CN111717391B - 一种四旋翼并联采集机器人 - Google Patents
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Abstract
一种四旋翼并联采集机器人,属于空中机器人领域,包括四旋翼飞行机构;安装在四旋翼飞行机构上端的巡视相机;安装在四旋翼飞行机构下端的三自由度并联机构;安装在三自由度并联机构下端的抓取采集机构;安装在抓取采集机构下端的抓捕相机。通过三自由度并联机构使得抓取采集机构可以准确地到达目标上方,准备实施抓取动作。通过抓取采集机构能够对各种不同形状的目标实施抓取,实现目标的抓取任务。本发明同时具备飞行与抓取采集的功能,可根据目标位置相应调整抓取采集机构的位置,能够在高原复杂恶劣的环境下执行无人化目标抓取采集任务,适用于科考人员在复杂恶劣环境下的目标采集,方便了科考人员的采集工作。
Description
技术领域
本发明属于空中机器人技术领域,特别涉及一种四旋翼并联采集机器人。
背景技术
高原科考是一项艰巨的工作,尤其在面对一些复杂地形时,单纯地依靠人力很难完成科考任务而使得科考人员无功而返,这既是对人员精力的损耗,也可能是与一次有价值的科考的擦肩而过。随着当今科技的高速发展,无人机探测已经变得十分普遍,可以探测人类所不能到达的危险地形。但目前的无人机仅能实现传递图像、侦察地形的目的,仍无法为科考人员的地质采样提供有效帮助,因此需要新的、具有综合性能的机器人来解决这一技术难题。
利用无人机携带机械手抓执行抓取任务,最常用的是采用串联机械手的形式,例如公开号为20190202554A1的美国专利公开了一种用于飞机的地面操纵***及方法,其采用串联机构实现抓取任务,串联机构通过运动副依次连接而成,属于开环机构,该串联机构具有较大的运动空间和较高的灵活度,但也有明显的缺点,即运动副的累积误差能够降低末端执行器的精度,“悬臂”机构刚度低,惯性大,动力学性能严重不足。
相对于串联机构而言,并联机构是一种闭环结构,其动、定平台通过至少两个独立的运动链连接。与串联机构相比,并联机构具有结构紧凑、精度高、刚度优、动力学性能好等优点。基于此优点,Clavel博士最早提出了可实现空间三自由度移动的Delta并联机器人,其具有高速稳定运动的特点,广泛应用于工业、食品包装生产线的快速分拣操作。公开号为20180134387A1的美国专利将无人机与Delta机器人结合在一起实现复杂环境的操作任务。然而,该专利并没有提高抓取功能以及无人机悬停过程中的抖动问题。
综述,设计研发一种可靠性高、性能优异的四旋翼并联采集机器人将是机器人领域关注的热点问题。
发明内容
本发明针对现有无人机串联机构和现有的并联机构存在的不足,提出了一种结构紧凑、运动灵活、稳定性强的四旋翼并联采集机器人。
本发明为解决技术问题所采用的方案如下:
本发明的一种四旋翼并联采集机器人,包括:
四旋翼飞行机构;
安装在四旋翼飞行机构上端的巡视相机;
安装在四旋翼飞行机构下端的三自由度并联机构;
安装在三自由度并联机构下端的抓取采集机构;
安装在抓取采集机构下端的抓捕相机。
进一步的,所述四旋翼飞行机构包括:信号天线、螺旋桨叶片、无刷电机、电机安装座、四个旋翼支撑管、飞行机构控制***、无刷电机驱动器、飞行机构主体和三个支撑杆;三个支撑杆分别安装在飞行机构主体下端的三个支角处,三个支撑杆以120度夹角均匀分布在飞行机构主体下端的三个支角处;四个旋翼支撑管分别安装在飞行机构主体上端的四个支角处,四个旋翼支撑管以90度夹角均匀分布在飞行机构主体上端的四个支角处;在每个旋翼支撑管端部均安装有一个电机安装座,每个电机安装座上均安装有一个无刷电机,每个无刷电机上均安装有两个螺旋桨叶片;信号天线和飞行机构控制***均固定在飞行机构主体上端面上;信号天线与飞行机构控制***电连接;每个无刷电机均与飞行机构控制***相连;通过飞行机构控制***控制无刷电机运行,通过无刷电机驱动螺旋桨叶片旋转,实现空中飞行。
