基于無人機平臺的仿生機械臂的研發

朱圣強 王思賢 楊聶維 杜家棟 司海旭

摘 要 如今，由于無人機優異的性能，已逐漸替代人類，應用于各種行業領域。但仍有部分領域尚未得到應用，人類依然擔負著執行任務的危險，例如除雷排爆，沼澤地、懸崖峭壁上采取草藥等等。基于此，本無人機系統通過無人機平臺搭載仿生機械臂可越過復雜的環境，到達指定區域，利用仿生機械臂，模仿人類的手部動作，執行任務，降低了人類的危險性，提高工作效率。此外，通過理論設計、仿真分析及飛行實驗驗證系統執行任務準確性，具有較好的應用前景。

關鍵詞 無人機 仿生機械臂 工作效率 應用前景

1研究背景與意義

目前，無人機已應用于軍事偵查、地質勘探、有毒氣體監測等各個方面。但仍有局部領域無人機尚未實現，仍需進一步完善，如除雷排爆，沼澤地、懸崖峭壁上采取草藥等等。基于無人機平臺的仿生機械臂研發可有效地代替人類完成此任務，降低任務執行危險性，提高工作效率，具有較好的應用前景。其中，此套裝置共分為無人機平臺與仿生機械臂兩個模塊，無人機平臺采用四旋翼工作平臺，小型且便于攜帶;仿生機械臂基于STM32開發板對手部信號進行處理并傳輸到機械臂，機械臂對應同步實施相應手部動作。

機械臂的研發國內外已有一定的基礎，Roth和Lee等最早對機械臂進行研究，并將工作空間作為機械臂設計準則。Shawky采用非線性控制器對柔性機械臂的位置實行控制，此操作可有效地補償系統建模中模型的不確定性，有效抑制柔性臂的振動。此外，國內學者袁亮，于春梅通過ADAMS和MATLAB虛擬仿真分析機械臂模型。丁偉等K64為核心控制板，MQX_Lite為操作系統，通過與上位機的通信解析相關命令，實現對機械臂的控制。

本文通過STM32開發板，時時模仿操控人員手上的動作，減少操控人員誤操作的概率，旋翼無人機搭載仿生機械臂，可跨越復雜的地形，到達指定的任務區域，具有極大的應用價值。此外，本文對整個系統進行理論建模分析并通過仿真與實驗驗證。設計目標為：旋翼無人機布局采用四旋翼布局，系統起飛重量不超過5kg，機械臂可抓取載荷重量不低于0.5kg，續航時間不低于15min，可有效地代替人類在復雜環境下執行任務，具有較好的應用前景，可為未來在除雷排爆、復雜環境下取物等領域提供一定的技術支持。

2旋翼平臺理論模型建立

2.1旋翼平臺分析流程

首先根據任務要求，估算旋翼平臺的起飛重量，根據起飛重量，選配動力電機，確保動力電機所產生的總拉力大于起飛重量。其次根據動力電機提供與起飛重量相等動力時所消耗的能量選配合適的電池，確保執行任務時續航時間不低于任務要求。然后確定旋翼平臺尺寸，包括電機軸距、中心板、電機座等結構，完成設計方案。最后，試飛驗證并與任務要求進行對比，驗證方案可行性，并進行優化。

2.2起飛重量估算

旋翼無人機常用重量類型包括：起飛重量（WTO）、結構重量（WOE）、載荷重量（WPL）、動力裝置重量（WPE）、其它重量（WTH）。

將機械臂與其抓取載荷認定為旋翼無人機平臺的任務載荷。根據常規經驗估計機械臂質量約為1kg，而抓取任務載荷的質量為0.5kg，所以任務載荷重量WPL為15N。無人機的結構重量因子約為2/9，動力重量因子約為1/3，其它結構約占總重量的1/9。代入式（1）可得旋翼平臺的起飛重量約為45N。

2.3動力電機選配

本文參考廠家提供的電機性能數據，選擇的電機為颶風3508電機，電機轉速參數kv值為380kv，選擇的槳尺寸為DJI15*5，具體參數如表1所示。

四個電機可提供的最大總拉力為75.6N，滿足旋翼無人機動力要求。此外，由于最大電流13.9A，則采用20A電調即可滿足要求。

2.4電池選配

由于起飛重量約為45N，每個電機則產生的拉力約為11.25N。假設電機在電流5A～7A之間，拉力隨電流是線性變化的，則單個電機所需的電流為6A。選用6S電池，由于電機總共所需的電流為24A，為滿足任務要求，選用的電池儲能為8000mah、25C，在24A電流放電下可續航達到20min。

2.5結構尺寸確定

如圖1所示，為設計的旋翼尺寸，其中槳葉直徑采用15英寸（381mm）的碳槳，結構的軸距AC、BD為875mm，O為中心點。

3仿生機械臂模型建立

如圖2所示，當操作人員手指運動時，其會帶動連接臂進行旋轉，連接臂帶動搖臂繞旋轉中心旋轉，從而輸入信號。輸入的信號通過STM32開發板進行處理，并將處理后的命令通過433無線傳輸模塊，傳輸到仿生機械臂。從圖中可得，仿真機械臂可有效地模擬操作人員的手上動作，并可實現抓取的功能。

4仿真驗證

為使系統性能達到最佳，需保證滿足結構強度的情況下，質量達到最低，因此，對無人機平臺進行結構強度損傷仿真分析。無人機平臺均采用碳纖維復合材料。材料密度為1.62 g/cm3，楊氏模量為9.3GPa，泊松比為0.32。

通過ABAQUS軟件，對無人機平臺的結構強度進行建模分析。其中，機械臂的形狀不影響無人機平臺的結構強度分析，轉化成任務載荷。4個電機座施加固定約束，中心板下端施加方向向下45N的力。分析得到的結果如圖3、圖4所示。

從圖中可發現，無人機飛行平臺的最大受力區域位于機臂與電機座連接處，所受到最大應力強度為11.56pa;無人機飛行平臺的最大變形量位于中心板中央，變形量為5.22mm。因此，通過分析驗證系統的結構強度滿足強度設計要求，具有一定的合理性。

5總結與展望

通過對基于無人機平臺的仿生機械臂的分析與驗證，共得到以下結論：

（1）建立了旋翼平臺模型及機械臂平臺模型。通過理論分析計算，得到系統起飛重量、電池、電機等參數以及機械臂控制原理，選擇合適型號的電池、電機等，滿足設計要求;

（2）利用ABAQUS軟件、對系統的結構強度進行分析，分析結果表明，系統結構強度滿足設計要求，其最大受力區域位于機臂與電機座連接處，最大應力為11.56pa;此外，系統全部采用復合材料，變形量小，其最大變形量位于中心板中央，為5.22mm。

參考文獻

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