CN116372964A - 具有可切换末端执行机构集的空中机器人系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提出了具有可切换末端执行机构集的空中机器人系统，包括：地面人机交互系统，包括控制端设备和力反馈手控器，控制端设备与力反馈手控器通信连接；空中作业机器人，由无人机和机械臂组成，与地面人机交互系统通过无线通信连接，机械臂安装在无人机的底部，机械臂的末端活动基座底部设有对接装置和视觉传感器；对接装置，底部设有能够被磁力吸引的引磁部；可切换末端执行机构集，设有定位传感器和多个不同功能的末端执行机构，每个末端执行机构至少包括控制器、与该控制器电连接的电源、电磁铁以及对接部，控制器分别与控制端设备和空中作业机器人无线通信连接。本申请具有操作方便、工作效率高的优点。
Description
技术领域
本申请涉及无人机技术领域，特别是一种涉及具有可切换末端执行机构集的空中机器人系统。
背景技术
无人机具有快速移动能力，机械臂具有高精度操纵能力，二者结合形成的空中作业机器人可以大大拓展现有的无人机和机械臂的应用范围。空中作业机器人（一种新型的无人机，也可称无人机）可以移动到普通人难以到达的地方，并且完成相关的作业任务。但是，现有的空中作业机器人往往只具备单一的末端执行机构，即无人机+机械臂+固连的末端执行机构，末端执行机构往往只有一种。这种设计注定了只能解决一些简单或者单一的任务，因为现实中的任务往往是复杂的，需要多种工具或者执行机构轮流操作。比如：风机叶片清洗需要喷和刷两种类型的末端执行机构。
随着国家和社会对生产安全要求的提高，采用智能的机器人和设备替代人工从事高危区域的复杂任务是必然趋势。空中作业机器人具有极强的到达能力和相对高精度的作业能力，具有极大潜力。开发具有可切换末端执行机构集的空中作业机器人不但能让空中作业机器人完成更多的任务，还能拓展空中作业机器人的潜能，从而提供社会生产安全和效率。
发明内容
本申请实施例提供了一种具有可切换末端执行机构集的空中机器人系统，针对目前技术存在的还未有可切换末端执行机构集的空中作业机器人，无法实现空中作业机器人的潜能拓展等问题。
本发明核心技术主要是空中作业机器人平台可以切换其末端执行机构，这样其应用将不再局限于单一的任务。
本申请提供了具有可切换末端执行机构集的空中机器人系统，包括：
地面人机交互系统，包括用于反馈状态信息的控制端设备和用于控制空中作业机器人平台和可切换末端执行机构集的力反馈手控器，控制端设备与力反馈手控器通信连接；
空中作业机器人，由无人机平台和机械臂组成，与地面人机交互系统之间无线通信连接，其机械臂安装于无人机平台下方，机械臂的末端活动基座底部设有对接装置和视觉传感器；
对接装置，底部设有能够被磁力吸引的引磁部；
可切换末端执行机构集，设有定位传感器和多个不同功能的末端执行机构，每个末端执行机构至少包括控制器、与该控制器电连接的电源、电磁铁以及对接部，控制器分别与控制端设备和无人机无线通信连接，对接部在电磁铁作用下吸引和松开引磁部，以完成末端执行机构的切换。
进一步地，空中作业机器人平台具有飞行模式和作业模式，通过力反馈手控器切换：
处于飞行模式时，力反馈手控器输出飞行速度指令和偏航角指令至空中作业机器人平台，空中作业机器人平台根据指令飞行，机械臂保持和无人机平台相对静止；
处于作业模式时，力反馈手控器输出末端速度指令和偏航角指令至空中作业机器人平台，空中作业机器人平台根据指令转化成二次规划问题并求得最优解得到无人机位置指令和机械臂的期望关节向量，以进行作业。
进一步地，状态信息至少包括环境信息、待作业目标信息、空中作业机器人平台状态信息以及可切换末端执行机构集状态信息。
进一步地，可切换末端执行机构集上设有多个用于放置末端执行机构的收纳圈，每个收纳圈开口处设有倒角；
进一步地，引磁部具有敞开状的开口，且该开口内部设有引磁片，对接部顶部为与开口匹配的对接锥头。
进一步地，力反馈手控器根据障碍物的距离调整反馈力的大小，当离障碍物近时，反馈力大，当离障碍物远时，反馈力变小。