进一步的,所述巡视相机安装在飞行机构主体上。
进一步的,所述三自由度并联机构包括:定平台、三个驱动电机、三个驱动摇臂、球铰链、中间连杆、从动摇杆、拉伸弹簧和动平台和并联机构控制***;定平台中间设置有通孔;动平台中间设置有通孔;定平台与飞行机构主体下端相连;三个驱动电机分别安装在定平台的三个支角处;三个驱动电机以120度夹角均匀分布在定平台的三个支角处;三个驱动摇臂与三个驱动电机一一对应安装;驱动摇臂上端为叉形结构,叉形结构的两边分别与驱动电机两端的输出轴相连;驱动摇臂下端通过球铰链和中间连杆分别与两个从动摇杆相连;从动摇杆下端通过球铰链与动平台相连;每组从动摇杆下端均通过一个拉伸弹簧相连;每个驱动电机均与并联机构控制***电连接,通过并联机构控制***控制驱动电机运行,实现空间三自由度的移动。
进一步的,所述抓取采集机构包括:电机、电机安装座、滚轮、腱绳、基法兰、驱动杆、压缩弹簧、抓手单关节、线绳、线绳拉销、动法兰和三半球手抓;电机安装座与飞行机构主体固连,电机固定在电机安装座上,滚轮与电机的输出轴相连;基法兰与三自由度并联机构的动平台固连;腱绳伸入定平台和动平台中间通孔中;腱绳上端缠绕在滚轮上,腱绳下端固定在基法兰上,基法兰通过三组转动副连接到三半球手抓;三组转动副相对于基法兰的中心呈圆周对称布置,相邻两组转动副之间的夹角均为120度;每组转动副均由驱动杆、抓手单关节组成;三个驱动杆上端均通过转轴与基法兰的三个角相连;抓手单关节为弧形结构,中间为通孔;驱动杆下端通过转轴与抓手单关节中间弯折位置相连;
基法兰与动法兰之间通过压缩弹簧相连;三个抓手单关节一端均通过转轴与动法兰的三个角相连;三个抓手单关节另一端分别与三半球手抓的三个部分相连;压缩弹簧的回复力能够将基法兰和动法兰分离,从而带动三半球手抓张开;基法兰与动法兰之间连接有三根线绳,相邻两根线绳之间的夹角为120度,线绳上端固定在基法兰下表面,线绳下端通过线绳拉销安装在动法兰上,通过三根线绳能够保证三半球手抓最大张开角度;通过电机驱动滚轮转动,带动滚轮缠绕腱绳进而驱动三半球手抓的开合。
进一步的,所述抓捕相机安装在动法兰下表面,且抓捕相机位于三半球手抓中。
本发明的有益效果是:
1、本发明所设计的三自由度并联机构,可实现欧几里得空间中x,y,z方向的移动,使得抓取采集机构可以准确地到达目标上方,准备实施抓取动作。同时,三自由度并联机构能够实现在无人机悬停时进行小范围内运动,能够实现空间三自由度平移,能够补偿由于飞行悬停抖动产生的位置偏差。
2、本发明所设计的抓取采集机构为一种三半球手抓线绳驱动机构,具有开合功能,能够对各种不同形状的目标实施抓取,实现目标的抓取任务。
3、本发明同时具备飞行与抓取采集的功能,可根据目标位置相应调整抓取采集机构的位置,能够在高原复杂恶劣的环境下执行无人化目标抓取采集任务,适用于科考人员在复杂恶劣环境下的目标采集,方便了科考人员的采集工作。
4、本发明通过控制***在远端发射信号控制机器人的飞行,同时控制四自由度并联机构的定位以及抓取采集机构的抓取动作。
5、本发明采用上、中、下三段式结构进行组装,具有便于装拆,结构紧凑、小巧,运动灵活,稳定性强,易于携带的优点,具有广阔的科研和应用前景。
附图说明
图1为本发明的一种四旋翼并联采集机器人的结构示意图。
图2为四旋翼飞行机构的结构示意图。
图3为三自由度并联机构的结构示意图。
图4为抓取采集机构的结构示意图。
图5为四旋翼飞行机构和三自由度并联机构连接方式示意图。
图6为三自由度并联机构和抓取采集机构连接方式示意图。
