CN109624629A - 基于矢量飞行的爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于矢量飞行的爬壁机器人。主要包括：基座，主控单元，爬行单元、飞行单元、通信单元、电池单元、导航单元和感知单元。所述飞行单元设置在所述基座上，且与所述主控单元电连接，所述飞行单元包括：涵道电机，与涵道电机相连的舵机组件，与涵道电机相连的电子调速器，以及用于将机器人的姿态反馈给主控单元的姿态反馈装置。上述爬壁机器人具备飞行模式，活动范围从地面扩展到空中，行动更加灵活方便。且采用涵道电机和矢量推进***，减少机器人整体重量，使机器人更加轻巧。且可避免气流对爬行单元的干扰。

Description

基于矢量飞行的爬壁机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别是涉及基于矢量飞行的爬壁机器人。

背景技术

传统的爬壁机器人有以下几个缺点：

1.不灵活，对行进路径要求高，断崖式路面无法爬行。

2.活动范围小，只能在地面或依附物上爬行，无法在空中执行任务。

3.目前具有多旋翼功能的爬壁机器人，需要安装3个以上的旋翼，一方面增大了机器人本体的重量，严重影响机器人的爬壁性能，另一方面旋翼安装在机器人本体四周，旋翼气流会干扰机器人的腿足。

发明内容

基于此，有必要针对传统爬壁机器人设计不合理的问题，提供一种基于矢量飞行的爬壁机器人。

一种基于矢量飞行的爬壁机器人，包括：

基座；

主控单元，所述主控单元设置在所述基座上；

爬行单元，所述爬行单元设置在所述基座上，所述爬行单元与所述主控单元电连接；

飞行单元，所述飞行单元设置在所述基座上，且与所述主控单元电连接，所述飞行单元包括：涵道电机，与涵道电机相连的舵机组件，与涵道电机相连的电子调速器，以及用于将机器人的姿态反馈给主控单元的姿态反馈装置，所述涵道电机产生的气流避让所述爬行单元。

上述爬壁机器人具备飞行模式，活动范围从地面扩展到空中，行动更加灵活方便。且采用涵道电机，矢量推进***，减少了机器人整体重量，使机器人更加轻巧。且可避免气流对爬行单元的干扰。

在其中一个实施例中，

所述涵道电机设置在基座的顶部的中央位置；

所述爬行单元包括：

设置在基座的两侧的多个腿足，以及用于控制腿足运动的腿足驱动组件，

所述腿足的端部安装有爪刺以及用于驱动爪刺运动的爪刺驱动组件。

在其中一个实施例中，所述机器人还包括设置在基座上的通信单元，所述通信单元与所述主控单元电连接。

在其中一个实施例中，所述通信单元包括以下模块中的一种或多种：无线数据传输模块、无线图片传输模块、射频模块。

在其中一个实施例中，所述机器人还包括设置在所述基座上的感知单元，所述感知单元与所述主控单元电连接,所述感知单元包括：高清相机组件和超声波传感器。

在其中一个实施例中，所述感知单元还包括：热红外相机组件和气体检测组件。

在其中一个实施例中，所述机器人还包括设置在基座上的电池单元，所述电池单元包括：光敏传感器、太阳能充电组件、锂电池组和BMS模块，所述太阳能充电组件与锂电池组电连接，所述太阳能充电组件和锂电池组分别与所述BMS模块电连接，所述BMS模块与所述主控单元电连接。

在其中一个实施例中，所述机器人还包括设置在基座上的电池单元，所述电池单元与所述主控单元电连接。

在其中一个实施例中，所述机器人还包括设置在所述基座上的导航单元，所述导航单元与所述主控单元电连接。

在其中一个实施例中，所述导航单元包括以下组件中的一种或多种：卫星导航组件、惯性导航组件、激光导航组件。

附图说明

图1为本发明的实施例的基于矢量飞行的爬壁机器人的导航和通信示意图。

图2为本发明的实施例的基于矢量飞行的爬壁机器人的硬件架构示意图图。

图3为本发明的实施例的基于矢量飞行的爬壁机器人的示意图。

图4为本发明的实施例的基于矢量飞行的爬壁机器人的腿足和爪刺的示意图。

其中：

100、基于矢量飞行的爬壁机器人

110、基座

120、爬行单元 121、腿足 122、第一电机

123、第二电机 124、爪刺 125、第三电机

130、涵道电机 140、陀螺仪 150、X轴大扭矩舵机

160、Y轴大扭矩舵机

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1和图2所示，本发明的实施例提供了一种基于矢量飞行的爬壁机器人100，其包括：

