CN209649972U - 一种陆空两用作业型飞行机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种陆空两用作业型飞行机器人，包括飞行机器人、机械臂、运动平台；其中，所述的飞行机器人的机身包含旋翼和动力装置；所述的飞行机器人机身安装在运动平台上面；所述的机械臂包含夹持器和3个关节，1号关节上方与作业型飞行机器人连接，1号关节下方与2号关节上方连接，2号关节下方与3号关节上方连接，3号关节下方与夹持器连接；所述的机械臂后端安装于飞行机器人机身下方；所述的旋翼数量为多个；所述的旋翼数量与动力装置数量一一对应；所述的旋翼沿飞行机器人机身周围均匀分布；所述的陆空两用作业型飞行机器人通过地面站设置任务。通过动力装置、运动平台和机械臂，本实用新型具有空中快速运动，陆地精确移动的特点，并且通过机载的机械臂实现作业任务。

Description

一种陆空两用作业型飞行机器人

技术领域

本发明涉及一种飞行器，具体涉及带有机械臂和运动平台的作业型飞行器。

背景技术

多旋翼无人机是一种不搭载操作人员、通过桨叶驱动可以多次使用的飞行器。随着微电子技术、微机电技术、导航定位技术以及通信技术的不断发展，多旋翼无人机的作用逐渐获得人们的重视，在执行危险任务等特殊环境下发挥了越来越重要的作用。

目前市场上的多旋翼无人机主要应用在拍摄和监控方面。即控制飞行器在空中对特定区域进行被动式侦测，但无法对所侦测的目标进行主动操作。传统多旋翼无人机只能在空中飞行，降落后无法在地面行进，降低了多旋翼无人机的应用范围，所以开发和研究具有作业能力的主动操作型飞行机器人具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种陆空两用的作业型飞行机器人。解决了飞行机器人不仅可以在空中快速机动，还能在陆地上灵活行动，通过搭载的机械手臂，还能对被侦测的环境实施主动的影响。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为:包括飞行机器人、机械臂、运动平台三大部分。所述的飞行机器人包括机身结构和控制系统。其中所述的飞行机器人结构包括：六个旋臂、六个直流无刷电机和对应的电子调速器、六个螺旋桨和一个机身。机身周围均匀分布六个旋臂，每个旋臂的长度相等。旋臂的末端安装有六个电机座，每个电机座上方对应一个直流无刷电机。每个直流无刷电机上安装一个螺旋桨，每个直流无刷电机连接一个电子调速器。直流无刷电机高速运动的同时带动螺旋桨产生升力，作为陆空两用作业型飞行机器人在空中快速机动的动力来源。通过控制六个电机不同的转速组合，可以在空间中实现不同运动。

上述的飞行机器人包括：飞行控制系统、电源控制系统。飞行控制系统包含：气压计、视觉捕获模块、全球定位模块、三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计构成的AHRS位姿测量单元。数据传输模块和AHRS位姿测量单元通过内部IIC总线与主控制器进行数据通信，其中三轴加速度计可以测量陆空两用作业型飞行机器人在地理坐标系下的加速度，三轴陀螺仪可以测量其三个轴的旋转角速度，三轴磁力计可以测量其在机体坐标系下的三个轴方向上的地球磁场强度。获得九个轴的测量数据之后，在主控制器内部使用四元数算法进行姿态解算，从而获得陆空两用作业型飞行机器人的俯仰、横滚、偏航三个姿态角度。气压计连接主控制器可以获得机器人所在位置大气压，进而计算出机器人的飞行绝对高度。视觉捕获单元通过高清摄像头获得视野信息，然后提取视野中物体的轮廓进行目标匹配并得到目标物体的平面坐标，将该坐标反馈到机械臂控制系统引导机械臂动态抓取。全球定位模块与主控制器进行通信，可以获得机器人的经纬度信息和高度信息，通过所获得经纬度和高度信息可以对陆空两用作业型飞行机器人进行定位。然后利用气压计高度信息对GPS的高度信息进行补偿，使得测量出的陆空两用作业型飞行机器人高度信息更加准确。

