文|芝士派講解員
編輯|芝士派講解員
隨著導航和控制技術的不斷成熟，無人機（UAV）已廣泛應用于越來越多的領域，如航拍、電力線巡檢、環境建模、測量等。
不過這些應用大多通過飛行平台上的攝像頭感知環境，不能主動操作外部環境，限制了空中機器人的實際應用範圍。
所以近年來，一種由多自由度機械手和飛行平台組成的具有主動操作能力的新型空中機器人逐漸成為研究熱點。
將多自由度機械手和無人機進行結合是否具有可行性？這樣研究又具有怎樣的挑戰？
①
●○長「手」的無人機○●
對於空中操縱器來說，在戶外環境中完成雙臂協同操作是一項具有挑戰性的任務，雙臂機械手系統專為空中操縱應用而設計，具有重量輕、慣性低、人形手臂結構等特點。
手臂結構由定製的鋁製部件組成，每個機械手包含四個自由度，類似於人體關節的布置，包括肩部偏航、肩部俯仰、肘部俯仰和腕部滾動。
與傳統無人機相比，在飛行平台上攜帶機械手的操作空中機器人顯然可以突破限制，處理更多的操作場景，如高空感測器安裝、空中維護、人類無法進入的區域進行貨物採樣等。
因此空中機械手具有廣闊的發展前景，並引起了大量研究人員和商業公司的關注，機械手的空中運動影響飛行平台系統的實時穩定性，因此空中作業比地面作業更具挑戰性。
對於潛在的空中操作應用，許多研究團隊已經設計了各種空中操縱器系統，由於系統控制的建模簡單，單臂結構易於布置在系統的質心處，現有的研究主要集中在單臂空中機械手。
空中機械手抓取或接觸物體的主要挑戰是如何解決機械手運動和外力對飛機穩定性的影響。在之前的研究中，提出了不同的控制策略，並通過相應的空中平台測試進行了驗證，包括PI-D 、自適應控制器、多層控制架構[23]和變參數整體反步等。
與單臂空中機械手相比，雙臂空中機械手具有操作範圍廣、抓握穩定的特點，更重要的是可以進行複雜的空中人形雙手操作，因此近年來，越來越多的研究人員對雙臂空中機械手進行了研究。
從現有的研究來看，關於雙臂或多臂空中操縱器的研究很少，而且大多是近年來才開始的,現有研究主要集中在空中機械手的結構設計、系統建模、系統穩定控制、機械手接觸運行控制演算法等方面。
相關的操作測試通常只是簡單的空中抓鬥測試或模擬驗證，到目前為止，關於雙臂機械手在複雜裝配空中作業中的應用的研究很少，尤其是類似於人類的空中協作雙手操作。
圖1.用於空中協作操縱的雙臂機械手系統。
②
●○系統描述○●
雙臂機械手更好地將空中機器人的工作範圍擴展到目標物體，比如他可以同時抓取和操縱兩個不同的物體，或處理單個臂無法操縱的大型物體。
在面對複雜的空中作業要求時，雙臂高空機械手顯然有很多優勢，因為它可以適應多種作業要求，包括實現與人手一樣複雜的協同作業。
因此在機械手系統的設計要求主要考慮兩個方面：雙臂機械手具有運動靈活的特點，可以像人手一樣實現協同裝配操作，機械手系統可以集成到多旋翼平台中，雙臂機械手具有重量輕、轉動慣量小的特點。
結構的左右臂對稱，每個臂有四個自由度，從頂部（肩部）到底部（腕部）的關節包括肩部偏航、肩部俯仰、肘部俯仰和腕部滾動，與人體關節的排列相似。
整體結構採用仿生設計原理，兩隻手臂、上臂、前臂肩寬的尺寸比例與人臂相似，這種設計借鑒了人形手臂的結構優勢。
圖2.8自由度輕巧靈巧雙臂機械手結構圖.
