一种陆空两用作业型飞行机器人论文和设计-楚红雨

全文摘要

本实用新型公开了一种陆空两用作业型飞行机器人，包括飞行机器人、机械臂、运动平台；其中，所述的飞行机器人的机身包含旋翼和动力装置；所述的飞行机器人机身安装在运动平台上面；所述的机械臂包含夹持器和3个关节，1号关节上方与作业型飞行机器人连接，1号关节下方与2号关节上方连接，2号关节下方与3号关节上方连接，3号关节下方与夹持器连接；所述的机械臂后端安装于飞行机器人机身下方；所述的旋翼数量为多个；所述的旋翼数量与动力装置数量一一对应；所述的旋翼沿飞行机器人机身周围均匀分布；所述的陆空两用作业型飞行机器人通过地面站设置任务。通过动力装置、运动平台和机械臂，本实用新型具有空中快速运动，陆地精确移动的特点，并且通过机载的机械臂实现作业任务。

主设计要求

1.一种陆空两用作业型飞行机器人，包括飞行机器人机身、旋翼、动力装置、机械臂、机械爪、运动平台；其中，所述的飞行机器人安装在运动平台上面；所述的机械臂安装于飞行机器人机身下方；所述的旋翼一端与飞行机器人机身连接，另一端与动力装置连接；飞行机器人机身搭载计算控制单元；所述的旋翼数量为6个；所述的机械臂为3自由度；所述的旋翼数量与动力装置数量一一对应；所述的旋翼沿飞行机器人机身周围呈均匀分布。

设计方案

2.根据权利要求1所述的陆空两用作业型飞行机器人，其特征在于，所述的机械臂由连杆和末端执行机构组成，机械臂的连杆由1号、2号、3号连杆依此连接构成，1号连杆的上方与飞行机器人底部固定连接，1号连杆的末端连接双输出步进电机，通过该双输出步进电机与2号连杆的上部连接，2号电机的末端连接一个单输出的步进电机，然后通过该电机与3号连杆的顶部连接，1、2、3号连杆的旋转角度为0-90°，三号连杆的末端通过一个舵机与末端执行机构连接。

3.根据权利要求1所述的陆空两用作业型飞行机器人，其特征在于，所述的飞行机器人结构包含：飞行控制系统、电源控制系统、电源、无刷电机、电子调速器以及用于位姿解算的AHRS模块和视觉捕获系统，AHRS模块包括：三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计、全球定位模块、气压计和超声波单元，AHRS模块与飞行控制系统连接，计算出飞行机器人的空间位姿，反馈给飞行控制系统，飞行控制系统输出PWM波到电子调速器，电子调速器将实时控制电机的转速来控制陆空两用作业型飞行机器人的位姿，电源控制系统将电池电量合理的分配给飞行机器人、机械臂和运动平台，视觉捕获系统可以识别并追踪待抓取的物体，引导机械臂进行抓取作业。

4.根据权利要求2所述的陆空两用作业型飞行机器人，其特征在于，所述的末端执行机构由仿真手指气缸组成，仿真手指由三个软管构成，通过末端执行机构内部的气缸，可以驱动三个软管进行抓取和释放，与末端执行机构连接的舵机可以控制该机构进行旋转操作。

5.根据权利要求1所述的陆空两用作业型飞行机器人，其特征在于，所述的运动平台包括两个闭环直流电机和两个驱动轮、电机驱动器、一个万向轮和一个方形平台，两个驱动轮分别与两个直流电机装配组成动力部分，然后连接到方形平台下方，万向轮安装在方形平台下方，两个电机与万向轮呈三角形排布，电机驱动器驱动端与闭环电机连接，供电端由电源控制系统提供电源，多旋翼无人机的脚架固定在方形平台的上方，电机控制信号由飞行控制系统发布。

6.根据权利要求3所述的陆空两用作业型飞行机器人，其特征在于，所述的全球定位模块使用UBLOX M8N GPS模块，气压计使用MS5611芯片，超声波使用KS103模块，电源使用容量为4S的锂电池，三轴加速度计使用LIS2DW12TR芯片，三轴陀螺仪使用FXAS21002C芯片，三轴磁力计使用GY-MAG3110芯片，飞行控制系统的主控芯片使用STM32F429VGT6。

7.根据权利要求5中所述的陆空两用作业型飞行机器人，其特征在于，所述的方形平台由碳纤维材料构成，为了减轻重量和简化结构，方形平台为菱形，三角形镂空，所述的菱形、三角形镂空结构以方形平台的中轴线对称排列，菱形、三角形一一对应，菱形和三角形交错排列于方形平台上。

