一种空中悬停精准操控系统的制作方法

本发明是涉及飞行器设计技术领域，特别是涉及一种配置有仿生柔性机械爪装置的空中悬停精准操控系统。

背景技术：

机械手能够模仿人手和臂膀的某些功能和动作，可以用于对目标物体进行抓取、搬运和释放等操作，是一种自动化操作装置，在机械制造、物流运输、医疗器械等领域应用广泛。

但是，目前，常见的机械爪多为夹持式，通常为刚性结构且具有较为复杂的构型，一般用于抓取外部坚硬、形状规则的物体。然而，当抓取物易碎、易变形或者形状不规则时，这种刚性结构的机械爪就容易对物体造成损伤破坏，或者难以适应复杂外形，抓取效果不好。

当前无人搬运系统大都采用“无人车+机械手”技术方案，无人车作为移动平台。当前常见的无人搬运系统——“无人车+机械手”的方案存在以下局限和不足：

1)只能适应一般的平地或较小坡度的洼地，不能适应非结构化、障碍物多以及大坡度等复杂地形，环境适应性较差；

2)机械手通常为刚性机械装置，且对不规则形状的目标物难以牢固抓取，通用性受限；

3)摄像头等成像装置高度有限，成像探测视野范围受限，对目标探测识别效率较低，复杂环境条件下自主完成任务能力较弱。

技术实现要素：

针对现有无人搬运系统所存在的局限与不足，本发明提供一种空中悬停精准操控系统，其以旋翼无人机为飞行平台，在旋翼无人机上配置有仿生柔性机械爪装置和视频处理系统，以解决复杂环境下目标的识别、抓取、转运和释放等问题。其中仿生柔性机械爪装置以龙凤锦鲤的尾鳍为仿生对象，通过研究其形态结构和运动方式，按照仿生思路设计柔性机械爪，通过结构布局和步进电机驱动，形成一套完整可行的仿生柔性机械爪装置，以解决易变形、易碎和形状不规则物体的抓取、夹持及搬运问题。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种空中悬停精准操控系统，包括旋翼无人机飞行平台、仿生柔性机械爪装置和地面站；地面站与旋翼无人机飞行平台通讯连接；旋翼无人机飞行平台可实现垂直起降和定点悬停，能够搭载各种任务载荷；仿生柔性机械爪装置安装在旋翼无人机飞行平台的下方，旋翼无人机飞行平台上设置有控制仿生柔性机械爪装置的控制模块，控制仿生柔性机械爪装置实现对目标物体的抓取和释放。本发明所述旋翼无人机飞行平台如采用四旋翼无人机，可垂直起降和定点悬停。

作为本发明的优选方案，所述旋翼无人机飞行平台上设有摄像机云台，高清摄像机通过摄像机云台搭载在旋翼无人机飞行平台上。具体地摄像机云台设置在旋翼无人机飞行平台的一侧，高清摄像机通过摄像机云台搭载在旋翼无人机飞行平台的侧方。

作为本发明的优选方案，仿生柔性机械爪装置安装在旋翼无人机飞行平台的正下方。进一步地，旋翼无人机飞行平台的正下方安装有用于搭载仿生柔性机械爪装置的升降机构，仿生柔性机械爪装置刚性连接在升降机构上，旋翼无人机飞行平台控制升降机构的上升和下降，进而同步实现仿生柔性机械爪装置的上升和下降。

作为本发明的优选方案，本发明的空中悬停精准操控系统，还包括地面站，地面站与旋翼无人机飞行平台通讯连接，旋翼无人机飞行平台接收来自地面站的控制信号，用于控制旋翼无人机飞行平台的飞行状态，控制搭载有高清摄像头的摄像头云台的工作状态，控制升降还控制仿生柔性机械爪装置的工作状态。旋翼无人机飞行平台将高清摄像头拍摄到的视频图像数据通过无线传送至地面站，在地面站通过图像处理实现对目标的自动识别。同时在地面站可以设置无人机的飞行航迹，实现定点起飞、空中悬停、一键返回等功能。

