CN109050915A - 一种飞行机器人手臂机电一体化系统 - Google Patents

Abstract

一种飞行机器人手臂机电一体化系统，固定指和活动相配合形成两个夹指；固定架板下端与大臂的上端之间通过减速驱动机构转动连接；大臂的下端与小臂的上端之间通过减速驱动机构转动连接；小臂的下端在相对两侧分别形成活动和固定连接点；活动连接点与活动指的连接端之间通过减速驱动机构转动连接，固定连接点与固定指的连接端固定连接；两个夹指的中部通过拉簧连接；电路控制单元包括超声波传感器、角度传感器、控制器和驱动模块；超声波传感器固定在夹指自由端的端部；角度传感器设置在减速驱动机构上；控制器分别与超声波传感器、角度传感器、驱动模块连接，驱动模块与减速驱动机构连接。该系统适合飞行机器人使用，能提高飞行机器人的应用前景。

Description

一种飞行机器人手臂机电一体化系统

技术领域

本发明涉及飞行机器人手臂，具体涉及一种飞行机器人手臂机电一体化系统。

背景技术

近年来，飞行机器人因其能够自由灵活的在立体空间中运动而受到广泛关注，特别是电力驱动的飞行控制技术日益成熟，使得人们期望用飞行机器人来完成以前难以企及的任务。然而，现有的机器人只能完成诸如灾情探测、电力系统巡检、航拍等被动性的监测任务，究其原因主要是因为飞行机器人缺乏主动的作业装置(如机械手臂、手抓等)。配有作业装置的飞行机器人可以扩大应用领域，完成更多、更复杂的任务，如在飞行过程中实现对空中或地面目标的快速捕捉、在环境监测中完成样品的采集任务、安装或回收测量设备等精细作业任务，再比如，主动地进行物品搬运、设备装配等作业。目前尚无适合飞行机器人的手臂结构，这限制了作业型飞行机器人的适用范围。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种飞行机器人手臂机电一体化系统，该系统适合飞行机器人使用，能提高飞行机器人的应用前景。

为了实现上述目的，本发明提供一种飞行机器人手臂机电一体化系统，包括对称设置的一对机器人手臂，所述机器人手臂包括固定架板、大臂、小臂、固定指、活动指和电路控制单元；

