CN105539832B - 一种可变螺距的多旋翼无人机动力装置 - Google Patents

一种可变螺距的多旋翼无人机动力装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可变螺距的多旋翼无人机动力装置，包含机架臂，所述机架臂的末端安装有电机和舵机，另一端固定安装于多旋翼几何中心的电子舱结构上，所述电机的转子为空心传动轴，所述空心传动轴内部为旋转隔离空心轴，所述旋转隔离空心轴内安装有可进行活塞推拉运动的螺距调节杆，所述螺距调节杆与螺旋桨转动相连，所述螺距调节杆的下端和所述舵机活动连接。本发明通过在电机内部安装螺距调节杆，当电机的空心传动轴带动螺旋桨转动的同时，由舵机驱动螺距调节杆在旋转隔离空心轴内做活塞推拉运动来调节螺旋桨螺距，从而能够快速改变各螺旋桨产生的升力以实现空间机动飞行，显著提高了多旋翼的机动性、操纵性和安全性，且结构简单，易于实施。

Description

一种可变螺距的多旋翼无人机动力装置
技术领域
本发明涉及一种无人机动力装置，尤其涉及一种可变螺距的多旋翼无人机动力装置。
背景技术
无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。从技术角度定义可以分为：无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机等。无人机目前在航拍、农业植保、测绘等领域已经获得广泛应用。
近年来，因多旋翼结构简单和优良的操控性能，已发展成为微小型无人机市场的主流无人机类型，多旋翼无人机的飞行动力和姿态调整由多个旋翼协调完成，各旋翼的升力变化依赖于螺旋桨的速度变化，当桨叶尺寸越大，惯性越大，螺旋桨速度变化越慢，机动性和操纵性越差，这成为制约大尺寸多旋翼发展的重要因素之一。因此，有必要对现有的多旋翼无人机动力装置进行改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可变螺距的多旋翼无人机动力装置，使用该动力装置的多旋翼无人机能够快速改变螺旋桨产生的升力，显著提高了多旋翼的机动性、操纵性和安全性，且结构简单，易于实施。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种可变螺距的多旋翼无人机动力装置，包括机架臂，所述机架臂的末端安装有电机和舵机，另一端固定安装于多旋翼几何中心的电子舱结构上，其中，所述电机的转子为空心传动轴，所述空心传动轴内部为旋转隔离空心轴，所述旋转隔离空心轴内安装有可进行活塞推拉运动的螺距调节杆，所述螺距调节杆与螺旋桨转动相连，所述螺旋桨包括两片桨叶和变螺距机构；所述螺距调节杆的上端和螺旋桨的变螺距机构转动连接，所述螺距调节杆的下端和舵机力臂转动连接。
上述的可变螺距的多旋翼无人机动力装置，其中，所述变螺距机构包括两个桨叶固定夹、两个变距轴和桨毂；所述两片桨叶安装在桨叶固定夹上，所述桨叶固定夹绕变距轴转动以改变桨叶角；所述两个桨叶固定夹上各设有变距联动轴，所述变距联动轴分别嵌入与螺距调节杆相连的联动杆上的变距关节轴套孔,构成单自由度转动关节；所述桨毂固定安装在电机的空心传动轴上，由空心传动轴带动螺旋桨转动，所述舵机驱动螺距调节杆进行活塞推拉运动。
上述的可变螺距的多旋翼无人机动力装置，其中，所述螺距调节杆包括同步转臂和推拉杆，所述同步转臂的一端通过第一单自由度转动关节连接第一联动杆，另一端通过第二单自由度转动关节连接第二联动杆，所述同步转臂的中间通过第四单自由度转动关节和推拉杆的上端转动相连，所述推拉杆的下端通过第三单自由度转动关节连接第三联动杆，所述第一联动杆、第二联动杆和第三联动杆的另一端均设有变距关节轴套孔，所述第一联动杆上的变距关节轴套孔嵌入螺旋桨的一个变距联动轴中组成第五单自由度转动关节，所述第二联动杆上的变距关节轴套孔嵌入螺旋桨的另一个变距联动轴组成第六单自由度转动关节，所述第五单自由度转动关节、第六单自由度转动关节与第一单自由度转动关节、第二单自由度转动关节均在一个平面内转动，所述第三联动杆上的变距关节轴套孔和舵机力臂上的变距关节轴套孔通过外加一根关节轴组成第七单自由度转动关节，所述第七单自由度转动关节与第三单自由度转动关节在同一个平面内转动，所述螺距调节杆的同步转臂可绕所述螺距调节杆的推拉杆转动，所述同步转臂与螺旋桨在一个平面内共轴同步转动，所述舵机驱动螺距调节杆使推拉杆在旋转隔离空心轴内做活塞推拉运动，从带动桨叶固定夹绕变距轴转动以改变螺旋桨螺距。
