專利名稱：一種空中飛行和全方位吸附微型機器人的制作方法
技術領域：
空中飛行和全方位吸附微型機器人及其控制方法，屬于機器人的技術領域，特別是一種具有飛行和在各種材料表面上以多種位置吸附的微型低噪音機器人。
背景技術：
因為在公共安全、救援以及國防領域的偵查及危險作業(yè)等特殊任務需求，具有三維空間移動能力的空中飛行機器人受到世界各國極大的重視。2011年，美國研究人員正與日本防衛(wèi)省合作，共同研制他們所說的世界上第一個球形飛行機器人。這款機器人的體型與足球相當，飛行速度可達到每小時40英里(約合每小時64公里)，可懸浮在走廊等穩(wěn)定場所上方。2010年，瑞士理工學院研制出一種可以在完全自主的狀態(tài)下自主尋找“同伴”相互合作飛行的迷你飛行機器人。盡管單個飛行機器人個體都帶有可以脫離地面飛行的螺旋槳，但單個個體的飛行極其不穩(wěn)定。單個個體之間可以利用紅外線光束尋找彼此之間的結合點，進而自用磁力裝置相互結合在一起形成群組飛行器。和單個個體飛行相比，這種群組飛行器飛行更加穩(wěn)定和快速。國內(nèi)飛行機器人的研究幾乎是剛剛開始，公開的研究成果比較少。專利號200910079365. 7的專利公開了一種多旋翼腿輪式多功能空中機器人及其運動規(guī)劃方法，本發(fā)明實現(xiàn)了旋翼式飛行器與腿輪式運動機構的融合，機械結構簡單、易于實現(xiàn)。專利號200610024082的專利公開了一種鉸接式旋翼飛行機器人，適合于狹窄空間和懸停工況的飛行作業(yè)。專利201010M3173公開了一種高層建筑和陡峭山體森林的空中滅火機器人系統(tǒng)。專利200810097807公開了一種智能化空中機器人系統(tǒng)集成方法，該智能化空中機器人系統(tǒng)由無人直升機平臺、自駕設備、特定任務設備、數(shù)據(jù)鏈路和地面站組成。發(fā)明專利200610080492. 5專利公開了一種由機體和多個安裝在機體上的、在通一水平面上旋翼組成的多旋翼飛行器。發(fā)明專利201010223164. 2 公開了一種基于四軸飛行器的橋梁檢測機器人。空中機器人具有長距離快速的飛行能力而受到廣泛關注和研究，但空中機器人效率不高、噪音較大，通常采用電池作為動力的微型旋翼空中機器人僅能飛行10分鐘左右。 發(fā)動機作為動力的空中機器人重量大、噪音很大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于模仿飛行生物的行為，提出一種空中飛行和全方位吸附微型機器人，吸附的功耗遠低于飛行，解決空中機器人限于空中飛行且功耗高，也不適合于高層建筑等的偵查應用需求等問題。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為一種空中飛行和全方位吸附微型機器人，包括吸附裝置、吸附關節(jié)臂、關節(jié)臂驅動舵機、四個旋翼、四個旋翼電機、四個驅動器、機器人本體、遠程遙控器，吸附裝置設置在吸附關節(jié)臂的一端，該吸附關節(jié)臂的另一端與關節(jié)臂驅動舵機的輸出軸連接，該關節(jié)臂驅動舵機設置在舵機支架上，舵機支架固定安裝在機器人本體的上面，四個旋翼固定安裝在各自的旋翼電機上，四個驅動器分與各自的旋翼電機連接，遠程遙控器發(fā)送控制命令給機器人本體實現(xiàn)空中飛行和全方位吸附。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的顯著效果是(1)本發(fā)明機器人基于四旋翼空中飛行， 具有低空飛行穩(wěn)定的特點，通過吸附裝置使機器人擁有在空中物體表面棲息吸附的能力， 實現(xiàn)了仿飛行生物飛行和棲息的機制。