本發(fā)明涉及機器人，更具體地，涉及一種旋翼飛行及磁輪爬行機器人。

背景技術(shù)：

1、隨著科技的不斷進步，檢測機器人已廣泛應用于建筑、橋梁、隧道、電力設施等檢測領(lǐng)域。傳統(tǒng)的檢測機器人通常只能在空中或壁面單一環(huán)境下工作，這限制了它們在復雜環(huán)境中的檢測能力?，F(xiàn)階段基于無人機的橋梁檢測技術(shù)存在一些缺陷，可操控性較弱，最為關(guān)鍵的是無法貼近橋梁底面和側(cè)面，致使病害辨識精度低下，也不能接近橋梁結(jié)構(gòu)的隱蔽部位，像支座等。爬行機器人可以較好地滿足接觸式檢測、近距離檢測的工作要求，還可以收集震動數(shù)據(jù)，具有能耗低、檢測精度高、能夠在狹窄的空間進行檢測的特點，目前爬壁機器人的吸附方式主要包括磁吸附、負壓吸附、仿生吸附等，但當壁面整潔度不佳、凹凸不平的時候，上述吸附方式可能會引發(fā)吸附失效，進而導致墜落等問題。

2、中國專利公開了一種飛行和爬行跨域多模機器人，機器人可以靈活迅速進行爬行模式與飛行模式的切換，具有在各種角度的工作平面起飛降落、飛越復雜障礙、抵達更廣泛的檢測地點、進行低能耗高精度檢測等能力。上述方案雖具有壁面爬行、飛行的能力，但由于構(gòu)型原因，面與面過渡時容易發(fā)生打滑或吸附失效；另一方面，上述方案采用的雙穩(wěn)態(tài)鉸鏈的連接方式，在空壁轉(zhuǎn)換過程效率低，此外，該方案俯仰角度的調(diào)節(jié)僅能通過其矢量旋翼模塊完成，存在調(diào)節(jié)模式單一、可調(diào)節(jié)角度小的缺點，難以適應在各方向平面起飛與降落的姿態(tài)調(diào)整需求；最后，在壁面爬行過渡的方式上，上述方案的控制需按步序手動操控，操作難度大，在實際應用中難以實現(xiàn)平滑過渡。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)難以實現(xiàn)空中和各相壁面之間的平滑過渡的不足，提供一種旋翼飛行及磁輪爬行機器人，能夠在懸停狀態(tài)下調(diào)節(jié)俯仰角，實現(xiàn)空中和各壁面之間的平滑跨域運動。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、提供一種旋翼飛行及磁輪爬行機器人，包括基座、折展傾轉(zhuǎn)旋翼模塊、前臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊、后臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊以及控制器；以所述基座為中心，所述基座的兩側(cè)分別安裝所述折展傾轉(zhuǎn)旋翼模塊，所述基座內(nèi)側(cè)分別與所述前臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊的一端和所述后臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊的一端鉸接，所述前臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊的另一端和所述后臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊的另一端均設有輪組；

4、所述折展傾轉(zhuǎn)旋翼模塊包括旋翼機構(gòu)、用于驅(qū)動旋翼機構(gòu)傾轉(zhuǎn)的傾轉(zhuǎn)機構(gòu)、用于實現(xiàn)旋翼機構(gòu)折展的折展組件；所述傾轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝在所述基座上，所述旋翼機構(gòu)通過第一安裝座與所述傾轉(zhuǎn)機構(gòu)的輸出端連接，所述旋翼機構(gòu)的一端與所述第一安裝座鉸接，所述折展組件分別與所述第一安裝座和所述旋翼機構(gòu)連接；

5、所述前臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊和所述后臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊均包括第二安裝座、輪臂擺轉(zhuǎn)伺服舵機、輪組驅(qū)動模塊、輪組以及用于實現(xiàn)磁吸附的旋轉(zhuǎn)磁陣列模塊；所述第二安裝座的一端與所述基座鉸接，所述第二安裝座的另一端安裝所述輪組；所述輪臂擺轉(zhuǎn)伺服舵機安裝于所述基座，所述輪臂擺轉(zhuǎn)伺服舵機的輸出端與所述第二安裝座連接，用于驅(qū)動所述第二安裝座相對所述基座擺轉(zhuǎn)；所述輪組驅(qū)動模塊安裝于所述第二安裝座，所述輪組驅(qū)動模塊的輸前臂出端與所述輪組連接，用于驅(qū)動所述輪組轉(zhuǎn)動；所述旋轉(zhuǎn)磁陣列模塊安裝于所述第二安裝座；所述控制器分別與所述旋翼機構(gòu)、傾轉(zhuǎn)機構(gòu)、輪臂擺轉(zhuǎn)伺服舵機、輪組驅(qū)動模塊、旋轉(zhuǎn)磁陣列模塊通信連接。

