CN108312137B - 基于多关节机械臂的无人机着陆对接机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多关节机械臂的无人机着陆对接机构，工作台板上设置有用于采集无人机姿态图像信息的双目视觉***和对无人机进行抓取的冗余多关节机械臂，冗余多关节机械臂为两条，且两条冗余多关节机械臂的工作半径交叉区域处的工作台板上设置有用于对无人机进行固定的着陆锁死机构，冗余多关节机械臂的末端杆件上设置有末端抓取机构，其末端抓取机构与无人机起落架上设置的辅助夹具进行间隙配合使用；本发明通过两条多关节机械臂模拟人类双手对无人机支架进行抓取，通过多关节机械臂的拖拽，把无人机设置到着陆锁死机构进行固定，实现着陆过程中不同姿态无人机的柔性着陆，具有不同位姿兼容性高的基于多关节机械臂的无人机着陆对接机构。
Description
技术领域：
本发明涉及一种无人驾驶飞行器领域，特别是涉及一种基于多关节机械臂的无人机着陆对接机构。
背景技术：
无人机(UAV)是无人驾驶飞行器(Unmanned Aerial Vehicle)的简称，它既可以利用无线电遥控设备进行手摇操纵飞行，也可以利用机载计算机与导航设备进行自主飞行。
无人机的工作过程可分为发射、任务飞行和回收三个阶段。无人机发射和飞行技术的发展已相对成熟。无人机发射方式主要包括重量小于10kg的小型无人机手抛发射、滑轨弹射和垂直发射，重量在10kg至800kg之间的中型无人机滑轨发射、垂直发射、空中发射、发射车发射、滑跑起飞发射，重量大于800kg的大型无人机滑跑发射和火箭发射等。无人机发射方式多种多样，但无人机发射技术相对简单，过程可靠。无人机回收方式包括小型无人机的气垫回收、拦截网回收，中型无人机的拦截网回收、降落伞回收、空中回收和着陆滑跑回收，大型无人机的着陆滑跑回收和海中溅落回收等。而针对中型和大型无人机，采用起落架机轮进行滑跑起飞发射和着陆回收是其主要发展方向。而轮式无人机的着陆过程是无人机整个飞行过程中最复杂且事故发生率最高的阶段。而利用气垫、降落伞、拦截网等与无人机弹性接触实现无人机回收时，均需要进行能量装换，转换过程耗时长，虽能最终实现无人机的回收，但其回收效率偏低，因此无人机的对接机构将向具备快速回收的特性方向发展，即采用刚性的方式，缩短无人机回收时能量转换时间。
无人机着陆对接机构是为无人机着落过程设计的辅助机构，它能克服无人机着陆过程的位姿不确定性，对无人机着落点执行决定性地指导，从而实现无人机平稳精准地着陆到目标位置点。无人机准备着陆前的位姿***，着陆对接机构辅助无人机着陆时要求兼容所有姿态，因此无人机对接机构必须具备高柔性的特点。无人着陆目标位置点在着陆过程中由于外部环境或GPS信号等因素的干扰，常出现着陆实际位移离目标点偏移大，着陆点位置不准的问题，因此无人机对接机构需构建一片降落准备区域，当无人机飞至降落准备区域后对接结构发挥作用引导无人机着陆从而准确着陆。
综上所述，无人机着陆对接机构首先需满足多姿态下引导无人机着陆，其次要求能够形成一片降落准备区域从而纠正无人机着落位置偏差，最后要求设计有无人机着陆目标位置点锁定机构保证无人机着陆后位置不在发生偏移。
因此，无人机能够安全精准地完成自主着陆回收成为无人机技术发展的重难点。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、通过两条多关节机械臂模拟人类双手对无人机支架进行抓取，通过多关节机械臂的拖拽，把无人机设置到着陆锁死机构进行固定，实现着陆过程中不同姿态无人机的柔性着陆，具有不同位姿兼容性高的基于多关节机械臂的无人机着陆对接机构。
本发明的技术方案是：一种基于多关节机械臂的无人机着陆对接机构，包括由支撑框架和工作台板构成的机架，其特征是：所述工作台板上设置有用于采集无人机姿态图像信息的双目视觉***和对无人机进行抓取的冗余多关节机械臂，所述冗余多关节机械臂为两条，且两条冗余多关节机械臂的工作半径交叉区域处的工作台板上设置有用于对无人机进行固定的着陆锁死机构，所述着陆锁死机构包括锁死机构支架及通过导轨滑动设置在锁死固定支架上的导向锁定块，所述导向固定块一侧的锁死机构支架上固定设置有弹簧压紧块，所述弹簧压紧块与导向固定块之间设置有套装在弹簧导向轴上的压缩弹簧，所述压缩弹簧导向轴的一端通过螺纹旋配方式固定在导向锁定块上，所述弹簧导向轴的另一端通过通孔贯穿所述弹簧压紧块，所述通孔设置在弹簧压紧块上并与所述弹簧导向轴同轴，且所述弹簧导向轴可在的通孔内自由滑动；
