一种具有多种运动模式的微型拖拽机器人的制作方法

本发明属于无人机、旋翼机领域，具体涉及一种具有多种运动模式的微型拖拽机器人。

背景技术：

近年来，随着微机电系统(即mems)技术的发展，微型飞行器和进入狭窄空间的微型机器人展示了诱人的应用前景和军民两用的战略意义。最近涌现了一大批微型飞行器和微型机器人，发展迅猛。但是很多的微型机器人仍处于实验室阶段，难以达到应用的程度。与国外发展情况相比，国内的微型机器人及微型飞行器的发展更是欠缺。同时，微型机器人大多功能单一，往往基于特殊技术发明出现，如仿生材料、柔性材料等，只具备一种运动模式，如仅能爬行或仅能飞行等等。其中，具有多种运动模式的微型机器人可以不受地形阻碍，完成任务。

同时，在各类微型机器人中，能够吸附的微型机器人备受关注。受其体型及动力的限制，传统的负压吸附及强磁吸附不再适用；能力可控的吸附材料成为解决微型机器人吸附问题的关键。随着材料科学的发展，仿生壁虎材料的出现，微型机器人的吸附得以实现。仿生壁虎材料具有切向易吸附、法向易分离的特点，应用这种新型材料可以使得机器人具有可观且可控的吸附能力。

综上，目前还没有一种微型机器人能够同时满足具有多种运动模式且尺寸小、重量轻，可以适用于多种地形场景。

本发明机器人尺寸为厘米级，重量仅为140g，可至少拖动550g物体，同时可以在飞行和爬行两种运动模式之间自由切换，运动空间得到大大扩展，有很大的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有多种运动模式的微型拖拽机器人，其功能多样，可以作为“通用型”特种作业机器人使用。所谓“通用型”特种作业机器人，是指利用机器人爬行、飞行以及吸附拖拽的功能，通过搭载不同的功能模块，机器人可以完成不同的特种作业任务。其中，任务的应用场景多为狭小空间，如复杂管道系统等。

一种具有多种运动模式的微型拖拽机器人，由四个子模块组成，分别为控制模块、飞行模块、连接模块、爬行模块。

控制模块包含有：f3飞塔，接收机，gy-85三轴imu传感器模块，集成模块；其中f3飞塔通过螺丝与机架栓接，接收机、gy-85三轴imu传感器模块通过胶接与机架相连；所述的集成模块由arduinonano、tb6612fng电机驱动模块和稳压模块集成在一起，具体是将上述各个子模块连接电路集成为pcb板中内埋铜线，同时省掉了未加利用的玻纤板体积，使得模块进一步集成，体积进一步释放。

飞行模块主要包括：机架，无刷电机，旋翼。无刷电机通过螺丝与机架栓接，每台机器人安装有四台无刷电机；旋翼通过螺丝与无刷电机栓接，每台无刷电机配合一个旋翼。所述的机架为一块一体成型的板状结构，对应安装无刷电机的位置伸出有四个机架臂，其上设置有无刷电机安装孔，板状结构的主体上，设置有连接模块安装孔、飞塔安装孔，同时为减轻整体机器人的自重且在保证机架刚性的前提下，设置有若干减重孔；

连接模块主要包括：转动副，连接支杆，直线舵机。转动副顶端通过螺丝与机架连接，转动副通过孔配合与底盘和连接支杆连接，连接支杆与直线舵机通过孔配合连接，直线舵机通过转动轴安装在底盘上。

爬行模块主要包括：底盘，电机臂，驱动电机，驱动轮，摩擦离合器，拖拽舵机，紧固螺钉，吸附材料，力转向轴。驱动轮、驱动电机与电机臂均通过孔配合彼此连接，电机臂通过紧固螺钉与摩擦离合器连接，摩擦离合器通过孔配合与拖拽舵机固连，拖拽舵机与集成模块胶接，集成模块安装于底盘顶面的凹槽中，吸附材料也安装于底盘底面相应的凹槽中。

所述的底盘为一板状结构主体，该板状结构主体顶面的一端设置有连接支柱，该连接支柱的顶端设置有连接模块转动副安装孔；在该板状结构主体与连接柱相对的一端开有两个缺口，并对应设置有力转向轴安装孔和直线舵机转轴安装孔；该板状结构主体的顶面设置有集成模块安装凹槽，底面设置有吸附材料安装凹槽，分别配合安装集成模块及仿生壁虎材料，底盘前端的连接支柱为安装连接模块的位置，起到飞行爬行两个部分连接的作用，后端为直线舵机安装位置，起到调节机架水平度的作用。

