一种应用于多旋翼机器人的模块化被动操作臂制造技术

本发明专利技术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。换执行装置的执行器和传感器等。换执行装置的执行器和传感器等。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于多旋翼机器人的模块化被动操作臂


[0001]本专利技术属于机器人学、机械
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。

技术实现思路

[0008]为解决现有技术的不足，本专利技术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。
[0009]本专利技术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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]上述减震器外筒底端通过双万向节与连杆顶端相连，连杆底端通过双万向节连接执行装置。所述执行装置具有连接体；连接体与连杆底端双万向节间铰接；连接体一侧设计有传感器安装位，底部周向设计螺纹孔连接执行器。
[0014]本专利技术应用于多旋翼机器人的模块化被动操作臂的快速安装时，首先对电磁铁通电，将快速接口上端盖板的开口与电磁铁对应；随后将快速接口靠近电磁铁，电磁铁吸附铁片，二者完全贴合即完成快速安装；且只需将电磁铁断电，电磁铁失去磁性，不能吸附铁片，即完成快速拆卸。
[0015]按前述方式正确安装操作臂后，在进行抓取作业时，操作多旋翼机器人飞行至目标物上方，调整多旋翼机器人位置姿态，使操作臂中执行装置下端对准目标物后控制飞行机器人以较慢的速度垂直降落，直至执行装置下端与目标物完全接触。由于操作臂上端与多旋翼机器人固连，在正常作业过程中，操作臂与目标物摩擦较大，而操作臂受到的水平方向力较小，近似目标物与操作臂下端固连，由于操作臂上下端均可视为固连，两个双万向节在多旋翼机器人与目标物的相对位姿发生变化时受到力和扭矩的作用被动弯曲一定角度，操作臂发生被动变形，保持对目标物和多旋翼机器人的连接，实现操作臂被动适应多旋翼机器人与目标物的位姿变化。
[0016]模块化执行装置按前述方式通过执行器进行物体抓取，随后操作多旋翼机器人垂直升高，目标物被操作臂拉升，进一步操作多旋翼机器人运输目标物到达释放地点待目标物稳定，随后控制多旋翼机器人降落于释放地点，在降落过程中控制多旋翼机器人保持一定的水平方向速度，避免操作臂和目标物与地面发生垂直方向的直接碰撞，减少传导至多旋翼机器人的竖直方向的力。减震缓冲器吸收触地的冲击能量，两个双万向节被动变形，适应目标物与多旋翼机器人的位置、姿态变化。直至多旋翼机器人降落稳定后，使目标物脱离于释放地点，完成运输过程。
[0017]同时，本专利技术为在减轻操作臂整体重量的同时保证结构强度与装置功能性，设计挂载板、中心杆与连杆均采用碳纤维材料制成；盖板、基座、减震器内筒、减震器外筒与连接体均采用尼龙材料，通过3D打印成型。
[0018]本专利技术的优点在于：
[0019]1、本专利技术应用于多旋翼机器人的模块化被动操作臂，采用被动设计，操作臂中无驱动器，有效减少了作业过程中的电力消耗。
[0020]2、本专利技术应用于多旋翼机器人的模块化被动操作臂，使用碳纤维、尼龙等材料制成，使得在满足作业需求的基础上质量更轻，有效的增强了搭载该装置的多旋翼机器人的续航能力、机动能力和负载能力。
[0021]3、本专利技术应用于多旋翼机器人的模块化被动操作臂，通过上部双万向节和下部双万向节受力被动变形可使装置被动适应作业目标物的形状及位姿，增强了多旋翼机器人对不同形状目标物的抓取能力；
[0022]4、本专利技术应用于多旋翼机器人的模块化被动操作臂，本专利技术无需针对不同的目标物重新进行驱动器角度的计算，在保证了多旋翼机器人作业能力的基础上节约了控制器资源，同时在对不同作业目标物具备更强适应能力的基础上有效简化了作业过程。
[0023]5、本专利技术应用于多旋翼机器人的模块化被动操作臂，双万向节相比于一般的万向节具有更多的自由度，在装置的操作空间内避免了一般万向节的死锁而导致的装置卡死问题，两个双万向节在受到外力时的被动变形配合减震缓冲器，将有效减少抓取过程中传递给多旋翼机器人的外力和扭矩，增强了抓取过程中多旋翼机器人机体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于多旋翼机器人的模块化被动操作臂，其特征在于：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；上述减震器外筒底端通过双万向节与连杆顶端相连，连杆底端通过双万向节连接执行装置；所述执行装置具有连接体；连接体与连杆底端双万向节间铰接；连接体一侧设计有传感器安装位，底部周向设计螺纹孔连接执行器。2.如权利要求1所述一种应用于多旋翼机器人的模块化被动操作臂，其特征在于：挂载板重心与多旋翼机器人重心的连线垂直于挂载板，同时电磁铁位于多旋翼机器人重心在挂载板上垂直方向的投影位置。3.如权利要求1所述一种应用于多旋翼机器人的模块化被动操作臂，其特征在于：上述减震器外筒下部设计为锥形结构，避免应力集中。4.如权利要求1所述一种应用于多旋翼机器人的模块化被动操作臂，其特征在于：减震器外筒为由外筒后部与外筒前部构成，两者侧部对应的凸耳间通过螺栓固...

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