专利摘要

一种转动式并联型飞行机械臂系统及期望转角解算方法，属于机器人空中操作手领域。本发明为解决现有串联型飞行机械臂载荷能力低，精度较低并且运行速度较慢的问题。系统包括：四旋翼飞行器、并联机械臂机构、集控模块和执行机构，所述四旋翼飞行器下表面中心位置安装集控模块；并联机械臂机构的首端连接四旋翼飞行器，末端与执行机构可拆卸连接；所述并联机械臂机构具有六自由度可转动结构，可带动执行机构以期望的位姿到达任务点。本发明可实现复杂作业的空中操作。

权利要求

1.一种转动式并联型飞行机械臂系统的期望转角解算方法，基于转动式并联型飞行机械臂系统实现，所述飞行机械臂系统包括四旋翼飞行器、并联机械臂机构、集控模块(3)和执行机构(15)，

所述四旋翼飞行器下表面中心位置安装集控模块(3)；并联机械臂机构的首端连接四旋翼飞行器，末端与执行机构(15)可拆卸连接；

所述并联机械臂机构具有六自由度可转动结构，带动执行机构(15)以期望的位姿到达任务点；

所述四旋翼飞行器包括螺旋桨(1)、无刷电机(2)、机臂(4)和旋翼机底盘(5)，

所述机臂(4)为四根，连接成十字结构；每个机臂(4)的末端上表面固定一个无刷电机(2)，每个无刷电机(2)的输出轴上安装一个螺旋桨(1)；十字结构连接的四根机臂(4)居中固定在旋翼机底盘(5)的上表面；旋翼机底盘(5)的下表面中心位置安装集控模块(3)；所述旋翼机底盘(5)呈正六边形结构；

所述并联机械臂机构包括支撑柱(6)、并联机械臂定平台(7)、直流伺服电机(8)、两自由度连接机构(9)、电机摇臂(10)、连杆(11)、三自由度连接机构(12)和并联机械臂动平台(13)，

所述并联机械臂定平台(7)呈正六边形结构，与旋翼机底盘(5)大小相同，并且同轴配置；并联机械臂定平台(7)与旋翼机底盘(5)之间通过均匀分布的六个支撑柱(6)连接；

所述并联机械臂定平台(7)对应于每条边的位置各设置一台直流伺服电机(8)，每台直流伺服电机(8)的转动平面垂直于并联机械臂定平台(7)的对应边；每台直流伺服电机(8)的输出轴套接在一个电机摇臂(10)的凸起端内，电机摇臂(10)的末端通过两自由度连接机构(9)连接一根连杆(11)的首端，每个连杆(11)的末端通过一个三自由度连接机构(12)与并联机械臂动平台(13)连接；六个三自由度连接机构(12)与并联机械臂动平台(13)的连接点共圆；

所述并联机械臂定平台(7)对应于每条边的位置设置一个缺口，在直流伺服电机(8)的带动下，每个所述电机摇臂(10)带动对应的两自由度连接机构(9)从一个所述缺口穿过，从而带动执行机构(15)改变位姿；

所述缺口包括矩形缺口；每个矩形缺口与并联机械臂定平台(7)的相应边垂直；

所述直流伺服电机(8)处于并联机械臂定平台(7)对应边与矩形缺口长边的夹角之内，并靠近并联机械臂定平台(7)对应边的边缘；

相邻矩形缺口在并联机械臂定平台(7)旋转60度后相互重合；

所述两自由度连接机构(9)和三自由度连接机构(12)的结构相同，均包括公铰链(16)、十字轴(17)和母铰链(18)；十字轴(17)的一个轴与公铰链(16)转动连接，十字轴(17)的另一个轴与母铰链(18)转动连接；

所述两自由度连接机构(9)中，公铰链(16)固定于电机摇臂(10)末端凹陷孔内，使公铰链(16)不可旋转；母铰链(18)连接连杆(11)的首端；

所述三自由度连接机构(12)中，母铰链(18)与连杆(11)的末端连接，公铰链(16)设置在并联机械臂动平台(13)上对应设置的贯穿孔内，与并联机械臂动平台(13)转动连接；

所述集控模块(3)包括旋翼机集成模块和并联机械臂控制模块；

所述旋翼机集成模块包括电源模块、传感器模块和飞行控制器模块，电源模块用于为四旋翼飞行器提供工作电源，传感器模块用于实时获取四旋翼飞行器的运动状态，飞行控制器模块用于根据飞行器控制信号或飞行器期望轨迹控制四旋翼飞行器的运行；

