一种基于缆绳拉力控制的系留飞行机械臂及缆绳拉力控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN112722315A(43)申请公布日2021.04.30(21)申请号202110017341.X(22)申请日2021.01.07(71)申请人南京航空航天大学地址210016江苏省南京市秦淮区御道街29号(72)发明人王尧尧温尊旺陈柏刘卢芳付豪彭嘉伟(74)专利代理机构南京苏高专利商标事务所(普通合伙)32204代理人张弛(51)Int.Cl.B64F3/02(2006.01)B25J9/16(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图4页(54)发明名称一种基于缆绳拉力控制的系留飞行机械臂及缆绳拉力控制方法(57)摘要本发明公开一种基于缆绳拉力控制的系留飞行机械臂，包括飞行器、地面站、机械臂、绳索驱动装置、系留控制装置，机械臂和系留控制装置分别设置于飞行器底部中心的两侧，系留控制装置包括系留缆绳和地面移动平台，系留飞行机械臂的供电部分设置于地面移动平台中，地面移动平台通过系留缆绳为飞行器和绳索驱动装置供电。该系留飞行机械臂将大容量电池设置于地面移动平台，通过系留缆绳对系留飞行机械臂进行供电，可以实现对系留飞行机械臂不间断供电，延长空中作业时间，同时飞行器上无需使用较大容量电池可以减轻机身质量，提高飞行质量。CN112722315ACN112722315A权利要求书1/2页1.一种基于缆绳拉力控制的系留飞行机械臂，其特征在于，包括飞行器、机械臂、绳索驱动装置、系留控制装置，所述机械臂和系留控制装置分别设置于飞行器底部中心的两侧，所述系留控制装置包括系留缆绳和地面移动平台，系留缆绳一端与飞行器连接，另一端与地面移动平台连接，系留飞行机械臂的供电部分设置于地面移动平台中，地面移动平台通过系留缆绳为飞行器和绳索驱动装置供电，并跟随飞行器同步移动。2.根据权利要求1所述的系留飞行机械臂，其特征在于，还包括地面站，所述地面站通过无线控制方式控制飞行器的运动，且所述地面站通过无线控制方式控制绳索驱动装置驱动机械臂运动。3.根据权利要求2所述的系留飞行机械臂，其特征在于，所述飞行器包括机架、动力系统以及传感器系统，所述机械臂设置于机架底部，所述动力系统为飞行器提供升力和扭矩，所述传感器系统测量飞行器的位置和姿态，并将位置和姿态信号传输给地面站。4.根据权利要求1或2所述的系留飞行机械臂，其特征在于，所述飞行器设置备用电源，所述备用电源设置于系留控制装置同侧，备用电源用于在系留缆绳的电力传输出现故障时，对飞行器和绳索驱动装置进行供电。5.根据权利要求3所述的系留飞行机械臂，其特征在于，所述机械臂包括底板、第一关节、第二关节、第三关节和第四关节，所述底板固定于机架底部，第一关节与底板铰接，第二关节与第一关节铰接，第三关节与第二关节铰接，第四关节与第三关节铰接，第四关节末端设置外部接口；所述绳索驱动装置包括四个绳索驱动单元，四个绳索驱动单元分别驱动第一关节、第二关节、第三关节和第四关节的运动，每个绳索驱动单元包括编码器、伺服电机、导向轮、张紧绳和张紧轮，四个绳索驱动单元的伺服电机分别为第一关节伺服电机、第二关节伺服电机、第三关节伺服电机和第四关节伺服电机，所述第一关节伺服电机、第二关节伺服电机和第三关节伺服电机设置于底板上。6.根据权利要求1所述的系留飞行机械臂，其特征在于，所述系留控制装置还包括系留缆绳驱动装置，系留缆绳驱动装置设置于地面移动平台上面，系留缆绳驱动装置包括绕线轮、支架以及系留缆绳伺服电机，所述支架固定于地面移动平台上，绕线轮设置于支架上，系留缆绳缠绕在绕线轮上，系留缆绳伺服电机控制绕线轮的转动从而缩放系留缆绳。7.一种根据权利要求1至6任意一项所述的系留飞行机械臂的缆绳拉力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对初始状态的飞行器进行力矩布局，使其初始状态合力矩为0；(2)飞行器开始飞行，受系留缆绳重力影响飞行器合力矩变化，通过调节机械臂的角度调整机械臂的转矩，减小飞行器的合力矩；(3)机械臂向外伸出开始作业，机械臂的转矩迅速增大，此时通过增大系留缆绳的拉力，减小飞行器的合力矩。8.根据权利要求7所述的缆绳拉力控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，对初始状态的飞行器力矩布局包括：(1.1)建立坐标系，以飞行器底部中点为原点，以重力的反方向为Z轴正方向，机械臂偏离方向为X轴正方向，Y轴垂直于X轴和Z轴所在平面，X轴正方向在Y轴正方向右侧；(1.2)对飞行器的主要受力进行分析，飞行器所受合力方向朝Z轴负方向，合力G计算公式如下：2CN112722315A权利要求书2/2页G＝Gj+Gd+Fl其中，Gj为机械臂的重力，Gd为备用电源的重力，Fl为系留缆绳的拉力及重力之和；飞行器所受合力矩方向绕Y轴逆时针，合力矩M计算公式如下：M＝Gj·L1‑Gd