上述获得的姿态信息和全球位置信息通过主控制器融合处理，通过主控制器的引脚输出六路PWM波信号到电子调速器，电子调速器接收到PWM波信号之后控制六路转子电机的转速。从而为陆空两用作业型飞行机器人提供空中飞行动力和姿态改变的动力。所述的全球定位系统使用UBLOX M8N GPS模块，气压计使用MS5611芯片，三轴加速度计使用LIS2DW12TR芯片，三轴陀螺仪使用FXAS21002C芯片，三轴磁力计使用GY-MAG3110芯片，飞行控制系统的主控制器使用STM32F429VGT6。

电源控制系统为机械臂电源系统、运动平台电源系统、飞行机器人电源系统进行合理供电分配，为不相同的电源系统提供相对应的电压值，并将各系统进行隔离，防止飞行控制系统的供电受到其他电源系统的影响，进而导致机器人控制系统运行不正常，使陆空两用作业型飞行机器人失去控制。

上述机械臂由连杆和末端执行机构构成，连杆分为1、2、3号连杆，其中1号连杆一端与飞行机器人底部连接，另一端与双输出步进电机连接，1号连杆的转动角度为0-90°。2号连杆一端与1号连杆连接的双输出步进电机连接，另一端连接一个单输出步进电机，2号连杆的转动角度为0-90°。3号连杆一段与末端执行机构连接，另一端与2号电机的单输出步进电机连接。末端执行机构由仿真手指气缸组成，仿真手指由三个软管构成，末端执行机构内部的气缸可以驱动三个软管进行抓取和释放。控制机械臂进行抓取的具体步骤分为四个部分:

A1、由旋转角度和机械臂连杆长度来定义机械臂执行机构在三维空间中的坐标系：

式中，为机械臂末端执行机构的三维空间坐标系，为机械臂连杆的长度，为机械臂关节的旋转角度。

A2、通过建立机械臂的逆运动学模型，首先给出期望机械臂末端执行机构期望的位置，该位置可以由摄像头识别的待抓取物坐标来引导，最终求得各关节应该旋转的角度，即可控制机械臂末端执行机构在空间中的位置。

A3、建立了三轴机械臂的运动学模型之后，就可得到其拉格朗日动力学模型。该模型能够分析机械臂各连杆的动力分配，以来平滑控制其抓取物体。

式中，，和分别表示系统的总动能和总势能，表示控制力矩。

A4、通过A2和A3中给出的机械臂运动学模型和动力学模型，通过视觉捕获系统待对待抓取目标进行识别和跟踪，并得到其在图像平面坐标系下的位置信息坐标系，通过改位置信息引导机械臂进行抓取作业。

上述运动平台包括一个方形平台、两个闭环直流电机及配套的轮子、直流电机驱动器和一个万向轮。两个闭环直流电机对称安装在方形平台下部，万向轮沿着闭环直流电机的中垂线安装在方形平台下部，两个电机与万向轮呈三角形排布。直流电机驱动器输出端连接两个闭环直流电机，输入端与上述的电源控制系统和飞行控制系统连接。运动平台的方形平台上方连接上述飞行机器人系统机身的脚架。运动平台进行控制的具体步骤分为以下4个部分：

B1、电机驱动器驱动电机运动，电机上的编码盘实时记录电机切割编码盘上光栅的次数。并将该次数通过串口发送。

B2、运动底盘控制系统通过串口获取光栅次数，并通过环形对立存储该光栅次数。

B3、为了更好的控制运动底盘精确的行进，建立其运动学模型，并将该模型转换为C代码，并固化到运动底盘控制系统。

B4、当陆空两用作业型飞行机器人着陆之后，通过位置控制算法，控制运动底盘行进到期望的地方。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

1、灵活快速。陆空两用作业型飞行机器人能够在空中进行快速的机动飞行，通过控制六个电机的转速，产生不同方向的推力，使得陆空两用作业型飞行机器人的飞行自由度具有六自由度。可在空中进行灵活的飞行，以最快速度到达目的地，不受地面环境的影响。

2、安全智能。通过设定预定的航线，可以控制陆空两用作业型飞行机器人自动前往危险区域执行特殊任务，避免人员实地探测产生未知的危险。当机器人执行完作业任务之后又可以通过设定的航线自动返航。