作为本发明的优选方案，地面站包括遥控器和便携计算机，遥控器可以控制旋翼无人机飞行平台的飞行状态，控制搭载有高清摄像头的摄像头云台的工作状态(即控制摄像头云台的转动)，控制搭载有仿生柔性机械爪装置的升降机构的上升和下降，同时还控制仿生柔性机械爪装置的工作状态。便携计算机可以接收高清摄像头拍摄到的视频图像数据，通过图像处理实现对目标的自动识别，提高工作效率。同时在便携计算机上可以设置无人机的飞行航迹，实现定点起飞、空中悬停、一键返回等功能。

作为本发明的优选技术方案，所述仿生柔性机械爪装置，包括电机安装面、升降台面以及仿生柔性机械爪。电机安装面与升降台面相对设置，升降台面设置在电机安装面的上方，电机安装在电机安装面上，旋翼无人机飞行平台上置有控制电机工作状态的控制模块。电机的输出轴上连接有外表带螺纹联轴器，升降台面的中心设置有带螺孔的安装座，升降台面通过安装座与联轴器螺纹连接。旋翼无人机飞行平台控制电机正转时，电机的输出轴顺时针旋转，进而带动联轴器顺时针旋转，升降台面在联轴器的螺纹带动下下降。旋翼无人机飞行平台控制电机反转时，电机的输出轴逆时针旋转，进而带动联轴器逆时针旋转，升降台面在联轴器的螺纹带动下上升。升降台面的外围均匀布置有多个用于连接仿生柔性机械爪的连杆。各连杆的顶端活动连接在升降台面上，各连杆的末端分别活动连接一仿生柔性机械爪，仿生柔性机械爪的上端面靠近其外沿的位置设置有用于与连杆末端活动连接的连接座，连杆的末端与仿生柔性机械爪上的连接座活动连接。各仿生柔性机械爪的上端面内侧边沿活动安装在电机安装面的下端面上。旋翼无人机飞行平台控制电机正转，升降台面下降时，通过各连杆传动到各仿生柔性机械爪，使各仿生柔性机械爪绕其上端面内侧边沿向下运动闭合，当仿生柔性机械爪的承力面与目标物体接触时，仿生柔性机械爪可以根据目标物体的形状产生变形，形成一个包络面，完成抓取动作，从而实现稳定抓取。旋翼无人机飞行平台控制电机反转时，升降台面上升，通过各连杆传动到各仿生柔性机械爪，使各仿生柔性机械爪绕其上端面内侧边沿向上运动张开，完成释放动作。

作为本发明的优选方案，在仿生柔性机械爪装置的电机安装面上设置有多根立杆。升降台面上的对应位置均开设有供各立杆穿过的通孔。立杆的底端与电机安装面连接，立杆穿过升降台面上通孔伸出升降台面之外。立杆的设置，具有很好的导向作用，保证升降台面在升降过程中能够顺着立杆上下运动。

作为本发明的优选技术方案，仿生柔性机械爪装置还包括机械爪安装面，机械爪安装面用于将整个仿生柔性机械爪装置固定安装在旋翼无人机飞行平台上。机械爪安装面设置在升降台面上方，各立杆的顶端连接在机械爪安装面上。进一步地，所述联轴器的上端与机械爪安装面抵接，这样机械爪安装面还具有限位作用，也就是升降台面的可上升高度可取决于机械爪安装面的安装高度。同时，机械安装面、立杆的设置也使得本发明的整体性、稳定性更好。