所述并联机械臂控制模块包括电源、主控板和信号收发装置，其中电源用于为并联机械臂机构提供工作电源，主控板用于根据机械臂控制信号或机械臂末端期望轨迹控制并联机械臂机构末端的位姿，并通过信号收发装置与地面站交互；

所述并联机械臂机构还包括末端传感器模块，所述末端传感器模块固定于并联机械臂动平台(13)的中心，用于实时获取并联机械臂机构末端当前运动状态；

所述执行机构(15)包括执行手爪或航拍相机；

当所述执行机构(15)为执行手爪时，执行手爪通过舵机(14)驱动；

其特征在于，所述解算方法包括：

步骤一：获取四旋翼飞行器的运动状态及并联机械臂机构末端当前运动状态，并计算获得四旋翼飞行器的旋转矩阵；

步骤二：飞行控制器模块结合所述当前运动状态控制四旋翼飞行器到达任务点预定范围内；

步骤三：地面站根据作业要求，规划机械臂末端期望轨迹，并通过信号收发装置发送至主控板；

步骤四：根据向量关系，建立并联机械臂机构的逆运动学模型，将机械臂末端期望轨迹中当前任务点所需机械臂末端位姿转化为直流伺服电机(8)电机轴上等效旋转点与并联机械臂动平台(13)连接点之间的虚拟杆长；

步骤五：将所述虚拟杆长解算为直流伺服电机(8)的期望旋转角度；

步骤六：并联机械臂控制模块控制相应的直流伺服电机(8)转动至期望旋转角度，同时控制执行机构(15)动作。

2.根据权利要求1所述的转动式并联型飞行机械臂系统的期望转角解算方法，其特征在于，

步骤一中，所述四旋翼飞行器在惯性坐标系下的旋转矩阵为R1：

式中c表示余弦运算，s表示正弦运算；表示四旋翼飞行器的滚转角，θ1表示四旋翼飞行器的俯仰角，ψ1表示四旋翼飞行器的偏航角；

欧拉角Φ1为：所述并联机械臂机构末端在惯性坐标系下的旋转矩阵为R2；

旋转矩阵R2的计算方法与旋转矩阵R1的计算方法相同；

对应的欧拉角Φ2为：

表示并联机械臂机构末端的滚转角，θ2表示并联机械臂机构末端的俯仰角，ψ2表示并联机械臂机构末端的偏航角；

步骤三中，所述规划机械臂末端期望轨迹包括：

在点到点工作模式下，地面站在机械臂末端当前位姿和目标位姿之间进行三次多项式插值，得到惯性坐标系下机械臂末端期望坐标P2d和期望欧拉角Φ2d；

则期望轨迹的旋转矩阵R2d为：

表示并联机械臂机构末端期望轨迹的滚转角，θ2d表示并联机械臂机构末端期望轨迹的俯仰角，ψ2d表示并联机械臂机构末端期望轨迹的偏航角；

计算机械臂末端期望轨迹点在机体坐标系中的坐标P：P＝P2d-P1；式中P1表示四旋翼飞行器在惯性坐标系下的坐标；则机械臂末端期望轨迹点在机体坐标系中的旋转矩阵R为：

将旋转矩阵R通过信号收发装置发送至主控板。

3.根据权利要求2所述的转动式并联型飞行机械臂系统的期望转角解算方法，其特征在于，

步骤四中，将两自由度连接机构(9)的十字轴(17)的中心沿对应的电机摇臂(10)方向移动至对应电机轴上，获得等效旋转点Bi；六个等效旋转点共圆；

将六个等效旋转点Bi在机体坐标系中表示为bi：

bi＝[rbcosδi rbsinδi h]T，

式中i＝1，2，3，……，6；

式中rb为等效旋转点Bi到六个等效旋转点所在圆中心的距离，δi为等效旋转点Bi与六个等效旋转点所在圆中心的连线对应的旋转角度，h为六个等效旋转点所在平面与机体坐标系XOY平面之间的距离；

同样地，将并联机械臂动平台(13)上的六个连接点Ci在机械臂末端坐标系中表示为ci：

ci＝[rccosγi rcsinγi 0]T，

式中rc为连接点Ci到六个连接点所在圆中心的距离，γi为连接点Ci与六个连接点所在圆中心的连线对应的旋转角度；

将Bi与Ci连接后获得在机体坐标系中表示为li：

li＝P+Rci-bi， (3)

