CN105014687A - 一种带有多旋翼无人机的机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有多旋翼无人机的机械臂，它涉及一种机械臂。它包括机械臂和多旋翼无人机，机械臂连接在多旋翼无人机下方，机械臂由大臂、小臂和夹持器组成，大臂的上方与主框架相连，大臂的下方通过水平轴与小臂的上端连接，小臂的下端与夹持器连接，多旋翼无人机的外部结构包括八个螺旋桨、十字架转轴、八个第一无刷电机和无人机基座，无人机基座上交叉安装有十字架转轴，十字架转轴的轴末上、下端分别对称安装有第一无刷电机，第一无刷电机与对应的螺旋桨直连。本发明解决机械臂无法自由的在高空运作的问题，安全性高，稳定性强，精确度高，灵活性强，易于推广使用。

Description

一种带有多旋翼无人机的机械臂

技术领域

本发明涉及一种机械臂，具体涉及一种带有多旋翼无人机的机械臂。

背景技术

机械臂广泛应用于半导体制造、工业、医疗、军事以及太空探索领域，机械臂能够接受指令，精确地定位到三维空间上的某一点进行作业；在现有技术中，多旋翼无人机是一种利用前飞时的相对气流吹动旋翼自转以产生升力的旋翼航空器，它的前进力由发动机带动螺旋桨直接提供；目前国内外机械臂的高空作业无法自由运作且操作繁琐，机械臂就只能在平板或某个特定范围内执行任务，不能在多个环境内进行作业，并且只能被动的接受任务，如果能够将旋翼机运用于机械臂的运行，则可以进一步的提高机械臂操控的自由度，极大限度的发挥机械臂的作用。

中国发明专利申请公开说明书CN201010538116公开了一种可以进一步增强旋翼机飞行稳定性的旋翼机旋翼头结构，该设计结构复杂，对机体性能要求很高；中国发明专利申请公开说明书CN201010264122公开了一种机器人技术领域的移动机械臂，虽然在一定程度上提高了机械臂运作的空间，但也仅仅实验在二维平面内的自由操控；中国发明专利申请公开说明书CN201210432637公开了一种智能机械臂，灵活性强，智能化程度高，能完成各种旋转或升高动作，操作简单，效率高，但它无法自由地到达空间内的任意一点，且受到场地的限制；中国发明专利说明书CN201020163658公开了一种属于自动控制领域的四旋翼飞行抓捕手，该发明通过四旋翼飞行与地面站控制之间的无线信号连接，以达到控制四旋翼飞行抓捕手在空中的飞行的目的，但其在使用的时候必须由地面控制系统进行操控；中国发明专利说明书CN201320135704公开了一种空中辅助智能救援系统，该救援系统同样采用了多旋翼飞行机与机械臂的方式，但是其机械臂只有一个自由度，只能抓取位于其正下方的物体。

为了解决上述问题，克服已有系统的缺陷，设计一种适用范围广泛、带有多旋翼无人机的机械臂是目前研究的重点。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种带有多旋翼无人机的机械臂，结构简单，设计合理，解决机械臂无法自由的在高空运作的问题，安全性高，稳定性强，精确度高，灵活性强，易于推广使用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：包括机械臂和多旋翼无人机两大部分，上述多旋翼无人机又可以分为外部结构和内部结构两大部分：多旋翼无人机的外部结构包括八个螺旋桨、十字架转轴、八个无刷电机和无人机基座，无人机基座上交叉安装有十字架转轴，十字架转轴的轴末上、下端分别对称安有第一无刷电机，十字架转轴中的间部分放置飞行控制计算机和外部设备；第一无刷电机与对应的螺旋桨直连，螺旋桨为整个旋翼机械臂提供升力，保持平衡，每个电机都由飞行控制器的电调单独控制，十字形的布局允许飞行器通过改变电机的转速来改变旋转机身获得的力，从而调整自身姿态和各种动作；多旋翼无人机的机体采用碳纤维材质，避免了金属材料易产生金属疲劳、不耐腐蚀的缺点，且密度小、质量轻、硬度大。

