一种适用于栖附、攀爬、抓取的飞行机器人及其控制方法与流程

本发明专利涉及飞行机器人运输、侦察、监视领域，具体而言，涉及一种可栖附、攀爬、抓取的多功能新型飞行机器人结构设计及其控制方法。

背景技术：

随着飞控算法、微处理器、微机电系统等相关技术的逐步成熟，小型飞行机器人已经广泛应用于小型货物运输、环境监测、电力巡检、灾后搜救等作业场景，并取得了良好的实际效果。但是，现有飞行机器人系统在进行监视、探测等作业过程中只能保持飞行状态。由于小型飞行机器人自身体积和负载的限制，其能够有效携带的电能储备非常有限，机器人整体的飞行时间通常较短，对作业的持续性带来了新的挑战。

国内外已有不少学者提出了飞行栖附机器人的概念，如犹他大学的courtneye等人设计的一种无人机被动栖附装置、富兰克林欧林工程学院nadanpm等人提出的绳索驱动的欠驱动无人机爪子，耶鲁大学的kaiyuhanng等人提出了一种模块化栖附装置，中国石油大学的luocao等人提出的适应复杂栖附需求的无人机柔性栖附装置，等等。但现有飞行栖附机器人只能从物体上面或者下面抓住或通过其它方式栖附于物体，然而环境中大多数物体如树木，除了有少数水平生长的树枝，还有倾斜一定角度的树枝和竖直生长的树干，目前针对这类具有一定倾斜角度甚至位于竖直方向的栖附对象的飞行机器人研究几乎空白，一是由于没有新颖的栖附结构，二是控制、操作复杂。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是为提高无人机的持续作业能力，作业隐蔽性和环境适应性，研制一种能够适应不同分布角度的栖附物体，甚至可以根据栖附对象结构特点调整自身位姿的飞行机器人。同时，本发明通过研究自然界长期栖附于树干，树枝的动物树懒的身体结构特点，结合现有飞行器，设计了一款新型飞行机器人，该飞行机器人有四条三自由度“手臂”，能够根据栖息对象的结构特点调整手臂的姿态，进而稳定地栖附在目标物体上，同时能够模拟树懒进行攀爬，调整自身位置，而且还能够抓取简单物体进行空中运输。最后，本发明还提出了该飞行机器人实现不同栖附方式，水平向下栖附、水平向上栖附、竖直方向栖附、斜着栖附的控制方法。

本发明的适用于栖附、攀爬、抓取的飞行机器人，包括机器人主体和设置于所述机器人主体两侧的机械臂；所述机器人主体包括机架和设置于所述机架的飞行控制器、螺旋桨、用于驱动所述螺旋桨转动的无刷电机和用于采集机器人周围图像的摄像头；所述机械臂包括依次顺序连接的舵机ⅰ、直角连接杆、舵机固定座、舵机ⅱ、臂体和仿生爪；所述舵机ⅰ固定于机架；所述直角连接杆固定连接于舵机ⅰ转轴与舵机ⅱ的舵机固定座之间；所述舵机ⅱ固定于舵机固定座；所述臂体内端固定于舵机ⅱ转轴；且舵机ⅰ转轴与舵机ⅱ转轴轴线相互垂直；所述仿生爪铰接于臂体外端，所述舵机ⅱ通过带传动机构驱动仿生爪相对于臂体转动。

进一步，所述臂体包括弧形的弹性筋条和设置于弹性筋条夹持面上的硅胶垫；所述硅胶垫内分布有蜂窝状通孔。

进一步，所述弹性筋条沿纵向分布有多个皮带导向件；所述皮带导向件设有用于引导所述带传动机构的皮带运动的卡槽。

进一步，所述带传动机构的皮带两端内表面一体成型有用于与带轮啮合的齿

进一步，两对所述机械臂分设于机架的两侧。

本发明还公开了一种所述飞行机器人的控制方法，包括以下步骤：

s1.根据摄像头采集的图像息选择栖附对象，并控制飞行器靠近所述栖附对象；

s2.利用摄像头采集栖附对象的尺寸形状信息和周围障碍物分布信息判断是否适合栖附；若不适合，则重新选择栖附对象；

s3.当栖附对象判断为适合栖附时，根据栖附对象的水平倾斜选择栖附方向；当栖附对象的水平斜度小于阈值则控制飞行机器人从栖附对象上方或下方进行栖附，否则，控制飞行机器人从栖附对象侧方进行栖附。

