[发明专利]一种带双机械手的系留式旋翼飞行机器人

说明书

本发明公开了一种带双机械手的系留式旋翼飞行机器人，属于机器人控制技术领域。无线数传设备分别与地面控制系统、飞行控制系统相连接；两套绳驱动机械手被安装在旋翼飞行器上。本发明采用模块化设计，各部分模块之间的耦合性较低，降低了使用难度，拓宽了应用范围；由系统单元供电，提高了旋翼飞行机器人的续航时间；双绳驱动机械手可协调作业，使得旋翼飞行机器人具有与环境交互作业的功能；无线数传设备抗干扰能力强、数据安全性高，可实现旋翼飞行机器人的远程操控。本发明可解决旋翼飞行机器人与外部环境交互作业问题，可实现对高空目标的远程作业，扩大了空中机器人的应用范围，还具有稳定可靠、安全灵活、操作方便等优点。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种带双机械手的系留式六旋翼飞行机器人。

背景技术

随着机器人技术、传感器技术、通信技术、计算机视觉等学科的发展，无人机(又称飞行机器人或空中机器人)在军用和民用领域得到了广泛的应用。例如，在军用上，它可用于战场勘察、禁飞巡逻、电子对抗、情报获取等场合；在民用上，它可进行环境监测、电力检测、高压巡线、森林防火、地域建模等作业。但时至今日，上述技术仍处于空中机器人应用的初级阶段，很多基础科研问题尚待进一步研究。特别是人类无法抵达的区域，人们更希望无人机可以对其所处环境施加主动影响。

目前，国内外执行高空作业的机械臂无法自由快速运作且存在地形和高度的局限性，若将机械臂加装到旋翼飞行器上，则可大大增加机械臂操控的自由度，扩大机械臂的应用范围。近年来出现的系留式旋翼飞行器是一种全新的升空平台，其由旋翼飞行器、系留电缆、系泊单元等组成，具有很长的续航时间。而在大多数旋翼飞行器中，六旋翼飞行器具有独特的优势：与四旋翼飞行器相比，其多了一对冗余桨叶，故具有更强的抗风性与负载能力；与单旋翼直升机相比，其机械结构更为简单，不需要依靠十字斜盘去修正陀螺力矩，故具有更高的工作效率。另一方面，传统的单臂机械手在操作能力、控制性能等方面的局限性不断凸显，拥有协调操作能力的双臂机械手越来越受到人们的关注。因此，将双机械臂加装到系留式六旋翼飞行器上，可以实现在一定区域内的主动作业任务。

发明内容

本发明的目的在于针对现有系留式空中机器人只能被动地执行监控任务而缺乏主动作业的能力，提出了一种带双机械手的系留式旋翼飞行机器人，能够拓展系留式空中机器人的应用领域，协助人工执行一些高危操作任务，降低人员伤亡的可能性，提高作业效率。为实现上述目的，本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。

设计一种带双机械手的系留式旋翼飞行机器人，包括旋翼飞行器、绳驱动机械手、系留电缆、系泊单元、地面控制系统和无线数传设备，所述的旋翼飞行器为六旋翼飞行器，其六副桨叶倒装，并采用碳纤维材料；所述的绳驱动机械手为一对具有三个关节的平面机械手，每个关节均通过绳索-滑轮装置提供驱动力与力矩；所述的系留电缆与系泊单元、六旋翼飞行器相连接；所述的系泊单元由发电机、直流高压电源及系缆绞盘组成；所述的无线数传设备与地面控制系统、六旋翼飞行器连接。

优选的，所述的绳驱动机械手共两套，分别安装在六旋翼飞行器的两个对称机臂上。每套绳驱动机械手包括由三个转动关节和一个末端夹持器组成的机械臂、三套绳索-滑轮机构以及柔绳绞盘，具有低惯量、高负载的特性；机械臂由三根连杆组成，每根连杆之间均通过转动关节连接，并由绳索-滑轮机构驱动，可进行大范围角度的运动，实现机械手位姿的控制。

优选的，所述的飞行控制系统由一组传感器单元、一个微控制器板、一个无线摄像头组成，被安装在六旋翼飞行器的上部。其中，传感器单元包括速度传感器、角速度传感器、高度计、磁力计和动压传感器，用于采集旋翼飞行机器人的姿态角、角速度、角加速度、高度及空速信息；微控制器板包括无线电控制伺服控制硬件和无线电控制接收机脉冲位置调制接口，可为用户提供导航及伺服控制板的伺服；无线摄像头被嵌入在飞行控制系统中，可与地面控制系统实时传输图像信息。

优选的，所述的绳驱动机械手的运动是由遥控器按照关节最佳柔顺性准则来控制的，该准则根据下式计算机械手运动学逆解：