上述多旋翼无人机的内部结构包括飞控系统、电调和电源：飞控系统包括AHRS模块、空压计、AD芯片、处理器、GPS以及用于监视电调输出PWM信号的ppm解码器芯片，AHRS模块由三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计组成，AHRS模块通过AD芯片与处理器连接，AHRS模块通过三轴陀螺仪可以得到旋翼机当前偏转角度，通过三轴加速度计可以得到旋翼机当前速度变化量，通过三轴磁力计可以得到多旋翼无人机当前飞行方向，从而计算出飞行器目前相对地面的姿态以及加速度、角速度，然后输出俯仰，滚转，旋转角度给飞行控制器；空压计接AD芯片，AD芯片、GPS均与处理器连接，通过GPS和空压计可以得到旋翼机当前的所处的经纬度以及当前飞行高度，处理器接电调，电调接第一无刷电机，AD芯片将AHRS模块、空压计和GPS输出的模拟电压转换成数字量，再经由处理器进行集中处理，处理器通过算法计算出保持运动状态时所需的旋转力和升力并传送给电调，可接收处理器控制的控制信号，并输出数据给第一无刷电机。

电调接收来自处理器的信号，向第一无刷电机传送不同的电压，达到控速的目的，保持飞行器的稳定飞行。第一无刷电机接受来自电调的pwm信号和电源驱动螺旋桨转动，提供整个飞行器的升力。所述的三轴陀螺仪采用陀螺仪L3G4200D，三轴磁力计采用磁力计HMC5883，空压计采用空压计BMP085，AD芯片采用型号为ADS7844的芯片，处理器采用型号为Atmega2560的处理器，ppm解码器芯片采用解码器Atmega328。

电源模块分为飞控电源和机械臂电源两部分，飞控电源和机械臂电源两者相互独立，互不干扰，为了防止机械臂上的伺服电机用电过度，飞控得到的电力不足，致使飞机坠落，将它们分开。

上述机械臂由内部结构和外部结构组成：机械臂外部结构由大臂、小臂和夹持器组成：大臂上方通过第二无刷电机连接主框架，大臂的旋转角度为0-360°，多旋翼无人机与机械臂的连接架为圆盘状，保证机械臂的水平360度旋转，机械臂的驱动方式为机械臂伺服电机驱动，机械臂大臂可自由旋转，沿水平方向360度旋转，大臂下方内置有一个第三无刷电机，通过水平轴与小臂的上端连接。大臂与小臂连接，可按小臂方向灵活转动，沿水平方向360度旋转；所述小臂的下端与夹持器连接；矩形小臂上端通过第三无刷电机连接大臂的一端，小臂的旋转角度为0-180°小臂末端上安装有第四无刷电机与夹持器相连接；小臂上带有第四无刷电机和该电机所驱动的夹持器，夹持器与小臂以单轴相连；夹持器由仿真机械手组成，仿真机械手由齿轮控制的多个支臂构成，仿真机械手的抓取端设置有锯齿，可夹持起任何物体。

机械臂内部结构包括机械臂控制器、机械臂伺服电机、光电编码器和机械臂电源：机械臂控制器接机械臂伺服电机，机械臂伺服电机通过光电编码器反馈连接至机械臂控制器，机械臂控制器采用单片机AT89C51；光电编码器反馈连接至机械臂控制器，光电编码器精密测量仪器的轴系转动角度，并把反馈动作的脉冲信号给机械臂控制器；机械臂伺服电机分别与大臂、小臂和夹持器连接，从机械臂控制器接受并处理脉冲信号，发出pwn信号控制电机，以控制大臂、小臂以及夹持器运作；机械臂电源分别接机械臂控制器、机械臂伺服电机。

本发明具有以下有益效果：(1)稳定性强。采用程序分别控制八个螺旋桨的方式，使本发明在飞行过程中能够自发地控制各个螺旋桨的转速，以保障在机械臂自由运作状态下机体的平衡。

(2)灵活性强。通过旋翼与机械臂的合理结合与协调，实现了机械臂在三维空间内的运作，极大地拓展了机械臂运作的工作空间。

(3)安全性高。采用手动或自动的操作方式，控制多旋翼无人机起飞并利用处理器控制多旋翼无人机按照既定的计划到达工作区间，该操作方式确保了人和工作物体间的安全距离，保障了操控人员的安全。

(4)强机械臂有三个自由度，可以自由地抓取以其为中心一定范围的三维空间内的任意一个方位的物体。

(5)智能化程度高。自带图像识别系统，图像识别系统通过运行程序以达到识别目标物体的目的，相对来说更加智能化，更加节省人力物力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明多旋翼无人机飞控系统的结构框图；

