专利名称：一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人及其运动规划方法
技术领域：
本发明涉及一种空中机器人，具体涉及一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人，属于机械 领域。
背景技术：
目前，许多应用领域都要求飞行器能够进行低空低速的飞行，进行低空作业，并且有良 好的机动性和隐蔽性。因此，出现了以单旋翼直升机为平台的飞行器系统。这种单旋翼飞行 器能够实现低空低速飞行，也能够完成一定的低空作业，但是，由于采用一个旋翼，所以旋 翼的尺寸一般都比较大，工作时比较危险，且单旋翼翼面攻角控制机构复杂，而且是单一失 效点，所以故障容度较差。而多旋翼飞行器具有良好的飞行机动性和稳定性，能够完成许多 复杂的低空作业，具有垂直起落简单、悬停加速灵活，机动性能强、空中调姿能力强等特点， 相对于单旋翼飞行器在相同的运作空间内更易实现较大的推重比，增加任务载荷在总体载荷 中的比重。
在以飞行器为平台的空中机器人领域的研究中，空中机器人大多只局限于单一的任务， 限制了其应用范围。机器人的任务由单一化向多功能化方向发展是空中机器人的一个发展趋 势。将飞行和爬壁功能集成于一体，设计兼具飞行和爬壁功能的多功能空中机器人是当前需 要解决的问题。
发明 内容
本发明为了实现兼具飞行和爬壁功能的多功能空中机器人，采用基于多旋翼飞行平台包 含腿轮式爬壁结构的空中机器人结构，提出一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人及其运动规 划方法。
一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人，包括旋翼A、旋翼B、旋翼C，旋翼D、旋翼驱 动电机A，旋翼驱动电机B，旋翼驱动电机C,旋翼驱动电机D、爬壁大腿A，爬壁大腿B、 爬壁小腿A,爬壁小腿B、髋关节驱动电机A，髋关节驱动电机B、膝关节驱动电机A，膝 关节驱动电机B、机器人主体、壁面行走轮A，壁面行走轮B、落地支撑杆、旋翼支撑杆、
刚度加强环。
机器人主体为圆形盘状结构，四个旋翼支撑杆沿着机器人主体的下表面四周呈对称分布。 旋翼驱动电机A，旋翼驱动电机B，旋翼驱动电机C，旋翼驱动电机D分别用螺钉固定于旋翼支撑杆的外端，旋翼A、旋翼B、旋翼C，旋翼D依次固定在旋翼驱动电机A，旋翼驱动 电机B，旋翼驱动电机C，旋翼驱动电机D的转动轴上。且旋翼A、旋翼B、旋翼C，旋翼 D的旋转平面位于旋翼支撑杆的下方。刚度加强环与机器人主体同心，紧固于旋翼支撑杆的 上方。落地支撑杆分别固定连接于旋翼支撑杆与刚度加强环相交的下方。落地支撑杆上安装弹簧。
爬壁大腿A、爬壁大腿B通过髋关节与机器人主体上表面连接，爬壁小腿A，爬壁小腿 B通过膝关节与爬壁大腿A、爬壁大腿B连接，两组爬壁大腿A、爬壁大腿B及爬壁小腿A， 爬壁小腿B位于机器人的一个对称平面内。壁面行走轮A，壁面行走轮B位于爬壁小腿A， 爬壁小腿B的末端。爬壁大腿A12、爬壁大腿B13、爬壁小腿A16，爬壁小腿B17及壁面 行走轮A,壁面行走轮B组成机器人的两个腿轮式爬壁机构，简称为腿。
在髋关节与膝关节上分别固定有髋关节驱动电机A，髋关节驱动电机B、膝关节驱动电 机A，膝关节驱动电机B。
机器人的外围可以安装保护架。保护架的u形铁丝一端与机器人的落地支撑杆相固定， 另一端焊接圆环铁丝，U形铁丝的高度到达旋翼A、旋翼B、旋翼C，旋翼D所在平面。
所述旋翼A、旋翼B、旋翼C，旋翼D采用CLARK-Y翼型。所述旋翼支撑杆外形横截 面设置为圆形。所述机器人旋翼A、旋翼B、旋翼C，旋翼D之间间距大于旋翼A、旋翼B、 旋翼C，旋翼D本身直径的两倍，所述的间距为旋翼旋转中心之间的距离。 一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人的运动规划方法，其特征在于 (一)、机器人在飞行状态下的运动规划；
1、 使两组旋翼A、旋翼B和旋翼C、旋翼D以相反的方向旋转；
开启旋翼驱动电机A、旋翼驱动电机B、旋翼驱动电机C、旋翼驱动电机D，为旋翼A、 旋翼B、旋翼C、旋翼D提供升力，对角线上的两个旋翼为一组；
2、 改变旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D速度，使机器人产生相应动作； 同时增大或减小四个旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D的速度产生垂直的动作； 保持对角线上一组旋翼速度不变，与此同时另外一组旋翼一个速度增大， 一个速度减小
就会产生俯仰和滚动的姿态；
偏航姿态的产生则来自于两组旋翼A、旋翼B和旋翼C、旋翼D扭转力矩的差异；
3、 机器人飞行状态下，对空中物体进行抓持操作；
1) 、机器人在飞行状态时，将双腿折叠；
2) 、爬壁大腿A、爬壁大腿B、爬壁小腿A、爬壁小腿B作为臂使用来抓持物体，此时， 爬壁大腿A、爬壁大腿B变为大臂，爬壁小腿A、爬壁小腿B变为小臂，髋关节驱动电机A、
7髋关节驱动电机B和膝关节驱动电机A、膝关节驱动电机B同时带动各自关髋关节和膝关节 转动，将双臂张开；
