CN110606198B - 一种针对物理交互作业过程中接触力控制的飞行器*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面向接触作业的飞行器***，特别涉及一种针对物理交互作业过程中接触力控制的旋翼飞行器***。包括旋翼飞行器及设置于旋翼飞行器上的飞行控制器和飞行电池仓，还包括机械臂关节驱动舵机、末端接触机构控制舵机、可伸缩机械臂及末端接触机构，其中可伸缩机械臂的一端铰接在旋翼飞行器上，另一端通过力传感器与末端接触机构连接，机械臂关节驱动舵机和末端接触机构控制舵机设置于旋翼飞行器上，机械臂关节驱动舵机用于驱动可伸缩机械臂摆动，末端接触机构控制舵机用于驱动可伸缩机械臂伸缩，从而实现末端接触机构的开启或锁死。本发明能持续接触并保持末端期望恒定数值的接触力，可以在飞行过程中实现接触环境的主动作业。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向接触作业的飞行器***，特别涉及一种针对物理交互作业过程中接触力控制的旋翼飞行器***。
背景技术
面向高空结构件进行内外部损伤检测、标识以及维修时，需要保持探伤设备和维修工具接触待检测高空结构件，并保持末端期望恒定数值的接触力，同时还需要实现探伤设备和维修工具能够按照预定轨迹进行移动，从而实现高空结构件指定位置和全部表面的内外部损伤检测、标识以及维修工作。因此，一种可以控制接触力的飞行器***丞待解决。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种针对物理交互作业过程中接触力控制的旋翼飞行器***，能持续接触并保持末端期望恒定数值的接触力，可以在飞行过程中实现接触环境的主动作业，拓展了旋翼无人机的应用领域，为高空结构件内外部损伤检测、标识以及维修提供了全新的技术手段。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种针对物理交互作业过程中接触力控制的旋翼飞行器***，包括旋翼飞行器及设置于旋翼飞行器上的飞行控制器和飞行电池仓，还包括机械臂关节驱动舵机、末端接触机构控制舵机、可伸缩机械臂及末端接触机构，其中可伸缩机械臂的一端铰接在旋翼飞行器上，另一端通过力传感器与末端接触机构连接，所述机械臂关节驱动舵机和末端接触机构控制舵机设置于旋翼飞行器上，所述机械臂关节驱动舵机用于驱动所述可伸缩机械臂摆动，所述末端接触机构控制舵机用于驱动所述可伸缩机械臂伸缩，从而实现所述末端接触机构的开启或锁死。
所述可伸缩机械臂包括机械臂连杆及可沿轴向滑动地设置于所述机械臂连杆内的内部支撑杆，所述内部支撑杆的一端与所述末端接触机构控制舵机连接，另一端与力传感器连接。
所述末端接触机构包括末端接触框架和末端万向球组件，其中末端接触框架与所述机械臂连杆连接，所述末端万向球组件容置于所述末端接触框架内、且与所述内部支撑杆连接；当所述内部支撑杆的伸出时，可带动所述末端万向球组件由所述末端接触框架内伸出，且与外部接触环境接触和滑动；当所述内部支撑杆缩回时，带动所述末端万向球组件缩回至所述末端接触框架内，回复锁死状态。
所述末端万向球组件包括万向球支架及可转动地设置于万向球支架上的四个末端万向球。
所述末端接触框架包括末端接触底板、接触作业板及连接在末端接触底板和接触作业板之间的连接支撑柱，其中末端接触底板与所述机械臂连杆连接，所述接触作业板为框架结构，所述末端万向球组件可由所述框架结构内伸出。
所述可伸缩机械臂的一端通过机械手臂底座安装在旋翼飞行器的靠近几何中心的对称位置上，另一端向前伸出并且可以在机体纵向对称面内摆动。
