一种空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统技术方案

本发明专利技术公开一种空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统，在多旋翼飞行器底部安装两条两自由度仿生操作臂。两条仿生操作臂具有髋关节、膝关节、踝关节以及用来实现抓取的机械爪。本发明专利技术还根据仿生学进行运动规划，实现了多旋翼飞行机器人双臂抓取的快速性、准确性、灵敏性。从仿生学的运动规划的角度出发，建立了鹰类抓取动物与多旋翼飞行器空中操作之间的映射关系，实现了多旋翼飞行器在高速运动中的动态抓取任务，体现了仿生学在机器人相关领域应用的优越性。同时通过仿生学的相关手段，从结构上建立了仿鹰爪的结构模型，为有效的完成抓取任务做出了保障。

An eagle grabbing system for aerial operation of multi rotor aircraft

The invention discloses an eagle imitation grasping system for air operated multi rotor aircraft, and two two degrees of freedom bionic operating arm is installed at the bottom of the multi rotor aircraft. The two bionic manipulators have the hip joint, the knee joint, the ankle joint and the mechanical claw for grasping. The invention also carries out the motion planning according to the bionics, and realizes the rapidity, accuracy and sensitivity of the multi - rotor flying robot with double arm grabbing. From the view of bionics motion planning perspective, the mapping between animal and hawk grab multi rotor aircraft operating in the air, to achieve a dynamic grasp task in high speed movement of the multi rotor aircraft, shows the superiority of Bionics in the field of robotic applications. At the same time by means of bionics structure model is established from the imitation of claw structure, make a guarantee for the effective completion of the crawling task.