(2)本發(fā)明所述的吸附裝置通過復合密封裙用于各種光滑及凹凸不平表面及一定尺寸縫隙的的良好靜態(tài)密封，好的密封效果有利于在同樣的吸附力降低對功率的消耗，這為降低吸附功耗提供保障。(3)棲息吸附的功耗遠遠低于空中飛行，所以吸附不僅為飛行機器人賦予了新的能力，也大大提高了機器人執(zhí)行任務的可持續(xù)工作時間，這也為高層建筑的偵查、棲息過程充電等提供了可能，對于公共安全、救援以及消防等領域偵查及檢測有著無法估量的社會價值、廣泛的應用前景和重要經(jīng)濟收益。 (4)吸附裝置通過可控的吸附機械臂在機器人本體上的180°轉動，達到機器人可以在本體上方目標全方位吸附的效果。(5)本發(fā)明的控制方法保證了空中飛行和吸附微型機器人在多種空中目標表面以多種方位吸附棲息以及飛行和棲息之間任意轉換的能力。(6)本發(fā)明具有快速遠距離空中飛行、全方位吸附棲息、適于各種光滑及凹凸不平表面、微型、越障能力強以及高效率等顯著優(yōu)點，具有良好的社會意義、應用價值和推廣前景。下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。


圖1是本發(fā)明的空中飛行和全方位吸附微型機器人結構示意圖； 圖2是控制單元、傳感器及驅動器的連接關系示意圖3是本發(fā)明的負壓吸附裝置及復合吸附裙結構示意圖； 圖4是本發(fā)明的靜電吸附裝置結構示意圖； 圖5(a)、圖5 (b)和圖5 (c)是本發(fā)明的全方位吸附效果示意圖； 圖6(a)、圖6 (b)和圖6 (c)是飛行和吸附之間相互切換過程的效果示意圖； 圖7是本發(fā)明的真空吸附及飛行機器人結構示意圖。
具體實施例方式結合圖1和圖2，本發(fā)明空中飛行和全方位吸附微型機器人，包括吸附裝置1、吸附關節(jié)臂2、關節(jié)臂驅動舵機3、四個旋翼4-1、4-2、4-3、4_4、四個旋翼電機5_1、5-2、5-3、5-4、 四個驅動器6-1、6-2、6-3、6-4、機器人本體7、遠程遙控器8，吸附裝置1設置在吸附關節(jié)臂 2的一端，該吸附關節(jié)臂2的另一端與關節(jié)臂驅動舵機3的輸出軸連接，該關節(jié)臂驅動舵機 3設置在舵機支架上，舵機支架固定安裝在機器人本體7的上面，四個旋翼4-1、4-2、4-3、 4-4固定安裝在各自的旋翼電機5-1、5-2、5-3、5_4上，四個驅動器6_1、6-2、6-3、6-4分與各自的旋翼電機5-1、5-2、5-3、5-4連接，遠程遙控器8發(fā)送控制命令給機器人本體7實現(xiàn)空中飛行和全方位吸附。其中，機器人本體7包括四旋翼支撐架9、本體控制單元10以及起落支架11，四個旋翼電機5-1、5-2、5-3、5-4、四個驅動器6-1、6_2、6-3、6_4設置在旋翼支撐架9上，起落支架11設置在旋翼支撐架9下，本體控制單元10設置在旋翼支撐架9的中央位置。機器人本體7機械結構可以為多種形狀，如十字形狀、X形狀等，四旋翼支撐架9可以采用碳纖維材料管狀結構。
如圖2所示，本發(fā)明空中飛行和全方位吸附微型機器人的本體控制單元10包括單片機控制器12、高精度三軸陀螺儀13、三軸加速度傳感器14、超聲波傳感器15、無線數(shù)字接收模塊16，高精度三軸陀螺儀13、三軸加速度傳感器14分別設置在單片機控制器12上，高精度三軸陀螺儀13和三軸加速度傳感器14用于感知機器人的運動狀態(tài)和姿態(tài)，并反饋給單片機控制器12 ；超聲波傳感器15設置在吸附關節(jié)臂2上，測量機器人本體7與吸附棲息目標的距離，通過串口傳輸?shù)絾纹瑱C控制器12 ；操作者通過遠程遙控器8發(fā)出的控制命令信號17通過無線數(shù)字接收模塊16接收由串口傳輸?shù)絾纹瑱C控制器12 ；單片機控制器12通過IO 口與關節(jié)臂驅動舵機3連接，用于實現(xiàn)吸附裝置1在機器人本體7上的180°轉動，達到機器人可以在本體上方目標全方位吸附的效果。