[發(fā)明專利]一種基于冗余自由度利用的旋翼飛行機械臂協(xié)調(diào)運動規(guī)劃方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310138230.3
• 申請日: 2023-02-20
• 公開（公告）號: CN116237938A
• 公開（公告）日: 2023-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 余翔;陳瑞;郭克信;李文碩;郭雷;劉錢源;王萌
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)杭州創(chuàng)新研究院
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 江亞平

本發(fā)明提出一種基于冗余自由度利用的旋翼飛行機械臂協(xié)調(diào)運動規(guī)劃方法，生成滿足運動約束并最小化系統(tǒng)質(zhì)心偏移的協(xié)調(diào)運動軌跡。首先建立機械臂的運動學(xué)模型，以及飛行機械臂的一體化運動學(xué)模型，計算對應(yīng)的雅各比矩陣。根據(jù)四旋翼無人機的欠驅(qū)動性，將雅各比矩陣分解為可控部分與不可控部分。隨后建立系統(tǒng)的質(zhì)心偏移模型，計算對應(yīng)的雅各比矩陣。利用分層二次規(guī)劃框架，以飛行機械臂末端跟蹤精度為優(yōu)化目標(biāo)，建立并求解一個二次規(guī)劃問題；在此基礎(chǔ)上，將質(zhì)心偏移量納入優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，建立并求解新的二次規(guī)劃問題，得到滿足末端目標(biāo)跟蹤性能且最小化質(zhì)心偏移的參考運動軌跡。本發(fā)明適用用于目標(biāo)捕獲、設(shè)備操作等空中作業(yè)任務(wù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于飛行機器人運動規(guī)劃領(lǐng)域，具體涉及一種基于冗余自由度利用的旋翼飛行機械臂協(xié)調(diào)運動規(guī)劃方法，適用于搭載機械臂進行主動操作任務(wù)的飛行機器人系統(tǒng)。

背景技術(shù)

近年來，一類由旋翼無人機和多自由度機械臂相結(jié)合而成的新型飛行機械臂系統(tǒng)受到了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注。相較于廣泛應(yīng)用在航拍、巡檢、測繪、植保等傳統(tǒng)行業(yè)的旋翼無人機，旋翼飛行機械臂通常面向空中操作任務(wù)，旨在利用載荷實施自主操作，實現(xiàn)與外界環(huán)境的交互，進而實現(xiàn)從“察”到“察-作”一體的性能飛躍。旋翼飛行機械臂系統(tǒng)通常具有冗余自由度特性。旋翼無人機平臺是一個六自由度剛體，當(dāng)加裝了n自由度機械臂之后，整個系統(tǒng)的自由度變成了6+n。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行抓取任務(wù)時，機械臂末端只需要消耗3個自由度即可，此時會出現(xiàn)有無數(shù)種抓取姿態(tài)可供選擇的情況。同時，機械臂的運動會造成整個系統(tǒng)在作業(yè)時的質(zhì)心偏移，進而影響系統(tǒng)的控制精度以及飛行性能。此外，飛行機械臂執(zhí)行作業(yè)任務(wù)時往往會受到運動約束，例如：無人機位置/速度約束、機械臂關(guān)節(jié)角度/角速度約束、末端位置/速度約束等。因此，為了提升系統(tǒng)的作業(yè)性能、提高作業(yè)任務(wù)的成功率，必須解決無人機平臺與機械臂關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運動規(guī)劃問題，以期實現(xiàn)在保證末端位置情況下盡可能減小質(zhì)心偏移，并且滿足各類運動約束條件。

中國發(fā)明專利CN201810477920.0提出了一種攜帶冗余自由度機械臂的飛機器人系統(tǒng)設(shè)計方法。對于冗余度機械臂運動規(guī)劃，該發(fā)明采用二次規(guī)劃進行規(guī)劃方案設(shè)計，但存在兩個缺點：(1)未考慮無人機平臺與機械臂的一體化運動規(guī)劃。(2)二次規(guī)劃的優(yōu)化目標(biāo)只選擇了末端位姿，而未考慮調(diào)節(jié)質(zhì)心偏移等其他優(yōu)化目標(biāo)。中國發(fā)明專利CN201810094313.6提出了一種基于動態(tài)重心補償?shù)男盹w行機械臂系統(tǒng)及算法，通過建立質(zhì)心偏移計算模型，在控制系統(tǒng)中將質(zhì)心偏移量進行提前補償。但該發(fā)明未考慮在運動規(guī)劃層盡可能減小質(zhì)心偏移，保守性較強。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)發(fā)明中存在的問題，本發(fā)明提出一種基于冗余自由度利用的旋翼飛行機械臂協(xié)調(diào)運動規(guī)劃方法，即考慮了無人機平臺與機械臂的軌跡協(xié)調(diào)，同時也從規(guī)劃層面滿足各類任務(wù)的約束條件、最大程度地減小系統(tǒng)的質(zhì)心偏移。

為達到上述目的，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案：

一種基于冗余自由度利用的旋翼飛行機械臂協(xié)調(diào)運動規(guī)劃方法，包括以下步驟：

第一步、根據(jù)旋量理論與指數(shù)積公式，建立機械臂的運動學(xué)模型；

第二步、建立飛行機械臂的一體化運動學(xué)模型，計算相應(yīng)的雅各比矩陣，將運動學(xué)模型分解為可控部分與不可控部分；

第三步、建立飛行機械臂的水平方向質(zhì)心偏移模型，推導(dǎo)與質(zhì)心偏移變化率對應(yīng)的雅各比矩陣；

第四步、將機械臂末端軌跡跟蹤精度與質(zhì)心偏移量同時作為優(yōu)化目標(biāo)，建立并求解分層二次規(guī)劃問題模型，得到滿足末端目標(biāo)跟蹤性能且最小化質(zhì)心偏移的飛行機械臂運動軌跡。

進一步地，所述第一步包括：

定義當(dāng)機械臂位于初始位姿時，機械臂第i關(guān)節(jié)的運動旋量ξ_i：