上述的可变螺距的多旋翼无人机动力装置，其中，所述空心传动轴与旋转隔离空心轴套接相连构成一个类轴承部件，所述空心传动轴作为类轴承部件的外环构成电机转子，所述旋转隔离空心轴作为类轴承部件的内环与电机定子固定相连，所述外环与所述内环之间放置两个保持架，所述两个保持架靠近空心传动轴的两端，所述保持架内放置滚珠，从而在空心传动轴内部构成一个隔离转子转动的通道。
本发明为解决上述技术问题还提供一种可变螺距的多旋翼无人机，包括多个上述的可变螺距的多旋翼无人机动力装置，所述动力装置的数目为4个及4以上的偶数，所述多个动力装置拼接在一起形成中心对称且轴对称的结构，所述多旋翼无人机的几何中心为电子舱结构，沿圆周方向相邻的螺旋桨旋转方向相反，位于对称轴线上的螺旋桨旋转方向相同。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的可变螺距的多旋翼无人机动力装置，通过在电机内部安装螺距调节杆，当电机的空心传动轴带动螺旋桨转动的同时，由舵机驱动螺距调节杆在旋转隔离空心轴内做活塞推拉运动来调节桨叶角达到螺距改变的目的，从而能够快速改变螺旋桨产生的升力，显著提高了多旋翼的机动性、操纵性和安全性，且结构简单，易于实施。
附图说明
图1为本发明可变螺距的多旋翼无人机动力装置结构示意图；
图2为本发明的可变螺距螺旋桨结构示意图；
图3a为本发明的空心轴电机轴向剖面结构示意图；
图3b为本发明的空心轴电机另一轴向剖面结构示意图；
图3c为本发明的空心轴电机横向剖面结构示意图；
图4为本发明的螺距调节杆结构示意图；
图5为本发明可变螺距的四旋翼无人机结构示意图。
图中：
1机架臂 2螺旋桨 3电机
4螺距调节杆 5舵机 5a舵机力臂
6电子舱结构 21桨叶
221桨叶固定夹 222变距轴 223桨毂
221a变距联动轴 31空心传动轴 32旋转隔离空心轴
33滚珠 41第一单自由度转动关节 42第二单自由度转动关节
43第三单自由度转动关节 44第四单自由度转动关节
45第一联动杆 46第二联动杆 47第三联动杆
48变距关节轴套孔 49同步转臂 410推拉杆
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1为本发明可变螺距的多旋翼无人机动力装置结构示意图。
固定螺距多旋翼无人机是通过调节多个螺旋桨的转动速度来改变其产生的升力以实现空间机动飞行。其实除了转速外，调节螺旋桨的螺距也可改变螺旋桨的升力；那么如何安全可靠实现螺距调节请参见图1，本发明提供的多旋翼无人机由4个及以上的偶数个可变螺距的多旋翼无人机动力装置拼接组成，所述多个动力装置为中心对称且轴对称结构，所述动力装置包含机架臂1，机架臂1的末端安装有电机3和舵机5，机架臂1的另一端固定安装于多旋翼几何中心的电子舱结构6上，其中，所述电机3的转子为空心传动轴31，所述空心传动轴31内部为旋转隔离空心轴32，所述旋转隔离空心轴32内安装有可进行活塞推拉运动的螺距调节杆4，所述螺距调节杆4与螺旋桨2转动相连，所述螺旋桨2包括两片桨叶21和变螺距机构；所述螺距调节杆4的上端和螺旋桨2的变螺距机构转动连接，所述螺距调节杆4的下端和舵机力臂5a转动连接。
本发明提供一种变螺距机构，如图2所示，所述变螺距机构包括两个桨叶固定夹221、两个变距轴222和桨毂223；所述两片桨叶21安装在桨叶固定夹221上，所述桨叶固定夹221绕变距轴222转动以改变桨叶21的桨叶角；所述两个桨叶固定夹221上各设有变距联动轴221a，所述变距联动轴分别嵌入螺距调节杆4的第一联动杆45和第二联动杆46末端的变距关节轴套孔48,构成单自由度转动关节；桨毂223固定安装在电机3的空心传动轴31上，由空心传动轴31带动螺旋桨转动，舵机5驱动螺距调节杆4进行活塞推拉运动，从而带动桨叶固定夹221绕其变距轴222转动以对桨叶21的桨叶角进行调整，实现螺距调节。