所述冗余多关节机械臂包括一个基座和七个依次连接的杆件，且基座与杆件、杆件与杆件之间彼此采用转动运动副连接，所述冗余多关节机械臂的末端杆件上设置有末端抓取机构，其所述末端抓取机构包括采用平行开合形式的平行气爪和夹指，所述夹指安装在平行气爪的移动部件上，且所述夹指与无人机起落架上设置的辅助夹具进行间隙配合使用。
所述基座与七个杆件之间的连接顺序为基座、第一杆件、第二杆件、第三杆件、第四杆件、第五杆件、第六杆件、第七杆件，且前一级作为后一级杆件的安装座，后一级杆件均通过螺钉旋配至前一级杆件的减速器输出轴上，所述基座固定安装在工作台板上，所述末端抓取机构设置在第七杆件上。
所述基座、第一杆件、第二杆件、第三杆件、第四杆件、第五杆件、第六杆件内分别设置一个分离式无框电机和与驱动电机采用键槽进行连接的谐波减速器。
所述第七杆件上设置有通过螺钉固定的末端连接法兰，所述末端连接法兰通过驱动连接板与所述平行气爪固定连接。
所述辅助夹具包括辅助夹具A和辅助夹具B，辅助夹具A和辅助夹具B卡在无人机起落架上，并通过四个螺栓螺母将辅助夹具A和辅助夹具B锁紧。
所述锁死机构支架通过螺钉固定于工作台板上，所述弹簧压紧块通过螺钉固定于锁死机构支架上，所述导向锁定块为两个，且其上设置有实现导向和锁死功能的楔形导向结构和半“U”型锁死槽。
所述压缩弹簧的一端始终与弹簧压紧块紧贴或固定，另一端与导向锁定块始终紧贴或固定。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过双目视觉***与两条冗余多关节机械臂交互来适应无人机着陆准备时的不同姿态，两条冗余多关节机械臂上安装的末端抓取机构，抓取无人机起落架上固定的辅助夹具，末端抓取机构抓取辅助夹具后随冗余多关节机械臂运动调整无人机姿态至最终着陆姿态，同时将无人机调整至着陆锁死机构正上方，着陆锁死机构将从两侧卡住无人机的起落架从而保证无人机着陆后位置不再发生变化，实现无人机平稳精确地柔性着陆。
2、本发明两条冗余多关节机械臂由独立的十四个电机控制，其中七个电机对应一条冗余多关节机械臂的电机***，从而两条冗余多关节机械臂的控制独立，但由于两条冗余多关节机械臂上安装的末端抓取机构分别抓取无人机两侧的起落架，因此两条冗余多关节机械臂需进行协同运动，两条冗余多关节机械臂的工作半径的交叉区域即为无人机的对接工作区域。
3、本发明在末端抓取机构的驱动器件控制下，夹指闭合后与辅助夹具间形成间隙轴孔配合，其中辅助夹具固定于起落架上，起落架相对于末端抓取机构可绕辅助夹具轴线转动，辅助夹具固定于无人机起落架上从而改变被抓取点的结构非对称性。
4、本发明辅助夹具用于改变无人机起落架上被抓取点的结构非对称性，从而使冗余多关节机械臂搭载的末端抓取机构可沿辅助夹具的任意径向方向闭合来抓取无人机起落架，抓取后，末端抓取机构闭合的夹指与辅助夹具间构成间隙配合，因此末端抓取机构可绕辅助夹具轴线旋转，减少末端抓取机构对冗余多关节机械臂末端的限制，达到准确牵引功能的同时，不会降低无人机着陆对接机构的柔性。
5、本发明辅助夹具A和辅助夹具B夹紧后与末端抓取机构构成间隙配合，由于辅助夹具与起落架的相对位置始终不变，即实现末端抓取机构可相对于起落架旋转，减少了末端抓取就对冗余多关节机械臂末端的限制。
6、本发明双目视觉***通过两个摄像机对无人机姿态进行实时监控，其基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息。
附图说明：
图1为基于多关节机械臂的无人机着陆对接机构的原理示意图。
图2为冗余多关节机械臂的原理示意图。
图3为末端抓取机构的原理示意图。
图4为着陆锁死机构的原理示意图。
图5为基于多关节机械臂的无人机着陆对接机构的结构示意图。
