一种带有机械臂的飞行机器人及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种带有机械臂的飞行机器人及其控制方法，飞行机器人包括多旋翼无人机飞行平台、六自由度机械臂和操作端控制系统，六自由度机械臂安装在多旋翼无人机飞行平台下方。将无人机与机械臂相结合，拓展其任务执行能力；对于机械臂，将其运动范围从地基拓宽到空中，同时对其控制方式加以改进，新的控制方式可以实现机械臂跟随人体手臂运动的功能，使其能够更加自然灵活地执行操作者的想法。该机器人及其控制方法扩大了无人机和机械臂作业范围，实现对机械臂的远程控制；机械臂随动人体手臂位姿，避免了复杂的模型检测与运算，响应效果更好；并且在尽可能保留舵机快速响应特性的同时减缓了舵机快速响应时对机械臂和飞行平台带来的冲击问题。

A flying robot with manipulator and its control method

The invention discloses a flying robot with manipulator and its control method, including flying robot multi rotor UAV flight platform, six degrees of freedom manipulator and end control system, six DOF Manipulator mounted on multi rotor UAV flight under the platform. The UAV and mechanical arm combination, expand its task execution ability; for the manipulator, the motion range from the foundation to broaden into the air, and the control method is improved, a new control mode can realize the mechanical arm to follow the human arm movement function, to make it more natural and flexible implementation of the idea of the operator. The robot and its control method of expanded drone and manipulator operation range and realize the remote control of the manipulator; manipulator servo arm posture, avoid model checking and complicated calculation, the response effect is better; and as far as possible to retain the impact of rapid response characteristics of the servo actuator while slowing the rapid response when brought to the mechanical arm and the flying platform.

【技术实现步骤摘要】
一种带有机械臂的飞行机器人及其控制方法
本专利技术属于作业型无人机
，具体是一种带有机械臂的飞行机器人及其控制方法。
技术介绍
