一种直升机飞行驾驶机器人系统转让专利
申请号 : CN202110312254.7
文献号 : CN113119085B
文献日 : 2022-04-19
发明人 : 李道春 , 金子博 , 向锦武 , 孙毅
申请人 : 北京航空航天大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种直升机飞行驾驶机器人系统,其特征在于,包括机身挂架(1)、机身底板(2)、伺服机构、机器人控制箱(6)和视觉感知模块(7),所述伺服机构包括六自由度机械手(3)、舵机机械臂(4)和舵机机械腿(5);
所述机身挂架(1)安装于直升机驾驶舱座位靠背前侧,并且所述机身挂架(1)内部具有容置所述机器人控制箱(6)的空间;所述机身底板(2)平放于直升机驾驶舱座位上且连接于所述机身挂架(1)底端;所述六自由度机械手(3)的底座连接于所述机身底板(2)或所述机身挂架(1)右侧,机械手末端连接于直升机驾驶杆;所述舵机机械臂(4)包括第一舵机(41)、第一臂(42)和第二臂(43);所述第一舵机(41)固连于所述机身挂架(1)左侧;所述第一臂(42)一端与所述第一舵机(41)固连,另一端与所述第二臂(43)一端固连;所述第二臂(43)另一端与直升机总距杆固连;所述舵机机械腿(5)包括第二舵机(51)、第三臂(52)和第四臂(53);所述第二舵机(51)固连于所述机身底板(2)左侧;所述第三臂(52)一端与所述第二舵机(51)固连,另一端与所述第四臂(53)一端铰接连接;所述第四臂(53)另一端与直升机方向舵固连;
所述机器人控制箱(6)内置飞行控制模块和机器人伺服控制模块;所述机器人控制箱(6)设有多个接口,所述多个接口包括电源接口(61)、上位机接口(62)、网卡接口(63)和USB接口(64);所述电源接口(61)用于连接外部电源为所述飞行控制模块和所述机器人伺服控制模块供电;所述上位机接口(62)用于连接所述六自由度机械手(3)并向其发送关节位置和运动指令;所述网卡接口(63)用于连接计算机进行控制软件调试;所述USB接口(64)用于调试所述六自由度机械手(3)的控制脚本;
所述视觉感知模块(7)包括驾驶舱环境监视摄像头(71)和舱外视景监视摄像头(72),所述驾驶舱环境监视摄像头(71)用于监视所述伺服机构的工作状态;所述舱外视景监视摄像头(72)用于监视驾驶舱外部视景。
2.根据权利要求1所述的机器人系统,其特征在于,所述机身挂架(1)包括前板(11)、后板(12)、L形支撑板(13)、插板(14)以及侧板(15);所述后板(12)与直升机驾驶舱座位靠背前侧贴合,所述前板(11)和所述后板(12)相互平行,两者顶端通过横梁连接、底端通过连接板连接,所述机器人控制箱(6)容置于所述前板(11)和所述后板(12)之间且底部置于所述连接板上;所述前板(11)和所述后板(12)两者左侧上端均设有通孔且两个通孔中心线重合,所述侧板(15)通过延伸穿过所述两个通孔的棒状体连接于所述机身挂架(1)左侧,所述舵机机械臂(4)一端与所述侧板(15)连接;所述L形支撑板(13)的竖直端固连于所述连接板下方,平行端平放于直升机驾驶舱座位上;所述插板(14)固连于所述L形支撑板(13)的弯折处且竖直插入直升机驾驶舱座位内部。
3.根据权利要求2所述的机器人系统,其特征在于,所述机身底板(2)包括底板(21)、机械手安装板(23)和圆形侧板(24);所述底板(21)连接安装于所述L形支撑板(13)的平行端上;所述机械手安装板(23)与所述底板(21)右侧连接,所述六自由度机械手(3)的底座与所述机械手安装板(23)固连;所述圆形侧板(24)与所述底板(21)左侧连接;所述舵机机械腿(5)一端与所述圆形侧板(24)连接。
4.根据权利要求3所述的机器人系统,其特征在于,所述机身底板(2)包括延伸板(22),所述延伸板(22)一端固连于所述底板(21)右侧,另一端与所述机械手安装板(23)连接;所述延伸板(22)从所述底板(21)右侧延伸至驾驶舱座位右侧下方。
5.根据权利要求4所述的机器人系统,其特征在于,所述底板(21)上设有用于调整所述机身底板(2)与所述机身挂架(1)相对位置的多个螺栓孔。
6.根据权利要求1‑4之一所述的机器人系统,其特征在于,所述第一臂(42)另一端沿长度方向设有与所述第二臂(43)固连的多个螺栓孔。
7.根据权利要求1‑4之一所述的机器人系统,其特征在于,所述第四臂(53)另一端沿长度方向设有与所述直升机方向舵固连的多个螺栓孔。
8.根据权利要求1‑4之一所述的机器人系统,其特征在于,所述机身底板(2)和所述机身挂架(1)之间具有用于存放电源和线路布置的空间。
