基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的仿生機(jī)械臂的研發(fā)

朱圣強(qiáng) 王思賢 楊聶維 杜家棟 司海旭

摘 要 如今，由于無(wú)人機(jī)優(yōu)異的性能，已逐漸替代人類，應(yīng)用于各種行業(yè)領(lǐng)域。但仍有部分領(lǐng)域尚未得到應(yīng)用，人類依然擔(dān)負(fù)著執(zhí)行任務(wù)的危險(xiǎn)，例如除雷排爆，沼澤地、懸崖峭壁上采取草藥等等。基于此，本無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通過(guò)無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載仿生機(jī)械臂可越過(guò)復(fù)雜的環(huán)境，到達(dá)指定區(qū)域，利用仿生機(jī)械臂，模仿人類的手部動(dòng)作，執(zhí)行任務(wù)，降低了人類的危險(xiǎn)性，提高工作效率。此外，通過(guò)理論設(shè)計(jì)、仿真分析及飛行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)準(zhǔn)確性，具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 無(wú)人機(jī) 仿生機(jī)械臂 工作效率 應(yīng)用前景

1研究背景與意義

目前，無(wú)人機(jī)已應(yīng)用于軍事偵查、地質(zhì)勘探、有毒氣體監(jiān)測(cè)等各個(gè)方面。但仍有局部領(lǐng)域無(wú)人機(jī)尚未實(shí)現(xiàn)，仍需進(jìn)一步完善，如除雷排爆，沼澤地、懸崖峭壁上采取草藥等等。基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的仿生機(jī)械臂研發(fā)可有效地代替人類完成此任務(wù)，降低任務(wù)執(zhí)行危險(xiǎn)性，提高工作效率，具有較好的應(yīng)用前景。其中，此套裝置共分為無(wú)人機(jī)平臺(tái)與仿生機(jī)械臂兩個(gè)模塊，無(wú)人機(jī)平臺(tái)采用四旋翼工作平臺(tái)，小型且便于攜帶;仿生機(jī)械臂基于STM32開(kāi)發(fā)板對(duì)手部信號(hào)進(jìn)行處理并傳輸?shù)綑C(jī)械臂，機(jī)械臂對(duì)應(yīng)同步實(shí)施相應(yīng)手部動(dòng)作。

機(jī)械臂的研發(fā)國(guó)內(nèi)外已有一定的基礎(chǔ)，Roth和Lee等最早對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行研究，并將工作空間作為機(jī)械臂設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。Shawky采用非線性控制器對(duì)柔性機(jī)械臂的位置實(shí)行控制，此操作可有效地補(bǔ)償系統(tǒng)建模中模型的不確定性，有效抑制柔性臂的振動(dòng)。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者袁亮，于春梅通過(guò)ADAMS和MATLAB虛擬仿真分析機(jī)械臂模型。丁偉等K64為核心控制板，MQX_Lite為操作系統(tǒng)，通過(guò)與上位機(jī)的通信解析相關(guān)命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的控制。

本文通過(guò)STM32開(kāi)發(fā)板，時(shí)時(shí)模仿操控人員手上的動(dòng)作，減少操控人員誤操作的概率，旋翼無(wú)人機(jī)搭載仿生機(jī)械臂，可跨越復(fù)雜的地形，到達(dá)指定的任務(wù)區(qū)域，具有極大的應(yīng)用價(jià)值。此外，本文對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行理論建模分析并通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。設(shè)計(jì)目標(biāo)為：旋翼無(wú)人機(jī)布局采用四旋翼布局，系統(tǒng)起飛重量不超過(guò)5kg，機(jī)械臂可抓取載荷重量不低于0.5kg，續(xù)航時(shí)間不低于15min，可有效地代替人類在復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)，具有較好的應(yīng)用前景，可為未來(lái)在除雷排爆、復(fù)雜環(huán)境下取物等領(lǐng)域提供一定的技術(shù)支持。

2旋翼平臺(tái)理論模型建立

2.1旋翼平臺(tái)分析流程

首先根據(jù)任務(wù)要求，估算旋翼平臺(tái)的起飛重量，根據(jù)起飛重量，選配動(dòng)力電機(jī)，確保動(dòng)力電機(jī)所產(chǎn)生的總拉力大于起飛重量。其次根據(jù)動(dòng)力電機(jī)提供與起飛重量相等動(dòng)力時(shí)所消耗的能量選配合適的電池，確保執(zhí)行任務(wù)時(shí)續(xù)航時(shí)間不低于任務(wù)要求。然后確定旋翼平臺(tái)尺寸，包括電機(jī)軸距、中心板、電機(jī)座等結(jié)構(gòu)，完成設(shè)計(jì)方案。最后，試飛驗(yàn)證并與任務(wù)要求進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證方案可行性，并進(jìn)行優(yōu)化。