目前多旋翼无人机技术自身已发展得较为成熟，其在日常生活中的应用一般需结合其它部件来完成，如和云台拍摄设备结合实现高空侦查拍摄功能、和喷洒装置结合实现农田植保的功能。目前也有相关学者和研究人员提出将旋翼无人机和手爪或机械臂结合来完成更复杂的功能，早期的这类飞行机器人多是将旋翼无人机和手爪相结合，但是这类机器人系统的作业能力十分有限，并且由于没有机械臂系统，作业能力受到很大限制。于是有学者提出飞行器结合多自由度机械臂的概念，但机械臂系统自身不具备主动作业的功能，目前在这一领域较先进的机械臂控制方式是通过外界视觉捕捉系统辅助定位来实现动态抓取目标，这样的控制方法很大程度上依赖于视觉捕捉功能，目前视觉捕捉技术发展不够成熟，且对于没有视觉捕捉系统的外界复杂环境这样的控制方式会束手无策，因而此类控制方式可靠程度不够高。目前常见的机械臂多用于工业生产，旨在执行高精度、高复杂性的装配工作，从而替代人工，提高生产效率。这类机械臂一般造价高昂、体积较大，用途相对固定，运动范围有限，运动方式只能由预先编制的程序控制，难以动态响应外部的运动指令。与工业机械臂相对，另一类小型机械臂立足于桌面级应用，被用于教学演示、产品原型设计、科研验证等方面，这类机械臂大多采用步进电机作为驱动，步进电机带来较好的驱动效果的同时也因体积和重量较大使得机械臂系统使用范围受到限制，同时这类机械臂系统也有响应速度与力度有限、响应方式不灵活的局限性，在使用时需要与电脑和电源连接以获得运动指令。不管是工业级机械臂或者小型机械臂在人机交互方面均未能实现较理想的效果，即目前的机械臂技术一般只能按照预先编制的程序指令来控制，这种控制方式不够自然和灵活。目前市面上销售的舵机控制方式即由使用者发送角度指令，而后舵机快速响应至目标位置，一般情况下无需操作者进行干预，但舵机快速响应的特性决定了其在响应时的角加速度很大，因此会对耦合装置造成较大的冲击，对于扭力较大的舵机这种现象尤为明显。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种带有机械臂的飞行机器人及其控制方法，该机器人及其控制方法能够扩大无人机和机械臂作业范围，实现对机械臂的远程控制；机械臂随动人体手臂位姿，避免了复杂的模型检测与运算，响应效果更好；并且在尽可能保留舵机快速响应特性的同时减缓舵机快速响应时的冲击问题。本专利技术基本思路是将小型机械臂系统装配在多旋翼无人机下方，其上载有无线通讯设备来接收操作端的指令。在操作端的人体姿态采集装置捕捉人体关节与手势信息，然后经过程序运算处理，即时计算出机械臂的运动指令并发出，从而实现在无线信号可达范围内的三维灵活作业。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种带有机械臂的飞行机器人，包括多旋翼无人机飞行平台、六自由度机械臂和操作端控制系统，所述六自由度机械臂安装在多旋翼无人机飞行平台下方。进一步的，所述多旋翼无人机飞行平台，包括六轴无人机、飞控系统、GPS模块、电池组、图像采集系统，所述飞控系统、GPS模块、电池组和图像采集系统位于六轴无人机上方。另一种改进，所述六自由度机械臂包括底座、肘部和腕部，所述底座和肘部之间采用大臂连接，同时在底座和肘部之间设置与大臂平行的连杆，底座、大臂、连杆和肘部组成四连杆机构；所述肘部和腕部之间采用小臂连接；所述六自由度机械臂通过与飞行器接合结构安装到多旋翼无人机飞行平台下方。更进一步，所述底座上安装有三个舵机，分别为第一、二、三舵机；所述第一舵机位于上方，所述第二、三舵机位于第一舵机下方，并分列于第一舵机两侧；第一舵机用于驱动机械臂和飞行器平台之间的平面内转动，第二舵机用于驱动大臂相对于底座的转动，第三舵机用于驱动小臂相对于大臂的转动；所述大臂呈工字型，所述大臂上固接有第一、二、三法兰轴承，大臂侧面开孔以便于舵机电源及信号走线；所述肘部是由四片板材和舵机结合而形成的立体结构；所述小臂由前、后连接件和圆管组成；所述连杆包括第二连杆和第三连杆；所述第二连杆头部短轴与第一法兰轴承内径装配实现大臂和第二连杆的相对转动，第二连杆尾部开孔与第三连杆铰接实现相互转动；所述腕部包括第一部分和第二部分；所述第一部分的左挡板开孔装配有法兰轴承，后挡板的四个开孔与小臂的前端连接件上的孔利用螺栓螺母固接，右挡板安装有第五舵机，舵机转轴和左挡板上的法兰轴承转轴共轴；所述第二部分的左挡板固接有短轴，与第一部分左挡板上法兰轴承内径配合，前侧挡板安装有第六舵机，右侧挡板的四个孔与第一部分右侧挡板上的舵机舵盘利用螺栓螺母固接。