CN108706097A - 一种带双机械手的系留式旋翼飞行机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带双机械手的系留式旋翼飞行机器人，属于机器人控制技术领域。无线数传设备分别与地面控制系统、飞行控制系统相连接；两套绳驱动机械手被安装在旋翼飞行器上。本发明采用模块化设计，各部分模块之间的耦合性较低，降低了使用难度，拓宽了应用范围；由系统单元供电，提高了旋翼飞行机器人的续航时间；双绳驱动机械手可协调作业，使得旋翼飞行机器人具有与环境交互作业的功能；无线数传设备抗干扰能力强、数据安全性高，可实现旋翼飞行机器人的远程操控。本发明可解决旋翼飞行机器人与外部环境交互作业问题，可实现对高空目标的远程作业，扩大了空中机器人的应用范围，还具有稳定可靠、安全灵活、操作方便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种带双机械手的系留式六旋翼飞行机器人。
背景技术
随着机器人技术、传感器技术、通信技术、计算机视觉等学科的发展，无人机(又称飞行机器人或空中机器人)在军用和民用领域得到了广泛的应用。例如，在军用上，它可用于战场勘察、禁飞巡逻、电子对抗、情报获取等场合；在民用上，它可进行环境监测、电力检测、高压巡线、森林防火、地域建模等作业。但时至今日，上述技术仍处于空中机器人应用的初级阶段，很多基础科研问题尚待进一步研究。特别是人类无法抵达的区域，人们更希望无人机可以对其所处环境施加主动影响。
目前，国内外执行高空作业的机械臂无法自由快速运作且存在地形和高度的局限性，若将机械臂加装到旋翼飞行器上，则可大大增加机械臂操控的自由度，扩大机械臂的应用范围。近年来出现的系留式旋翼飞行器是一种全新的升空平台，其由旋翼飞行器、系留电缆、系泊单元等组成，具有很长的续航时间。而在大多数旋翼飞行器中，六旋翼飞行器具有独特的优势：与四旋翼飞行器相比，其多了一对冗余桨叶，故具有更强的抗风性与负载能力；与单旋翼直升机相比，其机械结构更为简单，不需要依靠十字斜盘去修正陀螺力矩，故具有更高的工作效率。另一方面，传统的单臂机械手在操作能力、控制性能等方面的局限性不断凸显，拥有协调操作能力的双臂机械手越来越受到人们的关注。因此，将双机械臂加装到系留式六旋翼飞行器上，可以实现在一定区域内的主动作业任务。
发明内容
本发明的目的在于针对现有系留式空中机器人只能被动地执行监控任务而缺乏主动作业的能力，提出了一种带双机械手的系留式旋翼飞行机器人，能够拓展系留式空中机器人的应用领域，协助人工执行一些高危操作任务，降低人员伤亡的可能性，提高作业效率。为实现上述目的，本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。
设计一种带双机械手的系留式旋翼飞行机器人，包括旋翼飞行器、绳驱动机械手、系留电缆、系泊单元、地面控制系统和无线数传设备，所述的旋翼飞行器为六旋翼飞行器，其六副桨叶倒装，并采用碳纤维材料；所述的绳驱动机械手为一对具有三个关节的平面机械手，每个关节均通过绳索-滑轮装置提供驱动力与力矩；所述的系留电缆与系泊单元、六旋翼飞行器相连接；所述的系泊单元由发电机、直流高压电源及系缆绞盘组成；所述的无线数传设备与地面控制系统、六旋翼飞行器连接。
优选的，所述的绳驱动机械手共两套，分别安装在六旋翼飞行器的两个对称机臂上。每套绳驱动机械手包括由三个转动关节和一个末端夹持器组成的机械臂、三套绳索-滑轮机构以及柔绳绞盘，具有低惯量、高负载的特性；机械臂由三根连杆组成，每根连杆之间均通过转动关节连接，并由绳索-滑轮机构驱动，可进行大范围角度的运动，实现机械手位姿的控制。
优选的，所述的飞行控制系统由一组传感器单元、一个微控制器板、一个无线摄像头组成，被安装在六旋翼飞行器的上部。其中，传感器单元包括速度传感器、角速度传感器、高度计、磁力计和动压传感器，用于采集旋翼飞行机器人的姿态角、角速度、角加速度、高度及空速信息；微控制器板包括无线电控制伺服控制硬件和无线电控制接收机脉冲位置调制接口，可为用户提供导航及伺服控制板的伺服；无线摄像头被嵌入在飞行控制系统中，可与地面控制系统实时传输图像信息。
优选的，所述的绳驱动机械手的运动是由遥控器按照关节最佳柔顺性准则来控制的，该准则根据下式计算机械手运动学逆解：
其中，F(L)为求解机械手逆解的目标函数，L为当前描述的机械臂，n为关节数目，qi(L)为第i个关节的目标位置，qid为第i个关节的当前位置。
优选的，所述的系泊单元由发电机、直流高压电源及系缆绞盘组成，可被放置于地面或移动车辆上，并通过系留电缆给旋翼飞行机器人供电，可增长其续航时间，也可保证当机器人失联后飞走。
优选的，所述的地面控制系统包括串口通信、用户界面、飞行监控、航迹操作四大模块，其中串口通信用于与无线数传设备通信，接受和传送旋翼飞行机器人的数据；用户界面提供一系列可供用户选择的菜单栏和工具栏；飞行监控是通过读取串口通信接受的旋翼飞行机器人状态数据包，并加以解析显示在仪表控件上，辅助操作人员了解飞行器的飞行状况；航迹操作可用来存储规划好的航线和航点信息，在数据中建立航线表和航点表。
优选的，所述的机械手运动逆解可通过混沌人工蜂群算法来实现。
本发明提出的一种带双机械手的系留式旋翼飞行机器人，有益效果在于：本发明可解决旋翼飞行机器人与外部环境交互作业问题，可实现对高空目标的远程作业，扩大了空中机器人的应用范围，还具有稳定可靠、安全灵活、操作方便等优点，能够拓展系留式空中机器人的应用领域，协助人工执行一些高危操作任务，降低人员伤亡的可能性，提高作业效率。
附图说明
图1为本发明的带双机械手的系留式旋翼飞行机器人系统组成图；
图2为本发明的带双机械手的系留式旋翼飞行机器人本体结构示意图；
图3为本发明的绳驱动机械手结构示意图；
图4为本发明的飞行控制系统示意图；
图5为本发明的地面控制系统示意图。
具体实施方式
为了使本发明所实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。
如图1-2所示，本发明提供了一种带双机械手的系留式旋翼飞行机器人，包括绳驱动机械手一、飞行控制系统二、旋翼飞行器三、无线数传设备四、系留电缆五、地面控制系统六与系泊单元七。其中，两套绳驱动机械手一12被安装在六旋翼飞行器三上；六旋翼飞行器三中，6副桨叶9与6组无刷电机10叠加后被倒装在机架11上，飞行控制系统二13被安装在机架11的上部中央，系留电缆五14被安装在机架11正下方与系泊单元七连接，起落架8起到支撑作用，便于整个机器人的起飞与着陆。机架11与桨叶9采用碳纤维材料，具有硬度大、质量轻和硬度大的优点，也避免了金属材料易产生金属疲劳、不耐腐蚀的缺点。
如图3所示，绳驱动机械手一12由滑轮组15、柔绳16、连杆组一17、连杆组二21、连杆组三20、末端夹持器19、转动关节一18、转动关节二22、柔绳绞盘23组成。滑轮组15被安装在柔绳绞盘23 的两侧，通过缠绕-放开柔绳16来驱动转动关节一18、转动关节二 22，从而控制连杆组一17、连杆组二21、连杆组三20的运动；末端夹持器19上装有两个电机，通过地面控制系统来控制其的位置与姿态的变化。
如图4所示，飞行控制系统二包括传感器单元、微控制器板和无线摄像头31。其中，在传感器单元中，通过角速度传感器2与角加速度传感器25来测量旋翼飞行机器人的姿态角与角速度、通过高度计26与磁力计27来测量旋翼飞行机器人的当前高度、通过动压传感器28来测量当前的风速；在微控制器板中，由无线电控制伺服控制硬件29和无线电控制接收机脉冲位置调制接口30为用户提供导航及伺服控制板的伺服；无线摄像头31被嵌入在飞行控制系统二中，可与地面控制系统实时传输图像信息。
如图5所示，地面控制系统六包括飞行监控32、串口通信33、用户界面34、航迹操作35，其中，飞行监控32通过读取串口通信接受的旋翼飞行机器人状态数据包，并加以解析显示在仪表控件上，辅助操作人员了解飞行器的飞行状况；串口通信33用于与无线数传设备通信，接受和传送旋翼飞行机器人的数据；用户界面34提供一系列可供用户选择的菜单栏和工具栏；航迹操作35可用来存储规划好的航线和航点信息，在数据中建立航线表和航点表，也可以调用原有的航迹。
更具体地，本结构的实施方式是系留式旋翼飞行机器人由系泊单元供电、地面控制系统控制抵达目标物上方或所要求的的工作区域，并保持悬停状态。而后，双绳驱动机械手根据目标物或者作业任务需求调整自身关节角度实现末端夹持器位姿的改变，从而精准地完成作业任务。本发明涉及的带双机械手的系留式旋翼飞行机器人具有灵活性强、操作精度高、稳定性好的优点，适合代替人类或者地面机器人完成一些高危作业任务。
本发明引入关节最佳柔顺性准则来优化机械手的可操作性，采用基于混沌人工蜂群算法求解机械臂运动学逆解的目标函数为：
其中，F(L)为求解机械手逆解的目标函数，L为当前描述的机械手，n为关节数目，qi(L)为第i个关节的目标位置，qid为第i个关节的当前位置。因此，求运动学逆解可转换成求解目标函数F(L)极小值问题。本发明使用混沌人工蜂群算法求解此最优化问题，具体的伪代码为：
目标函数通过混沌人工蜂群算法优化后，不仅可以得到关节的最佳柔顺性，也可以得到绳驱动机械手的连杆、末端夹持器的长度比例为：1:1:1:0.64。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种带双机械手的系留式旋翼飞行机器人，包括旋翼飞行器、绳驱动机械手、系留电缆、系泊单元、地面控制系统和无线数传设备，其特征在于：所述的旋翼飞行器为六旋翼飞行器，其六副桨叶倒装，并采用碳纤维材料；所述的绳驱动机械手为一对具有三个关节的平面机械手，每个关节均通过绳索-滑轮装置提供驱动力与力矩；所述的系留电缆与系泊单元、六旋翼飞行器相连接；所述的系泊单元由发电机、直流高压电源及系缆绞盘组成；所述的无线数传设备与地面控制系统、六旋翼飞行器连接。
2.根据权利要求1所述的带双机械手的系留式旋翼飞行机器人，其特征在于：所述的绳驱动机械手共两套，分别安装在六旋翼飞行器的两个对称机臂上。每套绳驱动机械手包括由三个转动关节和一个末端夹持器组成的机械臂、三套绳索-滑轮机构以及柔绳绞盘，具有低惯量、高负载的特性；机械臂由三根连杆组成，每根连杆之间均通过转动关节连接，并由绳索-滑轮机构驱动，可进行大范围角度的运动，实现机械手位姿的控制。
3.根据权利要求1所述的带双机械手的系留式旋翼飞行机器人，其特征在于：所述的飞行控制系统由一组传感器单元、一个微控制器板、一个无线摄像头组成，被安装在六旋翼飞行器的上部。其中，传感器单元包括速度传感器、角速度传感器、高度计、磁力计和动压传感器，用于采集旋翼飞行机器人的姿态角、角速度、角加速度、高度及空速信息；微控制器板包括无线电控制伺服控制硬件和无线电控制接收机脉冲位置调制接口，可为用户提供导航及伺服控制板的伺服；无线摄像头被嵌入在飞行控制系统中，可与地面控制系统实时传输图像信息。
4.根据权利要求2所述的带双机械手的系留式旋翼飞行机器人，其特征在于：所述的绳驱动机械手的运动是由遥控器按照关节最佳柔顺性准则来控制的，该准则根据下式计算机械手运动学逆解：
其中，F(L)为求解机械手逆解的目标函数，L为当前描述的机械臂，n为关节数目，qi(L)为第i个关节的目标位置，qid为第i个关节的当前位置。
5.根据权利要求1所述的带双机械手的系留式旋翼飞行机器人，其特征在于：所述的系泊单元由发电机、直流高压电源及系缆绞盘组成，可被放置于地面或移动车辆上，并通过系留电缆给旋翼飞行机器人供电，可增长其续航时间，也可保证当机器人失联后飞走。
6.根据权利要求1所述的带双机械手的系留式旋翼飞行机器人，其特征在于：所述的地面控制系统包括串口通信、用户界面、飞行监控、航迹操作四大模块。其中串口通信用于与无线数传设备通信，接受和传送旋翼飞行机器人的数据；用户界面提供一系列可供用户选择的菜单栏和工具栏；飞行监控是通过读取串口通信接受的旋翼飞行机器人状态数据包，并加以解析显示在仪表控件上，辅助操作人员了解飞行器的飞行状况；航迹操作可用来存储规划好的航线和航点信息，在数据中建立航线表和航点表。
7.根据权利要4所述的带双机械手的系留式旋翼飞行机器人，其特征在于：所述的机械手运动逆解可通过混沌人工蜂群算法来实现。
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