基座110；

主控单元，所述主控单元设置在所述基座110上；

爬行单元120，所述爬行单元120设置在所述基座110上，所述爬行单元120与所述主控单元电连接；

飞行单元，所述飞行单元设置在所述基座110上，且与所述主控单元电连接，所述飞行单元包括：涵道电机130，与涵道电机130相连的舵机组件，与涵道电机130相连的电子调速器，以及用于将机器人的姿态反馈给主控单元的姿态反馈装置，所述涵道电机130产生的气流避让所述爬行单元120。

上述爬壁机器人具备飞行模式，活动范围从地面扩展到空中，行动更加灵活方便。且采用涵道电机130，采用矢量推进***，减少机器人整体重量，使机器人更加轻巧。且可避免气流对爬行单元120的干扰。

可以理解，上述爬壁机器人可设置控制终端对其进控制。上述控制终端可包括嵌入式处理器、操作面板和通信单元。具体的，所述嵌入式处理器为STM32F103VCT6。所述操作面板具有键盘、鼠标和操作摇杆。所述通信单元为WIFI通信、有线网络通信和射频通信。

具体的，基座110的形状、构造以及尺寸可根据机器人实际需求进行设计。基座110起到将各个单元安装固定的作用。

上述主控单元可以为嵌入式单片机。例如，该单片机的RAM大于100k,FLASH大于1M，具有串口、网口、IIC口、CAN等硬件资源。可用于数据计算、数据转发和图像处理等。

上述舵机组件形成矢量控制器，用于控制涵道电机130的整体转动角度，进而控制涵道电机130喷射出的气流方向。因不同地形，不同飞行状况下，需要的气流方向会不同，因此需要对涵道电机130进行一定角度的转动。

例如，涵道电机130为外转子直流无刷涵道电机，电机功率可根据实际需求设定。例如可大于2000W，推力大于3kg。所述舵机组件可由X轴大扭矩舵机150、Y轴大扭矩舵机160以及相应的传动组件组成。这样设置，以涵道电机130为原点建立旋转坐标系，使得涵道电机130可以围绕X轴和Y轴旋转。

可以理解，上述舵机组件还可以为其它种类的实施方式，只要具备能使涵道电机130按一定角度进行转动的功能即可。

上述电子调速器用于驱动涵道电机130。其电流可以大于30A，控制方式可以为PWM脉宽调试方式。

上述姿态反馈装置可以为陀螺仪140等可用于将机器人姿态反馈给主控制器的装置,例如三轴陀螺仪。

应用时，主控单元通过PWM脉宽调制方式控制电子调速器。电子调速器将PWM信号转换成电机驱动信号驱动涵道电机130。当爬壁机器人需要起飞时，主控单元首先会通过陀螺仪140获取当前机器人的姿态，然后通过调整控制涵道电机130位置的两个舵机来调整推力方向，使机器人达到预设的姿态进行飞行。当爬壁机器人的腿足121抓力不够时，可通过涵道电机130提供一个矢量推力辅助爬行。

本实施例中，所述涵道电机130设置在基座110的顶部的中央位置。这样设置，使得涵道电机130喷射出的气流可避让两侧设置的腿足121。

可以理解，涵道电机130也可以设置在基座110的其它位置，由于涵道电机130喷射的气流的方向可控，因此，只要让气流避开腿足121的设置位置，就可避免气流对腿足121产生干扰。

本实施例中，所述爬行单元120包括：设置在基座110的两侧的多个腿足121，以及用于控制腿足121运动的腿足121驱动组件。

所述腿足121可由关节组成，腿足121驱动组件可驱动关节运动以实现腿足121的展开和收缩。这样设置，在飞行时，可将腿足121收起，有利于避免气流对腿足121的影响。进一步的是，腿足121驱动组件可驱动腿足121沿一定方向往复摆动，这样可通过各个腿足121的运动带动整个机器人爬行。上述腿足121驱动组件可以由电机以及传动组件构成。例如，第一电机122以及由第一电机122驱动的第一传动组件可用于驱动腿足121的展开和收缩。第二电机123以及由第二电机123驱动的第二传动组件可用于驱动腿足121的摆动。上述传动组件可以由连杆等元件构成。上述各个电机可与电机驱动器相连，电机驱动器可与主控单元相连。所有电机驱动器通过串行方式连接，使用CAN总线通信。上述各个电机可为微型电机，重量小于20g，输出扭矩大于1NM。