9.根据权利要求1‑4之一所述的机器人系统,其特征在于,所述机器人控制箱(6)左右两侧具有多孔结构,并且其中一侧设有散热孔(66);所述机身挂架(1)具有镂空结构,且设有用于将所述机器人系统固定安装于直升机驾驶舱内的多个螺栓孔。
10.根据权利要求1‑4之一所述的机器人系统,其特征在于,所述机器人控制箱(6)包括图像接收机和图像采集卡,所述驾驶舱环境监视摄像头(71)布置在所述机身挂架(1)顶部右侧,用于采集所述六自由度机械手(3)的图像并无线传送至所述图像接收机,之后利用所述图像采集卡传输至所述机器人伺服控制模块,所述机器人伺服控制模块基于所述图像检测出所述六自由度机械手(3)工作状态异常时,所述机器人伺服控制模块将切断和重启所述机器人系统;
所述的舱外视景监视摄像头(72)设置于多轴视觉云台(73)上,所述多轴视觉云台(73)布置在所述机身挂架(1)顶部中间。
说明书 :
一种直升机飞行驾驶机器人系统
技术领域
背景技术
器无人化和自动驾驶飞行。这种改装过程往往是不可逆的,且改造成本很大。相比之下,采
用飞行器驾驶机器人的方式,将驾驶机器人安装在驾驶舱内并通过机器人执行机构控制飞
行器操纵机构实现机器人驾驶有人飞行器,可以实现在不改装原有飞行器的前提下实现飞
行器有人/无人模式快速、可逆切换,既可以独立驾驶飞行器,也可以辅助人类飞行员协同
驾驶。
器人,其广泛用于汽车研发和里程测试等场景。但汽车驾驶和飞行器操纵区别很大,其设计
方法无法直接适用于飞行器驾驶机器人。
足直升机操纵驾驶要求,且机器人各执行机构间易产生干涉。并且不同型号直升机的驾驶
舱布置和操纵机构位置也不相同,对于直升机驾驶机器人,传统的集成化的机器人设计方
法会使其无法拓展应用到其他型号的直升机,适应性较差。
发明内容
机,并且该直升机驾驶机器人可以实现在不改装直升机的情况下直升机有人/无人模式的
快速切换。
舵机机械臂和舵机机械腿;
挂架底端;所述六自由度机械手的底座连接于所述机身底板或所述机身挂架右侧,机械手
末端连接于直升机驾驶杆;所述舵机机械臂包括第一舵机、第一臂和第二臂;所述第一舵机
固连于所述机身挂架左侧;所述第一臂一端与所述第一舵机固连,另一端与所述第二臂一
端固连;所述第二臂另一端与直升机总距杆固连;所述舵机机械腿包括第二舵机、第三臂和
第四臂;所述第二舵机固连于所述机身底板左侧;所述第三臂一端与所述第二舵机固连,另
一端与所述第四臂一端铰接连接;所述第四臂另一端与直升机方向舵固连;
口用于连接外部电源为所述飞行控制模块和所述机器人伺服控制模块供电;所述上位机接
口用于连接所述六自由度机械手并向其发送关节位置和运动指令;所述网卡接口用于连接
计算机进行控制软件调试;所述USB接口用于调试所述六自由度机械手的控制脚本;
驾驶舱外部视景。
横梁连接、底端通过连接板连接,所述机器人控制箱容置于所述前板和所述后板之间且底
部置于所述连接板上;所述前板和所述后板两者左侧上端均设有通孔且两个通孔中心线重
合,所述侧板通过延伸穿过所述两个通孔的棒状体连接于所述机身挂架左侧,所述舵机机
械臂一端与所述侧板连接;所述L形支撑板的竖直端固连于所述连接板下方,平行端平放于
直升机驾驶舱座位上;所述插板固连于所述L形支撑板的弯折处且竖直插入直升机驾驶舱
座位内部。
由度机械手的底座与所述机械手安装板固连;所述圆形侧板与所述底板左侧连接;所述舵
机机械腿一端与所述圆形侧板连接。
侧下方。
驾驶舱内的多个螺栓孔。
无线传送至所述图像接收机,之后利用所述图像采集卡传输至所述机器人伺服控制模块,
所述机器人伺服控制模块基于所述图像检测出所述六自由度机械手工作状态异常时,所述
机器人伺服控制模块将切断和重启所述机器人系统;
降低了有人机无人化的改造时间和成本,实现了直升机有人/无人模式快速切换;
求、灵敏度要求和力度要求,且占用空间小,结构重量小,各执行机构间不会发生干涉;
确保直升机飞行过程中发生应急情况时机器人可以及时给出应急对策和控制;
因此本发明的直升机驾驶机器人系统适应性强,可以推广应用到不同型号直升机。
附图说明
具体实施方式
例及实施例中的特征可以相互组合。
的具体实施例的限制。
六自由度机械手3、舵机机械臂4和舵机机械腿5构成了机器人系统的伺服机构。机身挂架1
和机身底板2安装嵌入到直升机驾驶舱座位10上,六自由度机械手3控制直升机驾驶杆20,
舵机机械臂4控制直升机总距杆30,舵机机械腿5控制直升机方向舵40,视觉感知模块7用于
监视直升机舱外视景和舱内工作仪表及伺服机构的工作情况。
通过横梁连接、底端通过连接板连接。前板11和后板12之间形成容置机器人控制箱6的空
间,且机器人控制箱6底部位于连接板上。L形支撑板13的竖直端固连于连接板下方,平行端
平放于直升机驾驶舱座位10上。在本实施例中,插板14为两个三角形薄板,其固连于L形支
