本发明涉及一种爬壁滑翔器人，具体来说，是一种轻小型、模块化、仿生的爬壁滑翔一体化机器人。
背景技术：
目前为止，爬壁机器人主要分为车轮式爬壁机器人，履带式爬壁机器人和多足仿生爬壁机器人等。
在各种机构中，车轮式爬壁机器人移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难；履带式爬壁机器人对壁面的适应性强，接触面积大，吸附力强，但运动灵活性较差；多足仿生爬壁机器人，容易跨越障碍和实现壁面过渡，对于未知壁面和未知环境适应能力强。因此多足爬壁机器人的研究成为了研究热点[1]。
目前已有的典型多足仿生爬壁机器模型包括lls运动模型、f-g模型、四足动步态机器人scarab。lls运动模型是两足爬壁机器人的理想模型，两足为弹簧，两足交替换足支撑，通过支撑足弹簧伸缩带动本体运动。f-g模型是将lls模型中的弹簧和模型本体之间的夹角固定，f-g模型类似于长臂猿的攀爬运动。这两种模型均为两足机器人，爬行时只有一条足支撑，本体会随着运动而摆动，稳定性不好。国外的miller等人对f-g模型进行分析，由两臂的动步态攀爬机器人dynaclimber延伸出一种四足爬壁机器人scarab，该机器人运动关节由固定机器人本体上的四个伸缩臂构成，上下对称两足支撑，由其中一条支撑足为主动，另一条被动伸缩。稳定性较为改善，但是灵活性不好，运动难以保证延垂直线爬，可控性较差。
对于爬壁机器人研究来说，如果能够实现滑翔回收，不但能够增强抗跌落能力，还将极大提高移动效率。实现滑翔需要解决的问题包括：轻量化的滑翔结构和运动方案；机器人滑翔过程中的稳定性和可操作性；滑翔姿态调整方法。目前尚没有较理想的攀爬和滑翔双模态爬壁机器人面世。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提出一种具有可收展翼膜的爬壁滑翔机器人，该机器人将身躯、肢腿、翼膜、尾部采用模块化设计；身躯模块采用轻木拼接，肢腿模块中的齿轮、齿条、滑轨、支架等，均采用树脂材料3d打印而成；可收展翼膜模块中的杆件以及尾部模块中的尾膜保持架均采用碳纤维材料；整体结构紧凑，质量轻便；参考翼膜类滑翔生物的生理构造，充分考虑爬壁运动与翼膜收展运动的耦合性，利用肢腿的往复运动实现柔性翼膜的收缩和展开，实现了爬-滑模式驱动复用，进一步减轻了机器人的质量，提高了滑翔性能。
本发明具有可收展翼膜的爬壁-滑翔机器人，所述的机器人包括身躯模块、肢腿模块、可收展翼膜模块和尾部模块。
其中，肢腿模块包括左前肢伸缩足、右前肢伸缩足、左后肢伸缩足、右后肢伸缩足四个部分，分别位于身躯模块底板的前部与后部两侧，在相应的驱动舵机的控制下，通过齿轮齿条机构实现伸缩足的往复直线运动。
所述可收展翼膜模块由四组摇杆滑块机构及附着在摇杆滑块机构上的柔性翼膜组成。每组摇杆滑块机构均可在伸缩足的带动下做平面运动，从而实现柔性翼膜的收缩和展开。
所述尾部模块安装于身躯模块的后端，在驱动舵机的驱动下通过双摇杆机构实现尾膜相对于身躯的上下俯仰运动，完成空中俯仰姿态的调节。
本发明具有可收展翼膜的爬壁-滑翔机器人，可通过控制程序实现左前、右后伸缩足和右前、左后伸缩足的交替运动，完成机器人的壁面攀爬；可通过四个伸缩足的同时运动实现翼膜的收缩展开，配合尾膜的俯仰调节，完成机器人的空中滑翔。
本发明的优点在于：
(1)本发明爬壁-滑翔机器人，具有可收展翼膜，当机器人在壁面攀爬时，翼膜收缩，机器人体积减小，通过性增强；当机器人处在空中时，翼膜展开，机器人升力增加，实现空中滑翔；
(2)本发明爬壁-滑翔机器人，参考翼膜类滑翔生物的生理构造，采用爬-滑一体化设计理念，充分考虑爬壁运动与翼膜收展运动的耦合性，利用肢腿的往复运动实现柔性翼膜的收缩和展开，实现了爬-滑模式驱动复用，减轻了机器人的质量，提高了滑翔性能；
