[發(fā)明專利]一種空中作業(yè)機(jī)器人

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711097058.2
• 申請日: 2017-11-09
• 公開（公告）號(hào): CN107891975A
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐彬;張一博;項(xiàng)昌樂;馬罡
• 申請（專利權(quán)）人: 酷黑科技（北京）有限公司;北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B64C27/08
• 分類號(hào): B64C27/08;B64C27/20;B64C39/02;B64D47/00
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11227
• 代理人: 羅滿

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種空中作業(yè)機(jī)器人。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的無人飛行器只能與物理環(huán)境間產(chǎn)生信息交互，通過配備的攝像云臺(tái)、傳感器等進(jìn)行信息采集工作。隨著無人飛行器的發(fā)展，能夠與環(huán)境進(jìn)行物理接觸與交互、對(duì)所處環(huán)境施加主動(dòng)影響的新型飛行機(jī)器人平臺(tái)的優(yōu)勢日益突顯，從而在以下三個(gè)方面產(chǎn)生巨大的應(yīng)用前景：(1)在廣域無人科考、環(huán)境監(jiān)測及災(zāi)害評(píng)估中，完成樣品采集等任務(wù)；(2)針對(duì)城市反恐、城市救援等特殊環(huán)境，代替人進(jìn)行危險(xiǎn)作業(yè)；(3)完成復(fù)雜環(huán)境中的基礎(chǔ)設(shè)施檢測與維修、墻體探傷、閥門遠(yuǎn)程操作等任務(wù)。

空中作業(yè)機(jī)器人平臺(tái)是一種新型空中平臺(tái)，基本形式為在可懸停飛行器平臺(tái)上加裝操作機(jī)構(gòu)，從而使其具有在三維復(fù)雜環(huán)境中的主動(dòng)操作能力。目前，已有一些空中作業(yè)機(jī)器人的構(gòu)想被提出。但是，幾乎所有的空中作業(yè)機(jī)器人平臺(tái)均以直升機(jī)或四旋翼作為主體，采用在已有飛行平臺(tái)上直接加裝機(jī)械臂的方式，并且沒有專門考慮空中接觸作業(yè)帶來的擾動(dòng)問題。

這些空中作業(yè)機(jī)器人平臺(tái)具有明顯的缺點(diǎn)：

(1)接觸能力差，安全性低。由于固定翼式飛行器無法懸停，同時(shí)直升機(jī)式飛行器的開放式旋翼結(jié)構(gòu)導(dǎo)致主動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)無法從目標(biāo)物的側(cè)方和下方接近其本體(如橋梁下方，垂直墻面等)，因此傳統(tǒng)飛行器在空中自主作業(yè)領(lǐng)域存在極大的局限性。近年來，多軸式飛行器發(fā)展迅速，得益于其結(jié)構(gòu)對(duì)稱且部件簡單，各操縱通道控制之間耦合度較低，目前已有的可作業(yè)無人飛行器大多以其作為基本載體。但是，這種開放式多旋翼結(jié)構(gòu)，飛行時(shí)必須保證足夠空曠的環(huán)境，復(fù)雜的環(huán)境(如墻壁等)會(huì)對(duì)其旋翼產(chǎn)生劇烈干擾，從而發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至打槳墜機(jī)，因此其穩(wěn)定飛行要求距離障礙物至少一倍槳盤直徑。而空中操作作業(yè)的核心恰恰在于與環(huán)境進(jìn)行物理接觸與交互，這與傳統(tǒng)飛行器穩(wěn)定飛行所需的環(huán)境要求必然產(chǎn)生不可調(diào)和的矛盾，也表明傳統(tǒng)的四旋翼和直升機(jī)結(jié)構(gòu)不適合作為空中自主作業(yè)平臺(tái)的載體。

(2)可通過性差，復(fù)雜環(huán)境無法使用。空中作業(yè)常常涉及到較為復(fù)雜的使用環(huán)境，如在在地震過后的斷壁殘?jiān)羞M(jìn)行探測救援，在狹窄的小巷或建筑物夾縫中穿行等等，這些環(huán)境的共同點(diǎn)是包含狹小空間。傳統(tǒng)的四旋翼由于對(duì)稱式的結(jié)構(gòu)布局和開放式的旋翼形式，在滿足一定有效載荷的前提下所需結(jié)構(gòu)尺寸和飛行空間較大，導(dǎo)致其對(duì)狹小空間的通過性極差。如若需要保證其對(duì)復(fù)雜環(huán)境的通過性，又必然需要減小飛行器尺寸，從而使得作業(yè)能力大打折扣。