撑板13的弯折处且竖直插入(嵌入)直升机驾驶舱座位10内部。在本实施例中,前板11和后
板12两者左侧上端均设有通孔且两个通孔中心线重合,侧板15通过延伸穿过两个通孔的棒
状体连接于机身挂架1左侧,用于安装和连接舵机机械臂4。
构安装和固定在直升机驾驶舱内。
用于调整机身底板2和机身挂架 1的L形支撑板13的连接位置,使其适用于不同型号直升机
驾驶舱。在本实施例中,延伸板22一端固连于底板21右侧,另一端与机械手安装板 23连接,
并且延伸板22从机身底板2右侧延伸至驾驶舱座位右侧下方。机械手安装板23用于安装和
固定六自由度机械手3,六自由度机械手3的底座与机械手安装板23固连,机械手末端连接
和操控直升机驾驶杆20,如图5所示。圆形侧板24固连于底板21的左侧,用于安装和和固定
舵机机械腿5。
发明的六自由度机械手3可以实现空间曲面内的高精度、高灵敏度的运动控制。特别地,本
发明的六自由度机械手3可以根据不同型号的直升机驾驶舱安装在不同位置:对于驾驶舱
空间较小的小型直升机,六自由度机械臂3底座可以直接安装在底板21 右侧;对于驾驶舱
右侧有物件遮挡的直升机,六自由度机械臂3底座可安装在机身挂架1右侧。
43另一端连接和控制直升机总距杆30。直升机总距杆30主要控制直升机的升降运动,对应
总距杆30的上提和放下,并且直升机总距杆30末端运动轨迹在一平面内,且只包含一个自
由度。本实施例采用舵机连臂驱动方式体积小,灵敏度高,适用于总距杆控制。有利地,第一
臂41沿长度方向设计多个螺栓孔,用于根据不同总距杆30位置调整与第二臂42的连接安装
位置,使得本机器人系统可适用于不同型号直升机驾驶舱。
53一端自由铰接连接;第四臂53另一端与直升机方向舵30固连。直升机方向舵控制直升机
航向运动,方向舵末端轨迹运动空间在一平面内,且只包含一个自由度,本发明采用舵机连
杆驱动方式体积小、灵敏度高,适用于方向舵控制。此外,由于本发明针对的直升机左右两
边方向舵是联动的,因此只需控制其中一个方向舵就可以实现控制直升机航向运动。有利
地,第四臂53沿长度方向设计多个螺栓孔,可以根据不同方向舵位置调整与第四臂53的连
接安装位置,使得本发明可适用于不同型号直升机驾驶舱。
箱开箱锁65,如图8所示。其中,电源接口61用于连接外部电源为飞行控制模块和机器人伺
服控制模块供电。网卡接口62用于连接计算机进行控制软件调试。上位机接口63用于连接
六自由度机械手3并向其发送关节位置和运动指令,六自由度机械手3根据机器人控制箱6
给出的上位机信号操纵直升机驾驶杆20。USB接口64 用于调试六自由度机械手3的控制脚
本。优选地,机器人控制箱6侧边设计散热孔66并且两侧均采用多空设计,以提高计算机散
热水平。在本实施例中,机器人控制箱6外壳材料为铝合金板,以保证结构强度和高度。
由度机械手3的图像并无线传送至机器人控制箱6中的图像接收机,之后利用图像采集卡传
输至机器人伺服控制模块,机器人伺服控制模块基于接收到的图像检测出六自由度机械手
3 的工作状态异常时,将切断和重启机器人系统。舱外视景监视摄像头72 安装在多轴视觉
云台73上,主要用于监视驾驶舱外部视景,并通过图传链路传输给飞控计算机。本实施例将
多轴视觉云台73布置在机身挂架1顶部中间,使得舱外视景监视摄像头72可以在直升机飞
行过程中监视驾驶舱前方和两侧的视景。
置,实用性高、适应性强。其次,本发明的直升机驾驶机器人根据直升机各操纵机构特点分
别设计了机器人执行机构,可以保证机器人执行机构能够满足直升机操纵机构的控制精度
要求和灵敏度要求的基础上减小了机器人的体积和所占空间。最后,本发明的驾驶机器人
配置视觉感知模块,可以在飞行过程中同时检测直升机驾驶舱外部视景和驾驶舱内机器人
工作情况,为驾驶机器人安全飞行驾驶提供了多一重保障。
可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连
通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解
上述术语在本发明中的具体含义。
不是指示或暗示所指的元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作,因此不能
理解为对本发明的限制。此外,在本发明中,术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描
述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上,除非另有明
确的限定。
改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。