通过对式(3)进行取模运算，建立并联机械臂机构的逆运动学模型，则所述虚拟杆长|li|为：

步骤五中，以Bi为原点建立解算坐标系，其坐标轴方向与机体坐标系相同；BiJi代表长度为p的电机摇臂(10)，CiJi代表长度为q的连杆(11)，αi为待求解的电机期望旋转角度，βi为直流伺服电机(8)的转动平面与解算坐标中XBiZ平面构成的夹角，

则两自由度连接机构(9)的十字轴(17)的中心Ji在解算坐标系下的坐标表示为：

将虚拟杆长向量li在解算坐标系下的三轴分量分别记为lix、liy、liz，根据余弦定理得到：

为简化表达式，进行如下变量替换：

根据辅助角公式得到：

进而求解αi，得到期望旋转角度的两个解αi1和αi2：

选取与直流伺服电机(8)当前旋转角度最接近的一个解作为期望旋转角度。

说明书

技术领域

本发明涉及转动式并联型飞行机械臂系统及期望转角解算方法，属于机器人空中操作手领域。

背景技术

随着科学技术的不断发展，无人机已被广泛应用于航拍侦查、电力巡检、农药喷洒等非接触式的应用场合。然而，单纯的无人机难以胜任诸如飞行抓取类复杂的、需要主动操作的任务。近年来，科研人员尝试将机械臂安装在飞行器上，构成飞行机械臂系统。此举措极大地拓展了机器人的工作范围和灵活性，丰富了作业类型，因而具有广泛的应用前景。

按照机械臂结构的不同，飞行机械臂可分为串联型飞行机械臂和并联型飞行机械臂。现有飞行机械臂基本都是串联型的，其具有成本低廉、结构简单、工作范围大等优点，相关研究较为丰富。例如，现有带有柔性抓取器的飞行机械臂中，将多旋翼飞行器、多自由度串联型机械臂、柔性抓取器依次相连，使之能够适应目标物体的外形，提高了抓取任务的成功率。另外，现有面向抓取作业型旋翼飞行机械臂系统中，将七自由度冗余机械臂挂载在六旋翼飞行器上，并在其末端安装欠驱动柔顺手爪，进一步增加了作业的灵活性，有助于完成物体的快速捕捉和搬运任务。

然而，上述串联型飞行机械臂系统仅能执行一些诸如飞行抓取、移动轻质量物体之类简单的任务，且存在载荷能力低、精度较低、运行速度慢等缺点，因而限制了其在需要向外界提供较大的力或力矩的场合中的应用，例如高压输电线路上替代人工去抓取锤子敲击待加固的部件。

飞行机械臂系统还有另外一个潜在的应用场景：近距离拍摄。云台的出现解决了机载摄像头需要实时调整姿态角的问题。但由于云台自由度较低，当无人机位置由于环境影响而产生小幅扰动时，摄像头也会发生偏移，从而影响近距离拍摄的效果。这就需要一种既能够调整摄像头姿态角，也能够根据扰动实时调整摄像头位置的机器人机构。

发明内容

针对现有串联型飞行机械臂载荷能力低，精度较低并且运行速度较慢的问题，本发明提供一种转动式并联型飞行机械臂系统及期望转角解算方法。

本发明提供了一种转动式并联型飞行机械臂系统，包括四旋翼飞行器、并联机械臂机构、集控模块3和执行机构15，

所述四旋翼飞行器下表面中心位置安装集控模块3；并联机械臂机构的首端连接四旋翼飞行器，末端与执行机构15可拆卸连接；

所述并联机械臂机构具有六自由度可转动结构，可带动执行机构15以期望的位姿到达任务点。

根据本发明的转动式并联型飞行机械臂系统，所述四旋翼飞行器包括螺旋桨1、无刷电机2、机臂4和旋翼机底盘5，

所述机臂4为四根，连接成十字结构；每个机臂4的末端上表面固定一个无刷电机2，每个无刷电机2的输出轴上安装一个螺旋桨1；十字结构连接的四根机臂4居中固定在旋翼机底盘5的上表面；旋翼机底盘5的下表面中心位置安装集控模块3；所述旋翼机底盘5呈正六边形结构。

根据本发明的转动式并联型飞行机械臂系统，所述并联机械臂机构包括支撑柱6、并联机械臂定平台7、直流伺服电机8、两自由度连接机构9、电机摇臂10、连杆11、三自由度连接机构12和并联机械臂动平台13，

所述并联机械臂定平台7呈正六边形结构，与旋翼机底盘5大小相同，并且同轴配置；并联机械臂定平台7与旋翼机底盘5之间通过均匀分布的六个支撑柱6连接；

所述并联机械臂定平台7对应于每条边的位置各设置一台直流伺服电机8，每台直流伺服电机8的转动平面垂直于并联机械臂定平台7的对应边；每台直流伺服电机8的输出轴套接在一个电机摇臂10的凸起端内，电机摇臂10的末端通过两自由度连接机构9连接一根连杆11的首端，每个连杆11的末端通过一个三自由度连接机构12与并联机械臂动平台13连接；六个三自由度连接机构12与并联机械臂动平台13的连接点共圆；

