CN106081084A - 一种便携式可折叠球形无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式可折叠球形无人机。该无人机针对传统的多旋翼无人机不可折叠、占用空间较大等问题，提出了一种便携可折叠球形无人机方案。该无人机分为两种状态，分别为折叠状态和展开状态，并且两种状态之间可以相互转换。本发明采用的技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：独特的可折叠球形设计，使得无人机引入了一些艺术元素，该无人机具有一定的艺术观赏性；小巧的自锁结构设计，保证无人机飞行时机臂与机身位置相对固定的基础上，还使无人机不添加额外质量；采用独特的折叠结构及球形结构设计，极大的提高了无人机的便携性，便于用户外出携带及单兵携带；展开状态时无人机呈四旋翼模式，飞行平稳，操作简单。

Description

一种便携式可折叠球形无人机

技术领域

本发明涉及航空系统技术领域，尤其涉及一种便携式可折叠球形无人机。

背景技术

无人机被广泛的应用于航拍测绘、影视拍摄、敌情勘测、灾情检测、电力巡检等领域，是飞行器家族当中的佼佼者。尤其多旋翼无人机是一种结构新颖、性能优越的垂直起降飞行器，具有操作简单、携带负载能力强的特点，具有极其重要的军用及民用价值。

但传统的多旋翼无人机在停放状态时旋翼直接暴露在外，悬臂较长，不可折叠，占用空间较大，需要专门的收纳盒，不便于携带；飞行状态时高速旋转的旋翼直接暴露在外，无人机发生意外时旋翼易受损，有时高速旋转的旋翼还会对人员造成人身伤害。针对以上不可折叠、占用空间较大的问题，现有的多旋翼无人机虽然也有可折叠的设计元素，但折叠状态，四旋翼无人机的占用空间依旧很大，并且折叠机构比较复杂，容易发生机械故障。针对无人机飞行状态高速旋转的旋翼直接暴露在外的问题，现有的四旋翼无人机在每个旋翼上加装桨罩，但桨罩的可拆卸性较差，而且增加了无人机的部件数量。虽然有的多旋翼无人机安装了一体化不可拆卸的桨罩，但是这使得该无人机的可折叠性能大大下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种便携式可折叠球形无人机。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种便携式可折叠球形无人机，包含机身、三至八个机臂、与机臂数量相同的旋转限位模块、控制模块、电源模块、信号接收模块、陀螺仪模块和气压定高模块；

所述机身为空心球体，其表面设有若干用于安装机臂的空缺；

所述机臂包含壳体、转轴、空心杯电机和旋翼，其中，壳体呈弧面，空心杯电机设置在壳体的弧面内，旋翼的转轴与空心杯电机的输出轴固连；所述壳体设置在机身用于安装机臂的空缺内，一端通过所述转轴与机身铰接，使得壳体能够相对机身绕转轴转动；

所述旋转限位模块与所述机臂一一对应设置，用于在其对应机臂的壳体相对机身的转动角度为预设的角度阈值时进行或解除转轴的双向锁定；

所述无人机处于折叠状态时，各个机臂的壳体与所述机身表面的空缺相贴合，组成球体；

所述无人机处于展开状态时，各个机臂的旋转限位模块对其转轴进行双向锁定，使得各个机臂的旋翼均处于水平状态；

所述控制模块分别电源模块、信号接收模块、陀螺仪模块、气压定高模块、以及各个机臂的空心杯电机电气相连，其中，所述信号接收模块、陀螺仪模块、气压定高模块均设置在所述机身内；所述信号接收模块用于接收遥控器的命令并将其传递给所述控制模块；所述陀螺仪模块用于测量无人机相对与地面的姿态、加速度及角速度并将其传递给所述控制模块；所述气压定高模块用于测量飞行器的高度并将其传递给所述控制模块；所述控制模块用于根据信号接收模块、陀螺仪模块、气压定高模块的输入控制各个机臂的空心杯电机工作。

作为本发明一种便携式可折叠球形无人机进一步的优化方案，所述旋转限位模块包含自锁轴和限定块，其中，自锁轴设置在机身上，与旋转限位模块对应机臂的转轴平行，用于在旋转限位模块对应机臂的壳体相对机身的转动角度为预设的角度阈值时、对转轴在机臂的闭合方向进行锁定；所述限定块设置在机身上，用于在旋转限位模块对应机臂的壳体相对机身的转动角度为预设的角度阈值时顶住机臂壳体的外壁，对转轴在机臂的展开方向进行锁定。