之後將立體攝像機安裝在肩部中間，具有120°的寬視野，低畸變，良好的空間目標檢測性能，抓手由執行器控制開合，可以抓取和操作目標物體。
在結構設計中考慮了不同的操作要求，因此夾爪採用模塊化設計，這意味著可以針對不同的操作場景更換相應的末端執行器。
為了減少雙機械手運動對高空作業平台造成的衝擊，多個執行器儘可能靠近高空作業平台的底座放置。
這樣機械手質心的位置更接近飛機質心的位置，有利於減少機械手移動時產生的慣性，雙臂結構中使用的執行器是機器人專用的智能伺服系統。
這些伺服將電機、齒輪、電子設備和通信集成到一個緊湊的結構中，可以提供高扭矩重量比和伺服系統的實時位置信息。
它還具有溫度、電壓和鎖定轉子保護功能，伺服控制方式採用阻尼控制方式，即可設定舵機的保持力，實現機械手在運行過程中的穩定性。
表 1.手臂關節的主要參數。
在設計靈巧的空中操縱器時，另一個重要的問題是如何考慮質量的輕盈性，由於鋁和碳纖維的密度為2.8克/厘米3和 1.8 克/厘米3，它們不僅具有低質量密度和高強度性能，而且製造成本較低，因此這兩種材料主要用於設計中。
除肩部支撐板外，大多數零件的厚度為2毫米，碳纖維管僅用於前臂結構，直徑為24毫米，厚度為2毫米。
如上圖所示，不包括雙目相機，雙臂機械手的總質量為1.9公斤，機械手結構的質量組成包括四個部分，即鋁部件、執行器、碳纖維和其他部件。
其中鋁件佔54.9%，主體結構採用鋁材；執行器佔36.7%，兩個臂包含10個執行器;碳纖維佔2.1%，整個結構中只有兩個前臂使用碳纖維管，因此比例不高;其他部件佔6.3%，包括執行器連接線、連接螺釘和其他連接部件等。
末端執行器的運動範圍直接決定了空中機械手的工作空間，其尺寸是衡量雙臂機器人性能的重要指標。
工作區是末端執行器可以達到的所有位置和姿勢的集合，通過解析公式求解八自由度雙臂機械手比較複雜，但用計算機通過數值計算求解相對簡單快捷。
為了直觀地分析雙臂機械手的工作空間，我們建立了機器人模型，並使用MATLAB模擬工具對末端執行器的工作空間進行分析。
在數值計算中，我們會採用蒙特卡羅法求解工作空間，即在雙臂機械手各關節旋轉角度範圍內利用隨機函數生成N個隨機量，並將得到的關節角度隨機值代入正向運動學方程。
從而得到末端執行器的位置，模擬模型中的角度參數設置考慮了實際執行器的角度極限，之後起落架在空中操作過程中縮回，考慮到起落架不會影響機械手的運動。
圖3.工作空間分析的模擬模型; YZ平面上的工作區投影; XY平面上的工作區投影;三維工作空間示意圖。
在圖中，紅色圓柱體代表可移動的關節，因此左臂和右臂都有四個相應的紅色圓柱體，對於坐標位置顯示的紅色圓柱體，它不是可移動的關節，而是左臂和右臂對稱建模的基準。
這是模擬分析期間的固定約束，為了說明YZ平面上單個機械手的工作空間，肩部偏航關節是固定的，另外兩個關節可以移動。
圖中還顯示了雙臂操縱器工作區在 XY 平面上的投影，其中左側操縱器工作區和右側操縱器工作區分別以藍色和紅色表示。
並且顯示了雙臂機械手的三維工作空間示意圖，其中的藍色和紅色交叉區域為雙臂協同操作可到達的工作空間，並集區域為單臂操作可到達的工作空間。
③
●○空中操縱系統○●
我們設計的雙臂機械手採用模塊化設計，可獨立控制和操作，優點是可以輕鬆集成到商用多旋翼平台中，可以快速有效地進行室外空中作業。
一般來說，在為空中機動應用選擇多旋翼平台時，最相關的要求是有效載荷和飛行時間，這決定了平台的尺寸和重量。
同時還應考慮高空作業時起落架對機械手運動範圍和工作空間的影響，靈巧輕便的雙臂機械手系統集成到大疆經緯 M600 Pro中，其中肩部支撐板結構通過吊耳連接到起落架腿之間的碳纖維橫杆上。
圖4.具有不同視圖的空中操縱系統。
經緯 M600 Pro 的負載可達 6 kg，負載為 16 kg 時懸停時間為 6 min，該系統配備了專業的DJI A3 Pro飛控系統和三套冗餘慣性測量單元（IMU）和全球導航衛星系統（GNSS）模塊。
