用蠕动式爬行时，吸附单元包括两个真空吸盘20和微型真空泵，所述移动单元包括两个移动缓冲装置21、一个运动机构22、两个真空吸盘20和连杆，两个真空吸盘20为吸附单元和移动单元共用，两个真空吸盘20通过中空的连杆各连接一个移动缓冲装置21，两个移动缓冲装置21均通过连杆与运动机构22连接，固定在支撑臂8上的微型真空泵通过软管与中空的连杆连接，该中空的连杆与真空吸盘20密封连接，通过抽气使得真空吸盘20内形成一定真空度，从而实现对壁面的吸附。运动机构22包括齿轮24、齿条23和驱动电机，齿轮24、齿条23和驱动电机设置在运动机构壳体内，齿轮24与驱动电机连接，齿条23与齿轮24相互啮合；两个移动缓冲装置21分别通过连杆与运动机构壳体一端连接，该运动机构壳体另一端与连接机构3连接。
飞行子系统I和爬壁子系统2通过连接机构3连接，连接方式如图7(a)所示，主要用于在天花板等水平壁面的吸附(顶吸)和移动，此时连接机构3主要由两根支杆25组成，两根支杆25的一端连接飞行子系统1，另一端连接爬壁子系统2，位置、角度不限，但以一端固定在飞行机构中央位置，另一端固定在爬壁机构中央位置，且相互垂直为最佳。此时，重心比较靠近中央位置，对于机器人的空中稳定飞行比较有益。连接方式也可以如图7(b)所示，主要用于在垂直壁面的吸附(侧吸)和移动，此时连接机构3上还需要固定配重27，用于保持机器人的平衡，使重心尽量处于飞行子系统I的中央位置。但是即使这样，当吸附在壁面以后，由于重心距离壁面比较远，需要很大的吸附力才能保持力矩平衡，这将很容易导致机器人倾覆。所以此时爬壁子系统还包括一个支撑机构26，并且可以在安装爬壁子系统组成部分时使重心尽量往后移，这样墙壁对支撑结构26的作用力就会提高，力矩就会增大，从而起到很好的防倾覆效果。两根支杆25的一端连接爬壁子系统2，该爬壁子系统2上设置一个支撑机构26，飞行子系统I设置在两根支杆25上，配重27在两根支杆25的另一端上移动，使机器人的重心在飞行子系统I的中央位置。连接方式也可以如图7(c)所示，这可以用于全方位的吸附和移动，此时连接机构3包括两个连接缓冲装置29、两根支杆25、配重27、两个套管28、关节臂30、关节臂驱动器31，两根支杆25设置在飞行子系统I上，两个套管28安装在两根支杆25上，该套管在支杆上自由移动，该两个套管28直径小于支杆顶端的直径，防止由于缓冲装置21的反作用力而飞出；每个连接缓冲装置21—端固定在支杆上，另一端与套管28连接；关节臂30的一端与配重27连接，固定在连接两个套管28的横梁上，关节臂30的另一端与爬壁子系统2的爬壁子系统壳体连接。如图8所示，当爬壁子系统2转动时，配重27随之转动，始终保持重心在关节处，这样就保证了爬壁机构在空中转动时机器人的整体平衡性。关节臂驱动器31与关节臂30连接，用于实现关节臂30在空中的全方位转动，同时关节臂驱动器31通过串口与控制系统4的单片机控制器连接，实现对关节臂30转动的控制。缓冲装置21可以是弹簧、气缸或活塞等。如图9所示，所述控制系统4包括单片机控制器33、三轴陀螺仪34、三轴加速度计35、高度传感器36，高精度三轴陀螺仪34和三轴加速度计35用于感知飞行子系统I的运动状态和本体姿态，并反馈给单片机控制器33，单片机控制器33通过飞行器控制算法解算出四个电机转速，传输给四个旋翼电机驱动器7，使飞行器能够按照发送的控制命令稳定飞行；高度传感器36用于测量机器人的当前高度，实现机器人的定高悬停，将使机器人在飞行和栖息之间切换时先处于悬停过渡状态。控制系统4还包括超声波传感器37、GPS模块38,超声波传感器37用于测量机器人与前方障碍物的距离，通过串口传输给单片机控制器33，用于机器人的自主避障；也可以用于测量与待吸附壁面的距离，逐渐调整机器人的飞行状态，使机器人在距离壁面较小位置处于悬停状态；GPS模块38用于机器人的定位和自主导航，可以使机器人按照规划的路线自主飞行，并记录一些障碍点的位置信息，用于离线创建地图，提高下次规划路线的效率。所述控制系统4还包括气压传感器39、压力传感器40、无线数据收发模块41、遥控接收装置43，气压传感器39用来测量爬壁子系统2密封腔内压强，通过串口传送给单片机控制器33，离心泵电机驱动器15与单片机控制33的IO连接，从而实现对吸附力的控制。