进一步地，还包括用于分离末端执行机构的步骤：
根据定位传感器获取可切换末端执行机构集的位置；
空中作业机器人平台切换成飞行模式自动飞到可切换末端执行机构集上方或通过力反馈手控器手动操作切换成飞行模式飞到可切换末端执行机构集上方；
通过视觉传感器定位可切换末端执行机构集上的目标放置位置；
空中作业机器人平台切换成作业模式，利用末端执行机构切换算法计算出机械臂末端轨迹，空中作业机器人平台在作业模式下将自动跟踪该轨迹，机械臂和无人机平台依据目标放置位置执行放置操作，将需要分离的末端执行机构放入目标放置位置；
放置完成后，切断电磁铁电源分离末端执行机构。
进一步地，还包括用于安装末端执行机构的步骤：
根据定位传感器获取可切换末端执行机构集的位置；
空中作业机器人平台切换成飞行模式自动飞到可切换末端执行机构集上方或通过力反馈手控器手动操作切换成飞行模式飞到可切换末端执行机构集上方；
通过视觉传感器定位可切换末端执行机构集上的目标末端执行机构位置；
空中作业机器人平台切换成作业模式，利用末端执行机构切换算法计算出机械臂末端轨迹，空中作业机器人平台在作业模式下将自动跟踪该轨迹，机械臂和无人机平台依据目标放置位置执行放置对接操作，将对接装置放入目标末端执行机构位置，以实现引磁部和对接部的对接配合；
对接完成后，打开电磁铁电源安装末端执行机构。
进一步地，末端执行机构切换方法通过贝塞尔曲线的轨迹优化方法求解无人机平台从可切换末端执行机构集上方运动到目标末端执行机构或目标放置位置的轨迹。
进一步地，末端执行机构切换方法通过贝塞尔曲线的轨迹优化方法求解无人机从可切换末端执行机构集上方运动到目标末端执行机构或目标放置位置的轨迹的具体步骤为：
用贝塞尔曲线表示对接装置的轨迹；
将对接装置的轨迹求解转化为贝塞尔曲线的参数求解问题，并将该参数求解问题转化为QP优化问题；
对QP优化问题的目标函数进行求解；
获取QP优化问题的约束，其中约束包括路径点约束、动力学可行性约束、对接条件约束；
基于目标函数的求解结构和获取的约束对QP优化问题进行求解，得到对应的贝塞尔曲线，该贝塞尔曲线即为对接装置的轨迹。
本发明的主要贡献和创新点如下：1、与现有技术相比（现有技术一个无人机只能工作一项内容），本申请可以切换末端执行机构，不再局限于单一的任务。可在同一任务中依据操作不断切换末端执行机构，从而以一架空中作业机器人平台完成一个任务的不同内容，或者两架空中作业机器人平台交替操作，一个工作时，另一个去切换末端执行机构，如此可快速完成同一任务，显著提高工作效率；
2、与现有技术相比，本申请让空中作业机器人平台完成更多的任务，还能拓展空中作业机器人的潜能，从而提供社会生产安全和效率。
本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本申请的系统架构图；
图2是本申请的无人机和可切换末端执行机构集的示意图；
图3是本申请的末端执行机构结构示意图；
图4是本申请的末端执行机构结构内部结构示意图；
图中，1、地面人机交互系统；2、无线路由器；3、空中作业机器人平台；4、可切换末端执行机构集；11、控制端设备；12、力反馈手控器；31、对接装置；32、引磁部；41、箱体；42、末端执行机构；421、连接器；422、执行器；4211、控制器；4212、电源；4213、对接锥头；4214、电磁铁；4215、外形结构。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本说明书一个或多个实施例相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本说明书一个或多个实施例的一些方面相一致的装置和方法的例子。
需要说明的是：在其他实施例中并不一定按照本说明书示出和描述的顺序来执行相应方法的步骤。在一些其他实施例中，其方法所包括的步骤可以比本说明书所描述的更多或更少。此外，本说明书中所描述的单个步骤，在其他实施例中可能被分解为多个步骤进行描述；而本说明书中所描述的多个步骤，在其他实施例中也可能被合并为单个步骤进行描述。