作为本发明一种便携式可折叠球形无人机进一步的优化方案，所述旋转限位模块包含棘轮和限位块，其中，所述棘轮设置在旋转限位模块对应机臂与机身的连接处，使得机臂只能单向转动；所述限定块设置在机身上，用于在旋转限位模块对应机臂的壳体相对机身的转动角度为预设的角度阈值时顶住机臂壳体的外壁，对转轴在机臂的展开方向进行锁定。

作为本发明一种便携式可折叠球形无人机进一步的优化方案，所述电源模块采用3.7伏可充电锂电池。

作为本发明一种便携式可折叠球形无人机进一步的优化方案，所述机臂壳体远离转轴的一端设有纽扣磁铁，所述机身上设有若干个用于折叠时与各个机臂纽扣磁铁一一对应相配合的纽扣磁铁。

作为本发明一种便携式可折叠球形无人机进一步的优化方案，所述机臂的壳体内还设有两端均与壳体内壁固连的支撑杆，以防止无人机在展开状态时旋翼的升力造成壳体变形。

作为本发明一种便携式可折叠球形无人机进一步的优化方案，所述支撑杆采用碳纤维制成。

作为本发明一种便携式可折叠球形无人机进一步的优化方案，所述机臂的个数优先采用四个。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.独特的可折叠球形设计，使得无人机引入了一些艺术元素，该无人机具有一定的艺术观赏性；

2.小巧的自锁结构设计，保证无人机飞行时机臂与机身位置相对固定的基础上，还使无人机不添加额外质量。

3. 采用独特的折叠结构及球形结构设计，极大的提高了无人机的便携性；

4.展开状态无人机呈四旋翼模式，飞行平稳，操作简单，便于用户外出携带，及单兵作战使用。

附图说明

图1是本发明展开状态时的侧视图；

图2是本发明展开状态时的结构示意图；

图3是本发明折叠状态时的结构示意图；

图4是本发明旋转限位模块的一种结构示意图；

图5是本发明机身的结构示意图；

图6是本发明机臂的结构示意图。

图中，1-控制模块，2-电源模块，3-机身，4-空心杯电机，5-机臂，6-旋翼，7-纽扣磁铁，8-自锁轴，9-限定块，10-转轴，11-机臂与机身连接孔，12-支撑杆，13-电机安装孔，14-支撑杆安装孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1和图2所示，本发明公开了一种便携式可折叠球形无人机，包含机身、三至八个机臂、与机臂数量相同的旋转限位模块、控制模块、电源模块、信号接收模块、陀螺仪模块和气压定高模块；

所述机身为空心球体，其表面设有若干用于安装机臂的空缺；

所述机臂包含壳体、转轴、空心杯电机和旋翼，其中，壳体呈弧面，空心杯电机设置在壳体的弧面内，旋翼的转轴与空心杯电机的输出轴固连；所述壳体设置在机身用于安装机臂的空缺内，一端通过所述转轴与机身铰接，使得壳体能够相对机身绕转轴转动；

所述旋转限位模块与所述机臂一一对应设置，用于在其对应机臂的壳体相对机身的转动角度为预设的角度阈值时进行或解除转轴的双向锁定；

所述无人机处于折叠状态时，各个机臂的壳体与所述机身表面的空缺相贴合，组成球体；

所述无人机处于展开状态时，各个机臂的旋转限位模块对其转轴进行双向锁定，使得各个机臂的旋翼均处于水平状态；

所述控制模块分别电源模块、信号接收模块、陀螺仪模块、气压定高模块、以及各个机臂的空心杯电机电气相连，其中，所述信号接收模块、陀螺仪模块、气压定高模块均设置在所述机身内；所述信号接收模块用于接收遥控器的命令并将其传递给所述控制模块；所述陀螺仪模块用于测量无人机相对于地面的姿态、加速度及角速度并将其传递给所述控制模块；所述气压定高模块用于测量飞行器的高度并将其传递给所述控制模块；所述控制模块用于根据信号接收模块、陀螺仪模块、气压定高模块的输入控制各个机臂的空心杯电机工作。

