本發(fā)明屬于無(wú)人機(jī)，尤其涉及一種仿生抓取與飛行一體化可變形無(wú)人機(jī)。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)空中操作無(wú)人機(jī)由無(wú)人機(jī)和機(jī)械臂兩個(gè)獨(dú)立平臺(tái)組合而成，既增加了整機(jī)的質(zhì)量，又顯著地增加了無(wú)人機(jī)的體積，不利于飛行續(xù)航和在狹窄空間內(nèi)操作。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，“一體化高度集成設(shè)計(jì)”是重要的解決方法，常規(guī)多自由度變形抓取結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器數(shù)量大幅增加、質(zhì)量增加、驅(qū)動(dòng)能效比降低等問(wèn)題，如何兼顧高自由度與更少驅(qū)動(dòng)器的新穎變形結(jié)構(gòu)也是需要突破的核心問(wèn)題。

2、針對(duì)多旋翼的抓取與運(yùn)輸這一問(wèn)題，研究者的普遍思路是增加額外機(jī)械手?！秌ondak?k,?huber?f,?schwarzbach?m,?et?al.?aerial?manipulation?robot?composedof?an?autonomous?helicopter?and?a?7?degrees?of?freedom?industrial?manipulator[c]//2014?ieee?international?conference?on?robotics?and?automation?(icra).ieee,?2014:?2107-2112.》在多旋翼上增加機(jī)械手機(jī)構(gòu)，操作機(jī)械臂可以抓取物體，但在末端效應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方面，大部分設(shè)計(jì)由于機(jī)械手的冗余，且機(jī)械手質(zhì)量產(chǎn)生的力矩的影響相當(dāng)大，因此空中機(jī)器人與機(jī)械手耦合的控制算法也變得復(fù)雜，并且增加了多旋翼的質(zhì)量?！秗oderick?w?r?t,?cutkosky?m?r,?lentink?d.?bird-inspired?dynamic?grasping?andperching?in?arboreal?environments[j].?science?robotics,?2021,?6(61):eabj7562.》受鳥類啟發(fā)，開(kāi)發(fā)了一套能夠動(dòng)態(tài)地棲息在復(fù)雜表面上和抓取不規(guī)則物體的仿生空中機(jī)器人，控制器采用姿態(tài)、開(kāi)環(huán)、閉環(huán)三者混合的方式，但是其本質(zhì)還是四旋翼與抓取機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單組合的產(chǎn)物，具有體積大，結(jié)構(gòu)冗余的缺陷?！秡hang?g,?he?y,?dai?b,?et?al.aerial?grasping?of?an?object?in?the?strong?wind:?robust?control?of?an?aerialmanipulator[j].?applied?sciences,?2019,?9(11):?2230.》研究了帶機(jī)械臂的空中操作機(jī)器人模型，將機(jī)械臂的操作視為對(duì)無(wú)人機(jī)控制的噪聲，使用魯棒控制器實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)高效抗干擾機(jī)械臂操作，但是其搭載平臺(tái)體積過(guò)于龐大，難以在小型空間應(yīng)用。

3、針對(duì)空中自主抓取等任務(wù)操作的輕量化、高能效與靈活性需求，第二種解決方案是利用四旋翼自身的可變機(jī)構(gòu)來(lái)抓取與運(yùn)輸，國(guó)內(nèi)外諸多機(jī)構(gòu)都在變結(jié)構(gòu)無(wú)人機(jī)方面做了研究。《zhao?m,?anzai?t,?shi?f,?et?al.?design,?modeling,?and?control?of?anaerial?robot?dragon:?a?dual-rotor-embedded?multilink?robot?with?the?abilityof?multi-degree-of-freedom?aerial?transformation[j].?ieee?robotics?andautomation?letters,?2018,?3(2):?1176-1183.》提出了一種多關(guān)節(jié)鉸接式串聯(lián)空中機(jī)器人，可在空中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且大幅度的形態(tài)變化，還提出一種在線推力級(jí)優(yōu)化方法以利用首尾端穩(wěn)定地抓取物體，該無(wú)人機(jī)具有較高的推力利用率、物理交互性能以及出色機(jī)動(dòng)性和靈活性，但是該平臺(tái)驅(qū)動(dòng)器高度冗余笨重，抓取控制極為復(fù)雜?！?falanga?d,?kleber?k,mintchev?s,?et?al.?the?foldable?drone:?a?morphing?quadrotor?that?can?squeezeand?fly[j].?ieee?robotics?and?automation?letters,?2018,?4(2):?209-216.》設(shè)計(jì)的可折疊四旋翼可利用自身變形，實(shí)現(xiàn)機(jī)臂對(duì)物體的抓取，但是由于抓取位置離機(jī)體重心較遠(yuǎn)，不利于飛行控制問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本技術(shù)實(shí)施例的目的是提供一種仿生抓取與飛行一體化可變形無(wú)人機(jī)。

2、本技術(shù)的技術(shù)方案如下：

3、一種仿生抓取與飛行一體化可變形無(wú)人機(jī)，包括第一仿手指模塊、第一仿手掌模塊、第二仿手指模塊和第二仿手掌模塊，各模塊下方均設(shè)置有一螺旋槳及相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器；

4、所述第一仿手指模塊與所述第一仿手掌模塊之間、所述第一仿手掌模塊與第二仿手掌模塊之間、所述第二仿手掌模塊與所述第二仿手指模塊之間均通過(guò)復(fù)合欠驅(qū)動(dòng)變形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)連接；

