CN112874769A - 一种空中作业机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空中作业机器人,包括全向旋翼系统、机身、机械臂、电源系统、缓冲装置以及末端执行装置;所述全向旋翼系统采用四旋翼平台、四个横向推进系统、四个横向推进系统分别对称设置在机身四周,呈十字形分布;所述机械臂位于机身下方,执行作业状态时从所述机身的下方伸出进行作业;所述缓冲装置介于所述机械臂的末端与可替换的所述末端执行装置之间,当空中作业系统与目标物体接触时,达到缓冲的目的;所述末端执行装置位于所述缓冲装置末端,用于与目标物体进行接触。本发明可全向驱动的空中作业机器人,不仅可以提升效率,而且在一定程度上具有较强的抗干扰性能,使得在空中作业时具有良好的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域,尤其涉及一种空中作业机器人。
背景技术
随着无人机系统及其相关技术的不断发展,其应用前景愈加广阔,应用场景也愈加复杂,如无人机擦玻璃、喷涂等,就需要不断的改变飞行的方向,也需要不同的角度去提供动力,那么无人机就会牺牲飞行姿态,也会无法保证无人机擦玻璃或喷涂的稳定性,为了保证无人机在随意改变飞行方向且不会干扰喷涂工作,以及稳定性的前提下,设计出一种可全向驱动的空中作业机器人。
本发明的空中作业机器人可全向驱动,提供各个方向的动力,区别于,树障清理空中机器人CN 108556067 A该专利只提供向前的动力。
本发明的空中作业机器人携带一种全新的机械臂,机械臂末端有执行器,可以使清洗刷、喷涂头、粉刷轮、钻孔器之间随意转换,区别于,无人机智能清洁玻璃装置CN204683482 U该专利只能携带一个清洁机构。
本发明的空中作业机器人采用特殊控制算法来控制力矩抑制作业过程扰动对空中作业机器人的干扰,区别于,一种空中作业机器人CN 107891975 A该专利通过提供的控制力矩抑制作业过程扰动对空中作业机器人的干扰。
本发明的空中作业机器人采用特殊控制算法来控制力矩抑制作业过程扰动对空中作业机器人的干扰,区别于,一种空中作业机器人CN 207523929 U该专利通过提供的控制力矩抑制作业过程扰动对空中作业机器人的干扰。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题,本发明提出了一种空中作业机器人,解决了空中作业机器人在作业时产生的扰动,带来机器人本身稳定性差的问题,使空中作业机器人有更好的稳定性去完成作业任务。
本发明提出的一种空中作业机器人,包括全向旋翼系统、机身、机械臂、电源系统、缓冲装置以及末端执行装置;
所述全向旋翼系统采用四旋翼平台、四个横向推进系统、四个横向推进系统分别对称设置在机身四周,呈十字形分布;
所述机械臂位于机身下方,执行作业状态时从所述机身的下方伸出进行作业;
所述缓冲装置介于所述机械臂的末端与可替换的所述末端执行装置之间,当空中作业系统与目标物体接触时,达到缓冲的目的;
所述末端执行装置位于所述缓冲装置末端,用于与目标物体进行接触。
优选地,所述全向旋翼系统包括伺服驱动模块、与伺服驱动模块相连的动力装置以及控制模块;
其中所述的全向旋翼系统用于当全向空中作业系统执行作业任务时,控制模块控制伺服驱动模块驱动四个升力系统负责提供升力达到目标高度,驱动四个横向推进系统用于提供到达目标位置。
优选地,所述机械臂包括前臂、后臂、关节舵机、机械臂底座,当所述全向旋翼系统到达指定的位置上时,所述机械臂从机身下方伸出进行作业;
其中,所述后臂一端与所述的机械臂底座链接,后臂另一端与前臂相连,前臂的一端与缓冲装置相连,所述机械臂底座与所述机身固连,与所述关节舵机用于对机械臂的各个关节的运动进行控制,以驱动所述的执行装置达到指定位置。
优选地,所述缓冲装置采用柔性接触连接器,利用特殊控制算法来控制力矩抑制作业过程扰动对空中作业机器人的干扰。
优选地,所述电源系统包括分电板与稳压模块,其中所述的分电板一共10个接口,其中一个总电源接口与电池相连,剩余的9个接口,8个与电机电调相连,用于驱动电机电调,一个接口与所述稳压模块相连,用于给舵机供电。
优选地,所述缓冲装置包括:上固定板、下固定板、柔性弹簧、上下固定板支撑架,其中所述的上固定板与所述机械臂相连,所述下固定板与执行装置相连,上固定板与下固定板之间用上下固定板支撑架相连,柔性弹簧套在上下固定板支撑架外围。
优选地,所述末端执行装置使清洗刷、喷涂头、粉刷轮、钻孔器之间随意转换。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、本发明采用四个全向驱动电机,在需要平行移动时,可以不牺牲飞行姿态,空中作业机器人采用有线电源接口与自配锂电池两种供电方式,可以解决无人机飞行时间短等问题;
