CN105945903A - 空间快速机动布控子母式机器人、***和方法 - Google Patents

空间快速机动布控子母式机器人、***和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种空间快速机动布控子母式机器人、***和方法，子母式机器人包括飞行器空间移动单元、至少一个的任务机动布控单元、设置在任务机动布控单元上的任务载荷以及与任务机动布控单元对应的可分离连接单元；布控***包括上述子母式机器人和地面站。本发明能够实现任务载荷在三维空间中的快速机动部署和回收，具有功耗低、体积小、噪声低、成本低和易于隐蔽的优点，在公共安全、消防救灾、森林防火以及现代农业等领域有着广泛的应用前景。

Description

空间快速机动布控子母式机器人、***和方法
技术领域
本发明涉及三维空间快速机动布控机器人技术，特别是一种空间快速机动布控子母式机器人、***和方法。
背景技术
传统的监控部署方案需要人工搭设脚手架，敷设电线将监控设备部署到指定的位置，这一过程需要相当长的部署时间，并且部署的位置往往有许多限制。在一些临时性的监控部署场景中，允许的部署时间往往较短，因此需要新的空间机动布控***和方法。
专利201420683770.6公开了一种全天候移动监控机器人，通过将监控***固定在可以自由移动的机器人上，可以方便的通过无线控制机器人的移动，从而达到实时监控的目的。然而该机器人移动速度较慢，无法运动到天花板等三维空间位置，不具有分离、空间布控及回收能力，而且工作时间较短。
专利201110322551.6公开了一种空中飞行和全方位吸附微型机器人，通过吸附模块使机器人在空中物体表面栖息吸附，该机器人不具备分离、空间布控及回收能力，而且体积较大，不利于隐蔽。
发明内容
本发明的目的在于解决三维空间监控装置的快速机动部署和回收问题，提供一种空间快速机动布控子母式机器人、***和方法。
实现本发明目的的技术方案为：一种空间快速机动布控子母式机器人，包括飞行器空间移动单元、至少一个的任务机动布控单元、设置在任务机动布控单元上的任务载荷以及与任务机动布控单元对应的可分离连接单元；
所述飞行器空间移动单元用于搭载任务机动布控单元和任务载荷；
所述可分离连接单元用于实现飞行器空间移动单元与任务机动布控单元的连接和分离；
所述任务机动布控单元包括吸附模块、无线数据传输模块和控制模块，吸附模块用于将任务机动布控单元和任务载荷固定在指定吸附位置，无线数据传输模块用于将采集到的数据发送给地面站，控制模块用于控制吸附模块和无线数据传输模块工作；
所述任务载荷用于采集数据并通过任务机动布控单元将采集到的数据实时发送给地面站。
一种空间快速机动布控***，包括地面站、飞行器空间移动单元、至少一个的任务机动布控单元、设置在任务机动布控单元上的任务载荷以及与任务机动布控单元对应的可分离连接单元；
所述飞行器空间移动单元用于为空间快速机动布控子母式机器人提供三维空间的运动能力；
所述可分离连接单元用于实现任务机动布控单元和任务载荷的部署和回收；
所述任务机动布控单元包括吸附模块、无线数据传输模块和控制模块，吸附模块用于将任务机动布控单元和任务载荷固定在指定吸附位置，无线数据传输模块用于将采集到的数据发送给地面站，控制模块用于控制吸附模块和无线数据传输模块工作；
所述任务载荷用于采集待测数据并通过任务机动布控单元将采集到的数据实时发送给地面站；
地面站用于远程控制任务机动布控单元，接收显示并存储任务载荷采集到的数据。
一种空间快速机动布控方法，包括部署过程和回收过程，部署过程包括：
飞行器空间移动单元携带任务机动布控单元及任务载荷飞行至指定位置区域；
任务机动布控单元吸附在指定位置表面；
吸附完成后，可分离连接单元分离，飞行器空间移动单元飞离指定位置区域，任务机动布控单元搭载任务载荷在指定位置工作；
回收过程包括：
飞行器空间移动单元飞行至指定位置区域；
飞行器空间移动单元通过可分离连接单元与任务机动布控单元对接；
