阅读说明：本技术 一种四旋翼并联采集机器人 (Four-rotor parallel acquisition robot ) 是由 于阳 徐振邦 张洪鑫 于 2020-06-28 设计创作，主要内容包括：一种四旋翼并联采集机器人,属于空中机器人领域,包括四旋翼飞行机构；安装在四旋翼飞行机构上端的巡视相机；安装在四旋翼飞行机构下端的三自由度并联机构；安装在三自由度并联机构下端的抓取采集机构；安装在抓取采集机构下端的抓捕相机。通过三自由度并联机构使得抓取采集机构可以准确地到达目标上方,准备实施抓取动作。通过抓取采集机构能够对各种不同形状的目标实施抓取,实现目标的抓取任务。本发明同时具备飞行与抓取采集的功能,可根据目标位置相应调整抓取采集机构的位置,能够在高原复杂恶劣的环境下执行无人化目标抓取采集任务,适用于科考人员在复杂恶劣环境下的目标采集,方便了科考人员的采集工作。(A four-rotor parallel acquisition robot belongs to the field of aerial robots and comprises a four-rotor flight mechanism; the inspection camera is arranged at the upper end of the four-rotor flight mechanism; the three-degree-of-freedom parallel mechanism is arranged at the lower end of the four-rotor flight mechanism; the grabbing acquisition mechanism is arranged at the lower end of the three-degree-of-freedom parallel mechanism; and the capture camera is arranged at the lower end of the capture acquisition mechanism. The grabbing acquisition mechanism can accurately reach the position above the target through the three-degree-of-freedom parallel mechanism, and the grabbing action is prepared to be implemented. The grabbing acquisition mechanism can grab targets in different shapes, and the grabbing task of the targets is realized. The unmanned aerial vehicle has the functions of flying and grabbing acquisition, the position of the grabbing acquisition mechanism can be correspondingly adjusted according to the target position, the unmanned target grabbing acquisition task can be executed in the complicated and severe environment of the plateau, the unmanned aerial vehicle is suitable for target acquisition of scientific researchers in the complicated and severe environment, and the acquisition work of the scientific researchers is facilitated.)

一种四旋翼并联采集机器人

技术领域

本发明属于空中机器人技术领域，特别涉及一种四旋翼并联采集机器人。

背景技术

高原科考是一项艰巨的工作，尤其在面对一些复杂地形时，单纯地依靠人力很难完成科考任务而使得科考人员无功而返，这既是对人员精力的损耗，也可能是与一次有价值的科考的擦肩而过。随着当今科技的高速发展，无人机探测已经变得十分普遍，可以探测人类所不能到达的危险地形。但目前的无人机仅能实现传递图像、侦察地形的目的，仍无法为科考人员的地质采样提供有效帮助，因此需要新的、具有综合性能的机器人来解决这一技术难题。

利用无人机携带机械手抓执行抓取任务，最常用的是采用串联机械手的形式，例如公开号为20190202554A1的美国专利公开了一种用于飞机的地面操纵系统及方法，其采用串联机构实现抓取任务，串联机构通过运动副依次连接而成，属于开环机构，该串联机构具有较大的运动空间和较高的灵活度，但也有明显的缺点，即运动副的累积误差能够降低末端执行器的精度，“悬臂”机构刚度低，惯性大，动力学性能严重不足。

相对于串联机构而言，并联机构是一种闭环结构，其动、定平台通过至少两个独立的运动链连接。与串联机构相比，并联机构具有结构紧凑、精度高、刚度优、动力学性能好等优点。基于此优点，Clavel博士最早提出了可实现空间三自由度移动的Delta并联机器人，其具有高速稳定运动的特点，广泛应用于工业、食品包装生产线的快速分拣操作。公开号为20180134387A1的美国专利将无人机与Delta机器人结合在一起实现复杂环境的操作任务。然而，该专利并没有提高抓取功能以及无人机悬停过程中的抖动问题。

