[发明专利]一种带有机械臂的飞行机器人及其控制方法

说明书

本发明公开了一种带有机械臂的飞行机器人及其控制方法，飞行机器人包括多旋翼无人机飞行平台、六自由度机械臂和操作端控制系统，六自由度机械臂安装在多旋翼无人机飞行平台下方。将无人机与机械臂相结合，拓展其任务执行能力；对于机械臂，将其运动范围从地基拓宽到空中，同时对其控制方式加以改进，新的控制方式可以实现机械臂跟随人体手臂运动的功能，使其能够更加自然灵活地执行操作者的想法。该机器人及其控制方法扩大了无人机和机械臂作业范围，实现对机械臂的远程控制；机械臂随动人体手臂位姿，避免了复杂的模型检测与运算，响应效果更好；并且在尽可能保留舵机快速响应特性的同时减缓了舵机快速响应时对机械臂和飞行平台带来的冲击问题。

技术领域

本发明属于作业型无人机技术领域，具体是一种带有机械臂的飞行机器人及其控制方法。

背景技术

目前多旋翼无人机技术自身已发展得较为成熟，其在日常生活中的应用一般需结合其它部件来完成，如和云台拍摄设备结合实现高空侦查拍摄功能、和喷洒装置结合实现农田植保的功能。目前也有相关学者和研究人员提出将旋翼无人机和手爪或机械臂结合来完成更复杂的功能，早期的这类飞行机器人多是将旋翼无人机和手爪相结合，但是这类机器人系统的作业能力十分有限，并且由于没有机械臂系统，作业能力受到很大限制。于是有学者提出飞行器结合多自由度机械臂的概念，但机械臂系统自身不具备主动作业的功能，目前在这一领域较先进的机械臂控制方式是通过外界视觉捕捉系统辅助定位来实现动态抓取目标，这样的控制方法很大程度上依赖于视觉捕捉功能，目前视觉捕捉技术发展不够成熟，且对于没有视觉捕捉系统的外界复杂环境这样的控制方式会束手无策，因而此类控制方式可靠程度不够高。

目前常见的机械臂多用于工业生产，旨在执行高精度、高复杂性的装配工作，从而替代人工，提高生产效率。这类机械臂一般造价高昂、体积较大，用途相对固定，运动范围有限，运动方式只能由预先编制的程序控制，难以动态响应外部的运动指令。与工业机械臂相对，另一类小型机械臂立足于桌面级应用，被用于教学演示、产品原型设计、科研验证等方面，这类机械臂大多采用步进电机作为驱动，步进电机带来较好的驱动效果的同时也因体积和重量较大使得机械臂系统使用范围受到限制，同时这类机械臂系统也有响应速度与力度有限、响应方式不灵活的局限性，在使用时需要与电脑和电源连接以获得运动指令。不管是工业级机械臂或者小型机械臂在人机交互方面均未能实现较理想的效果，即目前的机械臂技术一般只能按照预先编制的程序指令来控制，这种控制方式不够自然和灵活。

目前市面上销售的舵机控制方式即由使用者发送角度指令，而后舵机快速响应至目标位置，一般情况下无需操作者进行干预，但舵机快速响应的特性决定了其在响应时的角加速度很大，因此会对耦合装置造成较大的冲击，对于扭力较大的舵机这种现象尤为明显。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种带有机械臂的飞行机器人及其控制方法，该机器人及其控制方法能够扩大无人机和机械臂作业范围，实现对机械臂的远程控制；机械臂随动人体手臂位姿，避免了复杂的模型检测与运算，响应效果更好；并且在尽可能保留舵机快速响应特性的同时减缓舵机快速响应时的冲击问题。

本发明基本思路是将小型机械臂系统装配在多旋翼无人机下方，其上载有无线通讯设备来接收操作端的指令。在操作端的人体姿态采集装置捕捉人体关节与手势信息，然后经过程序运算处理，即时计算出机械臂的运动指令并发出，从而实现在无线信号可达范围内的三维灵活作业。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种带有机械臂的飞行机器人，包括多旋翼无人机飞行平台、六自由度机械臂和操作端控制系统，所述六自由度机械臂安装在多旋翼无人机飞行平台下方。

进一步的，所述多旋翼无人机飞行平台，包括六轴无人机、飞控系统、GPS模块、电池组、图像采集系统，所述飞控系统、GPS模块、电池组和图像采集系统位于六轴无人机上方。