3)、膝关节驱动电机A、膝关节驱动电机B同时带动各自的膝关节转动，将物体紧密夹 持于壁面行走轮A与壁面行走轮B之间，同时增加旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D的转速;
(二) 、机器人从飞行状态转为爬壁状态的运动规划；
1、 机器人飞到离壁面较近的位置，让机器人主体保持水平，且双腿折起；
2、 机器人靠近壁面的膝关节驱动电机A顺时针转动，带动与之连接的爬壁小腿A向右
下方运动，机器人主体逐渐向壁面倾斜；
机器人的爬壁髋关节驱动电机A顺时针转动，带动与之连接的爬壁小腿A向壁面运动， 壁面行走轮A接触壁面；
3、 加大旋翼驱动电机B的转速，使得旋翼B转速增加，同时，膝关节驱动电机B逆时 针方向旋转，使爬壁大腿B和爬壁小腿B位于一条直线，然后髋关节驱动电机B逆时针旋 转，与旋翼B—起作用，将壁面行走轮B推至壁面上；
(三) 、机器人在爬壁状态下的运动规划；
1、 两轮接触壁面的方式沿壁面行走；
同时加大旋翼驱动电机A，旋翼驱动电机B，旋翼驱动电机C，旋翼驱动电机D的转速， 使旋翼A、旋翼B、旋翼C，旋翼D推力矢量的竖直分量超过机器人重力，机器人向上行走； 通过同时调节两个膝关节与两个髋关节的转动角度增加机器人主体与壁面之间的倾斜角
度；
同样，机器人向下行走时，由相反的途径得到，机器人在爬壁状态中左右行走时，通过 控制旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D的转速，调整机器人主体的姿态角，使得旋翼A、旋 翼B、旋翼C、旋翼D产生的总推力向左或向右；
2、 用单轮交替接触壁面的方式向上行走；
1) 、髋关节驱动电机B、膝关节驱动电机B逆时针方向旋转，带动壁面行走轮B所在的 腿抬起脱离壁面，增加旋翼驱动电机A的转速，使得旋翼A的推力增加，降低旋翼驱动电机 B的转速，使得旋翼B的推力减小，壁面行走轮A向上行走；
2) 、髋关节驱动电机B、膝关节驱动电机B顺时针方向旋转，使得壁面行走轮B所在的 该条腿重新接触壁面；同时，降低旋翼驱动电机A转速，增加旋翼驱动电机B的转速，膝关 节驱动电机A逆时针方向旋转，壁面行走轮A所在的该条腿脱离壁面，壁面行走轮B向上行
走；
3) 、上述用单轮交替接触壁面的方式向上行走的步骤l)、步骤2)中机器人就完成了爬 壁状态下用单轮交替接触壁面的方式在壁面向上行走的一个周期，重复这样的周期，机器人即用单轮交替接触壁面的方式在壁面上向上行走。单轮交替接触壁面的方式向下行走时，各
个部件的运动方向相反；
(四) 、机器人在爬壁状态下跨越障碍物的运动规划；
1、 位于上方的壁面行走轮B与壁面脱离，且腿抬到超过障碍物高度； 当遇到壁面障碍物时，髋关节驱动电机B与膝关节驱动电机B引导各自关节转动，使壁
面行走轮B与壁面脱离接触，且抬到足够高度，使上方的腿不会碰到壁面障碍物；壁面行走 轮A沿壁面向上行走，直到上方的腿完全越过壁面障碍物；
2、 壁面行走轮B^a复接触壁面，下方腿抬起；
机器人一条腿越过壁面障碍物，其上的髋关节驱动电机B与膝关节驱动电机B引导各自 关节转动，使壁面行走轮B与壁面恢复接触；髋关节驱动电机A与膝关节驱动电机A引导各 自关节转动，壁面行走轮A与壁面脱离接触；壁面行走轮B继续沿壁面向上行走，直到位于
下方的腿完全越过壁面障碍物；
3、 壁面打走轮A恢复与壁面接触，越过壁面障碍物；
机器人的两个腿都越过壁面障碍物后，髋关节驱动电机A与膝关节驱动电机A引导各自 关节转动，使壁面行走轮A与壁面恢复接触，即完成越障；
(五) 、机器人从爬壁状态转为飞行状态的运动规划；
1、 机器人静止稳定吸附于壁面上；
2、 髋关节驱动电机B与膝关节驱动电机B逆时针方向旋转，带动壁面行走轮B脱离壁 面，降低旋翼驱动电机B的转速，使得旋翼B的推力减小，增加旋翼驱动电机A的转速， 使旋翼A的推力增加；
3、 髋关节驱动电机A、膝关节驱动电机A顺时针方向旋转，减小旋翼驱动电机B转速， 使旋翼B的推力减小，并适度增加旋翼驱动电机A的转速，使得旋翼A的推力增加；
髋关节驱动电机A与膝关节驱动电机A引导各自关节转动，使壁面行走轮A与壁面脱离 接触，同时加大旋翼驱动电机A，旋翼驱动电机B,旋翼驱动电机C，旋翼驱动电机D的转 速，使旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D产生的推力将机器人从壁面脱离；脱离后，机器人 即折叠爬壁大腿A、爬壁大腿B与爬壁小腿A、爬壁小腿B，从而转入飞行状态。
本发明的优点在于
(1) 本发明是一种新型的多旋翼多功能空中机器人，实现了旋翼式飞行器与腿轮式运动 机构的融合；
(2) 机器人的机械结构简单、易于实现；
(3) 机器人在飞行中具有稳定性高、体积小等优点；(4)机器人在爬壁中具有壁面适应性强、越障能力强、适用范围广等优点。
图l是本发明一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人的结构示意图2是本发明一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人加保护架后的结构示意图3是本发明一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人飞行状态下的示意图；.
