空間快速機動布控子母式機器人、系統和方法
【專利摘要】本發明涉及一種空間快速機動布控子母式機器人、系統和方法，子母式機器人包括飛行器空間移動單元、至少一個的任務機動布控單元、設置在任務機動布控單元上的任務載荷以及與任務機動布控單元對應的可分離連接單元；布控系統包括上述子母式機器人和地面站。本發明能夠實現任務載荷在三維空間中的快速機動部署和回收，具有功耗低、體積小、噪聲低、成本低和易于隱蔽的優點，在公共安全、消防救災、森林防火以及現代農業等領域有著廣泛的應用前景。
【專利說明】
空間快速機動布控子母式機器人、系統和方法
技術領域
[0001]本發明涉及三維空間快速機動布控機器人技術，特別是一種空間快速機動布控子母式機器人、系統和方法。
【背景技術】
[0002]傳統的監控部署方案需要人工搭設腳手架，敷設電線將監控設備部署到指定的位置，這一過程需要相當長的部署時間，并且部署的位置往往有許多限制。在一些臨時性的監控部署場景中，允許的部署時間往往較短，因此需要新的空間機動布控系統和方法。
[0003]專利201420683770.6公開了一種全天候移動監控機器人，通過將監控系統固定在可以自由移動的機器人上，可以方便的通過無線控制機器人的移動，從而達到實時監控的目的。然而該機器人移動速度較慢，無法運動到天花板等三維空間位置，不具有分離、空間布控及回收能力，而且工作時間較短。
[0004]專利201110322551.6公開了一種空中飛行和全方位吸附微型機器人，通過吸附模塊使機器人在空中物體表面棲息吸附，該機器人不具備分離、空間布控及回收能力，而且體積較大，不利于隱蔽。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于解決三維空間監控裝置的快速機動部署和回收問題，提供一種空間快速機動布控子母式機器人、系統和方法。
[0006]實現本發明目的的技術方案為:一種空間快速機動布控子母式機器人，包括飛行器空間移動單元、至少一個的任務機動布控單元、設置在任務機動布控單元上的任務載荷以及與任務機動布控單元對應的可分離連接單元；
[0007]所述飛行器空間移動單元用于搭載任務機動布控單元和任務載荷；
[0008]所述可分離連接單元用于實現飛行器空間移動單元與任務機動布控單元的連接和分離；
[0009]所述任務機動布控單元包括吸附模塊、無線數據傳輸模塊和控制模塊，吸附模塊用于將任務機動布控單元和任務載荷固定在指定吸附位置，無線數據傳輸模塊用于將采集到的數據發送給地面站，控制模塊用于控制吸附模塊和無線數據傳輸模塊工作；
[0010]所述任務載荷用于采集數據并通過任務機動布控單元將采集到的數據實時發送給地面站。
[0011]—種空間快速機動布控系統，包括地面站、飛行器空間移動單元、至少一個的任務機動布控單元、設置在任務機動布控單元上的任務載荷以及與任務機動布控單元對應的可分離連接單元；
[0012]所述飛行器空間移動單元用于為空間快速機動布控子母式機器人提供三維空間的運動能力；
[0013]所述可分離連接單元用于實現任務機動布控單元和任務載荷的部署和回收；
[0014]所述任務機動布控單元包括吸附模塊、無線數據傳輸模塊和控制模塊，吸附模塊用于將任務機動布控單元和任務載荷固定在指定吸附位置，無線數據傳輸模塊用于將采集到的數據發送給地面站，控制模塊用于控制吸附模塊和無線數據傳輸模塊工作；
[0015]所述任務載荷用于采集待測數據并通過任務機動布控單元將采集到的數據實時發送給地面站；
[0016]地面站用于遠程控制任務機動布控單元，接收顯示并存儲任務載荷采集到的數據。