任务机动布控单元解除吸附，飞行器空间移动单元携任务机动布控单元及任务载荷返回。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明的空间快速机动布控子母式机器人能够在多种应用场景下实现任务载荷的部署和回收，具有快速性和机动性，适合突发事件的应对，任务载荷的放置地点受到的限制条件较少，能够在诸如天花板，高处墙壁，电线杆等地点执行任务；(2)本发明利用一个飞行器空中移动单元作为母单元即可实现任意数量个任务机动布控单元及任务载荷的部署和回收，节省了成本；(3)本发明通过可分离连接单元将任务机动布控单元及任务载荷布置在监控点，降低了体积、重量和功耗，提高了隐秘性，增加了机器人的工作时间。
附图说明
图1是本发明空间快速机动布控***的结构示意图。
图2是本发明可分离连接单元的结构示意图。
图3是图2中第一连接模块结构示意图。
图4是图2中第二连接模块结构示意图。
图5是本发明任务机动布控单元及任务载荷的结构示意图。
图6(a)是飞行器空中移动单元携带任务机动布控单元及任务载荷在三维空间中运动示意图，图6(b)是任务机动布控单元的吸附模块工作示意图，图6(c)是可分离连接单元分离示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
结合图1，本发明的一种空间快速机动布控子母式机器人，包括飞行器空间移动单元1、至少一个的任务机动布控单元3、设置在任务机动布控单元3上的任务载荷4以及与任务机动布控单元3对应的可分离连接单元2；
所述飞行器空间移动单元1用于搭载任务机动布控单元3和任务载荷4；
所述可分离连接单元2用于实现飞行器空间移动单元1与任务机动布控单元3的连接和分离；
所述任务机动布控单元3包括吸附模块、无线数据传输模块和控制模块，吸附模块用于将任务机动布控单元3和任务载荷4固定在指定吸附位置，无线数据传输模块用于将采集到的数据发送给地面站，控制模块用于控制吸附模块和无线数据传输模块工作；
所述任务载荷4用于采集数据并通过任务机动布控单元3将采集到的数据实时发送给地面站。
结合图2，所述可分离连接单元2包括第一连接模块7和第二连接模块6，所述第一连接模块7设置在飞行器空间移动单元1上，第二连接模块6设置在任务机动布控单元3上；所述可分离连接单元2具有两个工作状态，其第一工作状态时第一连接模块7和第二连接模块6连接，其第二工作状态时第一连接模块7和第二连接模块6分离。
所述可分离连接单元包还包括分离控制器8、执行机构16、mark点模块14和视觉捕捉模块15，所述mark点模块14和视觉捕捉模块15分别设置在第二连接模块6和第一连接模块7上，视觉捕捉模块15通过mark点模块14获取第一连接模块7相对于第二连接模块6的姿态，所述执行机构设置16在第一连接模块7和飞行器空间移动单元1之间，根据分离控制器8的指令控制第一连接模块7与第二连接模块6连接和分离。
结合图3，第一连接模块7包括圆锥形套筒17、抓手18和接触开关20，所述抓手18设置在圆锥形套筒17外侧，抓手18指端设置有抓手橡胶层19，所述接触开关20设置在圆锥形套筒17内部，用于识别第二连接模块是否完全卡入在套筒内；
结合图4，所述第二连接模块6包括圆锥体以及与圆锥体底部连接的等直径圆柱体，所述圆锥体外周与圆锥形套筒17的内周配合，所述圆柱体外周设置有环形凹槽21，所述环形凹槽21与抓手橡胶层19配合，用于紧固第一连接模块7和第二连接模块6。
所述任务机动布控单元的吸附模块10采用负压吸附、静电吸附、仿生吸附或机械抓取方式。
进一步的，所述任务机动布控单元3还包括运动模块，所述运动模块用于调整吸附模块和任务载荷的姿态；本具体实施方式中运动模块采用一轴云台、二轴云台或者多轴云台；
本发明还提供一种空间快速机动布控***，包括地面站5、飞行器空间移动单元1、至少一个的任务机动布控单元3、设置在任务机动布控单元3上的任务载荷4以及与任务机动布控单元3对应的可分离连接单元2；
所述飞行器空间移动单元1用于搭载任务机动布控单元3和任务载荷4；