图6为冗余多关节机械臂的结构示意图。
图7为冗余多关节机械臂第一轴的结构示意图。
图8为末端抓取机构的结构示意图。
图9为辅助夹具的结构示意图。
图10为末端抓取机构、辅助夹具和无人机起落架的抓取示意图。
图11为着陆锁死机构的结构示意图。
图12为导向锁定块的结构示意图。
图13为末端抓取机构、辅助夹具和无人机起落架的抓取示意图。
图14为着陆锁死机构的结构示意图。
图15为导向锁定块的结构示意图。
具体实施方式：
实施例：参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14和图15，图中，1-双目视觉***，2-冗余多关节机械臂，3-末端抓取机构，4-辅助夹具，5-着陆锁死机构，6-无人机，7-支撑框架，8-工作台板，9-基座电机轴，10-电机转子，11-电机定子，12-轴承座，13-角接触球轴承A，14-基座减速器，15-角接触球轴承B，16-轴承挡圈，17-锁定螺母，18-基座端盖，19-肩关节A架，20-基座架，21-无人机起落架；
201-基座、202-肩关节A、203-肩关节B、204-肩关节C、205-肘关节A、206-肘关节B、207-腕关节A、208-腕关节B；
301-夹指、302-平行气爪、303-末端连接法兰、304-驱动连接板；
401-辅助夹具A、402-辅助夹具B；
501-导向锁定块、502-压缩弹簧、503-锁死机构支架、504-直线导轨、505-弹簧导向轴、506-弹簧压紧块、507-挡块、508-楔形导向结构、509-U型锁死槽。
下面结合附图对本发明进行详细说明：
图5所示：支撑框架7和工作台板8组成该机构的机架，两条冗余多关节机械臂2、着陆锁定机构5和双目视觉***1均安装于工作台板8上，两个末端抓取机构3分别安装于两条冗余多关节机械臂2的末端杆件上，从而末端抓取机构3将随冗余多关节机械臂2末端运动，冗余多关节机械臂2和双目视觉***1均采用固定安装，双目视觉***1采集的无人机姿态图像信息通过七轴机械臂算法换算至末端，两条冗余多关节机械臂2需进行协同运动，通过两条冗余多关节机械臂2上安装的末端抓取机构3分别抓取无人机6两侧的起落架21，两条冗余多关节机械臂2的工作半径的交叉区域即为无人机6的对接工作区域，对接工作区域处的工作台板8上固定安装有着陆锁死机构8，着陆锁死机构8的锁死工作部件在两条多关节机械臂2的工作半径交叉区域内，无人机6在两条多关节机械臂2的协同牵引下降落至着陆锁死机构8内进行锁死固定。
冗余多关节机械臂2用于兼容无人机6着陆准备前姿态的确定性并形成一定范围内的对接工作区域，该冗余多关节机械臂2根据人体手臂上所含的关节轴进行设计，是对人体手臂的真实还原，其如图6所示：
冗余多关节机械臂2由一个基座201和七个关节组成，七个关节(杆件)包括肩关节A202(第一杆件)、肩关节B203(第二杆件)、肩关节C204(第三杆件)、肘关节A205(第四杆件)、肘关节B206(第五杆件)、腕关节A207(第六杆件)、腕关节B208(第七杆件)；基座201与关节、关节与关节间的连接均采用螺钉旋配方式进行快速连接，连接顺序依次为：基座201、肩关节A202、肩关节B203、肩关节C204、肘关节A205、肘关节B206、腕关节A207、腕关节B208，前一级作为后一级关节的安装座，后一级关节均通过螺钉旋配至前一级关节的减速器输出轴上。
基座201、肩关节A202、肩关节B203、肩关节C204、肘关节A205、肘关节B206、腕关节A207内分别包含一个关节的驱动电机和减速器；由于各关节的运动形式的相似性，本申请的冗余多关节机械臂2的各关节结构相似，在此对基座201与肩关节A202构成的机械臂第一轴结构进行详细描述，其余连接关系不做赘述。
