面向阀门旋拧的双臂作业型飞行机器人系统及方法与设计方案

本技术提出了一种面向阀门旋拧的双臂作业型飞行机器人系统及方法，作业型飞行机器人系统由非共线的倾斜六旋翼飞行器、作业装置和主端人机接口装置组成，其中作业装置包括一对二自由度机械臂及机械手组成；主端人机接口装置包括PC机和力反馈手控器；包括如下步骤：构建系统实施平台，所述系统实施平台由非共线的倾斜六旋翼飞行器、作业装置和主端人机接口装置组成；建立作业型飞行机器人系统的运动学和动力学模型；操作员通过主端人机接口装置远程控制进行旋拧阀门作业，建立主端力反馈人机接口设备的动力学模型。本技术解决了传统多旋翼无人机的欠驱动问题，系统的容错性和稳定性大大提高，且融合了视觉反馈与力觉反馈，提高了阀门旋拧作业的效率。

权利要求书

1.一种面向阀门旋拧的双臂作业型飞行机器人系统，其特征在于：包括非共线的倾斜式六旋翼飞行器、作业装置和主端人机接口装置；所述的非共线倾斜式六旋翼飞行器包括六旋翼中心架(1)、飞行控制器(2)、倾斜机构(3)和摄像头(4)；所述倾斜机构包括六旋翼机架(3-1)、无刷电机倾斜底座(3-2)、无刷电机(3-4)和螺旋桨(3-3)；所述作业装置包括一个或多个机械关节、一个或多个用于连接和驱动连杆的舵机以及末端用于夹住物体的机械手(5-6)；所述主端人机接口装置包括PC机(6)和力反馈手控器(7)；所述的力反馈手控器(7)具有三个位置自由度、三个关节自由度和一对按键；其中三个位置自由度能够控制飞行机器人的运动，包括上下运动、前后运动、左右运动；关节自由度用于控制机械臂关节转动，按键用于控制机械手(5-6)的张合；力反馈手控器(7)输出信息给PC机(6)，PC机(6)再与飞行机器人通讯传送控制信号；所述的摄像头(4)将实时图像传送给PC机(6)，操作员根据接收到的视觉反馈在线决策，

操作员通过主端人机接口设备远程操控从端的飞行器作业系统执行阀门(8)旋拧任务，力反馈再通过手控器返回给操作员。

2.根据权利要求1所述的面向阀门旋拧的双臂作业型飞行机器人系统，其特征在于：所述的机械手(5-6)内壁附着弧形形状的海绵体。

3.根据权利要求1所述的面向阀门旋拧的双臂作业型飞行机器人系统，其特征在于：六旋翼飞行器中心架采用碳纤维材料制成。

4.根据权利要求1所述的面向阀门旋拧的双臂作业型飞行机器人系统，其特征在于：所述的作业装置采用合成树脂3D打印加工而成。

5.一种面向阀门旋拧的双臂作业型飞行机器人系统的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：构建如权利要求1中所述的系统实施平台；

步骤二：根据六旋翼飞行器的螺旋桨倾斜角度α、β，建立携带双臂的倾斜式六旋翼飞行器作业系统的运动学和动力学模型；

步骤三：操作员通过力反馈手控器远程控制作业装置进行旋拧阀门作业，建立主端力反馈人机接口设备的动力学模型。

6.根据权利要求5所述的一种面向阀门旋拧的双臂作业型飞行机器人系统的设计方法，其特征在于，步骤一中，构建系统实施平台，包括如下步骤：

步骤1.1：假设螺旋桨的旋转中心与倾斜机构的质心相重合，以第i个螺旋桨的旋转中心为原点，建立螺旋桨坐标系{Oi}，其中i表示螺旋桨的序号，i＝{1,2,3,4,5,6}。Li表示螺旋桨旋转中心到六旋翼飞行器质心之间的距离，为了保证六个螺旋桨的中心位于一个平面上，我们设置Rz()表示围绕Z轴的旋转矩阵，e1＝[1,0,0]；