图3为本发明机械臂电控系统的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-3所示，本发明实施例提供了一种带有多旋翼无人机的机械臂，包括机械臂和多旋翼无人机，机械臂连接在多旋翼无人机下方，多旋翼无人机的机体采用碳纤维材质，避免了金属材料易产生金属疲劳，不耐腐蚀的缺点，且密度小、质量轻、硬度大，机械臂由大臂1、小臂2和夹持器3组成，大臂1的上方与主框架相连，大臂1的旋转角度为0-360°，大臂1的下方通过水平轴与小臂2的上端连接，小臂2的下端与夹持器3连接。

值得注意的是，所述多旋翼无人机的外部结构包括八个螺旋桨4、十字架转轴5、八个第一无刷电机6和无人机基座7，无人机基座7上交叉安装有十字架转轴5，十字形的布局允许多旋翼无人机通过改变电机转速获得旋转机身的力，从而调整自身姿态和各种动作，使飞行更加稳定，十字架转轴5的轴末上、下端分别对称安装有第一无刷电机6，第一无刷电机6与对应的螺旋桨4直连，螺旋桨4为整个旋翼机械臂提供升力，保持平衡，十字架转轴中间的部分装置飞行控制计算机和外部设备，每个电机都由飞行控制器的电调单独控制，十字形的布局允许飞行器通过改变电机的转速来改变旋转机身获得的力，从而调整自身姿态和各种动作；无人机基座7的下端接有第二无刷电机8，第二无刷电机8的另一端连接大臂1，给所述大臂1提供绕中心旋转的动力，使所述机械臂可以在水平空间中任意一个角度进行移动，使用时更加灵活方便，大臂1末端内置有一个第三无刷电机9，第三无刷电机9露出大臂1的一端与矩形状的小臂2连接，第三无刷电机9产生的电能带动所述小臂2灵活的在竖直方向上下摆动，小臂2末端与夹持器3之间安装有第四无刷电机10，小臂2连接并带动所述夹持器3转动夹取实物。

多旋翼无人机与机械臂的连接架为圆盘状，保证机械臂的水平360度旋转，机械臂一共具有三个独立的运动关节，连同末端夹持器3的运动关节，一共需要四个动力源，机械臂的驱动方式为机械臂伺服电机21驱动，机械臂大臂1可自由旋转，沿水平方向360度旋转，大臂1与小臂2连接，可按小臂方向灵活转动，沿水平方向360度旋转，且小臂2上带有第四无刷电机10和该电机所驱动的夹持器3，夹持器3与小臂2以单轴相连，夹持器3由仿真机械手组成，仿真机械手由齿轮控制的多个支臂构成，仿真机械手的抓取端设置有锯齿，可加持起任何物体，使夹持器3与物体接触面积变大，摩擦越大抓取物体越稳定。

值得注意的是，所述多旋翼无人机的内部结构包括飞控系统、电调11和无人机电源，无人机电源用于控制电源电流，为所述多旋翼无人机其他部分提供电能，飞控系统对一切飞行控制信号进行集中处理，把获取到的信号转化成控制所述多旋翼无人机，飞控系统包括AHRS模块、空压计16、AD芯片17、处理器18、GPS19和用于监视电调11输出PWM信号的ppm解码器芯片12，AHRS模块由三轴陀螺仪13、三轴加速度计14、三轴磁力计15组成，AHRS模块通过AD芯片17与处理器18连接，AHRS模块通过三轴陀螺仪13可以得到旋翼机当前偏转角度，通过三轴加速度计14可以得到旋翼机当前速度变化量，通过三轴磁力计15可以得到多旋翼无人机当前飞行方向，从而计算出飞行器目前相对地面的姿态以及加速度、角速度，然后输出俯仰，滚转，旋转角度给飞行控制器，空压计16接AD芯片17，AD芯片17、GPS19均与处理器18连接，通过GPS19和空压计16可以得到旋翼机当前的所处的经纬度以及当前飞行高度，处理器18接电调11，电调11接第一无刷电机6，AD芯片17将AHRS模块、空压计16和GPS19输出的模拟电压转换成数字量，再经由处理器18进行集中处理，处理器18通过算法计算出保持运动状态时所需的旋转力和升力并传送给电调11，电调11可接收处理器18控制的控制信号，处理器18通过算法计算保持运动状态时所需的旋转力和升力，通过电压对所述第一无刷电机6进行调速以保证电机输出合适的力，第一无刷电机6接受来自所述电调11的调节信号，驱动螺旋桨4飞行，提供整个飞行器的升力。

