[发明专利]基于微刺阵列和仿生干黏附材料的粗糙/光滑负表面无人机着陆机构

说明书

发明公开了一种基于微刺阵列和仿生干黏附材料的粗糙/光滑负表面无人机着陆机构，包括着陆支架、舵机、舵机臂、升降机构、一个粗糙着陆机构和四个光滑黏脱附机构；该着陆机构通过仿生干黏附材料与光滑负表面作用产生的黏附力，使旋翼无人机可着陆于光滑负表面；通过微刺阵列刺入粗糙负表面产生的抓附力，使旋翼无人机可着陆于粗糙负表面，以及可以使微刺阵列上下移动的升降机构，使旋翼无人机可由光滑负表面着陆状态切换到粗糙负表面着陆状态，由此使无人机可以着陆于粗糙和光滑负表面，避免悬停时消耗过多能量，减少无人机执行任务时的能耗，使无人机具有更大的活动空间和适应性更强的着陆能力，同时减少噪音，提高隐蔽性。

技术领域

本发明提供了一种基于微刺阵列和仿生干黏附材料的负表面无人机着陆机构及其着陆方法，属于无人飞行器技术领域。

背景技术

当前，无人机广泛应用于侦查、巡检、监控、拍照等领域，多旋翼无人机在执行任务时往往需要携带装备悬停在一个地方，悬停时需要保持较高的能耗，受到携带电源的限制，目前市场销售无人机的活动空间被限制在较小的范围内，续航时间也被限制在20分钟左右。与此同时，无人机着陆时需要相对平坦空旷的水平面，但是在城市中执行任务时，由于空间有限，难以短时寻找到合适的着陆地点。

现有的无人机负表面着陆方式可分为三种：仿生足黏附式、静电吸附式和微刺抓附式。仿生足黏附式着陆通过给无人机顶部装配仿生黏附材料，由无人机着陆时向上飞行的惯性和动力提供预压力，使黏附材料被压紧与负表面紧密接触，产生切向和法向的黏附作用力实现着陆，仅适用于光滑表面(如申请人前期专利ZL201910627348.6所公开)；微刺抓附式着陆方式由倾斜的微刺阵列刺入粗糙负表面实现着陆，仅适用于粗糙负表面(如申请人前期专利ZL202011488071.2所公开)；而静电吸附式着陆需要携带额外电源用于提供静电力，无人机携带大质量电源，消耗较多的能量，应用受到较大限制(参考文献“GrauleMA,Chirarattananon P,Fuller SB,et al.Perching and takeoff of a robotic insecton overhangs using switchable electrostatic adhesion.Science,2016,352,978.”)。

仿生干黏附材料来源于壁虎脚掌的启发，壁虎可以在负表面和垂直表面上爬行，是因为其脚掌表面的微纳米刚毛阵列与接触表面的近距离接触产生的范德华力。通过对壁虎脚掌微纳米刚毛阵列的研究，研制了与壁虎脚掌具有相同结构和功能的仿生干黏附材料(如申请人前期专利：ZL201310284325.2、ZL201711187845.6)。

自然界中也有很多动物能够在粗糙的垂直面甚至负表面爬行，它们利用的是足端钩爪钩附在粗糙表面上。中国专利ZL201810207532.0公开了可以在垂直墙面上和负表面上爬行的钩爪式爬壁机器人；中国专利ZL202011488071.2公开了可以在粗糙负表面着陆的基于微刺结构的飞行器，但这两种机构只能实现在粗糙的负表面上着陆，不适用于光滑负表面，有较大的局限性。

一般而言，材料表面可以凭借感官分为粗糙表面和光滑表面；肉眼可见看不出明显凸起的粗糙度较小的材料表面认为是光滑的，反之粗糙，通常认为瓷砖、玻璃、亚克力板等材料为表面光滑，树木、纸板、磨砂大理石面等材料为粗糙表面。无人机在实现光滑负表面着陆时，黏附材料需要和负表面达到面接触，接触面积较大，以便使黏附材料达到黏附力的作用范围并产生足够的黏附力；粗糙负表面着陆时，微刺阵列仅仅与负表面达到点接触即可，保持无人机的升力大于重力，随着微刺阵列向中心收拢，即可使微刺阵列刺入粗糙负表面实现着陆。

然而两种着陆模式之间的切换和互不干涉，由于微刺阵列和黏附材料着陆方式的差异性，使其分别只能适用于粗糙负表面和光滑负表面的着陆，这一现状严重影响了无人机的应用环境。因此，如何将两种着陆方式组合到一个机构上，使其同时具备光滑和粗糙负表面着陆能力，并可以根据不同的着陆条件灵活切换且不产生干涉，已成为本领域亟待解决的技术难题。

发明内容