一種裝備機械臂的無人機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于產(chǎn)品的跨界領(lǐng)域結(jié)合，設(shè)及一種裝備超冗余機械臂的飛行器，可W將 操作范圍擴展至Ξ維空間，使無人機具有異地抓取遠距離投送的功能，增加無人機的擴展 能力。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技社會的不斷進步，無人機行業(yè)正在逐步的壯大，多旋翼飛行器由于機械 結(jié)構(gòu)簡單，動力系統(tǒng)簡單，能夠垂直起降等優(yōu)點發(fā)展很快，一時間研究者趨之若鴦，紛紛開 始多旋翼飛行器的研究使用，全球范圍內(nèi)都有一股將多旋翼商業(yè)化的熱潮。
[0003] 目前多旋翼無人機主要發(fā)展方向主要有編隊飛行、航拍影像、定點巡航、高空檢測 等方向；目前行業(yè)發(fā)展雖然比較迅速，但是也遇到了產(chǎn)品功能擴展的瓶頸期，主要由于無人 機缺乏對外界事物的操作能力。
[0004] 超冗余機械臂是指具有運動冗余自由度的機械臂。與普通機械臂相比，超冗余機 械臂具有更加靈活的運動特性，可W在完成上下伸展任務(wù)的同時完成機械臂旋轉(zhuǎn)角度的變 換等附加任務(wù)。其應(yīng)用范圍十分廣泛，大到深海和宇宙空間的探索，小到產(chǎn)品加工和家庭服 務(wù)等不同領(lǐng)域都可W發(fā)現(xiàn)其身影。由于具備冗余的自由度，即保證機械臂末端在完成所要 求任務(wù)的同時，還能根據(jù)不同的任務(wù)要求和工作環(huán)境選擇不同的優(yōu)化指標(biāo)。 陽〇化]超冗余機械臂運動軌跡的控制和角度變換是超冗余機械臂的核屯、研究內(nèi)容，而之 前的超冗余機械臂不能更好的擴展其運動軌跡及變換的角度，使之在應(yīng)用上具有一定的局 限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明公開了一種裝備機械臂的飛行器，拓展無人機的可操作范圍，基于無人機 的操控平臺，通過遠程操控，使機械臂執(zhí)行的靈巧操控，遠程協(xié)作執(zhí)行重要的任務(wù)，貨物補 給、災(zāi)難響應(yīng)、危險環(huán)境取樣、高空維修等目前地面機器手可W操作的范圍。通過在無人機 上搭載機械臂，完成在很多復(fù)雜環(huán)境如火災(zāi)現(xiàn)場的取樣，特殊環(huán)境的遠程機械手排雷，高空 維修、清潔，危險環(huán)境的遠程補給。
[0007] 此外，本發(fā)明的機械臂的結(jié)構(gòu)，至少具有Ξ個W上的運動冗余自由度，通過加載多 個自由度使機械臂能夠?qū)崿F(xiàn)多角度的旋轉(zhuǎn)；機械臂的末端可加載多種爪機，并在該超冗余 機械臂搭載控制模塊，既能夠控制機械臂自身的伸展和旋轉(zhuǎn)，也能夠控制末端爪機的收縮 與釋放，提升機械臂的適用性和實用性。通過本發(fā)明的超冗余機械臂，拓展了機械臂的可操 作范圍，增加機械臂的伸縮性及變換角度，增加機械臂對末端爪機的支持，增加通信模塊使 機械臂的操控更加靈活，因此具有較強的適用性、穩(wěn)定性和實用性。
[0008] 本發(fā)明是基于多旋翼無人機平臺一個創(chuàng)新性應(yīng)用，可W引領(lǐng)眾多研發(fā)機構(gòu)進行無 人機的攜帶不同設(shè)備的的研究，有益的效果，飛行器可W通過很多地面普通方式無法到達 的地方，通過機械臂與無人機的交互，飛行器把收集到的信號傳遞給機械臂電控部分，基于 控制部分的快速響應(yīng)，遠程遙控終端的信號緩慢增益，使機械臂可w緩慢的移動到所要達 到的位置，依托于對物體的精確抓取，使異地抓取投送成為現(xiàn)實，可W在類似的應(yīng)用上繼續(xù) 擴展應(yīng)用范圍，對于遠程投遞包裹；危險環(huán)境的取樣，減少人工取樣的危險性。
【附圖說明】
[0009] 圖1:本發(fā)明的多旋翼無人機。
[0010] 圖2 :本發(fā)明的安裝機械臂的多旋翼無人機。 W11] 圖3:本發(fā)明的機械臂。 陽01引圖4 :本發(fā)明的機械爪。
【具體實施方式】
[0013] 參見圖1，展示了本發(fā)明實施例的一個四旋翼無人機，圖2是在該無人機的機身底 部安裝了本發(fā)明的機械臂，無人機的遠程控制終端發(fā)送控制信號給無人機，通過無人機將 該信號轉(zhuǎn)發(fā)給機械臂的電控模塊，從而可W控制該機械臂。
[0014] 參見圖1，本發(fā)明的機械臂包括上臂、中臂、下臂和機械爪，所述上臂一端通過旋轉(zhuǎn) 關(guān)節(jié)和中臂連接，另一端也具有旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，與無人機的機身連接，所述中臂一端通過旋轉(zhuǎn)關(guān) 節(jié)和上臂連接，另一端通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和下臂連接，下臂上還具有安裝機械爪的接口，可W安 裝任意一種匹配該接口的機械爪。每個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)都由相應(yīng)的電機控制，可W進行任意角度 和方向的旋轉(zhuǎn)，每個電機都由機械臂上安裝的電控模塊控制，從而使得該機械臂至少具有 Ξ個運動冗余自由度。所述電控模塊根據(jù)控制信號，控制各個電機帶動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，W及控制 機械爪上的艙機帶動機械爪，從而控制機械臂的動作。
[0015] 為了使得機械臂具有更好的靈活性，本發(fā)明引入關(guān)節(jié)最佳柔順性準(zhǔn)則，得出用優(yōu) 化算法求機械臂運動學(xué)逆解的目標(biāo)函數(shù)，即：
[0016]
[0017]上式中，F(xiàn)(z)是機械臂逆解的目標(biāo)函數(shù)，Z為所述機械臂，η是關(guān)節(jié)數(shù)目，山切是 第i個關(guān)節(jié)的目標(biāo)位置，Qi。是第i個關(guān)節(jié)的當(dāng)前位置。當(dāng)求Qi(Z)時，Qi。是已知量。因此， 求逆解可W歸結(jié)為求解目標(biāo)函數(shù)F(z)最小值的優(yōu)化問題。本發(fā)明使用遺傳信賴域方法求 解此最優(yōu)化問題，利用二次逼近，可W構(gòu)造信賴域子問題為：
[0018]
[0019] S. t.I|d| |2《Δ kZke R2
[0020] 其中，qk(d)是信賴域子問題；
[OOWZk是迭代點； 陽022]gk=VF(Zk); 陽〇2引 Δ,是信賴域半徑；
[0024]Gk= ▽申(Zk);即求解Gk用擬牛頓法的BFGS公式構(gòu)造化ssion矩陣來近似。
[00巧]d為試探步變量；R為實數(shù)域。
[0026]通過上述目標(biāo)函數(shù)的逼近，除了關(guān)節(jié)最佳柔順性外，我們還可W得到一個機械臂 長度的優(yōu)選解，即上臂、中臂、下臂的長度比例為1 · 1 :廣。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，本發(fā)明采用的機械爪如圖2所示，機械抓取部分 采用平面四桿機構(gòu)，主要由四個剛性構(gòu)件低福鏈接組成，具有左右兩個平面機構(gòu)，各轉(zhuǎn)接部 分安裝小軸承；連架桿部分等距，使左右兩個平面機構(gòu)連桿運動軌跡對稱，達到相對的平行 抓??；對稱的兩個連架桿各由一個齒輪帶動，其中一個為主動齒輪依靠艙機提供旋距，一個 為從動齒輪，由主動齒輪帶動；扭矩最大可提供13kg·cm,增加壓力傳感器安裝在爪子前 端，使在抓取過程中防止受力大導(dǎo)致物體抓取力度變大，通過Ξ個靈活自由度的自動控制， 減少抓取過程中的外在沖擊，使抓取過程中平穩(wěn)。
[0028]W上所述的本發(fā)明實施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定。任何在本發(fā)明 的精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護范 圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種裝備機械臂的無人機，其特征在于，包括多個旋翼、機身、遠程控制終端和機械 臂； 所述機械臂安裝在所述機身底部，包括上臂、中臂、下臂、機械爪和電控模塊，所述上臂 一端通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和中臂連接，另一端也具有旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，與所述機身連接，所述中臂一端通 過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和上臂連接，另一端通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和下臂連接，下臂上還具有安裝機械爪的接 口，可W安裝任意一種匹配該接口的機械爪。每個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)都由相應(yīng)的電機控制，可W進行 任意角度和方向的旋轉(zhuǎn)，每個電機都由所述電控模塊控制；所述電控模塊根據(jù)控制信號，控 制各個電機和所述機械爪上的艙機，從而控制機械臂的動作； 所述遠程控制終端發(fā)送控制信號給該無人機，通過該無人機轉(zhuǎn)發(fā)給所述機械臂的所述 電控模塊，從而可W遠程控制所述機械臂。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人機，其特征在于，所述電控模塊遵循關(guān)節(jié)最佳柔順性準(zhǔn) 貝1J，控制所述機械臂的運動，該準(zhǔn)則通過下述公式求機械臂運動學(xué)逆解，即：其中，F(xiàn) (Z)是機械臂逆解的目標(biāo)函數(shù)，Z為所述機械臂，η是關(guān)節(jié)數(shù)目，(Z)是第i個 關(guān)節(jié)的目標(biāo)位置，心是第i個關(guān)節(jié)的當(dāng)前位置。3. 根據(jù)權(quán)利要求1-2任意一項所述的無人機，其特征在于，所述上臂、中臂、下臂的長 度比例為1 :I為。4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3任意一項所述的無人機，其特征在于，所述機械爪的機械抓取部 分采用平面四桿機構(gòu)，由四個剛性構(gòu)件低福鏈接組成，各轉(zhuǎn)接部分安裝小軸承；所述機械爪 的連架桿部分等距，使左右兩個平面機構(gòu)連桿運動軌跡對稱，達到相對的平行抓取；對稱 的兩個連架桿各由一個齒輪帶動，其中一個為主動齒輪，依靠艙機提供旋距，一個為從動齒 輪，由主動齒輪帶動。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種裝備超冗余機械臂的無人機，該機械臂包括上臂、中臂、下臂、電控模塊和機械爪，提供了多個自由度的操作，并且可以更換末端機械爪，滿足不同行業(yè)對于無人機搭載不同功能機械臂的需求，擴展無人機對于第三方操作平臺的融合，擴充了平臺的品類，使目前的無人機由攝取信息資源，游戲娛樂的平臺擴展到具體操作應(yīng)用的第三方實施功能。
【IPC分類】B64C39/02, B64C27/08
【公開號】CN105314102
【申請?zhí)枴緾N201510884448
【發(fā)明人】蔣再男
【申請人】哈爾濱云控機器人科技有限公司
【公開日】2016年2月10日
【申請日】2015年12月4日