本發(fā)明空中飛行和全方位吸附微型機器人的吸附裝置1采用負壓吸附裝置、靜電吸附裝置或真空吸附盤。結合圖3，本發(fā)明空中飛行和全方位吸附微型機器人的吸附裝置1可以采用負壓吸附裝置，包括吸附裝置本體18、復合密封裙19、負壓腔20、壓力傳感器21、渦輪漿22、渦輪電機23、渦輪電機驅動器M，復合密封裙19設置在吸附裝置本體18的外側面四周，在吸附裝置本體18的內(nèi)側面中央位置設置負壓腔20，渦輪電機23的旋轉軸與渦輪漿22連接，渦輪電機23的殼體(也就是非旋轉軸)與負壓腔20連接，渦輪漿22位于負壓腔20內(nèi)，渦輪電機23帶動渦輪漿22在負壓腔20內(nèi)高速旋轉，將負壓腔20的空氣排出，形成負壓；壓力傳感器21設置在負壓腔20內(nèi)，用于測量負壓腔20內(nèi)的壓力傳輸給機器人本體7的單片機控制器12 ；渦輪電機驅動器M通過IO 口與機器人本體7的單片機控制器12連接。上述負壓吸附裝置重量不足100克，這遠小于飛行器的設計載荷(500克)，所以負壓吸附裝置的位置變化帶來的質(zhì)心影響完全可以通過機器人的四旋翼升力控制實現(xiàn)本體的自動平衡。本發(fā)明空中飛行和全方位吸附微型機器人的復合密封裙19采用內(nèi)層密封25和外層密封沈相結合的密封，即在負壓腔20外設置內(nèi)層密封25，在該內(nèi)層密封25外設置外層密封26，內(nèi)層密封25采用彈性材料，外面包裹耐磨布料，外層密封沈采用橡膠材料喇叭形狀。上述內(nèi)層密封25彈性材料采用海綿、動物鬃毛等彈性材料；由于彈性支撐材料具有自適應伸長和縮短的特性，任何局部區(qū)域都可以單獨自適應伸長和縮短，所以，內(nèi)層密封25 特別適應于光滑和粗糙墻壁及小裂紋的表面；外層密封26橡膠材料作為密封特別適合于光滑表面且持久密封效果更好。復合密封裙19用于各種光滑及凹凸不平表面及一定尺寸縫隙的的良好靜態(tài)密封，好的密封效果有利于在同樣的吸附力降低對功率的消耗，這為進一步降低吸附功耗提供保障，本實施例中，機器人重量約1. IKg,實測負壓吸附裝置的功耗約15W，而大于1000克自重的飛行器的功耗大于150W。結合圖4，本發(fā)明空中飛行和全方位吸附微型機器人的吸附裝置1還可以采用靜電吸附裝置，包括正負電極27、絕緣體28、吸附裝置本體四、高壓DC-DC模塊30，正負電極 27交替嵌在絕緣體28表面，該絕緣體28設置在吸附裝置本體四的外側面，高壓DC-DC模塊30的輸出與正負電極27連接。高壓DC-DC模塊30選擇Q50-5模塊，將5V直流電壓轉換成5千伏電壓施加在正負電極上，與墻體表面產(chǎn)生反向靜電荷，反向靜電電荷之間形成引力。如圖5 (a)、圖5 (b)、圖5 (c)，吸附裝置1設置在吸附關節(jié)臂2 —端，關節(jié)臂2的另一端與關節(jié)臂驅動舵機3的輸出軸連接，關節(jié)臂驅動舵機3設置在舵機支架上，舵機支架固定安裝在機器人本體7的上面，單片機控制器12通過IO 口與關節(jié)臂驅動舵機連接，用于實現(xiàn)吸附裝置1在機器人本體7上的180°轉動，達到機器人可以在本體上方目標全方位吸附的效果。本發(fā)明空中飛行和吸附微型機器人的控制，包括空中飛行的控制、吸附裝置吸附力的控制以及飛行和吸附之間相互切換過程的控制。結合圖2，四個旋翼電機5-1、5-2、5-3、5-4通過各自的驅動器6_1、6-2、6-3、6-4的 I2C接口連接到單片機控制器12，操作者通過遙控器8以2. 4G ZIGBee數(shù)字無線信號發(fā)出命令給本發(fā)明的機器人，ZigBee無線數(shù)字接收模塊16將接收的命令給本體控制單元10，本體控制單元10控制旋翼電機5-1、5-2、5-3、5-4及驅動器6-1、6-2、6-3、6-4驅動四旋翼4_1、 4-2、4-3、4-4旋轉的速度，產(chǎn)生不同的升力實現(xiàn)機器人的空中飛行。