[0017]一種空間快速機動布控方法，包括部署過程和回收過程，部署過程包括:
[0018]飛行器空間移動單元攜帶任務機動布控單元及任務載荷飛行至指定位置區域；
[0019]任務機動布控單元吸附在指定位置表面；
[0020]吸附完成后，可分離連接單元分離，飛行器空間移動單元飛離指定位置區域，任務機動布控單元搭載任務載荷在指定位置工作；
[0021]回收過程包括:
[0022]飛行器空間移動單元飛行至指定位置區域；
[0023]飛行器空間移動單元通過可分離連接單元與任務機動布控單元對接；
[0024]任務機動布控單元解除吸附，飛行器空間移動單元攜任務機動布控單元及任務載荷返回。
[0025]本發明與現有技術相比，其顯著優點為:(I)本發明的空間快速機動布控子母式機器人能夠在多種應用場景下實現任務載荷的部署和回收，具有快速性和機動性，適合突發事件的應對，任務載荷的放置地點受到的限制條件較少，能夠在諸如天花板，高處墻壁，電線桿等地點執行任務；(2)本發明利用一個飛行器空中移動單元作為母單元即可實現任意數量個任務機動布控單元及任務載荷的部署和回收，節省了成本；(3)本發明通過可分離連接單元將任務機動布控單元及任務載荷布置在監控點，降低了體積、重量和功耗，提高了隱秘性，增加了機器人的工作時間。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明空間快速機動布控系統的結構示意圖。
[0027]圖2是本發明可分離連接單元的結構示意圖。
[0028]圖3是圖2中第一連接模塊結構示意圖。
[0029]圖4是圖2中第二連接模塊結構示意圖。
[0030]圖5是本發明任務機動布控單元及任務載荷的結構示意圖。
[0031]圖6(a)是飛行器空中移動單元攜帶任務機動布控單元及任務載荷在三維空間中運動示意圖，圖6(b)是任務機動布控單元的吸附模塊工作示意圖，圖6(c)是可分離連接單元分離示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0033]結合圖1，本發明的一種空間快速機動布控子母式機器人，包括飛行器空間移動單元1、至少一個的任務機動布控單元3、設置在任務機動布控單元3上的任務載荷4以及與任務機動布控單元3對應的可分離連接單元2;
[0034]所述飛行器空間移動單元I用于搭載任務機動布控單元3和任務載荷4;
[0035]所述可分離連接單元2用于實現飛行器空間移動單元I與任務機動布控單元3的連接和分離；
[0036]所述任務機動布控單元3包括吸附模塊、無線數據傳輸模塊和控制模塊，吸附模塊用于將任務機動布控單元3和任務載荷4固定在指定吸附位置，無線數據傳輸模塊用于將采集到的數據發送給地面站，控制模塊用于控制吸附模塊和無線數據傳輸模塊工作；
[0037]所述任務載荷4用于采集數據并通過任務機動布控單元3將采集到的數據實時發送給地面站。
[0038]結合圖2，所述可分離連接單元2包括第一連接模塊7和第二連接模塊6，所述第一連接模塊7設置在飛行器空間移動單元I上，第二連接模塊6設置在任務機動布控單元3上；所述可分離連接單元2具有兩個工作狀態，其第一工作狀態時第一連接模塊7和第二連接模塊6連接，其第二工作狀態時第一連接模塊7和第二連接模塊6分離。
[0039]所述可分離連接單元包還包括分離控制器8、執行機構16、mark點模塊14和視覺捕捉模塊15，所述mark點模塊14和視覺捕捉模塊15分別設置在第二連接模塊6和第一連接模塊7上，視覺捕捉模塊15通過mark點模塊14獲取第一連接模塊7相對于第二連接模塊6的姿態，所述執行機構設置16在第一連接模塊7和飛行器空間移動單元I之間，根據分離控制器8的指令控制第一連接模塊7與第二連接模塊6連接和分離。