所述并联机械臂定平台7对应于每条边的位置设置一个缺口，在直流伺服电机8的带动下，每个所述电机摇臂10可带动对应的两自由度连接机构9从一个所述缺口穿过，从而带动执行机构15改变位姿。

根据本发明的转动式并联型飞行机械臂系统，所述缺口包括矩形缺口；每个矩形缺口与并联机械臂定平台7的相应边垂直；

所述直流伺服电机8处于并联机械臂定平台7对应边与矩形缺口长边的夹角之内，并靠近并联机械臂定平台7对应边的边缘；

相邻矩形缺口在并联机械臂定平台7旋转60度后相互重合。

根据本发明的转动式并联型飞行机械臂系统，所述两自由度连接机构9和三自由度连接机构12的结构相同，均包括公铰链16、十字轴17和母铰链18；十字轴17的一个轴与公铰链16可转动连接，十字轴17的另一个轴与母铰链18可转动连接；

所述两自由度连接机构9中，公铰链16固定于电机摇臂10末端凹陷孔内，使公铰链16不可旋转；母铰链18连接连杆11的首端；

所述三自由度连接机构12中，母铰链18与连杆11的末端连接，公铰链16设置在并联机械臂动平台13上对应设置的贯穿孔内，与并联机械臂动平台13可转动连接。

根据本发明的转动式并联型飞行机械臂系统，所述集控模块3包括旋翼机集成模块和并联机械臂控制模块；

所述旋翼机集成模块包括电源模块、传感器模块和飞行控制器模块，电源模块用于为四旋翼飞行器提供工作电源，传感器模块用于实时获取四旋翼飞行器的运动状态，飞行控制器模块用于根据飞行器控制信号或飞行器期望轨迹控制四旋翼飞行器的运行；

所述并联机械臂控制模块包括电源、主控板和信号收发装置，其中电源用于为并联机械臂机构提供工作电源，主控板用于根据机械臂控制信号或机械臂末端期望轨迹控制并联机械臂机构末端的位姿，并通过信号收发装置与地面站交互；

所述并联机械臂机构还包括末端传感器模块，所述末端传感器模块固定于并联机械臂动平台13的中心，用于实时获取并联机械臂机构末端当前运动状态。

根据本发明的转动式并联型飞行机械臂系统，所述执行机构15包括执行手爪或航拍相机；

当所述执行机构15为执行手爪时，执行手爪通过舵机14驱动。

本发明还提供了一种转动式并联型飞行机械臂系统的期望转角解算方法，基于所述转动式并联型飞行机械臂系统实现，所述解算方法包括：

步骤一：获取四旋翼飞行器的运动状态及并联机械臂机构末端当前运动状态，并计算获得四旋翼飞行器的旋转矩阵；

步骤二：飞行控制器模块结合所述当前运动状态控制四旋翼飞行器到达任务点预定范围内；

步骤三：地面站根据作业要求，规划机械臂末端期望轨迹，并通过信号收发装置发送至主控板；

步骤四：根据向量关系，建立并联机械臂机构的逆运动学模型，将机械臂末端期望轨迹中当前任务点所需机械臂末端位姿转化为直流伺服电机8电机轴上等效旋转点与并联机械臂动平台13连接点之间的虚拟杆长；