作为本发明的优选方案，本发明的立杆数目、连杆数目均与仿生柔性机械爪相同。各立杆的底端分别固定连接在连接有仿生柔性机械爪的电机安装面的相应位置处，各仿生柔性机械爪的上端面内侧边沿与电机安装面的下端面以及各立杆的底端活动连接在一起。电机正转，升降台面下降时，通过各连杆传动到各仿生柔性机械爪，使各仿生柔性机械爪绕立杆底端沿向下运动闭合，当仿生柔性机械爪的承力面与目标物体接触时，可以根据目标物体的形状产生变形，形成一个包络面，完成抓取动作。电机反转时，升降台面上升时，通过各连杆传动到各仿生柔性机械爪，使各仿生柔性机械爪绕立杆底端向上运动张开，完成释放动作。

作为本发明的优选技术方案，所述仿生柔性机械爪采用pvc柔性材料制成。仿生柔性机械爪包括外侧面、内侧面以及上端面，外侧面、内侧面以及上端面首尾相连形成一个整体呈三角形的仿生柔性机械爪外轮廓，其中内侧面作为承力面，用于与待抓取的目标物体直接接触。外侧面作为支撑面，上端面实现与连杆、电机安装面等的活动连接。在抓取目标物体时，所有仿生柔性机械爪可以根据目标物体的形状产生变形，形成一个包络面，完成目标物体的抓取动作。进一步地，作为承力面的内侧面上均匀分布多个条状凸起，可以增加与目标物体接触时的摩擦力和包络性。内侧面与外侧面之间设置有多根鳍条，各鳍条长度不一，可以根据需要将各鳍条等间距平行设置，也可以非等间距设置。

作为本发明的优选技术方案，本发明所述仿生柔性机械爪装置上的电机为步进电机。如可选用型号为42bygh47-401a电机，驱动电压为12v，尺寸为34*42*48mm，总量为300g，步距角为1.8度，额定转矩为28kg·cm。

作为本发明的优选技术方案，本发明的仿生柔性机械爪装置的电机安装面、升降台面以及机械爪安装面均为铝合金材质。其中电机安装面和机械爪安装面均为正六边形的铝合金板。

本发明中上述旋翼无人机飞行平台和仿生柔性机械爪装置即构成一种空中悬停精准操控装置。即本发明提供一种空中悬停精准操控装置：包括旋翼无人机飞行平台和仿生柔性机械爪装置；旋翼无人机飞行平台可实现垂直起降和定点悬停，能够搭载各种任务载荷；仿生柔性机械爪装置安装在旋翼无人机飞行平台的下方，旋翼无人机飞行平台上设置有控制仿生柔性机械爪装置的控制模块，控制仿生柔性机械爪装置实现对目标物体的抓取和释放。旋翼无人机飞行平台和仿生柔性机械爪装置的其他进一步优选方案同上所述，在此不再赘述。

与现有无人搬运系统相比，本发明优点在于：

1)采用四旋翼无人机飞行平台加装仿生柔性机械爪装置，可以克服复杂地形及障碍物的通行限制；

2)仿生柔性机械爪装置能够抓取不同形状、不同硬度、不同表面光滑度的目标，且能避免碰撞导致的损坏风险；

3)结合现有图像处理和控制技术，可以实现复杂场景下目标的识别与跟踪，提高作业效率。

与现有“机械爪”相比，本发明的仿生柔性机械爪装置优点在于：

1、布局紧凑，结构简单，安装方便，成本低廉。

2、只需要单一驱动，控制简单，操作维护便利。

3、仿生柔性机械爪的承力面表面均匀分布多个条状凸起，可以增加与目标物体接触时的摩擦力和包络性，抓取稳定性高，应用灵活性强。

该装置可用于战场排爆、炸弹精准投放、班组辅助作战、高空危险作业、应急救援以及工业生产等军事和民用领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一实施例中提供的空中悬停精准操控系统的总体组成结构示意图；

