一种基于气动舵面的机械臂及其工作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于气动舵面的机械臂及其工作方法，涉及航空航天飞行器对接领域，能够适用于多种空中对接作业，并且控制相应速度快，对接精准，提高了空中对接的安全和可靠性，同时提升了对接的效率。本发明专利技术包括：包括刚性管系统、角度传感器、操作端。刚性管系统由若干条刚性管依次活动连接组成，部分刚性管的尾端安装舵面，舵面为升降舵、方向舵、滚转舵中的至少两种。刚性管之间的连接处设置角度传感器。刚性管系统一端和作业机活动连接，另一端设置工作端，工作端为输油口或者对接锁扣。本发明专利技术有效减少了对接飞机的机动动作，提高对接安全性和可靠性。本发明专利技术应用于空中加油、物资补给，无需复杂的机械结构，通过操纵舵面来产生控制力，控制机构运动，从而达到类似机械臂的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于气动舵面的机械臂及其工作方法
本专利技术涉及航空航天飞行器对接领域，尤其涉及一种基于气动舵面的机械臂及其工作方法。
技术介绍
飞行器空中操纵机构(如机械臂、软管等)可以用于两个或多个飞行器之间在空中执行特殊任务，如空中加油、物资补给等，可以加大飞机航程及作战半径、增加飞机滞空时间、增加机载设备或飞机有效载重等，极大地提高飞行器的性能，在特殊用途的军用飞行器中具有很广阔的应用前景。目前飞行器空中操纵机构主要分为软管式(对接子机主动进近)以及机械式(母机机械控制)等。软管式系统广泛应用于空中加油任务，主要由美国海军和大多数国家应用，主要由加油吊舱和加油平台组成，由安装有软管的工作机追踪对接接头完成工作。该技术优点是结构十分简单，软管上没有复杂的操纵部件。但是，缺点是该机构中的软管无操作舵面，无法控制对接点的姿态与位置，且在复杂气流条件下容易产生震荡，需要受油机进行实时姿态、位置调节来完成任务，但受油机质量大惯性大，活动不灵活。另一种空中操纵机构为机械臂式，该系统目前由美国DARPA研制的gremlin无人机应用，使用类似自动化生产线上的机械臂结构完成末端抓取：子机在完成进近的机动后，首先利用软管进行对接，再由母机将子机拖至机腹下方，最后由两自由度固定机构抓取子机，从而实现空中回收飞机的功能。该技术的优点是将软管式与硬式固定机构相结合；缺点是机械臂结构部件复杂、重量重、控制能耗大，同时操纵、运动响应速度很慢，两自由度的固定机构活动范围有限，无法调节机械臂空间上的远近，从而无法精确控制对接点，会降低空中对接作业的效率和安全可靠性。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于气动舵面的机械臂及其工作方法，能够适用于多种空中对接作业，并且控制相应速度快，对接精准、安全、可靠，提高了空中对接的安全、可靠性，并提升了对接效率；解决了现有对接技术依靠子机寻找对接点时，子机姿态、位置响应慢，精度低的问题；通过气动舵面驱动机械臂运转，操纵对接接头主动寻找子机，提升了对接的安全、可靠性，也提升了对接效率；同时机械臂具有分段控制的能力，能够较好地抑制气动颤振，实现精确控制。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于气动舵面的机械臂，包括刚性管系统、角度传感器、操作端。刚性管系统由若干条刚性管依次活动连接组成，部分刚性管的尾端安装舵面，舵面为升降舵、方向舵、滚转舵中的至少两种。刚性管之间的连接处设置角度传感器。刚性管系统一端和作业机活动连接，另一端设置工作端。进一步的，工作端为输油口或者对接锁扣。进一步的，舵面的尾端设置旋转轴，刚性管的尾端安装电机，电机的输出轴连接旋转轴。进一步的，所示舵面的攻角范围为-30°～30°。进一步的，对接锁扣包括锁定端和接头端。锁定端由一个圆柱面和一个圆锥面连接组成，圆柱面沿周向设置若干通孔，通孔设置在圆柱面的同一圆周上。圆柱面的通孔位置还对应设置卡扣，卡扣为Y形，共有三个分叉，各分叉连接处，和圆柱面活动连接，卡扣有两个分叉位于圆柱面的外表面，并且其中一个通过弹性装置连接圆柱面的外表面，还有一个分叉穿过通孔探入圆柱面的内侧。接头端包括杆体和圆锥接头，圆锥接头的外表面和锁定端的圆锥面形状相同。杆体顶端设置凸台，凸台和圆锥接头的底面连接。一种基于气动舵面的机械臂的工作方法，适用于上述一种基于气动舵面的机械臂，包括姿态控制和位置控制，姿态控制采用PID控制，位置控制的步骤包括：S1、将目标位置的参数输入神经网格，神经网格输出刚性管之间的目标角度参数；S2、舵面根据角度参数对各刚性管的位置进行控制；S3、角度控制器检测各刚性管之间的实际角度参数，与所述目标角度参数比对，若所述实际角度参数和所述目标角度参数不同，则循环执行S1-S3。进一步的，神经网格的训练方法包括：根据机械臂运动仿真的方法生成一组角度与位置对应关系的样本参数，再利用所述样本参数使用Levenburg-Marquardt算法训练一个具有若干隐藏层的神经网格；将校验位置带入所述神经网格，得到校验角度；再次依据机械臂运动仿真的方法，利用所述校验角度求得实际位置；实际位置和校验位置相减，得到神经网格的拟合残差；若拟合残差低于设定阈值，则训练完成；否则扩大所述样本参数的规模，或增加所述神经网格的层数。进一步的，所述PID控制方法如下：u(k)＝Kpej(k)+KI∑t＝0ej(k)+KD[ej(k)-ej(k-1)]其中，Kp为比例增益，KI为积分增益，KD为微分增益，u(k)为PID控制器的输出信号，ej(k)为第j个关节当前姿态和目标姿态的差值，j＝1，2，3。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用气动舵面对各段机械臂姿态进行控制，通过机械臂追踪对接子机，避免了子机为了追踪频繁移动，操作不灵活的弊端，与软管式空中操纵机构相比，具有操作灵活、对接点空间位置可控的优点，可以自动精确定位机械臂的位置；同时通过闭环反馈进行判断与修正位置；本专利技术采用神经网格方法控制刚性管位置，计算难度更小，并且对输入输出的适应性更好，控制响应速度快，缩短了空中对接作业的时间；本专利技术的多级刚性管系，与机械臂式空中操纵机构相比，具有结构简单、驱动耗能小、姿态改变快的优点，一方面可以有效减少机构的整体重量，提高飞机可用载荷；另一方面由于机械臂末端位置可控，大大提高对接的安全和可靠性，并缩短空中对接工作任务的时间，提高任务效率；本专利技术活动连接于母机上，并且刚性管系统具有多自由度和一定的长度变化，使得机械臂整体可以覆盖一定范围的柱坐标系，并且刚性管系统的每一段都具有单独舵面独立控制，操作灵活，从而能和接近的对接子机精准对接，并且在飞机尾流所导致的巨大扰动中，多段独立控制的刚性管系统能根据气流条件产生精确的补偿，适应能力更强，避免复杂飞行气流所导致的震荡，提高对接的安全和可靠性，同时也有效提高了飞机空中对接工作效率；本专利技术无需传统机械液压驱动装置驱动，仅依靠舵面产生的空气动力驱动机械臂运动，从而简化了控制机构，减小了驱动功率。通过风洞实验和数值仿真方法验证了该控制方法的可行性，并具有良好的工程应用前景。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1是本专利技术的示意图；图2是实施例的结构示意图；图3是对接锁扣的结构示意图；图4是基于气动舵面的机械臂的对接示意图；图5是对接操作流程图；图6是机械臂关节活动行程示意图；图7是神经网格生成过程示意图；图8是神经网格校验过程示意图；图9是PID控制效果的仿真计算结果。其中，1-支座、2-刚性管、21-第一刚性管、22-第二刚性管、3-球铰链、4-舵面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于气动舵面的机械臂，其特征在于，包括刚性臂系统、角度传感器、操作端；/n所述刚性管系统由若干条刚性管依次活动连接组成，部分所述刚性臂的尾端安装舵面，所述舵面为升降舵、方向舵、滚转舵中的至少两种；/n所述刚性管之间的连接处设置角度传感器；/n所述刚性管系统一端和作业机活动连接，另一端设置工作端。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于气动舵面的机械臂，其特征在于，包括刚性臂系统、角度传感器、操作端；
所述刚性管系统由若干条刚性管依次活动连接组成，部分所述刚性臂的尾端安装舵面，所述舵面为升降舵、方向舵、滚转舵中的至少两种；
所述刚性管之间的连接处设置角度传感器；
所述刚性管系统一端和作业机活动连接，另一端设置工作端。