图4是本发明一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人在空中对物体进行抓持操作的示意
图5a是本发明一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人由飞行状态转为爬壁状态过程的示 意图l;
图5b是本发明一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人由飞行状态转为爬壁状态过程的示
意图n;
图5c是本发明一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人由飞行状态转为爬壁状态过程的示
意图in;
图5d是本发明一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人由飞行状态转为爬壁状态过程的示 意图V;
图6a是本发明一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人用单轮交替接触壁面的方式向上行 走过程I ;
图6b是本发明一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人用单轮交替接触壁面的方式向上行
走过程n;
图7a是本发明一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人爬壁状态下越过障碍物的示意图I ; 图7b是本发明一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人爬壁状态下越过障碍物的示意图n ;
图7c是本发明一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人爬壁状态下越过障碍物的示意图ni;
图8a是本发明一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人由爬壁状态转为飞行状态的示意图
I j
图8b是本发明一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人由爬壁状态转为飞行状态的示意图
n;
图8c是本发明一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人由爬壁状态转为飞行状态的示意图
m;
图中
1-旋翼A 2-旋翼B 3-旋翼C 4-旋翼D
5-旋翼驱动电机A 6-旋翼驱动电机B7-旋翼驱动电机C 8-旋翼驱动电机D
109-机器人主体 IO-髋关节驱动电机All-髋关节驱动电机B 12-爬壁大腿A
13-爬壁大腿B 14-膝关节驱动电机A 15-膝关节驱动电机B 16-爬壁小腿A 17-爬壁小腿B18-壁面行走轮A 19-壁面行走轮B20-落地支撑杆
21-旋翼支撑杆 22-刚度加强环 23-保护架 24-U形铁丝
25-圆环铁丝 26-壁面 27-障碍物
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人，如图1所示，包括旋翼A1、旋翼B2、 旋翼C3，旋翼D4、旋翼驱动电机A5，旋翼驱动电机B6，旋翼驱动电机C7，旋翼驱动电 机D8、爬壁大腿A12，爬壁大腿B13、爬壁小腿A16，爬壁小腿B17、髋关节驱动电机 AIO，髋关节驱动电机Bll、膝关节驱动电机A14,膝关节驱动电机B15、机器人主体9、 壁面打走轮A18，壁面行走轮B19、落地支撑杆20、旋翼支撑杆21、刚度加强环22。
机器人主体9是圆形盘状结构，四个旋翼支撑杆21沿着机器人主体9的下表面四周呈 对称分布，并用螺钉固定于机器人主体9上。旋翼驱动电机A5，旋翼驱动电机B6，旋翼驱 动电机C7，旋翼驱动电机D8分别用螺钉固定于旋翼支撑杆21的外端，旋翼Al、旋翼B2、 旋翼C3，旋翼D4依次固定在旋翼驱动电机A5，旋翼驱动电机B6，旋翼驱动电机C7，旋 翼驱动电机D8的转动轴上，其旋转动力由旋翼驱动电机A5 ，旋翼驱动电机B6 ，旋翼驱动 电机C7，旋翼驱动电机D8提供。且旋翼A1、旋翼B2、旋翼C3，旋翼D4的旋转平面位 于旋翼支撑杆21的下方。刚度加强环22与机器人主体9同心，紧固于旋翼支撑杆21的上 方，用于加强旋翼支撑杆21的刚度。落地支撑杆20分别固定连接于旋翼支撑杆21与刚度 加强环22相交的下方。落地支撑杆20上安装了弹簧，在机器人落地时起支撑和缓冲作用。
