CN113119085A - 一种直升机飞行驾驶机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞行器技术领域，公开了一种直升机飞行驾驶机器人系统，包括机身挂架、机身底板、伺服机构、机器人控制箱和视觉感知模块，所述伺服机构包括六自由度机械手、舵机机械臂和舵机机械腿。机身挂架安装于驾驶舱座位上，并内部具有容置机器人控制箱的空间；机身底板平放于直升机驾驶舱座位上；六自由度机械手用于控制直升机驾驶杆；舵机机械臂用于控制直升机总距杆；舵机机械腿用于控制直升机方向舵；视觉感知模块用于监视驾驶舱环境和舱外视景。本发明的机器人系统可以安装在直升机驾驶舱内，通过连接机器人执行机构和直升机操纵机构来独立飞行驾驶直升机，并且可以实现在不改装直升机的情况下直升机有人/无人模式的快速切换。

Description

一种直升机飞行驾驶机器人系统

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，特别涉及一种直升机飞行驾驶机器人系统。

背景技术

现有的有人飞行器无人化方法主要对有人飞行器进行改装，拆卸飞行器驾驶舱内操伺服机构，将飞控计算机接入飞行器控制系统，通过修改飞行器控制回路实现有人飞行器无人化和自动驾驶飞行。这种改装过程往往是不可逆的，且改造成本很大。相比之下，采用飞行器驾驶机器人的方式，将驾驶机器人安装在驾驶舱内并通过机器人执行机构控制飞行器操纵机构实现机器人驾驶有人飞行器，可以实现在不改装原有飞行器的前提下实现飞行器有人/无人模式快速、可逆切换，既可以独立驾驶飞行器，也可以辅助人类飞行员协同驾驶。

飞行器驾驶机器人作为一种新型的航空飞行器无人化设备，可以独立驾驶飞行器，目前国内尚无成熟可用的驾驶机器人系统方案。已有的驾驶机器人主要为汽车驾驶机器人，其广泛用于汽车研发和里程测试等场景。但汽车驾驶和飞行器操纵区别很大，其设计方法无法直接适用于飞行器驾驶机器人。

此外，驾驶机器人执行机构需要连接飞行器操纵机构末端实现飞行驾驶，直升机各操纵机构的工作空间、控制精度要求、响应速度要求差别大，使用单一的伺服方式难以满足直升机操纵驾驶要求，且机器人各执行机构间易产生干涉。并且不同型号直升机的驾驶舱布置和操纵机构位置也不相同，对于直升机驾驶机器人，传统的集成化的机器人设计方法会使其无法拓展应用到其他型号的直升机，适应性较差。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在合理设计一套直升机飞行驾驶机器人系统，使其可以安装在直升机驾驶舱内，通过连接机器人执行机构和直升机操纵机构来独立飞行驾驶直升机，并且该直升机驾驶机器人可以实现在不改装直升机的情况下直升机有人/无人模式的快速切换。

为实现上述目的，本发明提供了一种直升机飞行驾驶机器人系统，包括机身挂架、机身底板、伺服机构、机器人控制箱和视觉感知模块，所述伺服机构包括六自由度机械手、舵机机械臂和舵机机械腿；

所述机身挂架安装于直升机驾驶舱座位靠背前侧，并且所述机身挂架内部具有容置所述机器人控制箱的空间；所述机身底板平放于直升机驾驶舱座位上且连接于所述机身挂架底端；所述六自由度机械手的底座连接于所述机身底板或所述机身挂架右侧，机械手末端连接于直升机驾驶杆；所述舵机机械臂包括第一舵机、第一臂和第二臂；所述第一舵机固连于所述机身挂架左侧；所述第一臂一端与所述第一舵机固连，另一端与所述第二臂一端固连；所述第二臂另一端与直升机总距杆固连；所述舵机机械腿包括第二舵机、第三臂和第四臂；所述第二舵机固连于所述机身底板左侧；所述第三臂一端与所述第二舵机固连，另一端与所述第四臂一端铰接连接；所述第四臂另一端与直升机方向舵固连；