固定指和活动指彼此相对置地设置以形成相配合的两个夹指；

固定架板的上端用于与飞行机器人本体固定连接，固定架板下端与大臂的上端之间通过减速驱动机构转动连接；大臂的下端与小臂的上端之间通过减速驱动机构转动连接；

小臂的下端在相对两侧分别形成活动连接点和固定连接点；活动连接点与活动指的连接端之间通过减速驱动机构转动连接，固定连接点与固定指的连接端固定连接；

两个夹指的自由端相抵接配合，两个夹指的中部通过拉簧连接；

电路控制单元包括超声波传感器、角位移传感器、控制器和驱动模块；

超声波传感器固定在夹指自由端的端部；角位移传感器设置在减速驱动机构上，用于检测减速驱动机构输出端的旋转角度；

超声波传感器、角位移传感器均与控制器连接，控制器通过驱动模块与减速驱动机构连接。

在该技术方案中，固定架板的下端通过减速驱动机构与大臂的上端转动连接形成肩关节、大臂的下端通过减速驱动机构与小臂的上端转动连接形成肘关节，固定指和活动指组成一对相配合的夹指，并由活动指通过减速驱动机构与小臂转动连接形成指关节，从而能提供一种适用于飞行机器人的仿生手臂，从而可以利用仿生手臂动作灵活、覆盖范围广、抓取适用工况多的优点，实现对待抓取物品进行灵活的抓取作业。减速驱动机构上设置有角位移传感器，能便于精确地控制肩关节、肘关节或指关节的旋转角度，在夹指的端部设置有超声波传感器，能便于探测出待抓取的物品的距离，进而控制器能便于根据探测距离实时调整三个减速驱动机构的动作，使夹指靠近待抓取物品，以便于实现精细化抓取操作。通过减速驱动机构驱动活动指，能实现两个夹指的打开；设置在两个夹指之间的拉簧，能在夹指打开后仅通过拉簧的拉力就能实现两个夹指的闭合，以实现对待抓取物品的抓取，这种方式能有效节省驱动活动指的减速驱动机构所消耗的电能。采用对称设置的两个机器人手臂，能通过同时控制两个手臂的同步动作，来相互抵消抓取作业过程对飞行机器人的影响，从而能有效减少重力对飞行机器人的耦合作用，可大幅度减少抓取作业对飞行机器人重心变化的影响，有效降低了因加装手臂而对飞行机器人精确控制的影响。该系统适合飞行机器人使用，能提高飞行机器人的应用前景和适用范围。

作为一种优选，所述减速驱动机构由电机与行星减速器连接而成。

进一步，行星减速器的壳体由前压盖和后压盖固定连接而成；为了得到一种适合飞行机器人的角位移传感器，以实现各个关节处的精确定位，所述角位移传感器包括内导电环、外导电环和两个滑动触头，内导电环和外导电环同轴心地固定设置在前压盖的内侧面中心；两个滑动触头设置在行星架靠近前压盖的一侧，且分别与内导电环和外导电环滑动接触配合；两个滑动触头之间通过导电连通片连接；在内导电环上固定设置有连接点一；在外导电环上相间隔地设置有连接点二和连接点三，且外导电环在连接点二和连接点三之间的部分断开；连接点一和连接点二分别通过导线与控制器的一组输入端连接；连接点一和连接点三分别通过导线与控制器的另一组输入端连接。通过连接点一和连接点二的一组输入、连接点一和连接点三的一组输入，控制能便于实现精确的闭环控制，从而控制器能精确地计算出各关节的旋转角度，使旋转、定位的控制过程更精准，另外，该角位移传感器结构简单、测量精确，且易于实现。

进一步，为了能保证滑动触头在行星架转动过程中能与内导电环和外导电环之间具有良好的接触，滑动触头由开设在行星架上的凹槽、装配在凹槽里侧的弹簧和连接在弹簧外侧的触头组成；导电连通片通过连接两个弹簧连通两个滑动触头。

进一步，为了降低手臂整体的重量对飞行机器人本体的耦合作用，同时，也为了能节省驱动过程中所消耗的电能，所述固定架板、大臂、小臂、固定指和活动指均采用工程塑料材质制成；行星减速器的壳体、太阳轮、行星轮、行星架和轴承均采用工程塑料材质制成。

进一步，为了提高节能效果，并能提高控制的灵敏度和控制过程的稳定性，所述电机为直流空心杯电机。

作为一种优选，内导电环为铜环，外导电环为导电塑料环。

进一步，为了提高夹指的抓取范围，小臂的下端具有呈V字形设置的两个延伸部，活动连接点和固定连接点形成于两个延伸部的端部；活动指和固定指的形状和大小相同，均由呈V字形的折弯段和连接在折弯段一端的水平段组成，活动指和固定指各自的连接端均形成于各自折弯段的端部，活动指和固定指各自的自由端均形成于各自的水平段。

进一步，为了降低大臂和小臂的重量，同时，为了实现控制器和驱动模块的良好固定和保护，所述大臂和小臂均为空心结构，控制器固定设置在小臂或大臂的内部，驱动模块固定设置在大臂或小臂的内部。

进一步，为了实现对待抓取物品的准确定位，超声波传感器的发射器和接收器分别固定在两个夹指自由端的端部。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中减速驱动机构的结构示意图；