2、本发明的作业机器人采用机械臂末端执行器使清洗刷、喷涂头、粉刷轮、钻孔器之间随意转换,特别地柔性接触连接器采用特殊控制算法来控制力矩抑制作业过程扰动对空中作业机器人的干扰。
本发明设计巧妙,空中作业能力极强,可全向驱动的空中作业机器人,不仅可以提升效率,而且在一定程度上具有较强的抗干扰性能,使得在空中作业时具有良好的稳定性。
附图说明
图1为本发明所提供的空中作业机器人的结构示意图;
图2为本发明所提供的空中作业机器人的全驱飞行平台结构示意图;
图3为本发明所提供的空中作业机器人的机械臂结构示意图;
图4为本发明所提供的空中作业机器人的柔性接触连接器结构示意图;
图5为本发明所提供的空中作业机器人的电子控制结构框图;
图6为本发明所提供的空中作业机器人的程序控制框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
实施例
本发明提出的一种空中作业机器人,包括全向旋翼系统100、机械臂200、缓冲装置300、末端执行装置400。
全向旋翼系统100如图2所示,其包括平台机架、旋翼系统、防护罩,为机器人提供空中作业升力、全向移动驱动力与环境交互和扰动的补偿力/矩。其中平台机架由机架上板111与机架下板112为主体构成,四个旋翼连杆113装配于机架上下板之间,通过螺丝将板角与旋翼连杆末端固定。控制系统装配盒114位于机架上板111上方,电源装配板115位于机架上下板间,机械臂装配板116固定于机架下板112。主电机121通过主升力电机装配件123分别固定于旋翼连杆113末端,主升力转桨122安装于主电机上,主升力电子调速器124位于旋翼连杆上方、全向电机125在平台上下板边缘正中位置,通过全向电机装配件127与机架上下板边缘固定,全向转桨126安装于全向电机上,全向电子调速器128位于机架上板111下方。防护罩与旋翼连杆113链接。全向电机125、全向转桨126为本发明提供全向驱动力,防护罩为机器人提供安全保障。
机械臂200如图3所示,其主体由电机、电机连杆组成,机架连接件210在机架下板112正中间并连接机架下板112与关节1动连接件222,关节1静连接件221与关节1电机240相配套连接,关节1静连接件221囊括关节1电机并与关节1动连接件222连接,关节1连杆230上端连接关节1静连接件221,下端连接关节2电机装配件250中的关节2动连接件252,关节2静连接件251与关节2电机270相配套连接,关节2静连接件251囊括关节2电机并与关节2动连接件252连接,关节2连杆260上端连接关节2静连接251,下端连接关节3电机装配件280中的关节3动连接件282,关节3静连接件281与关节3电机290相配套连接,关节3静连接件281囊括关节3电机并与关节3动连接件连接,关节3连杆2A0与缓冲装置300相连,显然,双关节也是本文所述实施例,基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在未经创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属本发明保护范围。
缓冲装置300如图4所示,其主要包括柔性弹簧310、上固定板320、下固定板330、上下固定板支撑架340、舵机350、其中上固定板320正中间与机械臂200关节3连杆290通过螺丝互相固定,上下板支撑架340通过螺丝固定上、下固定板,柔性弹簧310缠绕在上下固定板支撑架340外围,舵机350固定在下固定板330正中间,当无人机触碰目标物体时,柔性弹簧310压缩受力,缓冲掉接触目标物体瞬间的惯性力,使无人机更安全的工作。
末端执行装置400使清洗刷、喷涂头、粉刷轮、钻孔器之间随意转换,末端执行装置400与下固定板330连接,根据不同作业任务末端执行装置400结构不尽相同,可包括清洗刷、喷涂头、粉刷轮、钻孔器,本实施例中仅以清洗刷为例描述,末端执行装置400为清洗刷,由电动机、清洗刷、连接件构成,电动机通过连接件连接清洗刷,可执行清洗的任务,例如清洗光伏电池板、玻璃。
本发明的空中作业机器人还包括电子控制系统、程序控制系统:
电子控制系统框图如图5所示,其主要包括主控制器510、地面站520、运动控制器530、电子调速器540、无刷直流电机550、视觉模块560、GPS 570、姿态传感器580、机械臂系统590;其中主控制器510为stm32f407vet6单片机,主频为168MHz,在实际使用过程中,姿态传感器580可以精确的测量出平台的姿态信息。比如姿态角、姿态角速度等信息,再将姿态信息传递给主控制器510,通过主控制器510控制空中作业机器人的姿态平稳。视觉模块560可以实时检测运动信息,视觉模块560将运动信息传递给主控制器510,通过主控制器510控制空中作业机器人进行高精度的室内定点悬停。GPS 570模块可检测空中作业机器人的位置信息,再将GPS 570检测的位置信息传递给主控制器510,通过主控制器510控制空中作业机器人达到作业需求位置。地面站520跟主控制器510使用局域网通信,通过地面站520规划好空中作业机器人的任务航迹,对空中作业机器人的作业过程中飞行状况进行实时监控和修改任务设置,作业任务完成后对空中作业机器人的作业记录进行回放分析。主控制器510将上述的各种信息通过串口通信给运动控制器530,运动控制器530按照主控制器510传递的信息指令控制机械臂系统590与电子调速器540,机械臂系统590各个关节按照运动控制器530指令执行相应的动作,电子调速器540控制无刷直流电机550执行相应的指令,用来满足作业需求。
程序控制系统如图6所示,其工作原理为:制导系统分别给定空中作业平台期望信号,空中作业平台期望姿态信号以及机械臂期望信号,通过位置自抗扰控制器计算出水平四桨与升力四桨的拉力进而计算出电机转速,通过电机转速产生的不同的力来控制控制作业平台的高度以及空中作业平台的水平移动,姿态控制利用了一种Backsteping神经网络控制器,该算法可以提高空中作业平台的高姿态控制精度,在传统的Basksteping算法的基础上引入神经网络补偿项,可以提升姿态控制的控制性能上限,进而满足对空中作业机器人的高姿态精度要求,对于机械臂控制,由于其末端执行器的受力存在时变且无规律的情况,所以模型信息不容易确定,所以选用对模型信息要求相对比较低的PID控制器,来完成对机械臂的控制。
本发明中电源系统用于对机器人提供电力资源,可采用无线充电或可拆卸式电源嵌入机器人上,来保证机器人正常工作,电源系统包括分电板与稳压模块,其中所述的分电板一共10个接口,其中一个总电源接口与电池相连,剩余的9个接口,8个与电机电调相连,用于驱动电机电调,一个接口与所述稳压模块相连,用于给舵机供电。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种空中作业机器人,其特征在于,包括全向旋翼系统、机身、机械臂、电源系统、缓冲装置以及末端执行装置;
所述全向旋翼系统采用四旋翼平台、四个横向推进系统、四个横向推进系统分别对称设置在机身四周,呈十字形分布;
所述机械臂位于机身下方,执行作业状态时从所述机身的下方伸出进行作业;
所述缓冲装置介于所述机械臂的末端与可替换的所述末端执行装置之间,当空中作业系统与目标物体接触时,达到缓冲的目的;
所述末端执行装置位于所述缓冲装置末端,用于与目标物体进行接触。
2.根据权利要求1所述的一种空中作业机器人,其特征在于,所述全向旋翼系统包括伺服驱动模块、与伺服驱动模块相连的动力装置以及控制模块;
其中所述的全向旋翼系统用于当全向空中作业系统执行作业任务时,控制模块控制伺服驱动模块驱动四个升力系统负责提供升力达到目标高度,驱动四个横向推进系统用于提供到达目标位置。
3.根据权利要求1所述的一种空中作业机器人,其特征在于,所述机械臂包括前臂、后臂、关节舵机、机械臂底座,当所述全向旋翼系统到达指定的位置上时,所述机械臂从机身下方伸出进行作业;
其中,所述后臂一端与所述的机械臂底座链接,后臂另一端与前臂相连,前臂的一端与缓冲装置相连,所述机械臂底座与所述机身固连,与所述关节舵机用于对机械臂的各个关节的运动进行控制,以驱动所述的执行装置达到指定位置。
4.根据权利要求3所述的一种空中作业机器人,其特征在于,所述缓冲装置采用柔性接触连接器,利用特殊控制算法来控制力矩抑制作业过程扰动对空中作业机器人的干扰。
5.根据权利要求1所述的一种空中作业机器人,其特征在于,所述电源系统包括分电板与稳压模块,其中所述的分电板一共10个接口,其中一个总电源接口与电池相连,剩余的9个接口,8个与电机电调相连,用于驱动电机电调,一个接口与所述稳压模块相连,用于给舵机供电。
6.根据权利要求1所述的一种空中作业机器人,其特征在于,所述缓冲装置包括:上固定板、下固定板、柔性弹簧、上下固定板支撑架,其中所述的上固定板与所述机械臂相连,所述下固定板与执行装置相连,上固定板与下固定板之间用上下固定板支撑架相连,柔性弹簧套在上下固定板支撑架外围。
7.根据权利要求1所述的一种空中作业机器人,其特征在于,所述末端执行装置使清洗刷、喷涂头、粉刷轮、钻孔器之间随意转换。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210601 |
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |