[發明專利]一種基于力反饋裝置和VR感知的飛行機械臂系統及控制方法

有效

• 申請號: 201811236665.7
• 申請日: 2018-10-23
• 公開（公告）號: CN109164829B
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發明（設計）人: 陳浩耀;朱芬芳;巫亞奇;孫家弼;宋瑾;劉云輝
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（深圳）
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10;G05D1/08;B64D47/08;B64C27/08
• 代理公司: 廣州圣理華知識產權代理有限公司 44302
• 代理人: 頓海舟;董覺非

1.一種基于力反饋裝置和VR感知的飛行機械臂系統，其特征在于，包括無人機部分和地面站部分，所述無人機部分包括了無人機機體、雙目相機、機載電腦、機械臂、控制系統和視覺標簽，所述視覺標簽用于與所要抓取的物體進行匹配識別，所述機載電腦和所述控制系統安裝在所述無人機機體上；所述地面站部分包括VR頭顯、力反饋裝置和地面站主機，所述機載電腦將從所述地面站主機接收到的飛行控制指令以及機械臂控制指令發送至所述控制系統；

所述雙目相機固定于所述無人機機體前端的上方位置，用于采集所述無人機機體周邊的運動環境圖像，并將圖像信息傳送回所述機載電腦的圖傳節點；

所述機械臂固定于所述無人機機體的下方且與所述控制系統中的機械臂主控相連，所述力反饋裝置將操作桿控制指令通過所述地面站主機發送給所述機載電腦，所述機載電腦將所述操作桿控制指令轉換為機械臂控制信息后傳送給所述機械臂主控；

所述VR頭顯戴在操作者頭部用于接收從所述雙目相機傳回的所述無人機機體前端的第一視角信息，并收集操作者頭部的姿態信息；

所述力反饋裝置依次通過獲取力反饋操作柄和所述機械臂的映射關系、建立所述機械臂末端位置的正逆運動學解算、理論模型與實際模型的映射、機械臂角度三次多項式差值算法來控制所述機械臂關節空間的軌跡規劃；

三次多項式差值法用于計算機械臂起始點和目標點的角度，三次多項式的表達式為：

θ＝a₀t³+a₁t²+θ₁

其中θ₁和θ₂分別是機械臂起始點和目標點的角度，t_total是所設定完成從起始點到目標點的時間長度，θ是機械臂在任一時刻t的角度。

2.根據權利要求1所述的一種基于力反饋裝置和VR感知的飛行機械臂系統，其特征在于，所述VR頭顯包含視頻顯示器和頭部姿態測量模塊，所述視頻顯示器實時顯示從雙目相機傳回的無人機前端的第一視角；所述頭部姿態測量模塊包括加速度計、陀螺儀和磁力計，用于實時測量頭部姿態信息，并傳回所述機載電腦的數傳節點。

3.根據權利要求1所述的一種基于力反饋裝置和VR感知的飛行機械臂系統，其特征在于，所述機械臂末端搭載末端執行器，所述末端執行器為執行器柔性爪。

4.根據權利要求1所述的一種基于力反饋裝置和VR感知的飛行機械臂系統，其特征在于，所述雙目相機通過USB將采集的圖像傳送到所述機載電腦上，所述機載電腦運用OpenCV壓縮圖像，經過壓縮處理過后的圖像從所述機載電腦由5G WIFI傳輸到所述地面站主機的Windows環境下，所述地面站主機調用OpenCV解壓縮圖像，并調用Open GL進行渲染，所述地面站主機將解壓和渲染后的圖像傳遞至VR頭顯中。

5.根據權利要求3所述的一種基于力反饋裝置和VR感知的飛行機械臂系統，其特征在于，所述機械臂上設置舵機，所述力反饋裝置包括操作桿，所述力反饋裝置通過USB將所述操作桿的末端位置信息和末端執行器控制信息發送到所述地面站主機，所述地面站主機通過映射和逆運動求解將所述末端位置信息轉化為舵機實際轉角命令。

6.根據權利要求5所述的一種基于力反饋裝置和VR感知的飛行機械臂系統，其特征在于，所述執行器控制信息經過地面站主機轉換為末端執行器開閉狀態命令，所述舵機實際轉角命令和末端執行器開閉狀態命令基于UDP的信號傳輸協議編碼并通過5G WIFI發送至所述機載電腦，所述機載電腦通過串口將舵機實際轉角命令傳遞至所述機械臂主控用于控制所述舵機進行相應轉動。

7.根據權利要求5所述的一種基于力反饋裝置和VR感知的飛行機械臂系統，其特征在于，所述機載電腦通過串口將末端執行器開閉狀態命令傳遞至所述機械臂主控，所述機械臂主控經過I/O口并通過MOSFET驅動控制所述末端執行器。