CN113479327B - 一种搭载双纵向主动伸缩机械臂的空中作业机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种搭载自平衡机械臂的空中作业机器人，包括飞行平台、固连于飞行平台下方的自平衡伸缩系统、与自平衡伸缩系统连接的机械臂、固连于飞行平台下方与机械臂连接的固定杆、连接于机械臂前端的作业系统以及连接于机械臂末端的供机械臂和作业系统工作的供电系统。本发明的自平衡伸缩系统可根据飞行平台的姿态角自动伸缩来保持机械臂的水平或特定作业状态，结构简单，控制方便，远程操作，操作安全性高，清理漂浮物效率高，解决了现有技术中机械臂随飞行平台姿态角变化无法维持水平或特定姿态稳定作业的问题。

Description

一种搭载双纵向主动伸缩机械臂的空中作业机器人
技术领域
本发明涉及一种搭载双纵向主动伸缩机械臂的空中作业机器人，属于架空线缆漂浮物清理装置技术领域。
背景技术
近年来，因高空漂浮物缠绕在架空线路上而引起的输电线路通道被破坏的事件时有发生，例如线路之间的短接、线路负担增加等。高空漂浮物对输电线路的影响严重威胁到输电线路的运行安全，是目前输电线路通道存在的一种安全隐患。为此，各级电力部门每年都要投入大量的人力、物力与财力对辖区内的架空线缆进行清理整治。目前的线缆漂浮物清理主要通过人工清理，安全性差、作业效率低且有一定的局限性；而采用无人机携带机械臂作业装置对漂浮物进行清除的方式虽然优点很多，但是传统的机械臂与无人机固连的方式，使得机械臂特定姿态作业状态会随着无人机俯仰角变化而改变。
因此，亟需研制一种可对架空线缆进行自动清理的空中作业机器人，其搭载的机械臂能够始终保持水平或特定姿态作业状态不因无人机俯仰角变化而改变，且结构应当简单，控制要方便。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供一种搭载双纵向主动伸缩机械臂的空中作业机器人，根据无人机俯仰角的变化，自动调整伸缩杆的长度，从而保持机械臂始终在水平或特定姿态作业，同时可通过更换多种作业工具完成不同作业场景的作业需求。
本发明采取的技术方案为：一种搭载自平衡机械臂的空中作业机器人，包括飞行平台、固连于飞行平台下方的自平衡伸缩系统、固连于飞行平台下方的固定杆、连接于固定杆末端的转动支架、通过管夹与转动支架连接的机械臂、连接机械臂前端的作业系统、连接于机械臂末端供机械臂和作业系统工作的供电系统，管夹两端带有转轴，可绕转动支架旋转。
优选的，上述自平衡伸缩系统，包括连接于飞行平台下方的安装板、固定在安装板上的舵机、安装在舵机上的舵机臂、与舵机臂连接的连接臂、穿过安装板上的限位孔与连接臂连接的往复杆、固定在安装板上的自平衡控制器，往复杆末端连接转动支架，并通过管夹与机械臂连接。
优选的，自平衡控制器通过蓝牙连接上述飞行平台的飞行控制器，实时获取飞行平台的姿态角，自平衡控制器依据飞行平台的姿态角变化，通过PID控制算法，控制舵机带动往复杆自动往复运动来保持机械臂始终在水平或特定姿态作业。
优选的，上述飞行平台在不同姿态下，上述自平衡伸缩系统的控制方法如下：
当空中机器人姿态水平时，舵机臂和机械臂也处在水平状态，如图2所示，自平衡控制器通过蓝牙实时获取飞行平台俯仰角数据,通过PID控制算法，控制舵机转动舵机臂带动往复杆往复运动，使之自动跟随飞行平台的俯仰角变化，从而保持机械臂的水平状态；
设空中机器人俯仰角大于0时，俯仰角为Y1，偏差量E1＝Y1-0；俯仰角大于0时，俯仰角为Y2，偏差量E2＝0-Y2，空中机器人姿态从水平变化到某一角度的时间为T，自平衡控制器控制舵机的控制量为L，PID的比例系数为kp,积分系数为ki,微分系数为kd，舵机臂的旋转角度为±90°；
当空中机器人俯仰角大于0时，飞机抬头，如图3所示，由PID控制算法，可得：
此时，舵机臂逆时针向下旋转，随着俯仰角Y2变大，往复杆向下运动，从而保持机械臂水平；
当空中机器人俯仰角小于0时，飞机低头，如图4所示，由PID控制算法，可得：