【技术实现步骤摘要】
一种空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统
本专利技术涉及一种空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统及其抓取方法，通过仿生学手段模拟抓取机械装置、规划抓取运动来实现抓取。
技术介绍
多旋翼飞行器是飞行器领域前沿的研究方向，是未来先进的飞行器。而可操作型多旋翼使飞行器从以往的只具备观察环境的单一功能发展为具有与环境交互接触的能力，是“下一代飞行器”，在高层建筑物探测、遥操作、物流等领域具有潜在的应用前景。在过去的十年中，学术界针对多旋翼飞行器的规划、控制等问题开展了大量研究，取得了丰富的研究成果。与此同时，在产业界，随着飞行器导航、定位等相关技术的日趋成熟，多旋翼飞行器在众多领域取得了极为成功的应用，并推动了一批以微小型多旋翼飞行器为主要产品的机器人企业迅速壮大。以多旋翼飞行器为平台的飞行器被很多研究机构和企业视为最具产业化前景的方向之一。多旋翼操作飞行器将多旋翼飞行平台和操作机构相结合，在综合两者优越性的同时，也带来了一系列新的问题。操作机构、结构追求高灵活性，要求其构型具有一定数量的自由度，这势必会增大飞行器的结构复杂度和整体重量、降低多旋翼飞行器的敏捷性。众多高校和科研院所在多旋翼飞行机器人抓取方面做出了大量的探索，但其主要集中于控制系统建模领域，而在实际情况中，往往多旋翼飞行机器人与环境间存在大量交互，与被操作对象间也存在明显的耦合。实际结果表明，对于物体的多次、快速、准确的抓取任务，各方仍未取得理想成果。为了使得多旋翼飞行机器人能反复、多次、快速、准确的抓取物体，抓取方法应该稳定性更强、快速性更好、适应范围更广、可靠性更高，并应该充分考虑多旋翼飞行机器人与环境间的交互，以及与被操作对象间的耦合问题。
技术实现思路
针对多旋翼飞行器抓取物体过程中的快速性、准确性、灵敏性不足的问题，本专利技术提出一种可以实现反复、多次、快速、准确抓取的空中操作多旋翼飞行器仿鹰抓取系统，针对实际环境和实际物体的抓取场景，充分考虑多旋翼飞行器自身的结构性能特点，可以实现多旋翼飞行机器人对于物体的多次、快速、准确抓取。自然界中的鹰类可以在高速运动中动态抓捕猎物，与之相类似的，小型多旋翼飞行器具有很高的敏捷性，可实现高难度机动特效飞行。本专利技术空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统,在多旋翼飞行器的基础上,加装两条两自由度仿生操作臂，以及机身底部设计的，用来安装仿生操作臂的挂载杆；两条仿生操作臂，包括髋关节连接件、髋关节管座、大腿杆、膝关节连接件、膝关节管座、小腿杆、踝关节与机械爪。其中，髋关节连接件固定安装于挂载杆上。髋关节管座两侧设计有连接轴，分别与髋关节连接件间铰接，形成髋关节。大腿杆末端与髋关节管座间固定，前端固定安装膝关节连接件。膝关节管座两侧同样设计有连接轴，分别与膝关节连接件间铰接，形成膝关节；小腿杆末端与膝关节管座间固定，前端固定安装踝关节；踝关节与机械爪固定。大臂机构负责大范围调整操作臂，小臂机构负责小范围微调操作臂，机械爪负责夹持被操作对象、完成抓取任务。在机械结构上，通过对鹰类腿部结构和功能的机理解析，抽象等价出仿鹰的腿部的构型，对仿鹰腿部进行设计，建立仿鹰腿部的力学模型，并分析鹰类空中动态抓捕猎物的运动机理，建立鹰类运动与空中操作飞行器运动之间的映射转换模型。在运动规划上，以提高系统运动效能和稳定性为目标，借鉴生物运动方式，分析鹰类空中动态抓捕猎物的运动机理；建立鹰类运动与空中操作飞行器运动之间的映射转换模型；分析空中动态操作运动中飞行器的运动规划状态量所应满足的约束条件，建立运动规划的优化模型。本专利技术的优点在于：1、本专利技术空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统，通过在多旋翼无人机上加装一对相同的仿生操作臂，并运用了仿生学的相关知识进行运动规划，实现了多旋翼飞行机器人双臂抓取的快速性、准确性、灵敏性。2、本专利技术空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统，在从仿生学的运动规划的角度出发，建立了鹰类抓取动物与多旋翼飞行器空中操作之间的映射关系，实现了多旋翼飞行器在高速运动中动态抓取任务，体现了仿生学在机器人相关领域应用的优越性。3、本专利技术空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统，通过仿生学的相关手段，从结构上建立了仿鹰爪的结构模型，为有效的完成抓取任务做出了保障。4、本专利技术空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统，摒弃了传统的多旋翼无人机操作臂的舵机驱动模式，采用电机驱动，克服了多旋翼无人机有效载荷不足和动力学耦合的相关问题，实现了输出力矩和速度的有效控制。附图说明图1为本专利技术空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统结构示意图；图2为本专利技术空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统空中惯性测量单元安装架结构示意图；图3为本专利技术空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统中仿生操作臂结构示意图。图中：1-多旋翼飞行器2-仿生操作臂3-飞控模块4-惯性测量单元5-GPS天线6-云台相机7-电池8-数传电电台机载端9-接收机10-挂载杆11-起落架12-挂载固定件101-机身102-管座103-机臂104-电机安装座105-电调控制器201-髋关节连接件202-髋关节管座203-大腿杆204-膝关节连接件205-膝关节管座206-小腿杆207-腕关节208-机械爪209-髋关节电机210-绝对编码器A211-膝关节电机212-绝对编码器B401-惯性测量单元安装上板402-惯性测量单元安装403-减震球11a-起落架固定件下板11b-起落架支撑斜管11c-三通连接件11d-起落架支撑横管11e-减震棉具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的说明：本专利技术空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统，包括多旋翼飞行器1、仿生操作臂2与地面站，如图1所示。所述多旋翼飞行器1的机身101采用由机身上板与机身下板构成的上下两层的框架结构，机身上板与机身下板间通过支撑柱相连定位，且周向均匀布置有4个管座102，进一步稳固机身上板与机身下板间的连接；同时每个管座102上插接有一根水平设置的机臂103，则机臂103共4根，且呈十字型布置。4根机臂103的外端端部安装有电机安装座104；每个电机安装座104的上部安装有电机与螺旋桨，使电机左右对称设置于机身1两侧。每个电机安装座104下部安装有电调控制器105；通过电调控制器105控制电机，由电机驱动螺旋桨旋转，为多旋翼飞行器1提供动力。机身1上还搭载有飞控模块3、惯性测量单元4、GPS天线5、云台相机6、电池7、数传电电台机载端8与接收机9。其中，飞控模块3用于整个多旋翼飞行器的控制，安装于机身上板上。惯性测量单元4用于测量多旋翼飞行器三轴的姿态角和加速度。惯性测量单元4安装在惯性测量单元安装架上，置于机身上板与机身下板之间中心位置。惯性测量单元安装架由惯性测量单元安装上板401、惯性测量单元安装下板402与减震球403组成，如图2所示。其中，惯性测量单元安装上板401与惯性测量单元安装下板402之间通过周向布置的4个减震球403相连，通过减震球403减弱多旋翼飞行器高低频振动对惯性测量单元4带来的影响。惯性测量单元4通过螺钉安装于惯性测量单元安装上板401上。惯性测量单元安装下板402通过螺柱安装于机身下板上，完成惯性测量单元4与机身101间的连接。GPS天线5用于多旋翼飞行器的室外定位。上述GPS天线5置于GPS天线架上，以便更好的接收本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统，包括多旋翼飞行器与地面站；多旋翼飞行器上搭载有飞控模块、惯性测量单元、GPS天线、云台相机、电池、数传电台机载端与接收机；多旋翼飞行器下部安装有起落架；地面站具有计算机与数传模块地面端；其特征在于：还包括两条两自由度仿生操作臂，以及机身底部设计的，用来安装仿生操作臂的挂载杆。