可以理解，上述腿足121以及腿足121驱动组件也可以为其它实施方式。具备使机器人整体可在物体表面上移动的功能即可。

在上述基础上，所述腿足121的端部安装有爪刺124以及用于驱动爪刺124运动的爪刺驱动组件。爪刺124可由多个枢接的爪钩组成，爪刺驱动组件通过驱动各个爪钩相互收拢或展开来勾住或释放目标物体。上述爪刺驱动组件可由第三电机125以及第三电机125驱动的第三传动组件构成。上述传动组件可由连杆的元件组成。

可以理解，上述爪刺124以及爪刺驱动组件也可以是其它实施方式，只要具备可将目标物体勾住以及释放的功能即可。

应用时，腿足121末端安装爪刺124用来勾住目标物，给机器人自身提供附着力。具体安装的腿足121数量可根据实际需求设定，例如可设置6条腿足121。在使用时根据目标物的形态或材质的不同来选择使用三角步态还是单脚步态。

本实施例中，所述机器人还包括设置在基座110上的通信单元，所述通信单元与所述主控单元电连接。通信单元用于机器人与外界进行通信。

具体的，所述通信单元包括以下模块中的一种或多种：无线数据传输模块、无线图片传输模块、射频模块。

其中，所述无线数据传输模块，可使用4G DTU模块。支持全网通，兼容GPRS/3G无线通讯。所述无线图片传输模块，可使用无线图片传输设备，用于点对点图像传输，通信频率为5.8GHz。所述射频模块，为点对点通信方式，用于手动控制机器人平台，通信频率为433MHz。

应用时，无线数据传输模块通过串口跟主控单元通信，可安装4G通信卡即可实现4G通信。在使用时，无线数据传输模块会与附近的信号基站建立连接，主控单元通过串口和无线数据传输模块进行全双工通信，通过4G信号基站将数据转发至服务器。射频模块可通过串口跟主控单元通信，射频模块可直接与控制终端的射频模块直接点对点通信。

用户可以根据不同的使用环境选择相应的通信方式，若控制终端离爬壁机器人距离较近，可使用射频模块传输数据。爬壁机器人的数据直接通过射频模块传输给控制终端。若控制终端离爬壁机器人较远，机器人数据通过4G模块将数据传输到附近的基站，再由基站将数据传输到服务器中，控制终端通过网络连接服务器获取爬壁机器人数据。

本实施例中，所述机器人还包括设置在所述基座110上的感知单元，所述感知单元与所述主控单元电连接。感知单元用于获取外部环境的数据。进一步的是，可在此基础上，对相应数据进行处理，实现检测分析的功能。

具体的，所述感知单元可包括：高清相机组件、热红外相机组件、气体检测组件等。

所述高清相机组件的信号输出口为HDMI接口，像素大于800万。可以安装在基座110的前端，用于采集环境的视频图像，高清相机为星光级相机。

所述热红外相机组件，用于捕捉拍摄热红外辐射源。

所述气体检测组件，可使用通用气体传感器接口，输入信号为模拟信号，可兼容多种传感器信号。所述气体检测组件采用模块化设计，信号接口使用AD采样方式，所有传感器输出信号为0-3.3V模拟电压信号，不同电压值代表不同的气体浓度，最终由主控单元进行数据采样和处理。

本实施例中，所述机器人还包括设置在基座110上的电池单元，所述电池单元与所述主控单元电连接。电池单元用于给其它需要供电的单元提供电源。

具体的，所述电池单元可包括：光敏传感器、太阳能充电组件、锂电池组和BMS模块，所述太阳能充电组件与锂电池组电连接，所述太阳能充电组件和锂电池组分别与所述BMS模块电连接。所述BMS模块通过串口与所述主控单元电连接。

所述太阳能充电组件包括太阳能电池板和电压转换器。太阳能电池板安装在基座110的顶部。将太阳能转换成电能。太阳能电池板可使用具备自动折叠机构的太阳能电池板。电压转换器将太阳能电池板输出电压转换成合适的电压给锂电池组充电。所述BMS模块用于将电池电压稳定至合适电压，给所有用电设备供电。并具有过压保护、过流保护、短路保护等功能。

使用时，当爬壁机器人处于户外不方便充电时，可使用太阳能充电。具体的，首先通过高清相机组件寻找光线良好的位置。接着，通过光敏传感器寻找合适的光照角度。然后，所有用电模块处于低功耗模式。最后，BMS将太阳能电池板电压转换成锂电池充电电压。

本实施例中，所述机器人还包括设置在所述基座110上的导航单元，所述导航单元与所述主控单元电连接。具体的，所述导航单元包括以下组件中的一种或多种：卫星导航组件、惯性导航组件、激光导航组件。