所述旋翼飞行器从起飞到所述末端接触机构接触外部接触环境之前，所述可伸缩机械臂始终处于静态的零关节角度保持状态。
当所述末端接触机构接触到外部接触环境并跟踪轨迹时，所述机械臂关节驱动舵机可以控制机械臂关节角来实时补偿旋翼飞行器的姿态角度，以保证所述末端接触机构正交接触外部接触环境。
所述旋翼飞行器通过所述末端接触机构可以持续接触外部接触环境，并且控制保持末端期望恒定数值的接触力或者是动态变化力的跟踪；同时，还能按照预先设计的任务进行移动作业。
所述飞行电池仓位于旋翼飞行器的机体后方、且与所述机械臂关节驱动舵机对称设置，用于平衡整体***的质心。
本发明的优点及有益效果是：
1.本发明基于通用旋翼无人机平台，可搭载多种载荷，实现高空结构件内部损失检测、标识以及维修。
2.本发明能够控制并保持末端期望恒定数值的接触力或者是动态变化力的跟踪，或者按照预先设计的任务进行移动作业。
3.本发明通过混合力与位置的控制框架为移动接触作业提供控制方案。
4.本发明通过对称设置四个末端万向球保障接触并实现滑动。
5.本发明通过控制内部支撑杆伸缩实现末端接触机构锁死/开启。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中末端接触机构处于锁死状态的示意图；
图3为本发明中末端接触机构处于工作状态的示意图；
图4为本发明处于接触作业过程的状态示意图。
图中：1为旋翼飞行器，2为飞行控制器，3为飞行电池仓，4为机械臂关节驱动舵机，5为末端接触机构控制舵机，6为直线轴承，7为机械臂连杆，8为力传感器，9为末端接触底板，10为内部支撑杆，11为接触作业板，12为连接支撑柱，13为末端万向球，14为万向球支架，15为外部接触环境，F为***升力，G为***重力，α为俯仰姿态角度。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提供的一种针对物理交互作业过程中接触力控制的旋翼飞行器***，包括旋翼飞行器1及设置于旋翼飞行器1上的飞行控制器2和飞行电池仓3，还包括机械臂关节驱动舵机4、末端接触机构控制舵机5、可伸缩机械臂及末端接触机构，其中可伸缩机械臂的一端铰接在旋翼飞行器1上，另一端通过力传感器8与末端接触机构连接，机械臂关节驱动舵机4和末端接触机构控制舵机5设置于旋翼飞行器1上，机械臂关节驱动舵机4用于驱动可伸缩机械臂摆动，末端接触机构控制舵机5用于驱动可伸缩机械臂伸缩，从而实现末端接触机构的开启或锁死。
飞行控制器2用于控制旋翼飞行器1、机械臂关节驱动舵机4和末端接触机构控制舵机5，飞行电池仓3位于旋翼飞行器1的机体后方、且与机械臂关节驱动舵机4对称设置，用于平衡整体***的质心。力传感器8用于测量整个作业过程中的接触力信号。
可伸缩机械臂的一端通过机械手臂底座安装在旋翼飞行器1的靠近几何中心的对称位置上，另一端向前伸出并且可以在机体纵向对称面内进行0-90度的摆动。
可伸缩机械臂包括机械臂连杆7及可沿轴向滑动地设置于机械臂连杆7内的内部支撑杆10，内部支撑杆10的一端与末端接触机构控制舵机5连接，另一端与力传感器8连接。
末端接触机构包括末端接触框架和末端万向球组件，其中末端接触框架与机械臂连杆7连接，末端万向球组件容置于末端接触框架内、且与内部支撑杆10连接；当内部支撑杆10的伸出时，可带动末端万向球组件由末端接触框架内伸出，且与外部接触环境接触和滑动；当内部支撑杆10缩回时，带动末端万向球组件缩回至末端接触框架内，回复锁死状态，如图2所示。
如图2所示，末端万向球组件包括万向球支架14及可转动地设置于万向球支架14上的四个末端万向球13，末端万向球13用于接触环境并在其表面进行滑动。