所述机器人控制箱内置飞行控制模块和机器人伺服控制模块；所述机器人控制箱设有多个接口，所述多个接口包括电源接口、上位机接口、网卡接口和USB接口；所述电源接口用于连接外部电源为所述飞行控制模块和所述机器人伺服控制模块供电；所述上位机接口用于连接所述六自由度机械手并向其发送关节位置和运动指令；所述网卡接口用于连接计算机进行控制软件调试；所述USB接口用于调试所述六自由度机械手的控制脚本；

所述视觉感知模块包括驾驶舱环境监视摄像头和舱外视景监视摄像头，所述驾驶舱环境监视摄像头用于监视所述伺服机构的工作状态；所述舱外视景监视摄像头用于监视驾驶舱外部视景。

在一些实施方式中，所述机身挂架包括前板、后板、L形支撑板、插板以及侧板；所述后板与直升机驾驶舱座位靠背前侧贴合，所述前板和所述后板相互平行，两者顶端通过横梁连接、底端通过连接板连接，所述机器人控制箱容置于所述前板和所述后板之间且底部置于所述连接板上；所述前板和所述后板两者左侧上端均设有通孔且两个通孔中心线重合，所述侧板通过延伸穿过所述两个通孔的棒状体连接于所述机身挂架左侧，所述舵机机械臂一端与所述侧板连接；所述L形支撑板的竖直端固连于所述连接板下方，平行端平放于直升机驾驶舱座位上；所述插板固连于所述L形支撑板的弯折处且竖直插入直升机驾驶舱座位内部。

在一些实施方式中，所述机身底板包括底板、机械手安装板和圆形侧板；所述底板连接安装于所述L形支撑板的平行端上；所述机械手安装板与所述底板右侧连接，所述六自由度机械手的底座与所述机械手安装板固连；所述圆形侧板与所述底板左侧连接；所述舵机机械腿一端与所述圆形侧板连接。

在一些实施方式中，所述机身底板包括延伸板，所述延伸板一端固连于所述底板右侧，另一端与所述机械手安装板连接；所述延伸板从所述底板右侧延伸至驾驶舱座位右侧下方。

在一些实施方式中，所述底板上设有用于调整所述机身底板与所述机身挂架相对位置的多个螺栓孔。

在一些实施方式中，所述第一臂另一端沿长度方向设有与所述第二臂固连的多个螺栓孔。

在一些实施方式中，所述第四臂另一端沿长度方向设有与所述直升机方向舵固连的多个螺栓孔。

在一些实施方式中，所述机身底板和所述机身挂架之间具有用于存放电源和线路布置的空间。

在一些实施方式中，所述机器人控制箱左右两侧具有多空结构，并且其中一侧设有散热孔；所述机身挂架具有镂空结构，且设有用于将所述机器人系统固定安装于直升机驾驶舱内的多个螺栓孔。

在一些实施方式中，所述机器人控制箱包括图像接收机和图像采集卡，所述驾驶舱环境监视摄像头布置在所述机身挂架顶部右侧，用于采集所述六自由度机械手的图像并无线传送至所述图像接收机，之后利用所述图像采集卡传输至所述机器人伺服控制模块，所述机器人伺服控制模块基于所述图像检测出所述六自由度机械手工作状态异常时，所述机器人伺服控制模块将切断和重启所述机器人系统；

所述的舱外视景监视摄像头设置于多轴视觉云台上，所述多轴视觉云台布置在所述机身挂架顶部中间。

本发明的有益效果：

1)本发明的直升机驾驶机器人系统可以在不改变原有直升机的前提下，直接安装到有人直升机驾驶舱内，通过机器人驾驶直升机实现快速、可逆的有人机无人化驾驶，从而降低了有人机无人化的改造时间和成本，实现了直升机有人/无人模式快速切换；