再进一步，所述底座与大臂间连接的实现方式是：第二舵机舵盘处的四个圆形孔和大臂上部左侧的四个螺纹孔用螺栓螺母固接，第三舵机舵盘处四个圆形孔和第二连杆头部的四个螺纹孔用螺栓螺母固接。通过这样的连接方式，第二舵机可直接驱动大臂相对于底座绕第二舵机的转轴转动，第三舵机的转动将直接驱动第二连杆绕其转轴转动，而不对大臂产生影响。另一种改进，所述操作端控制系统包括Kinect和LeapMotion设备；所述LeapMotion用于检测手掌的运动并定位人手的各主要关节；所述Kinect用于实现对其可视范围内物体深度数据的获取，对人体全身主要关节进行捕捉和定位。一种带有机械臂的飞行机器人的控制方法，包括基于Kinect的正向控制方式、基于LeapMotion的逆向控制方式和七段S曲线舵机平滑运动控制方法；所述基于Kinect的正向控制方式，通过Kinect捕获的手臂关节空间坐标求解出各个关节间的角度，通过将求解得到的各个关节的角度映射到机械臂的关节间夹角实现对其控制。进一步的，所述基于LeapMotion的逆向控制方式，通过LeapMotion获取手掌的6自由度信息：3个位移量、3个姿态角；利用这6自由度信息作为机械臂末端关节位置姿态条件，逆向求解出各个关节之间的夹角；采用DH法确定各关节坐标系；将相邻坐标系i-1和i的齐次变换记为Ti，如以T1表示坐标系1相对于坐标系0的位置姿态，Ti由参数ai、αi、di、θi决定：由此得到从机械臂末端关节坐标系6相对于机械臂底座坐标系0的总变换Tall为：Tall＝T1T2T3T4T5T6(13)设更新间隔时间为Δt，Δt间隔内程序检测到的手掌位姿信息变化记为AΔt：AΔt＝[ΔxΔyΔzΔαΔβΔγ]T其中x、y、z为手掌在LeapMotion坐标系下的相对位移，α、β、γ为手掌在LeapMotion坐标系下的回转角、俯仰角、偏转角；记时刻t机械臂末端在底座坐标系下的位置姿态为为At′：At'＝[xt'yt'zt'αt'βt'γt']T其中x′、y′、z′为机械臂末端在底座坐标系下的位置坐标，α′、β′、γ′为机械臂末端在底座坐标系下的回转角、俯仰角、偏转角，将LeapMotion检测到的人手的位姿变化映射到机械臂末端的位姿，则t+Δt时刻机械臂末端位置At+Δt′为：其中k1、k2分别为手掌位置、姿态的控制灵敏度系数，通过变化k1、k2的值可改变手掌运动映射到机械臂末端的幅度大小。T为一3×3矩阵，是LeapMotion坐标系到机械臂底座坐标系的方向变换。将At+Δt′转化为与Ta本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有机械臂的飞行机器人，其特征在于，包括多旋翼无人机飞行平台、六自由度机械臂和操作端控制系统，所述六自由度机械臂安装在多旋翼无人机飞行平台下方。

【技术特征摘要】
1.一种带有机械臂的飞行机器人，其特征在于，包括多旋翼无人机飞行平台、六自由度机械臂和操作端控制系统，所述六自由度机械臂安装在多旋翼无人机飞行平台下方。2.根据权利要求1所述的带有机械臂的飞行机器人，其特征在于，所述多旋翼无人机飞行平台，包括六轴无人机、飞控系统、GPS模块、电池组、图像采集系统，所述飞控系统、GPS模块、电池组和图像采集系统位于六轴无人机上方。3.根据权利要求1所述的带有机械臂的飞行机器人，其特征在于，所述六自由度机械臂包括底座、肘部和腕部，所述底座和肘部之间采用大臂连接，同时在底座和肘部之间设置与大臂平行的连杆，底座、大臂、连杆和肘部组成四连杆机构；所述肘部和腕部之间采用小臂连接；所述六自由度机械臂通过与飞行器接合结构安装到多旋翼无人机飞行平台下方。4.