[發明專利]轉動式并聯型飛行機械臂系統及期望轉角解算方法

有效

• 申請號: 202010589808.3
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111687821B
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發明（設計）人: 李湛;劉金輝;楊學博;高會軍
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;B25J9/16;B64C1/00;B64C27/08;B64F5/00
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識產權代理有限公司 23213
• 代理人: 岳昕

1.一種轉動式并聯型飛行機械臂系統的期望轉角解算方法，基于轉動式并聯型飛行機械臂系統實現，所述飛行機械臂系統包括四旋翼飛行器、并聯機械臂機構、集控模塊(3)和執行機構(15)，

所述四旋翼飛行器下表面中心位置安裝集控模塊(3)；并聯機械臂機構的首端連接四旋翼飛行器，末端與執行機構(15)可拆卸連接；

所述并聯機械臂機構具有六自由度可轉動結構，帶動執行機構(15)以期望的位姿到達任務點；

所述四旋翼飛行器包括螺旋槳(1)、無刷電機(2)、機臂(4)和旋翼機底盤(5)，

所述機臂(4)為四根，連接成十字結構；每個機臂(4)的末端上表面固定一個無刷電機(2)，每個無刷電機(2)的輸出軸上安裝一個螺旋槳(1)；十字結構連接的四根機臂(4)居中固定在旋翼機底盤(5)的上表面；旋翼機底盤(5)的下表面中心位置安裝集控模塊(3)；所述旋翼機底盤(5)呈正六邊形結構；

所述并聯機械臂機構包括支撐柱(6)、并聯機械臂定平臺(7)、直流伺服電機(8)、兩自由度連接機構(9)、電機搖臂(10)、連桿(11)、三自由度連接機構(12)和并聯機械臂動平臺(13)，

所述并聯機械臂定平臺(7)呈正六邊形結構，與旋翼機底盤(5)大小相同，并且同軸配置；并聯機械臂定平臺(7)與旋翼機底盤(5)之間通過均勻分布的六個支撐柱(6)連接；

所述并聯機械臂定平臺(7)對應于每條邊的位置各設置一臺直流伺服電機(8)，每臺直流伺服電機(8)的轉動平面垂直于并聯機械臂定平臺(7)的對應邊；每臺直流伺服電機(8)的輸出軸套接在一個電機搖臂(10)的凸起端內，電機搖臂(10)的末端通過兩自由度連接機構(9)連接一根連桿(11)的首端，每個連桿(11)的末端通過一個三自由度連接機構(12)與并聯機械臂動平臺(13)連接；六個三自由度連接機構(12)與并聯機械臂動平臺(13)的連接點共圓；

所述并聯機械臂定平臺(7)對應于每條邊的位置設置一個缺口，在直流伺服電機(8)的帶動下，每個所述電機搖臂(10)帶動對應的兩自由度連接機構(9)從一個所述缺口穿過，從而帶動執行機構(15)改變位姿；

所述缺口包括矩形缺口；每個矩形缺口與并聯機械臂定平臺(7)的相應邊垂直；

所述直流伺服電機(8)處于并聯機械臂定平臺(7)對應邊與矩形缺口長邊的夾角之內，并靠近并聯機械臂定平臺(7)對應邊的邊緣；

相鄰矩形缺口在并聯機械臂定平臺(7)旋轉60度后相互重合；

所述兩自由度連接機構(9)和三自由度連接機構(12)的結構相同，均包括公鉸鏈(16)、十字軸(17)和母鉸鏈(18)；十字軸(17)的一個軸與公鉸鏈(16)轉動連接，十字軸(17)的另一個軸與母鉸鏈(18)轉動連接；

所述兩自由度連接機構(9)中，公鉸鏈(16)固定于電機搖臂(10)末端凹陷孔內，使公鉸鏈(16)不可旋轉；母鉸鏈(18)連接連桿(11)的首端；

所述三自由度連接機構(12)中，母鉸鏈(18)與連桿(11)的末端連接，公鉸鏈(16)設置在并聯機械臂動平臺(13)上對應設置的貫穿孔內，與并聯機械臂動平臺(13)轉動連接；

所述集控模塊(3)包括旋翼機集成模塊和并聯機械臂控制模塊；

所述旋翼機集成模塊包括電源模塊、傳感器模塊和飛行控制器模塊，電源模塊用于為四旋翼飛行器提供工作電源，傳感器模塊用于實時獲取四旋翼飛行器的運動狀態，飛行控制器模塊用于根據飛行器控制信號或飛行器期望軌跡控制四旋翼飛行器的運行；

所述并聯機械臂控制模塊包括電源、主控板和信號收發裝置，其中電源用于為并聯機械臂機構提供工作電源，主控板用于根據機械臂控制信號或機械臂末端期望軌跡控制并聯機械臂機構末端的位姿，并通過信號收發裝置與地面站交互；

所述并聯機械臂機構還包括末端傳感器模塊，所述末端傳感器模塊固定于并聯機械臂動平臺(13)的中心，用于實時獲取并聯機械臂機構末端當前運動狀態；

所述執行機構(15)包括執行手爪或航拍相機；

當所述執行機構(15)為執行手爪時，執行手爪通過舵機(14)驅動；

其特征在于，所述解算方法包括：

步驟一：獲取四旋翼飛行器的運動狀態及并聯機械臂機構末端當前運動狀態，并計算獲得四旋翼飛行器的旋轉矩陣；

步驟二：飛行控制器模塊結合所述當前運動狀態控制四旋翼飛行器到達任務點預定范圍內；

步驟三：地面站根據作業要求，規劃機械臂末端期望軌跡，并通過信號收發裝置發送至主控板；

步驟四：根據向量關系，建立并聯機械臂機構的逆運動學模型，將機械臂末端期望軌跡中當前任務點所需機械臂末端位姿轉化為直流伺服電機(8)電機軸上等效旋轉點與并聯機械臂動平臺(13)連接點之間的虛擬桿長；

步驟五：將所述虛擬桿長解算為直流伺服電機(8)的期望旋轉角度；

步驟六：并聯機械臂控制模塊控制相應的直流伺服電機(8)轉動至期望旋轉角度，同時控制執行機構(15)動作。