CN105730686B - 一种基于Stewart六自由度并联机构的多旋翼飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Stewart六自由度并联机构的多旋翼飞行器，包括机架、起落架、电机、螺旋桨和锁紧帽，起落架位于机架正下方中心位置处，且起落架与机架固连，电机底端固定在支架上，螺旋桨安装在电机主轴上，且螺旋桨与电机主轴之间通过锁紧帽进行固定。本发明将气动减震和弹簧减震的原理应用于多旋翼飞行器上，实现了双重减震的效果，减震效果好，降低了本发明降落时机身与地面之间产生的振动，减小了本发明降落时对机身的损伤，保证了承载物体或者人员的安全；采用Stewart六自由度形式的并联机构，利用其结构稳定，刚度大，承载能力强且微动精度高和运动负荷小的优点，进一步提高了本发明在降落时的减震效果和稳定安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及无人机领域，具体的说一种基于Stewart六自由度并联机构的多旋翼飞行器。
背景技术
飞行器是由人类制造、能飞离地面、在空间飞行并由人来控制的在大气层内或大气层外空间(太空)飞行的器械飞行物，飞行器分为航空器、航天器、火箭、导弹和制导武器；无人机也是飞行器的一种，无人机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、无人飞艇和无人伞翼机等；按应用领域可分为军用与民用，军用方面无人机分为侦察机和靶机；目前，无人机可广泛应用于国家生态环境保护、航空摄影、测绘、矿产资源勘探、灾情监视、交通巡逻、电力巡线、治安监控、应急减灾、应急指挥、人工降雨、国防安全、国土资源勘探、城镇规划、地震调查、环境监测、森林防火、农作物估产、保护区野生动物监测、大气取样、海事侦察、边境巡视、禁毒侦察、消防侦察、生态环境保护、海洋环境监测、土地利用调查、水资源开发、农作物长势监测与估产、农业作业、自然灾害监测与评估、城市规划与市政管理、森林病虫害防护与监测、数字城市等领域。
多旋翼无人机属于无人机中的一种，多旋翼无人机具有结构紧凑、体型偏小、大众化较强、运动灵活和飞行稳定等优点被广泛在民用和军用中，而且颇受大众欢迎；但是目前多旋翼飞行器也面临着减震和续航这两大问题，续航决定着飞行器飞行的时间和稳定性，而减震则直接决着多旋翼飞行器降落着陆时的平稳性和安全性，间接的影响着多旋翼飞行器本身质量和承载物体或者人员的安全。也有一些技术对飞行器的减震问题提出了解决方案，比如：专利号为201510270375.4的中国专利公布了一种飞行器减震脚架，通过套筒与内轴穿过油封形成内部密封结构，内部所装弹簧在阻力油脂的作用下，使内轴的伸缩起到缓冲减震的效果；专利号为201410012150.4的中国专利公布了一种无人飞行器的减震装置，通过设置减震球达到减震效果；但是以上技术均存在减震效果不明显等问题。鉴于此，本发明提供了一种基于Stewart六自由度并联机构的多旋翼飞行器。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种基于Stewart六自由度并联机构的多旋翼飞行器。
本发明所要解决其技术问题所采用以下技术方案来实现。