(3)本发明爬壁-滑翔机器人，具有一个身躯模块、四个相同结构的肢腿模块、一个可收展翼膜模块和一个尾部模块，模块化设计使机器人结构清晰、紧凑，安装方便；
(4)本发明爬壁-滑翔机器人，所用材料为轻木、光敏树脂、碳纤维、硅胶薄膜，并运用榫卯的连接方式，在保证强度的同时，极大地减小了整机质量，有效提高了滑翔性能。
附图说明
图1为本发明爬壁滑翔机器人的整体结构视图；
图2为本发明爬壁滑翔机器人的身躯模块结构视图；
图3为本发明爬壁滑翔机器人的肢体模块中左前肢伸缩足结构示意图；
图4为本发明爬壁滑翔机器人的可收展翼膜模块结构示意图；
图5为本发明爬壁滑翔机器人的尾部模块结构示意图；
图中：
1-身躯模块2-肢腿模块3-可收展翼膜模块
4-尾部模块101-底板102-翼型肋板
103-榫条104-安装台201-舵机a
202-肢腿舵机支座203-齿轮204-齿条
205-滑动连接台206-勾刺足端301-摇杆滑块机构摇杆a
302-柔性翼膜301a-摇杆a301b-连杆a
301c-滑轮301d-弹簧301e-前部摇杆转轴
301f-后部摇杆转轴401-舵机b402-尾部舵机支座
403-摇杆b404-连杆b405-摇杆c
406-尾膜保持架407-尾膜408-尾膜转轴支架
409-尾膜转轴
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明提供一种具有可收展翼膜的爬壁滑翔机器人，如图1所示，包括身躯模块1、肢腿模块2、可收展翼膜模块3与尾部模块4。
所述身躯模块1包括底板101、翼型肋板102、榫条103，均采用轻木材料制成，如图2所示。其中，底板101前端与后端两侧设计有外延部分，作为肢腿模块安装台104。底板101两侧垂直于底板安装有相互对称的翼型肋板102，翼型肋板102外形轮廓为clark-y翼型，与底板101间通过榫卯连接的方式固定。底板101两侧的翼型肋板之间还通过榫条103相连；榫条103两端分别通过榫卯方式与两侧翼型肋板之间相连。通过上述方式，底板101、翼型肋板102和榫条103构成轻便、稳定的具有气动外形的框架机身。
所述肢腿模块2包括左前肢伸缩足、右前肢伸缩足、左后肢伸缩足、右后肢伸缩足四个部分，各部分结构相同。其中，左前肢伸缩足与右前肢伸缩足关于身躯模块1纵轴对称安装于底板101前部两侧安装台104上；左后肢伸缩足与右后肢伸缩足关于身躯模块1纵轴对称安装在底板101后部两侧安装台104上；且分别与左前肢伸缩足和右前肢伸缩足关于身躯模块1横轴对称。
上述肢腿模块2包括舵机a201、肢腿舵机支座202、齿轮203、齿条204、滑动连接台205和勾刺足端206，如图3所示。其中，支腿舵机支座202与安装台104间固连，肢腿舵机支座202上固定安装舵机a201，舵机a201输出轴平行于底板101，输出轴上固定安装齿轮203。齿条204与齿轮203间啮合，齿条204顶面沿齿条204长方向设计有条形滑块，用于齿条204的滑动连接；同时齿条204上表面上还沿齿条204长方向设计又滑道，用于可收展翼膜模块3的连接。支腿舵机支座202上部固定安装有滑动连接台205，滑动连接台底部沿齿条长方向设计有滑槽，该滑槽与齿条204顶面的滑块间滑动配合安装，使齿条204可沿滑槽滑动。齿条204末端安装勾刺足端206，用于使机器人附着于壁面上。由此，在舵机a201的驱动下，齿轮203带动齿条204沿固定在肢腿舵机支座202上的滑槽作往复直线运动。上述左前肢伸缩足、与右后肢伸缩足中齿204条运动路径平行，右前肢伸缩足、左后肢伸缩足中齿条204运动路径平行，使左前肢伸缩足、右前肢伸缩足、左后肢伸缩足、右后肢伸缩足整体呈“x”型分布，进而通过控制器控制左前肢伸缩足、右前肢伸缩足、左后肢伸缩足和右后肢伸缩足中的齿条204分别以上述方式交替进行往复直线运动，实现勾刺足端206在壁面上的附着和脱附，完成机器人向上的攀爬动作。