目前无人机只能进行单一任务作业，无法满足复杂作业任务。
基于此，本发明基于可切换末端执行机构42来解决现有技术存在的问题。
本申请旨在提出一种具有可切换末端执行机构集4的空中机器人系统，具体地，参考图1，包括：
地面人机交互系统1，包括用于反馈状态信息的控制端设备11和用于控制空中作业机器人平台3和可切换末端执行机构集4的力反馈手控器12，控制端设备11与力反馈手控器12通信连接（如USB连接，也可以无线连接）；
其中，控制端设备11可以是常见的电脑，因此不仅能够起到一定的控制作用，最主要是起到给操作人员反馈所需要的状态信息，包括：环境信息、待作业目标信息、空中作业机器人平台3状态信息以及可切换末端执行机构集4状态信息。整个系统的三部分即地面人机交互系统1、空中作业机器人平台3和可切换末端执行机构集4通过无线路由器2产生的WIFI局域网或者现有的蜂窝网络相连，三者之间都可以实现相互的通信。
环境信息主要是障碍物信息，障碍物可以通过无人机上的双目视觉传感器探测并得到位置信息，从而可以构建出实时地图，该地图通过图像的方式反馈给操作人员；待作业目标信息包括作业的类型以及作业目标的位置，操作人员可以根据该信息选择合适的末端执行机构42并到达指定位置完成作业任务；空中作业机器人平台3状态信息通过仪表和数字提示空中作业机器人平台3的位置、速度、电量等关键信息；可切换末端执行机构集4状态信息包含末端执行机构42的类型、尺寸以及机构集的所在位置，操纵人员可以通过该信息确认可切换末端执行机构集4的工具信息以及方位，实现末端执行机构42的切换。
优选地，力反馈手控器4211根据障碍物和无人机的距离（通过无人机自带的摄像头实现，现有技术这里不再赘述）调整反馈力的大小，当离障碍物近时，反馈力大，当离障碍物远时，反馈力变小。
无人机，分别与控制端设备11和力反馈手控器12无线通信连接，该无人机底部设有机械臂（该机械臂底部的活动基座可称为末端），机械臂的活动基座底部设有对接装置31和视觉传感器；
其中，无人机平台和机械臂的组合可称为空中作业机器人平台3，无人机主要为四旋翼无人机。本申请利用的是无人机和机械臂（优选为Delta机械臂）本身具有的优点，可根据指令精确前往目的地并实现复杂操作。
对接装置31，底部设有能够被磁力吸引的引磁部32；
其中，引磁部32具有敞开状的开口，且该开口内部设有引磁片，对接部顶部为与开口匹配的对接锥头4213，目的在于更好地实现对接，也可以是其他类似功能的结构。
优选地，引磁片可以是铁片或者不锈钢片。
可切换末端执行机构集4，设有定位传感器（如UWB定位传感器，基于时差测量（Time of Flight）原理。它利用超宽带脉冲信号在空间中的传播时间来计算距离。通过同时测量多个UWB传感器接收到的信号，可以进行多点定位，从而实现对目标物体的精确定位）和多个不同功能的末端执行机构42，每个末端执行机构42至少包括控制器4211、与该控制器4211电连接的电源4212、电磁铁4214以及对接部，控制器4211分别与控制端设备11和无人机无线通信连接，对接部在电磁铁4214作用下吸引和松开引磁部32，以完成末端执行机构42的切换。
在本实施例中，如图2所示，可切换末端执行机构集4由一个具有四个圆形开孔的长方箱体41和四个末端执行机构42组成，长方箱体41的圆形孔的四周为锥形的辅助放置圈（即圆形孔倒角处理），圆形孔和放置圈组成了末端执行机构42的收纳圈。这些收纳圈的尺寸和末端执行机构42的尺寸相互匹配。可切换末端执行机构集4中的末端执行机构42的种类很多，包含机械爪、喷涂装置、打磨装置等，这些末端执行机构42采用模块化设计，具有可切换、可拓展、可拆卸等特点。
其中，每个末端执行机构42都可以独立运行，并且通过无线路由器2或者蜂窝网络接收指令和发送状态信息。每个末端执行机构42均采用相同模块化结构，具备独立的电源4212，并且可以分为两个部分：连接器421和执行器422。