一种基于Stewart六自由度并联机构的多旋翼飞行器，包括机架、起落架、电机、螺旋桨和锁紧帽；所述的起落架位于机架正下方中心位置处，且起落架与机架固连，机架中部呈圆盘状结构，且机架中部沿机架的中心轴线均匀开设有不完全扇形减料口，不完全扇形减料口沿机架的径向方向呈双排布置，机架外侧沿机架的中心轴线分别对称设置有六个支架，支架上开设有方形减料口，不完全扇形减料口和方形减料口均起到了减轻本发明整体重量的作用，减轻重量等于延长了本发明的续航时间；所述的电机、螺旋桨和锁紧帽的数量为六，电机底端固定在支架上，螺旋桨安装在电机主轴上，且螺旋桨与电机主轴之间通过锁紧帽进行固定，通过电机的转动带动螺旋桨的旋转，从而实现了本发明的飞行。
作为本发明的优选方案，所述的起落架包括并联机构、支撑爪、固定座、支柱和减震弹簧，且支撑爪、支柱和减震弹簧的数量均为六；所述的支撑爪分别对称布置在并联机构下端外侧，且支撑爪由水平部和倾斜部组成，支撑爪的水平部为可伸缩结构，支撑爪的倾斜部上方为弧形状结构，支撑爪的倾斜部下方设置有加强筋，支撑爪的倾斜部的水平倾角为30-45度；所述的固定座位于并联机构下方中心位置处，固定座呈圆柱状结构，且固定座外侧壁上均匀设置有六个安装柱；所述的支柱一端固定在固定座的安装柱上，支柱另一端固定在支撑爪倾斜部下方的加强筋上，且支柱为圆杆状结构，且支柱材质为橡胶材料，采用橡胶材料的支柱实现了支柱伸长和缩短的功能，减震效果更加明显，且支撑爪长度可调，在具有减震功能的同时，使得本发明可应用于不同地形和降落场地空间的降落，应用更加广泛；所述的减震弹簧绕套在支柱上，且减震弹簧一端连接在安装柱上，减震弹簧另一端连接在支撑爪倾斜部下方的加强筋上。
作为本发明的优选方案，所述的并联机构包括动平台、定平台、上三角座、上球铰链、下三角座、下球铰链、气缸、进气嘴、出气嘴、套筒座、储气筒、进气管和出气管，且上三角座和下三角座的数量为三，上球铰链、下球铰链、气缸、进气嘴、出气嘴、进气管和出气管的数量为六；所述的上三角座位于定平台下端面上，且上三角座沿定平台的中心轴线呈正三角形布置，下三角座位于动平台的的上端面上，下三角座沿动平台的中心轴线也呈正三角形布置，且上三角座和下三角座错开布置，错开的平面角度为60度；所述的上球铰链一端与上三角座连接，上球铰链的另一端与气缸上端相连接，气缸下端与下球铰链上端相连接，下球铰链下端与下三角座相连接；所述的进气嘴位于气缸上端，出气嘴位于气缸下端；所述的套筒座位于动平台的中心位置处，储气筒安装在套筒座内，且储气筒上依次设置有进气口和出气口，出气口与进气嘴之间通过进气管相连接，进气口与出气嘴之间采用出气管进行连接。
作为本发明的优选方案，所述的动平台和定平台均为圆盘状结构，动平台上开设有环形减料口，定平台外侧分别设置有凸型卡扣，凸型卡扣用于定平台与机架之间的安装固定。
作为本发明的优选方案，所述的上三角座上端面由安装面和固定面组成，安装面分别位于固定面的左右两侧，安装面为倾斜状结构，安装面上开设有与上球铰链上端相配合的螺纹孔，固定面为平面型结构，且固定面上开设有通孔，上三角座下端面为正三角形结构；所述的下三角座与上三角座的结构相同。
作为本发明的优选方案，所述的储气筒为可压缩层叠式圆柱筒，储气筒的进气口和出气口上均分别设置有限流阀，且储气筒底端封闭，上端开口，开口处设置有外螺纹，开口上方设置有筒盖，筒盖下方设置有内螺纹，筒盖与开口处之间采用螺纹连接方式进行连接。
工作时，通过电机的转动带动螺旋桨的旋转，从而实现了本发明的起飞，当飞行结束降落着陆时，打开进气嘴，关闭出气嘴，气缸在起落架的重力作用下被拉长，在空气压强差的作用下，储气筒内的空气通过进气管输入到气缸内部，当支撑爪接触地面后，打开出气嘴，关闭进气嘴，气缸在机架的重力作用下被缩短，在空气压强差的作用下，气缸内的空气通过出气管回流到储气筒内部，整个过程实现了本发明在降落着陆时通过空气压缩和气体压强差的原理达到减震的效果，且无需人工操作，灵活方便；同时，并联机构采用Stewart六自由度并联机构，结构稳定，刚度大，承载能力强且微动精度高和运动负荷小，进一步提高了本发明在降落时的减震效果和稳定安全性能；而且本发明中的支撑爪的水平部为可伸缩结构，支柱为橡胶材料，从而保证了支撑爪长度可调，在具有减震功能的同时，使得本发明可应用于不同地形和降落场地空间的降落，应用更加广泛。