[發(fā)明專利]一種空中操作多旋翼飛行器的仿鷹抓取系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710534530.8
• 申請日: 2017-07-03
• 公開（公告）號: CN107416195B
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 丁希侖;郭品;王學(xué)強;俞玉樹
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: B64C27/08
• 分類號: B64C27/08;B64D47/00;B64F5/00;G05D1/10;B25J9/00
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實專利事務(wù)所 11121
• 代理人: 周長琪

本發(fā)明公開一種空中操作多旋翼飛行器的仿鷹抓取系統(tǒng)，在多旋翼飛行器底部安裝兩條兩自由度仿生操作臂。兩條仿生操作臂具有髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)以及用來實現(xiàn)抓取的機械爪。本發(fā)明還根據(jù)仿生學(xué)進行運動規(guī)劃，實現(xiàn)了多旋翼飛行機器人雙臂抓取的快速性、準確性、靈敏性。從仿生學(xué)的運動規(guī)劃的角度出發(fā)，建立了鷹類抓取動物與多旋翼飛行器空中操作之間的映射關(guān)系，實現(xiàn)了多旋翼飛行器在高速運動中的動態(tài)抓取任務(wù)，體現(xiàn)了仿生學(xué)在機器人相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)越性。同時通過仿生學(xué)的相關(guān)手段，從結(jié)構(gòu)上建立了仿鷹爪的結(jié)構(gòu)模型，為有效的完成抓取任務(wù)做出了保障。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種空中操作多旋翼飛行器的仿鷹抓取系統(tǒng)及其抓取方法，通過仿生學(xué)手段模擬抓取機械裝置、規(guī)劃抓取運動來實現(xiàn)抓取。

背景技術(shù)

多旋翼飛行器是飛行器領(lǐng)域前沿的研究方向，是未來先進的飛行器。而可操作型多旋翼使飛行器從以往的只具備觀察環(huán)境的單一功能發(fā)展為具有與環(huán)境交互接觸的能力，是“下一代飛行器”，在高層建筑物探測、遙操作、物流等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。在過去的十年中，學(xué)術(shù)界針對多旋翼飛行器的規(guī)劃、控制等問題開展了大量研究，取得了豐富的研究成果。與此同時，在產(chǎn)業(yè)界，隨著飛行器導(dǎo)航、定位等相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，多旋翼飛行器在眾多領(lǐng)域取得了極為成功的應(yīng)用，并推動了一批以微小型多旋翼飛行器為主要產(chǎn)品的機器人企業(yè)迅速壯大。以多旋翼飛行器為平臺的飛行器被很多研究機構(gòu)和企業(yè)視為最具產(chǎn)業(yè)化前景的方向之一。

多旋翼操作飛行器將多旋翼飛行平臺和操作機構(gòu)相結(jié)合，在綜合兩者優(yōu)越性的同時，也帶來了一系列新的問題。操作機構(gòu)、結(jié)構(gòu)追求高靈活性，要求其構(gòu)型具有一定數(shù)量的自由度，這勢必會增大飛行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和整體重量、降低多旋翼飛行器的敏捷性。眾多高校和科研院所在多旋翼飛行機器人抓取方面做出了大量的探索，但其主要集中于控制系統(tǒng)建模領(lǐng)域，而在實際情況中，往往多旋翼飛行機器人與環(huán)境間存在大量交互，與被操作對象間也存在明顯的耦合。實際結(jié)果表明，對于物體的多次、快速、準確的抓取任務(wù)，各方仍未取得理想成果。

為了使得多旋翼飛行機器人能反復(fù)、多次、快速、準確的抓取物體，抓取方法應(yīng)該穩(wěn)定性更強、快速性更好、適應(yīng)范圍更廣、可靠性更高，并應(yīng)該充分考慮多旋翼飛行機器人與環(huán)境間的交互，以及與被操作對象間的耦合問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對多旋翼飛行器抓取物體過程中的快速性、準確性、靈敏性不足的問題，本發(fā)明提出一種可以實現(xiàn)反復(fù)、多次、快速、準確抓取的空中操作多旋翼飛行器仿鷹抓取系統(tǒng)，針對實際環(huán)境和實際物體的抓取場景，充分考慮多旋翼飛行器自身的結(jié)構(gòu)性能特點，可以實現(xiàn)多旋翼飛行機器人對于物體的多次、快速、準確抓取。

自然界中的鷹類可以在高速運動中動態(tài)抓捕獵物，與之相類似的，小型多旋翼飛行器具有很高的敏捷性，可實現(xiàn)高難度機動特效飛行。本發(fā)明空中操作

多旋翼飛行器的仿鷹抓取系統(tǒng),在多旋翼飛行器的基礎(chǔ)上,加裝兩條兩自由度仿生操作臂，以及機身底部設(shè)計的，用來安裝仿生操作臂的掛載桿；

兩條仿生操作臂，包括髖關(guān)節(jié)連接件、髖關(guān)節(jié)管座、大腿桿、膝關(guān)節(jié)連接件、膝關(guān)節(jié)管座、小腿桿、踝關(guān)節(jié)與機械爪。其中，髖關(guān)節(jié)連接件固定安裝于掛載桿上。髖關(guān)節(jié)管座兩側(cè)設(shè)計有連接軸，分別與髖關(guān)節(jié)連接件間鉸接，形成髖關(guān)節(jié)。大腿桿末端與髖關(guān)節(jié)管座間固定，前端固定安裝膝關(guān)節(jié)連接件。膝關(guān)節(jié)管座兩側(cè)同樣設(shè)計有連接軸，分別與膝關(guān)節(jié)連接件間鉸接，形成膝關(guān)節(jié)；小腿桿末端與膝關(guān)節(jié)管座間固定，前端固定安裝踝關(guān)節(jié)；踝關(guān)節(jié)與機械爪固定。大臂機構(gòu)負責(zé)大范圍調(diào)整操作臂，小臂機構(gòu)負責(zé)小范圍微調(diào)操作臂，機械爪負責(zé)夾持被操作對象、完成抓取任務(wù)。

在機械結(jié)構(gòu)上，通過對鷹類腿部結(jié)構(gòu)和功能的機理解析，抽象等價出仿鷹的腿部的構(gòu)型，對仿鷹腿部進行設(shè)計，建立仿鷹腿部的力學(xué)模型，并分析鷹類空中動態(tài)抓捕獵物的運動機理，建立鷹類運動與空中操作飛行器運動之間的映射轉(zhuǎn)換模型。