综述，设计研发一种可靠性高、性能优异的四旋翼并联采集机器人将是机器人领域关注的热点问题。

发明内容

本发明针对现有无人机串联机构和现有的并联机构存在的不足，提出了一种结构紧凑、运动灵活、稳定性强的四旋翼并联采集机器人。

本发明为解决技术问题所采用的方案如下：

本发明的一种四旋翼并联采集机器人，包括：

四旋翼飞行机构；

安装在四旋翼飞行机构上端的巡视相机；

安装在四旋翼飞行机构下端的三自由度并联机构；

安装在三自由度并联机构下端的抓取采集机构；

安装在抓取采集机构下端的抓捕相机。

进一步的，所述四旋翼飞行机构包括：信号天线、螺旋桨叶片、无刷电机、电机安装座、四个旋翼支撑管、飞行机构控制系统、无刷电机驱动器、飞行机构主体和三个支撑杆；三个支撑杆分别安装在飞行机构主体下端的三个支角处，三个支撑杆以120度夹角均匀分布在飞行机构主体下端的三个支角处；四个旋翼支撑管分别安装在飞行机构主体上端的四个支角处，四个旋翼支撑管以90度夹角均匀分布在飞行机构主体上端的四个支角处；在每个旋翼支撑管端部均安装有一个电机安装座，每个电机安装座上均安装有一个无刷电机，每个无刷电机上均安装有两个螺旋桨叶片；信号天线和飞行机构控制系统均固定在飞行机构主体上端面上；信号天线与飞行机构控制系统电连接；每个无刷电机均与飞行机构控制系统相连；通过飞行机构控制系统控制无刷电机运行，通过无刷电机驱动螺旋桨叶片旋转，实现空中飞行。

进一步的，所述巡视相机安装在飞行机构主体上。

进一步的，所述三自由度并联机构包括：定平台、三个驱动电机、三个驱动摇臂、球铰链、中间连杆、从动摇杆、拉伸弹簧和动平台和并联机构控制系统；定平台中间设置有通孔；动平台中间设置有通孔；定平台与飞行机构主体下端相连；三个驱动电机分别安装在定平台的三个支角处；三个驱动电机以120度夹角均匀分布在定平台的三个支角处；三个驱动摇臂与三个驱动电机一一对应安装；驱动摇臂上端为叉形结构，叉形结构的两边分别与驱动电机两端的输出轴相连；驱动摇臂下端通过球铰链和中间连杆分别与两个从动摇杆相连；从动摇杆下端通过球铰链与动平台相连；每组从动摇杆下端均通过一个拉伸弹簧相连；每个驱动电机均与并联机构控制系统电连接，通过并联机构控制系统控制驱动电机运行，实现空间三自由度的移动。

进一步的，所述抓取采集机构包括：电机、电机安装座、滚轮、腱绳、基法兰、驱动杆、压缩弹簧、抓手单关节、线绳、线绳拉销、动法兰和三半球手抓；电机安装座与飞行机构主体固连，电机固定在电机安装座上，滚轮与电机的输出轴相连；基法兰与三自由度并联机构的动平台固连；腱绳伸入定平台和动平台中间通孔中；腱绳上端缠绕在滚轮上，腱绳下端固定在基法兰上，基法兰通过三组转动副连接到三半球手抓；三组转动副相对于基法兰的中心呈圆周对称布置，相邻两组转动副之间的夹角均为120度；每组转动副均由驱动杆、抓手单关节组成；三个驱动杆上端均通过转轴与基法兰的三个角相连；抓手单关节为弧形结构，中间为通孔；驱动杆下端通过转轴与抓手单关节中间弯折位置相连；

基法兰与动法兰之间通过压缩弹簧相连；三个抓手单关节一端均通过转轴与动法兰的三个角相连；三个抓手单关节另一端分别与三半球手抓的三个部分相连；压缩弹簧的回复力能够将基法兰和动法兰分离，从而带动三半球手抓张开；基法兰与动法兰之间连接有三根线绳，相邻两根线绳之间的夹角为120度，线绳上端固定在基法兰下表面，线绳下端通过线绳拉销安装在动法兰上，通过三根线绳能够保证三半球手抓最大张开角度；通过电机驱动滚轮转动，带动滚轮缠绕腱绳进而驱动三半球手抓的开合。

进一步的，所述抓捕相机安装在动法兰下表面，且抓捕相机位于三半球手抓中。

本发明的有益效果是：

1、本发明所设计的三自由度并联机构，可实现欧几里得空间中x，y，z方向的移动，使得抓取采集机构可以准确地到达目标上方，准备实施抓取动作。同时，三自由度并联机构能够实现在无人机悬停时进行小范围内运动，能够实现空间三自由度平移，能够补偿由于飞行悬停抖动产生的位置偏差。

2、本发明所设计的抓取采集机构为一种三半球手抓线绳驱动机构，具有开合功能，能够对各种不同形状的目标实施抓取，实现目标的抓取任务。

3、本发明同时具备飞行与抓取采集的功能，可根据目标位置相应调整抓取采集机构的位置，能够在高原复杂恶劣的环境下执行无人化目标抓取采集任务，适用于科考人员在复杂恶劣环境下的目标采集，方便了科考人员的采集工作。