进一步，步骤s3中，当飞行机器人从栖附对象上方或下方进行栖附时，所述飞行机器人的控制方法包括以下步骤：

s31.控制四条机械臂的舵机ⅱ旋转使机械臂张开；

s32.控制四条机械臂的舵机ⅰ旋转使机械臂对准栖附对象；

s33.控制飞行机器人靠近栖附对象，控制四条机械臂的舵机ⅱ反转使其抱紧栖附对象。

进一步，步骤s3中，当飞行机器人从栖附对象侧方进行栖附时，所述飞行机器人的控制方法包括以下步骤：

s31.控制飞行机器人前部的两条机械臂的舵机ⅱ旋转使机械臂张开；

s32.根据栖附对象的倾斜角度控制飞行机器人前部两条机械臂的舵机ⅰ旋转使机械臂正对准栖附对象；

s33.控制飞行机器人靠近栖附对象，控制前部两条机械臂的舵机ⅱ反转使机器人前部两条机械臂抱紧栖附对象；

s34.控制飞行机器人后部两条机械臂的舵机ⅱ转动使后部两条机械臂张开；

s35.控制已经抱住栖附对象的前部两条机械臂的舵机ⅰ旋转使机器人机体贴近栖附对象；

s36.控制后部两条机械臂的舵机ⅰ使其对准栖附目标后，控制舵机ⅱ反转使机器人后部两条机械臂抱紧栖附对象。

本发明的有益效果为：

1、本发明的飞行机器人的每条机械臂具有两个主动自由度，采用小型舵机驱动，末端的仿生爪为被动自由度，由舵机ⅱ带动皮带被动驱动；整条手臂可以主动变形，完成“抓附”，“释放”等动作；同时舵机ⅰ可以带动每条“手臂”绕着机身旋转，改变手臂的“抓附”方向，以适应不同方向的物体，如竖直方向的树干；水平方向的树枝等；

2、本发明的飞行机器人栖附于物体之后可以通过控制机械臂的运动实现攀爬动作；

3、本发明的飞行机器人可以通过控制手臂移动，实现抓取动作，配合特殊的放置物体的篮筐，实现物体搬运；

4、本发明的机械臂的臂体采用缓冲与表面柔顺贴合结构。表面的硅胶垫为采用硅胶制成的多孔结构，该结构具有一定的柔性，能适应不同表面形状以达到缓冲与柔顺贴合的目的，同时硅胶垫背部是一层具有一定弹性的弹簧钢筋条，可以根据不同形状的物体被动变形，在变形后能够自动复原；

5、本发明的机械臂的的仿生爪子可以增强抓附力，提高抓附稳定性。仿生爪子由舵机ⅱ被动驱动，舵机驱动手臂抱合的时候，爪子自动内扣，增大抓附力；舵机驱动手臂松开的时候，爪子自动外翻，使得飞行机器人顺利释放。

6、本发明的飞行机器人的控制方法能够机器人水平向下栖附、水平向上栖附、竖直方向栖附、斜着栖附等不同栖附方式。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的机械臂的结构示意图；

图3为本发明的机械臂臂体的结构示意图；

图4为本发明的带传动机构中的皮带的结构示意图；

图5为本发明的整体俯视图；

图6为本发明的整体主视图；

图7为本发明的机械手臂根据栖附对象倾斜角度自动调整角度示意图；

图8为本发明从各个方向进行栖附及攀爬的示意简图；

图9为本发明抓取物体时的示意图；

图10为本发明的控制方法流程图。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，本实施例的适用于栖附、攀爬、抓取的飞行机器人，包括机器人主体和设置于所述机器人主体两侧的两对机械臂；所述机器人主体包括机架1和设置于所述机架1的飞行控制器2、螺旋桨4、用于驱动所述螺旋桨4转动的无刷电机5和用于采集机器人周围图像的摄像头；本实施例的机器人主体为四旋翼无人机，其机架1上矩形阵列有四个螺旋桨安装孔，该安装孔上端设有螺旋桨4保护架3；安装孔下端设有电机底座6；四个无刷电机5一一对应安装于四个安装孔内的电机底座6上；每个无刷电机5转轴上均固定安装有螺旋桨4；所述飞行控制器2固定安装于机架1上的四个安装孔之间；

