有“双手”的空中机器人：突破传统限制，将无人机和机械手相结合

文|芝士派讲解员

编辑|芝士派讲解员

随着导航和控制技术的不断成熟，无人机（UAV）已广泛应用于越来越多的领域，如航拍、电力线巡检、环境建模、测量等。

不过这些应用大多通过飞行平台上的摄像头感知环境，不能主动操作外部环境，限制了空中机器人的实际应用范围。

所以近年来，一种由多自由度机械手和飞行平台组成的具有主动操作能力的新型空中机器人逐渐成为研究热点。

将多自由度机械手和无人机进行结合是否具有可行性？这样研究又具有怎样的挑战？

①

长“手”的无人机

对于空中操纵器来说，在户外环境中完成双臂协同操作是一项具有挑战性的任务，双臂机械手系统专为空中操纵应用而设计，具有重量轻、惯性低、人形手臂结构等特点。

手臂结构由定制的铝制部件组成，每个机械手包含四个自由度，类似于人体关节的布置，包括肩部偏航、肩部俯仰、肘部俯仰和腕部滚动。

与传统无人机相比，在飞行平台上携带机械手的操作空中机器人显然可以突破限制，处理更多的操作场景，如高空传感器安装、空中维护、人类无法进入的区域进行货物采样等。

因此空中机械手具有广阔的发展前景，并引起了大量研究人员和商业公司的关注，机械手的空中运动影响飞行平台系统的实时稳定性，因此空中作业比地面作业更具挑战性。

对于潜在的空中操作应用，许多研究团队已经设计了各种空中操纵器系统，由于系统控制的建模简单，单臂结构易于布置在系统的质心处，现有的研究主要集中在单臂空中机械手。

空中机械手抓取或接触物体的主要挑战是如何解决机械手运动和外力对飞机稳定性的影响。在之前的研究中，提出了不同的控制策略，并通过相应的空中平台测试进行了验证，包括PI-D 、自适应控制器、多层控制架构[23]和变参数整体反步等。

与单臂空中机械手相比，双臂空中机械手具有操作范围广、抓握稳定的特点，更重要的是可以进行复杂的空中人形双手操作，因此近年来，越来越多的研究人员对双臂空中机械手进行了研究。

从现有的研究来看，关于双臂或多臂空中操纵器的研究很少，而且大多是近年来才开始的,现有研究主要集中在空中机械手的结构设计、系统建模、系统稳定控制、机械手接触运行控制算法等方面。

相关的操作测试通常只是简单的空中抓斗测试或模拟验证，到目前为止，关于双臂机械手在复杂装配空中作业中的应用的研究很少，尤其是类似于人类的空中协作双手操作。

图1.用于空中协作操纵的双臂机械手系统。

②

系统描述

双臂机械手更好地将空中机器人的工作范围扩展到目标物体，比如他可以同时抓取和操纵两个不同的物体，或处理单个臂无法操纵的大型物体。

在面对复杂的空中作业要求时，双臂高空机械手显然有很多优势，因为它可以适应多种作业要求，包括实现与人手一样复杂的协同作业。

因此在机械手系统的设计要求主要考虑两个方面：双臂机械手具有运动灵活的特点，可以像人手一样实现协同装配操作，机械手系统可以集成到多旋翼平台中，双臂机械手具有重量轻、转动惯量小的特点。

结构的左右臂对称，每个臂有四个自由度，从顶部（肩部）到底部（腕部）的关节包括肩部偏航、肩部俯仰、肘部俯仰和腕部滚动，与人体关节的排列相似。

整体结构采用仿生设计原理，两只手臂、上臂、前臂肩宽的尺寸比例与人臂相似，这种设计借鉴了人形手臂的结构优势。

图2.8自由度轻巧灵巧双臂机械手结构图.