爬壁大腿A12、爬壁大腿B13通过髋关节与机器人主体9上表面连接，爬壁小腿A16， 爬壁小腿B17通过膝关节与爬壁大腿A12、爬壁大腿B13连接，两组爬壁大腿A12、爬壁 大腿B13及爬壁小腿A16，爬壁小腿B17位于机器人的一个对称平面内。壁面行走轮A18, 壁面行走轮B19位于爬壁小腿A16，爬壁小腿B17的末端。壁面行走轮A18，壁面行走轮 B19为被动式行走轮，无电机驱动。爬壁大腿A12、爬壁大腿B13、爬壁小腿A16，爬壁 小腿B17及壁面行走轮A18,壁面行走轮B19组成机器人的两个腿轮式爬壁机构，简称为 腿。在髋关节与膝关节上分别固定有髋关节驱动电机AIO,髋关节驱动电机Bll、膝关节驱 动电机A14，膝关节驱动电机B15。所述爬壁大腿A12、爬壁大腿B13与机器人主体9之 间的髋关节、爬壁大腿A12、爬壁大腿B13与爬壁小腿A16，爬壁小腿B17之间的膝关节， 转动角度由髋关节驱动电机AIO，髋关节驱动电机Bll、膝关节驱动电机A14，膝关节驱动 电机B15控制。动力设备及机载传感器系统置于机器人主体9上，通过对旋翼Al、旋翼B2、 旋翼C3,旋翼D4的联合控制可以精确控制机器人主体9在飞行过程中的姿态角，并为机器
人实现爬壁功能提供可靠的保障。
为提高机器人的安全性，可以在机器人的外围安装一个保护性装置一保护架23。如图2 所示，保护架23由四个U形铁丝24与一个圆环铁丝25焊接组成，安装保护架23时，将 落地支撑杆20的弹簧去掉，然后将保护架23的U形铁丝24 —端与机器人的落地支撑杆 20相固定，另一端焊接圆环铁丝25， U形铁丝24的高度到达旋翼Al、旋翼B2、旋翼C3， 旋翼D4所在平面。增加的保护性装置可以有效避免机器人的旋翼A1、旋翼B2、旋翼C3， 旋翼D4在飞行过程中碰伤周围的人和物，同时也可以避免机器人在爬壁状态下旋翼A1、旋 翼B2、旋翼C3，旋翼D4与壁面发生碰撞干涉。为增加机器人的实用性，还可以在机器人 的两个爬壁小腿A16，爬壁小腿B17上增加作业装置，如夹持器等，使机器人在爬壁过程中 可以针对壁面上的对象进行简单的夹持作业等操作。
为提高本发明的一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人在飞行中的气动性能及整体推重 比，所述旋翼A1、旋翼B2、旋翼C3，旋翼D4的翼型采用CLARK-Y翼型。它的特点是 在功率不变的情况下，又采用了宽叶片，小桨叶角的设计，使机器人在一定的条件下达到了 最大的推力，提高了禾几器人整体的推重比。
所述旋翼支撑杆21外形横截面设置为圆形，釆用N-S方程的数值解法对旋翼绕流场进 行数值模拟，模拟旋翼支撑杆21对旋翼流场的影响。分析结果得，旋翼支撑杆外21外形横 截面设置为圆形可以有效减小旋翼支撑杆对旋翼流场的不利影响。
所述机器人旋翼A1、旋翼B2、旋翼C3，旋翼D4之间间距大于旋翼A1、旋翼B2、 旋翼C3，旋翼D4本身直径的两倍，所述的间距为旋翼旋转中心之间的距离，釆用N-S方 程的数值解法模拟旋翼之间相互的气动干扰，分析旋翼Al、旋翼B2、旋翼C3，旋翼D4 之间相互间距对各自旋翼流场的影响。分析结果得，机器人各旋翼A1、旋翼B2、旋翼C3， 旋翼D4之间间距大于旋翼A1、旋翼B2、旋翼C3，旋翼D4直径的两倍，从而有效避免旋 翼A1、旋翼B2、旋翼C3，旋翼D4相互之间的气动干扰。
对所述的旋翼支撑杆21、机器人主体9、爬壁大腿A12,爬壁小腿A16，爬壁小腿B17、 等部件的重量进行优化。即在满足机器人使用强度的前提下，将上述部件的重量降低到最小。本发明一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人的运动规划方法，包括以下几个方面
(一) 、机器人在飞行状态下的运动规划。
1、 使两组旋翼A1、旋翼B2和旋翼C3，旋翼D4以相反的方向旋转。 开启旋翼驱动电机A5，旋翼驱动电机B6，旋翼驱动电机C7，旋翼驱动电机D8，为旋
翼A1、旋翼B2、旋翼C3，旋翼D4提供升力，对角线上的两个旋翼为一组。
2、 改变旋翼A1、旋翼B2、旋翼C3，旋翼D4速度，机器人产生各种动作。 同时增大或减小四个旋翼Al、旋翼B2、旋翼C3，旋翼D4的速度可以产生垂直的动
作；保持对角线上一组旋翼速度不变，与此同时另外一组旋翼一个速度增大， 一个速度减小 就会产生俯仰和滚动的姿态；偏航姿态的产生则来自于两组旋翼A1、旋翼B2和旋翼C3、 旋翼D4扭转力矩的差异。
