CN113146649B - 一种用于控制直升机驾驶杆的直升机驾驶机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于直升机驾驶机器人领域，涉及一种用于控制直升机驾驶杆的直升机驾驶机器人系统包括同步带伺服机构和Z向补偿连接装置；同步带伺服机构包括X向运动组件和Y向运动组件；所述X向运动组件包括第一电机、两个X向同步带、两个X向滑轨和两个X向滑块；所述Y向运动组件包括第二电机、Y向同步带和Y向滑块；所述Z向补偿连接装置包括万向节构件、Z向滑轨和Z向滑块；Z向滑轨固连于Y向滑块；Z向滑块与Z向滑轨滑动连接；万向节构件一端与Z向滑块连接，另一端与直升机驾驶杆连接。本发明可以减小驾驶机器人系统体积，降低控制复杂度，减少实现控制时延，实现机器人控制直升机驾驶杆，为进一步实现直升机无人化提供基础。

Description

一种用于控制直升机驾驶杆的直升机驾驶机器人系统

技术领域

本发明属于直升机驾驶机器人领域，特别涉及一种用于控制直升机驾驶杆的直升机驾驶机器人系统。

背景技术

直升机驾驶机器人是一种新型的有人直升机无人化方法。直升机驾驶机器人可以安装在驾驶舱内并通过机器人执行机构控制直升机操纵机构，实现机器人驾驶有人直升机。这种无人化方法不需要改装原有直升机，因此大大降低了直升机无人化成本，同时增强了有人直升机的应用灵活性。

直升机驾驶机器人执行机构需要连接直升机操纵机构末端实现飞行驾驶，驾驶机器人通过控制直升机驾驶杆，控制直升机的俯仰运动和滚转运动，其控制精度要求和灵敏度要求很高。此外，由于直升机驾驶舱空间有限，驾驶机器人伺服机构不仅需要满足直升机驾驶杆控制精度、力度和灵敏度要求，还要保证伺服机构体积较小，能够装入驾驶舱且不与直升机其他机构发生干涉。然而，常规的舵机杆连接驱动方式在控制力度上局限较大；使用多自由度机械臂虽然可以满足力度、精度要求，但是其所占空间过大，不易于驾驶舱内安装。

另外，直升机驾驶杆末端运动空间在一曲面内，如果采用常规的机器人伺服机构末端直接连接直升机驾驶杆末端的方法，就需要机器人计算出驾驶杆末端在曲面内的目标位置，然后伺服机构在XYZ三个方向都给出位移。但这种方法存在复杂的目标位置解算过程，也可能使得机器人伺服机构卡顿，使得驾驶机器人控制困难。

最后，常规的驾驶机器人驾驶直升机的控制流程复杂，首先需要将驾驶机器人携带的飞控计算机给出的PWM信号转换为直升机驾驶杆纵向控制量和横向控制量，然后根据纵向控制量和横向控制量求出驾驶杆末端期望位置，再根据驾驶杆末端期望位置解算驾驶机器人伺服机构各关节或电机的输出指令，最后驾驶机器人伺服机构根据输出指令驱动伺服电机完成驾驶杆控制。这个过程由于包含信号转换过程和位置解算过程，会使得驾驶机器人伺服存在较大延时，影响机器人控制效果。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种用于控制直升机驾驶杆的直升机驾驶机器人系统，适用于中小型直升机。本发明旨在合理设计直升机驾驶杆的驾驶机器人伺服机构和控制方法，减小驾驶机器人系统体积，降低控制复杂度，减少实现控制时延，实现机器人控制直升机驾驶杆，为进一步实现直升机无人化提供基础。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于控制直升机驾驶杆的直升机驾驶机器人系统，所述直升机驾驶杆布置于直升机驾驶座正前方，定义直升机纵轴方向为X向、横轴方向为Y向、高度方向为Z向；所述机器人系统包括同步带伺服机构和Z向补偿连接装置；