2)本发明的直升机驾驶机器人系统根据直升机的驾驶杆、总距杆和方向舵操纵机构的特点分别设计了不同的驾驶机器人执行机构，可以满足直升机操纵机构控制精度要求、灵敏度要求和力度要求，且占用空间小，结构重量小，各执行机构间不会发生干涉；

3)本发明的直升机驾驶机器人系统包含视觉感知模块，可以分别监视直升机驾驶舱外部视景和驾驶舱内环境工作状态，并将图像信息实时返回给驾驶机器人控制计算机，确保直升机飞行过程中发生应急情况时机器人可以及时给出应急对策和控制；

4)本发明的直升机驾驶机器人系统采用模块化设计方法，机器人机身结构和各伺服控制机构可以根据不同型号的直升机驾驶舱环境更改其安装位置和操纵机构连接位置，因此本发明的直升机驾驶机器人系统适应性强，可以推广应用到不同型号直升机。

附图说明

图1是本发明实施例的直升机飞行驾驶机器人系统结构示意图；

图2是本发明实施例的直升机飞行驾驶机器人系统在直升机驾驶舱内的安装图；

图3是本发明实施例的机身挂架结构示意图；

图4是本发明实施例的机身底板结构示意图；

图5是本发明实施例的舵机机械臂安装图；

图6是本发明实施例的舵机机械腿安装图；

图7是本发明实施例的机器人控制箱结构示意图；

图8是本发明实施例的视觉感知模块放大示意图。

附图中：

10-直升机驾驶舱座位；20-直升机驾驶杆；30-直升机总距杆；40-直升机方向舵；50-直升机驾驶舱面板；

1-机身挂架；11-前板；12-后板；13-L形支撑板；14-插板；15-侧板；

2-机身底板；21-底板；22-延伸板；23-机械手安装板；24-圆形侧板；

3-六自由度机械手；

4-舵机机械臂；41-第一舵机；42-第一臂；43-第二臂；

5-舵机机械腿；51-第二舵机；51-第三臂；53-第四臂；

6-机器人控制箱；61-电源接口；62-上位机接口；63-网卡接口；64-USB接口；65-控制箱开箱锁；66-散热孔；

7-视觉感知模块；71-驾驶舱环境监视摄像头；72-舱外视景监视摄像头；73-多轴视觉云台。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-2所示，本实施例提供的直升机驾驶机器人系统包括机身挂架1、机身底板2、六自由度机械手3、舵机机械臂4、舵机机械腿5、机器人控制箱6和视觉感知模块7，其中，六自由度机械手3、舵机机械臂4和舵机机械腿5构成了机器人系统的伺服机构。机身挂架1和机身底板2安装嵌入到直升机驾驶舱座位10上，六自由度机械手3控制直升机驾驶杆20，舵机机械臂4控制直升机总距杆30，舵机机械腿5控制直升机方向舵40，视觉感知模块7用于监视直升机舱外视景和舱内工作仪表及伺服机构的工作情况。

如图3所示，机身挂架1包括前板11、后板12、L形支撑板13、插板14以及侧板15。如图所示，后板12与直升机驾驶舱座位10靠背前侧贴合，前板11和后板12相互平行，两者顶端通过横梁连接、底端通过连接板连接。前板11和后板12之间形成容置机器人控制箱6的空间，且机器人控制箱6底部位于连接板上。L形支撑板13的竖直端固连于连接板下方，平行端平放于直升机驾驶舱座位10上。在本实施例中，插板14为两个三角形薄板，其固连于L形支撑板13的弯折处且竖直插入(嵌入)直升机驾驶舱座位10内部。在本实施例中，前板11和后板12两者左侧上端均设有通孔且两个通孔中心线重合，侧板15通过延伸穿过两个通孔的棒状体连接于机身挂架1左侧，用于安装和连接舵机机械臂4。