[0040]結合圖3，第一連接模塊7包括圓錐形套筒17、抓手18和接觸開關20，所述抓手18設置在圓錐形套筒17外側，抓手18指端設置有抓手橡膠層19，所述接觸開關20設置在圓錐形套筒17內部，用于識別第二連接模塊是否完全卡入在套筒內；
[0041]結合圖4，所述第二連接模塊6包括圓錐體以及與圓錐體底部連接的等直徑圓柱體，所述圓錐體外周與圓錐形套筒17的內周配合，所述圓柱體外周設置有環形凹槽21，所述環形凹槽21與抓手橡膠層19配合，用于緊固第一連接模塊7和第二連接模塊6。
[0042]所述任務機動布控單元的吸附模塊10采用負壓吸附、靜電吸附、仿生吸附或機械抓取方式。
[0043]進一步的，所述任務機動布控單元3還包括運動模塊，所述運動模塊用于調整吸附模塊和任務載荷的姿態;本【具體實施方式】中運動模塊采用一軸云臺、二軸云臺或者多軸云臺；
[0044]本發明還提供一種空間快速機動布控系統，包括地面站5、飛行器空間移動單元1、至少一個的任務機動布控單元3、設置在任務機動布控單元3上的任務載荷4以及與任務機動布控單元3對應的可分離連接單元2;
[0045]所述飛行器空間移動單元I用于搭載任務機動布控單元3和任務載荷4;
[0046]所述可分離連接單元2用于實現飛行器空間移動單元I與任務機動布控單元3的連接和分離；
[0047]所述任務機動布控單元3包括吸附模塊、無線數據傳輸模塊和控制模塊，吸附模塊用于將任務機動布控單元3和任務載荷4固定在指定吸附位置，無線數據傳輸模塊用于將采集到的數據發送給地面站，控制模塊用于控制吸附模塊和無線數據傳輸模塊工作；
[0048]所述任務載荷4用于采集數據并通過任務機動布控單元3將采集到的數據實時發送給地面站5 ；
[0049]地面站5用于遠程控制任務機動布控單元，接收顯示并存儲任務載荷采集到的數據。
[0050]所述可分離連接單元2包括第一連接模塊7和第二連接模塊6，所述第一連接模塊7設置在飛行器空間移動單元I上，第二連接模塊6設置在任務機動布控單元3上;所述可分離連接單元2具有兩個工作狀態，其第一工作狀態時第一連接模塊7和第二連接模塊6連接，其第二工作狀態時第一連接模塊7和第二連接模塊6分離。所述可分離連接單元包還包括分離控制器8、執行機構16、mark點模塊14和視覺捕捉模塊15，所述mark點模塊14和視覺捕捉模塊15分別設置在第二連接模塊6和第一連接模塊7上，視覺捕捉模塊15通過mark點模塊14獲取第一連接模塊7相對于第二連接模塊6的姿態，所述執行機構設置16在第一連接模塊7和飛行器空間移動單元I之間，根據分離控制器8的指令控制第一連接模塊7與第二連接模塊6連接和分離。
[0051]第一連接模塊7包括圓錐形套筒17、抓手18和接觸開關20，所述抓手18設置在圓錐形套筒17外側，抓手18指端設置有抓手橡膠層19，所述接觸開關20設置在圓錐形套筒17內部，用于識別第二連接模塊是否完全卡入在套筒內；
[0052]所述第二連接模塊6包括圓錐體以及與圓錐體底部連接的等直徑圓柱體，所述圓錐體外周與圓錐形套筒17的內周配合，所述圓柱體外周設置有環形凹槽21，所述環形凹槽21與抓手橡膠層19配合，用于緊固第一連接模塊7和第二連接模塊6。
[0053]所述任務機動布控單元的吸附模塊10采用負壓吸附、靜電吸附、仿生吸附或機械抓取方式。
[0054]進一步的，所述任務機動布控單元3還包括運動模塊，所述運動模塊用于調整吸附模塊和任務載荷的姿態；