6、根據(jù)以上技術(shù)手段，本發(fā)明提供的一種旋翼飛行及磁輪爬行機器人，在爬行模式下，旋翼機構(gòu)停止轉(zhuǎn)動，在折展組件的作用下，旋翼機構(gòu)保持折疊狀態(tài)，前臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊和后臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊組成四輪異構(gòu)爬行底盤；前臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊和后臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊均可通過輪臂擺轉(zhuǎn)伺服舵機驅(qū)動第二安裝座相對基座擺轉(zhuǎn)，進而調(diào)節(jié)前后軸距和爬行底盤相對于飛行架構(gòu)的擺轉(zhuǎn)角度；機器人在飛行模式下，旋翼機構(gòu)啟動，利用旋翼機構(gòu)的旋翼推力驅(qū)動旋翼機構(gòu)相對基座展開，兩組折展傾轉(zhuǎn)旋翼模塊位于基座的兩側(cè)，組成橫列雙旋翼飛行構(gòu)型，通過傾轉(zhuǎn)機構(gòu)可以改變旋翼機構(gòu)相對基座的旋轉(zhuǎn)角度；在飛行模式下，可以通過前臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊和后臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊的擺轉(zhuǎn)實現(xiàn)基于變質(zhì)心的俯仰控制，能夠在懸停的狀態(tài)下調(diào)節(jié)俯仰角，實現(xiàn)空中和各相壁面之間平滑的跨域運動。

7、本發(fā)明提供的一種旋翼飛行及磁輪爬行機器人，具有飛行、爬行、空壁跨域的功能，具有在平面爬行和曲面爬行的能力以及面與面過度的能力；折展傾轉(zhuǎn)旋翼模塊配合前臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊和后臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊改變俯仰角度，使機器人能夠平滑的過度壁面爬行-吸脫起飛-飛行-降落復吸-壁面爬行的跨域運動，能夠?qū)崿F(xiàn)跨越復雜障礙；在旋轉(zhuǎn)磁陣列模塊的作用下，機器人可以穩(wěn)定吸附于倒立面、豎直面、水平面、傾斜面；通過改變前臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊和后臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊之間的夾角，可以實現(xiàn)對物體的夾持功能。

8、進一步地，所述旋翼機構(gòu)包括保護架、螺旋槳、用于驅(qū)動所述螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力的第一驅(qū)動電機以及連接臂；所述第一驅(qū)動電機安裝于所述保護架，所述第一驅(qū)動電機的輸出端與所述螺旋槳連接，所述螺旋槳位于所述保護架內(nèi)；所述連接臂的一端與所述保護架固定連接，另一端與所述第一安裝座鉸接。第一驅(qū)動電機驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)，通過螺旋槳的旋轉(zhuǎn)提供矢量推力，旋翼機構(gòu)通過連接臂與第一安裝座鉸接，在折展組件和螺旋槳的推力作用下，實現(xiàn)旋翼機構(gòu)的展開和折疊；傾轉(zhuǎn)機構(gòu)的輸出端與第一安裝座連接，驅(qū)動第一安裝座旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)旋翼機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)。旋翼機構(gòu)在近地面或壁面時，由于地面效應產(chǎn)生的下洗氣流，通過螺旋槳保護架的鏤空處理，減小對模塊上部下洗氣流的阻塞面積，降低氣流的下洗負載，提升機器人在近地面或近壁面的升力系數(shù)，增強其在這些區(qū)域的飛行性能。