之后将立体摄像机安装在肩部中间，具有120 的宽视野，低畸变，良好的空间目标检测性能，抓手由执行器控制开合，可以抓取和操作目标物体。

在结构设计中考虑了不同的操作要求，因此夹爪采用模块化设计，这意味着可以针对不同的操作场景更换相应的末端执行器。

为了减少双机械手运动对高空作业平台造成的冲击，多个执行器尽可能靠近高空作业平台的底座放置。

这样机械手质心的位置更接近飞机质心的位置，有利于减少机械手移动时产生的惯性，双臂结构中使用的执行器是机器人专用的智能伺服系统。

这些伺服将电机、齿轮、电子设备和通信集成到一个紧凑的结构中，可以提供高扭矩重量比和伺服系统的实时位置信息。

它还具有温度、电压和锁定转子保护功能，伺服控制方式采用阻尼控制方式，即可设定舵机的保持力，实现机械手在运行过程中的稳定性。

表 1.手臂关节的主要参数。

在设计灵巧的空中操纵器时，另一个重要的问题是如何考虑质量的轻盈性，由于铝和碳纤维的密度为2.8克/厘米3和 1.8 克/厘米3，它们不仅具有低质量密度和高强度性能，而且制造成本较低，因此这两种材料主要用于设计中。

除肩部支撑板外，大多数零件的厚度为2毫米，碳纤维管仅用于前臂结构，直径为24毫米，厚度为2毫米。

如上图所示，不包括双目相机，双臂机械手的总质量为1.9公斤，机械手结构的质量组成包括四个部分，即铝部件、执行器、碳纤维和其他部件。

其中铝件占54.9%，主体结构采用铝材；执行器占36.7%，两个臂包含10个执行器;碳纤维占2.1%，整个结构中只有两个前臂使用碳纤维管，因此比例不高;其他部件占6.3%，包括执行器连接线、连接螺钉和其他连接部件等。

末端执行器的运动范围直接决定了空中机械手的工作空间，其尺寸是衡量双臂机器人性能的重要指标。

工作区是末端执行器可以达到的所有位置和姿势的集合，通过解析公式求解八自由度双臂机械手比较复杂，但用计算机通过数值计算求解相对简单快捷。

为了直观地分析双臂机械手的工作空间，我们建立了机器人模型，并使用MATLAB仿真工具对末端执行器的工作空间进行分析。

在数值计算中，我们会采用蒙特卡罗法求解工作空间，即在双臂机械手各关节旋转角度范围内利用随机函数生成N个随机量，并将得到的关节角度随机值代入正向运动学方程。

从而得到末端执行器的位置，仿真模型中的角度参数设置考虑了实际执行器的角度极限，之后起落架在空中操作过程中缩回，考虑到起落架不会影响机械手的运动。

图3.工作空间分析的模拟模型; YZ平面上的工作区投影; XY平面上的工作区投影;三维工作空间示意图。

在图中，红色圆柱体代表可移动的关节，因此左臂和右臂都有四个相应的红色圆柱体，对于坐标位置显示的红色圆柱体，它不是可移动的关节，而是左臂和右臂对称建模的基准。

这是仿真分析期间的固定约束，为了说明YZ平面上单个机械手的工作空间，肩部偏航关节是固定的，另外两个关节可以移动。

图中还显示了双臂操纵器工作区在 XY 平面上的投影，其中左侧操纵器工作区和右侧操纵器工作区分别以蓝色和红色表示。

并且显示了双臂机械手的三维工作空间示意图，其中的蓝色和红色交叉区域为双臂协同操作可到达的工作空间，并集区域为单臂操作可到达的工作空间。

③

空中操纵系统

我们设计的双臂机械手采用模块化设计，可独立控制和操作，优点是可以轻松集成到商用多旋翼平台中，可以快速有效地进行室外空中作业。

一般来说，在为空中机动应用选择多旋翼平台时，最相关的要求是有效载荷和飞行时间，这决定了平台的尺寸和重量。

同时还应考虑高空作业时起落架对机械手运动范围和工作空间的影响，灵巧轻便的双臂机械手系统集成到大疆经纬 M600 Pro中，其中肩部支撑板结构通过吊耳连接到起落架腿之间的碳纤维横杆上。

图4.具有不同视图的空中操纵系统。

经纬 M600 Pro 的负载可达 6 kg，负载为 16 kg 时悬停时间为 6 min，该系统配备了专业的DJI A3 Pro飞控系统和三套冗余惯性测量单元（IMU）和全球导航卫星系统（GNSS）模块。

A3 Pro采用全面优化的姿态分辨率和多传感器融合算法，系统适应性好，保证飞行稳定，飞行平台的定位精度和悬停稳定性对于机械手在空中的稳定运行至关重要，经纬 M600 Pro 可配备高精度 DJI 实时运动学 （D-RTK） GNSS。

