六足四扑翼微型无尾飞爬一体机器人及其工作方法

本发明涉及仿生机器人，具体地，涉及一种六足四扑翼微型无尾飞爬一体机器人及其工作方法，尤其是一种仿生六足爬行与无尾四翅飞行以及飞爬两种运动模式转换的一体机器人及其工作方法。

背景技术：

1、六足四扑翼微型无尾飞爬一体机器人是模仿昆虫飞行方式与地面运动方式，依靠扑翼机构带动翅膀往复拍打产生升力以克服重力，依靠姿态控制系统产生控制机身姿态的控制力矩，依靠爬行机构实现地面爬行运动的机器人。相比于固定翼与旋翼机器人，扑翼机器人具备仿生程度高、尺寸微小、隐蔽性高、移动灵活，与爬行机器人相比，飞爬一体的运动模式改善了其越障能力。在民用和军用领域具备广泛的应用前景，受到了国内外的广泛关注。

2、国内对微型无尾扑翼飞行器与仿生飞爬一体机器人的研究起步较晚，目前大多数研究集中在升力理论与姿态控制方式上，对于无尾扑翼飞行器整机研究较少，目前能够实现的设计大多为有尾仿鸟飞行器，无法实现空中悬停；对于飞爬一体研究的大多为旋翼机与仿生腿的组合，功耗较高，噪声较大。本发明是设计一种仿生六足四扑翼微型无尾扑翼飞爬一体机器人：通过无尾扑翼方式实现六自由度自由控制与空中悬停，通过仿生六足爬行机构实现地面运动，并通过水平起飞的方式实现空中飞行与爬行模式的转换，可以通过两种运动模式的组合与转换延长机器人的工作时间，拓展机器人的运动范围。

3、目前主流仿生机器人主要有以下几种：

4、中国专利授权公告号cn113184170b，名称为一种扑翼飞行器，该扑翼飞行器使用翅膀产生推力，依靠尾部舵面产生控制力矩，依靠底部仿生弹跳装置实现跳跃运动。适合在较大空间内使用，无法悬停与六自由度灵活控制。

5、中国专利申请公布号cn115258152a，名称为一种四扑翼微型无尾飞行器及工作方法。公开了一种利用两侧扑翼传动部分产生升力，利用俯仰控制模块实现机身俯仰控制，利用偏航控制模块实现机身偏航控制，通过两侧扑翼频率差实现横滚控制，可以实现空中悬停，但无法实现地面运动。

6、中国专利授权公告号cn113548130b，名称为微型四足机器人，该爬行机器人依靠压电驱动四条仿生足，可以通过压电驱动器交流电压信号的协调配合实现机器人的爬行运动，可以在狭窄空间运动，但无法跨越较高的障碍物。

7、综上所述，现有的爬行机器人越障能力有限，灵活度不高，仿鸟扑翼飞行器无法在狭窄空间内悬停，无尾扑翼飞行机器人可以悬停但功耗较高，无法长时间执行任务。需要同时具备扑翼飞行与爬行能力且可在两种模式间灵活切换的仿生飞爬一体机器人。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种六足四扑翼微型无尾飞爬一体机器人及其工作方法。

2、根据本发明提供的六足四扑翼微型无尾飞爬一体机器人，包括扑翼机构、姿态控制机构、爬行机构以及机身组件；

3、所述机身组件的两侧分别设置有一组扑翼机构，所述扑翼机构能够以不同频率拍打，从而实现机器人飞行模式中绕y轴的旋转、y方向的平移、z方向的平移三个自由度的姿态控制；

4、所述姿态控制机构设置于机身组件顶部，且与所述扑翼机构链接，用于控制所述扑翼机构绕姿态控制机构所具有的y向转轴旋转，从而改变扑翼机构升力方向，实现机器人绕x轴的旋转、x方向的平移、绕z轴的旋转三个自由度的姿态控制；

5、所述爬行机构设置于机身组件底部，爬行机构用于实现机器人地面运动模式下前进、后退与转向控制。

6、优选地，所述一组扑翼机构包括一个扑动结构和一对柔性翅膀，所述扑动结构包括扑翼电机、减速齿轮组以及翅膀尾缘支架，所述柔性翅膀包括翅膀主脉与柔性翅膜；

7、所述柔性翅膜固定在翅膀主脉上，且一对柔性翅膜的尾缘均固定在所述翅膀尾缘支架上，所述扑翼电机通过减速齿轮组分别与一对翅膀主脉的一端传动连接，并用于控制两个翅膀主脉绕所述翅膀尾缘支架旋转，从而控制一对柔性翅膀作往复拍打运动。