旋转限位模块可以采用自锁轴和限定块，其中，自锁轴设置在机身上，与旋转限位模块对应机臂的转轴平行，用于在旋转限位模块对应机臂的壳体相对机身的转动角度为预设的角度阈值时、对转轴在机臂的闭合方向进行锁定；所述限定块设置在机身上，用于在旋转限位模块对应机臂的壳体相对机身的转动角度为预设的角度阈值时顶住机臂壳体的外壁，对转轴在机臂的展开方向进行锁定。

旋转限位模块也可以采用棘轮和限位块，其中，所述棘轮设置在旋转限位模块对应机臂与机身的连接处，使得机臂只能单向转动；所述限定块设置在机身上，用于在旋转限位模块对应机臂的壳体相对机身的转动角度为预设的角度阈值时顶住机臂壳体的外壁，对转轴在机臂的展开方向进行锁定。

所述电源模块采用3.7伏可充电锂电池。

所述机臂壳体远离转轴的一端设有纽扣磁铁，所述机身上设有若干个用于折叠时与各个机臂纽扣磁铁一一对应相配合的纽扣磁铁。

所述机臂的壳体内还设有两端均与壳体内壁固连的支撑杆，以防止无人机在展开状态时旋翼的升力造成壳体变形。

所述支撑杆采用碳纤维制成。

所述机臂的个数优先采用四个。

下面就以机臂为四个的四旋翼便携式可折叠球形无人机为例子进行说明：

四个机臂分别通过直径1.2mm的转轴与球形机身连接，四个机臂上各安装一个空心杯电机，空心杯电机与机臂电机座孔呈过盈配合连接，四个旋翼分别安装在空心杯电机的输出轴上，四根自锁轴分别通过球形机身的限位孔穿入机身，自锁轴与转轴在同一个水平面，并且二者平行，自锁轴相对于转轴向机身内部偏置一定距离，该距离视无人机的具体尺寸而定。

球形机身为一个壁厚2mm的球壳切除流线型旋翼保护罩的部分，保证了无人机在折叠状态整体为一个球形，并且球形机身在无人机展开状态整体位于无人机的下部，使无人机重心靠下，有利于无人机飞行平稳，在无人机降落时起到保护旋翼的作用。

机臂由流线型旋翼保护罩及直径为3mm的圆柱形碳纤维支撑杆组成，旋翼保护罩起保护旋翼的作用，防止意外发生时旋翼受损。流线型旋翼保护罩是以球形为基础通过曲面造型裁剪得到，并且对得到的曲面造型进行拓扑优化镂空处理，尽量减轻旋翼防护罩的质量。

圆柱形碳纤维支撑杆具有质量轻，强度高的特点，防止无人机在展开状态时旋翼的升力引起机臂的变形。

空心杯电机及旋翼分别为无人机的动力及升力装置，为无人机飞行提供动力及升力，自锁钢丝应用凸轮自锁原理和球形机身的限位结构共同作用，保持无人机在展开状态时整体结构稳定，使无人机的机臂不会因为自身重力及旋翼旋转引入的扰动而随意活动，进而保证无人机飞行的可靠性。

接收模块用来接收遥控器的控制信号，陀螺仪及气压定高模块共同作用，控制模块通过调节PID参数使无人机的飞行姿态更加平稳。空心杯电机接口与空心杯电机的控制线连接。电源接口外接3.7伏锂电池，用来给系统供电。

如图3所示, 为无人机的折叠存放状态，采用手动方式分别将飞行器的四个机臂绕着机臂与机身的钢丝连接轴向下旋转，直至机臂与机身完全融合，此时飞行器整体呈球形。（该无人机为了提高便携性，整体尺寸较小，折叠存放状态球形直径较小，不宜采用其他驱动方式，且采用其他方式机械结构较为复杂，容易发生机械故障，但如果是尺寸较大类似于本专利涉及的可折叠球形设计可以使用其他方式驱动）。

无人机的机臂进行折叠的具体过程如下：

首先，首先解除机臂与机身的自锁状态，使得机臂相对于机身可以自由转动，然后向下翻转机臂，当机臂转到与机身下部的限位结构完全贴合时，旋翼及空心杯电机藏于机身内腔，无人机整体呈球形。由于机臂下方安装的纽扣磁铁与机身上的纽扣磁铁之间的磁力作用，机臂等部件与球形机身相对固定，用来保证无人机不会在携带过程中由于外界干扰而引起机臂与机身相对活动，使无人机保持球形状态，进一步便于用户携带。

