CN106697273B - 多角度可调节飞行机器人及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多角度可调节飞行机器人及其工作方法，其中多角度可调节飞行机器人，其特征在于：包括机体和可拆连接在机体上的六根支撑臂，各支撑臂端部连接电机安装罩，所述电机安装罩内装有的电机，所述电机的输出轴上安装有旋翼，所述各支撑臂的中心轴线位于同一平面内，且各支撑臂的中心轴线均布在该平面内。本发明多角度可调节飞行机器人结构简单、设计合理，其从根本上克服传统平面多旋翼飞行机器人的欠驱动性。

Description

多角度可调节飞行机器人及其工作方法
技术领域：
本发明属于小型旋翼式飞行机器人领域，涉及一种新型结构的多角度可调节飞行机器人及其工作方法。
背景技术：
平面多旋翼(四旋翼、六旋翼和八旋翼等)飞行机器人以其结构紧凑、操控简便，机动灵活等优点，已成为小型旋翼式飞行机器人领域内的研究热点。目前已有的平面多旋翼飞行机器人大都采用平面布局结构，其全部旋翼都位于同一个平面（或两个平行平面）内且旋翼的转轴都指向同一方向，其平飞运动必须依靠姿态角的改变由升力的水平分量提供平飞所需的驱动力，由升力的垂直分量来克服机器人的重力。由于各个旋翼产生的升力方向相同，多旋翼驱动系统只能向飞行机器人提供一个可调的升力以及三个姿态控制力矩，使得这类结构的平面多旋翼飞行机器人在本质上是一种欠驱动系统，只能通过姿态改变产生平动飞行的力，其姿态转动和平动运动间存在耦合，严重制约了其机动能力，给机器人的稳定控制带来了困难。
发明内容：
本发明的目的即在于提供一种多角度可调节飞行机器人及其工作方法，该多角度可调节飞行机器人结构简单、设计合理，其从根本上克服传统平面多旋翼飞行机器人的欠驱动性。
本发明的所采取的技术方案是：
本发明多角度可调节飞行机器人，其特征在于： 包括机体和可拆连接在机体上的六根支撑臂，各支撑臂端部连接电机安装罩，所述电机安装罩内装有的电机，所述电机的输出轴上安装有旋翼，所述各支撑臂的中心轴线位于同一平面内，且各支撑臂的中心轴线均布在该平面内。
进一步的，上述支撑臂通过夹紧装置可拆连接在机体上，所述夹紧装置包括呈圆箍状的夹紧零件和穿设在夹紧零件开口部位的连接杆件，所述连接杆件的一端与螺母可拆连接， 所述连接杆件的另一端连接预紧零件。
进一步的，上述相邻旋翼旋转方向相反。
进一步的，每个旋翼与其相邻的两个旋翼组成面对面和背对背两个旋翼对。
进一步的，上述支撑臂与夹紧零件连接的那一端表面上设有0-90度的刻度线，每个刻度线位于支撑臂周壁上且与中心轴线平行，相邻刻度线以15度递增，其中0度刻度线布设在支撑臂表面的整个长度方向。
进一步的，上述预紧零件包括偏心圆柱体和连接在偏心圆柱体上的拨柄，所述偏心圆柱体上设有用于穿设销钉的通孔和用于穿入连接杆件端头的凹槽，所述销钉穿设在偏心圆柱体的通孔和连接杆件端头的穿孔内。
本发明多角度可调节飞行机器人及其工作方法，其特征在于：其中多角度可调节飞行机器人包括机体和可拆连接在机体上的六根支撑臂，各支撑臂端部连接电机安装罩，所述电机安装罩内装有的电机，所述电机的输出轴上安装有旋翼，所述各支撑臂的中心轴线位于同一平面内，且各支撑臂的中心轴线均布在该平面内；工作时，预先将每个旋翼安装到支撑臂端部上，然后将各支撑臂安装到机体上。