此时，舵机臂顺时针向上旋转，随着俯仰角Y2变大，往复杆向上运动，从而保持机械臂水平。
优选的，上述舵机也可以换成减速电机。
优选的，上述固定杆与自平衡伸缩系统固定在飞行平台下的前后位置可互换。
优选的，上述作业系统可根据场景需求更换不同的作业工具，包含但不限于机械爪、剪刀、锯片、螺丝刀和钩子。
优选的，上述飞行平台为左右对称布局的多旋翼飞行器，不局限于任意固定已知的四、六、八多旋翼。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：
1)本发明采用自平衡机械臂结构，可使作业系统始终保持水平或特定姿态作业，不受飞行平台姿态影响，避免飞机因姿态角变化带来的干扰，远程操作，操作安全性高，清理漂浮物效率高；
2)自平衡机械臂结构简单，控制方便；
3)作业系统可根据实地更换作业工具，满足不同场景的不同作业需求。
附图说明
图1为空中机器人的总体结构示意图；
图2为空中机器人水平状态结构示意图；
图3为空中机器人抬头状态结构示意图；
图4为空中机器人低头状态结构示意图；
图5为空中机器人自平衡伸缩系统结构示意图；
图中，1—飞行平台，2—自平衡伸缩系统，3—固定杆，4—转动支架，5—机械臂管夹，6—机械臂，7—供电系统，8—作业系统；
201—固定板，202—舵机，203—舵机臂，204—连接臂，205—往复杆，206—自平衡控制器。
具体实施方式
下面，结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例1：如图1～图5所示，一种搭载自平衡机械臂的空中作业机器人，包括飞行平台1、固连于飞行平台1下方的自平衡伸缩系统2、固连于飞行平台1下方的固定杆3、连接于固定杆3末端的转动支架4、通过管夹5与转动支架4连接的机械臂6、连接机械臂6前端的作业系统8、连接于机械臂末端供机械臂6和作业系统8工作的供电系统7，管夹5两端带有转轴，可绕转动支架旋转。
优选的，上述自平衡机械臂系统2，包括连接于飞行平台1下方的安装板201、固定在安装板201上的舵机202、安装在舵机202上的舵机臂203、与舵机臂连接的连接臂204、穿过安装板上的限位孔与连接臂连接的往复杆205、固定在安装板上的自平衡控制器206，往复杆205末端连接转动支架4，并通过管夹5与机械臂6连接，自平衡控制器206电连接到舵机202。
优选的，上述自平衡控制器206通过蓝牙连接上述飞行平台1的飞行控制器，自平衡控制器206实时获取飞行平台的姿态角，自平衡控制器依据飞行平台的姿态角通过PID算法，控制舵机带动往复杆205自动往复运动来保持机械臂始终在水平状态作业。
优选的，上述舵机202也可以换成减速电机。
优选的，上述固定杆3与自平衡伸缩系统2固定在飞行平台1下的前后位置可互换。
优选的，上述作业系统8可根据场景需求更换不同的作业工具，包含但不限于机械爪、剪刀、锯片、螺丝刀和钩子，作业工具电连接到飞行控制器，通过飞行控制器驱动机械爪、剪刀、锯片、螺丝刀等工作。
优选的，上述飞行平台1为左右对称布局的多旋翼飞行器，不局限于任意固定已知的四、六、八多旋翼。
实施例2：如图2～图5所示，飞行平台1在不同姿态下，自平衡伸缩系统的控制方法如下：
当空中机器人姿态水平时，舵机臂203和机械臂6也处在水平状态，如图2所示，自平衡控制器通过蓝牙实时获取飞行平台俯仰角数据,通过PID控制算法，控制舵机202转动舵机臂203带动往复杆205往复运动，使之自动跟随飞行平台的俯仰角变化，从而保持机械臂6的水平状态。
设空中机器人俯仰角大于0时，俯仰角为Y1，偏差量E1＝Y1-0；俯仰角大于0时，俯仰角为Y2，偏差量E2＝0-Y2，空中机器人姿态从水平变化到某一角度的时间为T，自平衡控制器206控制舵机202的控制量为L，PID的比例系数为kp,积分系数为ki,微分系数为kd，舵机臂203的旋转角度为±90°。
当空中机器人俯仰角大于0时，飞机抬头，如图3所示，由PID控制算法，可得：
此时，舵机臂203逆时针向下旋转，随着俯仰角Y2变大，往复杆205向下运动，从而保持机械臂水平。