所述可分离连接单元2用于实现飞行器空间移动单元1与任务机动布控单元3的连接和分离；
所述任务机动布控单元3包括吸附模块、无线数据传输模块和控制模块，吸附模块用于将任务机动布控单元3和任务载荷4固定在指定吸附位置，无线数据传输模块用于将采集到的数据发送给地面站，控制模块用于控制吸附模块和无线数据传输模块工作；
所述任务载荷4用于采集数据并通过任务机动布控单元3将采集到的数据实时发送给地面站5；
地面站5用于远程控制任务机动布控单元，接收显示并存储任务载荷采集到的数据。
所述可分离连接单元2包括第一连接模块7和第二连接模块6，所述第一连接模块7设置在飞行器空间移动单元1上，第二连接模块6设置在任务机动布控单元3上；所述可分离连接单元2具有两个工作状态，其第一工作状态时第一连接模块7和第二连接模块6连接，其第二工作状态时第一连接模块7和第二连接模块6分离。所述可分离连接单元包还包括分离控制器8、执行机构16、mark点模块14和视觉捕捉模块15，所述mark点模块14和视觉捕捉模块15分别设置在第二连接模块6和第一连接模块7上，视觉捕捉模块15通过mark点模块14获取第一连接模块7相对于第二连接模块6的姿态，所述执行机构设置16在第一连接模块7和飞行器空间移动单元1之间，根据分离控制器8的指令控制第一连接模块7与第二连接模块6连接和分离。
第一连接模块7包括圆锥形套筒17、抓手18和接触开关20，所述抓手18设置在圆锥形套筒17外侧，抓手18指端设置有抓手橡胶层19，所述接触开关20设置在圆锥形套筒17内部，用于识别第二连接模块是否完全卡入在套筒内；
所述第二连接模块6包括圆锥体以及与圆锥体底部连接的等直径圆柱体，所述圆锥体外周与圆锥形套筒17的内周配合，所述圆柱体外周设置有环形凹槽21，所述环形凹槽21与抓手橡胶层19配合，用于紧固第一连接模块7和第二连接模块6。
所述任务机动布控单元的吸附模块10采用负压吸附、静电吸附、仿生吸附或机械抓取方式。
进一步的，所述任务机动布控单元3还包括运动模块，所述运动模块用于调整吸附模块和任务载荷的姿态；
如图6(a)、图6(b)、图6(c)所示，本发明还提供一种空间快速机动布控方法，包括部署过程和回收过程，部署过程包括：
飞行器空间移动单元1携带任务机动布控单元3及任务载荷4飞行至指定位置区域；
任务机动布控单元3吸附在指定位置表面；
吸附完成后，可分离连接单元2分离，飞行器空间移动单元1飞离指定位置区域，任务机动布控单元3搭载任务载荷4在指定位置工作；
回收过程包括：
飞行器空间移动单元1飞行至指定位置区域；
飞行器空间移动单元1通过可分离连接单元2与任务机动布控单元3对接；
任务机动布控单元3解除吸附，飞行器空间移动单元1携任务机动布控单元3及任务载荷4返回。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例
如图1所示，本实施例的空间快速机动布控***包括飞行器空中移动单元1、可分离连接单元2、任务机动布控单元3、任务载荷4和地面站5。
飞行器空中移动单元1为整套空间快速机动布控子母式机器人提供三维空间的运动能力，能够使用多旋翼和直升机等飞行器，本实施例以四旋翼飞行器为例，机体上利用支杆刚性连接可分离连接单元2。
可分离连接单元2，如图2所示，负责实现任务机动布控单元和任务载荷的分离和回收的过程，本实施例以卡扣实现方式为例实现锁定和释放，可分离连接单元2包括第一连接模块7、第二连接模块6、分离控制器8、执行机构16、Mark点模块14和视觉捕捉模块15。
第一连接模块7，如图3所示，包括圆锥形套筒17、抓手18和接触开关20，所述抓手18设置在圆锥形套筒17外侧，抓手18指端设置有抓手橡胶层19，所述接触开关20设置在圆锥形套筒17内部，用于识别第二连接模块是否完全卡入在套筒内。