所述同步带伺服机构包括X向运动组件和Y向运动组件；所述X向运动组件包括第一电机、两个X向同步带、两个X向滑轨和两个X向滑块；所述两个X向同步带沿X向延伸，分别布置于直升机驾驶座的左右两侧且相互平行；所述第一电机的输出端同时与所述两个X向同步带的输入端连接；所述两个X向滑轨分别连接于所述两个X向同步带下方；所述两个X向滑块分别与所述两个X向滑轨滑动连接，且分别固连于所述两个X向同步带上方；所述Y向运动组件包括第二电机、Y向同步带和Y向滑块；所述第二电机的输出端与所述Y向同步带的输入端连接；所述Y向同步带沿Y向延伸且两端分别与所述两个X向滑块固连，所述Y向滑块固连于所述Y向同步带上；

所述Z向补偿连接装置包括万向节构件、Z向滑轨和Z向滑块；所述Z向滑轨沿Z向延伸且固连于所述Y向滑块；所述Z向滑块与所述Z向滑轨滑动连接；所述万向节构件一端与所述Z向滑块连接，另一端与直升机驾驶杆连接。

在一些实施方式中，所述机器人系统包括机身箱体，所述机身箱体包括后板、两个侧板、顶板、底板、两个支撑平台以及两个夹持固定组件；所述底板平放于直升机驾驶座上；所述两个支撑平台分别布置于所述两个侧板外侧，所述两个X向同步带分别固连于所述两个支撑平台上面；两个夹持固定组件分别安装于所述两个侧板外侧底部，用于夹持直升机驾驶座两侧。

在一些实施方式中，各夹持固定组件包括敞口底座框和大头螺钉；所述敞口底座框具有前板、背板和倾斜底板，所述背板固连于所述机身箱体的侧板外侧底部，所述倾斜底板相对于所述机身箱体的侧板向下向外延伸；所述大头螺钉延伸穿过所述倾斜底板，且头部朝向直升机驾驶座且与直升机驾驶座两侧挤压接触。

在一些实施方式中，所述X向运动组件包括同轴连杆，所述第一电机的输出端与所述同轴连杆的一端固连，所述两个X向同步带的输入端均与所述同轴连杆固连；所述同轴连杆上连接有轴承，所述机身箱体后板设有凹槽，所述凹槽和所述轴承的外壳配合装配。

在一些实施方式中，包括用于监视所述同步带伺服机构的工作情况和用于读取直升机驾驶舱显示面板的视觉感知模块，所述视觉感知模块布置在所述机身箱体的顶板中央上方。

在一些实施方式中，包括腿部结构，所述腿部结构一端连接于所述机身箱体的底板，另一端与直升机驾驶舱底部接触。

在一些实施方式中，所述机身箱体由铝合金板制成；所述机身箱体内部布置有直升机飞控计算机硬件和供电电源。

在一些实施方式中，所述万向节构件包括驾驶杆套圈、万向节以及万向节安装板；所述驾驶杆套圈与直升机驾驶杆夹持连接，其延伸末端连接所述万向节；所述万向节通过所述万向节安装板固定安装于所述Z向滑块上。

在一些实施方式中，各X向滑块通过转向连接件与所述Y向同步带连接；所述转向连接件具有π形横截面，其中底部翼缘与各X向滑块连接，横向侧面与所述Y向同步带底座固连。

本发明还提供了一种上述用于控制直升机驾驶杆的直升机驾驶机器人系统的直升机驾驶杆控制方法，包括如下步骤：

步骤1：通过飞控计算机给出俯仰通道控制量的PWM信号和滚转通道控制量的PWM信号；

步骤2：将俯仰通道PWM信号输入给第一电机，第一电机同时驱动两个X向同步带运动，实现Y向同步带和X向滑块在X向的运动；

步骤3：将滚转通道PWM信号传输给第二电机，第二电机驱动Y向同步带，实现Y向滑块在Y向内的运动，从而操纵直升机驾驶杆在XY平面内运动。

本发明的有益效果：

1)本发明针对直升机驾驶杆设计了同步带伺服机构，不仅可以满足直升机驾驶杆的灵敏度、精度和力度控制要求，且结构体积小、安装和固定方法简单，特别适用于驾驶舱空间较小的中小型直升机，可以在不改装原有直升机的前提下完成直升机驾驶杆伺服控制；

2)本发明设计了一种Z向补偿连接装置，由Z向滑块和万向节消去驾驶杆末端在Z方向的运动自由度，驾驶机器人伺服机构只需给出XY平面内的伺服控制即可控制驾驶杆，大大降低了控制复杂度；

3)本发明的驾驶机器人伺服控制方法可以将飞行控制计算机给出的PWM直接传递给同步带伺服步进电机，步进电机输出转角转换为横向同步带滑块位置输出实现直升机驾驶杆操纵。因此，本发明的驾驶机器人伺服控制方法省去了信号转换过程和复杂的伺服机构运动学解算过程，大大降低了驾驶机器人伺服控制中的控制时延，可以显著提高驾驶机器人控制效果。

附图说明

图1是本发明实施例的直升机驾驶机器人示意图；

图2是本发明实施例的直升机驾驶机器人在直升机驾驶舱内的安装图；

图3是本发明实施例的直升机驾驶机器人的机身箱体示意图；

图4是本发明实施例的直升机驾驶机器人的同步带伺服机构示意图；

图5是本发明实施例的直升机驾驶机器人的Z向补偿连接装置示意图。

附图中：

10-直升机驾驶舱；20-直升机驾驶座；30-直升机驾驶杆；40-直升机驾驶舱显示面板；

1-机身箱体；11-后板；11a-凹槽；12-侧板；13-顶板；14-底板；15-支撑平台；16-夹持固定组件16；160-敞口底座框；1601-前板；1602-背板；1603-倾斜底板；161-大头螺钉；

2-同步带伺服机构；211-第一电机、212-同轴连杆；212a-滚轴轴承；213-X向同步带；214-X向滑轨；215-X向滑块；216-转向连接件；221-第二电机；222-Y向同步带；223-Y向滑块；

3-Z向补偿连接装置；31-驾驶杆套圈；32-万向节；33-万向节安装板；34-Z向滑块；35-Z向滑轨；36-Z向滑轨安装板；

4-视觉感知模块；

5-腿部结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。此外，为方便说明，定义直升机纵轴方向为X向、横轴方向为Y向、高度方向为Z向。

如图1所示，本实施例提供的用于控制直升机驾驶杆的直升机驾驶机器人系统，包括机身箱体1、同步带伺服机构2、Z向补偿连接装置3、视觉感知模块4、腿部结构5。如图2所示，机身箱体1安装固定在直升机驾驶舱10的直升机驾驶座20上。特别地，本实施例主要涉及一种典型的中小型直升机驾驶舱，其中直升机驾驶杆30布置在直升机驾驶座20正前方，通过同步带伺服机构2连接Z向补偿连接装置3操纵直升机驾驶杆30。视觉感知模块4用于监视同步带伺服机构2的工作情况，也可以用于读取直升机驾驶舱显示面板40。腿部结构5根部安装在机身箱体1底部，末端接触直升机驾驶舱10底部，用于支撑机身箱体1，同时使得驾驶机器人系统重心前移，增加同步带伺服机构2的稳定性。

如图3所示，移除机身箱体的前板，以为直升机驾驶杆30操纵提供更大空间。如图所示，机身箱体1包括后板11、两个侧板12、顶板13、底板14、两个支撑平台15以及两个夹持固定组件16。底板14平放于直升机驾驶座20上。两个支撑平台15分别布置于两个侧板12外侧，用于支撑同步带伺服机构2。两个夹持固定组件16分别安装于两个侧板12外侧底部，用于夹持直升机驾驶座20两侧。在本实施例中，各夹持固定组件16包括上面开放的敞口底座框160和两个大头螺钉161。敞口底座框160具有前板1601、背板1602和倾斜底板1603，其中背板1602固连于机身箱体1的侧板12外侧底部，倾斜底板1603相对于机身箱体1的侧板12向下向外延伸。大头螺钉161依次延伸穿过倾斜底板1603和前板1602，且头部朝向直升机驾驶座20且与直升机驾驶座20两侧挤压接触，以将驾驶机器人系统稳固安装在直升机驾驶座20上。

优选地，机身箱体1由铝合金板制成。此外，可以在机身箱体1内部布置直升机飞控计算机硬件和供电电源等设备。

如图4所示，同步带伺服机构2包括X向运动组件和Y向运动组件。X向运动组件包括第一电机211、同轴连杆212、两个X向同步带213、两个X向滑轨214和两个X向滑块215。如图所示，两个X向同步带213沿X向延伸，分别布置于直升机驾驶座20的左右两侧且相互平行。第一电机211采用步进电机，其输出端通过联轴器与同轴连杆212的一端固连，同轴连杆212同时与两个X向同步带213的输入端固连，使得第一电机211可以同时驱动两个X向同步带213。在本实施中，在同轴连杆212上安装两个滚轴轴承212a，同时在机身箱体1的后板11上设置凹槽11a，并将该凹槽11a配置成与两个滚轴轴承212a的外壳配合装配，使得同轴连杆212可以对机身箱体1起到支撑作用。两个X向滑轨214分别连接于两个X向同步带213下方，两个X向滑块215分别与两个X向滑轨214滑动连接，且分别固连于两个X向同步带213上方。

Y向运动组件包括第二电机221、Y向同步带222和Y向滑块223。第二电机221的输出端通过联轴器与Y向同步带222的输入端连接，Y向同步带222沿Y向延伸且两端分别与两个X向滑块215固连，Y向滑块223固连于Y向同步带222上。在本实施例中，X向滑块215通过转向连接件216与Y向同步带222连接，其中转向连接件216具有π形横截面，其底部翼缘固连在X向滑块215上，横向侧面与Y向同步带222底座固连。

本实施例的同步带伺服机构2用于控制直升机驾驶杆30，主要包括一条Y向同步带222和两条X向同步带213，X向滑块215通过转向连接件216推动Y向同步带222在X方向运动，Y向滑块223通过Z向补偿连接装置3连接直升机驾驶杆30，Y向滑块223由Y向同步带222控制实现在Y方向内运动，最终实现平面内的两自由度伺服。

如图5所示，Z向补偿连接装置3包括驾驶杆套圈31，万向节32、万向节安装板33、Z向滑块34、Z向滑轨35和Z向滑轨安装板36。驾驶杆套圈31夹持直升机驾驶杆30，套圈延伸末端连接万向节32。万向节32通过万向节安装板33固连在Z向滑块34上。Z向滑块34在Z向滑轨35上自由滑动，Z向滑轨35固定在Y向滑块223上且沿Z向延伸。由于直升机驾驶杆30末端运动轨迹在一曲面内，因此驾驶机器人系统的伺服机构需要在XYZ方向均给出运动自由度，本实施例采用Z向补偿连接装置可以使得连接直升机驾驶杆30的Z向滑块34在Z方向随动，从而消去了直升机驾驶杆30末端在Z方向的运动自由度，由此可以显著降低伺服机构的控制复杂度。

视觉感知模块4包括头盔以及位置头盔内的摄像头，用于监视所述同步带伺服机构的工作情况和用于读取直升机驾驶舱显示面板40。在本实施例中，视觉感知模块4布置在机身箱体1的顶板13中央上方。

本发明的直升机驾驶机器人系统的伺服控制方法是通过飞控计算机给出俯仰通道控制量的PWM信号和滚转通道控制量的PWM信号，其中将俯仰通道PWM信号输入给第一电机211，第一电机211通过同轴连杆212驱动X向同步带213运动，实现Y向同步带222和Y向滑块223在X方向的运动。将滚转通道PWM信号传输给第二电机221，第二电机221驱动Y向同步带222，实现Y向滑块223在Y方向内的运动。综上，Y向滑块223连接直升机驾驶杆30，在同步带伺服机构2驱动下操纵直升机驾驶杆30在XY平面内运动，实现驾驶机器人系统控制直升机驾驶杆。

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“外侧”、“上方”、“外”、“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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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)

1.一种用于控制直升机驾驶杆的直升机驾驶机器人系统，所述直升机驾驶杆布置于直升机驾驶座正前方，定义直升机纵轴方向为X向、横轴方向为Y向、高度方向为Z向；其特征在于，所述机器人系统包括同步带伺服机构和Z向补偿连接装置；

所述同步带伺服机构包括X向运动组件和Y向运动组件；所述X向运动组件包括第一电机(211)、两个X向同步带(213)、两个X向滑轨(214)和两个X向滑块(215)；所述两个X向同步带(213)沿X向延伸，分别布置于直升机驾驶座的左右两侧且相互平行；所述第一电机(211)的输出端同时与所述两个X向同步带(213)的输入端连接；所述两个X向滑轨(214)分别连接于所述两个X向同步带(213)下方；所述两个X向滑块(215)分别与所述两个X向滑轨(214)滑动连接，且分别固连于所述两个X向同步带(213)上方；所述Y向运动组件包括第二电机(221)、Y向同步带(222)和Y向滑块(223)；所述第二电机(221)的输出端与所述Y向同步带(222)的输入端连接；所述Y向同步带(222)沿Y向延伸且两端分别与所述两个X向滑块(215)固连，所述Y向滑块(223)固连于所述Y向同步带(222)上；

所述Z向补偿连接装置包括万向节构件、Z向滑块(34)和Z向滑轨(35)；所述Z向滑轨(35)沿Z向延伸且固连于所述Y向滑块(223)；所述Z向滑块(34)与所述Z向滑轨(35)滑动连接；所述万向节构件一端与所述Z向滑块(34)连接，另一端与直升机驾驶杆连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括机身箱体(1)，所述机身箱体(1)包括后板(11)、两个侧板(12)、顶板(13)、底板(14)、两个支撑平台(15)以及两个夹持固定组件(16)；所述底板(14)平放于直升机驾驶座上；所述两个支撑平台(15)分别布置于所述两个侧板(12)外侧，所述两个X向同步带(213)分别固连于所述两个支撑平台(15)上面；两个夹持固定组件(16)分别安装于所述两个侧板(12)外侧底部，用于夹持直升机驾驶座两侧。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，各夹持固定组件(16)包括敞口底座框(160)和大头螺钉(161)；所述敞口底座框(160)具有前板(1601)、背板(1602)和倾斜底板(1603)，所述背板(1602)固连于所述机身箱体(1)的侧板(12)外侧底部，所述倾斜底板(1603)相对于所述机身箱体(1)的侧板(12)向下向外延伸；所述大头螺钉(161)延伸穿过所述倾斜底板(1603)，且头部朝向直升机驾驶座且与直升机驾驶座两侧挤压接触。

4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述X向运动组件包括同轴连杆(212)，所述第一电机(211)的输出端与所述同轴连杆(212)的一端固连，所述两个X向同步带(213)的输入端均与所述同轴连杆(212)固连；所述同轴连杆(212)上连接有轴承，所述机身箱体(1)的后板(11)设有凹槽(11a)，所述凹槽(11a)和所述轴承的外壳配合装配。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，包括用于监视所述同步带伺服机构的工作情况和用于读取直升机驾驶舱显示面板的视觉感知模块(4)，所述视觉感知模块(4)布置在所述机身箱体(1)的顶板(13)中央上方。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，包括腿部结构(5)，所述腿部结构(5)一端连接于所述机身箱体(1)的底板(14)，另一端与直升机驾驶舱底部接触。

7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述机身箱体(1)由铝合金板制成；所述机身箱体(1)内部布置有直升机飞控计算机硬件和供电电源。

8.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述万向节构件包括驾驶杆套圈(31)、万向节(32)以及万向节安装板(33)；所述驾驶杆套圈(31)与直升机驾驶杆夹持连接，其延伸末端连接所述万向节(32)；所述万向节(32)通过所述万向节安装板(33)固定安装于所述Z向滑块(34)上。

9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，各X向滑块(215)通过转向连接件与所述Y向同步带(222)连接；所述转向连接件(216)具有π形横截面，其中底部翼缘与各X向滑块(215)连接，横向侧面与所述Y向同步带(222)底座固连。

10.一种根据权利要求1-9之一所述的系统的直升机驾驶杆控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：通过飞控计算机给出俯仰通道控制量的PWM信号和滚转通道控制量的PWM信号；

步骤2：将俯仰通道PWM信号输入给第一电机(211)，第一电机(211)同时驱动两个X向同步带(213)运动，实现X向滑块(215)和Y向同步带(222)在X向的运动；

步骤3：将滚转通道PWM信号传输给第二电机(221)，第二电机(221)驱动Y向同步带(222)，实现Y向滑块(223)在Y向内的运动，从而操纵直升机驾驶杆在XY平面内运动。

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