值得注意的是，所述的电调11接收来自处理器18的信号，向第一无刷电机6传送不同的电压，达到控速的目的，保持飞行器的稳定飞行，第一无刷电机6接受来自电调的pwm信号，并通过ppm解码器芯片12对监视模式通道的pwm信号的监测，来提高系统安全，带动螺旋桨4转动，提供整个飞行器的升力；所述的三轴陀螺仪13采用陀螺仪L3G4200D，三轴陀螺仪13在所述多旋翼机械臂系统飞行时测定六个方向的位置、移动轨迹、加速、用于测量当前偏转角度；三轴加速度计14用于测量所述多旋翼机械臂系统当前三轴旋转速度变化量；三轴磁力计15采用磁力计HMC5883，用于测量磁力在所述多旋翼机械臂系统当前飞行方向上的三轴分量；空压计16采用空压计BMP085，通过测量大气压力和环境温度以较高的精度计算所述多旋翼机械臂系统当前的飞行高度；AD芯片17采用型号为ADS7844的芯片，AD芯片17将AHRS模块、空压计16输入的模拟电压转换成数字量输出，便于所述处理器18的控制；处理器18采用型号为Atmega2560的处理器，对一切飞行信号进行集中处理，根据指令，产生相应的操作控制信号，并传递给相应的执行系统，从而根据指令要求完成动作；GPS19由获取到的信号中计算出所述多旋翼无人机目前相对地面的姿态，可以测量出所述多旋翼机械臂系统在空间内任何地点的位置信息，并把位置信息传递给所述处理器18；ppm解码器芯片12采用解码器Atmega328。

此外，所述的机械臂还包括机械臂控制器20、机械臂伺服电机21、光电编码器22和机械臂电源23，机械臂控制器20接机械臂伺服电机21，机械臂伺服电机21通过光电编码器22反馈连接至机械臂控制器20，机械臂伺服电机21分别与大臂1、小臂2和夹持器3连接，光电编码器22用于精密测量仪器的轴系转动角度，并把反馈动作的脉冲信号给机械臂控制器20，机械臂控制器20接受并处理脉冲信号，发出pwn信号控制电机操控大臂1、小臂2以及夹持器3运作，机械臂电源23分别接机械臂控制器20、机械臂伺服电机21，所述的机械臂控制器20采用单片机AT89C51，通过输出的pwm信号控制机械臂伺服电机21，机械臂伺服电机21用于产生动力并作用于所述机械臂，使大臂1、小臂2、夹持器3进行旋转摆动，机械臂有三个自由度，机械臂控制器20通过控制机械臂伺服电机21，使大臂1、小臂2、夹持器3达到三轴同动的作用。

本具体实施方式(1)安全性高：相对于传统的四旋翼无人机，多旋翼无人机不仅可以在高空中观测到需要作业的物体，可以通过机械臂对需要作业的物体进行移动，改变位置等，使人与作业物体保持安全的距离，不受威胁。

(2)稳定性强：十字架形状的转轴使飞行时更以保持稳定。

(3)精确度高：所述八个螺旋桨4上由八个第一无刷电机6控制，供电充足，由处理器18一一进行信号处理由电调对应控制，飞行方向位置精确。

(4)灵活性强：传统的四多旋翼无人机相比，最大的特点在于加入了执行系统，机械臂使本具体实施方式更具灵活性，对需要作用到的物体直接操作，好似在原有的身体上加上了一双手臂，更加灵活方便，所述大臂1、小臂2、夹持器3可达到三轴同动的效果，可以以任何角度，任意姿态完成抓取任务。

本具体实施方式主要由多旋翼无人机和机械臂构成，整体采用全碳纤维结构搭建，多旋翼无人机下方连接一个机械臂，该机械臂采用3自由度机械臂结构，相比于1-2自由度能够完成更灵活的空中操作任务，相比于4及以上自由度简化了建模与控制复杂度并且提升了负载能力，采用牛顿-欧拉迭代法建立系统动力学模型，采用虚拟样机技术设计旋翼机械臂原型，其次采用迭代学习法利用累计误差来修正整体误差，能有效抑制因旋翼机械臂欠驱动非完整性、高耦合性及建模参数误差等因素对旋翼机械臂末端执行器运动轨迹精度的影响，从而实现多旋翼无人机的自稳飞行和机械臂的高精度轨迹生成，设计有效的控制器抑制系统多旋翼平台俯仰角震荡，降低偏航角漂移，减小滚转角波动幅度，从而实现飞行自稳，最后利用体感设备实现自然的人-机交互，使机械臂操作更加灵活。

