面向UAV的繩驅動空中機械臂動力學建模分析*

梁 棟，丁 力，黃 明，曹 杰

(1.江蘇理工學院機械工程學院，常州 213000；2.南京航空航天大學機電學院，南京 210016)

0 引言

隨著機器人工程、人工智能、傳感器與通信等學科的發展，空中機器人在軍民用領域得到了廣泛應用[1-2]。但上述應用仍停留在被動作用階段，近年來學者們更希望其能對所處環境施加主動影響，實現與環境的交互作業[3]。空中機械臂是一種由旋翼飛行器加裝機械臂組成的新型系統，它能替代人完成高危環境下的信息采集、儀器遠程操控等任務。因此，面向(unmanned aerial vehicle，UAV)的空中機械臂在一定程度上拓展了空中機器人的應用范圍。

對于空中機械臂動力學建模的研究，國內外不少學者進行了一定的探索。張廣玉等[4]設計了一款由6旋翼飛行器加裝7自由度機械臂的空中機械臂，并將其當作質量分布隨機械臂運動而變化的特殊系統，采用質點系的動量與動量矩定理對其進行了系統建模。ORSAG 等[5]將雙機械臂加裝到4旋翼飛行器上，通過分析懸停狀態下機械臂與飛行器之間的力/力矩的內在聯系，分別采用牛頓-歐拉法對兩個子系統進行了建模分析。TOMASZ等[6]將具有展開式結構的輕質機械臂加裝到無人直升機上，采用拉格朗日法給出了系統廣義力與廣義力矩的解析式。目前，大多數空中機械臂仍采用關節直驅方式，即將驅動電機、減速器及傳感器直接安裝在關節處，這不僅會增加臂身慣量，加重旋翼飛行機器與機械臂之間的耦合效應，還會限制機械臂自由度的增加，縮小了機械臂的操作空間。……