旋翼飞行机器人研究进展

旋翼飞行机器人（rotary-wing flight robot）是一种新型机器人，它是为满足空中自主作业需求而设计的。这种机器人结合了旋翼飞行器（rotary-wing aircraft）与具有多个自由度（degrees of freedom, DOF）的机械臂（manipulators）。旋翼飞行机器人的研究集中于解决在执行任务时，旋翼飞行器、机械臂以及作业目标之间的动态相对运动问题。同时，当机器人与作业目标接触时，会遇到未建模的外力与力矩扰动问题，这给自主控制带来了极大的挑战。 在旋翼飞行机器人的研究中，学者们对其结构演变及关键技术、作业机构集成技术进行了综合研究。研究者们提出并建立了一个初步的自主作业理论体系，该体系主要涵盖以下五个方面： 1. 动力学建模与动力学特性分析：这是理解和预测旋翼飞行机器人在不同飞行条件下的运动响应的基础。动力学模型需要考虑旋翼飞行器的升力、推进力、力矩以及机械臂的质量分布等因素。 2. 动态运动约束/力约束下的协调规划：由于旋翼飞行机器人工作在复杂的空中环境中，必须对其运动进行动态的约束规划，以确保机器人的稳定性和精确性。协调规划是机器人在完成作业任务时，能够同时控制飞行器和机械臂的关键。 3. 非结构环境下的运动和作业控制：在没有固定路径或规则的环境中，旋翼飞行机器人必须能够自主地进行运动控制和作业控制。这要求机器人具备高级的感知和决策能力。 4. 面向任务的动态操作环境感知：对于旋翼飞行机器人而言，感知环境并理解其作业任务是至关重要的。动态操作环境感知能力使机器人能够根据实时获取的数据和信息来执行任务。 5. 面向任务的实验系统构建与实验验证：旋翼飞行机器人的理论研究需要通过实验来验证其有效性和可行性。构建实验系统包括设计测试场景、安排测试任务以及实施实验过程。 旋翼飞行机器人与地面移动机器人结合机械臂等主动式作业机构构成的作业型地面移动机器人系统相比，它们能够在空中执行任务，为执行如反恐防暴、救灾救援等空中作业提供了新的可能性。与地面机器人相比，空中机器人具有更广泛的作业范围和更大的灵活性。 关键词：旋翼飞行机器人；机械臂；动力学建模；协调规划；运动与作业控制；空中自主作业。 中图分类号：TP242。 文献标识码：A。