結合圖2，渦輪電機驅動器M通過IO 口與單片機控制器12連接。對于負壓吸附裝置的控制，本體控制單元10根據(jù)無線數(shù)字接收模塊16接收的吸附命令，通過渦輪電機23 的驅動器M控制渦輪電機23的轉速，渦輪漿22產(chǎn)生不同的吸附力，本體控制單元10通過壓力傳感器21采集吸附腔的負壓，閉環(huán)控制渦輪漿22的轉速，實現(xiàn)設定吸附力的控制，以適應各種墻壁表面的凹凸不平及縫隙。如圖6所示，本發(fā)明的飛行和吸附之間相互切換過程的效果示意圖。飛行和吸附之間相互切換過程的控制，其步驟是(a)控制機器人空中飛行到棲息目標位置附近，并處于懸停狀態(tài)，如圖6(a) ； (b)控制吸附裝置1在機器人本體7上的位置，使其外端面與棲息位置平面接近平行，如圖6(b) ； (c)通過超聲波傳感器測量機器人本體與棲息位置平面的距離，自動控制或人工操作機器人飛行使吸附裝置1的吸附外端面與棲息位置平面接觸； (d)控制吸附裝置1工作產(chǎn)生吸附力，將機器人吸附在棲息位置；(e)之后，控制四旋翼 4-1、4-2、4-3、4-4停止轉動，機器人完全處于棲息吸附控制狀態(tài)，如圖6(c) ； (f)當轉為飛行狀態(tài)時，啟動四旋翼4-1、4-2、4-3、4-4旋轉，并處于懸停狀態(tài)，控制吸附裝置1停止工作， 釋放吸附力，如圖6(b) ； (g)機器人離開棲息位置，機器人完全處于空中飛行控制狀態(tài)，如圖 6(a)。吸附裝置除了上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式，如圖7所示，采用真空吸附盤，吸附在光滑的物體表面，本實例中，真空吸附盤重量小于50克，吸附在建筑物的窗戶玻璃上。由于真空吸附的吸附力大、裝置簡單、輕巧，所以對于高層建筑室內(nèi)偵查有重要價值，如吸附在窗戶的玻璃表面。
權利要求
1.一種空中飛行和全方位吸附微型機器人，其特征在于包括吸附裝置(1)、吸附關節(jié)臂(2)、關節(jié)臂驅動舵機(3)、四個旋翼(4-1、4-2、4-3、4-4)、四個旋翼電機(5-1、5-2、5-3、 5-4)、四個驅動器(6-1、6-2、6-3、6-4)、機器人本體(7)、遠程遙控器(8)，吸附裝置(1)設置在吸附關節(jié)臂(2)的一端，該吸附關節(jié)臂(2)的另一端與關節(jié)臂驅動舵機(3)的輸出軸連接，該關節(jié)臂驅動舵機(3)設置在舵機支架上，舵機支架固定安裝在機器人本體(7)的上面，四個旋翼(4-1、4-2、4-3、4-4 )固定安裝在各自的旋翼電機(5_1、5_2、5_3、5_4 )上，四個驅動器(6-1、6-2、6-3、6-4)分與各自的旋翼電機(5-1、5-2、5-3、5-4)連接，遠程遙控器(8) 發(fā)送控制命令給機器人本體(7 )實現(xiàn)空中飛行和全方位吸附。
2.根據(jù)權利要求1所述的空中飛行和全方位吸附微型機器人，其特征在于機器人本體(7)包括四旋翼支撐架(9)、本體控制單元(10)以及起落支架(11)，四個旋翼電機(5-1、 5-2、5-3、5-4 )、四個驅動器(6-1、6-2、6-3、6-4 )設置在旋翼支撐架(9 )上，起落支架(11)設置在旋翼支撐架(9 )下，本體控制單元(10 )設置在旋翼支撐架(9 )的中央位置。