本具体实施方式旋翼机械臂系统通过手动或自动的方式在多旋翼无人机的驱动下起飞并利用飞控系统控制多旋翼无人机按照原计划到达工作区间，并将采集到的位置、图像、视频等相关信息以无线的方式传给地面控制系统，地面控制系统也可根据多旋翼无人机传回的数据调整飞行高度，姿势。到达工作区间后，通过实现机械臂的三轴同动灵活的完成抓取任务。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种带有多旋翼无人机的机械臂，其特征在于，包括机械臂和多旋翼无人机两大部分，机械臂连接在多旋翼无人机下方，多旋翼无人机由外部结构和内部结构两大部分组成，多旋翼无人机的外部结构包括八个螺旋桨(4)、十字架转轴(5)、八个第一无刷电机(6)和无人机基座(7)，无人机基座(7)上交叉安装有十字架转轴(5)，十字架转轴(5)的轴末上、下端分别对称安有第一无刷电机(6)，十字架转轴(5)的中间部分放置有飞行控制计算机和外部设备，第一无刷电机(6)与对应的螺旋桨(4)直连，多旋翼无人机的机体采用碳纤维材质。

2.根据权利要求1所述的一种带有多旋翼无人机的机械臂，其特征在于，所述多旋翼无人机的内部结构包括飞控系统、电调(11)和电源，飞控系统包括AHRS模块、空压计(16)、AD芯片(17)、处理器(18)、GPS(19)以及用于监视电调(11)输出PWM信号的ppm解码器芯片(12)，AHRS模块由三轴陀螺仪(13)、三轴加速度计(14)、三轴磁力计(15)组成，AHRS模块通过AD芯片(17)与处理器(18)连接，空压计(16)接AD芯片(17)，AD芯片(17)、GPS(19)均与处理器(18)连接，处理器(18)接电调(11)，电调(11)接第一无刷电机(6)；电源包括相互独立的飞控电源和机械臂电源(23)。

3.根据权利要求2所述的一种带有多旋翼无人机的机械臂，其特征在于，所述的三轴陀螺仪(13)采用陀螺仪L3G4200D，三轴磁力计(15)采用磁力计HMC5883，空压计(16)采用空压计BMP085，AD芯片(17)采用型号为ADS7844的芯片，处理器(18)采用型号为Atmega2560的处理器，ppm解码器芯片(12)采用解码器Atmega328。

4.根据权利要求1所述的一种带有多旋翼无人机的机械臂，其特征在于，所述的机械臂由外部结构和内部结构两部分组成，机械臂外部结构由大臂(1)、小臂(2)和夹持器(3)组成，大臂(1)上方通过第二无刷电机(8)连接主框架，大臂(1)的旋转角度为0-360°，多旋翼无人机与机械臂的连接架为圆盘状，大臂(1)末端内置有一个第三无刷电机(9)，大臂(1)通过水平轴与小臂(2)的上端连接，小臂(2)的下端与夹持器(3)连接，矩形小臂(2)上端通过第三无刷电机(9)连接大臂(1)的一端，小臂(2)的旋转角度为0-180°，小臂(2)末端上安装有第四无刷电机(10)与夹持器(3)相连接，小臂(2)上带有第四无刷电机(10)和该电机所驱动的夹持器(3)，夹持器(3)与小臂(2)以单轴相连。

5.根据权利要求4所述的一种带有多旋翼无人机的机械臂，其特征在于，所述的夹持器(3)由仿真机械手组成，仿真机械手由齿轮控制的多个支臂构成，仿真机械手的抓取端设置有锯齿。

6.根据权利要求4所述的一种带有多旋翼无人机的机械臂，其特征在于，所述机械臂的内部结构包括机械臂控制器(20)、机械臂伺服电机(21)、光电编码器(22)和机械臂电源(23)，机械臂控制器(20)接机械臂伺服电机(21)，机械臂伺服电机(21)通过光电编码器(22)反馈连接至机械臂控制器(20)，机械臂伺服电机(21)分别与大臂(1)、小臂(2)和夹持器(3)连接，机械臂电源(23)分别接机械臂控制器(20)、机械臂伺服电机(21)，所述的机械臂控制器(20)采用单片机AT89C51。