CN116215868A - 缆索悬挂式空中机械臂系统及其工作方法 - Google Patents

缆索悬挂式空中机械臂系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种缆索悬挂式空中机械臂系统及工作方法，包括若干钢丝绳和固定架，所述固定架上设有若干用以控制各钢丝绳长度的绞盘装置，所述固定架周部连接有若干向外伸出的旋翼臂，所述旋翼臂上安装有伺服电机A，所述伺服电机A的转轴上连接有旋翼；所述固定架底部安装有机械臂。本发明缆索悬挂式空中机械臂系统设计合理，使用方便，可以悬挂在直升机或大旋翼无人机上使用，自身只需要与环境进行交互而不需要考虑自身重力，通过控制钢丝绳的长度可以完成翻转、俯仰和停留在不同高度，稳定性好，安全性高。

Description

缆索悬挂式空中机械臂系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及无人机空中操作领域，特别是一种缆索悬挂式空中机械臂系统及其工作方法。
背景技术
空中操作是无人机(UAV)在接触应用中最有前景方向之一。空中操作应用于很多场景中，主要包括：各种结构的检查，例如桥梁、电线和管道，高位置建筑物的装修，以及代替人类在危险的场数进行操作，如损坏的核电站的拆除。空中操作领域主要有两个分支：一种是使用特定的卡具(如夹持器)与环境进行特定类型的空中交互。另一个重要的分支是将机械臂(或者多个机械臂)集成到无人机中，通过远程控制机械臂与环境交互。
一般来说，当机械臂集成到无人机中时，机械臂自由度越多在实际应用范围越大，但同时会导致重量过重而大幅度减少了无人机的续航能力和增加无人机的旋翼半径，这种情况对在复杂狭窄的环境中接近任务目标和长时间执行任务比较困难并且不安全。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种稳定性好，安全性高的缆索悬挂式空中机械臂系统及其工作方法，可以悬挂在直升机或大旋翼无人机上使用，有助于保证自身安全的情况下通过机械臂在狭窄复杂的环境中完成操作，进而提高与环境的交互能力。
本发明采用以下方案实现：一种缆索悬挂式空中机械臂系统，包括若干钢丝绳和固定架，所述固定架上设有若干用以控制各钢丝绳长度的绞盘装置，所述固定架周部连接有若干向外伸出的旋翼臂，所述旋翼臂上安装有伺服电机A，所述伺服电机A的转轴上连接有旋翼；所述固定架底部安装有机械臂。
进一步的，其中三个呈三角形分布的旋翼臂为能上下摆动的活动旋翼臂，活动旋翼臂铰接于固定架上，每个活动旋翼臂在靠近铰接端位置设有限位机构。
进一步的，所述限位机构包括由伺服电机B控制摆动的限位卡片，所述直流电机固定连接于活动旋翼臂上，活动旋翼臂旁侧设有限位板上，所述限位板上设有一上一下的两个在活动旋翼臂上摆和下摆时分别与限位卡片卡接配合的限位槽扣。
进一步的，所述三个活动旋翼臂的长度比其他旋翼臂长度长，活动旋翼臂上的伺服电机A位于旋翼臂长度方向上的中部位置，其他旋翼臂上的伺服电机A位于旋翼臂长度方向上的外端部。
进一步的，所述绞盘装置包括钢丝绳导向架和用以缠绕钢丝绳下端并由直流电机驱动转动的绞盘，所述钢丝绳导向架上开设有供钢丝绳穿过的导向孔，钢丝绳导向架上设有用以感应钢丝绳的光纤传感器。
进一步的，所述固定架包括通过肋板连接在一起的顶板和底板，所述机械臂安装于底板下侧并偏离底板中心一定距离；所述限位机构和绞盘装置均位于顶板和底板之间，所有钢丝绳上端向下穿过顶板后连接在一起。