根据权利要求3所述的带有机械臂的飞行机器人，其特征在于，所述底座上安装有三个舵机，分别为第一、二、三舵机；所述第一舵机位于上方，所述第二、三舵机位于第一舵机下方，并分列于第一舵机两侧；第一舵机用于驱动机械臂和飞行器平台之间的平面内转动，第二舵机用于驱动大臂相对于底座的转动，第三舵机用于驱动小臂相对于大臂的转动；所述大臂呈工字型，所述大臂上固接有第一、二、三法兰轴承，大臂侧面开孔以便于舵机电源及信号走线；所述肘部是由四片板材和舵机结合而形成的立体结构；所述小臂由前、后连接件和圆管组成；所述连杆包括第二连杆和第三连杆；所述第二连杆头部短轴与第一法兰轴承内径装配实现大臂和第二连杆的相对转动，第二连杆尾部开孔与第三连杆铰接实现相互转动；所述腕部包括第一部分和第二部分；所述第一部分的左挡板开孔装配有法兰轴承，后挡板的四个开孔与小臂的前端连接件上的孔利用螺栓螺母固接，右挡板安装有第五舵机，舵机转轴和左挡板上的法兰轴承转轴共轴；所述第二部分的左挡板固接有短轴，与第一部分左挡板上法兰轴承内径配合，前侧挡板安装有第六舵机，右侧挡板的四个孔与第一部分右侧挡板上的舵机舵盘利用螺栓螺母固接。5.根据权利要求4所述的带有机械臂的飞行机器人，其特征在于，所述底座与大臂间连接的实现方式是：第二舵机舵盘处的四个圆形孔和大臂上部左侧的四个螺纹孔用螺栓螺母固接，第三舵机舵盘处四个圆形孔和第二连杆头部的四个螺纹孔用螺栓螺母固接；通过这样的连接方式，第二舵机可直接驱动大臂相对于底座绕第二舵机的转轴转动，第三舵机的转动将直接驱动第二连杆绕其转轴转动，而不对大臂产生影响。6.根据权利要求1所述的带有机械臂的飞行机器人，其特征在于，所述操作端控制系统包括Kinect和LeapMotion设备；所述LeapMotion用于检测手掌的运动并定位人手的各主要关节；所述Kinect用于实现对其可视范围内物体深度数据的获取，对人体全身主要关节进行捕捉和定位。7.一种带有机械臂的飞行机器人的控制方法，其特征在于，包括基于Kinect的正向控制方式、基于LeapMotion的逆向控制方式和七段S曲线舵机平滑运动控制方法；所述基于Kinect的正向控制方式，通过Kinect捕获的手臂关节空间坐标求解出各个关节间的角度，通过将求解得到的各个关节的角度映射到机械臂的关节间夹角实现对其控制。8.根据权利要求7所述的带有机械臂的飞行机器人的控制方法，其特征在于，所述基于LeapMotion的逆向控制方式，通过LeapMotion获取手掌的6自由度信息：3个位移量、3个姿态角；利用这6自由度信息作为机械臂末端关节位置姿态条件，逆向求解出各个关节之间的夹角；采用DH法确定各关节坐标系；将相邻坐标系i-1和i的齐次变换记为Ti，如以T1表示坐标系1相对于坐标系0的位置姿态，Ti由机械臂结构参数ai、αi、di、θi决定：由此得到从机械臂末端关节坐标系6相对于机械臂底座坐标系0的总变换Tall为：Tall＝T1T2T3T4T5T6(2)设LeapMotion更新间隔时间为Δt，Δt间隔内程序检测到的手掌位姿信息变化记为AΔt：AΔt＝[ΔxΔyΔzΔαΔβΔγ]T其中x、y、z为手掌在LeapMotion坐标系下的相对位移，α、β、γ为手掌在LeapMotion坐标系下的回转角、俯仰角、偏转角；记时刻t机械臂末端在底座坐标系下的位置姿态为为At′：At'＝[xt'yt'zt'αt'βt'γt']T其中x′、y′、z′为机械臂末端在底座坐标系下的位置坐标，α′、β′、γ′为机械臂末端在底座坐标系下的回转角、俯仰角、偏转角，将LeapMotion检测到的人手的位姿变化映射到机械臂末端的位姿，则t+Δt时刻机械臂末端位置At+Δt′为：其中k1、k2分别为手掌位置、姿态的控制灵敏度系数，通过变化k1、k2的值可改变手掌运动映射到机械臂末端的幅度大小；T为一3×3矩阵，是LeapMotion坐标系到机械臂底座坐标系的方向变换；将At+Δt′转化为与Tall对应的齐次形式，其中姿...

【专利技术属性】
技术研发人员：包军，仓宇，张红英，童明波，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32