一種帶有多旋翼無人機的機械臂的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機械臂，具體涉及一種帶有多旋翼無人機的機械臂。
【背景技術】
[0002]機械臂廣泛應用于半導體制造、工業(yè)、醫(yī)療、軍事以及太空探索領域，機械臂能夠接受指令，精確地定位到三維空間上的某一點進行作業(yè)；在現(xiàn)有技術中，多旋翼無人機是一種利用前飛時的相對氣流吹動旋翼自轉以產生升力的旋翼航空器，它的前進力由發(fā)動機帶動螺旋槳直接提供；目前國內外機械臂的高空作業(yè)無法自由運作且操作繁瑣，機械臂就只能在平板或某個特定范圍內執(zhí)行任務，不能在多個環(huán)境內進行作業(yè)，并且只能被動的接受任務，如果能夠將旋翼機運用于機械臂的運行，則可以進一步的提高機械臂操控的自由度，極大限度的發(fā)揮機械臂的作用。
[0003]中國發(fā)明專利申請公開說明書CN201010538116公開了一種可以進一步增強旋翼機飛行穩(wěn)定性的旋翼機旋翼頭結構，該設計結構復雜，對機體性能要求很高；中國發(fā)明專利申請公開說明書CN201010264122公開了一種機器人技術領域的移動機械臂，雖然在一定程度上提高了機械臂運作的空間，但也僅僅實驗在二維平面內的自由操控；中國發(fā)明專利申請公開說明書CN201210432637公開了一種智能機械臂，靈活性強，智能化程度高，能完成各種旋轉或升高動作，操作簡單，效率高，但它無法自由地到達空間內的任意一點，且受到場地的限制；中國發(fā)明專利說明書CN201020163658公開了一種屬于自動控制領域的四旋翼飛行抓捕手，該發(fā)明通過四旋翼飛行與地面站控制之間的無線信號連接，以達到控制四旋翼飛行抓捕手在空中的飛行的目的，但其在使用的時候必須由地面控制系統(tǒng)進行操控；中國發(fā)明專利說明書CN201320135704公開了一種空中輔助智能救援系統(tǒng)，該救援系統(tǒng)同樣采用了多旋翼飛行機與機械臂的方式，但是其機械臂只有一個自由度，只能抓取位于其正下方的物體。
[0004]為了解決上述問題，克服已有系統(tǒng)的缺陷，設計一種適用范圍廣泛、帶有多旋翼無人機的機械臂是目前研究的重點。

【發(fā)明內容】

[0005]為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種帶有多旋翼無人機的機械臂，結構簡單，設計合理，解決機械臂無法自由的在高空運作的問題，安全性高，穩(wěn)定性強，精確度高，靈活性強，易于推廣使用。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案為:包括機械臂和多旋翼無人機兩大部分，上述多旋翼無人機又可以分為外部結構和內部結構兩大部分:多旋翼無人機的外部結構包括八個螺旋槳、十字架轉軸、八個無刷電機和無人機基座，無人機基座上交叉安裝有十字架轉軸，十字架轉軸的軸末上、下端分別對稱安有第一無刷電機，十字架轉軸中的間部分放置飛行控制計算機和外部設備；第一無刷電機與對應的螺旋槳直連，螺旋槳為整個旋翼機械臂提供升力，保持平衡，每個電機都由飛行控制器的電調單獨控制，十字形的布局允許飛行器通過改變電機的轉速來改變旋轉機身獲得的力，從而調整自身姿態(tài)和各種動作；多旋翼無人機的機體采用碳纖維材質，避免了金屬材料易產生金屬疲勞、不耐腐蝕的缺點，且密度小、質量輕、硬度大。