如图2所示，末端接触框架包括末端接触底板9、接触作业板11及连接在末端接触底板9和接触作业板11之间的四个连接支撑柱12，其中末端接触底板9与机械臂连杆7连接，接触作业板11为框架结构，末端万向球组件可由框架结构内伸出，如图3所示。
旋翼飞行器1从起飞到末端接触机构接触外部接触环境之前，可伸缩机械臂始终处于静态的零关节角度保持状态。
当末端接触机构接触到外部接触环境并跟踪轨迹时，机械臂关节驱动舵机4可以控制机械臂关节角来实时补偿旋翼飞行器1的姿态角度，以保证末端接触机构正交接触外部接触环境。旋翼飞行器1通过末端接触机构可以持续接触外部接触环境，并且控制保持末端期望恒定数值的接触力或者是动态变化力的跟踪；同时，还能按照预先设计的任务进行移动作业。
本发明的整个飞行平台和接触作业机构均由高强度塑料或是碳纤维材料制成。
本发明的工作原理是：
机械臂连杆7的旋转自由度是通过一个大扭矩机械臂关节驱动舵机4进行控制，用于跟踪接触作业过程中期望的关节角度。机械手臂底座安装在飞行器靠近几何中心的对称位置上，向前伸出并且可以在机体纵向对称面内摆动。在机械臂连杆7的末端加装了一个由四个末端万向球13构成的末端万向球组件，其末端万向球组件用于接触环境并在其表面进行滑动。与这个末端万向球组件固连的内部支撑杆10可由其根部相应的末端接触机构控制舵机5驱动，以实现在操作臂空心连杆内部沿轴向前后滑动，两端的塑料直线轴承6用于减小运动的摩擦力。在末端万向球组件和内部支撑杆10之间安装了一个力传感器8，用于实时测量作业过程中的接触力，并能在线记录数据。飞行电池仓3位于机体后方，用于平衡整体***的质心。旋翼飞行器1从起飞到末端万向球组件接触外部接触环境15之前，可伸缩臂始终处于静态的零关节角度保持状态。当万向球组件接触环境并跟踪轨迹时，机械臂关节驱动舵机4可以控制机械臂关节角来实时补偿旋翼飞行器1的姿态角度，以保证万向球组件正交接触外部接触环境15。当万向球组件未接触外部接触环境15且不产生运动时，末端接触机构处于锁死状态，万向球组件不与外部接触环境接触，如图2所示。当要执行移动接触作业任务时，内部支撑杆10伸出，末端接触机构将被开启，如图3所示，万向球组件与外部接触环境接触并依靠末端万向球13在其表面实现滑动。
如图4所示，为该飞行器***执行接触作业的具体形式，当可伸缩机械臂在机体前向方向上进行持续接触外部接触环境15的作业任务时，由于旋翼飞行机器1本体***的欠驱动特性，实际接触时需要旋翼飞行机器1产生一定的俯仰姿态角度α，并且机械臂关节驱动舵机4控制机械臂连杆7始终处于水平方向，即能够对外施加水平接触力。
根据飞行机器***的力控制和运动的任务，将飞行机械臂的移动接触作业空间分成两个正交子空间：一个是正交于环境接触面的空间，称其为约束空间；另一个是接触面的切向空间，称之为自由空间；并在这两个子空间中分别进行力控制和运动控制的研究。对于力控制问题，首先为无人机***设计控制器保证稳定性，进而将闭环无人机***等效是一个类弹簧-质量-阻尼***，然后基于此特性设计逆动力学控制器来实现接触力控制。而对于自由空间中的位置控制，就依靠飞行器***的位置控制器和轨迹规划器来实现。
本发明不需要***复杂动力学模型的辨识，通过类比弹簧-质量-阻尼***的动力学特性，将接触力控制转化为位置控制问题，即将力的控制使用间接方法来实现。并结合应用旋翼无人机接触环境时的力平衡关系，也可以不使用力传感器来获得实时接触力，避免了实际应用力传感器所面临的传感元件本身高噪声、低带宽、高投入、复杂结构设计等一些缺点。