第二连接模块6，如图4所示，包括圆锥体以及与圆锥体底部连接的等直径圆柱体，所述圆锥体外周与圆锥形套筒17的内周配合，所述圆柱体外周设置有环形凹槽21，所述环形凹槽21与抓手橡胶层19配合，保证了第一连接模块7和第二连接模块6不会相对旋转；连接时，圆锥体顶端伸入圆锥形套筒17内，接触开关20感应到圆锥体顶端后，分离控制器控制抓手18动作，实现第一连接模块7和第二连接模块6连接。
Mark点模块14上使用四个圆形led灯作为mark点，分布于圆环的0度，90度，180度，270度，通过一个支杆固定在第二连接模块6上，其中一个led灯是红色，另外三个是绿色，其亮度保证了视觉捕捉模块15在较差的光照条件下也能够观测到mark点；执行机构16与抓手18连接，控制抓手闭合或张开。
如图5所示，任务机动布控单元3包括任务机动布控单元本体9、吸附模块10、电源13、控制模块、运动模块11和无线数据传输模块12；
吸附模块10，负责将任务机动布控单元3和任务载荷4固定在指定位置；本例采用负压吸附方式，包括吸盘22、真空泵26以及吸附模块支架23，所述真空泵26与吸盘22配合实现吸附，所述吸附模块支架23设置在吸盘22下方，用于固定吸附角度。
本实施例中控制模块采用嵌入式控制器，设置在任务机动布控单元本体9内部。
电源13，为任务机动布控单元3和任务载荷4提供能量。
运动模块11采用二轴云台，包括第一云台舵机24和第二云台舵机25，负责在吸附模块进行吸附前，调整吸附模块的姿态，使其能够以合适的姿态接触任务表面；并在任务载荷执行任务的过程中，调整任务载荷姿态。
无线数据传输模块12，负责在多个任务机动布控单元间组成无线网络，将采集到的数据发送回地面站5。
无线数据传输模块12和电源13固定在任务机动布控单元本体9上，任务机动布控单元本体9通过运动模块11与吸附模块10连接。
任务载荷4，包括视觉传感器、声音传感器、温度传感器以及湿度传感器中一种或多种，任务载荷4通过支杆固定在任务机动布控单元本体9上。
地面站，能够远程控制运动模块调整姿态，接收显示任务载荷采集到的数据，同时进行存储。
本发明的空间快速机动布控方法包括部署过程和回收过程，部署过程包括：1)飞行器空中移动单元1携带任务机动布控单元3及任务载荷4在地面站5的控制下飞行到指定位置附近；2)通过地面站调整运动模块的云台舵机，使得吸附模块10以合适的姿态吸附在指定位置表面，吸附模块10开始工作；3)当吸附模块10的气压传感器达到指定阈值之后，地面站5发出分离命令，此时可分离连接单元的分离控制器8控制执行机构16开始工作，带动抓手18张开，可分离连接单元分离；4)地面站5控制飞行器空中移动单元1飞离；5)地面站5控制二轴云台，将任务负荷调整到合适姿态开始工作，将采集的数据通过无线数据传输模块12回传至地面站5。
空间快速机动布控子母式机器人的回收过程是上述部署过程的逆过程，具体包括：1)飞行器空中移动单元1在地面站5的控制下飞行到指定位置附近；2)视觉捕捉模块15视觉感知mark点模块14上的mark点位置，计算得到第一连接模块7相对于第二连接模块6的姿态，控制二轴云台调整姿态，使第一连接模块7以合适的姿态朝向第二连接模块6；飞行器空中移动单元1逐步靠近，第二连接模块6的圆锥体完全嵌入第一连接模块7的圆锥形套筒17中；接触开关20检测到圆锥体与圆锥形套筒17完全重合之后，可分离连接单元的分离控制器8驱动执行机构工作，抓手18与凹槽21接触并贴合，此时可分离连接单元锁定，完成对接任务；3)吸附模块10停止工作；4)飞行器空中移动单元1携带着任务机动布控单元3和任务载荷4沿着规划路径返回。
本发明的空间快速机动布控子母式机器人是一种以飞行器空间移动单元为母载体和任务机动布控单元为子单元的装置，能够利用飞行器空间移动单元迅速机动到三维空间中的指定位置并通过任务机动布控单元进行任务载荷部署和回收；分离之后利用任务机动布控单元上的吸附模块栖息在指定位置，实现了三维空间快速机动布控及分离和回收的能力，且功耗低、体积小，易于隐蔽和长时间工作，弥补了传统装置部署和回收时间长，部署位置受限的缺点。

Claims (8)

