空中机器人的6D交互控制方法技术

本发明专利技术涉及一种空中机器人的6D交互控制方法，通过利用倾斜式螺旋桨驱动，使空中机器人控制完整的6D姿态并施加完整的扭力，并附有牢固的末端执行器；通过导纳控制实现相互作用，其中外环控制所需的导纳行为，即相互作用顺应性刚度、阻尼和质量，而基于逆动力学的内环则确保完整的6D姿态跟踪，其中相互作用力由IMU增强的基于动量的观测器估算。空中机器人采用具有非共线固定倾斜式螺旋桨NCFTP的多转子机器人，从而在不受约束的情况下独立控制平移和角加速度，或者在接触扳手时独立控制施加的扳手，从而实现6D力控制。该方法有利于提高空中机器人的可靠性并降低空中机器人的重量和实现成本。和实现成本。和实现成本。

【技术实现步骤摘要】
空中机器人的6D交互控制方法


[0001]本专利技术属于空中机器人领域，具体涉及一种空中机器人的6D交互控制方法。

技术介绍

[0002]为了进行物理交互，空中机器人配备了刚性工具或n自由度(DoF)机械臂。在第一种情况下，该工具被牢固地固定在机身上。该解决方案得缺点是：典型的空中平台驱动不足，因此不可能独立控制末端执行器的6D(位置加方向)动力学。实际上，这已经表明，在存在与飞机质心(CoM)不同的机身点的交互作用下，不能保证欠驱动多旋翼的内部动力稳定，并且通常来说，既不稳定又不实用用于实际应用。
[0003]第二种可能性是将n
‑
DoF机械臂连接到空中平台，旨在通过利用手臂提供的致动器数量的增加来克服末端执行器动力学的欠驱动。这样一来，在末端执行器侧进行有效的6D力控制成为可能。但是，该解决方案也具有以下缺点：i)机械臂由于自身的重量而极大地减少了有效载荷和运输时间；ii)从机械的角度来看，该系统比带有刚性工具的单个机身要复杂得多，因此，其建造成本更高，并且在其整个使用寿命期间还需要更多的维护和维修成本；iii)不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空中机器人的6D交互控制方法，其特征在于，通过利用倾斜式螺旋桨驱动，使空中机器人控制完整的6D姿态并施加完整的扭力，并附有牢固的末端执行器；通过导纳控制实现相互作用，其中外环控制所需的导纳行为，即相互作用顺应性刚度、阻尼和质量，而基于逆动力学的内环则确保完整的6D姿态跟踪，其中相互作用力由IMU增强的基于动量的观测器估算。2.根据权利要求1所述的空中机器人的6D交互控制方法，其特征在于，空中机器人采用具有非共线固定倾斜式螺旋桨NCFTP的多转子机器人，从而在不受约束的情况下独立控制平移和角加速度，或者在接触扳手时独立控制施加的扳手，从而实现6D力控制。3.根据权利要求2所述的空中机器人的6D交互控制方法，其特征在于，交互扳手的测量采用力/扭矩传感器，其中将空中机械手腕上传感器的扳手测量结果送入导纳过滤器。4.根据权利要求2所述的空中机器人的6D交互控制方法，其特征在于，所述NCFTP六旋翼通用模型的建模方法为：建立以下坐标系：惯性世界框架其轴(单位矢量)和原点分别用{x
W
，y
W
，z
W
}和O
W
表示；车架O
R
‑
{x
W
，y
W
，z
W
}，已安装在机器人上，起点为O
R
，末端为执行器的飞行器CoM；末端执行器框架O
E
‑
{x
R
，y
R
，z
R
}，已附加到机器人末端执行器上，并且在交互点O
E
处具有起点；在和中O
E
的位置分别由P
E
∈R3和表示，其中是恒定时间；用R
R
∈SO(3)和R
E
∈SO(3)表示旋转矩阵，分别表示帧的方向，其中SO(3)＝{A∈R3×3|AA
T
＝I∧detA＝1}；相对于惯性系为此外，表示恒定旋转矩阵，表示相对于的方向；最终使三角肌和和和相对于的角速度分别用帧内和表示；表示；其中，[
·
]
x
∈SO(3)表示与向量
·
∈R3相关的倾斜对称矩阵；使用Newton
‑
Euler形式主义，空中机器人的运动方程表示为：其中，m和J∈R3×3表示机器人质量及其惯性矩阵，分别对应于O
R
并以表示，g为重力加速度，f∈R3和τ
R
∈R3为力和转矩输入，而和为施加于机器人CoM上的外力和转矩末端执行器上的环境；在式(3)中，平移动力学表示在框架中，而旋转动力学表示在框架中；倾斜十六进制在不损失任何全驱动高空平台的通用性的情况下，导出式(3)用于NCFTP平台；NCFTP平台基于六旋翼结构，螺旋桨的等距间距与的x
‑
y平面中的O
R
等距；通过刚性适配器实现完全驱动，使每个单独的电动机
‑
螺旋桨组合倾斜；考虑6个框架，其中O
Pi
与第i个螺旋桨组的旋转中心重合；相对于的方向由旋转矩阵
表示：第i个电动螺旋桨组相对于的倾斜度由常数参...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷瑶，宋佳斌，王家鼎，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：