如图2所示, 为无人机的展开状态。展开状态飞行器呈四旋翼状态，飞行十分平稳，工作过程如下，采用手动方式将折叠存放状态的无人机的四个悬转臂向上翻转直至旋翼中心轴孔的轴线与无人机机身中心线平行。

无人机的机臂进行展开的具体过程如下：

首先克服纽扣定位磁铁的吸合力，解除机臂与机身的磁力约束，使得机臂与机身之间可以自由转动，然后向上翻转机臂，在机臂旋转至旋翼中心轴孔的轴线与无人机机身中心线平行时，旋转限位模块对转轴进行双向锁定，保证飞行器在飞行状态时机臂与机身的相对位置的固定，进而保证飞行的可靠性。

无人机接上3.7V电源，无人机遥控与无人机控制模块通信对码后，就可以操控无人机进行飞行。

图4为旋转限位模块的一种结构示意图，包含自锁轴和限定块，该结构实现了机臂与机身之间固定锁死的功能，保证了无人机飞行的可靠性，具体工作原理如下：

在机臂向上旋转至旋翼中心轴孔的轴线与无人机机身中心线快要平行时，此时机臂下部与自锁轴接触，在手的外力（该力比机臂的重力及旋翼旋转的干扰力都大）作用下继续向上翻转机臂，机臂挤压自锁钢丝使自锁钢丝发生弹性形变，当机臂旋转至旋翼中心孔的轴线与无人机机身中心线平行时，机臂与机身的限位块接触。机臂不能继续向上翻转，同时机臂越过自锁钢丝，自锁钢丝弹性形变消失，恢复原来形状且正好与机臂上部接触，机臂被卡死，完成自锁限位功能。

如果需要进行解锁，在手的外力（该力比机臂的重力及旋翼旋转的干扰里都大）作用下，机臂上部与自锁轴发生挤压作用，使得自锁轴发生弹性形变，当机臂下部越过自锁轴时，自锁轴弹性形变消失，此时自锁限位状态解除。

旋转限位模块采用棘轮和限位块时，因为棘轮装置单向齿及棘爪的共同作用使得该转轴只能单向转动，所以机臂只能单向转动，防止无人机在展开状态时，由于机臂重力及外界干扰的作用而使得机臂向下旋转；并且在限定块的作用下，使得机臂向上翻转至指定阈值时停止翻转；需要解除自锁限位状态时，只需将棘轮装置处的棘爪（通过扭簧及转轴连接在机身上）向上翻转使其脱离单向齿，此时机臂便可以自由向下翻转，自锁限位状态解除。在机臂旋转至于机身完全融合，无人机整体呈球形时，松开棘爪，由于扭簧的作用棘爪恢复和单向齿的接触状态，棘爪紧紧贴合在单向齿上，此时机臂只能进行单向转动，使得无人机在折叠状态也完成自锁，无需在机臂及机身上额外安装纽扣磁铁来完成折叠状态下的自锁限位功能。

如图5所示，为球形机身的结构图。球形机身为一个壁厚2mm的球壳切除流线型旋翼保护罩的部分，保证了无人机在折叠状态整体为一个球形，并且球形机身在无人机展开状态整体位于无人机的下部，使无人机重心靠下，有利于无人机飞行平稳，在无人机降落时起到保护旋翼的作用。

如图6所示，机臂由流线型旋翼保护罩及直径为3mm的圆柱形碳纤维支撑杆组成，旋翼保护罩起保护旋翼的作用，防止意外发生时旋翼受损。流线型旋翼保护罩是以球形为基础通过曲面造型裁剪得到，直径1.2mm孔是机臂和机身连接的连接孔；3mm圆柱孔是机臂和碳纤维支撑杆的连接孔；直径7mm的孔是空心杯电机的安装孔；并且对得到的曲面造型进行拓扑优化镂空处理，尽量减轻旋翼防护罩的质量。圆柱形碳纤维支撑杆具有质量轻，强度高的特点，防止无人机在展开状态时旋翼的升力引起机臂的变形。