[0055]如圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)所示，本發明還提供一種空間快速機動布控方法，包括部署過程和回收過程，部署過程包括:
[0056]飛行器空間移動單元I攜帶任務機動布控單元3及任務載荷4飛行至指定位置區域；
[0057]任務機動布控單元3吸附在指定位置表面；
[0058]吸附完成后，可分離連接單元2分離，飛行器空間移動單元I飛離指定位置區域，任務機動布控單元3搭載任務載荷4在指定位置工作；
[0059]回收過程包括:
[0060]飛行器空間移動單元I飛行至指定位置區域；
[0061 ]飛行器空間移動單元I通過可分離連接單元2與任務機動布控單元3對接；
[0062]任務機動布控單元3解除吸附，飛行器空間移動單元I攜任務機動布控單元3及任務載荷4返回。
[0063]下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。
[0064]實施例
[0065]如圖1所示，本實施例的空間快速機動布控系統包括飛行器空中移動單元1、可分離連接單元2、任務機動布控單元3、任務載荷4和地面站5。
[0066]飛行器空中移動單元I為整套空間快速機動布控子母式機器人提供三維空間的運動能力，能夠使用多旋翼和直升機等飛行器，本實施例以四旋翼飛行器為例，機體上利用支桿剛性連接可分離連接單元2。
[0067]可分離連接單元2，如圖2所示，負責實現任務機動布控單元和任務載荷的分離和回收的過程，本實施例以卡扣實現方式為例實現鎖定和釋放，可分離連接單元2包括第一連接模塊7、第二連接模塊6、分離控制器8、執行機構16、Mark點模塊14和視覺捕捉模塊15。
[0068]第一連接模塊7，如圖3所示，包括圓錐形套筒17、抓手18和接觸開關20，所述抓手18設置在圓錐形套筒17外側，抓手18指端設置有抓手橡膠層19，所述接觸開關20設置在圓錐形套筒17內部，用于識別第二連接模塊是否完全卡入在套筒內。
[0069]第二連接模塊6，如圖4所示，包括圓錐體以及與圓錐體底部連接的等直徑圓柱體，所述圓錐體外周與圓錐形套筒17的內周配合，所述圓柱體外周設置有環形凹槽21，所述環形凹槽21與抓手橡膠層19配合，保證了第一連接模塊7和第二連接模塊6不會相對旋轉;連接時，圓錐體頂端伸入圓錐形套筒17內，接觸開關20感應到圓錐體頂端后，分離控制器控制抓手18動作，實現第一連接模塊7和第二連接模塊6連接。
[0070]Mark點模塊14上使用四個圓形led燈作為mark點，分布于圓環的O度，90度，180度，270度，通過一個支桿固定在第二連接模塊6上，其中一個led燈是紅色，另外三個是綠色，其亮度保證了視覺捕捉模塊15在較差的光照條件下也能夠觀測到mark點;執行機構16與抓手18連接，控制抓手閉合或張開。
[0071 ]如圖5所示，任務機動布控單元3包括任務機動布控單元本體9、吸附模塊10、電源13、控制模塊、運動模塊11和無線數據傳輸模塊12;
[0072]吸附模塊10，負責將任務機動布控單元3和任務載荷4固定在指定位置;本例采用負壓吸附方式，包括吸盤22、真空栗26以及吸附模塊支架23，所述真空栗26與吸盤22配合實現吸附，所述吸附模塊支架23設置在吸盤22下方，用于固定吸附角度。
[0073 ]本實施例中控制模塊采用嵌入式控制器，設置在任務機動布控單元本體9內部。
[0074]電源13，為任務機動布控單元3和任務載荷4提供能量。