图中:1、四旋翼飞行机构,1-1、信号天线,1-2、螺旋桨叶片,1-3、无刷电机,1-4、电机安装座,1-5、旋翼支撑管,1-6、飞行机构控制***,1-8、无刷电机驱动器,1-9、飞行机构主体,1-10、支撑杆。
2、三自由度并联机构,2-1、定平台,2-2、驱动电机,2-3、驱动摇臂,2-4、球铰链,2-5、中间连杆,2-6、从动摇杆,2-7、拉伸弹簧,2-8、动平台,2-9、并联机构控制***。
3、抓取采集机构,3-1、电机,3-2、电机安装座,3-3、滚轮,3-4、腱绳,3-5、基法兰,3-6、驱动杆,3-7、压缩弹簧,3-8、抓手单关节,3-9、线绳,3-10、线绳拉销,3-11、动法兰,3-12、三半球手抓。
4、巡视相机。
5、抓捕相机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示,本发明的一种四旋翼并联采集机器人,能够实现空中目标的稳定采集,主要包括:四旋翼飞行机构1、三自由度并联机构2、抓取采集机构3、巡视相机4和抓捕相机5。四旋翼飞行机构1下方连接三自由度并联机构2,三自由度并联机构2下方连接抓取采集机构3。其中,四旋翼飞行机构1和三自由度并联机构2通过螺栓连接,三自由度并联机构2和抓取采集机构3通过螺栓连接。巡视相机4安装在四旋翼飞行机构1上端,抓捕相机5安装在抓取采集机构3下端。
四旋翼飞行机构1和巡视相机4主要用于携带整体结构,完成空中飞行和巡视功能。三自由度并联机构2主要用于提供三个自由度,实现空间三自由度的移动,能够实现目标范围内的精确调整,具有很好的灵活性。抓取采集机构3和抓捕相机5主要用于目标的抓取,能够实现对目标的采集功能。
如图2所示,四旋翼飞行机构1主要包括:信号天线1-1、螺旋桨叶片1-2、无刷电机1-3、电机安装座1-4、四个旋翼支撑管1-5、飞行机构控制***1-6、无刷电机驱动器1-8、飞行机构主体1-9和三个支撑杆1-10。三个支撑杆1-10分别安装在飞行机构主体1-9下端的三个支角处,三个支撑杆1-10以120度夹角均匀分布在飞行机构主体1-9下端的三个支角处。四个旋翼支撑管1-5分别安装在飞行机构主体1-9上端的四个支角处,四个旋翼支撑管1-5以90度夹角均匀分布在飞行机构主体1-9上端的四个支角处。在每个旋翼支撑管1-5端部均安装有一个电机安装座1-4,每个电机安装座1-4上均安装有一个无刷电机1-3,每个无刷电机1-3上均安装有两个螺旋桨叶片1-2。信号天线1-1和飞行机构控制***1-6均固定在飞行机构主体1-9上端面上。信号天线1-1与飞行机构控制***1-6电连接。每个无刷电机1-3均与飞行机构控制***1-6相连。通过飞行机构控制***1-6控制无刷电机1-3运行,通过无刷电机1-3驱动螺旋桨叶片1-2旋转,从而实现空中飞行。
本实施方式中,飞行机构控制***1-6采用现有技术。
如图3所示,三自由度并联机构2主要包括:定平台2-1、三个驱动电机2-2、三个驱动摇臂2-3、球铰链2-4、中间连杆2-5、从动摇杆2-6、拉伸弹簧2-7和动平台2-8和并联机构控制***2-9。定平台2-1中间设置有通孔。动平台2-8中间设置有通孔。定平台2-1与飞行机构主体1-9下端相连。三个驱动电机2-2分别安装在定平台2-1的三个支角处。三个驱动电机2-2以120度夹角均匀分布在定平台2-1的三个支角处。三个驱动摇臂2-3与三个驱动电机2-2一一对应安装。驱动摇臂2-3上端为叉形结构,叉形结构的两边分别与驱动电机2-2两端的输出轴相连。驱动摇臂2-3下端通过球铰链2-4和中间连杆2-5分别与两个从动摇杆2-6相连,具体的是:两个中间连杆2-5分别安装在驱动摇臂2-3下端两侧,每个中间连杆2-5端部均通过一个球铰链2-4与一个从动摇杆2-6上端相连,因此,每个驱动摇臂2-3下端均连接有两个从动摇杆2-6。从动摇杆2-6下端通过球铰链2-4与动平台2-8相连,具体的是:每个从动摇杆2-6下端均通过一个球铰链2-4与动平台2-8相连,并且,每个驱动摇臂2-3下端的两个从动摇杆2-6为一组安装在动平台2-8的一个支角处,动平台2-8的三个支角处分别安装一组从动摇杆2-6。每组从动摇杆2-6下端均通过一个拉伸弹簧2-7相连。每个驱动电机2-2均与并联机构控制***2-9电连接,通过并联机构控制***2-9控制驱动电机2-2运行,从而实现空间三自由度的移动。