本发明另一技术方案：一种如上所述缆索悬挂式空中机械臂系统的工作方法，工作时，空中机械臂系统通过钢丝绳悬挂在作为承重部分的直升机或大旋翼无人机上使用，由承重部分将空中机械臂系统移动到目标位置并使其悬停在空中；空中机械臂系统通过绞盘装置控制钢丝绳的长度可以使空中机械臂系统完成翻转、俯仰和停留在不同高度，由机械臂开始操作任务并通过控制不同位置的旋翼转动来抵消机械臂在工作时所产生的不同方向的反作用力或者力矩；完成任务下降时，控制活动旋翼臂下摆作为起落架使用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明缆索悬挂式空中机械臂系统采用悬挂式设计，可以悬挂在直升机或大旋翼无人机上使用，自身只需要与环境进行交互而不需要考虑自身重力，稳定性好，安全性高；通过控制钢丝绳的长度可以完成翻转、俯仰和停留在不同高度，有助于保证自身安全的情况下通过机械臂在狭窄复杂的环境中完成操作，进而提高与环境的交互能力。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例使用状态结构简图；
图2是本发明实施例中缆索悬挂式空中机械臂系统结构示意图；
图3是本发明实施例中机械臂操作状态示意图；
图4是本发明实施例中机械臂停车状态结构示意图；
图5是本发明实施例中推进单元的简化模型(1、3、5、7正桨，2、4、6、8、反桨)；
图6是本发明实施例缆索悬挂式空中机械臂系统的结构框图；
图7是本发明实施例缆索悬挂式空中机械臂系统的原理图；
图8是本发明实施例缆索悬挂式空中机械臂系统力矩示意图；
图9是本发明实施例缆索悬挂式空中机械臂系统的级联控制方案图；
图中标号说明：1、钢丝绳；2、顶板；3、伺服电机A；4、旋翼臂；41、活动旋翼臂；5、旋翼；6、底板；7、机械臂；8、肋板；9、连接点；10、质心；11、绞盘；12、直流电机；13、光纤传感器；14、钢丝绳导向架；15、限位槽扣；16、限位卡片；17、伺服电机B。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1～9所示，一种缆索悬挂式空中机械臂系统，包括若干钢丝绳1和固定架，所述固定架上设有若干用以控制各钢丝绳1长度的绞盘装置，所述固定架周部连接有若干向外伸出的旋翼臂4，所述旋翼臂4上安装有伺服电机A3，所述伺服电机A3的转轴上连接有旋翼5；所述固定架底部安装有机械臂7；该空中机械臂系统通过其搭载的机械臂进行空中操作，使机械臂在狭窄和复杂的环境中执行操纵，同时保持缆索悬挂式空中机械臂系统与障碍物的安全距离。整个空中操作平台为两个部分：承重部分和操作部分，本发明缆索悬挂式空中机械臂系统即为操作部分，承重部分给整个空中机械臂系统提供升力来抵消重力，使空中机械臂系统悬停在空中，空中机械臂系统由可控制长度的钢丝绳悬挂在承重部分上并与环境交互；所述承重部分可以是直升机也可以是大旋翼无人机，可以提供稳定的升力和增加续航时间。在工作时，承重部分主要用于将操作部分移动到目标位置，之后它的作用主要是悬停在空中。
该机械臂7为七轴机械臂，机械臂为现有技术，在此不对其结构和原理做具体阐述；此机械臂有两种主要状态：操作和停车。在运输和降落过程时机械臂处于停车配置，在开始任何操作任务时，如拾取和放置钉入孔，机械臂应处于操作配置中；机械臂得末端可以装备合适的卡具适应不同的工作条件。
