[发明专利]一种多旋翼飞行器仿人双机械臂系统及其动态自平衡控制设计方法

说明书

本发明公开了一种多旋翼飞行器仿人双机械臂系统及其动态自平衡控制设计方法。双机械臂系统结构设计仿照人类双臂骨骼，左右两侧机械臂各包含三个自由度。当多旋翼飞行器处于着陆状态时，双机械臂呈稳定的L型连杆结构，起到飞行器起落架的作用；当飞行器处于飞行状态时，双机械臂可以模仿人类手臂灵活运动。通过设计仿人双机械臂系统动态自平衡控制策略削弱双机械臂运动对多旋翼飞行器产生的扰动影响，保证载体姿态的稳定性。本发明有效解决了携带双机械臂的多旋翼飞行器在高空作业过程中机身会受到机械臂运动严重干扰导致系统无法稳定的问题，为飞行机械臂的实用化奠定了基础。

技术领域

本发明涉及飞行机械臂领域，具体而言，涉及一种多旋翼飞行器仿人双机械臂系统及其动态自平衡控制设计方法。

背景技术

相比传统的固定翼无人机，多旋翼飞行器具有垂直起降、空中悬停、灵活避障以及大机动飞行的能力，在空中复杂环境下执行任务具有明显的优势。目前多旋翼飞行器的应用限制在拍摄和监控层面，与环境的交互能力较弱，通过搭载云台相机、激光雷达以及机械臂等机载设备，使多旋翼飞行器系统具备一定的任务执行能力，可应用于应急救援、极地科考、高空清障以及物资运输等领域。国内外相关研究机构对于飞行机械臂的研究多针对单机械臂，然而单机械臂难以发挥飞行机械臂空中作业的优势，而且可能会严重影响多旋翼飞行器的飞行姿态，造成机身不稳的现象出现，甚至导致飞行器坠毁。鉴于单机械臂空中作业存在的弊端，仿人双机械臂具有更佳的灵活性以及更优良的协调操作性能，同时结构上具有更好的稳定性，能在繁琐的作业与变化多样的工作空间中脱颖而出。

多旋翼飞行器仿人双机械臂系统是一个多刚体系统，多旋翼飞行器与仿人双机械臂之间存在着显著的耦合效应，当仿人双机械臂执行空中作业任务时会对多旋翼飞行器的运动特性产生严重影响，这给其高性能控制带来了诸多问题，在尽可能不影响载体飞行状态的情况下执行空中作业任务是飞行机械臂实用化的关键。

发明内容

本发明所需要解决的技术问题是：空中作业过程中，搭载在多旋翼飞行器上的仿人双机械臂运动会对飞行器的姿态产生较大影响，这对多旋翼飞行器的鲁棒性和抗干扰性能提出了较高的要求，有效抑制双机械臂运动对载体产生的扰动影响是飞行机械臂执行空中作业任务的基本前提。

为了解决上述问题，本发明提供一种可搭载在多旋翼飞行器上且能使抓取范围更大、抓取动作更灵活的仿人双机械臂系统及其动态自平衡控制设计方法。

一方面，本发明提供了一种搭载在多旋翼飞行器平台上的仿人双机械臂结构设计方法，具体包括：

所述的仿人双机械臂结构设计使用铝合金材质的轻质多连杆机构，总重量为2.4kg。双机械臂由一条横杆连接，且在结构上相互对称。机械臂在结构上模仿人类手臂骨骼由连杆Ⅰ，连杆Ⅳ和机械爪三部分组成，分别对应人类手臂的大臂、小臂和手掌；从肩部到手部的各关节与人类手臂关节一一对应，依次为：肩部偏航关节、肩部俯仰关节、肘部俯仰关节和机械爪。肩部偏航关节在横杆端部，肩部俯仰关节在肩部偏航关节下方，肘部俯仰关节在肩部俯仰关节下方。为了避免重心过低，同时提高带载能力，双机械臂采用平面四连杆机构设计方式，分别由连杆Ⅰ、连杆Ⅱ、连杆Ⅲ和连杆Ⅳ组成。连杆Ⅱ与连杆Ⅲ、连杆Ⅲ与连杆Ⅳ之间均通过深沟球轴承连接，连杆Ⅰ和连杆Ⅳ之间通过带座轴承连接。机械臂各关节的摆动模拟人类手臂的动作，关节驱动器选用串行总线舵机，此类舵机可反馈自身的转角、扭矩等信息，通过安装在飞行器上的舵机控制器驱动总线舵机转动。其中一对总线舵机分别安装在双机械臂的肩部偏航关节处，用于驱动双机械臂左右运动；另一对总线舵机分别安装在双机械臂的肩部俯仰关节处，用于驱动双机械臂连杆Ⅰ前后运动；一对四连杆总线舵机分别安装在双机械臂的肩部俯仰关节下方，通过平面四连杆机构驱动双机械臂连杆Ⅳ上下运动；两个机械爪通过总线舵机控制其开合。

U型电池仓、云台固定架、L型平台支架三个部件通过螺丝螺母固定在一起，安装在所述多旋翼飞行器底部，便于安装机载电子系统。倒Π型固定座在上方通过螺丝螺母与U型电池仓固定，在下方通过螺丝螺母与横杆固定。所述仿人双机械臂为独立结构，可以通过快速拆卸方式从所述多旋翼飞行器底部移除。