本发明可以实现飞行机器人接触力控制，进行恒定接触力保持或者是动态变化力的跟踪；同时在进行移动接触作业时，实现混合力/位置控制，实现高空结构件表面接触检测、表面标识以及维修功能。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种针对物理交互作业过程中接触力控制的旋翼飞行器***，包括旋翼飞行器(1)及设置于旋翼飞行器(1)上的飞行控制器(2)和飞行电池仓(3)，其特征在于，还包括机械臂关节驱动舵机(4)、末端接触机构控制舵机(5)、可伸缩机械臂及末端接触机构，其中可伸缩机械臂的一端铰接在旋翼飞行器(1)上，另一端通过力传感器(8)与末端接触机构连接，所述机械臂关节驱动舵机(4)和末端接触机构控制舵机(5)设置于旋翼飞行器(1)上，所述机械臂关节驱动舵机(4)用于驱动所述可伸缩机械臂摆动，所述末端接触机构控制舵机(5)用于驱动所述可伸缩机械臂伸缩，从而实现所述末端接触机构的开启或锁死；
所述可伸缩机械臂包括机械臂连杆(7)及可沿轴向滑动地设置于所述机械臂连杆(7)内的内部支撑杆(10)，所述内部支撑杆(10)的一端与所述末端接触机构控制舵机(5)连接，另一端与力传感器(8)连接；
所述末端接触机构包括末端接触框架和末端万向球组件，其中末端接触框架与所述机械臂连杆(7)连接，所述末端万向球组件容置于所述末端接触框架内、且与所述内部支撑杆(10)连接；当所述内部支撑杆(10)的伸出时，可带动所述末端万向球组件由所述末端接触框架内伸出，且与外部接触环境接触和滑动；当所述内部支撑杆(10)缩回时，带动所述末端万向球组件缩回至所述末端接触框架内，回复锁死状态；
所述可伸缩机械臂的一端通过机械手臂底座安装在旋翼飞行器(1)的靠近几何中心的对称位置上，另一端向前伸出并且可以在机体纵向对称面内摆动。
2.根据权利要求1所述的针对物理交互作业过程中接触力控制的旋翼飞行器***，其特征在于，所述末端万向球组件包括万向球支架(14)及可转动地设置于万向球支架(14)上的四个末端万向球(13)。
3.根据权利要求1所述的针对物理交互作业过程中接触力控制的旋翼飞行器***，其特征在于，所述末端接触框架包括末端接触底板(9)、接触作业板(11)及连接在末端接触底板(9)和接触作业板(11)之间的连接支撑柱(12)，其中末端接触底板(9)与所述机械臂连杆(7)连接，所述接触作业板(11)为框架结构，所述末端万向球组件可由所述框架结构内伸出。
4.根据权利要求1所述的针对物理交互作业过程中接触力控制的旋翼飞行器***，其特征在于，所述旋翼飞行器(1)从起飞到所述末端接触机构接触外部接触环境之前，所述可伸缩机械臂始终处于静态的零关节角度保持状态。
5.根据权利要求1所述的针对物理交互作业过程中接触力控制的旋翼飞行器***，其特征在于，当所述末端接触机构接触到外部接触环境并跟踪轨迹时，所述机械臂关节驱动舵机(4)可以控制机械臂关节角来实时补偿旋翼飞行器(1)的姿态角度，以保证所述末端接触机构正交接触外部接触环境。
6.根据权利要求1所述的针对物理交互作业过程中接触力控制的旋翼飞行器***，其特征在于，所述旋翼飞行器(1)通过所述末端接触机构可以持续接触外部接触环境，并且控制保持末端期望恒定数值的接触力或者是动态变化力的跟踪；同时，还能按照预先设计的任务进行移动作业。
7.根据权利要求1所述的针对物理交互作业过程中接触力控制的旋翼飞行器***，其特征在于，所述飞行电池仓(3)位于旋翼飞行器(1)的机体后方、且与所述机械臂关节驱动舵机(4)对称设置，用于平衡整体***的质心。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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