优选地，如图3-图4所示，连接器421包含控制器4211、电源4212、对接锥头4213、电磁铁4214和外形结构4215五个部分。控制器4211由ESP32-PICO-D4控制核心板、电源4212分电板、接口扩展板、舵机驱动电路、WiFi模块或蜂窝网络模块组成。采用WiFi或蜂窝网络无线通信的方式，实现与上位机（控制端设备11与力反馈手控器12）之间的实时通信。这样就可以通过WiFi或蜂窝网络来远程控制电磁铁4214和舵机。电源4212可以给整个末端执行机构42提供电量。对接锥头4213是一个锥形凸起，和Delta机械臂末端的引磁部32成配对，引磁部32和对接锥头4213采用对接冗余设计，对接允许误差约为20mm。电磁铁4214安装在对接锥头4213上端表面，由连接器421上的电源4212供电，并由控制器4211控制。外形结构4215用于保护内部的控制器4211和电源4212，并且连接Delta机械臂和执行器422。
优选地，执行器422的种类包括但不仅限于机械爪、软体爪、喷涂装置、打磨装置等。执行器422的传感器和舵机通过导线与连接器421的控制器4211相连，因此在连接器421中的控制器4211可以通过导线，给执行器422提供电源4212和控制指令。
在本实施例中，空中作业机器人平台3具有两个模式：飞行模式和作业模式，二者可以通过力反馈手控器12上的按钮进行切换。
当空中作业机器人平台3进入飞行模式后，力反馈手控器12的操纵指令为多旋翼无人机的飞行速度和偏航角，而当空中作业机器人平台3进入作业模式后，力反馈手控器12的操纵指令为Delta机械臂末端的速度和无人机的偏航角。
在飞行模式中，力反馈手控器12输出的飞行速度和偏航角指令，输出的飞行速度通过积分就可以得到无人机的位置指令，结合偏航角指令，可以得到无人机的指令(Pd,yd)（即位置和偏航角指令）。在该模式下，Delta机械臂处于预设的状态，即保持和无人机的相对静止。
在作业模式中，力反馈手控器12的输出指令可以表示为(ve,d,yd)，其中ve,d为机械臂末端的速度指令，yd为无人机的偏航角。在实际系统中，需要将该指令转化为无人机和机械臂的指令，其中无人机的输入指令为(pd,yd)，机械臂的指令为期望关节向量(qd)。
优选地，无人机和机械臂指令的求解可以转化为求解一个二次规划问题，该问题为：
其中，以
为空中作业机器人平台3的速度向量（包括无人机的速度/>
和机械臂关节角的速度/>
），W为权重矩阵该参数可以通过调参获得（常规操作），J为雅可比矩阵，sc反馈控制向量，smin，smax分别为速度向量s的下界和上界。
雅可比矩阵可以表示为
，其中I3为三阶单位矩阵，矩阵R为无人机机体坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵，/>
为机械臂固连基座所在坐标系到无人机机体坐标的旋转矩阵，J M为机械臂的雅可比矩阵。反馈控制向量/>
可以通过下面的公式求得：
其中，
等于力反馈手控器12输出的指令ve,d；pe,d是机械臂末端位置指令，可以通过对/>
积分得到；pe为机械臂末端的位置；K是参数矩阵，可以通过调参得到（常规操作）；/>
是机械臂末端在无人机上的位置，可以通过坐标转换求得（现有技术）；W是无人机的角速度向量，可以通过无人机自带的传感器得到（现有技术）；[ ]x为反对称变换。
通过求解上述规划问题，可以得到最优解s*，对最优解s*进行积分，即可得到无人机位置指令pd和Delta机械臂的期望关节向量qd。
在本实施例中，还包括用于分离末端执行机构42的步骤：
S10、根据定位传感器获取可切换末端执行机构集4的位置；
S11、空中作业机器人平台3切换成飞行模式自动飞到可切换末端执行机构集4上方或通过力反馈手控器12手动操作切换成飞行模式飞到可切换末端执行机构集4上方；
该步骤中，可在地面人机交互系统1中显示出可切换末端执行机构集4所在的方位，从而便于操作人员操作和观察。
S12、通过视觉传感器定位可切换末端执行机构集4上的目标放置位置；
该步骤中，由安装于Delta机械臂末端的视觉传感器（摄像头）提供视觉反馈，并显示到地面人机交互系统1中，通过视觉传感器提供的视觉信息监视分离操纵。当然也可以是人机交互系统1自动进行操作。