电机臂为3d打印一体板状结构，前端设计有驱动电机安装位置，侧端设计有摩擦离合器安装孔。

摩擦离合器主要包括：切割胶圈，离合片，弹簧，传动轴；该离合片的内环上设置有阻转齿；该传动轴的外环开有与阻转齿配合的沟槽，内环为紧固螺钉安装螺纹，该传动轴上还开有一小孔为拖拽细绳安装孔。弹簧和切割胶圈套合于传动轴上，离合片通过阻转齿与传动轴配合，拖拽细绳安装于相应安装孔同时置于电机臂与切割胶圈之间。

本发明一种具有多种运动模式的微型拖拽机器人，其优点及功效在于：本发明的机器人具有多种运动模式，可以在飞行和爬行之间自由切换，运动空间得到大大扩展，有很大的应用前景；具有吸附拖拽的能力，且拖拽重量可达550g以上；通过集成模块控制直线舵机运动行程，在机器人有限的体积中实现了机架的俯仰角调节；通过自主设计的摩擦离合器结构，实现爬行到拖拽、拖拽到爬行等工况转换；机器人飞行能力与四轴穿越机相当，同时改进了机架配合其他功能的实现。

【附图说明】

图1为本发明爆炸视图侧视图。

图2为本发明爆炸视图俯视图。

图3为本发明爆炸视图主视图。

图4为本发明爆炸视图轴测视图。

图5为本发明机架结构图。

图6为本发明底盘俯视图。

图7为本发明底盘仰视图。

图8为电机臂结构图。

图9为摩擦离合器的爆炸视图。

图10为离合片结构图。

图11为传动轴结构图。

图12为摩擦离合器结构安装图。

图13为本发明实施例吸附拖拽过程流程图。

图14为本发明实施例正常运动过程流程图。

图15为本发明实施例机架俯仰角调节示意图一。

图16为本发明实施例机架俯仰角调节示意图二。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1、2、3、4所示，本发明实施例一种具有多种运动模式的微型拖拽机器人，由四个子模块组成，分别为控制模块1、飞行模块2、连接模块3、爬行模块4。

控制模块1包含有：f3飞塔11，接收机12，gy-85三轴imu传感器模块13，集成模块14；其中f3飞塔11通过螺丝与机架栓接，接收机12、gy-85三轴imu传感器模块13通过胶接与机架相连；所述的集成模块由arduinonano、tb6612fng电机驱动模块和稳压模块集成在一起，具体是将上述各个子模块连接电路集成为pcb板中内埋铜线，同时省掉了未加利用的玻纤板体积，使得模块进一步集成，体积进一步释放。

飞行模块2主要包括：机架21，无刷电机22，旋翼23。其中机架为自主设计，无刷电机和旋翼为现有商品。无刷电机通过螺丝与机架栓接，每台机器人安装有四台无刷电机；旋翼通过螺丝与无刷电机栓接，每台无刷电机配合一个旋翼。其中，如图5所示，所述的机架为一块一体成型的板状结构，对应安装无刷电机的位置伸出有四个机架臂，其上设置有无刷电机安装孔211，板状结构的主体上，设置有连接模块安装孔213、飞塔安装孔214，同时为减轻整体机器人的自重且在保证机架刚性的前提下，设置有若干减重孔212；通过上述各安装孔安装相应的模块，实现相应功能。

连接模块3主要包括：转动副31，连接支杆32，直线舵机33。转动副顶端通过螺丝与机架连接，转动副通过孔配合与底盘和连接支杆连接，连接支杆与直线舵机通过孔配合连接，直线舵机通过转动轴安装在底盘上。

爬行模块4主要包括：底盘41，电机臂42，驱动电机43，驱动轮44，摩擦离合器45，拖拽舵机46，紧固螺钉47，吸附材料48，力转向轴49。驱动轮、驱动电机与电机臂均通过孔配合彼此连接，电机臂通过紧固螺钉与摩擦离合器连接，摩擦离合器通过孔配合与拖拽舵机固连，拖拽舵机与集成模块胶接，集成模块安装于底盘顶面的凹槽中，吸附材料也安装于底盘底面相应的凹槽中。

