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1、面向接触作业的飞行机械臂技术 宋光明 2023年06月29日 机器人传感与控制技术研究所 江苏省远程测控技术重点实验室 东南大学 第六届全国电力机器人技术应用与创新发展论坛 汇报提纲 2 一、研究背景 二、研究现状 三、研究内容 面向接触作业的飞行机械臂技术 一、研究背景 3 多旋翼无人机技术近年来逐渐成熟 传统无人机的主动物理交互作业能力亟待提高 航拍测绘 安防巡检 农林植保 高处环境物理交互作业 高风险 高成本 低效率 人工方式为主 一、研究背景 4 飞行机械臂是由旋翼无人机和机械臂组成的新型飞行机器人系统 无人机 灵活机动 机械臂 交互作业 高风险 高成本 低效率 解决 机械与运载工程领
2、域 TOP10工程研究前沿 机器人与自动化领域近十年研究热点 传统人工高处作业方式三大痛点 一、研究背景 5 运输作业 接触作业 吊挂 抓持 定点 滑动 干预 作业对象没有环境约束 相关技术开展研究早 逐渐成熟并推广应用 作业对象受到环境约束 接触交互效应持续存在 交互控制难度高 飞行机械臂的交互作业模式主要分为运输作业和接触作业两类 二、国内外研究现状-运输作业 9 无人机采用线绳或吊舱带载快递、电力施工、消防、军事 吊挂作业 无人机加装抓持器或机械臂提升主动作业能力 抓持作业 直升机下方安装夹爪 美国耶鲁大学,2010 旋翼机上方安装夹爪 日本立命馆大学,2015 旋翼机下方安装机械臂 美
3、国Energid公司,2016 二、国内外研究现状-运输作业-抓持作业 10 常规旋翼无人机+单机械臂/夹爪 常规旋翼无人机+多机械臂/夹爪 异构双机械臂 日本立命馆大学,2018 二自由度机械臂 韩国首尔国立大学,2013 七自由度机械臂 德国宇航中心,2016 折叠伸缩臂 韩国首尔国立大学,2018 同构双机械臂 西班牙塞维利亚大学,2017 三自由度并联臂 法国国家科研中心,2017 仿鸟双腿爪设计 美国斯坦福大学,2021 同构三机械臂 日本立命馆大学,2020 二、国内外研究现状-运输作业-抓持作业 11 全驱动旋翼无人机+机械臂/夹爪 三自由度并联臂 瑞士苏黎世联邦理工学院,202
4、1 六自由度并联臂 美国丹佛大学,2013 单自由度机械臂 法国国家科研中心,2018 四自由度机械臂 中国东北电力大学,2018 四轴组合体+夹爪 韩国首尔国立大学,2018 三自由度机械臂 美国内华达大学,2018 三自由度机械臂 中国东南大学,2023 七自由度机械臂 德国宇航中心,2019 机身固连的侧向支撑臂 德国卡尔斯鲁厄理工学院,2010 二、国内外研究现状-接触作业 12 常规旋翼无人机+机械臂/末端执行器 三自由度并联臂+三自由度末端执行器 荷兰屯特大学,2012 机身固连的侧向边框 瑞士苏黎世联邦理工学院,2014 双机械臂 克罗地亚萨格勒布大学,2014 单自由度机械臂
5、德国马普生物控制论研究所,2015 四自由度机械臂 西班牙塞维利亚大学,2017 单自由度直线伸缩机构 英国布里斯托大学,2018 三自由度并联臂 英国伦敦帝国理工学院,2019 机身固连的延长杆臂 瑞士苏黎世联邦理工学院,2018 Voliro T 瑞士Voliro AG公司,2019 六自由度机械臂 西班牙先进航空航天技术中心,2018 二、国内外研究现状-接触作业 13 全驱动旋翼无人机+机械臂/末端执行器 Skygauge 加拿大Skygauge Robotics公司,2019 两自由度机械臂 法国国家科研中心,2019 机身固连的单杆臂 荷兰屯特大学,2020 机身固连的双杆臂 美国