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明将气动减震和弹簧减震的原理应用于多旋翼飞行器上，实现了双重减震的效果，减震效果好，降低了本发明降落时机身与地面之间产生的振动，减小了本发明降落时对机身的损伤，保证了承载物体或者人员的安全。
(2)本发明采用Stewart六自由度形式的并联机构，利用其结构稳定，刚度大，承载能力强且微动精度高和运动负荷小的优点，进一步提高了本发明在降落时的减震效果和稳定安全性能。
(3)本发明中的支撑爪的水平部为可伸缩结构，支柱为橡胶材料，从而保证了支撑爪长度可调，在具有减震功能的同时，使得本发明可应用于不同地形和降落场地空间的降落，应用更加广泛。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是本发明起落架的立体结构示意图(从下往上看)；
图3是本发明起落架的立体结构示意图(从上往下看)；
图4是本发明起落架(不包括并联机构)的立体结构示意图；
图5是本发明并联机构的立体结构示意图(从下往上看)；
图6是本发明并联机构的立体结构示意图(从上往下看)；
图7是本发明储气筒和套筒座配合时的立体结构示意图；
图8是本发明进气管和出气管的主视图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1至图8所示，一种基于Stewart六自由度并联机构的多旋翼飞行器，包括机架1、起落架2、电机3、螺旋桨4和锁紧帽5；所述的起落架2位于机架1正下方中心位置处，且起落架2与机架1固连，机架1中部呈圆盘状结构，且机架1中部沿机架1的中心轴线均匀开设有不完全扇形减料口，不完全扇形减料口沿机架1的径向方向呈双排布置，机架1外侧沿机架的中心轴线分别对称设置有六个支架，支架上开设有方形减料口，不完全扇形减料口和方形减料口均起到了减轻本发明整体重量的作用，减轻重量等于延长了本发明的续航时间；所述的电机3、螺旋桨4和锁紧帽5的数量为六，电机底3端固定在支架上，螺旋桨4安装在电机3主轴上，且螺旋桨4与电机3主轴之间通过锁紧帽5进行固定，通过电机3的转动带动螺旋桨4的旋转，从而实现了本发明的飞行。
如图1至图7所示，所述的起落架2包括并联机构21、支撑爪22、固定座23、支柱24和减震弹簧25，且支撑爪22、支柱24和减震弹簧25的数量均为六；所述的支撑爪22分别对称布置在并联机构21下端外侧，且支撑爪22由水平部和倾斜部组成，支撑爪22的水平部为可伸缩结构，支撑爪22的倾斜部上方为弧形状结构，支撑爪22的倾斜部下方设置有加强筋，支撑爪22的倾斜部的水平倾角为30-45度；所述的固定座23位于并联机构21下方中心位置处，固定座23呈圆柱状结构，且固定座23外侧壁上均匀设置有六个安装柱；所述的支柱24一端固定在固定座23的安装柱上，支柱24另一端固定在支撑爪22倾斜部下方的加强筋上，且支柱24为圆杆状结构，且支柱24材质为橡胶材料，采用橡胶材料的支柱24实现了支柱24伸长和缩短的功能，减震效果更加明显，且支撑爪22长度可调，在具有减震功能的同时，使得本发明可应用于不同地形和降落场地空间的降落，应用更加广泛；所述的减震弹簧25绕套在支柱24上，且减震弹簧25一端连接在安装柱上，减震弹簧25另一端连接在支撑爪22倾斜部下方的加强筋上。
