陆空两栖仿生抓取机器人

朱科祺

Zhu Keqi

浙江大学 机械工程

1.设计目的

近年来，无人机技术迅猛发展，其交互方式逐渐由红外遥感、图像检测等慢慢向空中抓取、空中操作这一类与物理世界有真实交互的方向发展，其中无人机空中抓取更是重中之重，有广泛的应用前景，如快递机器人、城市送药、机器人轧空作业等，但同样有不少的难点挑战，如抓取物体体积有局限，受限于旋翼的大体积，机器人狭窄空间适应性不足、楼宇内实用性较差，同时无人机能耗较高，高空长时间工作时间不足。面对这些挑战，我们做了相关的现状研究分析，陆空两栖机器人可以很好地解决狭小空间适应性的问题，在楼宇内可以切换为陆地移动模式，安全高效地完成货物的输送；枝头栖息则是从仿生领域找到的灵感，鸟类的双足大多都能同时完成抓取与枝头栖息的任务，结合太阳能板和储能装置，可以解决无人机高空作业续航时间短的问题，综上所述，本课题的设计目的：解决传统无人机与无人机空中操作痛点，设计一款兼顾陆空两栖与栖息功能的抓取机器人。

2.基本原理及方法

本课题的主要研究方向将集中在两个部分：第一部分将着力设计制作一种欠驱动机械手，负责物体的抓取，同时针对栖息功能进行优化，主要灵感来自大多数鸟类，都可以用其双足完成飞行中抓取和枝头栖息的任务；第二部分集中在四旋翼飞行器的变结构设计上，正常工作环境当中，四旋翼和轮式（选用这两种驱动模式来达到两栖的效果）分别独立给飞行和地面移动提供动力，不会同时运行，用同一套电机驱动单元驱动两者可以提高整体紧凑度，提高效率。这就需要一种结构可变的四旋翼飞行器，使之可以自由地在两种模式当中切换。最终的机器人是上述两者的集合体。

3.主要设计过程或试验过程

1）机械设计

（1）将着力解决设计制作一种欠驱动机械手，负责物体的抓取，同时针对栖息功能进行优化，主要灵感来自大多数鸟类，它们都可以用其双足完成飞行中抓取和枝头栖息的任务。

（2）另外，将集中在四旋翼飞行器的变结构的设计突破上，正常工作环境当中，四旋翼和轮式（选用这两种驱动模式来达到两栖的效果）分别独立给飞行和地面移动提供动力，不会同时运行，于是联想到用同一套电机驱动单元驱动两者以提高整体紧凑度，提高效率。这就需要一种结构可变的四旋翼飞行器，使之可以自由地在两种模式当中切换，同时要具有机械的可靠性和稳定性。

2）控制系统搭建

（1）陆空两栖抓取机器人需要完全用遥控器进行远程控制，需要自行搭建完整的飞控系统，其中包括姿态解算模块、通信模块、定位模块等，为后期机载电脑做机器端独立控制做好铺垫。

（2）地面移动与抓取的控制方案与飞行完全独立，需要设计完整的地面移动与抓取控制系统，并将控制系统烧录以供模式切换。

3）系统模型分析

（1）变结构后的地面移动，动力源为带倾角的四旋翼的水平分力，目前基于四旋翼变结构的地面移动数学建模仍为空白，需要着重解决这一块的动力学建模，探究电机与地面前后移动、左右转向的相互关系。建立电机转速与地面移动时速度、位移的关系，为上位机控制做好铺垫。

（2）变结构抓取方面，由于涉及多级连杆传动，这一块的运动学分析更是项目的重中之重，需要设计符合场景需求的连杆结构，最大化地利用其急回特性，希望能通过数学模型和梯度算法，来优化整体的抓取性能。

4.结论

本课题设计了一种基于四旋翼无人机平台的陆空两栖抓取机器人，通过可重构与连杆机构将两栖切换与抓取相结合，相关的研究工作有：

（1）广泛阅读国内外有关可重构四旋翼无人机，陆空两栖无人机，欠驱动机械手相关文献，总结了相应的创新点及优缺点，由此提出了本课题的主要研究内容。

（2）自主完成了无人机平台的仿真、设计与搭建，包括四旋翼无人机机身、机架、抓手以及移动平台，其中创新性地将变结构机翼、起落架与移动平台相结合，以完成陆空两栖切换和抓取的设计目标。

针对陆空两栖及抓取的要求，设计了两组连杆机构，将舵机转角通过第一组连杆机构传递给机翼摆角，完成陆空两栖的模式切换，再通过第二组连杆机构将角度传递给末端抓手完成抓取，两组连杆联动来实现单自由度控制两者并行的效果。

（3）完成了陆空两栖机器人空中飞行与地面移动的动力学分析与抓取的角度映射计算。

针对四旋翼无人机的地面移动中，根据前后移动和左右转向是描述二维平面运动的两组线性无关的正交基，创新性地提出基于不平行旋翼的地面移动表示方法，最后给出了在已知四旋翼转速的前提下，无人机在地面移动时的坐标公式，为后期导航与避障做下铺垫。

（4）进行了多项试验验证陆空两栖无人机的飞行稳定性，两栖与抓取性能，为后期的迭代改进指出了方向。

通过“八字绕环”试验验证飞控与设计可靠性，同时对地面移动进行验证，抓取方面对被抓物体尺寸与抓取效果进行了分析，并用试验验证了抓取状态下地面移动的可行性，最后提出了用抓取实现枝头栖息的方法。

5.创新点

本课题的创新点如下：

1）可重构无人机的创新

设计出一种高效、高稳定性与高可靠性的可重构四旋翼无人机，重点在可重构结构的运动副与力、力矩传递结构的设计上，在小体积、较少能量损耗的情况下，可以实现陆地模式与飞行模式之间的便捷切换。

2）控制方式的创新

地面行进模式下，需要设计使用不平行四旋翼控制算法，以达到地面上平稳运动的效果，这一块在相关领域内仍是空白，研发设计一套较高效、准确的控制算法具有较为广阔的应用前景，如军工场景和家用场景。

3）抓取与栖息的创新

传统的无人机抓取设计往往集中于将机械臂与末端执行器放置于四旋翼无人机下方，做快速动态抓取，本课题拟根据鸟类双足同时拥有抓取与枝头栖息的效果进行优化，在可进行抓取的前提下，优化抓手结构，尺寸与响应函数，使之相较于传统四旋翼无人机起落架，可以在不同表面进行栖息操作，这样加上太阳能板、机载电脑等装置，可以实现远距离自主决策完成任务，在工业，竣工场景下有不俗的应用场景。

6.设计图或作品实物图

本课题设计的无人机的飞行模式、地面移动模式、栖息模式、抓取模式如图 1—图 4 所示。

高校指导教师：董会旭，毕运波；企业指导教师：翁敬砚 LMy8X8j4cIK8GK2opzndv7XHiKpD2sLiHW8O2O0Vw+cJupZWUcFmfWGEgL2qkLTb