(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211295356.3 (22)申请日 2022.10.21 (71)申请人 湖南大学 地址 410082 湖南省长 沙市岳麓区麓山 南 路1号 (72)发明人 王耀南　梁嘉诚　钟杭　陈彦杰　 毛建旭　张辉　 (74)专利代理 机构 长沙市护航专利代理事务所 (特殊普通 合伙) 43220 专利代理师 张洁 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) B25J 19/00(2006.01) (54)发明名称 一种不确定环境下空中作业机器人主动接 触检测控制方法 (57)摘要 本发明公开了一种不确定环境下空中作业 机器人主动接触检测控制方法， 包括构建与环境 主动接触检测的空中作业机器人系统并进行动 力学建模分析； 设计额外弯矩估计器估计接触交 互力/力矩； 引入二阶弹簧 ‑质量‑阻尼模型建立 理想接触力与空中作业机器人位置之间的动态 关系， 进而设计基于时变刚度系数的力跟踪阻抗 控制策略， 得出计算修正后的位置命令轨迹； 根 据修正后的位置命令轨迹、 命令姿态、 空中作业 机器人的动力学模型和额外弯矩估计器设计空 中作业机器人位姿控制率表达式， 得到空中机器 人位姿控制率； 结合空中作业机器人系统中的转 子转速与推力/转矩之间的转换表达式得到转子 转速， 以使空中作业机器人完成不确定环境下的 主动接触检测任务。 权利要求书4页 说明书10页 附图4页 CN 115533915 A 2022.12.30 CN 115533915 A 1.一种不确定环境下空中作业机器人主动接触检测控制方法， 其特征在于， 所述方法 包括以下步骤： S100： 构建与环境主动接触检测的空中作业机器人系 统， 并对所述空中作业机器人系 统进行动力学建模分析， 得到空中作业机器人的动力学模型； S200： 根据所述空中作业机器人的动力学模型中的广义输入得到期望翻滚和俯仰角以 及空中作业机器人系统中的转子转速与推力/转矩之间的转换表达式； S300： 设计额外弯 矩估计器估计接触交 互力/力矩； S400： 引入二阶弹簧 ‑质量‑阻尼模型建立理想接触力与空中作业机器人位置之间的动 态关系， 进而设计基于时变刚度系 数的力跟踪阻抗控制策略， 得出计算修正后的位置命令 轨迹； S500： 根据所述期望翻滚和俯仰角得到命令姿态， 根据所述修正后的位置命令轨迹和 所述命令姿态得到状态误差， 根据所述状态误差、 所述空中作业机器人的动力学模型、 所述 额外弯矩估计器设计空中作业机器人位姿控制率表达式， 得到空中机器人位姿控制率； S600： 根据所述空中机器人位姿控制率与所述空中作业机器人系统中的转子转速与推 力/转矩之间的转换表达式得到转子转速， 以使空中作业机器人完成不确定环境下 的主动 接触检测任务。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特 征在于， S10 0包括： S110： 构建与环境主动接触检测的空中作业机器人系 统， 该空中作业机器人交互系统 包括四旋翼无 人机和刚性 安装的接触工具； S120： 利用牛 顿‑欧拉方程法， 空中作业机器人的动力学模型描述如下： 其中， 和 分别是空中作业机器人质心在世界惯性坐标系下的位置和机体 坐标系下的角速度， 表示实体集， mu为空中作业机器人总质量， 记作从机体坐标 系到世界惯性坐标系的旋转矩阵， J＝diag(Iφ,Iθ,Iψ)是惯性矩阵， 其中Iφ， Iθ， Iψ为惯性常 量； g记作重力常数， e3＝[0,0,1]T， 操作符“×”表示叉乘； 为空中作业机器人 总升力， 其中Ti， i＝1,…,4表示每个转子的升力； 为空中作业机器 人力矩向量； 和 是由外部环境对工具施加的力和力矩而在空中作业机器人 的质心上产生的外力和力矩； S130： 定义空中作业机器人姿态ΦB＝[φ, θ, ψ]T， 世界惯性坐标系下角速度 欧 拉角变化 率 与ωB之间的转 化关系为： 其中， 将式(2)及其时间导数计算代入式(1)， 可 得到如下动力学模型为：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115533915 A 2其中， 表示惯性矩阵， 为科氏和离心矩阵， 其中S( ·)表示斜对称矩阵操作符， 为Q(ΦB)的时间微分， 并且 步骤S140： 定义变量 空中作业机器人的动力学模型可表示成如下矩阵形 式： 其中， 表示正定惯性矩阵， 为科氏和离心 项， 是重力向量， u＝[(TRBe3)T,(Q(ΦB)TMB)T]T为广义输入， 是作用 在空中作业机器人质心上的额外力/力矩， 可表示 为： 其中， 表示环境和工具末端之间的交互力/力矩， 是机体坐标系下的工 具末端位置 。 3.根据权利要求2所述的方法， 其特 征在于， S20 0包括： 步骤S210： 鉴于空中作业机器人的欠驱动特性， 利用所述空中作业机器人的动力学模 型中的广义输入u(1)、 u(2)和u(3)计算期望翻滚和俯仰角为： 其中， φd， θd， ψd分别表示期望的翻滚、 俯仰、 偏航角， 和 分别表示三角 函数cos ( ψd)和sin( ψd)； 步骤S220： 由于转子旋转产生升力和力矩， 根据所述空中作业机器人的动力学模型中 的广义输入得到空中作业机器人系统中的转子转速与推力/转矩之间的转换表达式为： 其中， Ωi， i＝1,…,4为转子转速， cT和cM记作升力和力矩系数， d表示空中作业机器人 轴距长度。 4.根据权利要求3所述的方法， 其特 征在于， S3 00包括： 步骤S310： 构造额外弯 矩估计器中间辅助变量 为：权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115533915 A 3