[0075]運動模塊11采用二軸云臺，包括第一云臺舵機24和第二云臺舵機25，負責在吸附模塊進行吸附前，調整吸附模塊的姿態，使其能夠以合適的姿態接觸任務表面;并在任務載荷執行任務的過程中，調整任務載荷姿態。
[0076]無線數據傳輸模塊12，負責在多個任務機動布控單元間組成無線網絡，將采集到的數據發送回地面站5。
[0077]無線數據傳輸模塊12和電源13固定在任務機動布控單元本體9上，任務機動布控單元本體9通過運動模塊11與吸附模塊10連接。
[0078]任務載荷4，包括視覺傳感器、聲音傳感器、溫度傳感器以及濕度傳感器中一種或多種，任務載荷4通過支桿固定在任務機動布控單元本體9上。
[0079]地面站，能夠遠程控制運動模塊調整姿態，接收顯示任務載荷采集到的數據，同時進行存儲。
[0080]本發明的空間快速機動布控方法包括部署過程和回收過程，部署過程包括:I)飛行器空中移動單元I攜帶任務機動布控單元3及任務載荷4在地面站5的控制下飛行到指定位置附近;2)通過地面站調整運動模塊的云臺舵機，使得吸附模塊10以合適的姿態吸附在指定位置表面，吸附模塊10開始工作;3)當吸附模塊10的氣壓傳感器達到指定閾值之后，地面站5發出分1?命令，此時可分尚連接單兀的分禺控制器8控制執行機構16開始工作，帶動抓手18張開，可分離連接單元分離;4)地面站5控制飛行器空中移動單元I飛離;5)地面站5控制二軸云臺，將任務負荷調整到合適姿態開始工作，將采集的數據通過無線數據傳輸模塊12回傳至地面站5。
[0081]空間快速機動布控子母式機器人的回收過程是上述部署過程的逆過程，具體包括:I)飛行器空中移動單元I在地面站5的控制下飛行到指定位置附近;2)視覺捕捉模塊15視覺感知mark點模塊14上的mark點位置，計算得到第一連接模塊7相對于第二連接模塊6的姿態，控制二軸云臺調整姿態，使第一連接模塊7以合適的姿態朝向第二連接模塊6;飛行器空中移動單元I逐步靠近，第二連接模塊6的圓錐體完全嵌入第一連接模塊7的圓錐形套筒17中；接觸開關20檢測到圓錐體與圓錐形套筒17完全重合之后，可分離連接單元的分離控制器8驅動執行機構工作，抓手18與凹槽21接觸并貼合，此時可分離連接單元鎖定，完成對接任務;3)吸附模塊10停止工作;4)飛行器空中移動單元I攜帶著任務機動布控單元3和任務載荷4沿著規劃路徑返回。
[0082]本發明的空間快速機動布控子母式機器人是一種以飛行器空間移動單元為母載體和任務機動布控單元為子單元的裝置，能夠利用飛行器空間移動單元迅速機動到三維空間中的指定位置并通過任務機動布控單元進行任務載荷部署和回收;分離之后利用任務機動布控單元上的吸附模塊棲息在指定位置，實現了三維空間快速機動布控及分離和回收的能力，且功耗低、體積小，易于隱蔽和長時間工作，彌補了傳統裝置部署和回收時間長，部署位置受限的缺點。
【主權項】
1.一種空間快速機動布控子母式機器人，其特征在于，包括飛行器空間移動單元(I)、至少一個的任務機動布控單元(3)、設置在任務機動布控單元(3)上的任務載荷(4)以及與任務機動布控單元(3)對應的可分離連接單元(2); 所述飛行器空間移動單元(I)用于搭載任務機動布控單元(3)和任務載荷(4); 所述可分離連接單元(2)用于實現飛行器空間移動單元(I)與任務機動布控單元(3)的連接和分離； 所述任務機動布控單元(3)包括吸附模塊、無線數據傳輸模塊和控制模塊，吸附模塊用于將任務機動布控單元(3)和任務載荷(4)固定在指定吸附位置，無線數據傳輸模塊用于將采集到的數據發送給地面站，控制模塊用于控制吸附模塊和無線數據傳輸模塊工作； 所述任務載荷(4)用于采集數據并通過任務機動布控單元(3)將采集到的數據實時發送給地面站。