如图2至图7所示，所述的并联机构21包括动平台211、定平台212、上三角座213、上球铰链214、下三角座215、下球铰链216、气缸217、进气嘴218、出气嘴219、套筒座2110、储气筒2111、进气管2112和出气管2113，且上三角座213和下三角座215的数量为三，上球铰链214、下球铰链216、气缸217、进气嘴218、出气嘴219、进气管2112和出气管2113的数量为六；所述的上三角座213位于定平台212下端面上，且上三角座213沿定平台212的中心轴线呈正三角形布置，下三角座215位于动平台211的的上端面上，下三角座215沿动平台211的中心轴线也呈正三角形布置，且上三角座213和下三角座215错开布置，错开的平面角度为60度；所述的上球铰链214一端与上三角座213连接，上球铰链214的另一端与气缸217上端相连接，气缸217下端与下球铰链216上端相连接，下球铰链216下端与下三角座215相连接；所述的进气嘴218位于气缸217上端，出气嘴219位于气缸217下端；所述的套筒座2110位于动平台211的中心位置处，储气筒2111安装在套筒座2110内，且储气筒2111上依次设置有进气口和出气口，出气口与进气嘴218之间通过进气管2112相连接，进气口与出气嘴219之间采用出气管2113进行连接。
如图2、图3、图5和图6所示，所述的动平台211和定平台212均为圆盘状结构，动平台211上开设有环形减料口，定平台212外侧分别设置有凸型卡扣，凸型卡扣用于定平台212与机架1之间的安装固定。
如图2、图3、图5和图6所示，所述的上三角座213上端面由安装面和固定面组成，安装面分别位于固定面的左右两侧，安装面为倾斜状结构，安装面上开设有与上球铰链214上端相配合的螺纹孔，固定面为平面型结构，且固定面上开设有通孔，上三角座213下端面为正三角形结构；所述的下三角座215与上三角座213的结构相同。
如图7所示，所述的储气筒2111为可压缩层叠式圆柱筒，储气筒2111的进气口和出气口上均分别设置有限流阀，且储气筒2111底端封闭，上端开口，开口处设置有外螺纹，开口上方设置有筒盖，筒盖下方设置有内螺纹，筒盖与开口处之间采用螺纹连接方式进行连接。
工作时，通过电机3的转动带动螺旋桨4的旋转，从而实现了本发明的起飞，当飞行结束降落着陆时，打开进气嘴218，关闭出气嘴219，气缸217在起落架2的重力作用下被拉长，在空气压强差的作用下，储气筒2111内的空气通过进气管2112输入到气缸217内部，当支撑爪22接触地面后，打开出气嘴219，关闭进气嘴218，气缸217在机架1的重力作用下被缩短，在空气压强差的作用下，气缸217内的空气通过出气管2113回流到储气筒2111内部，整个过程实现了本发明在降落着陆时通过空气压缩和气体压强差的原理达到减震的效果，且无需人工操作，灵活方便；同时，并联机构21采用Stewart六自由度并联机构，结构稳定，刚度大，承载能力强且微动精度高和运动负荷小，进一步提高了本发明在降落时的减震效果和稳定安全性能；而且本发明中的支撑爪22的水平部为可伸缩结构，支柱24为橡胶材料，从而保证了支撑爪22长度可调，在具有减震功能的同时，使得本发明可应用于不同地形和降落场地空间的降落，应用更加广泛。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中的描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种基于Stewart六自由度并联机构的多旋翼飞行器，其特征在于：包括机架、起落架、电机、螺旋桨和锁紧帽；所述的起落架位于机架正下方中心位置处，且起落架与机架固连，机架中部呈圆盘状结构，且机架中部沿机架的中心轴线均匀开设有不完全扇形减料口，不完全扇形减料口沿机架的径向方向呈双排布置，机架外侧沿机架的中心轴线分别对称设置有六个支架，支架上开设有方形减料口；所述的电机、螺旋桨和锁紧帽的数量为六，电机底端固定在支架上，螺旋桨安装在电机主轴上，且螺旋桨与电机主轴之间通过锁紧帽进行固定；其中：