设计说明书

技术领域

本发明涉及一种飞行器，具体涉及带有机械臂和运动平台的作业型飞行器。

背景技术

多旋翼无人机是一种不搭载操作人员、通过桨叶驱动可以多次使用的飞行器。随着微电子技术、微机电技术、导航定位技术以及通信技术的不断发展，多旋翼无人机的作用逐渐获得人们的重视，在执行危险任务等特殊环境下发挥了越来越重要的作用。

目前市场上的多旋翼无人机主要应用在拍摄和监控方面。即控制飞行器在空中对特定区域进行被动式侦测，但无法对所侦测的目标进行主动操作。传统多旋翼无人机只能在空中飞行，降落后无法在地面行进，降低了多旋翼无人机的应用范围，所以开发和研究具有作业能力的主动操作型飞行机器人具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种陆空两用的作业型飞行机器人。解决了飞行机器人不仅可以在空中快速机动，还能在陆地上灵活行动，通过搭载的机械手臂，还能对被侦测的环境实施主动的影响。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为:包括飞行机器人、机械臂、运动平台三大部分。所述的飞行机器人包括机身结构和控制系统。其中所述的飞行机器人结构包括：六个旋臂、六个直流无刷电机和对应的电子调速器、六个螺旋桨和一个机身。机身周围均匀分布六个旋臂，每个旋臂的长度相等。旋臂的末端安装有六个电机座，每个电机座上方对应一个直流无刷电机。每个直流无刷电机上安装一个螺旋桨，每个直流无刷电机连接一个电子调速器。直流无刷电机高速运动的同时带动螺旋桨产生升力，作为陆空两用作业型飞行机器人在空中快速机动的动力来源。通过控制六个电机不同的转速组合，可以在空间中实现不同运动。

上述的飞行机器人包括：飞行控制系统、电源控制系统。飞行控制系统包含：气压计、视觉捕获模块、全球定位模块、三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计构成的AHRS位姿测量单元。数据传输模块和AHRS位姿测量单元通过内部IIC总线与主控制器进行数据通信，其中三轴加速度计可以测量陆空两用作业型飞行机器人在地理坐标系下的加速度，三轴陀螺仪可以测量其三个轴的旋转角速度，三轴磁力计可以测量其在机体坐标系下的三个轴方向上的地球磁场强度。获得九个轴的测量数据之后，在主控制器内部使用四元数算法进行姿态解算，从而获得陆空两用作业型飞行机器人的俯仰、横滚、偏航三个姿态角度。气压计连接主控制器可以获得机器人所在位置大气压，进而计算出机器人的飞行绝对高度。视觉捕获单元通过高清摄像头获得视野信息，然后提取视野中物体的轮廓进行目标匹配并得到目标物体的平面坐标，将该坐标反馈到机械臂控制系统引导机械臂动态抓取。全球定位模块与主控制器进行通信，可以获得机器人的经纬度信息和高度信息，通过所获得经纬度和高度信息可以对陆空两用作业型飞行机器人进行定位。然后利用气压计高度信息对GPS的高度信息进行补偿，使得测量出的陆空两用作业型飞行机器人高度信息更加准确。

上述获得的姿态信息和全球位置信息通过主控制器融合处理，通过主控制器的引脚输出六路PWM波信号到电子调速器，电子调速器接收到PWM波信号之后控制六路转子电机的转速。从而为陆空两用作业型飞行机器人提供空中飞行动力和姿态改变的动力。所述的全球定位系统使用UBLOX M8N GPS模块，气压计使用MS5611芯片，三轴加速度计使用LIS2DW12TR芯片，三轴陀螺仪使用FXAS21002C芯片，三轴磁力计使用GY-MAG3110芯片，飞行控制系统的主控制器使用STM32F429VGT6。

电源控制系统为机械臂电源系统、运动平台电源系统、飞行机器人电源系统进行合理供电分配，为不相同的电源系统提供相对应的电压值，并将各系统进行隔离，防止飞行控制系统的供电受到其他电源系统的影响，进而导致机器人控制系统运行不正常，使陆空两用作业型飞行机器人失去控制。

上述机械臂由连杆和末端执行机构构成，连杆分为1、2、3号连杆，其中1号连杆一端与飞行机器人底部连接，另一端与双输出步进电机连接，1号连杆的转动角度为0-90°。2号连杆一端与1号连杆连接的双输出步进电机连接，另一端连接一个单输出步进电机，2号连杆的转动角度为0-90°。3号连杆一段与末端执行机构连接，另一端与2号电机的单输出步进电机连接。末端执行机构由仿真手指气缸组成，仿真手指由三个软管构成，末端执行机构内部的气缸可以驱动三个软管进行抓取和释放。控制机械臂进行抓取的具体步骤分为四个部分:

A1、由旋转角度和机械臂连杆长度来定义机械臂执行机构在三维空间中的坐标系：

式中，设计图

一种陆空两用作业型飞行机器人论文和设计

一种陆空两用作业型飞行机器人论文和设计-楚红雨

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

相关信息详情

猜你喜欢