4、本发明通过控制系统在远端发射信号控制机器人的飞行，同时控制四自由度并联机构的定位以及抓取采集机构的抓取动作。

5、本发明采用上、中、下三段式结构进行组装，具有便于装拆，结构紧凑、小巧，运动灵活，稳定性强，易于携带的优点，具有广阔的科研和应用前景。

附图说明

图1为本发明的一种四旋翼并联采集机器人的结构示意图。

图2为四旋翼飞行机构的结构示意图。

图3为三自由度并联机构的结构示意图。

图4为抓取采集机构的结构示意图。

图5为四旋翼飞行机构和三自由度并联机构连接方式示意图。

图6为三自由度并联机构和抓取采集机构连接方式示意图。

图中：1、四旋翼飞行机构，1-1、信号天线，1-2、螺旋桨叶片，1-3、无刷电机，1-4、电机安装座，1-5、旋翼支撑管，1-6、飞行机构控制系统，1-8、无刷电机驱动器，1-9、飞行机构主体，1-10、支撑杆。

2、三自由度并联机构，2-1、定平台，2-2、驱动电机，2-3、驱动摇臂，2-4、球铰链，2-5、中间连杆，2-6、从动摇杆，2-7、拉伸弹簧，2-8、动平台，2-9、并联机构控制系统。

3、抓取采集机构，3-1、电机，3-2、电机安装座，3-3、滚轮，3-4、腱绳，3-5、基法兰，3-6、驱动杆，3-7、压缩弹簧，3-8、抓手单关节，3-9、线绳，3-10、线绳拉销，3-11、动法兰，3-12、三半球手抓。

4、巡视相机。

5、抓捕相机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种四旋翼并联采集机器人，能够实现空中目标的稳定采集，主要包括：四旋翼飞行机构1、三自由度并联机构2、抓取采集机构3、巡视相机4和抓捕相机5。四旋翼飞行机构1下方连接三自由度并联机构2，三自由度并联机构2下方连接抓取采集机构3。其中，四旋翼飞行机构1和三自由度并联机构2通过螺栓连接，三自由度并联机构2和抓取采集机构3通过螺栓连接。巡视相机4安装在四旋翼飞行机构1上端，抓捕相机5安装在抓取采集机构3下端。

四旋翼飞行机构1和巡视相机4主要用于携带整体结构，完成空中飞行和巡视功能。三自由度并联机构2主要用于提供三个自由度，实现空间三自由度的移动，能够实现目标范围内的精确调整，具有很好的灵活性。抓取采集机构3和抓捕相机5主要用于目标的抓取，能够实现对目标的采集功能。

如图2所示，四旋翼飞行机构1主要包括：信号天线1-1、螺旋桨叶片1-2、无刷电机1-3、电机安装座1-4、四个旋翼支撑管1-5、飞行机构控制系统1-6、无刷电机驱动器1-8、飞行机构主体1-9和三个支撑杆1-10。三个支撑杆1-10分别安装在飞行机构主体1-9下端的三个支角处，三个支撑杆1-10以120度夹角均匀分布在飞行机构主体1-9下端的三个支角处。四个旋翼支撑管1-5分别安装在飞行机构主体1-9上端的四个支角处，四个旋翼支撑管1-5以90度夹角均匀分布在飞行机构主体1-9上端的四个支角处。在每个旋翼支撑管1-5端部均安装有一个电机安装座1-4，每个电机安装座1-4上均安装有一个无刷电机1-3，每个无刷电机1-3上均安装有两个螺旋桨叶片1-2。信号天线1-1和飞行机构控制系统1-6均固定在飞行机构主体1-9上端面上。信号天线1-1与飞行机构控制系统1-6电连接。每个无刷电机1-3均与飞行机构控制系统1-6相连。通过飞行机构控制系统1-6控制无刷电机1-3运行，通过无刷电机1-3驱动螺旋桨叶片1-2旋转，从而实现空中飞行。

本实施方式中，飞行机构控制系统1-6采用现有技术。

如图3所示，三自由度并联机构2主要包括：定平台2-1、三个驱动电机2-2、三个驱动摇臂2-3、球铰链2-4、中间连杆2-5、从动摇杆2-6、拉伸弹簧2-7和动平台2-8和并联机构控制系统2-9。定平台2-1中间设置有通孔。动平台2-8中间设置有通孔。定平台2-1与飞行机构主体1-9下端相连。三个驱动电机2-2分别安装在定平台2-1的三个支角处。三个驱动电机2-2以120度夹角均匀分布在定平台2-1的三个支角处。三个驱动摇臂2-3与三个驱动电机2-2一一对应安装。驱动摇臂2-3上端为叉形结构，叉形结构的两边分别与驱动电机2-2两端的输出轴相连。驱动摇臂2-3下端通过球铰链2-4和中间连杆2-5分别与两个从动摇杆2-6相连，具体的是：两个中间连杆2-5分别安装在驱动摇臂2-3下端两侧，每个中间连杆2-5端部均通过一个球铰链2-4与一个从动摇杆2-6上端相连，因此，每个驱动摇臂2-3下端均连接有两个从动摇杆2-6。从动摇杆2-6下端通过球铰链2-4与动平台2-8相连，具体的是：每个从动摇杆2-6下端均通过一个球铰链2-4与动平台2-8相连，并且，每个驱动摇臂2-3下端的两个从动摇杆2-6为一组安装在动平台2-8的一个支角处，动平台2-8的三个支角处分别安装一组从动摇杆2-6。每组从动摇杆2-6下端均通过一个拉伸弹簧2-7相连。每个驱动电机2-2均与并联机构控制系统2-9电连接，通过并联机构控制系统2-9控制驱动电机2-2运行，从而实现空间三自由度的移动。