本发明提供的可变螺距的多旋翼无人机动力装置，其中，所述空心传动轴31与旋转隔离空心轴32套接构成一个类轴承部件，所述类轴承部件的外环为电机转子(即空心传动轴31)，内环(即旋转隔离空心轴32)与电机定子固定相连，所述外环与所属内环之间放置两个保持架，所述两个保持架分别位于靠近空心传动轴的两端，所述保持架内放置滚珠33，从而在空心传动轴内部构成一个隔离转子转动的通道。具体结构如图3a、图3b和图3c所示。
请继续参见图4，本发明提供的可变螺距的多旋翼无人机动力装置，所述螺距调节杆4包括同步转臂49和推拉杆410，所述同步转臂49的一端通过第一单自由度转动关节41连接第一联动杆45，另一端通过第二单自由度转动关节42连接第二联动杆46，所述同步转臂49的中间通过第四单自由度转动关节44和推拉杆410的上端转动相连，所述推拉杆410的下端通过第三单自由度转动关节43连接第三联动杆47，所述第一联动杆45、第二联动杆46和第三联动杆47的另一端均设有变距关节轴套孔48；所述第一联动杆45上的变距关节轴套孔48嵌入螺旋桨2的一个变距联动轴221a中组成第五单自由度转动关节，所述第二联动杆46上的变距关节轴套孔48嵌入螺旋桨2的另一个变距联动轴221a组成第六单自由度转动关节，所述第五单自由度转动关节、第六单自由度转动关节与第一单自由度转动关节41、第二单自由度转动关节42均在一个平面内转动，所述第三联动杆47上的变距关节轴套孔48和舵机力臂5a上的变距关节轴套孔通过外加一根关节轴组成第七单自由度转动关节，所述第七单自由度转动关节与第三单自由度转动关节43在同一个平面内转动；所述螺距调节杆4的同步转臂49可绕所述螺距调节杆4的推拉杆410转动，所述同步转臂49与螺旋桨在一个平面内共轴同步转动，所述舵机5驱动螺距调节杆4使推拉杆410在旋转隔离空心轴32内做活塞推拉运动，从而通过带动桨叶固定夹221绕变距轴222转动以改变桨叶角实现螺距调整。
本发明提供的可变螺距的多旋翼无人机动力装置，通过在电机3内部安装螺距调节杆4，电机3带动螺旋桨2和螺距调节杆4的同步转臂49分别绕空心传动轴和绕推拉杆410进行共轴转动，舵机5驱动螺距调节杆4的推拉杆410在旋转隔离空心轴32内做活塞推拉运动使同步转臂49相对螺旋桨2的距离发生变化，从而引起位置对称的第一联动杆45和第二联动杆46同时带动两个桨叶固定夹221绕变距轴222转动以改变桨叶21的桨叶角，使螺旋桨2的螺距迅速变化来改变螺旋桨产生的升力并实现快速机动飞行。请继续参见图5，以四旋翼无人机为例，四旋翼由4个所述机架臂1以中心对称且轴对称结构组成，机架臂1不安装电机的一端固定于四旋翼几何中心的电子舱结构6上，因此具有四个对称机架臂和动力源，四个螺旋桨2的桨毂223分别固定安装于机架臂1上的电机3的空心传动轴31上，相邻的螺旋桨2旋转方向相反，对称轴线上的螺旋桨2旋转方向相同，固定螺距四旋翼通过控制算法调节4个电机速度来改变螺旋桨产生的升力，从而实现空间6自由度机动飞行，螺旋桨转动惯量越大，速度改变越慢，机动性和操纵性也越差，对稳定飞行极为不利。而本发明的可变螺距四旋翼的电机速度不变，通过调节螺旋桨2的变螺距机构实现螺距调整，从而改变螺旋桨产生的升力，由于不受到螺旋桨转动惯量的影响，螺旋桨升力将迅速达到期望值，显著提高无人机的机动性和操纵性；另外，将桨叶角调整为负值还可以改变桨叶的吹风方向，使无人机不仅可以向下吹风，也可以向上吹风，当向上吹风时，四旋翼以上下颠倒的姿态进行飞行，比如，当无人机由于任务需求或姿态机动过大而导致翻转而颠倒过来时，仍然可以正常进行控制，从而使四旋翼能够在任何姿态下都可控，大大提高了四旋翼的飞行安全性。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (4)