D-RTK采用动态差分技术，理论上可以提供厘米级的定位精度，传统无人机使用气压计来确定高度，非常容易受到气流波动的影响，容易出现严重的高度误差。

而D-RTK可以提供更可靠的高度信息，将为空中机械手运行提供平台稳定性保障。

空中机械手系统由地面控制站发送和控制，ZED 2立体摄像机集成到系统中，其中包括磁力计，气压计和IMU，为地面控制站和空中处理系统提供视觉反馈和相关图像数据。

空中机械手系统配备了一块Jetson Xavier NX电脑板，搭载Ubuntu 18.04 LTS，包括6核NVIDIA Carmel ARM CPU，用于空中视觉图像和信息处理。

任务管理器可以实现空中机械手系统的远程操作、位置控制、视觉伺服等功能，并不断更新每个伺服执行机构的状态信息。

空中飞行系统由六旋翼平台和DJI A3 Pro飞控系统组成，飞行系统可以通过遥控器进行无线控制。

图5.双臂空中机械手系统的硬件/软件架构。

机械手由两组伺服系统组成，每个臂是一个组，每个臂包括三个UART舵机，以及两个用于手腕和夹具的舵机。

每个伺服器都由一个唯一的ID标识，因此控制系统可以单独访问每个伺服执行器以读取其状态并控制其位置。

PCA9685PW伺服驱动器是用于手腕和爪式执行器的驱动板，WiFi/BT模块安装在机械手控制器中，用于机械手控制器和地面控制站之间的数据通信。

双臂空中机械手系统由 22.2 V 6000 mAh 锂聚合物电池供电，由于每个模块的需求电压不同，锂聚合物电池通过降压模块分别提供5 V、8 V和12 V。

双臂空中机械手系统的控制器包括多旋翼平台控制和机械手控制，两部分通过任务管理器集成在一起。

多旋翼平台控制采用商用DJI A3 Pro飞控，机械手控制包括左臂控制器和右臂控制器。机械手系统中的关节伺服是位置伺服，接头的控制命令采用角度值。

图中显示了双臂机械手的控制结构，机械手的轨迹控制基于逆运动学方法，通过所需的轨迹位置（PL,PR） 在笛卡尔空间中，一系列航点 （PkL,PkR）在机械手的末端获得。

通过得到的航点，采用逆运动学解得到角度控制变量（qL,qR）要求机械手各关节的运动，最后使末端执行器的运动轨迹满足所需要求。

图6.手臂控制结构示意图。

在初始状态下，整个机械臂处于垂直状态，夹持器夹紧质量为200g的橡胶圆柱体，整个提升过程由弯头节距关节执行机构旋转以提升外部负载，而其他关节执行机构则固定。

提升过程持续4s，前臂提升角度θ1从0 变化到90 ，当前臂到达水平位置时停止，机械手控制器在均匀的过程中产生弯头节距关节执行机构的旋转角度。

图7.当外部载荷为200 g时，单个机械手的提升载荷试验：（a）θ1= 0 ;（二） θ1= 45 ;（三） θ1= 90 。

下图中显示了弯头节距执行机构的功耗和旋转角度的变化θ2在外部负载提升过程中，通过计算机控制接口获得执行器的实时电压和电流，然后获得功耗。

在此过程中，执行器的旋转角度θ2从 0 到 110 不等，图中分析了弯头执行机构在不同负载和不同测量角度下功耗状态的变化。

图8.在提升200g外部负载测试中弯头执行器的功耗和旋转角度的变化。

在该测试中，肘部执行器的摆动角度每升高10 ，直到旋转角度达到110 ，并将前臂抬高到水平位置，在图中，0 g表示夹具上没有外部载荷，整个提升载荷对应于手臂本身的重量。

图9.不同外部负载下弯头节距执行器的功耗。

操纵器在操作目标物体时的运动轨迹精度和重复性是反映操作性能的重要方面，通过分析机械手在运行过程中的运动轨迹，在测试台上进行相关验证。

具体流程如下：将一个物体放置在位置A，右操纵器需要从位置A抓取物体并将其转移到位置B。

整个测试过程是在布置运动捕捉系统的环境中进行的，如图所示，在右侧机械手的末端固定了一个反射标记，用于运动轨迹捕捉。

运动捕捉系统采用12台红外摄像机进行动作捕捉，动作捕捉精度为0.2毫米，系统采样频率为60秒1帧。

在测试过程中，将同一机械手轨迹控制程序重复三次，记录机械手末端的运动轨迹，从而分析每个关节的精度和可重复性。

图 10.机械手的运动轨迹精度和重复性测试。

为了评估准确性和可重复性，机械手进行了三个完整的操作，这些操作在图中由三种不同颜色的线条表示，从图中可以直观地看到，机械手的运动轨迹在三次完整操作中具有良好的重复性。

