[发明专利]一种伸缩套臂式无人机空基回收装置及安全对接包络建模方法

权利要求书

1.一种伸缩套臂式无人机空基回收装置的安全对接包络建模方法，采用伸缩套臂式无人机空基回收装置，包括设置于母机(1)机舱舱尾的固定平台(2)；所述固定平台(2)下端连接有转动底座(4)；所述转动底座(4)通过可控俯仰关节(5)与套臂(6)连接；所述套臂(6)内部中空，且套装有伸缩臂(7)，所述伸缩臂(7)长度小于套臂(6)；所述伸缩臂(7)通过套臂(6)内部的滑轨(12)滑动安装于套臂内部的丝杠(11)上；所述丝杠(11)由端部转轴(10)控制转动；所述伸缩臂(7)伸出端末尾设有机械手(8)，所述机械手(8)下端设有机械夹具(9)；所述机械夹具(9)包括若干对钳形爪体；其特征在于，安全对接包络建模方法包括以下步骤：

步骤S1、以转动底座中心为坐标原点O₀，选取转动底座转轴方向为Z轴方向，母机机头指向方向为X轴方向，满足右手定则建立偏航关节坐标系O₀-X₀Y₀Z₀；以可控俯仰关节中心为坐标原点O₁，选取可控俯仰关节转轴方向为Z轴方向，伸缩臂所在方向为X方向，满足右手定则建立俯仰关节坐标系O₁-X₁Y₁Z₁，以套臂末端为坐标原点O₂，选取俯仰关节坐标系O₁-X₁Y₁Z₁各方向为坐标系方向，建立滑动关节坐标系O₂-X₂Y₂Z₂；

步骤S2、在滑动坐标系O₂-X₂Y₂Z₂内描述伸缩套臂回收装置的机械手所在位置²P_e，根据各坐标系间转换关系，得到机械手在偏航坐标系下的运动学模型如下：

⁰P_e＝⁰T₁·¹T₂·²P_e

其中，⁰P_e为机械手末端在偏航坐标系中的位置，²P_e为机械手末端在滑动坐标系下位置；⁰T₁为俯仰坐标系向偏航坐标系转换的转换矩阵；¹T₂为滑动坐标系向俯仰坐标系转换的转换矩阵；

步骤S3、根据步骤S2中所述机械手的运动学模型以及伸缩套臂的俯仰、偏航、伸缩运动范围约束，构建伸缩套臂机械运动约束范围S_t＝[x_t y_t z_t]^T如下：

其中，l₂为套臂长度，Δl₃为伸缩臂伸出套臂外长度，ξ为偏航角，δ为俯仰角，δ_min，δ_max依次表示伸缩套臂允许偏航最小角度及最大角度，ξ_min，ξ_max依次表示伸缩套臂允许俯仰最小角度及最大角度，Δl_3min，Δl_3max依次表示伸缩套臂运行伸缩最小长度及最大长度；

步骤S4、在伸缩套臂始端和待回收无人机质心连线上确定点O_C，并以O_C为顶点，以转动底座所在平面为底面，σ_I为保持圆锥区域的顶角，σ_O为伸缩圆锥区域的顶角；分别确定伸缩套臂保持圆锥区域S_I＝[x_I y_I z_I]^T及伸缩圆锥区域S_O＝[x_O y_O z_O]^T如下：

其中，l_x＝l_Pcosδcosξ，为伸缩套臂当前长度l_P在圆锥中心线O_CO₀上的投影，l_U为无人机质心至转动底座质心O₀的距离；

步骤S5、根据步骤S3-S4中获得的伸缩套臂机械运动约束范围及安全对接约束范围，构建安全对接包络S_A，即：

S_A＝S_t∩S_j；

步骤S6、根据构建的安全对接包络S_A制定具体安全对接策略如下：

当套臂、伸缩臂和机械爪均处于内部伸缩圆锥区域S_O内时，装置允许伸缩臂伸缩带动机械爪进行对接；当套臂、伸缩臂和机械爪结构有部分位于外部保持圆锥区域S_I时，不允许伸缩臂伸长，先调套臂、伸缩臂和机械爪三者位置，使所述位置完全位于伸缩圆锥区域S_O中；当套臂单独位于保持圆锥区域S_I时，先收缩伸缩臂，并操纵套臂、伸缩臂和机械爪回归伸缩圆锥区域S_O，最后伸缩套臂进行伸缩并实行抓取作业。