一种装备机械臂的无人机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于产品的跨界领域结合，设及一种装备超冗余机械臂的飞行器，可W将 操作范围扩展至Ξ维空间，使无人机具有异地抓取远距离投送的功能，增加无人机的扩展 能力。
【背景技术】
[0002] 随着科技社会的不断进步，无人机行业正在逐步的壮大，多旋翼飞行器由于机械 结构简单，动力系统简单，能够垂直起降等优点发展很快，一时间研究者趋之若鸯，纷纷开 始多旋翼飞行器的研究使用，全球范围内都有一股将多旋翼商业化的热潮。
[0003] 目前多旋翼无人机主要发展方向主要有编队飞行、航拍影像、定点巡航、高空检测 等方向；目前行业发展虽然比较迅速，但是也遇到了产品功能扩展的瓶颈期，主要由于无人 机缺乏对外界事物的操作能力。
[0004] 超冗余机械臂是指具有运动冗余自由度的机械臂。与普通机械臂相比，超冗余机 械臂具有更加灵活的运动特性，可W在完成上下伸展任务的同时完成机械臂旋转角度的变 换等附加任务。其应用范围十分广泛，大到深海和宇宙空间的探索，小到产品加工和家庭服 务等不同领域都可W发现其身影。由于具备冗余的自由度，即保证机械臂末端在完成所要 求任务的同时，还能根据不同的任务要求和工作环境选择不同的优化指标。 阳〇化]超冗余机械臂运动轨迹的控制和角度变换是超冗余机械臂的核屯、研究内容，而之 前的超冗余机械臂不能更好的扩展其运动轨迹及变换的角度，使之在应用上具有一定的局 限性。
【发明内容】
[0006] 本发明公开了一种装备机械臂的飞行器，拓展无人机的可操作范围，基于无人机 的操控平台，通过远程操控，使机械臂执行的灵巧操控，远程协作执行重要的任务，货物补 给、灾难响应、危险环境取样、高空维修等目前地面机器手可W操作的范围。通过在无人机 上搭载机械臂，完成在很多复杂环境如火灾现场的取样，特殊环境的远程机械手排雷，高空 维修、清洁，危险环境的远程补给。
[0007] 此外，本发明的机械臂的结构，至少具有Ξ个W上的运动冗余自由度，通过加载多 个自由度使机械臂能够实现多角度的旋转；机械臂的末端可加载多种爪机，并在该超冗余 机械臂搭载控制模块，既能够控制机械臂自身的伸展和旋转，也能够控制末端爪机的收缩 与释放，提升机械臂的适用性和实用性。通过本发明的超冗余机械臂，拓展了机械臂的可操 作范围，增加机械臂的伸缩性及变换角度，增加机械臂对末端爪机的支持，增加通信模块使 机械臂的操控更加灵活，因此具有较强的适用性、稳定性和实用性。
[0008] 本发明是基于多旋翼无人机平台一个创新性应用，可W引领众多研发机构进行无 人机的携带不同设备的的研究，有益的效果，飞行器可W通过很多地面普通方式无法到达 的地方，通过机械臂与无人机的交互，飞行器把收集到的信号传递给机械臂电控部分，基于 控制部分的快速响应，远程遥控终端的信号缓慢增益，使机械臂可w缓慢的移动到所要达 到的位置，依托于对物体的精确抓取，使异地抓取投送成为现实，可W在类似的应用上继续 扩展应用范围，对于远程投递包裹；危险环境的取样，减少人工取样的危险性。
【附图说明】
[0009] 图1:本发明的多旋翼无人机。
[0010] 图2 :本发明的安装机械臂的多旋翼无人机。 W11] 图3:本发明的机械臂。 阳01引图4 :本发明的机械爪。
【具体实施方式】
[0013] 参见图1，展示了本发明实施例的一个四旋翼无人机，图2是在该无人机的机身底 部安装了本发明的机械臂，无人机的远程控制终端发送控制信号给无人机，通过无人机将 该信号转发给机械臂的电控模块，从而可W控制该机械臂。
[0014] 参见图1，本发明的机械臂包括上臂、中臂、下臂和机械爪，所述上臂一端通过旋转 关节和中臂连接，另一端也具有旋转关节，与无人机的机身连接，所述中臂一端通过旋转关 节和上臂连接，另一端通过旋转关节和下臂连接，下臂上还具有安装机械爪的接口，可W安 装任意一种匹配该接口的机械爪。每个旋转关节都由相应的电机控制，可W进行任意角度 和方向的旋转，每个电机都由机械臂上安装的电控模块控制，从而使得该机械臂至少具有 Ξ个运动冗余自由度。所述电控模块根据控制信号，控制各个电机带动旋转关节，W及控制 机械爪上的舱机带动机械爪，从而控制机械臂的动作。
[0015] 为了使得机械臂具有更好的灵活性，本发明引入关节最佳柔顺性准则，得出用优 化算法求机械臂运动学逆解的目标函数，即：
