[发明专利]一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人及其运动规划方法

权利要求书

1.一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人，包括机器人主体，其特征在于，还包括：旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D、旋翼驱动电机A、旋翼驱动电机B、旋翼驱动电机C、旋翼驱动电机D、爬壁大腿A，爬壁大腿B、爬壁小腿A、爬壁小腿B、髋关节驱动电机A、髋关节驱动电机B、膝关节驱动电机A、膝关节驱动电机B、落地支撑杆、旋翼支撑杆、刚度加强环、壁面行走轮A、壁面行走轮B；

机器人主体为圆形盘状结构，四个旋翼支撑杆沿着机器人主体的下表面四周呈对称分布；旋翼驱动电机A、旋翼驱动电机B、旋翼驱动电机C、旋翼驱动电机D分别用螺钉固定于旋翼支撑杆的外端，旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D依次固定在旋翼驱动电机A、旋翼驱动电机B、旋翼驱动电机C、旋翼驱动电机D的转动轴上；且旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D的旋转平面位于旋翼支撑杆的下方；刚度加强环与机器人主体同心，紧固于旋翼支撑杆的下方；落地支撑杆分别固定连接于旋翼支撑杆与刚度加强环相交的下方；

爬壁大腿A、爬壁大腿B通过髋关节与机器人主体上表面连接，爬壁小腿A、爬壁小腿B通过膝关节与爬壁大腿A、爬壁大腿B连接，两组爬壁大腿A、爬壁大腿B及爬壁小腿A、爬壁小腿B位于机器人的一个对称平面内；壁面行走轮A、壁面行走轮B位于爬壁小腿A、爬壁小腿B的末端；爬壁大腿A、爬壁大腿B、爬壁小腿A、爬壁小腿B及壁面行走轮A、壁面行走轮B组成机器人的两个腿轮式爬壁机构；

在髋关节与膝关节上分别固定有髋关节驱动电机A、髋关节驱动电机B、膝关节驱动电机A、膝关节驱动电机B。

2.根据权利要求1所述的多旋翼腿轮式多功能空中机器人，其特征在于：落地支撑杆上安装弹簧。

3.根据权利要求1所述的多旋翼腿轮式多功能空中机器人，其特征在于：落地支撑杆连接U形铁丝一端，U形铁丝另一端与一个圆环铁丝焊接，形成保护架，罩在所述空中机器人的外部。

4.一种操纵权利要求1所述多旋翼腿轮式多功能空中机器人的运动规划方法，其特征在于：所述的规划方法包括规划机器人为飞行状态、从飞行状态转为爬壁状态、爬壁状态、爬壁状态下跨越障碍物和从爬壁状态转为飞行状态，具体运动规划过程如下：

(一)、机器人在飞行状态下的运动规划；

I、对角线上的两个旋翼为一组，使两组旋翼A、旋翼B和旋翼C、旋翼D以相反的方向旋转；

开启旋翼驱动电机A、旋翼驱动电机B、旋翼驱动电机C、旋翼驱动电机D，为旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D提供升力；

II、改变旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D速度，使机器人产生相应动作；

同时增大或减小四个旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D的速度产生垂直的动作；

保持对角线上一组旋翼速度不变，与此同时另外一组旋翼一个速度增大，一个速度减小就会产生俯仰和滚动的姿态；

偏航姿态的产生则来自于两组旋翼A、旋翼B和旋翼C、旋翼D扭转力矩的差异；

III、机器人飞行状态下，对空中物体进行抓持操作；

i)、机器人在飞行状态时，将双腿折叠；

ii)、爬壁大腿A、爬壁大腿B、爬壁小腿A、爬壁小腿B作为臂使用来抓持物体，此时，爬壁大腿A、爬壁大腿B变为大臂，爬壁小腿A、爬壁小腿B变为小臂，髋关节驱动电机A、髋关节驱动电机B和膝关节驱动电机A、膝关节驱动电机B同时带动各自髋关节和膝关节转动，将大臂和小臂张开；

iii)、膝关节驱动电机A、膝关节驱动电机B同时带动各自的膝关节转动，将物体紧密夹持于壁面行走轮A与壁面行走轮B之间，同时增加旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D的转速；