2.2起飛重量估算

旋翼無(wú)人機(jī)常用重量類型包括：起飛重量（WTO）、結(jié)構(gòu)重量（WOE）、載荷重量（WPL）、動(dòng)力裝置重量（WPE）、其它重量（WTH）。

將機(jī)械臂與其抓取載荷認(rèn)定為旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)的任務(wù)載荷。根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)機(jī)械臂質(zhì)量約為1kg，而抓取任務(wù)載荷的質(zhì)量為0.5kg，所以任務(wù)載荷重量WPL為15N。無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)重量因子約為2/9，動(dòng)力重量因子約為1/3，其它結(jié)構(gòu)約占總重量的1/9。代入式（1）可得旋翼平臺(tái)的起飛重量約為45N。

2.3動(dòng)力電機(jī)選配

本文參考廠家提供的電機(jī)性能數(shù)據(jù)，選擇的電機(jī)為颶風(fēng)3508電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)kv值為380kv，選擇的槳尺寸為DJI15*5，具體參數(shù)如表1所示。

四個(gè)電機(jī)可提供的最大總拉力為75.6N，滿足旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力要求。此外，由于最大電流13.9A，則采用20A電調(diào)即可滿足要求。

2.4電池選配

由于起飛重量約為45N，每個(gè)電機(jī)則產(chǎn)生的拉力約為11.25N。假設(shè)電機(jī)在電流5A～7A之間，拉力隨電流是線性變化的，則單個(gè)電機(jī)所需的電流為6A。選用6S電池，由于電機(jī)總共所需的電流為24A，為滿足任務(wù)要求，選用的電池儲(chǔ)能為8000mah、25C，在24A電流放電下可續(xù)航達(dá)到20min。

2.5結(jié)構(gòu)尺寸確定

如圖1所示，為設(shè)計(jì)的旋翼尺寸，其中槳葉直徑采用15英寸（381mm）的碳槳，結(jié)構(gòu)的軸距AC、BD為875mm，O為中心點(diǎn)。

3仿生機(jī)械臂模型建立

如圖2所示，當(dāng)操作人員手指運(yùn)動(dòng)時(shí)，其會(huì)帶動(dòng)連接臂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，連接臂帶動(dòng)搖臂繞旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，從而輸入信號(hào)。輸入的信號(hào)通過(guò)STM32開(kāi)發(fā)板進(jìn)行處理，并將處理后的命令通過(guò)433無(wú)線傳輸模塊，傳輸?shù)椒律鷻C(jī)械臂。從圖中可得，仿真機(jī)械臂可有效地模擬操作人員的手上動(dòng)作，并可實(shí)現(xiàn)抓取的功能。

4仿真驗(yàn)證

為使系統(tǒng)性能達(dá)到最佳，需保證滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，質(zhì)量達(dá)到最低，因此，對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度損傷仿真分析。無(wú)人機(jī)平臺(tái)均采用碳纖維復(fù)合材料。材料密度為1.62 g/cm3，楊氏模量為9.3GPa，泊松比為0.32。

通過(guò)ABAQUS軟件，對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行建模分析。其中，機(jī)械臂的形狀不影響無(wú)人機(jī)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，轉(zhuǎn)化成任務(wù)載荷。4個(gè)電機(jī)座施加固定約束，中心板下端施加方向向下45N的力。分析得到的結(jié)果如圖3、圖4所示。

從圖中可發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)的最大受力區(qū)域位于機(jī)臂與電機(jī)座連接處，所受到最大應(yīng)力強(qiáng)度為11.56pa;無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)的最大變形量位于中心板中央，變形量為5.22mm。因此，通過(guò)分析驗(yàn)證系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，具有一定的合理性。

5總結(jié)與展望

通過(guò)對(duì)基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的仿生機(jī)械臂的分析與驗(yàn)證，共得到以下結(jié)論：

（1）建立了旋翼平臺(tái)模型及機(jī)械臂平臺(tái)模型。通過(guò)理論分析計(jì)算，得到系統(tǒng)起飛重量、電池、電機(jī)等參數(shù)以及機(jī)械臂控制原理，選擇合適型號(hào)的電池、電機(jī)等，滿足設(shè)計(jì)要求;

（2）利用ABAQUS軟件、對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，其最大受力區(qū)域位于機(jī)臂與電機(jī)座連接處，最大應(yīng)力為11.56pa;此外，系統(tǒng)全部采用復(fù)合材料，變形量小，其最大變形量位于中心板中央，為5.22mm。

參考文獻(xiàn)

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