具体的，所述卫星导航组件，支持北斗***、GPS和GLONASS三星定位***。所述惯性导航组件，为六轴加速度传感器和电子罗盘，用于检测当前机器人运动姿态。所述激光导航组件，为3D激光雷达传感器，扫描距离大于30米，用于扫描环境当前环境，构建三维地形图。

使用时，卫星导航的GPS天线安装在机器人顶端，天线通过屏蔽线与GPS接收机相连。GPS接收机将定位数据通过串口发送给主控***。在无GPS信号的情况下使用激光导航方式。实现激光导航需要获取3D激光雷达传感器、陀螺仪140和电子罗盘的数据，数据汇总到主控单元中，通过算法实现激光导航功能。

以下再详细介绍一下本发明的爬壁机器人的起飞和降落过程。

当爬壁机器人需要起飞时，主控单元首先会通过陀螺仪140获取当前机器人的姿态，然后通过调整控制涵道电机130位置的两个舵机来调整推力方向，使机器人达到预设的姿态进行飞行。当爬壁机器人的腿足121抓力不够时，可通过涵道电机130提供一个矢量推力辅助爬行。

当爬壁机器人需要降落时：

1)机器人通过高清相机组件寻找合适的降落位置；

2)飞行到降落位置上方调整自身姿态，使自身保持平稳，通过超声波传感器识别降落高度；

3)收起腿足121，降低涵道电机130转速，缓慢降落，降落过程中通过高清相机组件反馈图像，使机器人中心始终保持在目标位置上方；

4)超声波传感器检测距离目标位置高度，当高度小于10cm时，开始放下腿足121，直到腿足121接触到目标物，然后末端爪刺124勾住目标物，最后降低涵道电机130转速直到停止。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于矢量飞行的爬壁机器人，其特征在于，包括：

基座；

主控单元，所述主控单元设置在所述基座上；

爬行单元，所述爬行单元设置在所述基座上，所述爬行单元与所述主控单元电连接；

飞行单元，所述飞行单元设置在所述基座上，且与所述主控单元电连接，所述飞行单元包括：涵道电机，与涵道电机相连的舵机组件，与涵道电机相连的电子调速器，以及用于将机器人的姿态反馈给主控单元的姿态反馈装置，所述涵道电机产生的气流避让所述爬行单元。

2.根据权利要求1所述的基于矢量飞行的爬壁机器人，其特征在于，

所述涵道电机设置在基座的顶部的中央位置；

所述爬行单元包括：

设置在基座的两侧的多个腿足，以及用于控制腿足运动的腿足驱动组件，

所述腿足的端部安装有爪刺以及用于驱动爪刺运动的爪刺驱动组件。

3.根据权利要求1所述的基于矢量飞行的爬壁机器人，其特征在于，所述机器人还包括设置在基座上的通信单元，所述通信单元与所述主控单元电连接。

4.根据权利要求3所述的基于矢量飞行的爬壁机器人，其特征在于，所述通信单元包括以下模块中的一种或多种：无线数据传输模块、无线图片传输模块、射频模块。

5.根据权利要求1所述的基于矢量飞行的爬壁机器人，其特征在于，所述机器人还包括设置在所述基座上的感知单元，所述感知单元与所述主控单元电连接,所述感知单元包括：高清相机组件和超声波传感器。

6.根据权利要求5所述的基于矢量飞行的爬壁机器人，其特征在于，所述感知单元还包括：热红外相机组件和气体检测组件。

7.根据权利要求5所述的基于矢量飞行的爬壁机器人，其特征在于，所述机器人还包括设置在基座上的电池单元，所述电池单元包括：光敏传感器、太阳能充电组件、锂电池组和BMS模块，所述太阳能充电组件与锂电池组电连接，所述太阳能充电组件和锂电池组分别与所述BMS模块电连接，所述BMS模块与所述主控单元电连接。

8.根据权利要求1所述的基于矢量飞行的爬壁机器人，其特征在于，所述机器人还包括设置在基座上的电池单元，所述电池单元与所述主控单元电连接。

9.根据权利要求1所述的基于矢量飞行的爬壁机器人，其特征在于，所述机器人还包括设置在所述基座上的导航单元，所述导航单元与所述主控单元电连接。

10.根据权利要求9所述的基于矢量飞行的爬壁机器人，其特征在于，所述导航单元包括以下组件中的一种或多种：卫星导航组件、惯性导航组件、激光导航组件。