本实施方式中，并联机构控制系统2-9采用现有技术。

如图4所示，抓取采集机构3是一种三半球线绳驱动机构。抓取采集机构3主要包括：电机3-1、电机安装座3-2、滚轮3-3、腱绳3-4、基法兰3-5、驱动杆3-6、压缩弹簧3-7、抓手单关节3-8、线绳3-9、线绳拉销3-10、动法兰3-11和三半球手抓3-12。如图5所示，电机安装座3-2通过螺栓与飞行机构主体1-9固连，电机3-1固定在电机安装座3-2上，滚轮3-3与电机3-1的输出轴相连。如图6所示，抓取采集机构3的基法兰3-5通过螺栓与三自由度并联机构2的动平台2-8固连。腱绳3-4伸入定平台2-1和动平台2-8中间通孔中。腱绳3-4上端缠绕在滚轮3-3上，腱绳3-4下端固定在基法兰3-5上，基法兰3-5通过三组转动副连接到三半球手抓3-12。三组转动副相对于基法兰3-5的中心呈圆周对称布置，相邻两组转动副之间的夹角均为120度。

每组转动副均由驱动杆3-6、抓手单关节3-8组成。三个驱动杆3-6上端均通过转轴与基法兰3-5的三个角相连。抓手单关节3-8为弧形结构，中间为通孔。驱动杆3-6下端通过转轴与抓手单关节3-8中间弯折位置相连。

基法兰3-5与动法兰3-11之间通过压缩弹簧3-7相连，即压缩弹簧3-7上端连接在基法兰3-5上，压缩弹簧3-7下端连接在动法兰3-11上。三个抓手单关节3-8一端均通过转轴与动法兰3-11的三个角相连。三个抓手单关节3-8另一端分别与三半球手抓3-12的三个部分相连，当三半球手抓3-12的三个部分合在一起后形成空间的闭环结构。压缩弹簧3-7的回复力能够将基法兰3-5和动法兰3-11分离，从而带动三半球手抓3-12张开。同时，为了使压缩弹簧3-7不脱离动法兰3-11，基法兰3-5与动法兰3-11之间连接有三根线绳3-9，相邻两根线绳3-9之间的夹角为120度，线绳3-9上端固定在基法兰3-5下表面，线绳3-9下端通过线绳拉销3-10安装在动法兰3-11上，通过三根线绳3-9能够保证三半球手抓3-12最大张开角度。通过电机3-1驱动滚轮3-3转动，带动滚轮3-3缠绕腱绳3-4进而驱动三半球手抓3-12的开合。抓取采集机构3是通过压缩弹簧3-7的固有弹力实现三半球手抓3-12张开的，通过线绳3-9驱动实现三半球手抓3-12闭合的。

本发明的视觉系统包含两部分，分别为巡视相机4和抓捕相机5，其中，巡视相机4安装在飞行机构主体1-9上，能够巡视观察到前进目标。抓捕相机5安装在动法兰3-11下表面，并且抓捕相机5位于三半球手抓3-12中，能够获取抓取目标的位置信息，从而实现视觉反馈。巡视相机4和抓捕相机5均为小型相机。

本发明的一种四旋翼并联采集机器人，具有以下功能：

(1)在复杂的地势环境下，通过四旋翼无人机携带本发明的四旋翼并联采集机器人，利用巡视相机4在空中进行目标寻找。

(2)待找到识别目标后，到达该目标附近，进入四旋翼并联采集机器人的可达范围，此时利用抓捕相机5传回的信息，操控三自由度并联机构2，以达到精准定位。

(3)准确达到目标上方后，打开三半球手抓3-12，实施精准抓取动作，实现对目标的无人化采集。

(4)采集完成后，利用巡视相机4巡视周边环境，以最有利的路线返回到控制者所在区域，至此，完成整个科考采集任务。

本发明的一种四旋翼并联采集机器人，不但具有良好的外观，更重要的是综合了飞行功能及采集功能于一体，充分利用了三自由度并联机构2的灵活性，能够实现长远距离飞行运动，并且能够实现空间三自由度的移动，非常适合高原科考人员的科考工作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。