图 11.将物体从位置A移动到位置B时机械手的轨迹分析。

进一步定量分析了机械手轨迹的精度和重复性，计算了轨迹1和轨迹2之间的幅值偏差，其中平均误差是轨迹1数据与轨迹2数据对应点的均方根误差，轨迹误差是两个轨迹对应点同时之间的偏差误差。

图中的平均误差为0.56 mm，表明所设计的空中机械手系统具有良好的控制精度，轨迹误差的波动范围在0毫米到2.5毫米之间，这主要是由伺服执行器本身的最小控制精度和结构硬件条件引起的，在可接受的范围内。

图 12.轨迹 1 和轨迹 2 的偏差分析。

双手操作与单臂空中机械手相比，双臂空中机械手具有操作范围广的特点，更重要的是，双臂高空机械手可以用双手进行人形复杂操作，比如两个不同工件的协同操作，这在空中作业场景中也会遇到。

很明显，单臂空中机械手无法完成任务对两个不同工件进行装配操作，以验证设计的机械手系统是否具有协同双手操纵的能力。

图 13.合作双手操作的测试。

下图显示了分别在XZ平面上由左臂和右臂夹紧的两个工件的位置轨迹变化，可以看出，在整个操作过程中，左臂和右臂反光标记的运动轨迹是平滑的，最终可以达到更好的双臂协同操作精度。

通过分析两个操作工件的位置轨迹，可以反映两个手臂的协同操作能力。

图 14.协作双臂操纵试验中的位置轨迹变化分析.

考虑到室外环境的复杂性和多因素影响，开展户外作业和空中机械手系统的应用具有挑战性。

在这些测试中，室外环境的风力等级小于1，飞控系统采用DJI A3 Pro自动驾驶仪，第一部分是悬停操作稳定性测试，包括三组测试：

图 15.肩部偏航关节执行器的旋转角度变化。

测试1：机械臂垂直静止，每个关节执行器不移动，测试悬停在2 m时整个系统的高度位置变化。

测试2：左机械臂不垂直移动，右机械臂的肩部偏航致动器角度旋转，如图15所示，其他关节致动器不动。测试单臂宽范围运动对系统稳定性的影响。测试过程的图像序列如图16a所示。

测试3：左右机械臂的肩部偏航致动器的角度同时旋转，如图15所示，其他关节致动器不移动。测试两个臂运动对系统稳定性的影响。测试过程的图像序列如图16b所示。

图 16.户外悬停操纵稳定性试验图像序列：（a）单臂往复摆动;（b） 双臂往复摆动。

下图显示了悬停测试1期间空中机械手系统的高度位置变化，该变化由附加的激光距离传感器测量。

传感器的可测量距离为0.06-30米，测量精度为厘米级，与预定高度2 m相比，高空作业平台高度变化的最大偏差为19 cm。

室外悬停精度受风、导航、飞控等因素影响，测试中系统的平均悬停精度在10厘米以内。

图 17.双臂机械手静止时悬停高度的变化。

第二部分是双臂协同操作测试。此测试中的操作过程类似于之前的操作过程，目标是将右臂抓住的戒指插入左臂抓住的老板中。

如下图所示，显示了双臂机械手系统的空中操作过程，在此过程中，两个机械手可以平稳地操作两个不同的工件并完成协同操作任务。

试验结果表明，空中双臂机械手系统在户外协同双手操作中是可行的。

图 18.户外双臂协同操作测试的图像序列。

户外环境下高空作业的一个应用难点是，如何控制具有多个执行器的双臂机械手系统进行协同操作。

因此在今后的工作中，将考虑一种基于运动传输的人机交互远程机械手控制，这将使双臂空中机械手系统易于实现复杂的操作动作控制，并且可以更好地应用于具有空中作业任务要求的各种场景。

参考文献：

雷诺索.贡萨尔维斯：土木工程项目的制图：无人机支持的摄影测量。2018

范杨林，刘燕，李磊，彭杰，梁志：对最先进的电力线检测技术的综述。2020

安妮丝.纳尔迪.彼得罗塞利，阿波罗尼奥.阿坎杰莱蒂，陶罗.贝利，比安科尼.格里马尔迪：用于小规模洪水灾害测绘的UAV-DEM。 2020

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END