压力传感器40安装在支杆25或关节臂30上，用于测量机器人与壁面接触时，壁面对机器人地反作用力。无线数据收发模块41或遥控接收装置43用来接收操作者的命令，实现对旋翼电机驱动器7和车轮舵机17的控制，从而实现飞行子系统I和爬壁子系统2的分别工作，并使机器人在三种状态(飞行、栖息、爬壁)下分别工作且可以相互切换。与机载控制系统4配套使用的是地面控制系统，地面控制系统包括无线数据收发模块41、上位机42和遥控装置44。单片机控制器33通过无线数据收发模块41实时接收发送机器人的各种飞行和爬壁数据并在上位机42上显示，包括电池电压、坐标、高度、姿态、飞行时间、飞行速度、飞行路径、GPS状态、密封腔内压强等重要信息；操作者通过遥控装置44发送控制命令通过遥控接收装置43接收，由串口传输给单片机控制器33 ;操作者也可以通过上位机42发送控制命令通过无线数据收发模块41传输给单片机控制器33，这提高了系统集成性，冋时提闻了系统的各错能力。所述机器人的控制难点在于如何实现飞行和栖息之间的自主切换。飞行状态向栖息状态切换时，由于壁面对机器人的反作用力，机器人的运动状态受到约束，原有的控制规律将会失效；同时在吸附到飞行转换的过程中，由于吸附力对机器人的约束，原有的控制规律也将打破。如图10所示，本发明通过上述的飞行和爬壁两栖机器人进行控制处理，可以实现该机器人的飞行、吸附和爬壁三种模态间自主的切换，其中路线A实现机器人空中稳定飞行到目标物稳定吸附，再到三维空间壁面爬行的过程；路线B则反映了其逆过程的切换控制流程。本发明主要研究飞行和吸附转换过程中，由于吸附力的约束，正常飞行控制规律失效下的瞬态控制方法。实现飞行和栖息自主切换的控制如图11所示，主要包括飞行到栖息的切换和栖息到飞行的切换控制。首先分析多栖机器人的机构特征、空气动力学等建立飞行和爬壁两栖机器人的动力学数学模型。通过多传感器采集多种信息，如位置、姿态、力等，分别进行位置姿态反馈、力反馈和距离反馈，将多信息进行融合同时进行决策，通过开关切换到位置控制器或位移/力混合控制器，结合输入的位置或力进行处理，然后再传送给机器人，这样就形成了飞行和栖息自主切换的闭环控制。本发明飞行和爬壁两栖机器人实现机器人的飞行、吸附和爬壁三种模态间自主的切换，首先飞行、吸附切换控制步骤如下:
步骤一:首先操作者通过上位机42或遥控装置44发送控制命令给单片机控制器33控制机器人向目标位置飞行，超声波传感器37测量机器人与待吸附壁面距离，此时切换到位置控制器，当距离小于d0 (小于I米)后，位置控制器自动加入自调整过程，分配给自调整较大的权重值(与人工输入操作相比较而言)，用于规划机器人的飞行路径，使机器人在距离壁面的距离dl (小于15cm)时，处于悬停状态且正对壁面，过程中远程控制微调机器人的状态和姿态，两者共同作用于机器人。步骤二:当单片机控制器33接收到飞行向栖息切换的控制命令时，以小俯仰角(小于±5° )缓慢向壁面飞行(由于连接缓冲装置29的存在，不会猛烈的撞击到壁面)，同时离心泵驱动器15自动启动离心泵电机14，离心泵13开始工作；当为全方位吸附时，可以通过关节臂驱动器31驱动关节臂30转动，使爬壁子系统2紧靠壁面。步骤三:机器人与壁面的接触过程中，由于壁面对机器人位置的约束，原有的控制规律将会失效，此时自动切换到位移/力混合控制，通过压力传感器40反馈壁面对机器人的反作用力，并对其进行补偿使机器人产生与反作用力相反方向的惯性力，抵销壁面对机器人的反作用力，同时调整机器人的姿态，使得机器人可以悬停且以一定压力紧靠壁面。步骤四:根据气压传感器39测量密封腔内压强值，动态调节离心泵电机14的转速，当爬壁子系统2紧靠壁面且吸附稳定后，停止飞行子系统I的工作。步骤五:当完成任务后，机器人从栖息状态切换到飞行状态，由于吸附力的约束，原有的飞行控制规律也将失效，通过压力传感器40的力反馈和超声波传感器37的位移反馈，进行位移/力混合控制，逐渐增大飞行子系统I旋翼5的转速，并同时降低离心泵电机14的转速，通过气压传感器39实时反馈爬壁子系统2的吸附情况(因为吸附力对飞行子系统I有力的约束，突然关闭离心泵13会出现力的不平衡，导致机器人撞到壁面上)，由超声波传感器37测量与壁面的距离，当离壁面距离为dl时，使机器人处于悬停状态，且爬壁子系统2停止工作。步骤六:再次切换到位置控制，通过上位机42或者遥控装置44控制机器人返航。其次，四轮驱动方式爬行已经比较成熟，这里主要介绍蠕动式爬行，所述的爬壁控制步骤如下:
飞行和爬壁两栖机器人通过两个吸附足A、B来实现机器人在三维空间壁面的爬行，每个吸附足包括真空吸盘20、气压传感器39、自适应模糊PID控制器，气压传感器39与自适应模糊PID控制器相连，气压传感器39测量真空吸盘20内的真空度，使得其能自适应各种自然环境壁面。如图12所示，其中运动机构22通过齿轮齿条传动实现伸缩，通过下述控制步骤实现两个吸附足的蠕动式爬行:
Ca)开始时激活吸附足A、B，使得机器人能够稳定栖息在三维空间壁面；
(b)释放吸附足B，通过运动机构22中的驱动电机转动实现收缩，从而驱动其向上运
动；
(c)到达某个位置后，重新激活吸附足B;
(d)释放吸附足A，运动机构22通过伸展驱动吸附足A向上运动，如此反复就实现了机器人在壁面的蠕动爬行。飞行和爬壁两栖机器人具有极大的应用价值，这里以军事侦察为例，如图13所示，此时在爬壁子系统2上安装了具有两自由度的摄像装置45，也可以安装在飞行子系统I上。摄像装置45包括无线摄像头46、驱动舵机47、底座48、垂直支杆49和横向转动部件50，驱动舵机47与垂直支杆49连接，用于实现垂直支杆49在纵向平面上的转动，垂直支杆49 一端与底座48连接，另一端用来固定横向转动部件50 ;横向转动部件50与无线摄像头46连接，使无线摄像头46可以在横向上移动，驱动舵机47和横向转动部件50保证了无线摄像头46在三维空间的移动能力。配套使用的还有无线视频传输模块51，可以通过无线视频传输模块51将视频信息传送给上位机42。
权利要求
1.一种飞行和爬壁两栖机器人，其特征在于包括飞行子系统(I)、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，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； 其中所述的飞行子系统(I)米用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，η > 2。
2.根据权利要求1所述的飞行和爬壁两栖机器人，其特征在于所述爬壁子系统(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。
3.根 据权利要求2所述的飞行和爬壁两栖机器人，其特征在于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，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；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)。
4.根据权利要求3所述的飞行和爬壁两栖机器人，其特征在于还设置一个安装夹(18)，该安装夹(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)。
5.根据权利要求2所述的飞行和爬壁两栖机器人，其特征在于吸附单元采用真空隔膜泵的负压吸附方式，移动单元采用蠕动式爬行时，吸附单元包括两个真空吸盘(20)和微型真空泵，所述移动单元包括两个移动缓冲装置(21)、一个运动机构(22)、两个真空吸盘(20)和连杆，两个真空吸盘(20)为吸附单元和移动单元共用，两个真空吸盘(20)通过中空的连杆各连接一个移动缓冲装置(21)，两个移动缓冲装置(21)均通过连杆与运动机构(22)连接，固定在支撑臂(8)上的微型真空泵通过软管与中空的连杆连接，该中空的连杆与真空吸盘(20)密封连接；运动机构(22)包括齿轮(24)、齿条(23)和驱动电机，齿轮(24)、齿条(23 )和驱动电机设置在运动机构壳体内，齿轮(24 )与驱动电机连接，齿条(23 )与齿轮(24)相互啮合；两个移动缓冲装置(21)分别通过连杆与运动机构壳体一端连接，该运动机构壳体另一端与连接机构3连接。