本实施方式中,并联机构控制***2-9采用现有技术。
如图4所示,抓取采集机构3是一种三半球线绳驱动机构。抓取采集机构3主要包括:电机3-1、电机安装座3-2、滚轮3-3、腱绳3-4、基法兰3-5、驱动杆3-6、压缩弹簧3-7、抓手单关节3-8、线绳3-9、线绳拉销3-10、动法兰3-11和三半球手抓3-12。如图5所示,电机安装座3-2通过螺栓与飞行机构主体1-9固连,电机3-1固定在电机安装座3-2上,滚轮3-3与电机3-1的输出轴相连。如图6所示,抓取采集机构3的基法兰3-5通过螺栓与三自由度并联机构2的动平台2-8固连。腱绳3-4伸入定平台2-1和动平台2-8中间通孔中。腱绳3-4上端缠绕在滚轮3-3上,腱绳3-4下端固定在基法兰3-5上,基法兰3-5通过三组转动副连接到三半球手抓3-12。三组转动副相对于基法兰3-5的中心呈圆周对称布置,相邻两组转动副之间的夹角均为120度。
每组转动副均由驱动杆3-6、抓手单关节3-8组成。三个驱动杆3-6上端均通过转轴与基法兰3-5的三个角相连。抓手单关节3-8为弧形结构,中间为通孔。驱动杆3-6下端通过转轴与抓手单关节3-8中间弯折位置相连。
基法兰3-5与动法兰3-11之间通过压缩弹簧3-7相连,即压缩弹簧3-7上端连接在基法兰3-5上,压缩弹簧3-7下端连接在动法兰3-11上。三个抓手单关节3-8一端均通过转轴与动法兰3-11的三个角相连。三个抓手单关节3-8另一端分别与三半球手抓3-12的三个部分相连,当三半球手抓3-12的三个部分合在一起后形成空间的闭环结构。压缩弹簧3-7的回复力能够将基法兰3-5和动法兰3-11分离,从而带动三半球手抓3-12张开。同时,为了使压缩弹簧3-7不脱离动法兰3-11,基法兰3-5与动法兰3-11之间连接有三根线绳3-9,相邻两根线绳3-9之间的夹角为120度,线绳3-9上端固定在基法兰3-5下表面,线绳3-9下端通过线绳拉销3-10安装在动法兰3-11上,通过三根线绳3-9能够保证三半球手抓3-12最大张开角度。通过电机3-1驱动滚轮3-3转动,带动滚轮3-3缠绕腱绳3-4进而驱动三半球手抓3-12的开合。抓取采集机构3是通过压缩弹簧3-7的固有弹力实现三半球手抓3-12张开的,通过线绳3-9驱动实现三半球手抓3-12闭合的。
本发明的视觉***包含两部分,分别为巡视相机4和抓捕相机5,其中,巡视相机4安装在飞行机构主体1-9上,能够巡视观察到前进目标。抓捕相机5安装在动法兰3-11下表面,并且抓捕相机5位于三半球手抓3-12中,能够获取抓取目标的位置信息,从而实现视觉反馈。巡视相机4和抓捕相机5均为小型相机。
本发明的一种四旋翼并联采集机器人,具有以下功能:
(1)在复杂的地势环境下,通过四旋翼无人机携带本发明的四旋翼并联采集机器人,利用巡视相机4在空中进行目标寻找。
(2)待找到识别目标后,到达该目标附近,进入四旋翼并联采集机器人的可达范围,此时利用抓捕相机5传回的信息,操控三自由度并联机构2,以达到精准定位。
(3)准确达到目标上方后,打开三半球手抓3-12,实施精准抓取动作,实现对目标的无人化采集。
(4)采集完成后,利用巡视相机4巡视周边环境,以最有利的路线返回到控制者所在区域,至此,完成整个科考采集任务。