1.一种可变螺距的多旋翼无人机动力装置，包含机架臂(1)，所述机架臂(1)的末端安装有电机(3)和舵机(5)，另一端固定安装于多旋翼几何中心的电子舱结构(6)上，其特征在于，所述电机(3)的转子为空心传动轴(31)，所述空心传动轴(31)内部为旋转隔离空心轴(32)，所述旋转隔离空心轴(32)内安装有可进行活塞推拉运动的螺距调节杆(4)，所述螺距调节杆(4)与螺旋桨(2)转动相连，所述螺旋桨(2)包括两片桨叶(21)和变螺距机构；所述螺距调节杆(4)的上端和螺旋桨(2)的变螺距机构转动连接，所述螺距调节杆(4)的下端和舵机力臂(5a)转动连接；
所述空心传动轴(31)与旋转隔离空心轴(32)套接相连构成一个类轴承部件，所述空心传动轴(31)作为类轴承部件的外环构成电机转子，所述旋转隔离空心轴(32)作为类轴承部件的内环与电机定子固定相连，所述外环与所述内环之间放置两个保持架，所述两个保持架靠近空心传动轴(31)的两端，所述保持架内放置滚珠(33)，从而在空心传动轴(31)内部构成一个隔离转子转动的通道。
2.如权利要求1所述的可变螺距的多旋翼无人机动力装置，其特征在于，所述变螺距机构包括两个桨叶固定夹(221)、两个变距轴(222)和桨毂(223)；所述两片桨叶(21)安装在桨叶固定夹(221)上，所述桨叶固定夹(221)绕变距轴(222)转动以改变桨叶角；所述两个桨叶固定夹(221)上各设有变距联动轴(221a)，所述变距联动轴分别嵌入与螺距调节杆(4)相连的联动杆上的变距关节轴套孔(48),构成单自由度转动关节；所述桨毂(223)固定安装在电机(3)的空心传动轴(31)上，由空心传动轴(31)带动螺旋桨(2)转动，所述舵机(5)驱动螺距调节杆(4)进行活塞推拉运动。
3.如权利要求2所述的可变螺距的多旋翼无人机动力装置，其特征在于，所述螺距调节杆(4)包括同步转臂(49)和推拉杆(410)，所述同步转臂(49)的一端通过第一单自由度转动关节(41)连接第一联动杆(45)，另一端通过第二单自由度转动关节(42)连接第二联动杆(46)，所述同步转臂(49)的中间通过第四单自由度转动关节(44)和推拉杆(410)的上端转动相连，所述推拉杆(410)的下端通过第三单自由度转动关节(43)连接第三联动杆(47)，所述第一联动杆(45)、第二联动杆(46)和第三联动杆(47)的另一端均设有变距关节轴套孔(48)，所述第一联动杆(45)上的变距关节轴套孔(48)嵌入螺旋桨(2)的一个变距联动轴(221a)中组成第五单自由度转动关节，所述第二联动杆(46)上的变距关节轴套孔(48)嵌入螺旋桨(2)的另一个变距联动轴(221a)组成第六单自由度转动关节，所述第五单自由度转动关节、第六单自由度转动关节与第一单自由度转动关节(41)、第二单自由度转动关节(42)均在一个平面内转动，所述第三联动杆(47)上的变距关节轴套孔(48)和舵机力臂(5a)上的变距关节轴套孔通过外加一根关节轴组成第七单自由度转动关节，所述第七单自由度转动关节与第三单自由度转动关节(43)在同一个平面内转动，所述螺距调节杆(4)的同步转臂(49)可绕所述螺距调节杆(4)的推拉杆(410)转动，所述同步转臂(49)与螺旋桨(2)在一个平面内共轴同步转动，所述舵机(5)驱动螺距调节杆(4)使推拉杆(410)在旋转隔离空心轴(32)内做活塞推拉运动，从带动桨叶固定夹(221)绕变距轴(222)转动以改变螺旋桨螺距。
4.一种可变螺距的多旋翼无人机，其特征在于，包括多个如权利要求1～3任一项所述的可变螺距的多旋翼无人机动力装置，所述动力装置的数目为4以上的偶数，所述多个动力装置拼接在一起形成中心对称且轴对称的结构，所述多旋翼无人机的几何中心为电子舱结构(6)，沿圆周方向相邻的螺旋桨(2)旋转方向相反，位于对称轴线上的螺旋桨(2)旋转方向相同。
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