S13、空中作业机器人平台3切换成作业模式，Delta机械臂和无人机依据目标放置位置执行放置操作，将需要分离的末端执行机构42放入目标放置位置；
该步骤中，操纵人员下发放置指令，空中作业机器人平台3接收目的收纳圈（目标放置位置）的位置并进入作业模式，利用末端执行机构切换算法计算出Delta机械臂末端轨迹，空中作业机器人平台3在作业模式下将自动跟踪该轨迹，最终到达目的收纳圈，并将末端执行机构42插入收纳圈中。
S14、放置完成后，切断电磁铁4214的电源4212分离末端执行机构42。
在本实施例中，还包括用于安装末端执行机构42的步骤：
S20、根据定位传感器获取可切换末端执行机构集4的位置；
S21、空中作业机器人平台3切换成飞行模式自动飞到可切换末端执行机构集4上方或通过力反馈手控器12手动操作切换成飞行模式飞到可切换末端执行机构集4上方；
该步骤中，可在地面人机交互系统1中显示出可切换末端执行机构集4所在的方位，从而便于操作人员操作和观察。
S22、通过视觉传感器定位可切换末端执行机构集4上的目标末端执行机构位置；
该步骤中，由安装于Delta机械臂末端的视觉传感器（摄像头）提供视觉反馈，并显示到地面人机交互系统1中，通过视觉传感器提供的视觉信息监视安装操纵。当然也可以是人机交互系统1自动进行操作。
S23、空中作业机器人平台3切换成作业模式，Delta机械臂和无人机依据目标放置位置执行放置对接操作，将对接装置31放入目标末端执行机构位置，以实现引磁部32和对接部的对接配合；
该步骤中，操纵人员下发放置指令，空中作业机器人平台3接收目标末端执行机构位置并进入作业模式，利用末端执行机构切换算法计算出Delta机械臂末端轨迹，空中作业机器人平台3在作业模式下将自动跟踪该轨迹，最终到达目标末端执行机构位置，并将末端执行机构42插入目标末端执行机构的对接锥头4213中；
S24、对接完成后，打开电磁铁4214的电源4212安装末端执行机构42。
上述操作中，对接装置31是否放入目标末端执行机构42位置以及目标放置位置，都通过视觉传感器人工查看或视觉识别。在此过程中，没有放入就重复操作，直至放入。
优选地，S13和S23步骤中的末端执行机构切换算法的作用是计算机器人从可切换末端执行机构集4上方运动到期望的末端执行机构42或者收纳圈位置的轨迹（通过无人机的运动和机械臂的运动二者共同作用实现的，Delta机械臂末端轨迹）。该轨迹可以保证无人机能够顺利地切换末端执行机构42。因此利用基于贝塞尔曲线的轨迹优化方法来求解该轨迹，具体包括以下步骤：
步骤一、用贝塞尔曲线来表示Delta机械臂末端轨迹。tB为切换操作开始时间，tG为完成切换的时间。
令轨迹为
，将其用nE阶贝塞尔曲线表示：
其中，cE,x，cE,y，cE,z为贝塞尔曲线的参数向量；
为贝塞尔曲线的基底向量，且有/>
。
步骤二、将轨迹求解转化为贝塞尔曲线的参数求解问题，并将该参数求解问题转化为一个QP问题（代表二次规划Quadratic Programming，它是一种数学优化问题，目标是最小化一个二次型函数，同时满足一组线性等式或不等式约束）。
定义
为轨迹参数向量，则QP问题可以写为：
其中，
是Hessian矩阵并且其是半正定的；/>
和/>
为约束矩阵；beq和bie为约束向量。上式中的约束可以分为等式约束（路径点约束）和不等式约束（动力学可行性约束、几何可行性约束和抓取条件约束）。从上式，可以看出QP问题分为两部分，分别为目标函数和约束。
如此，将贝塞尔曲线的参数求解问题转化为一个QP问题，具体步骤如下：
1.定义目标函数：目标函数是一个二次型函数，可以根据具体需求来定义。而在本申请中，目标函数是轨迹在三个方向上的加加速度的平方和的积分，其目的是：通过优化求解得到既满足约束又消耗能量最少的轨迹。
2.定义约束条件：约束条件是一组线性等式或不等式，用于限制贝塞尔曲线的参数的取值范围。约束条件可以包括无人机起始点和终点的位置、速度限制、加加速度限制等等。
3.构建QP问题：将目标函数和约束条件组合起来，形成一个QP问题。QP问题可以表示为最小化目标函数的形式，同时满足一组约束条件。