A3 Pro採用全面優化的姿態解析度和多感測器融合演算法，系統適應性好，保證飛行穩定，飛行平台的定位精度和懸停穩定性對於機械手在空中的穩定運行至關重要，經緯 M600 Pro 可配備高精度 DJI 實時運動學 （D-RTK） GNSS。
D-RTK採用動態差分技術，理論上可以提供厘米級的定位精度，傳統無人機使用氣壓計來確定高度，非常容易受到氣流波動的影響，容易出現嚴重的高度誤差。
而D-RTK可以提供更可靠的高度信息，將為空中機械手運行提供平台穩定性保障。
空中機械手系統由地面控制站發送和控制，ZED 2立體攝像機集成到系統中，其中包括磁力計，氣壓計和IMU，為地面控制站和空中處理系統提供視覺反饋和相關圖像數據。
空中機械手系統配備了一塊Jetson Xavier NX電腦板，搭載Ubuntu 18.04 LTS，包括6核NVIDIA CARMel ARM CPU，用於空中視覺圖像和信息處理。
任務管理器可以實現空中機械手系統的遠程操作、位置控制、視覺伺服等功能，並不斷更新每個伺服執行機構的狀態信息。
空中飛行系統由六旋翼平台和DJI A3 Pro飛控系統組成，飛行系統可以通過遙控器進行無線控制。
圖5.雙臂空中機械手系統的硬體/軟體架構。
機械手由兩組伺服系統組成，每個臂是一個組，每個臂包括三個UART舵機，以及兩個用於手腕和夾具的舵機。
每個伺服器都由一個唯一的ID標識，因此控制系統可以單獨訪問每個伺服執行器以讀取其狀態並控制其位置。
PCA9685PW伺服驅動器是用於手腕和爪式執行器的驅動板，WiFi/BT模塊安裝在機械手控制器中，用於機械手控制器和地面控制站之間的數據通信。
雙臂空中機械手系統由 22.2 V 6000 mAh 鋰聚合物電池供電，由於每個模塊的需求電壓不同，鋰聚合物電池通過降壓模塊分別提供5 V、8 V和12 V。
雙臂空中機械手系統的控制器包括多旋翼平台控制和機械手控制，兩部分通過任務管理器集成在一起。
多旋翼平台控制採用商用DJI A3 Pro飛控，機械手控制包括左臂控制器和右臂控制器。機械手系統中的關節伺服是位置伺服，接頭的控制命令採用角度值。
圖中顯示了雙臂機械手的控制結構，機械手的軌跡控制基於逆運動學方法，通過所需的軌跡位置（PL,PR） 在笛卡爾空間中，一系列航點 （PkL,PkR）在機械手的末端獲得。
通過得到的航點，採用逆運動學解得到角度控制變數（qL,qR）要求機械手各關節的運動，最後使末端執行器的運動軌跡滿足所需要求。
圖6.手臂控制結構示意圖。
在初始狀態下，整個機械臂處於垂直狀態，夾持器夾緊質量為200g的橡膠圓柱體，整個提升過程由彎頭節距關節執行機構旋轉以提升外部負載，而其他關節執行機構則固定。
提升過程持續4s，前臂提升角度θ1從0°變化到90°，當前臂到達水平位置時停止，機械手控制器在均勻的過程中產生彎頭節距關節執行機構的旋轉角度。
圖7.當外部載荷為200 g時，單個機械手的提升載荷試驗：（a）θ1= 0°;（二） θ1= 45°;（三） θ1= 90°。
下圖中顯示了彎頭節距執行機構的功耗和旋轉角度的變化θ2在外部負載提升過程中，通過計算機控制介面獲得執行器的實時電壓和電流，然後獲得功耗。
在此過程中，執行器的旋轉角度θ2從 0° 到 110° 不等，圖中分析了彎頭執行機構在不同負載和不同測量角度下功耗狀態的變化。
圖8.在提升200g外部負載測試中彎頭執行器的功耗和旋轉角度的變化。
在該測試中，肘部執行器的擺動角度每升高10°，直到旋轉角度達到110°，並將前臂抬高到水平位置，在圖中，0 g表示夾具上沒有外部載荷，整個提升載荷對應於手臂本身的重量。
圖9.不同外部負載下彎頭節距執行器的功耗。
操縱器在操作目標物體時的運動軌跡精度和重複性是反映操作性能的重要方面，通過分析機械手在運行過程中的運動軌跡，在測試台上進行相關驗證。
具體流程如下：將一個物體放置在位置A，右操縱器需要從位置A抓取物體並將其轉移到位置B。
整個測試過程是在布置運動捕捉系統的環境中進行的，如圖所示，在右側機械手的末端固定了一個反射標記，用於運動軌跡捕捉。