步骤五：将所述虚拟杆长解算为直流伺服电机8的期望旋转角度；

步骤六：并联机械臂控制模块控制相应的直流伺服电机8转动至期望旋转角度，同时控制执行机构15动作。

根据本发明的转动式并联型飞行机械臂系统的期望转角解算方法，

步骤一中，所述四旋翼飞行器在惯性坐标系下的旋转矩阵为R1：

式中c表示余弦运算，s表示正弦运算； 表示四旋翼飞行器的滚转角，θ1表示四旋翼飞行器的俯仰角，ψ1表示四旋翼飞行器的偏航角；

欧拉角Φ1为：

所述并联机械臂机构末端在惯性坐标系下的旋转矩阵为R2；

对应的欧拉角Φ2为：

表示并联机械臂机构末端的滚转角，θ2表示并联机械臂机构末端的俯仰角，ψ2表示并联机械臂机构末端的偏航角；

步骤三中，所述规划机械臂末端期望轨迹包括：

在点到点工作模式下，地面站在机械臂末端当前位姿和目标位姿之间进行三次多项式插值，得到惯性坐标系下机械臂末端期望坐标P2d和期望欧拉角Φ2d；

则期望轨迹的旋转矩阵R2d为：

表示并联机械臂机构末端期望轨迹的滚转角，θ2d表示并联机械臂机构末端期望轨迹的俯仰角，ψ2d表示并联机械臂机构末端期望轨迹的偏航角；

计算机械臂末端期望轨迹点在机体坐标系中的坐标P：P＝P2d-P1；式中P1表示四旋翼飞行器在惯性坐标系下的坐标；则机械臂末端期望轨迹点在机体坐标系中的旋转矩阵R为：

将旋转矩阵R通过信号收发装置发送至主控板。

根据本发明的转动式并联型飞行机械臂系统的期望转角解算方法，

步骤四中，将两自由度连接机构9的十字轴17的中心沿对应的电机摇臂10方向移动至对应电机轴上，获得等效旋转点Bi；六个等效旋转点共圆；

将六个等效旋转点Bi在机体坐标系中表示为bi：

bi＝[rb cosδi rb sinδi h]T，

式中i＝1，2，3，……，6；

式中rb为等效旋转点Bi到六个等效旋转点所在圆中心的距离，δi为等效旋转点Bi与六个等效旋转点所在圆中心的连线对应的旋转角度，h为六个等效旋转点所在平面与机体坐标系XOY平面之间的距离；

同样地，将并联机械臂动平台13上的六个连接点Ci在机械臂末端坐标系中表示为ci：

ci＝[rccosγi rcsinγi 0]T，

式中rc为连接点Ci到六个连接点所在圆中心的距离，γi为连接点Ci与六个连接点所在圆中心的连线对应的旋转角度；

将Bi与Ci连接后获得 在机体坐标系中表示为li：

li＝P+Rci-bi， (3)

通过对式(3)进行取模运算，建立并联机械臂机构的逆运动学模型，则所述虚拟杆长|li|为：

步骤五中，以Bi为原点建立解算坐标系，其坐标轴方向与机体坐标系相同；BiJi代表长度为p的电机摇臂10，CiJi代表长度为q的连杆11，αi为待求解的电机期望旋转角度，βi为直流伺服电机8的转动平面与解算坐标中XBiZ平面构成的夹角，

则两自由度连接机构9的十字轴17的中心Ji在解算坐标系下的坐标表示为：

将虚拟杆长向量li在解算坐标系下的三轴分量分别记为lix、liy、liz，根据余弦定理得到：

为简化表达式，进行如下变量替换：

根据辅助角公式得到：

进而求解αi，得到期望旋转角度的两个解αi1和αi2：

选取与直流伺服电机8当前旋转角度最接近的一个解作为期望旋转角度。

本发明的有益效果：本发明可实现复杂作业的空中操作。所述系统具有承载能力强、精度高、速度快、刚度大等优点，适用于接触环境的复杂作业。

本发明系统将转动式的六自由度并联型飞行机械臂安装在旋翼飞行器上，使机械臂末端能够在工作范围内以合适的位姿到达任务点，拓展了旋翼飞行器的灵活性，增加了作业时的稳定性和效率，因此能够胜任与外部环境接触的复杂作业任务。同时，并联型飞行机械臂能够有效补偿旋翼飞行器的位姿扰动，使其在近距离拍摄任务中取得更好的效果。

相比于串联型飞行机械臂，本发明中并联结构的约束使机械臂能够提供更高的载荷和位姿精度，允许执行高速加速，且运动学逆解形式简单、解算方便，有利于所述解算方法的实际应用。

本发明的末端执行机构采用模块化设计思想，便于安装和拆卸，根据任务类型可随时更换不同的末端执行装置，拓展了本发明的应用范围。

附图说明

图1是本发明所述转动式并联型飞行机械臂系统的结构示意图；

图2是并联机械臂定平台的结构示意图；

图3是两自由度连接机构和三自由度连接机构的结构示意图；

图4是并联机械臂的虚拟杆长、电机摇臂和连杆之间几何关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1所示，本发明的第一方面提供了一种转动式并联型飞行机械臂系统，包括四旋翼飞行器、并联机械臂机构、集控模块3和执行机构15，