[0007]上述多旋翼無人機的內部結構包括飛控系統(tǒng)、電調和電源:飛控系統(tǒng)包括AHRS模塊、空壓計、AD芯片、處理器、GPS以及用于監(jiān)視電調輸出PffM信號的ppm解碼器芯片，AHRS模塊由三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁力計組成，AHRS模塊通過AD芯片與處理器連接，AHRS模塊通過三軸陀螺儀可以得到旋翼機當前偏轉角度，通過三軸加速度計可以得到旋翼機當前速度變化量，通過三軸磁力計可以得到多旋翼無人機當前飛行方向，從而計算出飛行器目前相對地面的姿態(tài)以及加速度、角速度，然后輸出俯仰，滾轉，旋轉角度給飛行控制器；空壓計接AD芯片，AD芯片、GPS均與處理器連接，通過GPS和空壓計可以得到旋翼機當前的所處的經瑋度以及當前飛行高度，處理器接電調，電調接第一無刷電機，AD芯片將AHRS模塊、空壓計和GPS輸出的模擬電壓轉換成數(shù)字量，再經由處理器進行集中處理，處理器通過算法計算出保持運動狀態(tài)時所需的旋轉力和升力并傳送給電調，可接收處理器控制的控制信號，并輸出數(shù)據(jù)給第一無刷電機。
[0008]電調接收來自處理器的信號，向第一無刷電機傳送不同的電壓，達到控速的目的，保持飛行器的穩(wěn)定飛行。第一無刷電機接受來自電調的pwm信號和電源驅動螺旋槳轉動，提供整個飛行器的升力。所述的三軸陀螺儀采用陀螺儀L3G4200D，三軸磁力計采用磁力計HMC5883，空壓計采用空壓計BMP085，AD芯片采用型號為ADS7844的芯片，處理器采用型號為Atmega2560的處理器，ppm解碼器芯片采用解碼器Atmega3280
[0009]電源模塊分為飛控電源和機械臂電源兩部分，飛控電源和機械臂電源兩者相互獨立，互不干擾，為了防止機械臂上的伺服電機用電過度，飛控得到的電力不足，致使飛機墜落，將它們分開。
[0010]上述機械臂由內部結構和外部結構組成:機械臂外部結構由大臂、小臂和夾持器組成:大臂上方通過第二無刷電機連接主框架，大臂的旋轉角度為0-360°，多旋翼無人機與機械臂的連接架為圓盤狀，保證機械臂的水平360度旋轉，機械臂的驅動方式為機械臂伺服電機驅動，機械臂大臂可自由旋轉，沿水平方向360度旋轉，大臂下方內置有一個第三無刷電機，通過水平軸與小臂的上端連接。大臂與小臂連接，可按小臂方向靈活轉動，沿水平方向360度旋轉；所述小臂的下端與夾持器連接；矩形小臂上端通過第三無刷電機連接大臂的一端，小臂的旋轉角度為0-180°小臂末端上安裝有第四無刷電機與夾持器相連接；小臂上帶有第四無刷電機和該電機所驅動的夾持器，夾持器與小臂以單軸相連；夾持器由仿真機械手組成，仿真機械手由齒輪控制的多個支臂構成，仿真機械手的抓取端設置有鋸齒，可夾持起任何物體。
[0011]機械臂內部結構包括機械臂控制器、機械臂伺服電機、光電編碼器和機械臂電源:機械臂控制器接機械臂伺服電機，機械臂伺服電機通過光電編碼器反饋連接至機械臂控制器，機械臂控制器采用單片機AT89C51 ;光電編碼器反饋連接至機械臂控制器，光電編碼器精密測量儀器的軸系轉動角度，并把反饋動作的脈沖信號給機械臂控制器；機械臂伺服電機分別與大臂、小臂和夾持器連接，從機械臂控制器接受并處理脈沖信號，發(fā)出pwn信號控制電機，以控制大臂、小臂以及夾持器運作；機械臂電源分別接機械臂控制器、機械臂伺服電機。
[0012]本發(fā)明具有以下有益效果:(I)穩(wěn)定性強。采用程序分別控制八個螺旋槳的方式，使本發(fā)明在飛行過程中能夠自發(fā)地控制各個螺旋槳的轉速，以保障在機械臂自由運作狀態(tài)下機體的平衡。
[0013](2)靈活性強。通過旋翼與機械臂的合理結合與協(xié)調，實現(xiàn)了機械臂在三維空間內的運作，極大地拓展了機械臂運作的工作空間。
[0014](3)安全性高。采用手動或自動的操作方式，控制多旋翼無人機起飛并利用處理器控制多旋翼無人機按照既定的計劃到達工作區(qū)間，該操作方式確保了人和工作物體間的安全距離，保障了操控人員的安全。