2.根据权利要求1所述的一种基于气动舵面的机械臂，其特征在于，所述工作端为输油口或者对接锁扣。


3.根据权利要求1所述的一种基于气动舵面的机械臂，其特征在于，所述舵面的尾端设置旋转轴，所述刚性管的尾端安装电机，电机的输出轴连接旋转轴。


4.根据权利要求1所述的一种基于气动舵面的机械臂，其特征在于，所示舵面的攻角范围为-30°～30°。


5.根据权利要求2所述的一种基于气动舵面的机械臂，其特征在于，所述对接锁扣包括锁定端和接头端；
锁定端由一个圆柱面和一个圆锥面连接组成，所述圆柱面沿周向设置若干通孔，所述通孔设置在所述圆柱面的同一圆周上；
所述圆柱面的通孔位置还对应设置卡扣，卡扣为Y形，共有三个分叉，各分叉连接处，和所述圆柱面活动连接，卡扣有两个分叉位于所述圆柱面的外表面，并且其中一个通过弹性装置连接所述圆柱面的外表面，还有一个分叉穿过通孔探入所述圆柱面的内侧；
所述接头端包括杆体和圆锥接头，所述圆锥接头的外表面和所述锁定端的所述圆锥面形状相同。


6.一种基于气动舵面的机械臂的工作方法，适...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄紫，顾蕴松，史楠星，吕全辉，龚正，冯潮，周龙，赵冬凯，
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