【技术特征摘要】
1.一种空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统，包括多旋翼飞行器与地面站；多旋翼飞行器上搭载有飞控模块、惯性测量单元、GPS天线、云台相机、电池、数传电台机载端与接收机；多旋翼飞行器下部安装有起落架；地面站具有计算机与数传模块地面端；其特征在于：还包括两条两自由度仿生操作臂，以及机身底部设计的，用来安装仿生操作臂的挂载杆。2.如权利要求1所述一种空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统，其特征在于：所述两条仿生操作臂，包括髋关节连接件、髋关节管座、大腿杆、膝关节连接件、膝关节管座、小腿杆、踝关节与机械爪；其中，髋关节连接件固定安装于挂载杆上；髋关节管座两侧设计有连接轴，分别与髋关节连接件间铰接，形成髋关节；大腿杆末端与髋关节管座间固定，前端固定安装膝关节连接件；膝关节管座两侧同样设计有连接轴，分别与膝关节连接件间铰接，形成膝关节；小腿杆末端与膝关节管座间固定，前端固定安装踝关节；踝关节与机械爪固定。3.如权利要求2所述一种空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统，其特征在于：机械爪为单自由度机械爪，通过舵机固定件安装于踝关节上，具有由舵机驱动开合的左半爪和右半爪。4.如权利要求2所述一种空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统，其特征在于：上述髋关节连接件上安装有髋关节电机与绝对编码器A，分别用来驱动髋关节转动以及测量髋关节转角，位于髋关节管座两侧；同样膝关节连接件上安装有膝关节电机与绝对编码器B，分别用来驱动膝关节转动以及测量膝关节转角，位于膝关节管座两侧；上述膝关节电机的输出轴朝向与髋关节电机输出轴朝向相反。5.如权利要求1所述一种空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统，其特征在于：多旋翼飞行器的机身采用双层结构，两层之间由支柱支撑，且周向安装有管座，用来安装机臂；机臂外端端部安装有电机、螺旋桨，以及控制电机的电调控制器。6.如权利要求1所述一种空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统，其特征在于：惯性测量单元安装在惯性测量单元安装架上，置于机身内部中心位置；惯性测量单元安装架为双层结构，两层之间通过周向设置的减震球支撑。7.如权利要求1所述一种空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统，其特征在于：起落架由起落架固定件、起落架支撑斜管、三通连接件、起落架支撑横管与起落架减震棉组成；其中，起落架固定件为两个，固定于机身底部相对位置；两个起落架固定件各连接一根起落架支撑斜管，使两根起落架支撑斜管间夹角在70度左右；起落架支撑斜管端部通过三通连接件连接起落架支撑横管，起落架支撑横管上套有起落架减震棉。8.如权利要求1所述一种空中操作多旋翼飞行器的仿鹰抓取系统，其特征在于：需要进行多旋翼飞行器空中飞行运动规划与空中动态操作的运动规划；其中多旋翼飞行器空中飞行运动规划，包括建模和运动规划两部分；首先，利用鹰类在飞行过程中发现到开始抓取猎物时的相关参数，以及鹰类在捕获猎物时自身与鹰爪之间的作用力关系，分别建立多旋翼...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁希仑，郭品，王学强，俞玉树，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11