[0016]
[0017]上式中，F(z)是机械臂逆解的目标函数，Z为所述机械臂，η是关节数目，山切是 第i个关节的目标位置，Qi。是第i个关节的当前位置。当求Qi(Z)时，Qi。是已知量。因此， 求逆解可W归结为求解目标函数F(z)最小值的优化问题。本发明使用遗传信赖域方法求 解此最优化问题，利用二次逼近，可W构造信赖域子问题为：
[0018]
[0019] S. t.I|d| |2《Δ kZke R2
[0020] 其中，qk(d)是信赖域子问题；
[OOWZk是迭代点； 阳022]gk=VF(Zk); 阳〇2引 Δ,是信赖域半径；
[0024]Gk= ▽申(Zk);即求解Gk用拟牛顿法的BFGS公式构造化ssion矩阵来近似。
[00巧]d为试探步变量；R为实数域。
[0026]通过上述目标函数的逼近，除了关节最佳柔顺性外，我们还可W得到一个机械臂 长度的优选解，即上臂、中臂、下臂的长度比例为1 · 1 :廣。
[0027] 根据本发明的一个优选实施例，本发明采用的机械爪如图2所示，机械抓取部分 采用平面四杆机构，主要由四个刚性构件低福链接组成，具有左右两个平面机构，各转接部 分安装小轴承；连架杆部分等距，使左右两个平面机构连杆运动轨迹对称，达到相对的平行 抓取；对称的两个连架杆各由一个齿轮带动，其中一个为主动齿轮依靠舱机提供旋距，一个 为从动齿轮，由主动齿轮带动；扭矩最大可提供13kg·cm,增加压力传感器安装在爪子前 端，使在抓取过程中防止受力大导致物体抓取力度变大，通过Ξ个灵活自由度的自动控制， 减少抓取过程中的外在冲击，使抓取过程中平稳。
[0028]W上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明 的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范 围之内。
【主权项】
1. 一种装备机械臂的无人机，其特征在于，包括多个旋翼、机身、远程控制终端和机械 臂； 所述机械臂安装在所述机身底部，包括上臂、中臂、下臂、机械爪和电控模块，所述上臂 一端通过旋转关节和中臂连接，另一端也具有旋转关节，与所述机身连接，所述中臂一端通 过旋转关节和上臂连接，另一端通过旋转关节和下臂连接，下臂上还具有安装机械爪的接 口，可W安装任意一种匹配该接口的机械爪。每个旋转关节都由相应的电机控制，可W进行 任意角度和方向的旋转，每个电机都由所述电控模块控制；所述电控模块根据控制信号，控 制各个电机和所述机械爪上的舱机，从而控制机械臂的动作； 所述远程控制终端发送控制信号给该无人机，通过该无人机转发给所述机械臂的所述 电控模块，从而可W远程控制所述机械臂。2. 根据权利要求1所述的无人机，其特征在于，所述电控模块遵循关节最佳柔顺性准 贝1J，控制所述机械臂的运动，该准则通过下述公式求机械臂运动学逆解，即：其中，F (Z)是机械臂逆解的目标函数，Z为所述机械臂，η是关节数目，(Z)是第i个 关节的目标位置，心是第i个关节的当前位置。3. 根据权利要求1-2任意一项所述的无人机，其特征在于，所述上臂、中臂、下臂的长 度比例为1 :I為。4. 根据权利要求1-3任意一项所述的无人机，其特征在于，所述机械爪的机械抓取部 分采用平面四杆机构，由四个刚性构件低福链接组成，各转接部分安装小轴承；所述机械爪 的连架杆部分等距，使左右两个平面机构连杆运动轨迹对称，达到相对的平行抓取；对称 的两个连架杆各由一个齿轮带动，其中一个为主动齿轮，依靠舱机提供旋距，一个为从动齿 轮，由主动齿轮带动。
【专利摘要】本发明公开了一种装备超冗余机械臂的无人机，该机械臂包括上臂、中臂、下臂、电控模块和机械爪，提供了多个自由度的操作，并且可以更换末端机械爪，满足不同行业对于无人机搭载不同功能机械臂的需求，扩展无人机对于第三方操作平台的融合，扩充了平台的品类，使目前的无人机由摄取信息资源，游戏娱乐的平台扩展到具体操作应用的第三方实施功能。
【IPC分类】B64C39/02, B64C27/08
【公开号】CN105314102
【申请号】CN201510884448
【发明人】蒋再男
【申请人】哈尔滨云控机器人科技有限公司
【公开日】2016年2月10日
【申请日】2015年12月4日