本发明的一种四旋翼并联采集机器人,不但具有良好的外观,更重要的是综合了飞行功能及采集功能于一体,充分利用了三自由度并联机构2的灵活性,能够实现长远距离飞行运动,并且能够实现空间三自由度的移动,非常适合高原科考人员的科考工作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种四旋翼并联采集机器人,其特征在于,包括:
四旋翼飞行机构;
安装在四旋翼飞行机构上端的巡视相机;
安装在四旋翼飞行机构下端的三自由度并联机构;
安装在三自由度并联机构下端的抓取采集机构;
安装在抓取采集机构下端的抓捕相机;
所述四旋翼飞行机构包括:信号天线、螺旋桨叶片、无刷电机、电机安装座、四个旋翼支撑管、飞行机构控制***、无刷电机驱动器、飞行机构主体和三个支撑杆;三个支撑杆分别安装在飞行机构主体下端的三个支角处,三个支撑杆以120度夹角均匀分布在飞行机构主体下端的三个支角处;四个旋翼支撑管分别安装在飞行机构主体上端的四个支角处,四个旋翼支撑管以90度夹角均匀分布在飞行机构主体上端的四个支角处;在每个旋翼支撑管端部均安装有一个电机安装座,每个电机安装座上均安装有一个无刷电机,每个无刷电机上均安装有两个螺旋桨叶片;信号天线和飞行机构控制***均固定在飞行机构主体上端面上;信号天线与飞行机构控制***电连接;每个无刷电机均与飞行机构控制***相连;通过飞行机构控制***控制无刷电机运行,通过无刷电机驱动螺旋桨叶片旋转,实现空中飞行;
所述三自由度并联机构包括:定平台、三个驱动电机、三个驱动摇臂、球铰链、中间连杆、从动摇杆、拉伸弹簧和动平台和并联机构控制***;定平台中间设置有通孔;动平台中间设置有通孔;定平台与飞行机构主体下端相连;三个驱动电机分别安装在定平台的三个支角处;三个驱动电机以120度夹角均匀分布在定平台的三个支角处;三个驱动摇臂与三个驱动电机一一对应安装;驱动摇臂上端为叉形结构,叉形结构的两边分别与驱动电机两端的输出轴相连;驱动摇臂下端通过球铰链和中间连杆分别与两个从动摇杆相连;从动摇杆下端通过球铰链与动平台相连;每组从动摇杆下端均通过一个拉伸弹簧相连;每个驱动电机均与并联机构控制***电连接,通过并联机构控制***控制驱动电机运行,实现空间三自由度的移动;
所述抓取采集机构包括:电机、电机安装座、滚轮、腱绳、基法兰、驱动杆、压缩弹簧、抓手单关节、线绳、线绳拉销、动法兰和三半球手抓;电机安装座与飞行机构主体固连,电机固定在电机安装座上,滚轮与电机的输出轴相连;基法兰与三自由度并联机构的动平台固连;腱绳伸入定平台和动平台中间通孔中;腱绳上端缠绕在滚轮上,腱绳下端固定在基法兰上,基法兰通过三组转动副连接到三半球手抓;三组转动副相对于基法兰的中心呈圆周对称布置,相邻两组转动副之间的夹角均为120度;每组转动副均由驱动杆、抓手单关节组成;三个驱动杆上端均通过转轴与基法兰的三个角相连;抓手单关节为弧形结构,中间为通孔;驱动杆下端通过转轴与抓手单关节中间弯折位置相连;
基法兰与动法兰之间通过压缩弹簧相连;三个抓手单关节一端均通过转轴与动法兰的三个角相连;三个抓手单关节另一端分别与三半球手抓的三个部分相连;压缩弹簧的回复力能够将基法兰和动法兰分离,从而带动三半球手抓张开;基法兰与动法兰之间连接有三根线绳,相邻两根线绳之间的夹角为120度,线绳上端固定在基法兰下表面,线绳下端通过线绳拉销安装在动法兰上,通过三根线绳能够保证三半球手抓最大张开角度;通过电机驱动滚轮转动,带动滚轮缠绕腱绳进而驱动三半球手抓的开合。
2.根据权利要求1所述的一种四旋翼并联采集机器人,其特征在于,所述巡视相机安装在飞行机构主体上。
3.根据权利要求1所述的一种四旋翼并联采集机器人,其特征在于,所述抓捕相机安装在动法兰下表面,且抓捕相机位于三半球手抓中。
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