当空中机器人俯仰角小于0时，飞机低头，如图4所示，由PID控制算法，可得：
此时，舵机臂203顺时针向上旋转，随着俯仰角Y2变大，往复杆205向上运动，从而保持机械臂水平。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式实例，本发明的保护范围并不局限于此。熟悉该技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易找到变化或替换方式，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。为此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种搭载双纵向主动伸缩机械臂的空中作业机器人，其特征在于：包括飞行平台(1)、固连于飞行平台(1)下方的自平衡伸缩系统(2)和固定杆(3)、连接于固定杆(3)末端的转动支架(4)、通过管夹(5)与转动支架(4)连接的机械臂(6)、连接于机械臂(6)前端的作业系统(8)、连接于机械臂末端供机械臂(6)和作业系统(8)工作的供电系统(7)，所述管夹(5)两端带有转轴，可绕转动支架(4)旋转；自平衡伸缩系统(2)包括连接于飞行平台(1)下方的安装板(201)、固定在安装板(201)上的舵机(202)、安装在舵机(202)上的舵机臂(203)、与舵机臂连接的连接臂(204)、穿过安装板上的限位孔与连接臂连接的往复杆(205)、固定在安装板上的自平衡控制器(206)，往复杆(205)末端连接转动支架(4)，转动支架(4)通过管夹(5)与机械臂(6)连接；
所述自平衡控制器实时获取飞行平台的姿态角，自平衡控制器依据飞行平台的姿态角变化，通过控制算法，控制舵机带动往复杆(205)自动往复运动来保持机械臂始终在水平或特定姿态状态作业，自平衡伸缩系统具体控制方法如下：
当空中作业机器人姿态水平时，舵机臂(203)和机械臂(6)也处在水平状态，自平衡控制器通过蓝牙实时获取飞行平台俯仰角数据,通过PID控制算法，控制舵机(202)转动舵机臂(203)带动往复杆(205)往复运动，使之自动跟随飞行平台的俯仰角变化，从而保持机械臂(6)的水平状态；
设空中作业机器人俯仰角大于0时，俯仰角为Y1，偏差量E1＝Y1-0；俯仰角大于0时，俯仰角为Y2，偏差量E2＝0-Y2，空中作业机器人姿态从水平变化到某一角度的时间为t，自平衡控制器(206)控制舵机(202)的控制量为L，PID的比例系数为kp,积分系数为ki,微分系数为kd，舵机臂(203)的旋转角度为±90°；
当空中作业机器人俯仰角大于0时，飞机抬头，由PID控制算法，得：
此时，舵机臂(203)逆时针向下旋转，随着俯仰角Y2变大，往复杆(205)向下运动，从而保持机械臂水平；
当空中作业机器人俯仰角小于0时，飞机低头，由PID控制算法，得：
此时，舵机臂(203)顺时针向上旋转，随着俯仰角Y2变大，往复杆(205)向上运动，从而保持机械臂水平。
2.根据权利要求1所述的一种搭载双纵向主动伸缩机械臂的空中作业机器人，其特征在于：自平衡控制器(206)与舵机(202)电连接，并通过蓝牙连接飞行平台(1)的飞行控制器。
3.根据权利要求1所述的一种搭载双纵向主动伸缩机械臂的空中作业机器人，其特征在于：舵机(202)替换为减速电机。
4.根据权利要求1所述的一种搭载双纵向主动伸缩机械臂的空中作业机器人，其特征在于：固定杆(3)与自平衡伸缩系统(2)固定在飞行平台(1)下的前后位置能够互换。
5.根据权利要求1所述的一种搭载双纵向主动伸缩机械臂的空中作业机器人，其特征在于：作业系统(8)包括机械爪、剪刀、锯片、螺丝刀和钩子。
6.根据权利要求1所述的一种搭载双纵向主动伸缩机械臂的空中作业机器人，其特征在于：飞行平台(1)为左右对称布局的多旋翼飞行器。
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