【技术实现步骤摘要】
一种针对人机协同运输的飞行机械臂柔性交互控制方法
[0001]本专利技术属于飞行机器人控制领域,具体涉及一种针对人机协同运输的飞行机械臂柔性交互控制方法,适用于搭载多自由度机械臂执行人机交互或环境交互任务且需要实现稳定安全控制的飞行机械臂控制系统。
技术介绍
[0002]近年来随着电子技术和材料工艺的不断提升和发展,尤其是以多旋翼作为驱动机构小型无人机为代表的空中机器人在灾害预警、地质勘察、应急救援等国防、电力、航拍等领域得到了深入广泛的应用,需求越来越大,任务复杂度也越来越高,目前的小型无人机大多应用非接触式信息感知领域,在面对诸如应急救援救灾等目前亟需与环境进行物理交互的场合中,空中机器人被期待能够对特定的目标施加力/力矩以改变周围的环境施加影响。因此,搭载三维云台、或者多自由度机械臂等各种任务载荷的飞行机械臂逐渐丰富,随着任务作业任务范围的不断扩展,飞行机器人需要携带更大容量的电池和更大推力的螺旋桨,但是为了能够执行环境交互任务,相应的机械臂需要更长的关节以伸出螺旋桨的转动范围,更长的关节又进一步增加了机器人的自身重量,会降低作业时间和任务执行范围。因此,上述飞行机器人所搭载的机械臂负载大部分为多自由度轻质材料组成的小型机械臂,同时提供稳定基座的飞行平台大多为可以垂直起降、保持悬停的多旋翼小型无人机。
[0003]在与环境甚至人类进行物理交互场景中,如:桥梁探测、管道检修、人机协同运输作业时,为了交互对象和自身的安全,飞行机器人需要在交互过程中展示一定的柔性,而且根据任务的不同进行调节柔顺度。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种针对人机协同运输的飞行机械臂柔性交互控制方法,其特征在于:包括以下步骤:步骤1、构建含有人机交互外力及无人机动力学特性的飞行机械臂耦合动力学方程,具体包括:针对飞行机械臂的多自由度机械臂特点,并同时考虑作为机械臂浮动基座的无人机飞行平台具有多旋翼螺旋桨驱动特性,建立含有交互外力耦合以及多自由度机械臂特性的多旋翼飞行机器人耦合动力学模型,表示如下:式中,表示飞行机械臂的质心平动加速度,m
s
是飞行机械臂的总重量;f
t
表示多旋翼驱动机构的总推力,R
b
是旋转矩阵,e3=[0 0 1]
T
表示单位向量,F
ext
=[F
x F
y F
z
]
T
分别表示飞行机械臂在X
‑
Y
‑
Z轴上收到的交互外力,g表示重力加速度;M
η
是飞行机械臂的正定惯性矩阵,是飞行机械臂的角加速度,C
η
是飞行机械臂的科里奥利矩阵,是飞行机械臂的角速度;τ
b
表示多旋翼驱动机构产生的总扭矩,τ
ext
表示飞行机械臂受到的交互外力矩;T
b
表示机体坐标系到惯性坐标系的变换矩阵,其计算公式如下:式中,[φ θ ψ]
T
=η
b
分别表示飞行机械臂的姿态角,其中φ表示无人机的俯仰角,θ表示无人机的滚转角,ψ表示无人机的偏航角;步骤2、设计以机械臂末端夹爪为接触点的交互外力估计器,具体包括:当飞行机械臂在执行人机交互协同作业时,构建交互力观测器的输出其中,表示交互外力的估计值,表示交互外力矩的估计值;进一步,构建交互力观测器,形式如下:
式中,t表示时间,χ(t)表示机器人的动量,a(t)表示无人机的运动和转动的加速度,K1和K2表示正定对角矩阵为可调参数;表示飞行机械臂的质心平动速度;I3是3x3的单位矩阵,O3是3x3的零矩阵;步骤3、针对交互外力和不同任务所需的柔性策略,搭建导纳滤波器以重构机械臂末端的期望位置,具体包括:对于不同的交互任务或者行为,需要飞行机械臂能够调节不同的柔性交互策略,设计可变参数的导纳滤波器,形式如下:式中,导纳滤波器的输出为v
r
=[v
x v
y v
z
]
T...
【专利技术属性】
技术研发人员:郭雷,刘钱源,余翔,郭克信,吕尚可,张宇,
申请(专利权)人:北京航空航天大学杭州创新研究院,
类型:发明
国别省市:
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