如图7所示为基座201与肩关节A202构成的机械臂第一轴结构，基座201包括基座架20，基座电机轴9通过上下两端“背靠背”安装的角接触球轴承A13和角接触球轴承B15与基座架20同轴安装，下端角接触球轴承B15通过轴孔配合直接安装在基座架20上，并通过轴承挡圈16和锁定螺母17对角接触球轴承B15的轴向自由度进行限制。上端角接触球轴承A13通过轴承座12同轴安装在基座架20上。各关节上采用的驱动电机均为分离式无框电机，该无框电机的电机定子11和电机转子10可分开安装，电机转子10与基座电机轴9同轴固定安装，而电机定子11与基座架20同轴安装，安装后电机转子10可同基座电机轴9一起在电机定子11中旋转，在电磁感应效应下驱动基座电机轴9绕中心轴线旋转，输出运动和扭矩；基座减速器14固定安装于基座架20上，而基座电机轴9的末端与基座减速器14输入轴采用键槽连接，肩关节A架19固定于基座减速器14的输出轴上，基座电机轴9可将运动和扭矩传递给肩关节A202，因此在分离式无框电机驱动下，肩关节A架19将随基座电机轴9同步转动成为该冗余多关节机械臂2的第一轴。该冗余多关节机械臂2各轴的结构具有相似性，不同关节的杆长不同，所承受的扭矩值亦不相同，各关节的杆长如表2-1所示。
表2-1 冗余多关节机械臂各关节杆长
根据以上各关节的杆长并计算各关节的重量，分析出各关节的负载和扭矩值，然后选定出不同的减速器和无框电机，各关节所选用的无框电机和谐波减速器的参数分别见表2-2和2-3所示。
表2-2 冗余多关节机械臂无框电机参数
表2-3 冗余多关节机械臂谐波减速器参数
根据冗余多关节机械臂2的结构，参照图6可知，该冗余多关节机械臂2各轴的关节角范围如表2-4所示。
表2-4 冗余多关节机械臂关节角范围
如图8所示：平行气爪302通过驱动连接板304固定于末端连接法兰303上，通过螺钉将末端连接法兰303固定在冗余多关节机械臂2末端的腕关节B208(第七杆件)上，两个夹指301分别安装在平行气爪302的移动部件上，且可在平行气爪302的驱动下同时向内运动闭合或同时向外运动打开。
夹指301将在平行气爪302的驱动下，实现夹指301的打开和闭合从而与安装在无人机起落架21上的辅助夹具4构成间隙配合的抓取，所选平行气爪302的规格参数如表2-5所示。
表2-5 平行气爪规格参数表
如图9所示：辅助夹具4包括辅助夹具A401和辅助夹具B402，辅助夹具A401和辅助夹具B402卡在无人机起落架21上并通过四个螺栓螺母将辅助夹具A401和辅助夹具B402锁紧，锁紧后辅助夹具A401和辅助夹具B402将抱紧无人机起落架21并构成圆柱型的辅助夹具4。
着陆锁死机构5用于锁定精准着陆后的无人机6，防止成功着陆后的无人机6位置再发生改变。该着陆锁死机构5通过从两侧将无人起落架21压紧的方式实现锁死功能，图11所示：着陆锁死机构5包括锁死机构支架503和锁死工作部件，锁死工作部件包括两个导向锁定块501和与导向锁定块501配合使用的压缩弹簧502，锁死机构支架503通过螺钉固定于工作台板8上，导向锁定块501通过直线导轨504浮动安装于锁死机构支架503上，导向锁定块501上通过螺纹旋配方式均固定有弹簧导向轴505，该弹簧导向轴505可在弹簧压紧块506上同轴的孔内自由滑动，弹簧压紧块506通过螺钉固定于锁死机构支架503上，弹簧导向轴505上套装有压缩弹簧502(所选压缩弹簧502的规格参数如表2-6所示)，压缩弹簧502一端始终紧贴弹簧压紧块506，另一端始终与导向锁定块501紧贴，在锁死机构支架503上固定有挡块507，限制导向锁定块501对压缩弹簧502产生一定的压缩，导向锁定块501包括实现导向和锁死功能的楔形导向结构508和半“U”型锁死槽509(图12所示)。
表2-6 压缩弹簧规格参数表
冗余多关节机械臂2的工作空间即冗余多关节机械臂2上末端抓取机构3运动描述参考点所能达到的空间点的集合，由于冗余多关节机械臂2具有包含一个基座和七个杆件，杆件与基座、杆件与杆件间均采用转动运动副连接，即在每个连接处均将产生一个转动自由度，基座与杆件一间的关节角为θ1，杆件一与杆件二间的关节角为θ2，杆件二与杆件三间的关节角为θ3，杆件三与杆件四间的关节角为θ4，杆件四与杆件五间的关节角为θ5，杆件五与杆件六间的关节角为θ6，杆件六与末端杆件(杆件七)间的关节角为θ7，因此该冗余多关节机械臂共包含7个主动自由度，为七轴机械臂，当各个杆件运动时末端抓取机构应当具有一个工作半径，并形成工作空间；在抓取过程中两条冗余多关节机械臂同时抓取无人机两侧的起落架，实现无人机着陆对接。因此对接区域要求两条冗余多关节机械臂均可达，而每条冗余多关节机械臂均有各自的运动半径，从而可知，两条冗余多关节机械臂工作空间的交叉区域将形成无人机着陆对接机构的对接工作区域。