如图6、7所示，所述的底盘为一板状结构主体，该板状结构主体顶面的一端设置有连接支柱，该连接支柱的顶端设置有连接模块转动副安装孔411；在该板状结构主体与连接柱相对的一端开有两个缺口，并对应设置有力转向轴安装孔412和直线舵机转轴安装孔413；该板状结构主体的顶面设置有集成模块安装凹槽414，底面设置有吸附材料安装凹槽415，分别配合安装集成模块及仿生壁虎材料，底盘前端的连接支柱为安装连接模块的位置，起到飞行爬行两个部分连接的作用，后端为直线舵机安装位置，起到调节机架水平度的作用。

如图8，电机臂42为3d打印一体板状结构，前端设计有驱动电机安装位置422，侧端设计有摩擦离合器安装孔421。

如图9所示，摩擦离合器主要包括：切割胶圈451，离合片452，弹簧453，传动轴454；如图10所示，该离合片的内环上设置有阻转齿4521；如图11所示，传动轴的外环开有与阻转齿配合的沟槽4541，内环为紧固螺钉安装螺纹4542，该传动轴上还开有一小孔为拖拽细绳安装孔4543。弹簧和切割胶圈套合于传动轴上，离合片通过阻转齿与传动轴配合，拖拽细绳安装于相应安装孔同时置于电机臂与切割胶圈之间。摩擦离合器结构安装如图12所示。

摩擦离合器主要解决的问题是：在正常运动时，保证有足够的阻转力矩，使得运动灵活；在吸附拖拽时，需要较弱的阻转力矩，即在传动轴不断周转收绳时电机臂不随之运动，处于分离状态。

拖拽细绳有两个作用：一是通过卷绕拖拽重物；二是卷绕后分隔开电机臂与切割胶圈，使得摩擦系数减小，传动效果减弱。切割胶圈主要起到增大摩擦力的用，提高传动效果。离合片通过阻转齿与传动轴同步转动。弹簧起到增大法向压力的作用，因为想要增大摩擦力，摩擦系数与法向压力二者缺一不可。下面分吸附拖拽和正常运动两个过程来详述摩擦离合器的工作过程。

吸附拖拽过程流程图如图13所示，吸附拖拽时，拖拽舵机首先反向转动，此时电机臂抬起，驱动轮与地面分离，吸附材料接触地面并成功与地面吸附；同时拖拽细绳会卷绕在传动轴上，依靠吸附力抵抗重物作用在机器人上的拉力，并以此拖拽重物。随着绳子的不断卷绕，切割胶圈与电机臂被绳子分隔开，摩擦系数进一步下降，此时传动轴周转不会对电机臂产生影响，各结构强度及可靠性得到保证。

正常运动流程图如图14所示，机器人要想正常运动，首先要与地面分离，即将吸附材料与地面分离开。首先拖拽舵机正向转动，此时受重力及微弱摩擦力(来源于摩擦离合器)的影响，电机臂会以紧固螺钉为轴向下运动，此时驱动轮与地面接触，底盘被抬起，吸附材料与地面分离；同时随着拖拽舵机的不断转动，卷绕于传动轴上的细绳也不断脱离，此时切割胶圈与电机臂间的摩擦系数进一步增大，阻转力矩增加，当细绳完全脱离时，阻转力矩最大，此时拖拽舵机停止转动，机器人可以进行灵活运动。

机器人依靠前端安装的两个驱动电机实现运动，驱动电机安装方式为斜置，安装于电机臂上的驱动电机安装位置422，图8所示。双电机斜置安装的作用是在不影响运动的前提下提高安装距离，即可以使得底盘抬高。电机的布置方式并不是特殊的设计要点，但是将电机安装于电机臂上并与前文所述的功能配合是本发明较大的创新。

机器人机架俯仰角调节示意图如图15、16所示，调节流程如下：集成模块首先读取gy-85模块姿态角，获得姿态角信息后判断机架是否处于水平：若不水平，则循环调节直线舵机行程，每次移动10μs，直到再次判断机架处于水平状态停止。通过转动副与直线舵机形成四连杆结构，直线舵机的直线运动因此可以调节机架的俯仰角，使其在±5°范围内保持水平。

本发明实施例对机器人具有多种运动模式，可以在飞行和爬行之间自由切换；具有吸附拖拽的能力，且拖拽重量可达550g以上；通过集成模块控制直线舵机运动行程，在机器人有限的体积中实现了机架的俯仰角调节。其中，摩擦离合器结构对实现爬行到拖拽、拖拽到爬行等工况转换起到至关重要的作用，机器人飞行能力与四轴穿越机相当，但是我们改进了机架，以此配合其他功能的实现。本发明已经进行了模拟管道实验，机器人可以很好地完成管道运动，同时可以通过飞行在不同高度的管道间进行位置转换。