9、進一步地，所述折展組件包括拉簧，所述拉簧的一端與所述連接臂連接，另一端與所述第一安裝座連接；當所述第一驅(qū)動電機啟動，驅(qū)動所述螺旋槳旋轉(zhuǎn)，在所述螺旋槳升力作用下，所述旋翼機構(gòu)相對所述基座保持展開狀態(tài)；當所述第一驅(qū)動電機停轉(zhuǎn)，所述旋翼機構(gòu)在所述拉簧的作用下，相對所述基座保持折疊狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)在折疊狀態(tài)下，拉簧處于原始狀態(tài)，在展開狀態(tài)下，拉簧處于拉伸狀態(tài)；螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力，從而驅(qū)動旋翼機構(gòu)展開，拉簧被拉伸，此時螺旋槳的推力大于拉簧的彈性恢復力，使得旋翼機構(gòu)能夠保持在展開狀態(tài)；當螺旋槳停止轉(zhuǎn)動，在拉簧的彈性恢復力作用下，拉動旋翼機構(gòu)折疊。

10、進一步地，所述傾轉(zhuǎn)機構(gòu)包括傾轉(zhuǎn)伺服舵機、第三安裝座；所述第三安裝座安裝于所述基座，所述傾轉(zhuǎn)伺服舵機安裝于所述第三安裝座，所述傾轉(zhuǎn)伺服舵機的輸出端與所述第一安裝座連接，驅(qū)動所述第一安裝座旋轉(zhuǎn)；所述傾轉(zhuǎn)伺服舵機與所述控制器通信連接。傾轉(zhuǎn)伺服舵機的輸出軸與第三安裝座連接，傾轉(zhuǎn)伺服舵機啟動，帶動第三安裝座旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)改變旋翼機構(gòu)的相對基座的傾轉(zhuǎn)角度。

11、進一步地，所述輪組驅(qū)動模塊包括第二驅(qū)動電機、輸出齒輪以及減速齒輪組，所述第二驅(qū)動電機安裝于所述第二安裝座，所述輸出齒輪與所述第二驅(qū)動電機的輸出軸連接，所述輸出齒輪與所述減速齒輪組的輸入端嚙合，所述減速齒輪組的輸出端的轉(zhuǎn)軸與所述輪組連接；所述第二驅(qū)動電機與所述控制器通信連接。車輪動力系統(tǒng)采用偏置輸出的減速器方案。單個模塊可使用雙輪差速控制，通過調(diào)節(jié)兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速差來實現(xiàn)精準的轉(zhuǎn)向和定位。

12、進一步地，所述輪組驅(qū)動模塊設有兩組，所述輪組至少包括兩個轉(zhuǎn)輪，兩個所述轉(zhuǎn)輪分別轉(zhuǎn)動安裝于所述第二安裝座的兩側(cè)，兩組所述輪組驅(qū)動模塊分別位于所述第二安裝座的兩側(cè)，一一對應連接一個所述轉(zhuǎn)輪。

13、進一步地，所述旋轉(zhuǎn)磁陣列模塊包括磁陣列伺服舵機、圓弧形結(jié)構(gòu)的磁陣列組件、側(cè)封板以及擴展軸；所述磁陣列伺服舵機安裝在第二安裝座，所述磁陣列組件的兩側(cè)分別與一側(cè)封板的一端連接；所述側(cè)封板的另一端通過轉(zhuǎn)軸與所述磁陣列伺服舵機的輸出端連接；在所述磁陣列組件內(nèi)安裝有多個磁鐵，多個所述磁鐵按照海爾貝克陣列規(guī)則的充磁方向安裝，且所述前臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊的磁陣列組件的充磁安裝方向與所述后臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊的磁陣列組件的充磁安裝方向相反；所述磁陣列伺服舵機與所述控制器通信連接；所述轉(zhuǎn)軸的兩端分別連接一根所述擴展軸，兩根所述擴展軸的另一端均分別與所述轉(zhuǎn)輪同軸轉(zhuǎn)動安裝；所述磁陣列組件的半徑小于轉(zhuǎn)輪的半徑，以使所述磁陣列組件與待吸附平面之間留有間隙。磁陣列組件基于旋轉(zhuǎn)磁體變磁力的原理，每個方向使用一排3個磁鐵單元，通過磁陣列伺服舵機驅(qū)動改變整個海爾貝克陣列與壁面結(jié)構(gòu)之間的相對角度進而控制吸附力的大小或方向。磁陣列伺服舵機直接驅(qū)動磁陣列組件轉(zhuǎn)動，從而改變磁吸力的大小，直接驅(qū)動的方式，可以提供更高的控制精度和更快的變磁響應速度，使得機器人在空-壁跨域時能夠更加容易控制脫落和吸附壁面，提高壁面吸附的控制效率。