1.一种空间快速机动布控子母式机器人，其特征在于，包括飞行器空间移动单元(1)、至少一个的任务机动布控单元(3)、设置在任务机动布控单元(3)上的任务载荷(4)以及与任务机动布控单元(3)对应的可分离连接单元(2)；
所述飞行器空间移动单元(1)用于搭载任务机动布控单元(3)和任务载荷(4)；
所述可分离连接单元(2)用于实现飞行器空间移动单元(1)与任务机动布控单元(3)的连接和分离；
所述任务机动布控单元(3)包括吸附模块、无线数据传输模块和控制模块，吸附模块用于将任务机动布控单元(3)和任务载荷(4)固定在指定吸附位置，无线数据传输模块用于将采集到的数据发送给地面站，控制模块用于控制吸附模块和无线数据传输模块工作；
所述任务载荷(4)用于采集数据并通过任务机动布控单元(3)将采集到的数据实时发送给地面站。
2.根据权利要求1所述的空间快速机动布控子母式机器人，其特征在于，所述可分离连接单元(2)包括第一连接模块(7)和第二连接模块(6)，所述第一连接模块(7)设置在飞行器空间移动单元(1)上，第二连接模块(6)设置在任务机动布控单元(3)上；所述可分离连接单元(2)具有两个工作状态，其第一工作状态时第一连接模块(7)和第二连接模块(6)连接，其第二工作状态时第一连接模块(7)和第二连接模块(6)分离。
3.根据权利要求2所述的空间快速机动布控子母式机器人，其特征在于，所述可分离连接单元包还包括分离控制器(8)、执行机构(16)、mark点模块(14)和视觉捕捉模块(15)，所述mark点模块(14)和视觉捕捉模块(15)分别设置在第二连接模块(6)和第一连接模块(7)上，视觉捕捉模块(15)通过mark点模块(14)获取第一连接模块(7)相对于第二连接模块(6)的姿态，所述执行机构设置(16)在第一连接模块(7)和飞行器空间移动单元(1)之间，根据分离控制器(8)的指令控制第一连接模块(7)与第二连接模块(6)连接和分离。
4.根据权利要求3所述的空间快速机动布控子母式机器人，其特征在于，第一连接模块(7)包括圆锥形套筒(17)、抓手(18)和接触开关(20)，所述抓手(18)设置在圆锥形套筒(17)外侧，抓手(18)指端设置有抓手橡胶层(19)，所述接触开关(20)设置在圆锥形套筒(17)内部，用于识别第二连接模块是否完全卡入在套筒内；
所述第二连接模块(6)包括圆锥体以及与圆锥体底部连接的等直径圆柱体，所述圆锥体外周与圆锥形套筒(17)的内周配合，所述圆柱体外周设置有环形凹槽(21)，所述环形凹槽(21)与抓手橡胶层(19)配合，用于紧固第一连接模块(7)和第二连接模块(6)。
5.根据权利要求1所述的空间快速机动布控子母式机器人装置，其特征在于，所述任务机动布控单元的吸附模块采用负压吸附、静电吸附、仿生吸附或机械抓取方式。
6.根据权利要求1所述的空间快速机动布控子母式机器人，其特征在于，所述任务机动布控单元(3)还包括运动模块，所述运动模块用于调整吸附模块和任务载荷的姿态。
7.一种基于权利要求1-6任意一项所述空间快速机动布控子母式机器人的空间快速机动布控***，其特征在于，***还包括地面站(5)，所述地面站(5)用于远程控制任务机动布控单元，接收显示并存储任务载荷采集到的数据。
8.一种基于权利要求1-6任意一项所述空间快速机动布控子母式机器人的空间快速机动布控方法，其特征在于，包括部署过程和回收过程，部署过程包括：
飞行器空间移动单元(1)携带任务机动布控单元(3)及任务载荷(4)飞行至指定位置区域；
任务机动布控单元(3)吸附在指定位置表面；
吸附完成后，可分离连接单元(2)分离，飞行器空间移动单元(1)飞离指定位置区域，任务机动布控单元(3)搭载任务载荷(4)在指定位置工作；
回收过程包括：
飞行器空间移动单元(1)飞行至指定位置区域；
飞行器空间移动单元(1)通过可分离连接单元(2)与任务机动布控单元(3)对接；
任务机动布控单元(3)解除吸附，飞行器空间移动单元(1)携任务机动布控单元(3)及任务载荷(4)返回。
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