步骤三、对上述QP优化问题的目标函数进行求解。目标函数可以定义为J，其目的是降低整条轨迹上的加加速度（急动度也叫力变率，是加速度的变化率，即位矢对时间的三阶导数），具体为：
其中，jx,jy,jz为轨迹的加加速度。对上面的表达式化简即可得到：
步骤四、获取QP问题的约束。
第一个约束就是路径点约束，路径点约束主要是使生成的轨迹通过切换任务开始时的Delta机械臂末端位置
和目标位置/>
，因此路径点约束可以写为：
其中，
表示的/>
的第i个控制点；/>
,/>
。
第二个约束是动力学可行性约束，其主要是约束速度和加速度，以保证生成的轨迹是可以被执行的。可以写为：
其中，
；下标min表示相应变量的最小值；下标max 表示相应变量的最大值。
第三个约束为对接条件约束，该条件在安装末端执行机构42时可以保证对接装置31和对接锥头4213能够顺利完成对接，在分离末端执行机构42时可以保证末端执行机构42能够顺利安放在收纳圈中。根据贝塞尔曲线的凸包性，贝塞尔曲线被包含在由控制点组成的凸包内，因此可以用最后两个控制点来约束末端执行机构42轨迹的末端。
当
，且
其中，
是圆锥角。对上式进行重写，得到线性模式：
步骤五、QP问题求解。对上述QP优化问题进行求解，即可获得对应的贝塞尔曲线，该曲线即为Delta机械臂末端轨迹，按照该轨迹执行即可完成无人机的末端执行机构42的切换。
需要说明的是，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。
通常，各种实施例可以以硬件或专用电路、软件、逻辑或其任何组合来实现。本发明的一些方面可以以硬件来实现，而其他方面可以由控制器、微处理器或其他计算设备执行的固件或软件来实现，但是本发明不限于此。尽管本发明的各个方面可以被示出和描述为框图、流程图或使用一些其他图形表示，但是应当理解，作为非限制性示例，本文中描述的这些框、装置、系统、技术或方法可以以硬件、软件、固件、专用电路或逻辑、通用硬件或控制器或其他计算设备或其某种组合来实现。
本发明的实施例可以由计算机软件来实现，该计算机软件由移动设备的数据处理器诸如在处理器实体中可执行，或者由硬件来实现，或者由软件和硬件的组合来实现。包括软件例程、小程序和/或宏的计算机软件或程序(也称为程序产品)可以存储在任何装置可读数据存储介质中，并且它们包括用于执行特定任务的程序指令。计算机程序产品可以包括当程序运行时被配置为执行实施例的一个或多个计算机可执行组件。一个或多个计算机可执行组件可以是至少一个软件代码或其一部分。另外，在这一点上，应当注意，如图中的逻辑流程的任何框可以表示程序步骤，或者互连的逻辑电路、框和功能，或者程序步骤和逻辑电路、框和功能的组合。软件可以存储在诸如存储器芯片或在处理器内实现的存储块等物理介质、诸如硬盘或软盘等磁性介质，以及诸如例如DVD及其数据变体、CD等光学介质上。物理介质是非瞬态介质。
本领域的技术人员应该明白，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.具有可切换末端执行机构集的空中机器人系统，其特征在于，包括：
地面人机交互系统，包括用于反馈状态信息的控制端设备和用于控制空中作业机器人平台和可切换末端执行机构集的力反馈手控器，所述控制端设备与所述力反馈手控器通信连接；
空中作业机器人平台，由无人机平台和机械臂组成，与所述地面人机交互系统之间无线通信连接，所述机械臂安装于无人机平台下方，且该机械臂的末端活动基座底部设有对接装置和视觉传感器；
对接装置，底部设有能够被磁力吸引的引磁部；
可切换末端执行机构集，设有定位传感器和多个不同功能的末端执行机构，每个所述末端执行机构至少包括控制器、与该控制器电连接的电源、电磁铁以及对接部，所述控制器分别与所述控制端设备和所述无人机平台无线通信连接，对接部在电磁铁作用下吸引和松开引磁部，以完成末端执行机构的切换。
2.如权利要求1所述的具有可切换末端执行机构集的空中机器人系统，其特征在于，所述空中作业机器人平台具有飞行模式和作业模式，通过所述力反馈手控器切换：