图2是本发明一实施例中提供的空中悬停精准操控系统的功能结构示意图；

图3是本发明一实施例中所提供的单个仿生柔性机械爪的结构示意图；

图4是本发明一实施例中所提供的单个仿生柔性机械爪弯曲变形时的结构示意图

图5是本发明一实施例中所提供的仿生柔性机械爪装置的上视图；

图6是本发明一实施例中所提供的仿生柔性机械爪装置的正视图；

图7是本发明一实施例中所提供的仿生柔性机械爪装置的立体图；

图8是本发明一实施例中所提供的仿生柔性机械爪装置的抓取效果示意图；

图9是本发明一实施例中所提供的仿生柔性机械爪装置中的升降台面的结构示意图。

图10是本发明一实施例中所提供的仿生柔性机械爪装置中的电机安装面、机械爪安装面以及立杆的连接示意图。

图中标号：

1.0、仿生柔性机械爪装置；2.0、旋翼无人机飞行平台；3.0、高清摄像机；4.0、升降机构；5.0、升降电机；6.0、摄像机云台；

1.1、仿生柔性机械爪；1.2外侧面；1.3、内侧面；1.4、上端面；1.5、第一连接座；1.6、第一连接座；1.7、凸起；1.8、鳍条；2.1、机械爪安装面；3.1、电机安装面；4.1、升降台面；4.2、安装座；4.3、通孔；5.1、连杆；6.1、步进电机；7.1、立杆；8.1联轴器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造劳动前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

参照图1和图2，是本发明一实施例中提供的空中悬停精准操控系统。

一种空中悬停精准操控系统，包括旋翼无人机飞行平台2.0、仿生柔性机械爪装置1.0和地面站。

旋翼无人机飞行平台2.0如采用四旋翼无人机，可垂直起降和定点悬停，能够搭载各种任务载荷。其中摄像机云台6.0设置在旋翼无人机飞行平台的一侧，高清摄像机3.0通过摄像机云台6.0搭载在旋翼无人机飞行平台2.0的侧方。其余任务载荷可搭载于的旋翼无人机的下方。

仿生柔性机械爪装置1.0安装在旋翼无人机飞行平台2.0的正下方。具体步地，旋翼无人机飞行平台2.0的正下方安装有用于搭载仿生柔性机械爪装置1.0的升降机构4.0，仿生柔性机械爪装置1.0刚性连接在升降机构4.0上，旋翼无人机飞行平台2.0控制升降机构4.0的上升和下降，进而同步实现仿生柔性机械爪装置1.0的上升和下降。旋翼无人机飞行平台2.0上设置有控制仿生柔性机械爪装置1.0的控制模块，控制仿生柔性机械爪装置1.0实现对目标物体的抓取和释放。

本发明的空中悬停精准操控系统，还包括地面站，地面站与旋翼无人机飞行平台通讯连接。地面站包括遥控器和便携计算机，遥控器可以控制旋翼无人机飞行平台的飞行状态，控制搭载有高清摄像头的摄像头云台的工作状态(即控制摄像头云台的转动)，控制搭载有仿生柔性机械爪装置的升降机构的上升和下降，同时还控制仿生柔性机械爪装置的工作状态。便携计算机可以接收高清摄像头拍摄到的视频图像数据，通过图像处理实现对目标的自动识别，提高工作效率。同时在便携计算机上可以设置无人机的飞行航迹，实现定点起飞、空中悬停、一键返回等功能。

参照图2，遥控器可以向旋翼无人机飞行平台发出飞行状态控制信号控制旋翼无人机飞行平台的飞行状态。遥控器可以向旋翼无人机飞行平台发出仿生柔性机械爪装置控制信号，通过旋翼无人机飞行平台上的控制模块控制仿生柔性机械爪装置中仿生柔性机械爪对目标物体的抓取和释放。遥控器可以向摄像机云台发出云台控制信号，控制摄像机云台的转动，实现高清摄像头对目标物体的跟踪拍摄。旋翼无人机飞行平台上设置有控制模块，控制模块与升降机构中的升降电机连接(有线连接或者无线连接均可)，通过发送升降电机驱动信号，通过控制升降电机的工作，进而控制搭载在升降机构上的仿生柔性机械爪装置的上升和下降。控制模块与仿生柔性机械爪装置中的步进电机连接(有线连接或者无线连接均可)，通过发送步进电机驱动信号，进而控制仿生柔性机械爪装置中仿生柔性机械爪对目标物体的抓取和释放。