運動捕捉系統採用12台紅外攝像機進行動作捕捉，動作捕捉精度為0.2毫米，系統採樣頻率為60秒1幀。
在測試過程中，將同一機械手軌跡控制程序重複三次，記錄機械手末端的運動軌跡，從而分析每個關節的精度和可重複性。
圖 10.機械手的運動軌跡精度和重複性測試。
為了評估準確性和可重複性，機械手進行了三個完整的操作，這些操作在圖中由三種不同顏色的線條表示，從圖中可以直觀地看到，機械手的運動軌跡在三次完整操作中具有良好的重複性。
圖 11.將物體從位置A移動到位置B時機械手的軌跡分析。
進一步定量分析了機械手軌跡的精度和重複性，計算了軌跡1和軌跡2之間的幅值偏差，其中平均誤差是軌跡1數據與軌跡2數據對應點的均方根誤差，軌跡誤差是兩個軌跡對應點同時之間的偏差誤差。
圖中的平均誤差為0.56 mm，表明所設計的空中機械手系統具有良好的控制精度，軌跡誤差的波動範圍在0毫米到2.5毫米之間，這主要是由伺服執行器本身的最小控制精度和結構硬體條件引起的，在可接受的範圍內。
圖 12.軌跡 1 和軌跡 2 的偏差分析。
雙手操作與單臂空中機械手相比，雙臂空中機械手具有操作範圍廣的特點，更重要的是，雙臂高空機械手可以用雙手進行人形複雜操作，比如兩個不同工件的協同操作，這在空中作業場景中也會遇到。
很明顯，單臂空中機械手無法完成任務對兩個不同工件進行裝配操作，以驗證設計的機械手系統是否具有協同雙手操縱的能力。
圖 13.合作雙手操作的測試。
下圖顯示了分別在XZ平面上由左臂和右臂夾緊的兩個工件的位置軌跡變化，可以看出，在整個操作過程中，左臂和右臂反游標記的運動軌跡是平滑的，最終可以達到更好的雙臂協同操作精度。
通過分析兩個操作工件的位置軌跡，可以反映兩個手臂的協同操作能力。
圖 14.協作雙臂操縱試驗中的位置軌跡變化分析.
考慮到室外環境的複雜性和多因素影響，開展戶外作業和空中機械手系統的應用具有挑戰性。
在這些測試中，室外環境的風力等級小於1，飛控系統採用DJI A3 Pro自動駕駛儀，第一部分是懸停操作穩定性測試，包括三組測試：
圖 15.肩部偏航關節執行器的旋轉角度變化。
測試1：機械臂垂直靜止，每個關節執行器不移動，測試懸停在2 m時整個系統的高度位置變化。
測試2：左機械臂不垂直移動，右機械臂的肩部偏航致動器角度旋轉，如圖15所示，其他關節致動器不動。測試單臂寬範圍運動對系統穩定性的影響。測試過程的圖像序列如圖16a所示。
測試3：左右機械臂的肩部偏航致動器的角度同時旋轉，如圖15所示，其他關節致動器不移動。測試兩個臂運動對系統穩定性的影響。測試過程的圖像序列如圖16b所示。
圖 16.戶外懸停操縱穩定性試驗圖像序列：（a）單臂往複擺動;（b） 雙臂往複擺動。
下圖顯示了懸停測試1期間空中機械手系統的高度位置變化，該變化由附加的激光距離感測器測量。
感測器的可測量距離為0.06-30米，測量精度為厘米級，與預定高度2 m相比，高空作業平台高度變化的最大偏差為19 cm。
室外懸停精度受風、導航、飛控等因素影響，測試中系統的平均懸停精度在10厘米以內。
圖 17.雙臂機械手靜止時懸停高度的變化。
第二部分是雙臂協同操作測試。此測試中的操作過程類似於之前的操作過程，目標是將右臂抓住的戒指插入左臂抓住的老闆中。
如下圖所示，顯示了雙臂機械手系統的空中操作過程，在此過程中，兩個機械手可以平穩地操作兩個不同的工件並完成協同操作任務。
試驗結果表明，空中雙臂機械手系統在戶外協同雙手操作中是可行的。
圖 19.戶外雙臂協同操作測試的圖像序列。
戶外環境下高空作業的一個應用難點是，如何控制具有多個執行器的雙臂機械手系統進行協同操作。
因此在今後的工作中，將考慮一種基於運動傳輸的人機交互遠程機械手控制，這將使雙臂空中機械手系統易於實現複雜的操作動作控制，並且可以更好地應用於具有空中作業任務要求的各種場景。
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