[0015](4)強機械臂有三個自由度，可以自由地抓取以其為中心一定范圍的三維空間內的任意一個方位的物體。
[0016](5)智能化程度高。自帶圖像識別系統(tǒng)，圖像識別系統(tǒng)通過運行程序以達到識別目標物體的目的，相對來說更加智能化，更加節(jié)省人力物力。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的結構示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明多旋翼無人機飛控系統(tǒng)的結構框圖；
[0019]圖3為本發(fā)明機械臂電控系統(tǒng)的結構框圖。
【具體實施方式】
[0020]為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合實施例對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0021]如圖1-3所示，本發(fā)明實施例提供了一種帶有多旋翼無人機的機械臂，包括機械臂和多旋翼無人機，機械臂連接在多旋翼無人機下方，多旋翼無人機的機體采用碳纖維材質，避免了金屬材料易產生金屬疲勞，不耐腐蝕的缺點，且密度小、質量輕、硬度大，機械臂由大臂1、小臂2和夾持器3組成，大臂I的上方與主框架相連，大臂I的旋轉角度為0-360°，大臂I的下方通過水平軸與小臂2的上端連接，小臂2的下端與夾持器3連接。
[0022]值得注意的是，所述多旋翼無人機的外部結構包括八個螺旋槳4、十字架轉軸5、八個第一無刷電機6和無人機基座7，無人機基座7上交叉安裝有十字架轉軸5，十字形的布局允許多旋翼無人機通過改變電機轉速獲得旋轉機身的力，從而調整自身姿態(tài)和各種動作，使飛行更加穩(wěn)定，十字架轉軸5的軸末上、下端分別對稱安裝有第一無刷電機6，第一無刷電機6與對應的螺旋槳4直連，螺旋槳4為整個旋翼機械臂提供升力，保持平衡，十字架轉軸中間的部分裝置飛行控制計算機和外部設備，每個電機都由飛行控制器的電調單獨控制，十字形的布局允許飛行器通過改變電機的轉速來改變旋轉機身獲得的力，從而調整自身姿態(tài)和各種動作；無人機基座7的下端接有第二無刷電機8，第二無刷電機8的另一端連接大臂1，給所述大臂I提供繞中心旋轉的動力，使所述機械臂可以在水平空間中任意一個角度進行移動，使用時更加靈活方便，大臂I末端內置有一個第三無刷電機9，第三無刷電機9露出大臂I的一端與矩形狀的小臂2連接，第三無刷電機9產生的電能帶動所述小臂2靈活的在豎直方向上下擺動，小臂2末端與夾持器3之間安裝有第四無刷電機10，小臂2連接并帶動所述夾持器3轉動夾取實物。
[0023]多旋翼無人機與機械臂的連接架為圓盤狀，保證機械臂的水平360度旋轉，機械臂一共具有三個獨立的運動關節(jié)，連同末端夾持器3的運動關節(jié)，一共需要四個動力源，機械臂的驅動方式為機械臂伺服電機21驅動，機械臂大臂I可自由旋轉，沿水平方向360度旋轉，大臂I與小臂2連接，可按小臂方向靈活轉動，沿水平方向360度旋轉，且小臂2上帶有第四無刷電機10和該電機所驅動的夾持器3，夾持器3與小臂2以單軸相連，夾持器3由仿真機械手組成，仿真機械手由齒輪控制的多個支臂構成，仿真機械手的抓取端設置有鋸齒，可加持起任何物體，使夾持器3與物體接觸面積變大，摩擦越大抓取物體越穩(wěn)定。
[0024]值得注意的是，所述多旋翼無人機的內部結構包括飛控系統(tǒng)、電調11和無人機電源，無人機電源用于控制電源電流，為所述多旋翼無人機其他部分提供電能，飛控系統(tǒng)對一切飛行控制信號進行集中處理，把獲取到的信號轉化成控制所述多旋翼無人機，飛控系統(tǒng)包括AHRS模塊、空壓