优选地，前板11和后板12表面采用镂空设计，以减小机器人系统的整体质量和给出线路连接空间。另外，前板11和后板12上分别设计多处螺栓孔，以将机器人系统的机身结构安装和固定在直升机驾驶舱内。

如图4所示，机身底板2包括底板21、延伸板22、机械手安装板23 和圆形侧板24。底板21平放连接安装于L形支撑板13的平行端上，有利地，底板21上设有多个大口径螺栓孔，用于调整机身底板2和机身挂架 1的L形支撑板13的连接位置，使其适用于不同型号直升机驾驶舱。在本实施例中，延伸板22一端固连于底板21右侧，另一端与机械手安装板 23连接，并且延伸板22从机身底板2右侧延伸至驾驶舱座位右侧下方。机械手安装板23用于安装和固定六自由度机械手3，六自由度机械手3的底座与机械手安装板23固连，机械手末端连接和操控直升机驾驶杆20，如图5所示。圆形侧板24固连于底板21的左侧，用于安装和和固定舵机机械腿5。

特别地，机身底板2和机身挂架1之间具有可以用于存放电源和线路布置的空间。

由于直升机在飞行过程中需要随时调整驾驶杆来控制直升机的俯仰运动和横滚运动，直升机驾驶杆20控制精度要求和灵敏度要求很高，且其末端运动空间在一曲面内，本发明的六自由度机械手3可以实现空间曲面内的高精度、高灵敏度的运动控制。特别地，本发明的六自由度机械手3可以根据不同型号的直升机驾驶舱安装在不同位置：对于驾驶舱空间较小的小型直升机，六自由度机械臂3底座可以直接安装在底板21 右侧；对于驾驶舱右侧有物件遮挡的直升机，六自由度机械臂3底座可安装在机身挂架1右侧。

如图6所示，舵机机械臂4包括第一舵机41、第一臂42和第二臂 43。其中，第一舵机41与侧板15固连，第一臂42一端与第一舵机41 固连，另一端与第二臂43一端固连，第二臂43另一端连接和控制直升机总距杆30。直升机总距杆30主要控制直升机的升降运动，对应总距杆30的上提和放下，并且直升机总距杆30末端运动轨迹在一平面内，且只包含一个自由度。本实施例采用舵机连臂驱动方式体积小，灵敏度高，适用于总距杆控制。有利地，第一臂41沿长度方向设计多个螺栓孔，用于根据不同总距杆30位置调整与第二臂42的连接安装位置，使得本机器人系统可适用于不同型号直升机驾驶舱。

如图7所示，舵机机械腿5包括第二舵机51、第三臂52和第四臂53；其中，第二舵机51与机身底板2左侧的圆形侧板24固连；第三臂52一端与第二舵机52固连，另一端与第四臂53一端自由铰接连接；第四臂53另一端与直升机方向舵30固连。直升机方向舵控制直升机航向运动，方向舵末端轨迹运动空间在一平面内，且只包含一个自由度，本发明采用舵机连杆驱动方式体积小、灵敏度高，适用于方向舵控制。此外，由于本发明针对的直升机左右两边方向舵是联动的，因此只需控制其中一个方向舵就可以实现控制直升机航向运动。有利地，第四臂53沿长度方向设计多个螺栓孔，可以根据不同方向舵位置调整与第四臂53的连接安装位置，使得本发明可适用于不同型号直升机驾驶舱。

本实施例的机器人控制箱6内置飞行控制模块、机器人伺服控制模块、图像接收机和图像采集卡，并且侧面上设有电源接口61、网卡接口62、上位机接口63、USB接口64和控制箱开箱锁65，如图8所示。其中，电源接口61用于连接外部电源为飞行控制模块和机器人伺服控制模块供电。网卡接口62用于连接计算机进行控制软件调试。上位机接口63用于连接六自由度机械手3并向其发送关节位置和运动指令，六自由度机械手3根据机器人控制箱6给出的上位机信号操纵直升机驾驶杆20。USB接口64 用于调试六自由度机械手3的控制脚本。优选地，机器人控制箱6侧边设计散热孔66并且两侧均采用多空设计，以提高计算机散热水平。在本实施例中，机器人控制箱6外壳材料为铝合金板，以保证结构强度和高度。