在本实施例中，其中三个呈三角形分布的旋翼臂4为能上下摆动的活动旋翼臂41，活动旋翼臂41铰接于固定架上，每个活动旋翼臂41在靠近铰接端位置设有限位机构；三个活动旋翼臂可以旋转60°作为起落架使用，活动旋翼臂上摆时处于水平状态，作为旋翼臂使用，下摆时与水平方向夹角为60°，作为起落架使用。
在本实施例中，所述限位机构包括由伺服电机B17控制摆动的限位卡片16，所述直流电机17固定连接于活动旋翼臂41上，活动旋翼臂41旁侧设有限位板上，所述限位板上设有一上一下的两个在活动旋翼臂上摆和下摆时分别与限位卡片卡接配合的限位槽扣15。限位槽扣15为塑料材质，用于锁定处于这两个位置的活动旋翼臂。当需要从旋翼臂切换到起落架时，可以依靠旋翼臂自身重力完成，从起落架转换为旋翼臂是通过旋翼旋转产生升力带动旋翼臂升起完成的，在此过程中可能会由于推力产生一些力矩，可以控制其他五个旋翼产生推力补偿这些力矩；由于可切换的起落架，操作部分有更大的操作空间，并且没有任何由传统起落架(如滑梯)造成阻碍。
在本实施例中，所述三个活动旋翼臂的长度比其他旋翼臂长度长，三个活动旋翼臂的位置呈等腰三角形分布，活动旋翼臂上的伺服电机A位于旋翼臂长度方向上的中部位置，其他旋翼臂上的伺服电机A位于旋翼臂长度方向上的外端部，所有伺服电机A位于同一圆周上，旋翼臂共8个，其中能上下摆动的活动旋翼臂为3个；活动旋翼臂的长度约为其他旋翼臂长度的两倍，八个旋翼构成推进，由于承重部分的存在，推进单元不需要补偿操作部分的重力，推进单元的存在是为了抵消机械臂在工作时所产生的不同方向的反作用力或者力矩，由于不需要补偿重力，所以推进单元的旋翼较小。
每一个推进单元可以通过旋翼臂上的伺服电机A控制旋翼绕旋转角度α为0-360。通过将推进单元不共线安装可以产生6个自由度全方向的力，可以补偿机械臂在任何方向的力或者力矩。
在本实施例中，所述绞盘装置包括钢丝绳导向架14和用以缠绕钢丝绳下端并由直流电机12驱动转动的绞盘11，所述钢丝绳导向架14上开设有供钢丝绳1穿过的导向孔，钢丝绳导向架14上设有用以感应钢丝绳1的光纤传感器13；钢丝绳穿过钢丝绳导向架后缠绕在绞盘上，并且采用了光纤传感器进行校准。在校准配置中钢丝绳处于两个光纤传感器光源之间，通过感应光速的中断和反射，校准系统可以检测到接近反射光纤单元(光源)的钢丝绳，以保证钢丝绳处于绞盘的轨道内，进而确保钢丝绳能够较好的缠绕在绞盘上。钢丝绳有三根，呈等边三角形分别，因此也有三个绞盘系统，通过绞盘控制钢丝绳的长度可以使操作部分完成翻转、俯仰和停留在不同高度，并且使操作部分的质量中心处于悬挂点正下方，保证操作部分的稳定性。
在本实施例中，所述固定架包括通过肋板连接在一起的顶板2和底板6，所述顶板和底板均为八边形，所述机械臂安装于底板下侧并偏离底板中心一定距离，这样可以使机械臂的质心在缆索悬挂式空中机械臂系统的中心轴线上，提高稳定性。所述限位机构和绞盘装置均位于顶板和底板之间，所有钢丝绳上端向下穿过顶板后连接在一起，即连接于连接点9。
地面工作站通过无线电对承重部分和操作部分进行控制。其中固定架上装有视觉计算机、机械臂控制计算机和飞行控制计算机。视觉计算机控制装在承重部分和操作部分的相机，用于在远程操作时向操作员反馈实时画面。机械臂控制计算机用于控制机械臂调整不同形态以适用空中操作。飞行控制计算机用于控制直流电机、伺服电机A和伺服电机B。通过控制推进单元旋翼的不同转速和产生推力方向来补偿机械臂在工作过程中所需要的力或者力矩。操作部分主体(即固定架)主要由两个顶板和底板组成，几乎所有的组件都安装在两个顶板和底板之间。因此，绞盘装置和机械臂安装在底板上，而其他电子组件(包括蓄电池)要么安装在顶板上，要么安装在顶板和底板之间的肋板上，拆卸顶板方便快捷的查看所有电子组件。