6.根据权利要求2所述的飞行和爬壁两栖机器人，其特征在于当顶吸时，连接机构(3)由两根支杆(25)组成，两根支杆(25)的一端连接飞行子系统(1)，另一端连接爬壁子系统(2)；当侧吸时，连接机构3由两根支杆(25)组成，两根支杆(25)的一端连接爬壁子系统(2),该爬壁子系统(2)上设置一个支撑机构(26)，飞行子系统(I)设置在两根支杆(25)上，配重(27)在两根支杆(25)的另一端上移动，使机器人的重心在飞行子系统(I)的中央位置； 当全方位的吸附时，连接机构(3)包括两个连接缓冲装置(29)、两根支杆(25)、配重(27)、两个套管(28)、关节臂(30)、关节臂驱动器(31)，两根支杆(25)设置在飞行子系统(I)上，两个套管(28 )安装在两根支杆(25 )上，该套管在支杆上自由移动，该两个套管(28 )直径小于支杆顶端的直径；每个连接缓冲装置(21) —端固定在支杆上，另一端与套管(28)连接；关节臂(30)的一端与配重(27)连接，固定在连接两个套管(28)的横梁上，关节臂(30)的另一端与爬壁子系统(2)连接；当爬壁子系统(2)转动时，配重(27)随之转动，始终保持重心在关节处；关节臂驱动器(31)与关节臂(30)连接，用于实现关节臂(30)在空中的全方位转动，同时关节臂驱动器(31)通过串口与控制系统(4)的单片机控制器连接，实现对关节臂(30)转动的控制。
7.一种飞行和爬壁两栖机器人的控制方法，其特征在于实现机器人的飞行、吸附和爬壁三种模态间自主的切换，首先飞行、吸附切换控制步骤如下: 步骤一:首先操作者通过上位机(42)或遥控装置(44)发送控制命令给单片机控制器(33)控制机器人向目标位置飞行，超声波传感器(37)测量机器人与待吸附壁面距离，此时切换到位置控制器，当距离小于d0后，位置控制器自动加入自调整过程，分配给自调整大的权重值，用于规划机器 人的飞行路径，使机器人在距离壁面的距离dl时，处于悬停状态且正对壁面，过程中远程控制微调机器人的状态和姿态，两者共同作用于机器人； 步骤二:当单片机控制器(33)接收到飞行向栖息切换的控制命令时，以小俯仰角缓慢向壁面飞行，同时离心泵驱动器(15)自动启动离心泵电机(14)，离心泵(13)开始工作；步骤三:机器人与壁面的接触过程中，自动切换到位移/力混合控制，通过压力传感器(40)反馈壁面对机器人的反作用力，并对其进行补偿，同时调整机器人的姿态，使得机器人悬停且紧靠壁面； 步骤四:根据气压传感器(39)测量密封腔内压强值，动态调节离心泵电机(14)的转速，当爬壁子系统(2)紧靠壁面且吸附稳定后，停止飞行子系统(I)的工作； 步骤五:当完成任务后，机器人从栖息状态切换到飞行状态，通过压力传感器(40)的力反馈和超声波传感器(37)的位移反馈，进行位移/力混合控制，逐渐增大飞行子系统(I)旋翼(5)的转速，并同时降低离心泵电机(14)的转速，通过气压传感器(39)实时反馈爬壁子系统(2)的吸附情况，由超声波传感器(37)测量与壁面的距离，当离壁面距离为dl时，使机器人处于悬停状态，且爬壁子系统(2)停止工作； 步骤六:再次切换到位置控制，通过上位机(42)或者遥控装置(44)控制机器人返航； 其次，所述的爬壁控制步骤如下: 飞行和爬壁两栖机器人通过两个吸附足A、B来实现机器人在三维空间壁面的爬行，每个吸附足包括真空吸盘(20)、气压传感器(39)、自适应模糊PID控制器，气压传感器(39)与自适应模糊PID控制器相连，气压传感器(39)测量真空吸盘(20)内的真空度，使得其能自适应各种自然环境壁面，通过下述控制步骤实现两个吸附足的蠕动式爬行:(a)开始时激活吸附足A、B，使得机器人能够稳定栖息在三维空间壁面； (b)释放吸附足B，通过运动机构(22)中的驱动电机转动实现收缩，从而驱动其向上运动； (c)到达某个位置后，重新激活吸附足B; Cd)释放吸附足A，运动机构(22)通过伸展驱动吸附足A向上运动，如此反复就实现了机器人在壁面的蠕动 爬行。
全文摘要
本发明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。
文档编号B62D57/00GK103192987SQ201310118990
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月7日 优先权日2013年4月7日
发明者刘永, 刘衍, 孙国辛 申请人:南京理工大学, 南京天恩美科技有限公司