进一步的，安装支撑臂过程中调节其安装的角度，使相邻旋翼旋转方向相反，及每个旋翼与其相邻的两个旋翼组成面对面和背对背两个旋翼对。
进一步的，上述预紧零件包括偏心圆柱体和连接在偏心圆柱体上的拨柄，所述偏心圆柱体上设有用于穿设销钉的通孔和用于穿入连接杆件端头的凹槽，所述销钉穿设在偏心圆柱体的通孔和连接杆件端头的穿孔内，安装支撑臂时，先转动拨柄，使偏心圆柱体的偏心小直径处与连接杆件中心轴线平齐，此时夹紧零件处于松开状态，即可在夹紧零件中心孔内插入入连接杆件，然后旋动拨柄，使偏心圆柱体的偏心大直径处与连接杆件中心轴线平齐，此时夹紧零件处于夹紧状态，即完成支撑臂的安装；相反，拆卸支撑臂为相反步骤。
本发明提出的多角度可调节飞行机器人具有全新的旋翼单元布局结构，采用了倾斜安装旋翼的方法，使得旋翼产生的升力不再指向同一个方向，相邻两个旋翼的旋转方向相反，正反旋转的转子对机体的扭力矩相反。六个非平面旋翼的转速配合，使机器人可在三轴方向上独立调节力与力矩，实现姿态转动和平动运动间的解耦，从本质上消除了平面多旋翼飞行器的欠驱动特性。
设计的支撑臂夹紧装置使各支撑臂与机体连接牢固，并实现了旋翼倾角的调整，不同的旋翼倾角使得该非平面旋翼机器人的结构中形成了多组面对面和背对背旋翼对，这为研究不同的旋翼倾角对非平面旋翼机器人气动性能的影响提供了便利。
本发明通过改变不同的非平面旋翼倾角后发现，不但多角度可调节飞行机器人具有了六自由度独立控制的能力，而且合理配置的旋翼倾角使得相邻的非平面旋翼对产生的总升力增加，其气动性能也比平面多旋翼飞行机器人更优。
另外，每个旋翼由电机直接驱动，消除了传动系统的效率损失。采用六个旋翼进行驱动提供了更高的驱动单元（旋翼+电机）冗余能力，可保证机器人在最多三个驱动单元失效的情况下继续执行任务或至少可保证安全降落，极大地增加了系统的可靠性。
以上这些优点使得该本发明多角度可调节飞行机器人具有独立执行实际任务的能力，其在军用和民用领域具有非常广阔的应用前景。
附图说明：
图1是本发明多角度可调节飞行机器人的立体图；
图2是本发明多角度可调节飞行机器人的俯视图；
图3是本发明多角度可调节飞行机器人主视图；
图4是本发明多角度可调节飞行机器人布局原理图；
图5是本发明图1中夹紧装置的结构示意图；
图6是图5中连接杆件302的结构示意图；
图7是图5中预紧零件304的结构示意图；
图8是图5中夹紧零件306的结构示意图；
图9是图1中支撑臂的组装构造示意图；
图10是图9中刻度盘放大图；
图11是图1中面对面旋翼对的结构图；
图12是图1中背对背旋翼对的结构图。
具体实施方式：
为了使本发明的优点、目的、技术方案更加清楚明了，下面结合附图对本发明进行进一步的解释说明。
本发明多角度可调节飞行机器人包括机体和可拆连接在机体4上的六根支撑臂6，各支撑臂6端部连接电机安装罩1，所述电机安装罩内装有的电机，所述电机的输出轴上安装有旋翼5，所述各支撑臂的中心轴线位于同一平面内，且各支撑臂的中心轴线均布在该平面内，在机体4下部设有两个弹性支架2。
进一步的，为了实现快捷的可拆连接，上述支撑臂6通过夹紧装置3可拆连接在机体4上，所述夹紧装置3包括呈圆箍状的夹紧零件306和穿设在夹紧零件306开口部位的连接杆件302，所述连接杆件302的一端与螺母301可拆连接， 所述连接杆件302的另一端连接垫片303和预紧零件304。圆箍状的夹紧零件为圆柱形开口环，在开口部位两边具有凸块3063，两凸块具有间距，且间距随外力作用的大小可调，以卡紧环内部件，在图块上设有穿孔3061、3062，该两穿孔3061、3062穿过连接杆件302，并且一端由螺母301连接。夹紧装置3为固定在机体上。