一种如上所述缆索悬挂式空中机械臂系统的工作方法，工作时，空中机械臂系统通过钢丝绳悬挂在作为承重部分的直升机或大旋翼无人机上使用，此时活动旋翼臂上摆至水平位置，由承重部分将空中机械臂系统移动到目标位置并使其悬停在空中；地面工作站通过无线电对承重部分和空中机械臂系统进行控制，空中机械臂系统通过绞盘装置控制钢丝绳的长度可以使空中机械臂系统完成翻转、俯仰和停留在不同高度，由机械臂开始操作任务并通过控制不同位置的旋翼转动来抵消机械臂在工作时所产生的不同方向的反作用力或者力矩；完成任务下降时，控制活动旋翼臂下摆60°作为起落架使用。
推进单元的动力学模型：
如图5，我们定义一个固定坐标系为Fw，坐标系原点为OW，坐标轴上的点为{XW，YW，ZW}。推进单元质量中心处为体坐标系FB的坐标原点OB，坐标轴上的点为{XB，YB，ZB}，OB不但是机体的中心而且还是八个旋翼的几何中心。OB在Fw中的位置用PB表示，FB在Fw中的方位角用旋转矩阵RB表示，FB相对于Fw的角速度用ωB表示，则RB的运动学方程为
Figure SMS_1
用e1、e2和e3表示三个正交基向量，RX、RY和RZ为空间中的正交旋转矩阵。定义八个旋翼的坐标系为
Figure SMS_2
旋翼坐标系原点/>
Figure SMS_3
为旋翼的旋转中心，坐标系的各坐标为
Figure SMS_4
则/>
Figure SMS_5
相当于FB的旋转矩阵为
Figure SMS_6
其中α为旋翼倾斜角度，可以通过伺服电机进行调节，(-1)i-1表示相邻的旋翼的倾斜方式相反。
在FB坐标系中，oB指向
Figure SMS_7
的向量可以表示为
Figure SMS_8
其中l是oB和
Figure SMS_9
之间的距离。
第i个旋翼以
Figure SMS_10
为中心，以角速度/>
Figure SMS_11
旋转，其中wi为可控制的螺旋桨旋转速度。当旋转时，螺旋桨在/>
Figure SMS_12
沿/>
Figure SMS_13
方向施加推力和阻力力矩在FB坐标系中方的表达式为
Figure SMS_14
Figure SMS_15
其中
Figure SMS_16
是不同旋翼类型的固定参数特征。fi是旋翼参生的力的大小，它可以与旋转速率联系起来，表达式为/>
Figure SMS_17
cf是与旋翼相关的一个固定参数。公式(2)和(5)中(-1)i的存在表示相邻旋翼之间反向旋转，避免由于电机驱动旋翼转动时产生力矩使整个机体发生偏移。
将所有旋翼产生的推力相加，可以计算出在质心处总的推力，在固定坐标系Fw中的表达式为
Figure SMS_18
其中u＝[f1 f2 f3f4 f5 f6 f7 f8]。F1(α)是关于倾斜角的相关矩阵，当α＝0时所有的旋翼都向八旋翼那样共面，此时F1(α)＝[08 08 18]T。
将所有旋翼产的力矩相加，我们得到整个推力单元相对于OB点的总力矩，在FB坐标系中的表达式为
Figure SMS_19
利用牛顿-欧拉法，可以简洁地写成
Figure SMS_20
其中J是关于OB的3×3的惯性矩阵，m是总质量，g是重力加速度。
将公式8和9带入10中可得推进单元的运动方程为
Figure SMS_21
式中
Figure SMS_22
缆索悬挂式空中机械臂系统模型：
在建模中，忽略了悬停在空中的承重部分，将钢丝绳视为无质量刚性连杆，并将操作部分近似为均匀圆盘。因此，缆索悬挂式空中机械臂系统模型的数学表达式为:
Figure SMS_23
其中M是惯性矩阵，C是科氏力，g是重力矢量。配置矩阵q表示为:
Figure SMS_24
如图7、8所示，qy表示总偏航角，q1和q2分别表示第一和第二关节的横摇和俯仰角。qm为机械臂的关节角。
控制输入τ可以表示为:
Figure SMS_25
其中，而τm为机械臂关节实际力矩输入，τy、τ1和τ2为机械臂关节变化所需力矩。
推力单元的总力矩ω可以通过关节变化力矩得出
Figure SMS_26
其中雅可比矩阵J将机体扭转角v映射为横摇、俯仰和偏航(RPY)率。
Figure SMS_27
最后，八个推进单元所需的力矩ω可以通过求出分配矩阵的逆得出。
控制方法：
采用图8中的级联控制方案控制缆索悬挂式空中机械臂系统，其中，该机械臂具有较高的传感和控制频率，围绕偏航轴的控制权很高，因为这个自由度不能仅通过控制钢丝绳的长度控制。因此，可以将机械臂和偏航控制看作是控制串级的内环，并且添加了重力补偿的比例系数。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种缆索悬挂式空中机械臂系统，其特征在于：包括若干钢丝绳和固定架，所述固定架上设有若干用以控制各钢丝绳长度的绞盘装置，所述固定架周部连接有若干向外伸出的旋翼臂，所述旋翼臂上安装有伺服电机A，所述伺服电机A的转轴上连接有旋翼；所述固定架底部安装有机械臂。
2.根据权利要求1所述的缆索悬挂式空中机械臂系统，其特征在于：其中三个呈三角形分布的旋翼臂为能上下摆动的活动旋翼臂，活动旋翼臂铰接于固定架上，每个活动旋翼臂在靠近铰接端位置设有限位机构。
3.根据权利要求2所述的缆索悬挂式空中机械臂系统，其特征在于：所述限位机构包括由伺服电机B控制摆动的限位卡片，所述直流电机固定连接于活动旋翼臂上，活动旋翼臂旁侧设有限位板上，所述限位板上设有一上一下的两个在活动旋翼臂上摆和下摆时分别与限位卡片卡接配合的限位槽扣。
4.根据权利要求2或3所述的缆索悬挂式空中机械臂系统，其特征在于：所述三个活动旋翼臂的长度比其他旋翼臂长度长，活动旋翼臂上的伺服电机A位于旋翼臂长度方向上的中部位置，其他旋翼臂上的伺服电机A位于旋翼臂长度方向上的外端部。
5.根据权利要求1所述的缆索悬挂式空中机械臂系统，其特征在于：所述绞盘装置包括钢丝绳导向架和用以缠绕钢丝绳下端并由直流电机驱动转动的绞盘，所述钢丝绳导向架上开设有供钢丝绳穿过的导向孔，钢丝绳导向架上设有用以感应钢丝绳的光纤传感器。
6.根据权利要求1所述的缆索悬挂式空中机械臂系统，其特征在于：所述固定架包括通过肋板连接在一起的顶板和底板，所述机械臂安装于底板下侧并偏离底板中心一定距离；所述限位机构和绞盘装置均位于顶板和底板之间，所有钢丝绳上端向下穿过顶板后连接在一起。
7.一种如权利要求2所述缆索悬挂式空中机械臂系统的工作方法，其特征在于：工作时，空中机械臂系统通过钢丝绳悬挂在作为承重部分的直升机或大旋翼无人机上使用，由承重部分将空中机械臂系统移动到目标位置并使其悬停在空中；空中机械臂系统通过绞盘装置控制钢丝绳的长度可以使空中机械臂系统完成翻转、俯仰和停留在不同高度，由机械臂开始操作任务并通过控制不同位置的旋翼转动来抵消机械臂在工作时所产生的不同方向的反作用力或者力矩；完成任务下降时，控制活动旋翼臂下摆作为起落架使用。
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