如图8所示，视觉感知模块7包括驾驶舱环境监视摄像头71和舱外视景监视摄像头72。本实施例中，驾驶舱环境监视摄像头71布置在机身挂架1顶部右侧，主要用于采集六自由度机械手3的图像并无线传送至机器人控制箱6中的图像接收机，之后利用图像采集卡传输至机器人伺服控制模块，机器人伺服控制模块基于接收到的图像检测出六自由度机械手3 的工作状态异常时，将切断和重启机器人系统。舱外视景监视摄像头72 安装在多轴视觉云台73上，主要用于监视驾驶舱外部视景，并通过图传链路传输给飞控计算机。本实施例将多轴视觉云台73布置在机身挂架1顶部中间，使得舱外视景监视摄像头72可以在直升机飞行过程中监视驾驶舱前方和两侧的视景。

综上，首先，本发明的直升机驾驶机器人系统采用模块化设计，机器人各执行机构相对独立，也可以根据不同型号的直升机驾驶舱调整机器人机身和执行机构安装、连接位置，实用性高、适应性强。其次，本发明的直升机驾驶机器人根据直升机各操纵机构特点分别设计了机器人执行机构，可以保证机器人执行机构能够满足直升机操纵机构的控制精度要求和灵敏度要求的基础上减小了机器人的体积和所占空间。最后，本发明的驾驶机器人配置视觉感知模块，可以在飞行过程中同时检测直升机驾驶舱外部视景和驾驶舱内机器人工作情况，为驾驶机器人安全飞行驾驶提供了多一重保障。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“左侧”、“右侧”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直升机飞行驾驶机器人系统，其特征在于，包括机身挂架(1)、机身底板(2)、伺服机构、机器人控制箱(6)和视觉感知模块(7)，所述伺服机构包括六自由度机械手(3)、舵机机械臂(4)和舵机机械腿(5)；

所述机身挂架(1)安装于直升机驾驶舱座位靠背前侧，并且所述机身挂架(1)内部具有容置所述机器人控制箱(6)的空间；所述机身底板(2)平放于直升机驾驶舱座位上且连接于所述机身挂架(1)底端；所述六自由度机械手(3)的底座连接于所述机身底板(2)或所述机身挂架(1)右侧，机械手末端连接于直升机驾驶杆；所述舵机机械臂(4)包括第一舵机(41)、第一臂(42)和第二臂(43)；所述第一舵机(41)固连于所述机身挂架(1)左侧；所述第一臂(42)一端与所述第一舵机(41)固连，另一端与所述第二臂(43)一端固连；所述第二臂(43)另一端与直升机总距杆固连；所述舵机机械腿(5)包括第二舵机(51)、第三臂(52)和第四臂(53)；所述第二舵机(51)固连于所述机身底板(2)左侧；所述第三臂(52)一端与所述第二舵机(51)固连，另一端与所述第四臂(53)一端铰接连接；所述第四臂(53)另一端与直升机方向舵固连；

所述机器人控制箱(6)内置飞行控制模块和机器人伺服控制模块；所述机器人控制箱(6)设有多个接口，所述多个接口包括电源接口(61)、上位机接口(62)、网卡接口(63)和USB接口(64)；所述电源接口(61)用于连接外部电源为所述飞行控制模块和所述机器人伺服控制模块供电；所述上位机接口(62)用于连接所述六自由度机械手(3)并向其发送关节位置和运动指令；所述网卡接口(63)用于连接计算机进行控制软件调试；所述USB接口(64)用于调试所述六自由度机械手(3)的控制脚本；

