一種水陸空墻壁四棲機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機(jī)器人，特別涉及一種水陸空墻壁四棲機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)機(jī)器人的應(yīng)用越來越多，如用來偵查、救援、特種作業(yè)等。常見的機(jī)器人有飛行機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、地面行走機(jī)器人和水上行走機(jī)器人。但傳統(tǒng)的飛行機(jī)器人續(xù)航時(shí)間短，偵查時(shí)隱蔽性差;爬壁機(jī)器人移動(dòng)速度慢，越障能力差。對(duì)此專利201110322551.6公開了一種具有飛行和吸附兩種功能的機(jī)器人，該機(jī)器人以四旋翼為主體，通過吸附裝置使機(jī)器人擁有在墻壁表面棲息的能力，其吸附功率遠(yuǎn)小于飛行功率，針對(duì)固定目標(biāo)偵測(cè)時(shí)間大幅增加。但其無法實(shí)現(xiàn)爬壁的功能，降低了機(jī)器人的靈活性。專利201510066785.7公開了一種飛行爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人除具有飛行和棲息于墻壁的功能夕卜，還擁有爬壁功能，但其爬壁時(shí)的靈活性、穩(wěn)定性和隱蔽性較差。專利200910079365.7公開了一種多旋翼腿輪式多功能空中機(jī)器人，該機(jī)器人擁有飛行和爬壁的能力，但其不具有棲息與墻壁的功能，同樣其爬壁時(shí)的靈活性、穩(wěn)定性和隱蔽性較差。專利201520649047.0公開了一種海陸空四軸雙體交通工具，該機(jī)器人具有飛行、地面行走和水面行走的功能，但其水面行走和陸地行走時(shí)需要額外的電機(jī)，裝置不夠緊湊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的機(jī)器人在進(jìn)行相關(guān)作業(yè)過程中存在諸多問題而提供的一種水陸空墻壁四棲機(jī)器人。
[0004]本發(fā)明提供的水陸空墻壁四棲機(jī)器人包括有飛行系統(tǒng)、爬壁行走系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、漂浮系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中飛行系統(tǒng)為機(jī)器人的主體，吸附系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)安裝在飛行系統(tǒng)頂部，爬壁行走系統(tǒng)連接在飛行系統(tǒng)下部，漂浮系統(tǒng)安裝在爬壁行走系統(tǒng)底部，控制系統(tǒng)控制飛行系統(tǒng)、爬壁行走系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和漂浮系統(tǒng)的工作實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的整體控制。
[0005]飛行系統(tǒng)包括有機(jī)架、可旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件、第一舵機(jī)、第一搖桿、第二搖桿和連桿，其中機(jī)架由兩個(gè)縱向連桿、兩個(gè)橫向連桿、軸承座、底板和頂板組成，兩橫向連桿利用T型連接件連接在縱向連桿上，橫向連桿的中間位置由連接座與底板連接，連接座由螺栓螺母固定在頂板上，底板與頂板之間由雙頭螺栓和螺母連接，軸承座豎直的固連在縱向連桿的兩端，所述的可旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，設(shè)置有兩組，可旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件靠兩端的軸承安裝在機(jī)架的軸承座中，可旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件由無刷電機(jī)、螺旋槳、電機(jī)座、第一連接桿、第二連接桿、第三連接桿和軸承組成，其中無刷電機(jī)、螺旋槳、電機(jī)座、第一連接桿、第二連接桿和軸承均設(shè)置有兩個(gè)，第一連接桿兩端分別與軸承內(nèi)孔和第二連桿內(nèi)孔過盈配合連接，第二連接桿的另一端連接在電機(jī)座的孔中，電機(jī)座另一側(cè)的孔中連有第三連接桿，第三連接桿另一端同樣連接有電機(jī)座，電機(jī)座另一側(cè)孔中連有第二連接桿，第二連接桿另一端連接有第一連接桿，通過第一連接桿末端與軸承相連，螺旋槳安裝在無刷電機(jī)上，無刷電機(jī)底部有螺紋孔，能夠與電機(jī)座通過螺釘連接，兩個(gè)無刷電機(jī)的軸線方向相同，第一舵機(jī)、第一搖桿、第二搖桿和連桿設(shè)有兩組，第一舵機(jī)固定在底板下，第一搖桿一端固連在第一舵機(jī)上，另一端與連桿鉸接，連桿另一端與第二搖桿鉸接，第二搖桿另一端固連在第三連接桿上。
[0006]縱向連桿和橫向連桿的材質(zhì)為碳纖維管；底板和頂板為碳纖維材料或輕質(zhì)鋁制成;T型連接件、連接座和軸承座材質(zhì)為ABS材料，第一連接桿的材質(zhì)為輕質(zhì)鋁，第二連接桿和第三連接桿的材質(zhì)為碳纖維管，電機(jī)座的材質(zhì)為ABS材料，前述組件中ABS材料均能利用3D打印技術(shù)加工制造。
[0007]爬壁行走系統(tǒng)包括底盤、前輪、后輪、彈簧伸縮桿、圓形導(dǎo)軌、滑塊、絲杠螺母、步進(jìn)電機(jī)、第三舵機(jī)，圓形導(dǎo)軌設(shè)有四個(gè)，分別通過T型連接件固連在縱向連桿上，且四個(gè)圓形導(dǎo)軌保持豎直，四個(gè)圓形導(dǎo)軌上套有四個(gè)滑塊，四個(gè)滑塊連接在底盤上，底盤中間位置連有絲杠螺母，絲杠螺母與步進(jìn)電機(jī)相連，通過步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)底盤的升降，步進(jìn)電機(jī)穿透頂板固定在底板上，兩后輪固定在底盤后方，后輪保持固定且始終保持與縱向連桿平行的方向，兩彈簧伸縮桿連接在底盤前方，兩彈簧伸縮桿另一端固定有第三舵機(jī)，第三舵機(jī)的方向豎直向上，兩第三舵機(jī)另一端與兩前輪相連，以控制前輪轉(zhuǎn)動(dòng)，兩前輪外側(cè)設(shè)有兩個(gè)制動(dòng)器，制動(dòng)器縮回能夠起到前輪鎖死的作用。
[0008]支撐系統(tǒng)包括第二舵機(jī)、支撐桿、彎曲彈簧和滾輪，第二舵機(jī)固定在頂板上中間靠前位置，第二舵機(jī)頭部連有支撐桿，支撐桿末端通過彎曲彈簧與滾輪相連。
[0009]吸附系統(tǒng)包括真空吸盤和真空栗，真空栗固定在底板下，真空栗與真空吸盤通過管路連接，真空吸盤利用螺母連接在頂板上。
[0010]漂浮系統(tǒng)包括兩個(gè)浮體，兩浮體分別連接在圓形導(dǎo)軌下方，浮體還通過管路與真空栗連接，浮體為可充氣形式，能夠利用真空栗進(jìn)行充氣放氣。
[0011 ]控制系統(tǒng)包括有單片機(jī)、陀螺儀、加速度計(jì)、高度計(jì)、GPS模塊、超聲波傳感器、氣壓傳感器、無刷電調(diào)、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、遠(yuǎn)程遙控器、第一電磁閥和第二電磁閥，其中陀螺儀、加速度計(jì)、高度計(jì)、GPS模塊、超聲波傳感器、氣壓傳感器、無刷電調(diào)、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、第一電磁閥和第二電磁閥連接在單片機(jī)上，遠(yuǎn)程遙控器通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，控制系統(tǒng)中的陀螺儀與加速度計(jì)用來采集機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息和姿態(tài)信息，高度計(jì)能夠測(cè)量機(jī)器人的當(dāng)前高度，通過GPS模塊能夠?qū)崿F(xiàn)飛行機(jī)器人自主導(dǎo)航飛行，超聲波傳感器用以實(shí)現(xiàn)飛行機(jī)器人的壁障功能，單片機(jī)用來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的整體控制，無刷電調(diào)與無刷電機(jī)相連，用來調(diào)節(jié)無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速;舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器上連有第一舵機(jī)、第二舵機(jī)和第三舵機(jī)，用以控制各個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；第一電磁閥和第二電磁閥分別用來控制真空吸盤及浮體氣路的通斷；電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與真空栗相連，可控制真空栗的通斷及正反轉(zhuǎn);氣壓傳感器安裝在真空吸盤氣路中，以檢測(cè)氣路中的氣壓值。
[0012]本發(fā)明的工作原理:
[0013]1、飛行原理:
[0014]飛行前需調(diào)節(jié)螺旋槳至水平位置，此時(shí)的飛行系統(tǒng)相當(dāng)于四旋翼飛行器，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)四個(gè)無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)升降和前后左右飛行。
[0015]2、行走原理:
[0016]行走前先將爬壁行走系統(tǒng)的兩個(gè)前輪和兩個(gè)后輪降至最低位置。在行走速度要求不高的情況下保持前兩個(gè)螺旋槳與地面水平且關(guān)閉前兩個(gè)無刷電機(jī)，后兩個(gè)螺旋槳與地面垂直，此時(shí)后兩個(gè)螺旋槳為機(jī)器人提供行走動(dòng)力。
[0017]在兩前輪擺正的情況下，當(dāng)后兩個(gè)螺旋槳以相同的轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)器人獲得一個(gè)向前的作用力，此時(shí)機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng);若后兩個(gè)螺旋槳以相同的轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)器人獲得一個(gè)向后的作用力，此時(shí)機(jī)器人向后運(yùn)動(dòng)。
[0018]在兩前輪向右轉(zhuǎn)且沒有被鎖住時(shí)，后兩個(gè)螺旋槳正轉(zhuǎn)，且左后螺旋槳的轉(zhuǎn)速大于右后螺旋槳的轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)器人向前行進(jìn)且向右側(cè)轉(zhuǎn)彎;若后兩個(gè)螺旋槳反轉(zhuǎn)，且左后螺旋槳的轉(zhuǎn)速大于右后螺旋槳的轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)器人向后行進(jìn)且向右側(cè)轉(zhuǎn)彎。轉(zhuǎn)彎速度快慢由后兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，轉(zhuǎn)彎半徑的大小由兩前輪的轉(zhuǎn)角大小及后兩個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速差決定，兩前輪轉(zhuǎn)角越大且后兩個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速差越大，則轉(zhuǎn)彎半徑越小。若兩前輪右轉(zhuǎn)且右前輪被鎖住時(shí)，后兩個(gè)螺旋槳正轉(zhuǎn)，且左后螺旋槳的轉(zhuǎn)速大于右后螺旋槳的轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)器人以右前輪為中心向右前轉(zhuǎn)彎;若后兩個(gè)螺旋槳反轉(zhuǎn)，且左后螺旋槳的轉(zhuǎn)速大于右后螺旋槳的轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)器人以右前輪為中心向右后轉(zhuǎn)彎。轉(zhuǎn)彎速度由兩前輪轉(zhuǎn)角大小及后兩個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速快慢及轉(zhuǎn)速差決定。
[0019]相同的在兩前輪向左轉(zhuǎn)且沒有被鎖住時(shí)，后兩個(gè)螺旋槳正轉(zhuǎn)，且右后螺旋槳的轉(zhuǎn)速大于左后螺旋槳的轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)器人向前行進(jìn)且向左側(cè)轉(zhuǎn)彎;若后兩個(gè)螺旋槳反轉(zhuǎn)，且右后螺旋槳的轉(zhuǎn)速大于左后螺旋槳的轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)器人向后行進(jìn)且向左側(cè)轉(zhuǎn)彎。轉(zhuǎn)彎速度快慢由后兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，轉(zhuǎn)彎半徑的大小由兩前輪的轉(zhuǎn)角大小及后兩個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速差決定，兩前輪轉(zhuǎn)角越大且后兩個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速差越大，則轉(zhuǎn)彎半徑越小。若兩前輪左轉(zhuǎn)且左前輪被鎖住時(shí)，后兩個(gè)螺旋槳正轉(zhuǎn)，且右后螺旋槳的轉(zhuǎn)速大于左后螺旋槳的轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)器人以左前輪為中心向左前轉(zhuǎn)彎;若后兩個(gè)螺旋槳反轉(zhuǎn)，且右后螺旋槳的轉(zhuǎn)速大于左后螺旋槳的轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)器人以左前輪為中心向左后轉(zhuǎn)彎。轉(zhuǎn)彎速度由兩前輪轉(zhuǎn)角大小及后兩個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速快慢及轉(zhuǎn)速差決定。
[0020]在機(jī)器人對(duì)行走速度要求較高的情況下保持前四個(gè)螺旋槳均與地面垂直，此時(shí)四個(gè)螺旋槳同時(shí)為機(jī)器人提供行走動(dòng)力。四個(gè)螺旋槳均與地面垂直時(shí)機(jī)器人的行走轉(zhuǎn)彎策略與后兩個(gè)螺旋槳與地面垂直時(shí)基本相同，只是將左后螺旋槳置換為左側(cè)兩螺旋槳(左前螺旋槳和左后螺旋槳)，右后螺旋槳置換為右側(cè)兩螺旋槳(右前螺旋槳和右后螺旋槳)。
[0021]機(jī)器人還可以保持四個(gè)螺旋槳都處于傾斜狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前后左右行進(jìn)，此種運(yùn)動(dòng)形式的運(yùn)動(dòng)過程比較平穩(wěn)，但相對(duì)耗電。
[0022]3、爬陡坡原理:
[0023]在坡度較大時(shí)正常的行走模式可能會(huì)出現(xiàn)打滑或側(cè)翻的情況，此時(shí)前兩個(gè)水平螺旋槳可反轉(zhuǎn)，這樣機(jī)器人獲得一個(gè)向下的作用力，還可以保持四個(gè)螺旋槳處于傾斜狀態(tài)，使機(jī)器人獲得一個(gè)向下的分力，增加機(jī)器人的抓地力，防止機(jī)器人在爬坡時(shí)出現(xiàn)打滑及側(cè)翻的情況。
[0024]4、爬壁原理:
[0025]豎直墻壁爬壁時(shí)機(jī)器人的兩個(gè)前輪和兩個(gè)后輪升至最上方，均與墻壁接觸，飛行器的上方朝向墻壁，此時(shí)四個(gè)螺旋槳始終為機(jī)器人提供垂直于墻壁向里的力，保證機(jī)器人緊貼于墻壁。機(jī)器人靜止時(shí)兩個(gè)前輪處于鎖緊狀態(tài)，此時(shí)機(jī)器人的重力與墻壁及兩個(gè)前輪和兩個(gè)后輪之間的摩擦力相平衡，保證機(jī)器人不會(huì)受重力的影響而下落。
[0026]機(jī)器人在豎直墻壁行走時(shí)四個(gè)螺旋槳均處于傾斜位置。根據(jù)行走方向的不同，可以分為三種運(yùn)動(dòng)形式，分別是豎直行走、水平行走和傾斜行走。豎直行走時(shí)機(jī)器人的重力完全靠螺旋槳提供的升