本实施例中的旋翼无人机飞行平台采用碳纤维材料，机架型号为zd680，飞控品牌为pix，起飞重量为4kg，搭载控制模块、驱动模块、高清摄像头等各种任务载荷，正下方安装升降机构和仿生柔性机械爪装置，具有良好的飞行性能和环境适应能力。

升降机构4.0可以采用多种结构形式实现，现有技术中通过伸缩管、连杆等实现伸缩的机构均可借鉴。本实施例中的升降机构包括上安装板、下安装板和升降电机。上安装板固定安装在旋翼无人机飞行平台的正下方，升降电机安装在上安装板的下方。仿生柔性机械爪装置固定安装在下安装板的下方。上、下安装板之间通过连杆机构连接，升降电机的输出轴通过中间传动机构与连杆机构连接。控制升降电机的正反转，通过中间传动机构带动连杆机构伸/缩，实现下安装板的上升和下降，进而实现安装固定在下安装板上的仿生柔性机械爪装置的上升和下降，具有较好的操纵性和稳定性。升降电机为直流电机，可采用型号为5840-555永磁直流涡轮蜗杆减速电机，驱动电压为12v，尺寸为40*58*120mm，总量为403g，减速比为500，额定转速为12rpm，额定转矩为60kg·cm。

参照图3和图4，是本发明一实施例中所提供的单个仿生柔性机械爪的结构示意图。仿生柔性机械爪1.1基于鱼鳍的形态进行设计。仿生柔性机械爪1.1采用pvc柔性材料制成。仿生柔性机械爪1.1包括外侧面1.2、内侧面1.3以及上端面1.4，外侧面1.2、内侧面1.3以及上端面1.4首尾相连形成一个整体呈三角形的仿生柔性机械爪外轮廓，其中内侧面1.3作为承力面，用于与待抓取的目标物体直接接触。外侧面1.2作为支撑面。上端面1.4实现与连杆、电机安装面等的活动连接。具体地，上端面1.4靠近其外沿的位置设置有用于与连杆末端活动连接的第一连接座1.5。上端面1.4内侧边沿设置有用于与电机安装面的下端面活动连接的第二连接座1.6。

在抓取目标物体时，所有仿生柔性机械爪1.1可以根据目标物体的形状产生变形，形成一个包络面，完成目标物体的抓取动作。作为承力面的内侧面1.3上均匀分布多个条状凸起1.7，可以增加与目标物体接触时的摩擦力和包络性。内侧面1.3与外侧面1.2之间设置有多根鳍条1.8，各鳍条1.8长度不一，可以根据需要将各鳍条等间距平行设置，也可以非等间距设置。

参照图5至图10，本发明提供一种仿生柔性机械爪装置，包括机械爪安装面2.1、电机安装面3.1、升降台面4.1、连杆5.1、步进电机6.1、立杆7.1以及仿生柔性机械爪1.1。机械爪安装面2.1用于将整个仿生柔性机械爪装置固定安装在旋翼无人机飞行平台上。本实施例中，机械爪安装面2.1上均匀分布有6个螺纹孔，用于将整个仿生柔性机械爪装置固定安装旋翼无人机飞行平台上。

仿生柔性机械爪装置的电机安装面3.1、升降台面4.1以及机械爪安装面2.1均为铝合金材质。其中电机安装面3.1和机械爪安装面2.1均为正六边形的铝合金板。本实施例中，升降台面3.1的形状为类三角形。机械爪安装面2.1、升降台面4.1、电机安装面3.1由上至下相对设置。机械爪安装面2.1设置在升降台面4.1的上方，升降台面4.1设置在电机安装面3.1的上方。