3、陆空两用作业型飞行机器人通过运动平台，可以在地面上运动，弥补因为在空中滞留时的不稳定气流造成的晃动。使得机器人可以精确运动到指定的位置。

4、机械手臂具有三个自由度，可以准确抓取以陆空两用作业型飞行机器人为中心，一定范围内的物体，大大扩展其应用范围。

5、将空中机器人与陆地机器人结合，并搭载机械手臂。可以综合各自的优点，发挥各模块的优势，能够稳定、高效、快速、精确的执行特殊任务。

6、陆空两用作业型飞行机器人通过自身搭载的摄像头进行目标识别与追踪，并引导机械臂自动抓取被识别物体，使得人工介入抓取的失败率降低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2为本发明陆空两用作业型飞行机器人机械臂系统的结构框图

图3为本发明陆空两用作业型飞行机器人运动平台的结构框图

图4为本发明飞行机器人系统的结构框图

图5为本发明陆空两用作业型飞行机器人电源系统的结构框图

具体实施方式

下面结合附图，将详细地对示例性实施例进行说明，以下的实施例将有助于该领域的工程技术人员进一步的理解本发明。此外应理解，在阅读了本发明的相关领域的技术人员，在不脱离本发明的基本框架前提下，可以进行不同的多种变形和改进。这些都是属于本发明的保护范围。

图1所示，本发明提供的陆空两用作业型飞行机器人，包括飞行机器人1、机械臂2和运动平台3。

陆空两用作业型飞行机器人系统硬件结构采用碳纤维材料，具有质量轻、耐疲劳、强度高的特点。其中所述的1号连杆7上端与多旋翼飞行机器人机身1的底座相连接，1号连杆7下端通过步进电机连接套与2号连杆8上端相连，2号连杆8的下端通过步进电机连接套与3号连杆9的上端连接，末端执行机构10与3号连杆9下端直接连接，值得注意的是，所属的1号连杆7上端与多旋翼飞行机器人机身1的底座连接点正好位于机身的中心。所述的步进电机通过机械臂连杆电机驱动器6进行控制，驱动器供电由机械臂电源系统4提供，所述的连杆运动控制指令由机械臂控制系统5提供，所述的机械臂控制系统5采用主控制器STM32F103VET6。

值得注意的是，运动平台通过直流电机进行驱动，使得陆空两用作业型飞行机器人能够在陆地上精确的运动。其中，运动平台的通过左轮直流电机15和右轮直流电机16提供动力，两个直流电机与直流电机驱动器12连接，并由直流电机驱动器12提供驱动，所述的直流电机驱动器12通过运动平台电源系统13供电。编码器用于测量直流电机的转动脉冲信号，所述的左轮编码器14与左轮直流电机15连接，右轮编码器17与右轮直流电机16连接。编码器将测量值传输到运动底盘控制系统11，通过计算和得到左右两个直流电机的速度。所述的运动底盘控制系统11采用主控制器STM32F103C8T6，所述的运动底盘控制系统11使用PID控制器输出的PWM信号通过直流电机驱动器12来控制左轮直流电机15和右轮直流电机16的运动速度及方向。

值得注意的是，所述的飞行机器人系统包括飞行控制系统和飞行机器人电源系统26。飞行控制系统对陆空两用作业型飞行机器人进行姿态检测和控制、位置检测和控制、机械臂运动控制、运动平台控制和动力输出控制。飞行机器人电源系统26为整个飞行机器人提供电源保障。所述的飞行控制系统包括AHRS单元22、主控制器24、电子调速器27和转子电机28。其中所述AHRS单元由全球定位模块21、三轴陀螺仪18、三轴加速度计19、三轴磁力计20和气压计23组成。所述的AHRS单元内部器件通过IIC总线与主控制器24进行并行连接。主控制器24获得测量数据之后，通过计算可以得到陆空两用作业型飞行机器人的姿态和位置数据。该数据经过力矩分配后使用PID控制器输出六路PWM波通过电子调速器27控制六路转子电机28运动，最后转子电机驱动螺旋桨为整个系统提供飞行动力。所述的飞行控制系统的主控制器24使用单片机STM32F429VGT6。

此外，值得注意的是，电源控制系统30为整个系统模块提供稳定可靠的高质量电源，为了防止六个转子电机28高速运动带来的系统电源质量下降，引入隔离系统29，该系统可以防止由于整个系统共地造成电源之间的相互干扰。电源控制系统30通过隔离系统29为机械臂电源系统4、运动平台电源系统13和飞行机器人电源系统26供电。