(二)、机器人从飞行状态转为爬壁状态的运动规划过程；

(1)机器人飞到离壁面较近的位置，让机器人主体保持水平，且双腿折起；

(2)机器人靠近壁面的膝关节驱动电机A顺时针转动，带动与之连接的爬壁小腿A向右下方运动，机器人主体逐渐向壁面倾斜；

机器人的爬壁髋关节驱动电机A顺时针转动，带动与之连接的爬壁小腿A向壁面运动，壁面行走轮A接触壁面；

(3)加大旋翼驱动电机B的转速，使得旋翼B转速增加，同时，膝关节驱动电机B逆时针方向旋转，使爬壁大腿B和爬壁小腿B位于一条直线，然后髋关节驱动电机B逆时针旋转，与旋翼B一起作用，将壁面行走轮B推至壁面上；

(三)、机器人在爬壁状态下的运动规划；

I、两轮接触壁面的方式沿壁面行走；

同时加大旋翼驱动电机A，旋翼驱动电机B，旋翼驱动电机C，旋翼驱动电机D的转速，使旋翼A、旋翼B、旋翼C，旋翼D推力矢量的竖直分量超过机器人重力，机器人向上行走；

通过同时调节两个膝关节与两个髋关节的转动角度增加机器人主体与壁面之间的倾斜角度；

同样，机器人向下行走时，由相反的途径得到，机器人在爬壁状态中左右行走时，通过控制旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D的转速，调整机器人主体的姿态角，使得旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D产生的总推力向左或向右；

II、用单轮交替接触壁面的方式向上行走；

i)、髋关节驱动电机B、膝关节驱动电机B逆时针方向旋转，带动壁面行走轮B所在的腿抬起脱离壁面，增加旋翼驱动电机A的转速，使得旋翼A的推力增加，降低旋翼驱动电机B的转速，使得旋翼B的推力减小，壁面行走轮A向上行走；

ii)、髋关节驱动电机B、膝关节驱动电机B顺时针方向旋转，使得壁面行走轮B所在的该条腿重新接触壁面；同时，降低旋翼驱动电机A转速，增加旋翼驱动电机B的转速，膝关节驱动电机A逆时针方向旋转，壁面行走轮A所在的该条腿脱离壁面，壁面行走轮B向上行走；

iii)、上述用单轮交替接触壁面的方式向上行走的步骤i)、步骤ii)中机器人就完成了爬壁状态下用单轮交替接触壁面的方式在壁面向上行走的一个周期，重复这样的周期，机器人即用单轮交替接触壁面的方式在壁面上向上行走，单轮交替接触壁面的方式向下行走时，各个部件的运动方向相反；

(四)、机器人在爬壁状态下跨越障碍物的运动规划；

I、位于上方的壁面行走轮B与壁面脱离，且腿抬到超过障碍物高度；

当遇到壁面障碍物时，髋关节驱动电机B与膝关节驱动电机B引导各自关节转动，使壁面行走轮B与壁面脱离接触，且抬到足够高度，使上方的腿不会碰到壁面障碍物；壁面行走轮A沿壁面向上行走，直到上方的腿完全越过壁面障碍物；

II、壁面行走轮B恢复接触壁面，下方腿抬起；

机器人一条腿越过壁面障碍物，其上的髋关节驱动电机B与膝关节驱动电机B引导各自关节转动，使壁面行走轮B与壁面恢复接触；髋关节驱动电机A与膝关节驱动电机A引导各自关节转动，壁面行走轮A与壁面脱离接触；壁面行走轮B继续沿壁面向上行走，直到位于下方的腿完全越过壁面障碍物；

III、壁面行走轮A恢复与壁面接触，越过壁面障碍物；

机器人的两个腿都越过壁面障碍物后，髋关节驱动电机A与膝关节驱动电机A引导各自关节转动，使壁面行走轮A与壁面恢复接触，即完成越障；

(五)、机器人从爬壁状态转为飞行状态的运动规划；

I、机器人静止稳定吸附于壁面上；

II、髋关节驱动电机B与膝关节驱动电机B逆时针方向旋转，带动壁面行走轮B脱离壁面，降低旋翼驱动电机B的转速，使得旋翼B的推力减小，增加旋翼驱动电机A的转速，使旋翼A的推力增加；

III、髋关节驱动电机A、膝关节驱动电机A顺时针方向旋转，减小旋翼驱动电机B转速，使旋翼B的推力减小，并适度增加旋翼驱动电机A的转速，使得旋翼A的推力增加；

髋关节驱动电机A与膝关节驱动电机A引导各自关节转动，使壁面行走轮A与壁面脱离接触，同时加大旋翼驱动电机A，旋翼驱动电机B，旋翼驱动电机C，旋翼驱动电机D的转速，使旋翼A、旋翼B、旋翼C、旋翼D产生的推力将机器人从壁面脱离；脱离后，机器人即折叠爬壁大腿A、爬壁大腿B与爬壁小腿A、爬壁小腿B，从而转入飞行状态。