进一步的，为了消除平面多旋翼飞行器的欠驱动特性，上述相邻旋翼旋转方向相反；每个旋翼与其相邻的两个旋翼组成面对面和背对背两个旋翼对。
进一步的，为了便于调整支撑臂安装角度及旋翼5的倾斜角度，上述支撑臂6与夹紧零件3连接的那一端表面上设有0-90度的刻度线601，每个刻度线位于支撑臂周壁上且与中心轴线平行，相邻刻度线以15度递增，其中0度刻度线布设在支撑臂表面的整个长度方向。
进一步的，为了设计合理，上述预紧零件304包括偏心圆柱体3043和连接在偏心圆柱体上的拨柄3044，所述偏心圆柱体上设有用于穿设销钉305的通孔3041、3042和用于穿入连接杆件端头的凹槽3045，所述销钉穿设在偏心圆柱体的通孔3041、3042和连接杆件端头的穿孔3023内，该连接杆件包括一端头与螺母连接的螺纹段3021、中间段3022和用于插置销钉的圆台3024，所述穿孔3023穿设在圆台3024上。
机体4中安装飞行器控制系统、传感器和电池，以控制各电机工作。电机安装罩1中的电机直接连接并驱动旋翼5，每个旋翼采用高升阻比翼型，且相邻旋翼旋转方向相反。
当所需调整的旋翼倾角为60°时，用把手将夹紧零件旋至半径最小处，将支撑臂的60°刻度线对准夹紧装置3的基准线A，角度调整好后，将夹紧零件旋至半径较大的位置使支撑臂与机体牢固锁紧，确保了各旋翼倾角为60°。若夹紧零件失效，调节六角螺母也可以确保各支撑臂被夹紧，并实现预期的旋翼倾角。
使用夹紧装置3对旋翼倾角进行调整后，旋翼的旋转平面同机体平面的夹角
Figure 186154DEST_PATH_IMAGE002
为60°，每个旋翼与其相邻的两个旋翼组成面对面和背对背两个旋翼对。对具有不同旋翼倾角的多角度可调节飞行机器人进行试验后得到，合理的旋翼倾角会导致面对面和背对背旋翼对的总升力增加，从而整机的气动性能得到提高。
本发明多角度可调节飞行机器人及其工作方法，其中包括机体和可拆连接在机体4上的六根支撑臂6，各支撑臂6端部连接电机安装罩1，所述电机安装罩内装有的电机，所述电机的输出轴上安装有旋翼5，所述各支撑臂的中心轴线位于同一平面内，且各支撑臂的中心轴线均布在该平面内；工作时，预先将每个旋翼5安装到支撑臂6端部上，然后将各支撑臂安装到机体上，安装支撑臂过程中调节其安装的角度，使相邻旋翼旋转方向相反，及每个旋翼与其相邻的两个旋翼组成面对面和背对背两个旋翼对。
进一步的，上述预紧零件（快拆件）包括包括偏心圆柱体3043和连接在偏心圆柱体上的拨柄3044，所述偏心圆柱体上设有用于穿设销钉的通孔3041、3042和用于穿入连接杆件端头的凹槽3045，所述销钉穿设在偏心圆柱体的通孔3041、3042和连接杆件端头的穿孔3023内，该连接杆件包括一端头与螺母连接的螺纹段3021、中间段3022和用于插置销钉的圆台3024，所述穿孔3023穿设在圆台3024上，安装支撑臂时，先转动拨柄3044，使偏心圆柱体的偏心小直径处与连接杆件中心轴线平齐，此时夹紧零件处于松开状态，即可在夹紧零件中心孔内插入入连接杆件，然后旋动拨柄，使偏心圆柱体的偏心大直径处与连接杆件中心轴线平齐，此时夹紧零件处于夹紧状态，即完成支撑臂的安装；相反，拆卸支撑臂为相反步骤。