3、 机器人飞行状态下，对空中物体进行抓持操作。
1) 、如图3所示，机器人在飞行状态时， 一般将双腿折叠，以达到增加机器人飞行稳定 性而且对气动性能有利。
2) 、需要抓物体时，将爬壁大腿A12，爬壁大腿B13、爬壁小腿A16，爬壁小腿B17 作为臂使用来抓持物体，此时，爬壁大腿A12，爬壁大腿B13变为大臂，爬壁小腿A16， 爬壁小腿B17变为小臂，髋关节驱动电机A10 ，髋关节驱动电机B11和膝关节驱动电机A14 ， 膝关节驱动电机B15依次演变为肩关节和肘关节，髋关节驱动电机AIO，髋关节驱动电机 B11和膝关节驱动电机A14，膝关节驱动电机B15同时带动各自关节转动，将双臂张开。
3) 、如图4所示，当机器人接近空中物体时，让两条臂上的膝关节驱动电机A14，膝关 节驱动电机B15同时带动各自的膝关节转动，将物体紧密夹持于壁面行走轮A18、壁面行走 轮B19之间。此时，机器人的负重增加，同时增加旋翼A1、旋翼B2、旋翼C3，旋翼D4 的转速，使其推力能够平衡重力，从而实现机器人在飞行中对空中物体的抓持操作。
(二) 、机器人从飞行状态转为爬壁状态的运动规划。
1、 如图5a所示，机器人飞到离壁面26较近的位置，让机器人主体9保持水平，且双
腿折起。
2、 机器人主体9逐渐向壁面26倾斜，壁面行走轮A18,壁面行走轮B19接触壁面26。 如图5b所示，机器人靠近壁面26的膝关节驱动电机A14顺时针转动，带动与之连接
的爬壁小腿A16向右下方运动，此时，机器人的重心向右下方偏移，受此影响，机器人主体 9逐渐向壁面26倾斜。
如图5c所示，机器人的爬壁髋关节驱动电机A10顺时针转动，带动与之连接的爬壁小 腿A16向壁面26运动，直到壁面行走轮A18接触壁面26为止。
3、 机器人利用腿轮式爬壁机构和旋翼协调，完成从飞行状态到爬壁状态的转换。如图5d所示，加大旋翼驱动电机B6的转速，使得旋翼B2转速增加，从而产生更大的 推力，同时机器人的膝关节驱动电机B15逆时针方向旋转，使爬壁大腿B13和爬壁小腿B17 近乎位于一条直线上，然后机器人的髋关节驱动电机Bl 1逆时针旋转，与旋翼B2 —起作用， 将壁面行走轮B19推至壁面26上。至此，机器人的壁面行走轮A18，壁面行走轮B19均 接触壁面26,且机器人主体9与壁面26之间存在倾斜角度，保证机器人吸附于壁面26上 不会下滑。
(三)、机器人在爬壁状态下的运动规划。
1、 两轮接触壁面的方式沿壁面行走。
机器人在爬壁状态中用两轮接触壁面的方式向上行走时，同时加大旋翼驱动电机A5，旋 翼驱动电机B6，旋翼驱动电机C7，旋翼驱动电机D8的转速，使得旋翼A1、旋翼B2、旋 翼C3，旋翼D4的转速增加从而增加旋翼的推力。此时，旋翼A1、旋冀B2、旋翼C3，旋 翼D4推力矢量的竖直分量超过机器人重力，机器人便会向上行走。
向上行走也可通过同时调节两个膝关节与两个髋关节的转动角度从而增加机器人主体9 与壁面26之间的倾斜角度实现。同样的，机器人在爬壁状态屮用两轮接触壁面的方式向下 行走时，可由相反的途径得到。机器人在爬壁状态中左右行走时，可以通过控制旋翼A1、旋 翼B2、旋翼C3，旋翼D4的转速，调整机器人主体9的姿态角，使得旋翼A1、旋翼B2、 旋翼C3，旋翼D4产生的总推力向左或向右，从而推动机器人向左或向右行走。
2、 用单轮交替接触壁面的方式向上行走。
机器人在爬壁状态中用单个壁面行走轮A18、壁面行走轮B19交替接触壁面26的方式 的方式向上行走时，交替抬起一条腿，使得行走过程中只有一条腿与壁面26接触。在行走 过程中，旋翼A1、旋翼B2、旋翼C3，旋翼D4配合腿轮式爬壁机构，保证机器人主体9
的姿态角保持稳定。
1) 一条腿脱离壁面26，并使壁面行走轮A18向上行走。
如图6a所示，髋关节驱动电机Bll、膝关节驱动电机B15逆时针方向旋转，带动壁面 行走轮B19所在的腿抬起脱离壁面26，增加旋翼驱动电机A5的转速，使得旋翼A1的推力 增加，降低旋翼驱动电机B6的转速，使得旋翼B2的推力减小，则壁面行走轮A18向上行走。
2) 另外一条腿脱离壁面26，并使壁面行走轮B19向上行走。
如图6b所示，髋关节驱动电机Bll、膝关节驱动电机B15顺时针方向旋转，使得壁面 行走轮B19所在的该条腿重新接触壁面26。与此同时，降低旋翼驱动电机A5的转速，使 得旋翼A1的推力减小；增加旋翼驱动电机B6的转速，使得旋翼B2的推力增大，并使膝关 节驱动电机A14逆时针方向旋转，使得壁面行走轮A18所在的该条腿脱离壁面26。则壁面
14行走轮B19向上行走。