所述四旋翼飞行器下表面中心位置安装集控模块3；并联机械臂机构的首端连接四旋翼飞行器，末端与执行机构15可拆卸连接；

所述并联机械臂机构具有六自由度可转动结构，可带动执行机构15以期望的位姿到达任务点。

进一步，结合图1所示，所述四旋翼飞行器包括螺旋桨1、无刷电机2、机臂4和旋翼机底盘5，

所述机臂4为四根，连接成十字结构，是700轴距机架的组成部分；每个机臂4的末端上表面固定一个无刷电机2，每个无刷电机2的输出轴上安装一个螺旋桨1；十字结构连接的四根机臂4居中固定在旋翼机底盘5的上表面；旋翼机底盘5的下表面中心位置安装集控模块3；所述旋翼机底盘5呈正六边形结构。

本实施方式中，所述机臂4和旋翼机底盘5构成机架，机架是承载整个系统的基本结构。其中相邻两根机臂4互相垂直；旋翼机底盘5尺寸大小不低于并联机械臂定平台7大小，可与并联机械臂定平台7外围尺寸相等。

每个无刷电机2均连有电子调速器。螺旋桨1、无刷电机2以及电子调速器构成动力模块。

再进一步，结合图1所示，所述并联机械臂机构包括支撑柱6、并联机械臂定平台7、直流伺服电机8、两自由度连接机构9、电机摇臂10、连杆11、三自由度连接机构12和并联机械臂动平台13，

所述并联机械臂定平台7呈正六边形结构，与旋翼机底盘5大小相同，并且同轴配置；并联机械臂定平台7与旋翼机底盘5之间通过均匀分布的六个支撑柱6连接；

所述并联机械臂定平台7对应于每条边的位置各设置一台直流伺服电机8，每台直流伺服电机8的转动平面垂直于并联机械臂定平台7的对应边；每台直流伺服电机8的输出轴套接在一个电机摇臂10的凸起端内，电机摇臂10的末端通过两自由度连接机构9连接一根连杆11的首端，每个连杆11的末端通过一个三自由度连接机构12与并联机械臂动平台13连接；六个三自由度连接机构12与并联机械臂动平台13的连接点共圆；

所述并联机械臂定平台7对应于每条边的位置设置一个缺口，在直流伺服电机8的带动下，每个所述电机摇臂10可带动对应的两自由度连接机构9从一个所述缺口穿过，从而带动执行机构15改变位姿。

所述支撑柱6支撑在并联机械臂定平台7与旋翼机底盘5之间，并均匀分布在旋翼机底盘5边缘处，用于将并联机械臂定平台7固定在四旋翼飞行器下方，为集控模块3的安装，以及并联机械臂机构的运动提供空间。

本实施方式包括六组直流伺服电机8、六根电机摇臂10、六根连杆11、连接机构、定平台和动平台。为了降低成本，可将直流伺服电机8替换为舵机，六组电机依次安装在正六边形定平台每条边的边缘，电机转动平面垂直于定平台的对应边。所述并联机械臂动平台13可以选择为圆形，对系统起到约束作用。并联机械臂动平台13上可以设置六个贯穿孔，用于安装三自由度连接机构12的公铰链16，六个贯穿孔的中心共圆。

每个直流伺服电机8均安装有编码器作为反馈控制的基础，直流伺服电机8的安装位置紧贴并联机械臂定平台7的对应边和所述矩形的长边，且直流伺服电机8转动平面垂直于定平台的对应边。

再进一步，结合图1和图2所示，所述缺口包括矩形缺口；每个矩形缺口与并联机械臂定平台7的相应边垂直；

所述直流伺服电机8处于并联机械臂定平台7对应边与矩形缺口长边的夹角之内，并靠近并联机械臂定平台7对应边的边缘；

相邻矩形缺口在并联机械臂定平台7旋转60度后相互重合。

所述并联机械臂定平台7的俯视图如图2所示，其每条边上切割出的矩形，所述矩形应略大于两自由度连接机构9和电机摇臂10的总体尺寸，使电机摇臂10能够正常转动至并联机械臂定平台7的上方，从而有效拓展并联机械臂的工作范围。

本发明中，旋翼飞行器与并联机械臂可采用支柱结构相连，模块遵循集成化思想，同时定平台按矩形切割，使得机械臂摇臂能够转动至机械臂定平台的上方，从而拓展了机械臂的工作范围。

再进一步，结合图3所示，所述两自由度连接机构9和三自由度连接机构12的结构相同，均包括公铰链16、十字轴17和母铰链18；十字轴17的一个轴与公铰链16可转动连接，十字轴17的另一个轴与母铰链18可转动连接；

