多旋翼空中操作机器人的一体化设计及动态运动规划

Aerial manipulation robot has attracted high attention in recent years because it is widely considered as the next generation of aerial robot. However, design of this kind of robot is a great challenge since the requirements of flying performance and manipulation performance are contradictory. Moreover, currently there lacks research on the aggressive motion planning and control method for this kind of robot, making the advantage of the robot cannot be realized. .In this project, we aim to develop the integrated design theory and the aggressive motion planning and control method for micro multi-rotor aerial manipulation robot. First, by developing the uniform modeling method of the robot, the integrated design theory of the multi-rotor flying main body and the multi-DOF manipulation mechanism in terms of both flying performance and manipulation performance will be researched. Then, the optimal planning model and its real time solution method for aggressive aerial manipulation will be explored based on the principle analysis of the bio-inspired aggressive aerial manipulation motion. Finally, the hybrid dynamic modeling and control method for the aerial manipulation will be studied. Real time prototypes will be designed and developed based on the theoretical results. Experiments will also be put forward in order to verify the theoretical methods. .The results of the project are significant for solving the existing problems in the current research of multi-rotor aerial manipulation robot. The project is also beneficial to enriching the research theories of aerial robots and promoting the application of aerial manipulation robot.

微小型多旋翼空中操作机器人融合了多旋翼飞行本体敏捷性高、多自由度操作机构操作灵活等优点，但此类机器人在飞行性能与操作性能需求上存在矛盾关系，目前缺乏其动态运动的规划和控制方法，制约了其性能提升。.为此，本项目拟针对多旋翼空中操作机器人的一体化设计、动态运动下的规划和控制方法开展研究。通过建立机器人的整体模型，综合分析其飞行性能和操作性能，研究多旋翼飞行本体和多自由度操作机构的一体化设计方法；探索鹰类空中动态抓捕的运动机理，研究机器人空中动态操作的运动规划优化模型及其实时求解方法；采用混杂系统的相关理论将空中操作分阶段多模式运动的模型与控制综合为一体；研制机器人典型原理样机系统，验证上述理论研究成果。.预期成果将为多旋翼空中操作机器人的研究提供理论指导，有利于充分发挥多旋翼飞行本体和多自由度操作机构的优越性，突破此类机器人在性能提升方面存在的关键问题，对推动空中操作机器人的发展具有重要意义。

针对微小型多旋翼空中操作机器人的机构结构优化设计、位形空间内控制、任务空间内的规划与跟踪等方面的研究已取得创新性理论研究成果。已发表（含录用待发表）SCI期刊论文7篇，其中包括IEEE transactions等国际顶级期刊论文。研制了空中操作机器人原理样机并实验验证了理论研究成果，申请国家发明专利2项。本项目的研究成果对于解决多旋翼空中操作机器人目前研究中存在的基础问题、促进空中操作机器人的应用具有非常重要的价值和意义。.主要研究成果如下：.1、提出了可进行操作任务空间内六自由度轨迹跟踪的空中操作机器人所应满足的条件；综合考虑飞行性能和操作性能的分析体系，对多旋翼空中操作机器人的结构进行了优化设计；针对捕获动态目标的空中操作机器人的结构进行了设计与分析。.2、针对多旋翼空中操作机器人的位形空间内的动态运动控制开展了深入研究，包括：（1）以混杂系统为主要工具对空中操作机器人的运动方程进行了全局描述，并基于此研究了空中操作机器人的全局控制方法；（2）在对空中操作机器人整体动力学进行解耦分析的基础上，研究了采用轨迹线性化控制方法的位形空间内全局控制方法，以及基于直接方法的最优运动规划方法；（3）为提高空中操作机器人的安全性，采用鲁棒控制方法设计了空中操作机器人的在线输入辨识策略以及容错控制机制。.3、以微分平坦特性为基础，研究了空中操作机器人对任务空间内六自由度动态轨迹的跟踪控制器，理论证明了跟踪控制的稳定性；在此基础上研究了空中操作机器人任务空间内六自由度力/位混合控制方法与轨迹规划方法。.4、研制了多旋翼空中操作机器人原理样机，主要成果包括：（1）开发完善了空中机器人的组合导航系统、通讯系统、飞行控制系统等软硬件系统；（2）研制了含多自由度操作机构的四旋翼空中操作机器人原理样机系统；（3）研制了可捕获运动目标的六旋翼空中操作机器人原理样机系统；（4）在原理样机上对理论研究成果进行了验证。