3)两条腿依次交替进行。
上述步骤1)、 2)中机器人就完成了爬壁状态下用单轮交替接触壁面的方式在壁面向上 行走的一个周期。重复这样的周期，机器人的两条腿依次交替抬离壁面26，且向上行走，机 器人即可用单轮交替接触壁面的方式下在壁面上向上行走。单轮交替接触壁面的方式向下行 走时，各个部件的运动方向相反。
机器人在爬壁状态下用单轮交替接触壁面的方式进行壁面行走时，对壁面26的适应性 比较大，可以在相对粗糙的壁面26下进行运动。用单轮交替接触壁面的方式行走需要旋翼 驱动电机A5、旋翼驱动电机B6、旋翼驱动电机C7、旋翼驱动电机D8与髋关节驱动电机 AIO、髋关节驱动电机Bll、膝关节驱动电机A14、膝关节驱动电机B15协调运动，能量 消耗较大。因此，爬壁状态中机器人遇粗糙壁面，用两轮接触壁面行走的方式难以行走时， 可以用单轮交替接触壁面的方式行走；在平坦壁面上行走时，以两轮接触壁面行走的方式为 主。
(四) 、机器人在爬壁状态下跨越障碍物的运动规划。
1、 位于上方的壁面行走轮B19与壁面26脱离，且腿抬到超过障碍物27高度。 如图7a，当遇到壁面障碍物27时，位于上方的一条腿上的髋关节驱动电机Bll与膝
关节驱动电机B15引导各自关节转动，使位于上方的壁面行走轮B19与壁面26脱离接触， 且抬到足够高度，使上方的腿不会碰到壁面障碍物27。机器人沿壁面26向上行走，直到上 方的腿完全越过壁面障碍物27。
2、 上方的壁面行走轮B19恢复接触壁面26，下方腿抬起。
如图7b，机器人上方的腿越过壁面障碍物27后，位于上方的一条腿上的髋关节驱动电 机Bll与膝关节驱动电机B15引导各自关节转动，使位于上方的壁面行走轮B19与壁面 26恢复接触；然后位于下方的一条腿上的髋关节驱动电机A10与膝关节驱动电机A14引导 各自关节转动，使位于下方的壁面行走轮A18与壁面26脱离接触。机器人继续沿壁面26 向上行走，直到位于下方的腿完全越过壁面障碍物27。
3、 位于下方壁面行走轮A18恢复与壁面接触。
如图7c,机器人的两个腿都越过壁面障碍物27以后，位于下方的一条腿上的髋关节驱 动电机A10与膝关节驱动电机A14引导各自关节转动，使位于下方的壁面行走轮A18与壁 面26恢复接触，即完成越障。在整个越障过程中，旋翼A1、旋翼B2、旋翼C3，旋翼D4 与爬壁大腿A12，爬壁大腿B13，爬壁小腿A16，爬壁小腿B17相互配合，确保机器人的 姿态保持稳定。
(五) 、机器人从爬壁状态转为飞行状态的运动规划。1、 机器人静止稳定吸附于壁面26上。
2、 位于上方的腿脱离壁面26。
如图8a，髋关节驱动电机Bll、膝关节驱动电机B15逆时针方向旋转，带动一条腿抬 起脱离壁面26，降低旋翼驱动电机B6的转速，使得旋翼B2的推力减小。适度增加旋翼驱 动电机A5的转速，使得旋翼A1的推力增加，多旋翼产生的总推力能够平衡重力，使机器人 不致下滑。
3、 位于下方的腿脱离壁面26，完成从爬壁状态转换为飞行状态。
如图8b,髋关节驱动电机AIO、膝关节驱动电机A14顺时针方向旋转，继续减小旋翼 驱动电机B6的转速，使得旋翼B2的推力减小，并适度增加旋翼驱动电机A5的转速，使得 旋翼A1的推力增加。直到多旋翼产生的推力方向为倾斜向上背离壁面。
如图8c，此时位于另一条腿上的髋关节驱动电机A10与膝关节驱动电机A14弓I导各自 关节转动，使另一条腿与壁面26脱离接触。同时加大旋翼驱动电机A5，旋翼驱动电机B6， 旋翼驱动电机C7，旋翼驱动电机D8的转速，使旋翼A1、旋翼B2、旋翼C3，旋翼D4产 生的推力将机器人从壁面26脱离。脱离壁面26后，机器人即可折叠爬壁大腿A12，爬壁大 腿B13与爬壁小腿A16，爬壁小腿B17，从而转入飞行状态。
权利要求
1、一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人，包括机器人主体，其特征在于，还包括旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D、旋翼驱动电机A、旋翼驱动电机B、旋翼驱动电机C、旋翼驱动电机D、爬壁大腿A，爬壁大腿B、爬壁小腿A、爬壁小腿B、髋关节驱动电机A、髋关节驱动电机B、膝关节驱动电机A、膝关节驱动电机B、落地支撑杆、旋翼支撑杆、刚度加强环、壁面行走轮A、壁面行走轮B；机器人主体为圆形盘状结构，四个旋翼支撑杆沿着机器人主体的下表面四周呈对称分布；旋翼驱动电机A、旋翼驱动电机B、旋翼驱动电机C、旋翼驱动电机D分别用螺钉固定于旋翼支