图3是图2的A部放大图；

图4是本发明中前压盖上角位移传感器的结构示意图；

图5是本发明的电路原理图。

图中：1、固定架板，2、大臂，3、小臂，4、固定指，5、活动指，6、减速驱动机构，7、拉簧，8、超声波传感器，9、直流空心杯电机，10、行星减速器，11、前压盖，12、后压盖，13、内导电环，14、外导电环，15、连接点一，16、连接点二，17、连接点三，18、滑动触头，19、导电连通片，20、凹槽，21、弹簧，22、触头，23、延伸部，24、折弯段，25、水平段，26、太阳轮，27、行星轮，28、内齿圈，29、行星架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种飞行机器人手臂机电一体化系统，包括对称设置的一对机器人手臂，所述机器人手臂包括固定架板1、大臂2、小臂3、固定指4、活动指5和电路控制单元；固定指4和活动指5彼此相对置地设置以形成相配合的两个夹指；固定架板1的上端用于与飞行机器人本体固定连接，固定架板1下端与大臂2的上端之间通过减速驱动机构6转动连接；大臂2的下端与小臂3的上端之间通过减速驱动机构6转动连接；小臂3的下端在相对两侧分别形成活动连接点和固定连接点；活动连接点与活动指5的连接端之间通过减速驱动机构6转动连接，固定连接点与固定指4的连接端固定连接；两个夹指的自由端相抵接配合，两个夹指的中部通过拉簧7连接；电路控制单元包括超声波传感器8、角位移传感器、控制器和驱动模块；超声波传感器8固定在夹指自由端的端部；角位移传感器设置在减速驱动机构6上，用于检测减速驱动机构6输出端的旋转角度；如图5所示，超声波传感器8、角位移传感器均与控制器连接，控制器通过驱动模块与减速驱动机构6连接。如图2所示，作为优选，所述减速驱动机构6由电机9与行星减速器10连接而成。当然，减速驱动机构6还可以为减速电机或电动旋转平台。

固定架板的下端通过减速驱动机构与大臂的上端转动连接形成肩关节、大臂的下端通过减速驱动机构与小臂的上端转动连接形成肘关节，固定指和活动指组成一对相配合的夹指，并由活动指通过减速驱动机构与小臂转动连接形成指关节，能提供一种适用于飞行机器人的仿生手臂，从而可以利用仿生手臂动作灵活、抓取范围广的优点，实现对待抓取物品进行灵活的抓取动作。减速驱动机构上设置有角位移传感器，能便于精确地控制肩关节、肘关节或指关节的旋转角度，在夹指的端部设置有超声波传感器，能便于探测出待抓取的物品的距离，进而控制器能根据探测距离，调整三个减速驱动机构的动作，以使夹指靠近待抓取物品，以便于实现精细化操作。通过减速驱动机构驱动活动指，能实现两个夹指的打开；设置在两个夹指之间的拉簧，能在夹指打开后仅通过拉簧的拉力就实现两个夹指的闭合，以实现对待抓取物品的抓取，能节省驱动活动指的减速驱动机构所消耗的电能。采用对称设置的两个机器人手臂，能通过同时控制两个手臂的同步动作，来相互抵消对飞行机器人的影响，从而能有效减少重力对飞行机器人的耦合作用，因此，能大幅度减少飞行机器人重心的变化，以降低因加装手臂而对飞行机器人控制的影响。该系统适合飞行机器人使用，能提高飞行机器人的应用前景。

作为一种优选，控制器具有休眠控制功能，在不需要手臂动作时，可以控制对外供电的输出，以降低电能的消耗。同时，控制器连接有CAN总线接口，以便于与外部设备或者飞机机器人内部的控制器进行通信连接。作为一种优选，控制器的型号为STM32F103。