如图2和3所示，所述机械臂包括依次顺序连接的舵机ⅰ8、直角连接杆9、舵机ⅱ10、臂体和仿生爪17；所述舵机ⅰ8通过舵机连接件7固定于机架1；所述直角连接杆9固定连接于舵机ⅰ8转轴与舵机ⅱ10的固定座之间；所述臂体内端通过u形的筋条连接件12固定于舵机ⅱ10转轴；且舵机ⅰ8转轴与舵机ⅱ10的转轴轴线相互垂直；所述仿生爪17通过爪子连接件15铰接于臂体外端；所述臂体包括弧形的弹性筋条18和设置于弹性筋条18夹持面上的硅胶垫13；所述硅胶垫13内分布有蜂窝状通孔；弹性筋条18采用弹簧钢制作；所述舵机ⅱ10通过带传动机构驱动仿生爪17相对于臂体转动；所述带传动机构包括固定于舵机ⅱ10转轴的主动带轮11、固定于仿生爪17铰轴上的从动带轮16和连接于主动带轮11和从动带轮16之间的皮带；所述弹性筋条18沿纵向分布有多个皮带导向件14；所述皮带导向件14设有用于引导所述带传动机构的皮带运动的卡槽，使皮带沿着弹性筋条18延伸，避免皮带影响机械臂进行栖附。如图7所示，舵机ⅰ8控制手臂的第一自由度，其用于控制整条手臂俯仰摆动以适应不同倾斜角度的栖附对象。舵机ⅱ10控制手臂第二自由度，其用于控制手臂抓紧或展开，如图9所示，四条手臂抓紧后可实现物体的抓取。

如图4所示，所述带传动机构的皮带两端内表面一体成型有用于与带轮啮合的齿；驱动所述仿生爪17转动的过程中，皮带转动的距离有限，因此，可仅仅在皮带两端部分节段设置啮合齿。

实施例二

如图10所示，本实施例还公开了一种所述飞行机器人的控制方法，包括以下步骤：

s1.根据摄像头采集的图像息选择栖附对象，并控制飞行器靠近所述栖附对象；

s2.利用摄像头采集栖附对象的尺寸形状信息和周围障碍物分布信息判断是否适合栖附；若不适合，则重新选择栖附对象；

s3.如图8所示，当栖附对象判断为适合栖附时，根据栖附对象的水平倾斜选择栖附方向；当栖附对象的水平斜度小于阈值则控制飞行机器人从栖附对象上方或下方进行栖附，否则，控制飞行机器人从栖附对象侧方进行栖附。

当飞行机器人从栖附对象上方或下方进行栖附时，所述飞行机器人的控制方法包括以下步骤：

s31.控制四条机械臂的舵机ⅱ旋转使机械臂张开；

s32.控制四条机械臂的舵机ⅰ旋转使机械臂对准栖附对象；

s33.控制飞行机器人靠近栖附对象，控制四条机械臂的舵机ⅱ反转使其抱紧栖附对象。

当飞行机器人从栖附对象侧方进行栖附时，所述飞行机器人的控制方法包括以下步骤：

s31.控制飞行机器人前部的两条机械臂的舵机ⅱ旋转使机械臂张开；

s32.根据栖附对象的倾斜角度控制飞行机器人前部两条机械臂的舵机ⅰ旋转使机械臂正对准栖附对象；

s33.控制飞行机器人靠近栖附对象，控制前部两条机械臂的舵机ⅱ反转使机器人前部两条机械臂抱紧栖附对象；

s34.控制飞行机器人后部两条机械臂的舵机ⅱ转动使后部两条机械臂张开；

s35.控制已经抱住栖附对象的前部两条机械臂的舵机ⅰ旋转使机器人机体贴近栖附对象；

s36.控制后部两条机械臂的舵机ⅰ使其对准栖附目标后，控制舵机ⅱ反转使机器人后部两条机械臂抱紧栖附对象。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。