双目视觉***1通过两个摄像机对无人机姿态进行实时监控，末端抓取机构3将随冗余多关节机械臂2末端运动，双目视觉***1采集的无人机姿态图像信息通过七轴机械臂算法换算至末端，两条冗余多关节机械臂2需进行协同运动，夹指301在平行气爪302的驱动下，实现夹指301的打开和闭合从而与安装在无人机起落架21上的辅助夹具4构成间隙配合的抓取，夹指301可沿辅助夹具4的任意径向方向闭合来抓取，抓取后，两条多关节机械臂2的抓取姿态不断自适应调整，从而无人机6可在两条多关节机械臂2的协同牵引下降落至着陆锁死机构5上方，无人机起落架21将首先接触楔形导向结构508，然后无人机6继续降落产生向下的压力，在楔形导向结构508的作用下，向下的压力将分解出沿x方向的力，迫使导向锁定块501在直线导轨504上滑动并压缩压缩弹簧502从而使该着陆锁死机构打开，允许无人机6降到到位，无人机6降落到位后，半“U”型锁死槽509卡住无人机6的起落架，在压缩弹簧502的伸缩力作用下迅速卡住两侧的起落架从而固定降落到位的无人机6。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种基于多关节机械臂的无人机着陆对接机构，包括由支撑框架和工作台板构成的机架，其特征是：所述工作台板上设置有用于采集无人机姿态图像信息的双目视觉***和对无人机进行抓取的冗余多关节机械臂，所述冗余多关节机械臂为两条，且两条冗余多关节机械臂的工作半径交叉区域处的工作台板上设置有用于对无人机进行固定的着陆锁死机构，所述着陆锁死机构包括锁死机构支架及通过导轨滑动设置在锁死固定支架上的导向锁定块，所述导向锁定块一侧的锁死机构支架上固定设置有弹簧压紧块，所述弹簧压紧块与导向锁定块之间设置有套装在弹簧导向轴上的压缩弹簧，所述压缩弹簧导向轴的一端通过螺纹旋配方式固定在导向锁定块上，所述弹簧导向轴的另一端通过通孔贯穿所述弹簧压紧块，所述通孔设置在弹簧压紧块上并与所述弹簧导向轴同轴，且所述弹簧导向轴可在的通孔内自由滑动；
所述冗余多关节机械臂包括一个基座和七个依次连接的杆件，且基座与杆件、杆件与杆件之间彼此采用转动运动副连接，所述冗余多关节机械臂的末端杆件上设置有末端抓取机构，其所述末端抓取机构包括采用平行开合形式的平行气爪和夹指，所述夹指安装在平行气爪的移动部件上，且所述夹指与无人机起落架上设置的辅助夹具进行间隙配合使用；
所述辅助夹具包括辅助夹具A和辅助夹具B，辅助夹具A和辅助夹具B卡在无人机起落架上，并通过四个螺栓螺母将辅助夹具A和辅助夹具B锁紧；
所述锁死机构支架通过螺钉固定于工作台板上，所述弹簧压紧块通过螺钉固定于锁死机构支架上，所述导向锁定块为两个，且其上设置有实现导向和锁死功能的楔形导向结构和半“U”型锁死槽；
所述压缩弹簧的一端始终与弹簧压紧块紧贴或固定，另一端与导向锁定块始终紧贴或固定。
2.根据权利要求1所述的基于多关节机械臂的无人机着陆对接机构，其特征是：所述基座与七个杆件之间的连接顺序为基座、第一杆件、第二杆件、第三杆件、第四杆件、第五杆件、第六杆件、第七杆件，且前一级作为后一级杆件的安装座，后一级杆件均通过螺钉旋配至前一级杆件的减速器输出轴上，所述基座固定安装在工作台板上，所述末端抓取机构设置在第七杆件上。
3.根据权利要求2所述的基于多关节机械臂的无人机着陆对接机构，其特征是：所述基座、第一杆件、第二杆件、第三杆件、第四杆件、第五杆件、第六杆件内分别设置一个分离式无框电机和与驱动电机采用键槽进行连接的谐波减速器。
4.根据权利要求2所述的基于多关节机械臂的无人机着陆对接机构，其特征是：所述第七杆件上设置有通过螺钉固定的末端连接法兰，所述末端连接法兰通过驱动连接板与所述平行气爪固定连接。
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