所述两自由度连接机构9起到虎克铰的等效作用，其中公铰链16固定于电机摇臂10末端凹陷孔内，使公铰链16不可旋转，母铰链18连接连杆11的首端；

所述三自由度连接机构12起到球铰的等效作用，其中母铰链18与连杆11的末端连接，公铰链16设置在并联机械臂动平台13上对应设置的贯穿孔内，与并联机械臂动平台13可转动连接。

再进一步，结合图1所示，所述集控模块3包括旋翼机集成模块和并联机械臂控制模块；

所述旋翼机集成模块包括电源模块、传感器模块和飞行控制器模块，电源模块用于为四旋翼飞行器提供工作电源，传感器模块用于实时获取四旋翼飞行器的运动状态，飞行控制器模块用于根据飞行器控制信号或飞行器期望轨迹控制四旋翼飞行器的运行；

所述并联机械臂控制模块包括电源、主控板和信号收发装置，其中电源用于为并联机械臂机构提供工作电源，主控板用于根据机械臂控制信号或机械臂末端期望轨迹控制并联机械臂机构末端的位姿，并通过信号收发装置与地面站交互；

所述并联机械臂机构还包括末端传感器模块，所述末端传感器模块固定于并联机械臂动平台13的中心，用于实时获取并联机械臂机构末端当前运动状态。

所述电源模块、传感器模块、飞行控制器模块集成在旋翼飞行器底盘下方的中心位置，确保不影响并联机械臂摇臂的运动。飞行控制器模块接收用户发送的遥控信号或地面工作站规划出来的期望轨迹，来控制动力模块的运行。

所述并联机械臂控制模块的主控板接收地面工作站发送的机械臂期望轨迹，并控制机械臂末端到达相应的位姿。

所述旋翼机集成模块的传感器模块可包括GPS、气压计、三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计等能够实时获取四旋翼飞行器位姿的装置。

所述集控模块3应限制其大小不超过并联机械臂定平台7的内切圆，从而使电机摇臂10能够无阻碍地转动至定平台的上方。

再进一步，结合图1所示，所述执行机构15包括执行手爪或航拍相机；

当所述执行机构15为执行手爪时，执行手爪通过舵机14驱动。在进行操作任务时，末端执行手爪由舵机驱动，经过套接在舵机输出轴上的齿轮传动机构，转化为二指手爪的开闭状态。在主动操作任务中，所述末端执行手爪可通过螺栓等可拆卸的结构与并联机械臂动平台相连接。

进行航拍任务时，将所述末端执行手爪拆卸，并替换为航拍相机固定于并联机械臂动平台。

作为示例，所述末端执行手爪由舵机14驱动，末端执行手爪的齿轮传动机构与舵机14的输出轴相连接，舵机14的转动会调整末端执行手爪的张开程度。

本发明所述系统，还可以进行如下改进：

1)采用更高旋翼数量的飞行器以增加载荷。

2)针对低精度要求的作业，使用舵机来替代直流伺服电机以节约成本。

3)根据任务类型，选择更合适的作业装置来替代末端执行手爪。

4)采用更加节约空间、活动范围更广的二自由度连接机构和三自由度机构连接机构。

具体实施方式二、结合图1至图4所示，本发明的另一方面还提供了一种转动式并联型飞行机械臂系统的期望转角解算方法，基于具体实施方式一所述转动式并联型飞行机械臂系统实现，所述解算方法包括：

步骤一：获取四旋翼飞行器的运动状态及并联机械臂机构末端当前运动状态，并计算获得四旋翼飞行器的旋转矩阵；步骤一中，将四旋翼飞行器的欧拉角表示方法转化为旋转矩阵表示；

步骤二：飞行控制器模块结合所述当前运动状态控制四旋翼飞行器到达任务点预定范围内；

步骤三：地面站根据作业要求，规划机械臂末端期望轨迹，并通过信号收发装置发送至主控板；

步骤四：根据向量关系，建立并联机械臂机构的逆运动学模型，将机械臂末端期望轨迹中当前任务点所需机械臂末端位姿转化为直流伺服电机8电机轴上等效旋转点与并联机械臂动平台13连接点之间的虚拟杆长；

步骤五：将所述虚拟杆长解算为直流伺服电机8的期望旋转角度；步骤五中会获得两个期望旋转角度的解，根据实际情况选择一个作为最终的期望旋转角度；

步骤六：并联机械臂控制模块控制相应的直流伺服电机8转动至期望旋转角度，同时控制执行机构15动作。当执行机构15为执行手爪时，直流伺服电机8转动至期望旋转角度后，在抓取任务中同时控制执行手爪在既定抓取点的开闭状态，当到达放置点时张开，完成作业。