所述的起落架包括Stewart六自由度并联机构、支撑爪、固定座、支柱和减震弹簧，且支撑爪、支柱和减震弹簧的数量均为六；所述的支撑爪分别对称布置在Stewart六自由度并联机构下端外侧，且支撑爪由水平部和倾斜部组成，支撑爪的水平部为可伸缩结构，支撑爪的倾斜部上方为弧形状结构，支撑爪的倾斜部下方设置有加强筋，支撑爪的倾斜部的水平倾角为30-45度；所述的固定座位于并联机构下方中心位置处，固定座呈圆柱状结构，且固定座外侧壁上均匀设置有六个安装柱；所述的支柱一端固定在固定座的安装柱上，支柱另一端固定在支撑爪倾斜部下方的加强筋上；所述的减震弹簧绕套在支柱上，且减震弹簧一端连接在安装柱上，减震弹簧另一端连接在支撑爪倾斜部下方的加强筋上。
2.根据权利要求1所述的一种基于Stewart六自由度并联机构的多旋翼飞行器，其特征在于：所述的并联机构包括动平台、定平台、上三角座、上球铰链、下三角座、下球铰链、气缸、进气嘴、出气嘴、套筒座、储气筒、进气管和出气管，且上三角座和下三角座的数量为三，上球铰链、下球铰链、气缸、进气嘴、出气嘴、进气管和出气管的数量为六；所述的上三角座位于定平台下端面上，且上三角座沿定平台的中心轴线呈正三角形布置，下三角座位于动平台的的上端面上，下三角座沿动平台的中心轴线也呈正三角形布置，且上三角座和下三角座错开布置，错开的平面角度为60度；所述的上球铰链一端与上三角座连接，上球铰链的另一端与气缸上端相连接，气缸下端与下球铰链上端相连接，下球铰链下端与下三角座相连接；所述的进气嘴位于气缸上端，出气嘴位于气缸下端；所述的套筒座位于动平台的中心位置处，储气筒安装在套筒座内，且储气筒上依次设置有进气口和出气口，出气口与进气嘴之间通过进气管相连接，进气口与出气嘴之间采用出气管进行连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于Stewart六自由度并联机构的多旋翼飞行器，其特征在于：所述的支柱为圆杆状结构，且支柱材质为橡胶材料。
4.根据权利要求2所述的一种基于Stewart六自由度并联机构的多旋翼飞行器，其特征在于：所述的动平台和定平台均为圆盘状结构，动平台上开设有环形减料口，定平台外侧分别设置有凸型卡扣。
5.根据权利要求2所述的一种基于Stewart六自由度并联机构的多旋翼飞行器，其特征在于：所述的上三角座上端面由安装面和固定面组成，安装面分别位于固定面的左右两侧，安装面为倾斜状结构，安装面上开设有与上球铰链上端相配合的螺纹孔，固定面为平面型结构，且固定面上开设有通孔，上三角座下端面为正三角形结构；所述的下三角座与上三角座的结构相同。
6.根据权利要求2所述的一种基于Stewart六自由度并联机构的多旋翼飞行器，其特征在于：所述的储气筒为可压缩层叠式圆柱筒，储气筒的进气口和出气口上均分别设置有限流阀，且储气筒底端封闭，上端开口，开口处设置有外螺纹，开口上方设置有筒盖，筒盖下方设置有内螺纹，筒盖与开口处之间采用螺纹连接方式进行连接。
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