撑杆的外端，旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D依次固定在旋翼驱动电机A、旋翼驱动电机B、旋翼驱动电机C、旋翼驱动电机D的转动轴上；且旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D的旋转平面位于旋翼支撑杆的下方；刚度加强环与机器人主体同心，紧固于旋翼支撑杆的下方；落地支撑杆分别固定连接于旋翼支撑杆与刚度加强环相交的下方；爬壁大腿A、爬壁大腿B通过髋关节与机器人主体上表面连接，爬壁小腿A、爬壁小腿B通过膝关节与爬壁大腿A、爬壁大腿B连接，两组爬壁大腿A、爬壁大腿B及爬壁小腿A、爬壁小腿B位于机器人的一个对称平面内；壁面行走轮A、壁面行走轮B位于爬壁小腿A、爬壁小腿B的末端；爬壁大腿A、爬壁大腿B、爬壁小腿A、爬壁小腿B及壁面行走轮A、壁面行走轮B组成机器人的两个腿轮式爬壁机构；在髋关节与膝关节上分别固定有髋关节驱动电机A、髋关节驱动电机B、膝关节驱动电机A、膝关节驱动电机B。
2、 根据权利要求1所述的多旋翼腿轮式多功能空中机器人，其特征在于所述旋翼A、旋 翼B、旋翼C，旋翼D采用CLARK-Y翼型；所述旋翼支撑杆外形横截面设置为圆形；所述 机器人旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D之间间距大于旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D本 身直径的两倍。
3、 根据权利要求1所述的多旋翼腿轮式多功能空中机器人，其特征在于落地支撑杆上安装弹簧。
4、 根据权利要求1所述的多旋翼腿轮式多功能空中机器人，其特征在于落地支撑杆连接U 形铁丝一端，U形铁丝另一端与一个圆环铁丝焊接，形成保护架，罩在所述空中机器人的外部。
5、 一种操纵权利要求1所述多旋翼腿轮式多功能空中机器人的运动规划方法，其特征在于所述的规划方法包括规划机器人为飞行状态、从飞行状态转为爬壁状态、爬壁状态、爬壁状 态下跨越障碍物和从爬壁状态转为飞行状态，具体运动规划过程如下(一) 、机器人在飞行状态下的运动规划；I、对角线上的两个旋翼为一组，使两组旋翼A、旋翼B和旋翼C、旋翼D以相反的方 向旋转；开启旋翼驱动电机A、旋翼驱动电机B、旋翼驱动电机C、旋翼驱动电机D，为旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D提供升力；n、改变旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D速度，使机器人产生相应动作； 同时增大或减小四个旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D的速度产生垂直的动作； 保持对角线上一组旋翼速度不变，与此同时另外一组旋翼一个速度增大， 一个速度减小就会产生俯仰和滚动的姿态；偏航姿态的产生则来自于两组旋翼A、旋翼B和旋翼C、旋翼D扭转力矩的差异；m、机器人飞行状态下，对空中物体进行抓持操作； i )、机器人在飞行状态时，将双腿折叠；ii)、爬壁大腿A、爬壁大腿B、爬壁小腿A、爬壁小腿B作为臂使用来抓持物体，此时， 爬壁大腿A、爬壁大腿B变为大臂，爬壁小腿A、爬壁小腿B变为小臂，髋关节驱动电机A、 髋关节驱动电机B和膝关节驱动电机A、膝关节驱动电机B同时带动各自髋关节和膝关节转 动，将双臂张开；^i)、膝关节驱动电机A、膝关节驱动电机B同时带动各自的膝关节转动，将物体紧密 夹持于壁面行走轮A与壁面行走轮B之间，同时增加旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D的转 速；(二) 、机器人从飞行状态转为爬壁状态的运动规划过程；(1) 机器人飞到离壁面较近的位置，让机器人主体保持水平，且双腿折起；(2) 机器人靠近壁面的膝关节驱动电机A顺时针转动，带动与之连接的爬壁小腿A向右下方运动，机器人主体逐渐向壁面倾斜；机器人的爬壁髋关节驱动电机A顺时针转动，带动与之连接的爬壁小腿B向壁面运动， 壁面行走轮A接触壁面；(3) 加大旋翼驱动电机B的转速，使得旋翼B转速增加，同时，膝关节驱动电机B逆时 针方向旋转，使爬壁大腿B和爬壁小腿B位于一条直线，然后髋关节驱动电机B逆时针旋 转，与旋翼B—起作用，将壁面行走轮B推至壁面上；(三) 