CN105314102B - 一种装备机械臂的无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种装备超冗余机械臂的无人机，该机械臂包括上臂、中臂、下臂、电控模块和机械爪，提供了多个自由度的操作，并且可以更换末端机械爪，满足不同行业对于无人机搭载不同功能机械臂的需求，扩展无人机对于第三方操作平台的融合，扩充了平台的品类，使目前的无人机由摄取信息资源，游戏娱乐的平台扩展到具体操作应用的第三方实施功能。

Description

一种装备机械臂的无人机
技术领域
本发明属于产品的跨界领域结合，涉及一种装备超冗余机械臂的飞行器，可以将操作范围扩展至三维空间，使无人机具有异地抓取远距离投送的功能，增加无人机的扩展能力。
背景技术
随着科技社会的不断进步，无人机行业正在逐步的壮大，多旋翼飞行器由于机械结构简单，动力系统简单，能够垂直起降等优点发展很快，一时间研究者趋之若鹜，纷纷开始多旋翼飞行器的研究使用，全球范围内都有一股将多旋翼商业化的热潮。
目前多旋翼无人机主要发展方向主要有编队飞行、航拍影像、定点巡航、高空检测等方向；目前行业发展虽然比较迅速，但是也遇到了产品功能扩展的瓶颈期，主要由于无人机缺乏对外界事物的操作能力。
超冗余机械臂是指具有运动冗余自由度的机械臂。与普通机械臂相比，超冗余机械臂具有更加灵活的运动特性，可以在完成上下伸展任务的同时完成机械臂旋转角度的变换等附加任务。其应用范围十分广泛，大到深海和宇宙空间的探索，小到产品加工和家庭服务等不同领域都可以发现其身影。由于具备冗余的自由度，即保证机械臂末端在完成所要求任务的同时，还能根据不同的任务要求和工作环境选择不同的优化指标。
超冗余机械臂运动轨迹的控制和角度变换是超冗余机械臂的核心研究内容，而之前的超冗余机械臂不能更好的扩展其运动轨迹及变换的角度，使之在应用上具有一定的局限性。
发明内容
本发明公开了一种装备机械臂的飞行器，拓展无人机的可操作范围，基于无人机的操控平台，通过远程操控，使机械臂执行的灵巧操控，远程协作执行重要的任务，货物补给、灾难响应、危险环境取样、高空维修等目前地面机器手可以操作的范围。通过在无人机上搭载机械臂，完成在很多复杂环境如火灾现场的取样，特殊环境的远程机械手排雷，高空维修、清洁，危险环境的远程补给。
此外，本发明的机械臂的结构，至少具有三个以上的运动冗余自由度，通过加载多个自由度使机械臂能够实现多角度的旋转；机械臂的末端可加载多种爪机，并在该超冗余机械臂搭载控制模块，既能够控制机械臂自身的伸展和旋转，也能够控制末端爪机的收缩与释放，提升机械臂的适用性和实用性。通过本发明的超冗余机械臂，拓展了机械臂的可操作范围，增加机械臂的伸缩性及变换角度，增加机械臂对末端爪机的支持，增加通信模块使机械臂的操控更加灵活，因此具有较强的适用性、稳定性和实用性。
本发明是基于多旋翼无人机平台一个创新性应用，可以引领众多研发机构进行无人机的携带不同设备的的研究，有益的效果，飞行器可以通过很多地面普通方式无法到达的地方，通过机械臂与无人机的交互，飞行器把收集到的信号传递给机械臂电控部分，基于控制部分的快速响应，远程遥控终端的信号缓慢增益，使机械臂可以缓慢的移动到所要达到的位置，依托于对物体的精确抓取，使异地抓取投送成为现实，可以在类似的应用上继续扩展应用范围，对于远程投递包裹；危险环境的取样，减少人工取样的危险性。
附图说明
图1：本发明的多旋翼无人机。
图2：本发明的安装机械臂的多旋翼无人机。
图3：本发明的机械臂。
图4：本发明的机械爪。
具体实施方式
参见图1，展示了本发明实施例的一个四旋翼无人机，图2是在该无人机的机身底部安装了本发明的机械臂，无人机的远程控制终端发送控制信号给无人机，通过无人机将该信号转发给机械臂的电控模块，从而可以控制该机械臂。
参见图1，本发明的机械臂包括上臂、中臂、下臂和机械爪，所述上臂一端通过旋转关节和中臂连接，另一端也具有旋转关节，与无人机的机身连接，所述中臂一端通过旋转关节和上臂连接，另一端通过旋转关节和下臂连接，下臂上还具有安装机械爪的接口，可以安装任意一种匹配该接口的机械爪。每个旋转关节都由相应的电机控制，可以进行任意角度和方向的旋转，每个电机都由机械臂上安装的电控模块控制，从而使得该机械臂至少具有三个运动冗余自由度。所述电控模块根据控制信号，控制各个电机带动旋转关节，以及控制机械爪上的舵机带动机械爪，从而控制机械臂的动作。
为了使得机械臂具有更好的灵活性，本发明引入关节最佳柔顺性准则，得出用优化算法求机械臂运动学逆解的目标函数，即：
上式中，F(z)是机械臂逆解的目标函数，z为所述机械臂，n是关节数目，qi(z)是第i个关节的目标位置，qic是第i个关节的当前位置。当求qi(z)时，qic是已知量。因此，求逆解可以归结为求解目标函数F(z)最小值的优化问题。本发明使用遗传信赖域方法求解此最优化问题，利用二次逼近，可以构造信赖域子问题为：
s.t.||d||2≤△kzk∈R2
其中，qk(d)是信赖域子问题；
zk是迭代点；
gk＝▽F(zk)；
Δk是信赖域半径；
Gk＝▽2F(zk)；即求解Gk用拟牛顿法的BFGS公式构造Hession矩阵来近似。
d为试探步变量；R为实数域。
通过上述目标函数的逼近，除了关节最佳柔顺性外，我们还可以得到一个机械臂长度的优选解，即上臂、中臂、下臂的长度比例为
根据本发明的一个优选实施例，本发明采用的机械爪如图2所示，机械抓取部分采用平面四杆机构，主要由四个刚性构件低福链接组成，具有左右两个平面机构，各转接部分安装小轴承；连架杆部分等距，使左右两个平面机构连杆运动轨迹对称，达到相对的平行抓取；对称的两个连架杆各由一个齿轮带动，其中一个为主动齿轮依靠舵机提供旋距，一个为从动齿轮，由主动齿轮带动；扭矩最大可提供13kg·cm，增加压力传感器安装在爪子前端，使在抓取过程中防止受力大导致物体抓取力度变大，通过三个灵活自由度的自动控制，减少抓取过程中的外在冲击，使抓取过程中平稳。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种装备机械臂的无人机，其特征在于，包括多个旋翼、机身、远程控制终端和机械臂；
所述机械臂安装在所述机身底部，包括上臂、中臂、下臂、机械爪和电控模块，所述上臂一端通过旋转关节和中臂连接，另一端也具有旋转关节，与所述机身连接，所述中臂一端通过旋转关节和上臂连接，另一端通过旋转关节和下臂连接，下臂上还具有安装机械爪的接口，可以安装任意一种匹配该接口的机械爪；每个旋转关节都由相应的电机控制，可以进行任意角度和方向的旋转，每个电机都由所述电控模块控制；所述电控模块根据控制信号，控制各个电机和所述机械爪上的舵机，从而控制机械臂的动作；
所述远程控制终端发送控制信号给该无人机，通过该无人机转发给所述机械臂的所述电控模块，从而可以远程控制所述机械臂；
所述电控模块遵循关节最佳柔顺性准则，控制所述机械臂的运动，该准则通过下述公式使用遗传信赖域方法求机械臂运动学逆解，即：
<mrow> <mi>min</mi> <mi> </mi> <mi>F</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msup> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>q</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>q</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>;</mo> </mrow>
其中，F(z)是机械臂逆解的目标函数，z为所述机械臂，n是关节数目，qi(z)是第i个关节的目标位置，qic是第i个关节的当前位置；
所述上臂、中臂、下臂的长度比例为
所述机械爪的机械抓取部分采用平面四杆机构，由四个刚性构件低福链接组成，各转接部分安装小轴承；所述机械爪的连架杆部分等距，使左右两个平面机构连杆运动轨迹对称，达到相对的平行抓取；对称的两个连架杆各由一个齿轮带动，其中一个为主动齿轮，依靠舵机提供旋距，一个为从动齿轮，由主动齿轮带动；在机械爪前端安装压力传感器。
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