6、普渡大学,2020 单自由度机械臂 美国新泽西理工学院,2021 二、国内外研究现状-接触作业-电力行业应用 14 树障切割清理 日本立命馆大学,2017 树障切割清理 南京航空航天大学,2019 喷水清洗 澳大利亚Techno Clean公司,2022 线路清障 喷火清障 南方电网广州供电局,2015 光伏清洗 HELIOS系统(无人机+机器人)比利时ART robotics公司,2022 Drone Robot 韩国成均馆大学,2020-2025 二、国内外研究现状-接触作业-电力行业应用 15 Voliro T:电力铁塔涂层测厚 瑞士Voliro AG公司,2021 LineDrone:
7、导线带电检测 加拿大魁北克水电公司,2018 DroneX:线夹无损检测 上海冠域检测科技有限公司,2021 线路巡检 Osprey NPS:线夹电阻测量 美国Linebird公司,2021 二、国内外研究现状-接触作业-电力行业应用 16 Voliro T:叶片防雷装置检测 瑞士Voliro AG公司,2022 风电检测 团队自2015年以来研发了三代飞行机械臂 三、研究内容 抓持作业 常规四轴本体 三自由度机械臂 18 接触作业 常规四轴本体 单自由度机械臂 接触作业 全驱动六轴本体 单杆机械臂 第一代 第二代 第三代 V1.0:常规四轴本体+重心平衡臂+三自由度机械臂 V1.5:全驱六轴
8、本体+三自由度机械臂 三、研究内容-抓持作业型飞行机械臂 19 机构设计 基于实时重心调节的抓取姿态稳定控制方法 三、研究内容-抓持作业型飞行机械臂 20 控制方法-0.13-0.12-0.11-0.1-0.09-0.08-0.02-0.0100.010.02-1001020 x/mmy/mmz/mm基于人工标记的飞行机械臂位姿估计算法 三、研究内容-抓持作业型飞行机械臂 21 控制方法 接近 预备 抓取 离开 ArUco码 标记识别 相机位姿解算 视觉引导的分级控制器 基于RGB-D图像的抓取控制方法 三、研究内容-抓持作业型飞行机械臂 22 控制方法 基于改进YOLOv5模型的旋转目标检测
9、方法 模型 检测精度AP(%)推理速度FPS(帧/秒)R3Det 93.87 11 S2A-Net 94.54 9 本文方法 96.73 63 接近 悬停 抓取 离开 三、研究内容-接触作业型飞行机械臂 23 V2.0:全驱六轴本体+机身固连单杆臂+末端执行器 V3.0:常规四轴本体+单自由度机械臂+末端执行器 机构设计 三、研究内容-接触作业型飞行机械臂V2.0 24 参数名称 参数值 无人机类型 全驱六轴 对角电机轴距 550mm 系统质量(不含电池)2.3kg 无人机最大起飞质量 6.5 kg 机械臂最大负载质量 0.15 kg-3kg 机械臂自由度 0-3 臂展 420mm-500mm
10、 尺寸(长宽高)53 53 40 cm 三、研究内容-接触作业型飞行机械臂V2.0 25 面向接触巡检的鲁棒力/位混合控制 控制方法 接近 接触 滑动 离开 姿态跟踪 速度跟踪 三、研究内容-接触作业型飞行机械臂V2.0 26 三、研究内容-接触作业型飞行机械臂V3.0 27 参数名称 参数值 无人机类型 常规四轴八桨 对角电机轴距 680mm 系统质量(不含电池)3.5kg 无人机最大起飞质量 6 kg 机械臂最大负载质量 400g 机械臂自由度 1 臂展 800mm 尺寸(长宽高)130 80 55 cm 三、研究内容-接触作业型飞行机械臂V3.0 28 坐标系名称 定义 惯性坐标系 无人机机体坐标系 机械臂末端执行器坐标系 相机坐标系 三、研究内容-基于飞行机械臂的超声测厚系统 29 用于高处金属设施壁厚检测的飞行机械臂系统 阶梯金属板超声测厚实验 飞行机械臂 无线高清图传 无线超声测厚仪 金属设施表面 上位机 手持地面站 30 三、研究内容-风电叶片防雷导通测试系统 汇报完毕 谢谢!31 宋光明 机器人传感与控制技术研究所 江苏省远程测控技术重点实验室 东南大学 2023年06月29日