5、所述復(fù)合欠驅(qū)動(dòng)變形結(jié)構(gòu)通過(guò)線驅(qū)動(dòng)變形，包括被動(dòng)式伸縮機(jī)構(gòu)和被動(dòng)式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，所述被動(dòng)式伸縮機(jī)構(gòu)用于調(diào)整各模塊之間的距離，所述被動(dòng)式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于使仿手指模塊相對(duì)仿手掌模塊旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)仿生屈伸及抓取功能。

6、進(jìn)一步地，采用各模塊均勻分布的去中心化對(duì)稱構(gòu)型，所述第一仿手指模塊、第一仿手掌模塊與所述第二仿手指模塊、第二仿手掌模塊對(duì)稱設(shè)置。

7、進(jìn)一步地，所述被動(dòng)式伸縮機(jī)構(gòu)包括滑塊-滑軌組件和一個(gè)壓縮彈簧，通過(guò)滑塊在滑軌上滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)相鄰模塊的相對(duì)移動(dòng)，所述壓縮彈簧套裝在滑軌上。

8、進(jìn)一步地，所述滑塊-滑軌組件有兩組，壓縮彈簧套裝在其中一組滑塊-滑軌組件的滑軌上。

9、進(jìn)一步地，所述被動(dòng)式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括扭轉(zhuǎn)彈簧和圓周軸承，所述圓周軸承用于降低旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦力，所述扭轉(zhuǎn)彈簧用于提供旋轉(zhuǎn)后復(fù)原的驅(qū)動(dòng)力。

10、進(jìn)一步地，仿手指模塊均設(shè)置有一雙層結(jié)構(gòu)，該雙層結(jié)構(gòu)通過(guò)一螺栓與仿手指模塊可旋轉(zhuǎn)地連接，仿手指模塊與仿手掌模塊之間的所述被動(dòng)式伸縮機(jī)構(gòu)的一端固定在所述雙層結(jié)構(gòu)上，圓周軸承和扭轉(zhuǎn)彈簧套裝在所述螺栓上且二者之間通過(guò)雙層結(jié)構(gòu)的上層板分隔。

11、進(jìn)一步地，所述復(fù)合欠驅(qū)動(dòng)變形結(jié)構(gòu)采用單電機(jī)線驅(qū)動(dòng)變形的方式，具體為：在仿手指模塊的底板和對(duì)應(yīng)的雙層結(jié)構(gòu)的底板上分別設(shè)置定滑輪，在仿手掌模塊的底板上設(shè)置至少一個(gè)定滑輪，使用一根細(xì)繩的一端固定在一個(gè)仿手指模塊上，細(xì)繩的另一端按順序沿各定滑輪的凹槽方向纏繞并與另一個(gè)仿手指模塊上的伺服電機(jī)連接，通過(guò)伺服電機(jī)同時(shí)控制被動(dòng)式伸縮機(jī)構(gòu)和被動(dòng)式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

12、進(jìn)一步地，壓縮彈簧的彈簧系數(shù)小于扭轉(zhuǎn)彈簧的彈簧系數(shù)。

13、進(jìn)一步地，還包括鋰電池、電調(diào)和飛行控制板，所述鋰電池用于為電調(diào)、飛行控制板、驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)供電，所述飛行控制板用于根據(jù)需求發(fā)出控制指令，所述電調(diào)用于將控制指令轉(zhuǎn)化并發(fā)送至各驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)。

14、總結(jié)本技術(shù)如下：

15、1.提出了一種新型的仿生抓握與飛行一體化的變結(jié)構(gòu)無(wú)人機(jī)，可以主動(dòng)變形調(diào)整兩個(gè)維度尺寸；

16、2.提出了人手啟發(fā)的輕量式變結(jié)構(gòu)的無(wú)人機(jī)機(jī)械架構(gòu)，包含線驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、伸縮與扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等多種模型；

17、3.實(shí)現(xiàn)了空中抓取、空中棲息等多種功能應(yīng)用，例如可懸停棲息在樹(shù)干等環(huán)境中、可在不增加額外機(jī)械臂情況下抓取多種形狀的物體等。

18、本技術(shù)的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以包括以下有益效果：

19、由上述實(shí)施例可知，本技術(shù)受人手抓取方式和多自由度關(guān)節(jié)的生物學(xué)現(xiàn)象啟發(fā)，模仿人類的“手掌抓握”和“指尖夾持”等運(yùn)動(dòng)方式，從空中操作無(wú)人機(jī)小型化、集成化、多功能化等方面著手，設(shè)計(jì)高集成度、高適應(yīng)性、高穩(wěn)定性的仿生抓握與飛行一體化的變結(jié)構(gòu)無(wú)人機(jī)，避免了掛載機(jī)械臂用以空中物體操縱的無(wú)人機(jī)驅(qū)動(dòng)能效低的問(wèn)題；由主動(dòng)伸縮和被動(dòng)旋轉(zhuǎn)等多種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成高自由度欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，基于線驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的輕量式變結(jié)構(gòu)無(wú)人機(jī)構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)直線傳動(dòng)與圓周旋轉(zhuǎn)融合的欠驅(qū)動(dòng)變形結(jié)構(gòu)，提升無(wú)人機(jī)形態(tài)多樣性與自適應(yīng)性；研究在僅搭載單動(dòng)力源條件下多自由度主動(dòng)變形繩驅(qū)結(jié)構(gòu)，還使用了開(kāi)環(huán)仿生手構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)水平面上機(jī)身全尺寸動(dòng)態(tài)調(diào)整，動(dòng)態(tài)抓取多種形狀物體、復(fù)雜環(huán)境主動(dòng)棲息。

20、應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細(xì)節(jié)描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本技術(shù)。