[发明专利]一种应用于多旋翼机器人的模块化被动操作臂

说明书

本发明公开了一种应用于多旋翼机器人的模块化被动操作臂，用于完成空中抓取、运输物体等作业任务。其优势在于采用被动式设计且重量较轻，可以有效增强多旋翼机器人平台的机动、续航能力。通过设计由两个双万向节构成的被动式关节使得操作臂在进行抓取时无需进行复杂的关节角度计算，减震器和装置冗余的自由度有效减小了抓取过程中因硬性碰撞而产生的力和扭矩，同时使得装置可以抓取形状、位姿不同的目标物。同时设计模块化接口使得操作臂可快速拆卸及安装，同时可针对不同的作业任务更换执行装置的执行器和传感器等。

技术领域

本发明属于机器人学、机械技术领域，涉及一种应用于多旋翼机器人的操作装置，具体是一种应用于多旋翼机器人的模块化被动操作臂。

背景技术

随着近年来无人机技术的快速发展，多旋翼机器人的重要性也逐渐凸显，相比于地面操作机器人，多旋翼机器人的作业范围更广。除高空外，多旋翼机器人还可进入崖壁、洞穴等复杂地形环境中进行作业，完成包括运输、救援、采样、高空搭建在内的多种作业任务。

目前多旋翼机器人的操作装置多采用传统设计，使用主动驱动的方式，这导致了操作装置重量大、耗电量大，在对空气动力学和平台功耗要求严格的空中机器人上应用这些装置会严重影响平台的机动性和续航时间。同时传统多旋翼机器人操作装置的主动驱动方式使得其针对形状、位姿不同的目标物需要完成复杂的关节角度计算，对控制器要求比较高，而被动式的设计可以使得操作装置自动适应目标物的形状及位姿，节约控制器资源。

现有的被动式多旋翼机器人的操作装置，多固定于多旋翼机器人机体之上，或只能于竖直方向上伸缩，不具备转动关节，这导致多旋翼机器人在抓取目标物的过程中极易与目标物或环境发生碰撞，碰撞产生的力和扭矩会严重影响系统稳定甚至导致多旋翼机器人失稳坠落或装置损坏，且这些操作装置对位姿、形状不同的目标物适应性差，导致多旋翼机器人的实际抓取成功率不高。

而少数采用纯柔性连接的被动操作装置，在多旋翼机器人移动与抓取的过程中装置的游摆现象非常严重，导致采用这种执行装置不仅抓取成功率难以保证，而且会大幅增加多旋翼机器人系统的控制难度，影响系统的鲁棒性。

同时目前多旋翼机器人主动或被动操作装置多采用专用接口与机器人连接，这使得操作装置的安装和拆卸过程复杂繁琐，更换装置耗时长，进而导致了一种机器人通常只能完成一种专门的作业任务，影响机器人组装、维修效率的同时也使得机器人平台的泛用性不高，一种机器人难以满足如灾害救援这类的复杂多变且对作业时长严格限制的作业任务的要求。

基于上述原因，设计一种模块化、轻量化、功耗低、对多旋翼机器人系统扰动小的操作臂，是多旋翼机器人发展的需求。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提出一种应用于多旋翼机器人的模块化被动操作臂，用以保证多旋翼机器人作业能力的基础上实现操作装置的快速更换、增强多旋翼机器人在作业过程中的机动性、续航能力及针对不同任务目标的适应性。

本发明应用于多旋翼机器人的模块化被动操作臂，包括快速接头、快速接口、减震缓冲器、连杆与执行装置。

所述快速接头包括挂载板和电磁铁；挂载板吊装于四旋翼机器人底部中心位置；电磁铁固定于挂载板底面中心位置。

所述快速接口包括盖板、铁片与基座；其中，盖板与基座间固定，将铁片压紧固定于两者之间，并使铁片暴露于盖板上的开口处。

所述减震缓冲器包括减震器内筒、减震器外筒、中心杆、中心弹簧与转接杆。其中，减震器内筒顶端固定于基座上，外壁轴向设计环形凸台。减震器外筒套于减震器内筒外侧；通过减震器外筒顶端与减震器内筒顶端环形凸台间配合，限制减震器外筒的轴向位移。中心杆设置于减震器内筒与减震器外筒内部，可沿轴向移动；中心杆顶端设计有限位台，限位台底面与减震器内筒内壁上设计的限位台肩搭接配合，通过限位台与基座底面配合，实现中心杆轴向移动限位。中心杆下端固定于减震器内筒内部底面上；中心杆上套有弹簧，弹簧两端分别连接减震器内筒和减震器外筒。