3.根據(jù)權利要求2所述的空中飛行和全方位吸附微型機器人，其特征在于本體控制單元(10)包括單片機控制器(12)、高精度三軸陀螺儀(13)、三軸加速度傳感器(14)、超聲波傳感器(15)、無線數(shù)字接收模塊(16)，高精度三軸陀螺儀(13)、三軸加速度傳感器(14)分別設置在單片機控制器(12)上，高精度三軸陀螺儀(13)和三軸加速度傳感器(14)用于感知機器人的運動狀態(tài)和姿態(tài)，并反饋給單片機控制器(12)；超聲波傳感器(15)設置在吸附關節(jié)臂(2)上，測量機器人本體(7)與吸附棲息目標的距離，通過串口傳輸?shù)絾纹瑱C控制器 (12);操作者通過遠程遙控器(8)發(fā)出的控制命令信號(17)通過無線數(shù)字接收模塊(16)接收由串口傳輸?shù)絾纹瑱C控制器(12)；單片機控制器(12)通過IO 口與關節(jié)臂驅動舵機(3) 連接，用于實現(xiàn)吸附裝置(1)在機器人本體(7)上的180°轉動，達到機器人在本體上方目標全方位吸附的效果。
4.根據(jù)權利要求1所述的空中飛行和全方位吸附微型機器人，其特征在于吸附裝置 (1)采用負壓吸附裝置、靜電吸附裝置或真空吸附盤。
5.根據(jù)權利要求4所述的空中飛行和全方位吸附微型機器人，其特征在于吸附裝置 (1)采用負壓吸附裝置，包括吸附裝置本體(18)、復合密封裙(19)、負壓腔(20)、壓力傳感器(21)、渦輪漿(22)、渦輪電機(23)、渦輪電機驅動器(24)，復合密封裙(19)設置在吸附裝置本體(18)的外側面四周，在吸附裝置本體(18)的內(nèi)側面中央位置設置負壓腔(20)，渦輪電機(23)的旋轉軸與渦輪漿(22)連接，渦輪電機(23)的殼體與負壓腔(20)連接，渦輪漿 (22)位于負壓腔(20)內(nèi)，渦輪電機(23)帶動渦輪漿(22)在負壓腔(20)內(nèi)高速旋轉，將負壓腔(20)的空氣排出，形成負壓；壓力傳感器(21)設置在負壓腔(20)內(nèi)，用于測量負壓腔 (20)內(nèi)的壓力傳輸給機器人本體(7)的單片機控制器(12)；渦輪電機驅動器(24)通過IO 口與機器人本體(7)的單片機控制器(12)連接。
6.根據(jù)權利要求4所述的空中飛行和全方位吸附微型機器人，其特征在于吸附裝置 (1)采用靜電吸附裝置，包括正負電極(27)、絕緣體(28)、吸附裝置本體(29)、高壓DC-DC模塊(30 )，正負電極(27 )交替嵌在絕緣體(28 )表面，該絕緣體(觀)設置在吸附裝置本體(29 ) 的外側面，高壓DC-DC模塊(30)的輸出與正負電極(27)連接。
7.根據(jù)權利要求1所述的空中飛行和全方位吸附微型機器人，其特征在于復合密封裙 (19)采用內(nèi)層密封(25)和外層密封(26)相結合的密封，即在負壓腔(20)外設置內(nèi)層密封(25)，在該內(nèi)層密封(25)外設置外層密封(26)，內(nèi)層密封(25)采用彈性材料，外面包裹耐磨布料，外層密封(26)采用橡膠材料喇叭形狀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空中飛行和全方位吸附微型機器人，包括吸附裝置、吸附關節(jié)臂、關節(jié)臂驅動舵機、四個旋翼、四個旋翼電機、四個驅動器、機器人本體、遠程遙控器，吸附裝置設置在吸附關節(jié)臂的一端，該吸附關節(jié)臂的另一端與關節(jié)臂驅動舵機的輸出軸連接，該關節(jié)臂驅動舵機設置在舵機支架上，舵機支架固定安裝在機器人本體的上面，四個旋翼固定安裝在各自的旋翼電機上，四個驅動器分與各自的旋翼電機連接，遠程遙控器發(fā)送控制命令給機器人本體實現(xiàn)空中飛行和全方位吸附。本發(fā)明基于四旋翼空中飛行，具有低空飛行穩(wěn)定的特點，通過吸附裝置使機器人擁有在空中物體表面棲息吸附的能力，實現(xiàn)了仿飛行生物飛行和棲息的機制。
文檔編號B64C27/08GK102390528SQ20111032255
公開日2012年3月28日 申請日期2011年10月21日 優(yōu)先權日2011年10月21日
發(fā)明者劉永, 孫國辛 申請人:南京理工大學