、机器人在爬壁状态下的运动规划； I、两轮接触壁面的方式沿壁面行走；同时加大旋翼驱动电机A，旋翼驱动电机B，旋翼驱动电机C,旋翼驱动电机D的转速， 使旋冀A、旋翼B、旋翼C，旋翼D推力矢量的竖直分量超过机器人重力，机器人向上行走; 通过同时调节两个膝关节与两个髋关节的转动角度增加机器人主体与壁面之间的倾斜角度；同样，机器人向下行走时，由相反的途径得到，机器人在爬壁状态中左右行走时，通过 控制旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D的转速，调整机器人主体的姿态角，使得旋翼A、旋 翼B、旋翼C、旋翼D产生的总推力向左或向右；n、用单轮交替接触壁面的方式向上行走；i) 、髋关节驱动电机B、膝关节驱动电机B逆时针方向旋转，带动壁面行走轮B所在 的腿抬起脱离壁面，增加旋翼驱动电机A的转速，使得旋翼A的推力增加，降低旋翼驱动电 机B的转速，使得旋翼B的推力减小，壁面行走轮A向上行走；ii) 、髋关节驱动电机B、膝关节驱动电机B顺时针方向旋转，使得壁面行走轮B所在 的该条腿重新接触壁面；同时，降低旋翼驱动电机A转速，增加旋翼驱动电机B的转速，膝 关节驱动电机A逆时针方向旋转，壁面行走轮A所在的该条腿脱离壁面，壁面行走轮B向上 行走；iii) 、上述用单轮交替接触壁面的方式向上行走的步骤i )、步骤ii)中机器人就完成了 爬壁状态下用单轮交替接触壁面的方式在壁面向上行走的一个周期，重复这样的周期，机器 人即用单轮交替接触壁面的方式在壁面上向上行走，单轮交替接触壁面的方式向下行走时， 各个部件的运动方向相反；(四)、机器人在爬壁状态下跨越障碍物的运动规划； I、位于上方的壁面行走轮B与壁面脱离，且腿抬到超过障碍物高度； 当遇到壁面障碍物时，髋关节驱动电机B与膝关节驱动电机B引导各自关节转动，使壁面行走轮B与壁面脱离接触，且抬到足够高度，使上方的腿不会碰到壁面障碍物；壁面行走轮A沿壁面向上行走，直到上方的腿完全越过壁面障碍物； n、壁面行走轮B恢复接触壁面，下方腿抬起；机器人一条腿越过壁面障碍物，其上的髋关节驱动电机B与膝关节驱动电机B引导各自 关节转动，使壁面行走轮B与壁面恢复接触；髋关节驱动电机A与膝关节驱动电机A引导各 自关节转动，壁面行走轮A与壁面脱离接触；壁面行走轮B继续沿壁面向上行走，直到位于 下方的腿完全越过壁面障碍物；m、壁面行走轮A恢复与壁面接触，越过壁面障碍物；机器人的两个腿都越过壁面障碍物后，髋关节驱动电机A与膝关节驱动电机A引导各自 关节转动，使壁面行走轮A与壁面恢复接触，即完成越障；(五)、机器人从爬壁状态转为飞行状态的运动规划； I、机器人静止稳定吸附于壁面上；n 、髋关节驱动电机B与膝关节驱动电机B逆时针方向旋转，带动壁面行走轮B脱离 壁面，降低旋翼驱动电机B的转速，使得旋翼B的推力减小，增加旋翼驱动电机A的转速, 使旋翼A的推力增加；瓜、髋关节驱动电机A、膝关节驱动电机A顺时针方向旋转，减小旋翼驱动电机B转速， 使旋翼B的推力减小，并适度增加旋翼驱动电机A的转速，使得旋翼A的推力增加；髋关节驱动电机A与膝关节驱动电机A引导各自关节转动，使壁面行走轮A与壁面脱离 接触，同时加大旋翼驱动电机A，旋翼驱动电机B，旋翼驱动电机C，旋翼驱动电机D的转 速，使旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D产生的推力将机器人从壁面脱离；脱离后，机器人 即折叠爬壁大腿A、爬壁大腿B与爬壁小腿A、爬壁小腿B，从而转入飞行状态。
全文摘要
本发明公开了一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人及其运动规划方法，包括旋翼A、B、C、D，旋翼驱动电机A、B、C、D，爬壁大腿A、B，爬壁小腿A、B，髋关节驱动电机A、B，膝关节驱动电机A、B，机器人主体、壁面行走轮A、B，落地支撑杆、旋翼支撑杆、刚度加强环。运动规划过程包括机器人在飞行状态的运动规划、机器人从飞行状态转为爬壁状态下的运动规划、机器人在爬壁状态下的运动规划、机器人在爬壁状态下跨越障碍物的运动规划、机器人从爬壁状态转为飞行状态的运动规划。本发明实现了旋翼式飞行器与腿轮式运动机构的融合，机械结构简单、易于实现，具有稳定性高、体积小，壁面适应性强、越障能力强、适用范围广等优点。
文档编号B25J9/02GK101491898SQ20091007936
公开日2009年7月29日 申请日期2009年3月9日 优先权日2009年3月9日
发明者丁希仑, 俞玉树, 磊 米 申请人:北京航空航天大学