所述视觉感知模块(7)包括驾驶舱环境监视摄像头(71)和舱外视景监视摄像头(72)，所述驾驶舱环境监视摄像头(71)用于监视所述伺服机构的工作状态；所述舱外视景监视摄像头(72)用于监视驾驶舱外部视景。

2.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，所述机身挂架(1)包括前板(11)、后板(12)、L形支撑板(13)、插板(14)以及侧板(15)；所述后板(12)与直升机驾驶舱座位靠背前侧贴合，所述前板(11)和所述后板(12)相互平行，两者顶端通过横梁连接、底端通过连接板连接，所述机器人控制箱(6)容置于所述前板(11)和所述后板(12)之间且底部置于所述连接板上；所述前板(11)和所述后板(12)两者左侧上端均设有通孔且两个通孔中心线重合，所述侧板(15)通过延伸穿过所述两个通孔的棒状体连接于所述机身挂架(1)左侧，所述舵机机械臂(4)一端与所述侧板(15)连接；所述L形支撑板(13)的竖直端固连于所述连接板下方，平行端平放于直升机驾驶舱座位上；所述插板(14)固连于所述L形支撑板(13)的弯折处且竖直插入直升机驾驶舱座位内部。

3.根据权利要求2所述的机器人系统，其特征在于，所述机身底板(2)包括底板(21)、机械手安装板(23)和圆形侧板(24)；所述底板(21)连接安装于所述L形支撑板(13)的平行端上；所述机械手安装板(23)与所述底板(21)右侧连接，所述六自由度机械手(3)的底座与所述机械手安装板(23)固连；所述圆形侧板(24)与所述底板(21)左侧连接；所述舵机机械腿(5)一端与所述圆形侧板(24)连接。

4.根据权利要求3所述的机器人系统，其特征在于，所述机身底板(2)包括延伸板(22)，所述延伸板(22)一端固连于所述底板(21)右侧，另一端与所述机械手安装板(23)连接；所述延伸板(22)从所述底板(21)右侧延伸至驾驶舱座位右侧下方。

5.根据权利要求1-4之一所述的机器人系统，其特征在于，所述底板(21)上设有用于调整所述机身底板(2)与所述机身挂架(1)相对位置的多个螺栓孔。

6.根据权利要求1-4之一所述的机器人系统，其特征在于，所述第一臂(42)另一端沿长度方向设有与所述第二臂(43)固连的多个螺栓孔。

7.根据权利要求1-4之一所述的机器人系统，其特征在于，所述第四臂(53)另一端沿长度方向设有与所述直升机方向舵固连的多个螺栓孔。

8.根据权利要求1-4之一所述的机器人系统，其特征在于，所述机身底板(2)和所述机身挂架(1)之间具有用于存放电源和线路布置的空间。

9.根据权利要求1-4之一所述的机器人系统，其特征在于，所述机器人控制箱(6)左右两侧具有多空结构，并且其中一侧设有散热孔(66)；所述机身挂架(1)具有镂空结构，且设有用于将所述机器人系统固定安装于直升机驾驶舱内的多个螺栓孔。

10.根据权利要求1-4之一所述的机器人系统，其特征在于，所述机器人控制箱(6)包括图像接收机和图像采集卡，所述驾驶舱环境监视摄像头(71)布置在所述机身挂架(1)顶部右侧，用于采集所述六自由度机械手(3)的图像并无线传送至所述图像接收机，之后利用所述图像采集卡传输至所述机器人伺服控制模块，所述机器人伺服控制模块基于所述图像检测出所述六自由度机械手(3)工作状态异常时，所述机器人伺服控制模块将切断和重启所述机器人系统；

所述的舱外视景监视摄像头(72)设置于多轴视觉云台(73)上，所述多轴视觉云台(73)布置在所述机身挂架(1)顶部中间。

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