作为一种优选，行星减速器10采用大传动比的行星减速器，可以进一步减少电机消耗的功率和体积，也能进一步减少关节处的体积。如图2所示，行星减速器10的壳体由前压盖11和后压盖12固定连接而成，壳体内部设置有太阳轮26、行星轮27、内齿圈28和行星架29；为了得到一种适合飞行机器人的角位移传感器，以实现各个关节处的精确定位，如图2至图4所示，所述角位移传感器包括内导电环13、外导电环14和两个滑动触头18，内导电环13和外导电环14同轴心地固定设置在前压盖11的内侧面中心；两个滑动触头18设置在行星架29靠近前压盖11的一侧，且分别与内导电环13和外导电环14滑动接触配合；两个滑动触头18之间通过导电连通片19连接；在内导电环13上固定设置有连接点一15；在外导电环14上相间隔地设置有连接点二16和连接点三17，且外导电环14在连接点二16和连接点三17之间的部分断开，为了方便接线，连接点一15、连接点二16和连接点三17相靠近地设置；连接点一15和连接点二16分别通过导线与控制器的一组输入端连接；连接点一15和连接点三17分别通过导线与控制器的另一组输入端连接。滑动触头18可以采用刚性部件并直接固定连接于行星架29的一侧，也可以采用弹性部件并设置于行星架29的一侧。当滑动触头18采用弹性部件时，如图3所示，滑动触头18由开设在行星架29上的凹槽20、装配在凹槽20里侧的弹簧21和连接在弹簧21外侧的触头22组成，触头22呈子弹头形状，其具有圆滑的头部，且其尾部设置有弹簧容纳腔，弹簧21的一端伸入到弹簧容纳腔后与触头22连接，且触头22的外侧壁与凹槽20之间轴向滑动配合；导电连通片19通过连接两个弹簧21连通两个滑动触头18。这样，能保证滑动触头在行星架转动过程中能与内导电环和外导电环之间具有良好的接触。

目前大多飞行机器人采用电池的电力驱动，而高容量的电池技术仍存在瓶颈，因此电池一直是困扰飞行机器人的关键问题，特别是增加手臂系统后会带来额外的能源消耗，因此，对于节能是飞行机器人手臂的重要设计问题，手臂重量会对电能消耗产生较大的影响。另外，在飞行机器人上安装手臂会将手臂自身的运动及动力学特征耦合到飞行机器人本体，使得原本就呈现出明显的强非线性的飞行机器人控制更加困难，因此手臂重量越轻，对飞行机器人的耦合作用越少。为了降低电能的消耗，并能减少对飞行机器人本体的影响，所述固定架板1、大臂2、小臂3、固定指4和活动指5均采用工程塑料材质制成；行星减速器10的壳体、太阳轮26、行星轮27、行星架29和轴承均采用工程塑料材质制成。

为了提高节能效果，并能提高控制的灵敏度和控制过程的稳定性，所述电机9为直流空心杯电机。空心杯电动机具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，能提高控制的精度。

作为一种优选，内导电环13为铜环，外导电环14为导电塑料环。

为了提高夹指的抓取范围，如图1所示，小臂3的下端具有呈V字形设置的两个延伸部23，活动连接点和固定连接点形成于两个延伸部23的端部；活动指5和固定指4的形状和大小相同，均由呈V字形的折弯段24和连接在折弯段24一端的水平段25组成，活动指5和固定指4各自的连接端均形成于各自折弯段24的端部，活动指5和固定指4各自的自由端均形成于各自的水平段25。

为了降低大臂和小臂的重量，同时，为了实现控制器和驱动模块的良好固定和保护，所述大臂2和小臂3均为空心结构，控制器固定设置在小臂3或大臂2的内部，驱动模块固定设置在大臂2或小臂3的内部。

为了实现对待抓取物品的准确定位，超声波传感器8的发射器和接收器分别固定在两个夹指自由端的端部。

Claims (10)

1.一种飞行机器人手臂机电一体化系统，包括对称设置的一对机器人手臂，其特征在于，所述机器人手臂包括固定架板(1)、大臂(2)、小臂(3)、固定指(4)、活动指(5)和电路控制单元；

固定指(4)和活动指(5)彼此相对置地设置以形成相配合的两个夹指；

固定架板(1)的上端用于与飞行机器人本体固定连接，固定架板(1)下端与大臂(2)的上端之间通过减速驱动机构(6)转动连接；大臂(2)的下端与小臂(3)的上端之间通过减速驱动机构(6)转动连接；