本具体实施方式主要由飞行机器人系统、机械臂、运动平台构成，整个硬件系统采用碳纤维结构，减轻了系统的重量，提高了陆空两用作业型飞行机器人的续航能力和载重能力。整套系统可以通过手动模式进行飞行并执行任务，也可通过自动方式执行任务。通过设置工作区间的范围和执行的路径，陆空两用作业型飞行机器人通过设定值自动飞行到执行任务的区域并自动降落，然后利用运动平台精确的控制机器人到作业点，通过视觉捕获系统可以识别并追踪待抓取的物体，引导机械臂进行抓取作业，最后控制三轴机械臂的联动来实现抓取任务，完成任务之后，陆空两用作业型飞行机器人通过设定的航线返回指定的区域着陆。

以上所述仅是本发明的具体实施例。需要注意的是，对于该技术领域的技术人员来说，在权利要求的范围内做出的若干改进，并不影响本发明的实质内容，均视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种陆空两用作业型飞行机器人，包括飞行机器人机身、旋翼、动力装置、机械臂、机械爪、运动平台；其中，所述的飞行机器人安装在运动平台上面；所述的机械臂安装于飞行机器人机身下方；所述的旋翼一端与飞行机器人机身连接，另一端与动力装置连接；飞行机器人机身搭载计算控制单元；所述的旋翼数量为6个；所述的机械臂为3自由度；所述的旋翼数量与动力装置数量一一对应；所述的旋翼沿飞行机器人机身周围呈均匀分布。

2.根据权利要求1所述的陆空两用作业型飞行机器人，其特征在于，所述的机械臂由连杆和末端执行机构组成，机械臂的连杆由1号、2号、3号连杆依此连接构成，1号连杆的上方与飞行机器人底部固定连接，1号连杆的末端连接双输出步进电机，通过该双输出步进电机与2号连杆的上部连接，2号电机的末端连接一个单输出的步进电机，然后通过该电机与3号连杆的顶部连接，1、2、3号连杆的旋转角度为0-90°，三号连杆的末端通过一个舵机与末端执行机构连接。

3.根据权利要求1所述的陆空两用作业型飞行机器人，其特征在于，所述的飞行机器人结构包含：飞行控制系统、电源控制系统、电源、无刷电机、电子调速器以及用于位姿解算的AHRS模块和视觉捕获系统，AHRS模块包括：三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计、全球定位模块、气压计和超声波单元，AHRS模块与飞行控制系统连接，计算出飞行机器人的空间位姿，反馈给飞行控制系统，飞行控制系统输出PWM波到电子调速器，电子调速器将实时控制电机的转速来控制陆空两用作业型飞行机器人的位姿，电源控制系统将电池电量合理的分配给飞行机器人、机械臂和运动平台，视觉捕获系统可以识别并追踪待抓取的物体，引导机械臂进行抓取作业。

4.根据权利要求2所述的陆空两用作业型飞行机器人，其特征在于，所述的末端执行机构由仿真手指气缸组成，仿真手指由三个软管构成，通过末端执行机构内部的气缸，可以驱动三个软管进行抓取和释放，与末端执行机构连接的舵机可以控制该机构进行旋转操作。

5.根据权利要求1所述的陆空两用作业型飞行机器人，其特征在于，所述的运动平台包括两个闭环直流电机和两个驱动轮、电机驱动器、一个万向轮和一个方形平台，两个驱动轮分别与两个直流电机装配组成动力部分，然后连接到方形平台下方，万向轮安装在方形平台下方，两个电机与万向轮呈三角形排布，电机驱动器驱动端与闭环电机连接，供电端由电源控制系统提供电源，多旋翼无人机的脚架固定在方形平台的上方，电机控制信号由飞行控制系统发布。

6.根据权利要求3所述的陆空两用作业型飞行机器人，其特征在于，所述的全球定位模块使用UBLOX M8N GPS模块，气压计使用MS5611芯片，超声波使用KS103模块，电源使用容量为4S的锂电池，三轴加速度计使用LIS2DW12TR芯片，三轴陀螺仪使用FXAS21002C芯片，三轴磁力计使用GY-MAG3110芯片，飞行控制系统的主控芯片使用STM32F429VGT6。

7.根据权利要求5中所述的陆空两用作业型飞行机器人，其特征在于，所述的方形平台由碳纤维材料构成，为了减轻重量和简化结构，方形平台为菱形，三角形镂空，所述的菱形、三角形镂空结构以方形平台的中轴线对称排列，菱形、三角形一一对应，菱形和三角形交错排列于方形平台上。