8、优选地，所述的姿态控制机构包括控制舵机、转轴和姿态控制机构拉杆；

9、所述转轴的中部与机身组件相连，转轴的两端分别与两侧的扑翼机构相连，扑翼机构能够绕转轴转动；

10、所述控制舵机为两个，两个所述控制舵机分别与两侧的扑翼机构相连，用于控制两侧的扑翼机构绕转轴旋转，从而控制两侧扑翼机构的升力方向；

11、所述姿态控制机构拉杆的一端连接控制舵机输出轴上的舵机摇杆，姿态控制机构拉杆的另一端连接扑翼机构，用于将控制舵机的控制力矩传输到扑翼机构。

12、优选地，所述爬行机构包括支架、驱动电机、爬行机构连杆以及仿生腿；

13、所述驱动电机为两个，分别布置在所述支架的两侧，所述支架安装在机身组件的底部，所述爬行机构连杆包括第一爬行机构连杆和第二爬行机构连杆，两个爬行机构连杆均分别通过中部的旋转部与两个驱动电机连接，两个爬行机构连杆的两端均连接仿生腿；

14、所述仿生腿的数量为六条，每侧的爬行机构连杆上均设置有三条仿生腿，位于前、后的两个仿生腿的连接部的下孔与支架相连，连接部的上孔与爬行机构连杆相连；

15、中间仿生腿的连接部的下孔与驱动电机相连，连接部的上孔通过限位拉杆与支架相连；

16、位于前、后的两个仿生腿由所述驱动电机分别通过第一爬行机构连杆和第二爬行机构连杆驱动，中间仿生腿由所述驱动电机直接驱动。

17、优选地，所述的机身组件包括机身支架、测控单元、电池以及接触架，所述的机身支架用于支撑固定所述测控单元、电池以及接触架；

18、所述接触架的端部为燕尾状，用于吸收机器人着陆时的冲击力。

19、优选地，所述测控单元集成有控制器、遥控信号收发器、运动传感器、气压计、电子调速器、图传器件以及连线接口。

20、根据本发明提供的所述的六足四扑翼微型无尾飞爬一体机器人的工作方法，所述工作方法包括空中飞行六自由度运动方法、地面爬行运动方法以及飞爬运动转换方法。

21、优选地，所述空中飞行六自由度运动方法包括如下步骤：

22、z轴平移运动步骤：两侧扑翼机构以相同频率拍打，机器人受沿z轴向上的推力，通过调整拍打频率改变升力大小实现机器人在z轴方向的上下平移；

23、x轴转动及y轴平移运动步骤：两侧扑翼机构以不同的拍打频率拍打，机器人受x轴方向的转矩，使机器人绕x轴转动，并同时实现沿y轴方向的平移；

24、y轴转动及x轴平移运动步骤：两侧扑翼机构在姿态控制机构的驱动下向同一侧倾斜，使机器人受到的推力相对于机器人重心产生绕y轴方向的转矩，实现机器人绕y轴的旋转运动，并实现沿x轴方向的平移。

25、z轴转动步骤：两侧扑翼机构在姿态控制机构的驱动下向不同的方向倾斜，两个方向不同的倾斜推力使得机器人产生绕z轴转动的转向力矩，实现机器人绕z轴方向的转动。

26、优选地，所述地面爬行运动方法包括如下步骤：

27、前后运动步骤：两侧的仿生腿以相同的速度向前或向后运动，使机器人在地面前进或后退；

28、转向转弯步骤：两侧的仿生腿以不同的速度向前或向后运动，使机器人向速度更慢的一侧偏转；

29、原地转向步骤：两侧的仿生腿以相同的速度分别向前或向后运动，使机器人实现原地转向。

30、优选地，所述飞爬运动转换方法包括如下步骤：

31、爬行飞行运动转换步骤：采用水平起飞方式，爬行机构的六条仿生腿接触地面，机器人呈水平姿态，然后所述扑翼机构在姿态控制机构的驱动下，产生沿机身组件斜向上的推力，机身组件受扑翼机构推力的作用产生抬头力矩，机器人位于前端的仿生腿先离开地面，随后整体离开地面，进入飞行模式；

32、飞行爬行运动转换步骤：在飞行模式时，机器人呈垂直姿态，并向前向下运动，接近地面时，所述机身组件的接触架先与地面接触，机器人由于惯性继续向前运动，使得机器人向前倾倒，爬行机构触地，机器人呈水平姿态进入爬行模式。

33、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

34、1、本发明结构简单，操作方便，针对目前的仿生有尾扑翼飞行器无法悬停、续航时间短，地面爬行机器人通过性差、运动范围有限的问题，发明了一种既可以在地面利用六足爬行也可在空中利用四翅实现无尾六自由度飞行的飞爬一体机器人，利用水平起飞的方式实现爬行模式到飞行模式的快速转换。

35、2、本发明提供的飞爬一体机器人具备体型小、重量轻、功耗低、续航时间长的特点；可以利用扑翼冲程平面调节的姿态控制方式实现水平起飞与空中姿态调整，在飞行模式下可以在空中悬停并向任意方向飞行；在地面运动模式时可以利用两侧腿同向或差速运动实现前进、后退或转向，六足四扑翼微型无尾飞爬一体机器人的机动性好，运动方式切换灵活，具有广泛的应用前景。