2.根據權利要求1所述的空間快速機動布控子母式機器人，其特征在于，所述可分離連接單元(2)包括第一連接模塊(7)和第二連接模塊(6)，所述第一連接模塊(7)設置在飛行器空間移動單元(I)上，第二連接模塊(6)設置在任務機動布控單元(3)上;所述可分離連接單元(2)具有兩個工作狀態，其第一工作狀態時第一連接模塊(7)和第二連接模塊(6)連接，其第二工作狀態時第一連接模塊(7)和第二連接模塊(6)分離。3.根據權利要求2所述的空間快速機動布控子母式機器人，其特征在于，所述可分離連接單元包還包括分離控制器(8)、執行機構(16)、mark點模塊(14)和視覺捕捉模塊(15)，所述mark點模塊(14)和視覺捕捉模塊(15)分別設置在第二連接模塊(6)和第一連接模塊(7)上，視覺捕捉模塊(15)通過mark點模塊(14)獲取第一連接模塊(7)相對于第二連接模塊(6)的姿態，所述執行機構設置(16)在第一連接模塊(7)和飛行器空間移動單元(I)之間，根據分離控制器(8)的指令控制第一連接模塊(7)與第二連接模塊(6)連接和分離。4.根據權利要求3所述的空間快速機動布控子母式機器人，其特征在于，第一連接模塊(7)包括圓錐形套筒(17)、抓手(18)和接觸開關(20)，所述抓手(18)設置在圓錐形套筒(17)外側，抓手(18)指端設置有抓手橡膠層(19)，所述接觸開關(20)設置在圓錐形套筒(17)內部，用于識別第二連接模塊是否完全卡入在套筒內； 所述第二連接模塊(6)包括圓錐體以及與圓錐體底部連接的等直徑圓柱體，所述圓錐體外周與圓錐形套筒(17)的內周配合，所述圓柱體外周設置有環形凹槽(21)，所述環形凹槽(21)與抓手橡膠層(19)配合，用于緊固第一連接模塊(7)和第二連接模塊(6)。5.根據權利要求1所述的空間快速機動布控子母式機器人裝置，其特征在于，所述任務機動布控單元的吸附模塊采用負壓吸附、靜電吸附、仿生吸附或機械抓取方式。6.根據權利要求1所述的空間快速機動布控子母式機器人，其特征在于，所述任務機動布控單元(3)還包括運動模塊，所述運動模塊用于調整吸附模塊和任務載荷的姿態。7.—種基于權利要求1-6任意一項所述空間快速機動布控子母式機器人的空間快速機動布控系統，其特征在于，系統還包括地面站(5)，所述地面站(5)用于遠程控制任務機動布控單元，接收顯示并存儲任務載荷采集到的數據。8.—種基于權利要求1-6任意一項所述空間快速機動布控子母式機器人的空間快速機動布控方法，其特征在于，包括部署過程和回收過程，部署過程包括: 飛行器空間移動單元(I)攜帶任務機動布控單元(3)及任務載荷(4)飛行至指定位置區域； 任務機動布控單元(3)吸附在指定位置表面； 吸附完成后，可分離連接單元(2)分離，飛行器空間移動單元(I)飛離指定位置區域，任務機動布控單元(3)搭載任務載荷(4)在指定位置工作； 回收過程包括: 飛行器空間移動單元(I)飛行至指定位置區域； 飛行器空間移動單元(I)通過可分離連接單元(2)與任務機動布控單元(3)對接； 任務機動布控單元(3)解除吸附，飛行器空間移動單元(I)攜任務機動布控單元(3)及任務載荷(4)返回。
【文檔編號】B25J13/00GK105945903SQ201610290348
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月4日
【發明人】劉永, 黃呈偉, 劉衍, 曹幫二
【申請人】南京赫曼機器人自動化有限公司