处于飞行模式时，所述力反馈手控器输出飞行速度指令和偏航角指令至所述空中作业机器人平台，所述空中作业机器人平台根据指令飞行，所述机械臂保持和所述无人机平台相对静止；
处于作业模式时，所述力反馈手控器输出末端速度指令和偏航角指令至所述空中作业机器人平台，所述空中作业机器人平台根据指令转化成二次规划问题并求得最优解得到无人机位置指令和机械臂的期望关节向量，以进行作业。
3.如权利要求1所述的具有可切换末端执行机构集的空中机器人系统，其特征在于，所述状态信息至少包括环境信息、待作业目标信息、空中作业机器人平台状态信息以及可切换末端执行机构集状态信息。
4.如权利要求1所述的具有可切换末端执行机构集的空中机器人系统，其特征在于，所述可切换末端执行机构集上设有多个用于放置末端执行机构的收纳圈，每个所述收纳圈开口处设有倒角。
5.如权利要求1所述的具有可切换末端执行机构集的空中机器人系统，其特征在于，所述引磁部具有敞开状的开口，且该开口内部设有引磁片，所述对接部顶部为与所述开口匹配的对接锥头。
6.如权利要求1所述的具有可切换末端执行机构集的空中机器人系统，其特征在于，所述力反馈手控器根据障碍物和无人机平台的距离调整反馈力的大小，当离障碍物近时，反馈力大，当离障碍物远时，反馈力变小。
7.如权利要求2所述的具有可切换末端执行机构集的空中机器人系统，其特征在于，还包括用于分离所述末端执行机构的步骤：
根据所述定位传感器获取所述可切换末端执行机构集的位置；
所述空中作业机器人平台切换成飞行模式自动飞到所述可切换末端执行机构集上方或通过力反馈手控器手动操作切换成飞行模式飞到所述可切换末端执行机构集上方；
通过所述视觉传感器定位所述可切换末端执行机构集上的目标放置位置；
所述空中作业机器人平台切换成作业模式，利用末端执行机构切换算法计算出机械臂末端轨迹，所述空中作业机器人平台在作业模式下将自动跟踪该轨迹，所述机械臂和所述无人机平台依据所述目标放置位置执行放置操作，将需要分离的末端执行机构放入所述目标放置位置；
放置完成后，切断所述电磁铁电源分离末端执行机构。
8.如权利要求7所述的具有可切换末端执行机构集的空中机器人系统，其特征在于，还包括用于安装所述末端执行机构的步骤：
根据所述定位传感器获取所述可切换末端执行机构集的位置；
所述空中作业机器人平台切换成飞行模式自动飞到所述可切换末端执行机构集上方或通过力反馈手控器手动操作切换成飞行模式飞到所述可切换末端执行机构集上方；
通过所述视觉传感器定位所述可切换末端执行机构集上的目标末端执行机构位置；
所述空中作业机器人平台切换成作业模式，利用末端执行机构切换算法计算出机械臂末端轨迹，所述空中作业机器人平台在作业模式下将自动跟踪该轨迹，所述机械臂和所述无人机平台依据所述目标放置位置执行放置对接操作，将对接装置放入所述目标末端执行机构位置，以实现所述引磁部和所述对接部的对接配合；
对接完成后，打开所述电磁铁电源安装末端执行机构。
9.如权利要求7所述的具有可切换末端执行机构集的空中机器人系统，其特征在于，所述末端执行机构切换方法通过贝塞尔曲线的轨迹优化方法求解所述无人机平台从所述可切换末端执行机构集上方运动到目标末端执行机构或目标放置位置的轨迹。
10.如权利要求9所述的具有可切换末端执行机构集的空中机器人系统，其特征在于，所述末端执行机构切换方法通过贝塞尔曲线的轨迹优化方法求解所述无人机平台从所述可切换末端执行机构集上方运动到目标末端执行机构或目标放置位置的轨迹的具体步骤为：
用贝塞尔曲线表示对接装置的轨迹；
将对接装置的轨迹求解转化为贝塞尔曲线的参数求解问题，并将该参数求解问题转化为QP优化问题；
对所述QP优化问题的目标函数进行求解；
获取所述QP优化问题的约束，其中约束包括路径点约束、动力学可行性约束、对接条件约束；
基于目标函数的求解结构和获取的约束对所述QP优化问题进行求解，得到对应的贝塞尔曲线，该贝塞尔曲线即为对接装置的轨迹。
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