本发明突破了传统四旋翼无人机外形设计，采用新型的可折叠球形设计。无人机具有两种状态：折叠存放状态、展开使用状态。

由折叠状态转为飞行状态时，只需四个机臂向上翻折，当旋翼轴孔中心线与机身的中心轴平行时，机身上的限位结构使得机臂不能继续向上翻折，同时凸轮自锁机构进入自锁状态，防止机臂在自身重力及外界干扰的影响下向下翻转。

由飞行状态转换为折叠状态时，只需将机臂向下翻转，当机臂与机身完全重合的时候，机臂与机身的限位结构接触，不能继续向下翻转，并且机臂上的圆形磁体与机身上的磁铁吸合，防止在携带或存放过程中由于外界的干扰而造成机臂与机身相对活动。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种便携式可折叠球形无人机，其特征在于，包含机身、三至八个机臂、与机臂数量相同的旋转限位模块、控制模块、电源模块、信号接收模块、陀螺仪模块和气压定高模块；

所述机身为空心球体，其表面设有若干用于安装机臂的空缺；

所述机臂包含壳体、转轴、空心杯电机和旋翼，其中，壳体呈弧面，空心杯电机设置在壳体的弧面内，旋翼的转轴与空心杯电机的输出轴固连；所述壳体设置在机身用于安装机臂的空缺内，一端通过所述转轴与机身铰接，使得壳体能够相对机身绕转轴转动；

所述旋转限位模块与所述机臂一一对应设置，用于在其对应机臂的壳体相对机身的转动角度为预设的角度阈值时进行或解除转轴的双向锁定；

所述无人机处于折叠状态时，各个机臂的壳体与所述机身表面的空缺相贴合，组成球体；

所述无人机处于展开状态时，各个机臂的旋转限位模块对其转轴进行双向锁定，使得各个机臂的旋翼均处于水平状态；

所述控制模块分别电源模块、信号接收模块、陀螺仪模块、气压定高模块、以及各个机臂的空心杯电机电气相连，其中，所述信号接收模块、陀螺仪模块、气压定高模块均设置在所述机身内；所述信号接收模块用于接收遥控器的命令并将其传递给所述控制模块；所述陀螺仪模块用于测量无人机相对与地面的姿态、加速度及角速度并将其传递给所述控制模块；所述气压定高模块用于测量飞行器的高度并将其传递给所述控制模块；所述控制模块用于根据信号接收模块、陀螺仪模块、气压定高模块的输入控制各个机臂的空心杯电机工作。

2.根据权利要求1所述的便携式可折叠球形无人机，其特征在于，所述旋转限位模块包含自锁轴和限定块，其中，自锁轴设置在机身上，与旋转限位模块对应机臂的转轴平行，用于在旋转限位模块对应机臂的壳体相对机身的转动角度为预设的角度阈值时、对转轴在机臂的闭合方向进行锁定；所述限定块设置在机身上，用于在旋转限位模块对应机臂的壳体相对机身的转动角度为预设的角度阈值时顶住机臂壳体的外壁，对转轴在机臂的展开方向进行锁定。

3.根据权利要求1所述的便携式可折叠球形无人机，其特征在于，所述旋转限位模块包含棘轮和限位块，其中，所述棘轮设置在旋转限位模块对应机臂与机身的连接处，使得机臂只能单向转动；所述限定块设置在机身上，用于在旋转限位模块对应机臂的壳体相对机身的转动角度为预设的角度阈值时顶住机臂壳体的外壁，对转轴在机臂的展开方向进行锁定。

4.根据权利要求1所述的便携式可折叠球形无人机，其特征在于，所述电源模块采用3.7伏可充电锂电池。

5.根据权利要求1所述的便携式可折叠球形无人机，其特征在于，所述机臂壳体远离转轴的一端设有纽扣磁铁，所述机身上设有若干个用于折叠时与各个机臂纽扣磁铁一一对应相配合的纽扣磁铁。

6.根据权利要求1所述的便携式可折叠球形无人机，其特征在于，所述机臂的壳体内还设有两端均与壳体内壁固连的支撑杆，以防止无人机在展开状态时旋翼的升力造成壳体变形。

7.根据权利要求6所述的便携式可折叠球形无人机，其特征在于，所述支撑杆采用碳纤维制成。

8.根据权利要求1所述的便携式可折叠球形无人机，其特征在于，所述机臂的个数优先采用四个。