本发明提出的多角度可调节飞行机器人具有全新的旋翼单元布局结构，采用了倾斜安装旋翼的方法，使得旋翼产生的升力不再指向同一个方向，相邻两个旋翼的旋转方向相反，正反旋转的转子对机体的扭力矩相反。六个非平面旋翼的转速配合，使机器人可在三轴方向上独立调节力与力矩，实现姿态转动和平动运动间的解耦，从本质上消除了平面多旋翼飞行器的欠驱动特性。
设计的支撑臂夹紧装置使各支撑臂与机体连接牢固，并实现了旋翼倾角的调整，不同的旋翼倾角使得该非平面旋翼机器人的结构中形成了多组面对面和背对背旋翼对，这为研究不同的旋翼倾角对非平面旋翼机器人气动性能的影响提供了便利。
本发明通过改变不同的非平面旋翼倾角后发现，不但多角度可调节飞行机器人具有了六自由度独立控制的能力，而且合理配置的旋翼倾角使得相邻的非平面旋翼对产生的总升力增加，其气动性能也比平面多旋翼飞行机器人更优。
另外，每个旋翼由电机直接驱动，消除了传动系统的效率损失。采用六个旋翼进行驱动提供了更高的驱动单元（旋翼+电机）冗余能力，可保证机器人在最多三个驱动单元失效的情况下继续执行任务或至少可保证安全降落，极大地增加了系统的可靠性。
以上这些优点使得该本发明多角度可调节飞行机器人具有独立执行实际任务的能力，其在军用和民用领域具有非常广阔的应用前景。

Claims (1)

1.一种多角度可调节六旋翼飞行机器人，其特征在于： 包括机体和可拆连接在机体上的六根支撑臂，各支撑臂端部连接电机安装罩，所述电机安装罩内装有的电机，所述电机的输出轴上安装有旋翼，所述各支撑臂的中心轴线位于同一平面内，且各支撑臂的中心轴线均布在该平面内；所述支撑臂通过夹紧装置可拆连接在机体上，所述夹紧装置包括呈圆箍状的夹紧零件和穿设在夹紧零件开口部位的连接杆件，所述连接杆件的一端与螺母可拆连接， 所述连接杆件的另一端连接预紧零件；相邻旋翼旋转方向相反；每个旋翼与其相邻的两个旋翼组成面对面和背对背两个旋翼对；所述支撑臂与夹紧零件连接的那一端表面上设有0-90度的刻度线，每个刻度线位于支撑臂周壁上且与中心轴线平行，相邻刻度线以15度递增，其中0度刻度线布设在支撑臂表面的整个长度方向；所述预紧零件包括偏心圆柱体和连接在偏心圆柱体上的拨柄，所述偏心圆柱体上设有用于穿设销钉的通孔和用于穿入连接杆件端头的凹槽，所述销钉穿设在偏心圆柱体的通孔和连接杆件端头的穿孔内；旋翼的旋转平面同机体平面的夹角为60°；
工作时，预先将每个旋翼安装到支撑臂端部上，然后将各支撑臂安装到机体上；安装支撑臂过程中调节其安装的角度，使相邻旋翼旋转方向相反，及每个旋翼与其相邻的两个旋翼组成面对面和背对背两个旋翼对；所述预紧零件包括偏心圆柱体和连接在偏心圆柱体上的拨柄，所述偏心圆柱体上设有用于穿设销钉的通孔和用于穿入连接杆件端头的凹槽，所述销钉穿设在偏心圆柱体的通孔和连接杆件端头的穿孔内，安装支撑臂时，先转动拨柄，使偏心圆柱体的偏心小直径处与连接杆件中心轴线平齐，此时夹紧零件处于松开状态，即可在夹紧零件中心孔内插入连接杆件，然后旋动拨柄，使偏心圆柱体的偏心大直径处与连接杆件中心轴线平齐，此时夹紧零件处于夹紧状态，即完成支撑臂的安装；相反，拆卸支撑臂为相反步骤。
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