所述可收展翼膜模块3由四组摇杆滑块机构301及柔性翼膜302组成，如图4所示。其中，每组摇杆滑块机构301均由摇杆a301a、连杆a301b、滑轮301c与弹簧301d构成。摇杆a301a与连杆a301b相对的内端之间通过轴销连接形成转动副；摇杆a301a外端用来连接摇杆转轴，连杆a301b外端通过转轴安装滑轮301c，用于连接肢腿模块2。
上述结构的四组摇杆滑块机构301中，两组摇杆滑块机构301a前置，其中的摇杆a301a外端约束在前部摇杆转轴301e上，与前部摇杆转轴301e间形成转动副；摇杆a301a与连杆a301b上靠近内端位置之间通过弹簧301d相连，以提供预拉力。连杆a301b外端滑轮301c分别滑动配合安装于左前肢伸缩足、右前肢伸缩足中齿条204上表面的滑道中，可在滑道内绕自身轴线转动。另两组摇杆滑块机构301后置，其中的摇杆a301a外端约束在后部摇杆转轴301f上，与后部摇杆转轴301f间形成转动副；连杆a301b外端滑轮301c分别滑动配合安装于左后肢伸缩足、右后肢伸缩足中齿条204上表面的滑道中，可在滑道内绕自身轴线转动。上述前部摇杆转轴301e与后部摇杆转轴301f分别安装于底板101前部与后部，且均位于身躯模块1纵轴上；同时，前置两组摇杆滑块机构301与后置两组摇杆滑块机构301中的连杆a301b位于身躯模块1中两侧翼型肋板102前部与后部上沿身躯模块1纵轴方向设计的条形孔内，限制摇杆滑块机构301的上下摆动。
通过上述方式，完成可收展翼膜模块3与左前肢伸缩足、右前肢伸缩足、左后肢伸缩足和右后肢伸缩足间的连接，且前置与后置的两组摇杆滑块机构301对称布置在身躯模块1两侧。柔性翼膜305为方形硅胶薄膜，通过黏性剂粘附在摇杆a301a和连杆a301b上。由此通过控制器控制左前肢伸缩足、右前肢伸缩足、左后肢伸缩足和右后肢伸缩足中的齿条204同时朝向内侧(身躯模块的方向)移动，可实现翼膜302的收缩，此时机器人为爬壁状态，可在壁面上爬行；反之，通过控制器控制左前肢伸缩足、右前肢伸缩足、左后肢伸缩足和右后肢伸缩足中的齿条204同时朝向外侧移动，可实现翼膜302的展开，此时机器人为滑翔状态，可在空中滑翔。
所述尾部模块4包括舵机b401、尾部舵机支座402、摇杆b403、连杆b404、摇杆c405、尾膜保持架406、尾膜407、尾膜转轴支架408和尾膜转轴409，如图5所示。其中，尾部舵机支座402固定于底板101中部，舵机b401固定在尾部舵机支座402上，输出轴垂直于身躯模块1纵轴。摇杆b403垂直于舵机b401的输出轴，输入端与舵机b401输出轴固连；摇杆b403的输出端与连杆b404的输入端间相连，形成转动副；摇杆c405的输入端与连杆b404的输出端相连，形成转动副。尾膜转轴支架408固定于底板101后部，尾膜保持架406前端通过垂直于身躯模块1纵轴设置的尾膜转轴409轴接于尾膜转轴支架408上，使尾膜保持架406与尾膜转轴支架408形成转动副；且尾膜保持架406与摇杆c405的输出端固连。所述尾膜407为扇形硅胶薄膜，通过黏性剂粘附在尾膜保持架406上。由此，在舵机b401的驱动下，经由摇杆b403、连杆b404和摇杆c405形成的双摇杆机构，使尾膜407可实现相对于身躯模块1的上下俯仰运动，完成机器人空中滑翔时的姿态调节。
本发明具有可收展翼膜的爬壁-滑翔机器人，可通过控制程序实现左前、右后伸缩足和右前、左后伸缩足的交替运动，完成机器人的壁面攀爬；可通过四个伸缩足的同时运动实现翼膜的收缩展开，配合尾膜的俯仰调节，完成机器人的空中滑翔。