仿生柔性机械爪装置中步进电机6.1安装在电机安装面3.1的中央位置上，步进电机6.1的输出轴上连接有外表带螺纹联轴器8.1。联轴器8.1的材质可以为合金钢，形状为圆柱体，联轴器8.1的外表面设有螺纹。联轴器8.1的下端安装在步进电机6.1的输出轴上。升降台面4.1的中心设置有带螺孔的安装座4.2，升降台面4.1通过安装座4.2与联轴器螺纹连接。联轴器8.1的上端与机械爪安装面2.1抵接。

本实施例中的立杆7.1数目、连杆5.1数目均与仿生柔性机械爪1.1相同，均为三个。

升降台面4.1的外围均匀布置有三个用于连接仿生柔性机械爪的连杆7.1。连杆7.1的截面形状不限，本实施例中为长方形。各连杆7.1的顶端活动连接在升降台面4.1上，各连杆7.1的末端分别活动连接一仿生柔性机械爪1.1，仿生柔性机械爪1.1的上端面靠近其外沿的位置设置有用于与连杆末端活动连接的第一连接座1.5，连杆7.1的末端与仿生柔性机械爪1.1上的第一连接座1.5活动连接。本实施例中连杆7.1的顶端和末端均设置有通孔，用于安装销钉，分别用于与升降台面4.1、仿生柔性机械爪1.1活动铰接。仿生柔性机械爪1.1的上端面内侧边沿设置有用于与电机安装面3.1的下端面活动连接的第二连接座1.6。各仿生柔性机械爪1.1通过其上端面内侧边沿处的第二连接座1.6活动安装在电机安装面3.1的下端面上。

在电机安装面3.1上均匀设置有三根立杆7.1。立杆7.1的截面形状不限，本实施例中为长方形。升降台面4.1上的对应位置均开设有供各立杆4.1穿过的通孔4.3。各立杆4.1的底端分别固定连接在连接有仿生柔性机械爪1.1的电机安装面3.1的相应位置处，各仿生柔性机械爪1.1的上端面内侧边沿与电机安装面3.1的下端面以及各立杆7.1的底端活动连接在一起。本实施例中，各立杆7.1的底端设有通孔，可以安装销钉，用于与仿生柔性机械爪1.1活动铰接。立杆7.1穿过升降台面4.1上通孔4.3伸出升降台面4.1之外，各立杆7.1的顶端连接在机械爪安装面2.1上。立杆7.1的设置，具有很好的导向作用，保证升降台面在升降过程中能够顺着立杆上下运动。

参照图6和图7，仿生柔性机械爪装置中的步进电机6.1正转，电机的输出轴顺时针旋转，进而带动联轴器8.1顺时针旋转，升降台面4.1在联轴器8.1的螺纹带动下下降，通过各连杆5.1传动到各仿生柔性机械爪1.1，使各仿生柔性机械爪1.1绕立杆底端沿向下运动闭合，当仿生柔性机械爪的承力面与目标物体接触时，可以根据目标物体的形状产生变形，形成一个包络面，完成抓取动作。仿生柔性机械爪装置中的步进电机6.1反转时，电机的输出轴逆时针旋转，进而带动联轴器8.1逆时针旋转，升降台面4.1在联轴器8.1的螺纹带动下上升，通过各连杆5.1传动到各仿生柔性机械爪1.1，使各仿生柔性机械爪1.1绕立杆底端向上运动张开，完成释放动作。

本发明仿生柔性机械爪装置中的步进电机6.1如可选用型号为42bygh47-401a电机，驱动电压为12v，尺寸为34*42*48mm，总量为300g，步距角为1.8度，额定转矩为28kg·cm。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。