进一步，所述步骤一中，首先将惯性坐标系记为{E}，机体坐标系记为{B}，机械臂末端坐标系记为{C}，则根据四旋翼飞行器的传感器模块获取其在惯性坐标系{E}中的坐标表示为P1＝[x1 y1 z1]T，欧拉角表示为

将所述四旋翼飞行器在惯性坐标系下的旋转矩阵为R1：

式中c表示余弦运算，s表示正弦运算； 表示四旋翼飞行器的滚转角，θ1表示四旋翼飞行器的俯仰角，ψ1表示四旋翼飞行器的偏航角；

欧拉角Φ1为：

根据机械臂动平台的传感器模块获取机械臂末端在惯性坐标系{E}中的坐标表示为P2＝[x2 y2 z2]T，通过相同的方法计算机械臂动平台的旋转矩阵R2。

所述并联机械臂机构末端在惯性坐标系下的旋转矩阵为R2；

对应的欧拉角Φ2为：

表示并联机械臂机构末端的滚转角，θ2表示并联机械臂机构末端的俯仰角，ψ2表示并联机械臂机构末端的偏航角；

步骤三中，所述规划机械臂末端期望轨迹包括：

在轨迹跟踪工作模式下，地面工作站生成当前时刻机械臂末端在惯性坐标系{E}中的期望位姿P2d和Φ2d，则整个时间序列即为期望轨迹；在点到点工作模式下，地面站在机械臂末端当前位姿和目标位姿之间进行三次多项式插值，得到惯性坐标系{E}下机械臂末端期望坐标P2d和期望欧拉角Φ2d；

则期望轨迹的旋转矩阵R2d为：

表示并联机械臂机构末端期望轨迹的滚转角，θ2d表示并联机械臂机构末端期望轨迹的俯仰角，ψ2d表示并联机械臂机构末端期望轨迹的偏航角；

计算机械臂末端期望轨迹点在机体坐标系{B}中的坐标P：P＝P2d-P1；式中P1表示四旋翼飞行器在惯性坐标系下的坐标；则机械臂末端期望轨迹点在机体坐标系中的旋转矩阵R为：

将旋转矩阵R通过信号收发装置发送至主控板。

再进一步，结合图4所示，本实施方式步骤四中，将两自由度连接机构9的十字轴17的中心沿对应的电机摇臂10方向移动至对应电机轴上，获得等效旋转点Bi；六个等效旋转点共圆；

将六个等效旋转点Bi在机体坐标系中表示为bi：

bi＝[rbcosδi rbsinδi h]T，

式中i＝1，2，3，……，6；

式中rb为等效旋转点Bi到六个等效旋转点所在圆中心的距离，δi为等效旋转点Bi与六个等效旋转点所在圆中心的连线对应的旋转角度，h为六个等效旋转点所在平面与机体坐标系XOY平面之间的距离；

同样地，将并联机械臂动平台13上的六个连接点Ci在机械臂末端坐标系中表示为ci：

ci＝[rccosγi rcsinγi 0]T，

式中rc为连接点Ci到六个连接点所在圆中心的距离，γi为连接点Ci与六个连接点所在圆中心的连线对应的旋转角度；

bi和ci均为固定参数的向量；

将Bi与Ci连接后获得 根据向量关系， 在机体坐标系中表示为li：

li＝P+Rci-bi，(3)

通过对式(3)进行取模运算，建立并联机械臂机构的逆运动学模型，将机械臂末端期望位姿转化为电机轴上等效旋转点与动平台连接点之间的距离，则所述虚拟杆长|li|为：

公式(4)反映所述并联机械臂的逆运动学模型具有唯一解，且解算方便，这是串联型机械臂所不具备的优势。

步骤五中，以Bi为原点建立解算坐标系，其坐标轴方向与机体坐标系相同；BiJi代表长度为p的电机摇臂10，CiJi代表长度为q的连杆11，αi为待求解的电机期望旋转角度，βi为直流伺服电机8的转动平面与解算坐标中XBiZ平面构成的夹角，为固定参数；

图4给出了并联机械臂的虚拟杆长、电机摇臂10、连杆11之间的三角形关系图，则两自由度连接机构9的十字轴17的中心Ji在解算坐标系下的坐标表示为：

将虚拟杆长向量li在解算坐标系下的三轴分量分别记为lix、liy、liz，根据余弦定理得到：

为简化表达式，进行如下变量替换：

根据辅助角公式得到：

进而求解αi，得到期望旋转角度的两个解αi1和αi2：

选取与直流伺服电机8当前旋转角度最接近的一个解作为期望旋转角度。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

转动式并联型飞行机械臂系统及期望转角解算方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。