CN113443161A - 一种无人机回收方法、系统、控制终端、处理终端 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无人机助降回收技术领域，公开了一种无人机回收方法、系统、控制终端、处理终端，所述无人机回收系统，包括3‑RPS并联机械手总成、底部滚珠丝杠驱动收纳总成和平面可增力柔性对称夹持器。本发明提供的无人机回收系统中，3‑RPS并联闭链结构具有高刚度，且因无误差累积效应而提高了无人机回收精度；回收装置收纳总成位于并联机械手底部，采用滚珠丝杠驱动，实现并联机械手三条支链处于近平躺状态；柔性夹持器由变结构对称增力夹紧机构和柔性夹爪组成。本发明可推广应用到其他领域，诸如踝关节康复辅助训练、高架果类采摘等，故其前景大，适用性广，同时能够在非结构化动态环境下提高无人机回收自动化程度和安全平稳性，并快速准确地重复性起降。
Description
技术领域
本发明属于无人机助降回收技术领域，尤其涉及一种无人机回收方法、系统、控制终端、处理终端。
背景技术
目前，无人机技术在信息、控制、传感、人工智能等技术迅速发展的支持下，已被广泛应用到众多领域，诸如军事、农业等领域的航拍取景、测绘侦察、物流运输等空中作业任务。遗憾的是，关于无人机发生在回收过程中的故障却占据总故障的80%以上，因此无人机的安全平稳回收也成为评价其性能的一项重要指标。无人机现有的回收方式主要有伞降回收、撞网回收、绳钩回收等。然而，无人机在非结构化动态环境中降落安全回收措施仍存有一些缺陷，譬如无人机降落产生的振动冲击力大而未缓冲导致无人机损伤、因未实现自动化致使人力成本损耗大、动态恶劣环境下回收困难。同时，现有无人机的回收方式的安全性不高，无人机降落无缓冲措施致使回收失败；未实现自动化自主回收，仅依靠人力回收，且不精准可靠；普适性不强，在非结构化动态环境下，回收存有难度。因此，亟需一种新的无人机回收系统解决尚存问题。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
（1）现有的无人机的回收方式安全性不高，无人机降落产生的振动冲击力大，无缓冲措施致使回收失败，导致无人机损伤。
（2）现有的无人机的回收方式未实现自动化自主回收，仅依靠人力回收，成本损耗大，且不精准可靠。
（3）现有的无人机的回收方式普适性不强，在非结构化动态环境下，回收存有难度。
解决以上问题及缺陷的难度为：无人机降落冲击力要实现柔顺控制；无人机回收须平稳安全降落，且末端执行器与无人机的重心须保持平缓降落；从适用环境特征、无人机自身特征等多方面提高回收系统的普适性，实现非结构化动态环境下的目标物辨识、运动系统控制。
解决以上问题及缺陷的意义为：本发明从精准性、高效性、平稳性和安全性等方面优化设计了基于视觉和力觉复合助降的无人机回收系统，在非结构化动态环境下，有效提高无人机回收自动化程度、工作效率和安全平稳回收效果，降低人力成本损耗和回收故障率。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无人机回收方法、系统、控制终端、处理终端，尤其涉及一种基于视觉和力觉复合助降的无人机回收方法、系统、控制终端、处理终端。
本发明是这样实现的，一种无人机回收系统，所述无人机回收系统设置有：
3-RPS并联机械手总成；
底部滚珠丝杠驱动收纳总成；
平面可增力柔性对称夹持器。
进一步，所述3-RPS并联机械手总成由三条相同的串联支链、滑座和末端执行器组成。
其中，所述三条相同的支链由转动铰、电动缸和空间三自由度复合铰组成，且分别处在基座的各叶片中线上；所述串联支链底部为转动铰，三条支链的转动铰轴线之间夹角为120°，且与外接圆相切均布；所述转动铰上连有电动缸；所述电动缸与末端执行器间连有空间三自由度复合铰连接和力传感器。
进一步，所述空间三自由度复合铰由胡克铰和转动铰串联组合而成。其中，所述胡克铰下部与电动缸连接，转动铰同时连接末端执行器和胡克铰上部，胡克铰上下部采用连接块连接，连接块使得胡克铰上下两部分的转动轴线平行产生距离；所述转动铰绕末端执行器表面垂直方向转动。
进一步，所述3-RPS并联机械手总成装有力传感器、角度传感器和工业双目相机，根据实时采集到的数据，通过终端反馈控制，分别用于实现缓冲无人机降落的冲击力、末端执行器自平衡功能和精确捕捉识别无人机位姿信息。
进一步，所述底部滚珠丝杠驱动收纳总成由三组滚珠丝杠、三个小锥齿轮和一个大锥齿轮组成。
其中，所述大锥齿轮处于基座整体底部中心位置且通过轴承转动及轴向固定件安装于基座上；所述三组滚珠丝杠之间成120°夹角均匀分布在中间大锥齿轮周围，且各组滚珠丝杠上的小锥齿轮与中间大锥齿轮啮合形成齿轮副；其中一组滚珠丝杠装有电机驱动，使中间大齿轮转动，从而可带动其他两组滚珠丝杠以相同的运动形式使3-RPS并联机械手底部滑移，达到助降装置完成任务后收纳而不占用空间且重心低的目的。
进一步，所述底部滚珠丝杠驱动收纳总成外部设有防护罩，用于保护滚珠丝杠和锥齿轮等精密仪器防尘，且其内设有导杆，使得滑座在电动缸锁死时保持平行滑移；所述底部滚珠丝杠驱动收纳总成的底部设有似平面三扇均布桨叶的基座，用于安装在外界移动承载体上。
进一步，所述平面可增力柔性对称夹持器由对称的六连杆、一对十字轴滑块、圆柱形导轨、直线导轨和小电动推杆组成。
其中，所述六连杆由两个第一连杆、两个平行杆和两个第二连杆组成，其中各连杆间用转动副连接；所述十字轴滑块在直线导轨和圆柱形导轨上滑动呈十字方向运动形式；所述小电动推杆与导轨相互垂直固连在权利要求1所述的末端执行器上，其中两连杆处于小电动推杆中轴线对称平行，其余四杆呈菱形形状，形成菱形块双向对称增力结构；所述小电动推杆通过第一支座和第二支座安装于末端执行器底部，其缸体固定端通过转动副同时与两个第一连杆连接，其推杆移动末端通过转动副同时与两个第二连杆连接，实现小电动推杆驱动六连杆菱形块双向对称增力结构；所述两对十字滑块可沿小电动推杆中轴线垂直和平行两个方向同步滑移，且在小电动推杆中轴线垂直方向可同时对称性相向或相背滑动，致使双向合力对称均衡夹紧无人机并处在末端执行器中心线上，保持重心平稳；十字滑块上连有两个柔性夹爪，可双向夹持无人机机架任意方向位置。
本发明的另一目的在于提供一种基于视觉和力觉复合助降的无人机回收控制终端，所述基于视觉和力觉复合助降的无人机回收控制终端搭载所述的无人机回收系统。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的无人机回收系统。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的无人机回收系统，融合并联机构、视觉和力觉助降无人机，包括3-RPS并联机械手总成、回收装置收纳总成和柔性夹持器，所述3-RPS并联闭链结构具有高刚度，且因无误差累积效应而提高了无人机回收精度；所述回收装置收纳总成位于并联机械手底部，采用滚珠丝杠驱动，实现并联机械手三条支链处于近平躺状态；所述柔性夹持器由变结构对称增力夹紧机构和柔性夹爪组成。本发明可推广应用到其他领域，诸如踝关节康复辅助训练、高架果类采摘等，故其前景大，适用性广，能够在非结构化动态环境下提高无人机回收自动化程度和安全平稳性，并快速准确地重复性起降，且可用于非结构化动态环境下（如车载、船载等）无人机捕捉回收领域。
本发明安全性高：采用力觉柔顺控制技术达到无人机降落冲击力的有效缓冲，降低振动产生的破坏，且设计的可增力柔性对称夹持器可抗冲击、受力均衡且保持重心平稳，起到安全保护作用；精度高：采用视觉技术可在全天候环境中精准捕获识别无人机位姿信息；刚度大：采用3-RPS并联机械手提高了无人机抓取和移动的承载能力；普适性强：可在非结构化动态环境下完成无人机回收，且柔性夹持器可夹持无人机任意位置；自动化程度高：搭载的控制终端实现了无人机自主控制回收。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的无人机回收系统的整体结构示意图。
图2是本发明实施例提供的摘除防护罩的整体结构示意图。
图3是本发明实施例提供的空间三自由度复合铰结构示意图。
图4是本发明实施例提供的柔性夹持器结构示意图一。
图5是本发明实施例提供的柔性夹持器结构示意图二。
图6是本发明实施例提供的柔性夹持器结构示意图三。
图7是本发明实施例提供的柔性夹持器机构简图。
图8是本发明实施例提供的3-RPS并联机械手机构简图。
图中：1、3-RPS并联机械手总成；2、柔性夹持器；3、底部滚珠丝杠驱动收纳总成；4、基座；5、防护罩；6、工业双目相机；7、角度传感器；301、电机；302、联轴器；303、电机端支撑座；304、滚珠丝杠；305、丝杠螺母；306、滑座；307、齿轮端支撑座；308、小锥齿轮；309、大锥齿轮；101、转动铰；102、大电动缸；103、力传感器；104、空间三自由度复合铰；105、末端执行器；10401、胡克铰下部；10402、连接块；10403、销轴组件；10404、胡克铰上部；10405、转动铰；201、小电动推杆；202、第一连杆；203、平行杆；204、第二连杆；205、第一支座；206、第二支座；207、第一十字轴滑块；208、第二十字轴滑块；209、直线导轨；210、柔性夹爪；211、圆柱形导轨；212、圆柱形导杆。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无人机回收方法、系统、控制终端、处理终端，下面结合附图和实施例对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于视觉和力觉复合助降的无人机回收系统主要由3-RPS并联机械手总成1、柔性夹持器2和底部滚珠丝杠驱动收纳总成3共三部分组成。基座4用于安装在外界移动承载体上，防护罩5用于保护底部滚珠丝杠驱动收纳总成3中的滚珠丝杠和锥齿轮等精密仪器防尘，且其内设有导杆，使滑座在电动缸锁死时保持平行滑移。
如图2所示，本发明实施例提供的底部滚珠丝杠驱动收纳总成由三组滚珠丝杠304、三个小锥齿轮308和一个大锥齿轮309组成。大锥齿轮309处于整体底部中心位置，三组滚珠丝杠304之间成120°夹角均匀分布在中间大锥齿轮309周围，且各组滚珠丝杠上的小锥齿轮308与中心大锥齿轮309啮合形成齿轮副；中心大锥齿轮309通过轴承转动及轴向固定件安装于基座4上；其中一组滚珠丝杠304装有电机301驱动，依次连接有联轴器302、电机端支撑座303、丝杠螺母305、滚珠丝杠304、齿轮端支撑座307，使中间大齿轮转动，从而通过与丝杠螺母305固连的滑座306带动其他两组滚珠丝杠以相同的运动形式使3-RPS并联机械手底部转动铰101滑移，达到助降装置完成任务后处于收纳近平躺状态而不占用空间且重心低的目的。本发明实施例提供的3-RPS并联机械手总成由三条相同的串联支链、滑座306和末端执行器105组成，三条支链上的电动缸102联合驱动末端执行器105。三条相同的串联支链由转动铰101、电动缸102和空间三自由度复合铰104组成，且分别处在基座4的各叶片中线上；每条支链底部为转动铰101，三条支链的转动铰101轴线之间夹角为120°，且与外接圆相切均布；转动铰101上连有电动缸102；电动缸102与空间三自由度复合铰104间连有力传感器103，用于检测无人机降落产生的冲击力信号，组合成力感知系统，通过检测到的力传感器103受力信号确定动平台受力情况并反馈到控制器，控制器立刻向驱动器发送下一步指令，使电动缸102按冲击力趋势方向伸缩，实现碰撞感知主动柔顺控制功能。当末端执行器105在无人机降落受到冲击力时，通过电动缸102依据冲击力方向趋势平行收缩，以达到缓冲降落冲击力的作用，实现软着陆，为无人机降落起到了强有力的安全保障；空间三自由度复合铰104安装于末端执行器105下端，与末端执行器105通过螺纹连接。柔性夹持器2安装与末端执行器105底端。
如图3所示，本发明实施例提供的空间三自由度复合铰由胡克铰上下两部分10401和10404及转动铰10405串联组合而成，转动铰10405绕末端执行器表面垂直方向转动。胡克铰下部10401与电动缸连接，转动铰10405同时与末端执行器和胡克铰上部10404连接，胡克铰下部10401和胡克铰上部10404采用连接块10402连接，连接块10402使得胡克铰下部10401和胡克铰上部10404的转动轴线平行产生距离，与传统十字汇交连接方式相比，减少了胡克铰上下部间的空间干涉，从而增大了胡克铰转动工作空间，有利于末端执行器大范围实施任务。胡克铰下部10401和胡克铰上部10404与连接块10402采用销轴组件10403连接。
如图4所示，本发明实施例提供的柔性夹持器由对称的六连杆、一对十字轴滑块207和208、直线导轨209、小电动推杆201组成。所述六连杆由两个第一连杆202、两个平行杆203和两个第二连杆204组成，且每相同的连杆关于小电动推杆201的中轴线对称，其中各连杆间用转动副连接；小电动推杆201与直线导轨209相互垂直固连在末端执行器上，其中平行杆处于小电动推杆201中轴线上，且对称平行，其余四杆中第一连杆202和第二连杆204组成菱形块双向对称增力结构；为了节省空间且不产生干涉，小电动推杆201通过第一支座205和第二支座206安装于末端执行器105底部，其缸体固定端通过转动副同时与两个第一连杆202连接，其推杆移动末端通过转动副同时与两个第二连杆204连接，实现小电动推杆201驱动六连杆菱形块双向对称增力结构；第一十字轴滑块207和第二十字轴滑块208可沿小电动推杆201中轴线垂直和平行两个方向同步滑移，且在小电动推杆201中轴线垂直方向可同时对称性相向或相背滑动，致使双向合力对称均衡夹紧无人机并处在末端执行器105中心线上，使重心处于对称线上保持平稳；第一十字轴滑块207和第二十字轴滑块208上连有柔性夹爪210，可夹持无人机机架任意位置。工业双目相机6安装于直线导轨209上，用于视觉准确识别捕捉无人机位置和姿态，以调整3-RPS并联机械手的位姿辅助无人机降落。角度传感器7安装于末端执行器105底部，且处于小电动推杆201的中轴线上，用于实现末端执行器105自调平功能；根据角度传感器7检测末端执行器105的姿态，通过控制电动缸伸缩，使末端执行器105调整至水平状态，以实现无人机降落任务完成后摆正。
如图5所示，为使本发明实施例提供的柔性夹持器结构显得更清楚，形成摘除末端执行器后的结构示意图。
如图6所示，本发明实施例提供的十字轴滑块207和208在直线导轨209和圆柱形导轨211上滑动呈十字运动形式；圆柱形导轨211安装于第二十字轴滑块208上，用于与平行杆203上的圆柱形导杆212滑动，实现了第二十字轴滑块208的导向。
如图7所示，本发明实施例提供的柔性夹持器机构共有10个构件，8个转动副，5个移动副，故其自由度为：
显然，自由度数等于原动件数，故该机构有确定的运动形式。
如图8所示，本发明实施例提供的3-RPS并联机构共有8个构件，3个球铰，3个移动副，3个转动副，无局部自由度，故其自由度为：
为清楚3-RPS并联机构自由度的运动性质，下面基于旋量理论对3-RPS并联机构进行自由度定性定量分析。
第一、二和三条支链运动螺旋分别为：
其中，R表示等边底三角形的外接圆半径，d、e、f分别表示球铰S位置。
根据互易积
，可求得三条支链的约束螺旋分别为
。显然三者线性无关，因此由
求得末端执行器的运动螺旋为：
由运动螺旋物理意义可得，该机构具有分别绕X和Y轴的两个转动自由度和一个沿Z轴的移动自由度，故满足无人机回收所需自由度。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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装置或元件必须具有特定的方位、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，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种无人机回收系统，其特征在于，所述无人机回收系统设置有：
3-RPS并联机械手总成；
底部滚珠丝杠驱动收纳总成；
平面可增力柔性对称夹持器。
2.如权利要求1所述的无人机回收系统，其特征在于，所述3-RPS并联机械手总成由三条相同的串联支链、滑座和末端执行器组成；
其中，所述三条相同的支链由转动铰、电动缸和空间三自由度复合铰组成，且分别处在基座的各叶片中线上；所述串联支链底部为转动铰，三条支链的转动铰轴线之间夹角为120°，且与外接圆相切均布；所述转动铰上连有电动缸；所述电动缸与末端执行器间连有空间三自由度复合铰连接和力传感器；
所述空间三自由度复合铰由胡克铰和转动铰串联组合而成；其中，所述胡克铰下部与电动缸连接，转动铰同时连接末端执行器和胡克铰上部，胡克铰上下部采用连接块连接，连接块使得胡克铰上下两部分的转动轴线平行产生距离；所述转动铰绕末端执行器表面垂直方向转动。
3.如权利要求1所述的无人机回收系统，其特征在于，所述3-RPS并联机械手总成装有力传感器、角度传感器和工业双目相机，根据实时采集到的数据，通过终端反馈控制，分别用于实现缓冲无人机降落的冲击力、末端执行器自平衡功能和精确捕捉识别无人机位姿信息。
4.如权利要求1所述的无人机回收系统，其特征在于，所述底部滚珠丝杠驱动收纳总成由三组滚珠丝杠、三个小锥齿轮和一个大锥齿轮组成；
其中，所述大锥齿轮处于基座整体底部中心位置且通过轴承转动及轴向固定件安装于基座上；所述三组滚珠丝杠之间成120°夹角均匀分布在中间大锥齿轮周围，且各组滚珠丝杠上的小锥齿轮与中间大锥齿轮啮合形成齿轮副；其中一组滚珠丝杠装有电机驱动，使中间大齿轮转动，从而可带动其他两组滚珠丝杠以相同的运动形式使3-RPS并联机械手底部滑移，达到助降装置完成任务后收纳而不占用空间且重心低的目的；
所述底部滚珠丝杠驱动收纳总成外部设有防护罩，用于保护滚珠丝杠和锥齿轮等精密仪器防尘，且其内设有导杆，使得滑座在电动缸锁死时保持平行滑移；所述底部滚珠丝杠驱动收纳总成的底部设有似平面三扇均布桨叶的基座，用于安装在外界移动承载体上。
5.如权利要求1所述的无人机回收系统，其特征在于，所述平面可增力柔性对称夹持器由对称的六连杆、一对十字轴滑块、圆柱形导轨、直线导轨和小电动推杆组成；
其中，所述六连杆由两个第一连杆、两个平行杆和两个第二连杆组成，其中各连杆间用转动副连接；所述十字轴滑块在直线导轨和圆柱形导轨上滑动呈十字方向运动形式；所述小电动推杆与导轨相互垂直固连在权利要求1所述的末端执行器上，其中两连杆处于小电动推杆中轴线对称平行，其余四杆呈菱形形状，形成菱形块双向对称增力结构；所述小电动推杆通过第一支座和第二支座安装于末端执行器底部，其缸体固定端通过转动副同时与两个第一连杆连接，其推杆移动末端通过转动副同时与两个第二连杆连接，实现小电动推杆驱动六连杆菱形块双向对称增力结构；所述两对十字滑块可沿小电动推杆中轴线垂直和平行两个方向同步滑移，且在小电动推杆中轴线垂直方向可同时对称性相向或相背滑动，致使双向合力对称均衡夹紧无人机并处在末端执行器中心线上以保持重心平稳；十字滑块上连有两个柔性夹爪，可双向夹持无人机机架任意方向位置。
6.一种基于视觉和力觉复合助降的无人机回收控制终端，其特征在于，所述基于视觉和力觉复合助降的无人机回收控制终端搭载如权利要求1~5任意一项所述的无人机回收系统。
7.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求1~5任意一项所述的无人机回收系统。
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