步骤1.2：αi表示第i个螺旋桨相对于轴Xi的倾斜角，βi表示第i个螺旋桨相对于轴yi的倾斜角。

7.根据权利要求5所述的一种面向阀门旋拧的双臂作业型飞行机器人系统的设计方法，其特征在于，步骤二中，建立携带双臂的倾斜式六旋翼飞行器作业系统的运动学和动力学模型，包括如下步骤：

步骤2.1：假设六旋翼飞行器、机械臂都是刚体，忽略其弹性形变，且质量分布均匀，对相关坐标系做如下定义：固连在地面上的基坐标系{OW}为世界惯性坐标系，包括XW、yW、ZW三个基准轴；{Ob}为机体坐标系，以六旋翼飞行机器人的重心为原点，包括Xb、yb、Zb 三个基准轴；{Oe}为机械臂末端坐标系，包括Xe、ye、Ze三个基准轴；

步骤2.2：令P＝[x,y,z]T表示机体坐标系{Ob}的原点在世界惯性坐标系{OW}中的位置矢量，Ω＝[p,q,r]T表示机体坐标系{Ob}相对于世界惯性坐标系{OW}的角速度，Φ＝[φ,θ,ψ]T表示机体坐标系{Ob}在世界惯性坐标系{OW}中用欧拉角表示的姿态向量，其中，Φ是绕Xb轴的横滚角，θ是绕yb轴的俯仰角，Ψ是绕Zb轴的偏航角，坐标系{Ob}到坐标系{OW}的旋转矩阵Rbw可以表示为：

Rbw＝R(x,φ)R(y,θ)R(z,ψ)

步骤2.3：对于二自由度的机械臂，表示机械臂末端坐标系{Oe}的原点在世界惯性坐标系{Ow}中的位置矢量和姿态矢量分别为Pew和Φew，其与六旋翼飞行机器人的位置和姿态有如下关系：

Pew＝P+PebRbw

Φew＝ΦebRbw

其中，Peb和Φeb分别为机械臂末端在机体坐标系{Ob}的位置和姿态；

步骤2.4：将飞行机器人和机械臂二者间的耦合当作外部扰动，对复合系统静态情况下的动

力学进行建模分析，采用牛顿-欧拉动力学方程构建复合系统动力学方程：

其中，m表示复合系统的质量，G＝[0,0,-mg]T表示复合系统的重力矢量，U＝

[f1,f2,f3,f4,f5,f6]T表示螺旋桨产生的升力大小矩阵，Im表示复合系统重心处的惯性张量，向量rG＝[xG,yG,zG]T表示复合系统的重心在机体坐标系{Ob}中的偏移，Fb(α,β)表示桨叶作用于复合系统上的推动力矢量，τAM(α,β)为作用于复合系统的输入扭矩，包括电机推力和与电机旋转方向相反的反作用力产生的扭矩两部分，Fenv为复合系统与外部环境的交互

力，τFenv为复合系统与外部环境的交互力矩。

8.根据权利要求5所述的一种面向阀门旋拧的双臂作业型飞行机器人系统的设计方法，其特征在于，步骤三中，操作员通过力反馈手控器远程控制作业装置进行旋拧阀门作业，建立主端力反馈人机接口设备的动力学模型，包括如下步骤：

步骤3.1：利用力反馈手控器作为遥操作控制系统的主端设备，所述的力反馈手控器具有三个位置自由度、三个关节自由度和一对按键；其中三个位置自由度能够控制飞行机器人的运动，包括上下运动、前后运动、左右运动，三个关节自由度能够控制机械臂关节的转动，按键能够控制机械手的张合；手控器输出信息给PC机，PC机再与飞行机器人通讯传送控制信号；

步骤3.2：摄像头将实时图像传送给PC机，操作员根据接收到的视觉反馈在线决策，操作员通过主端人机接口设备远程操控从端的飞行器作业系统执行阀门旋拧任务，力反馈再通过手控器返回给操作员；主端力反馈人机接口设备可视为一个完全驱动的常规机械系统，经过重力补偿的动力学模型可以简化为：

其中，q∈R3是力反馈人机接口设备末端执行器的位置，Mm∈R3×3是惯性矩阵，fh∈R3是操作员施加于力反馈人机接口设备上的力，fc∈R3是主端本地控制力。