14、進一步地，所述旋轉(zhuǎn)磁陣列模塊還包括傳感固定座和多個紅外激光傳感器，所述傳感固定座安裝于磁陣列組件的兩側(cè)，且與所述轉(zhuǎn)軸連接，與所述磁陣列組件同軸轉(zhuǎn)動；多個所述紅外激光傳感器沿著所述傳感固定座轉(zhuǎn)動方向、周向間隔設置；所述紅外激光傳感器與所述控制器通信連接。傳感固定座為柱形結(jié)構(gòu)，在磁陣列組件的兩側(cè)分別設置一個傳感固定座，且與磁陣列同軸安裝、轉(zhuǎn)動，位于轉(zhuǎn)輪與磁陣列模塊之間，通過感知外側(cè)的距離信息識別車輪與壁面的交互狀態(tài)，為機器人應對不同的特殊結(jié)構(gòu)過渡提供控制決策依據(jù)。紅外激光傳感器陣列根據(jù)反饋的距離信息，判斷過渡類型并自主使用相應的過渡策略，實現(xiàn)無需手動操控的觸發(fā)式自主過渡，使過渡過程連續(xù)且穩(wěn)定。

15、進一步地，所述前臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊的輪臂擺轉(zhuǎn)伺服舵機與所述后臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊的輪臂擺轉(zhuǎn)伺服舵機分別位于基座的兩側(cè)，且兩個所述輪臂擺轉(zhuǎn)電機的輸出端同軸設置，所述前臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊的第二安裝座與所述后臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊的第二安裝座同軸安裝，且在兩個所述輪臂擺轉(zhuǎn)電機的輸出端之間設有抗彎扭對頂模塊；所述后臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊的輪組為全向輪。通過橡膠輪或全向輪的配置分為前臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊和后臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊，配置橡膠輪的前臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊承擔主要的轉(zhuǎn)向動力。后臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊主要起到直行和特殊結(jié)構(gòu)過渡時的動力互補作用。

16、進一步地，在所述基座上還設有用于機器人狀態(tài)提示與機器人外部擴展連接的led狀態(tài)顯示及擴展接口；所述led狀態(tài)顯示及擴展接口包括外殼、彈簧座、內(nèi)環(huán)套、led燈座以及滾珠；所述彈簧座的內(nèi)圈槽徑向安裝有彈簧，并與所述內(nèi)環(huán)套的外圈連接；所述內(nèi)環(huán)套的一端與所述基座連接；所述外殼套設在所述內(nèi)環(huán)套外，所述滾珠嵌入在所述內(nèi)環(huán)套外圈與所述外殼內(nèi)圈之間；所述led燈座安裝在所述內(nèi)環(huán)套的另一端，在所述led燈座上安裝有l(wèi)ed燈。

17、led狀態(tài)顯示及擴展接口固定于基座下板的下方，基座下板上方通過四根鋁柱連接基座上板，基座上板與基座下板之間的空間用于放置機器人主控及各模塊pcb電路板；臥式主支撐座中間凹槽從下方與基座上板配合，兩端分別與立式支撐座固定，立式支撐座分別與鋁柱套支撐座、輪臂伺服舵機固定；抗彎扭對頂模塊通過兩側(cè)的溝槽嵌入凸出的四顆螺帽位置，防止機器人兩側(cè)的結(jié)構(gòu)在旋翼展開狀態(tài)發(fā)生彎曲變形。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

19、本發(fā)明的旋翼飛行及磁輪爬行機器人，具有飛行、爬行、空壁跨域的功能，具有在平面爬行和曲面爬行的能力以及面與面過度的能力；折展傾轉(zhuǎn)旋翼模塊配合前臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊和后臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊改變俯仰角度，使機器人能夠平滑的過度壁面爬行-吸脫起飛-飛行-降落復吸-壁面爬行的跨域運動，能夠?qū)崿F(xiàn)跨越復雜障礙；在旋轉(zhuǎn)磁陣列模塊的作用下，機器人可以穩(wěn)定吸附于倒立面、豎直面、水平面、傾斜面；通過改變前臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊和后臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊之間的夾角，可以實現(xiàn)對物體的夾持功能；在飛行模式下，可以通過前臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊和后臂擺轉(zhuǎn)輪組模塊的擺轉(zhuǎn)實現(xiàn)基于變質(zhì)心的俯仰控制，能夠在懸停的狀態(tài)下調(diào)節(jié)俯仰角，實現(xiàn)空中和各相壁面之間平滑的跨域運動。