小臂(3)的下端在相对两侧分别形成活动连接点和固定连接点；活动连接点与活动指(5)的连接端之间通过减速驱动机构(6)转动连接，固定连接点与固定指(4)的连接端固定连接；

两个夹指的自由端相抵接配合，两个夹指的中部通过拉簧(7)连接；

电路控制单元包括超声波传感器(8)、角位移传感器、控制器和驱动模块；

超声波传感器(8)固定在夹指自由端的端部；角位移传感器设置在减速驱动机构(6)上，用于检测减速驱动机构(6)输出端的旋转角度；

超声波传感器(8)、角位移传感器均与控制器连接，控制器通过驱动模块与减速驱动机构(6)连接。

2.根据权利要求1所述的一种飞行机器人手臂机电一体化系统，其特征在于，所述减速驱动机构(6)由电机(9)与行星减速器(10)连接而成。

3.根据权利要求2所述的一种飞行机器人手臂机电一体化系统，其特征在于，行星减速器(10)的壳体由前压盖(11)和后压盖(12)固定连接而成；

所述角位移传感器包括内导电环(13)、外导电环(14)和两个滑动触头(18)，内导电环(13)和外导电环(14)同轴心地固定设置在前压盖(11)的内侧面中心；两个滑动触头(18)设置在行星架(29)靠近前压盖(11)的一侧，且分别与内导电环(13)和外导电环(14)滑动接触配合；

两个滑动触头(18)之间通过导电连通片(19)连接；在内导电环(13)上固定设置有连接点一(15)；在外导电环(14)上相间隔地设置有连接点二(16)和连接点三(17)，且外导电环(14)在连接点二(16)和连接点三(17)之间的部分断开；连接点一(15)和连接点二(16)分别通过导线与控制器的一组输入端连接；连接点一(15)和连接点三(17)分别通过导线与控制器的另一组输入端连接。

4.根据权利要求3所述的一种飞行机器人手臂机电一体化系统，其特征在于，滑动触头(18)由开设在行星架(29)上的凹槽(20)、装配在凹槽(20)里侧的弹簧(21)和连接在弹簧(21)外侧的触头(22)组成；导电连通片(19)通过连接两个弹簧(21)连通两个滑动触头(18)。

5.根据权利要求2至4任一项所述的一种飞行机器人手臂机电一体化系统，其特征在于，所述固定架板(1)、大臂(2)、小臂(3)、固定指(4)和活动指(5)均采用工程塑料材质制成；

行星减速器(10)的壳体、太阳轮(26)、行星轮(27)、行星架(29)和轴承均采用工程塑料材质制成。

6.根据权利要求5所述的一种飞行机器人手臂机电一体化系统，其特征在于，所述电机(9)为直流空心杯电机。

7.根据权利要求3或4所述的一种飞行机器人手臂机电一体化系统，其特征在于，内导电环(13)为铜环，外导电环(14)为导电塑料环。

8.根据权利要求1至4任一项所述的一种飞行机器人手臂机电一体化系统，其特征在于，小臂(3)的下端具有呈V字形设置的两个延伸部(23)，活动连接点和固定连接点形成于两个延伸部(23)的端部；

活动指(5)和固定指(4)的形状和大小相同，均由呈V字形的折弯段(24)和连接在折弯段(24)一端的水平段(25)组成，活动指(5)和固定指(4)各自的连接端均形成于各自折弯段(24)的端部，活动指(5)和固定指(4)各自的自由端均形成于各自的水平段(25)。

9.根据权利要求7所述的一种飞行机器人手臂机电一体化系统，其特征在于，所述大臂(2)和小臂(3)均为空心结构，控制器固定设置在小臂(3)或大臂(2)的内部，驱动模块固定设置在大臂(2)或小臂(3)的内部。

10.根据权利要求9所述的一种飞行机器人手臂机电一体化系统，其特征在于，超声波传感器(8)的发射器和接收器分别固定在两个夹指自由端的端部。