(3)系統(tǒng)抗干擾能力差，穩(wěn)定性低。目前的飛行作業(yè)平臺(tái)幾乎都采用在已有四旋翼上直接加裝作業(yè)機(jī)構(gòu)的方式，由于四旋翼等平臺(tái)垂向投影長寬尺寸接近于正方形，且作業(yè)機(jī)構(gòu)必須布置于機(jī)體中心處，因此其作業(yè)機(jī)構(gòu)尺寸必須足夠長才能伸出機(jī)體外滿足作業(yè)要求，導(dǎo)致作業(yè)時(shí)慣量極大。同時(shí)，物理接觸會(huì)引起作業(yè)機(jī)構(gòu)末端的力與力矩產(chǎn)生顯著改變，當(dāng)作業(yè)機(jī)構(gòu)操縱幅度較大或載荷較大時(shí)，系統(tǒng)的狀態(tài)變量和外部擾動(dòng)的變化幅度將急劇增加，而現(xiàn)有空中作業(yè)平臺(tái)并沒有針對(duì)這種不穩(wěn)定性做專門考慮，從而導(dǎo)致作業(yè)效果大打折扣。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種空中作業(yè)機(jī)器人，以解決現(xiàn)有空中作業(yè)機(jī)器人接觸能力差、安全性低、可通過性差、系統(tǒng)抗干擾能力差、穩(wěn)定性低的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種空中作業(yè)機(jī)器人，包括：涵道、旋翼系統(tǒng)、機(jī)身、機(jī)械臂系統(tǒng)以及陀螺增穩(wěn)裝置；

其中，所述涵道采用縱向雙涵道形式，兩個(gè)涵道分別對(duì)稱設(shè)置在所述機(jī)身沿縱向的前后兩側(cè)；所述旋翼系統(tǒng)包括前旋翼系統(tǒng)以及后旋翼系統(tǒng)，所述前旋翼系統(tǒng)與所述后旋翼系統(tǒng)分別對(duì)應(yīng)設(shè)置在前后兩個(gè)涵道內(nèi)；通過所述旋翼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)體姿態(tài)的控制；

所述機(jī)械臂系統(tǒng)位于所述機(jī)身下方，作業(yè)狀態(tài)時(shí)從所述機(jī)身的側(cè)方伸出進(jìn)行作業(yè)；

所述陀螺增穩(wěn)裝置設(shè)置在機(jī)身平臺(tái)上方位置處，用于在空中作業(yè)機(jī)器人擾動(dòng)抑制模式開啟時(shí)，通過提供的控制力矩抑制作業(yè)過程擾動(dòng)對(duì)空中作業(yè)機(jī)器人的干擾。

可選地，所述陀螺增穩(wěn)裝置包括：伺服驅(qū)動(dòng)模塊、與所述伺服驅(qū)動(dòng)模塊相連的陀螺裝置以及控制模塊；

其中，所述控制模塊用于獲取空中作業(yè)機(jī)器人平臺(tái)的當(dāng)前擾動(dòng)力矩，根據(jù)所述當(dāng)前擾動(dòng)力矩確定抑制擾動(dòng)所需的陀螺裝置的進(jìn)動(dòng)角速度大小和方向，并生成驅(qū)動(dòng)所述陀螺裝置產(chǎn)生相應(yīng)控制力矩的驅(qū)動(dòng)指令，發(fā)送至所述伺服驅(qū)動(dòng)模塊；

所述伺服驅(qū)動(dòng)模塊用于接收所述驅(qū)動(dòng)指令，通過驅(qū)動(dòng)所述陀螺裝置偏轉(zhuǎn)提供相應(yīng)的控制力矩，以抑制當(dāng)前瞬時(shí)擾動(dòng)對(duì)空中作業(yè)機(jī)器人姿態(tài)的干擾。

可選地，所述陀螺裝置包括雙軸飛輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)；其中，所述雙軸飛輪為對(duì)稱飛輪，通過所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)飛輪進(jìn)行自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)方向相反。