CN108045566A - 一种仿生人手的多功能四旋翼飞行器 - Google Patents

一种仿生人手的多功能四旋翼飞行器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种仿生人手的多功能四旋翼飞行器，属于飞行器技术领域，飞行器包括飞行架，飞行架四周均匀连接有四个旋翼，飞行架内侧连接有太阳能板，飞行架侧面连接有微型摄像头，飞行架下端通过液压式弹簧减震器连接有机械手。飞行架为飞行器的基本结构基础，可支撑飞行器部件，稳定连接，提高飞行器抗干扰能力。本发明采用了现代化太阳能光伏发电技术、四旋翼的机身结构、机械手、弹簧减震系统，完善了无人机现有存在缺陷，优化了无人机结合机械手的功能使用，推进了无人机的技术发展。

Description

一种仿生人手的多功能四旋翼飞行器
技术领域
本发明属于飞行器技术领域，具体涉及一种仿生人手的多功能四旋翼飞行器。
背景技术
无人机最早在20世纪20年代出现，1914年第一次世界大战正进行得如火如荼，英国的卡德尔和皮切尔两位将军，向英国军事航空学会提出了一项建议：研制一种不用人驾驶，而用无线电操纵的小型飞机，使它能够飞到敌方某一目标区上空，将事先装在小飞机上的炸弹投下去。这种大胆的设想立即得到当时英国军事航空学会理事长戴·亨德森爵士赏识。他指定由A.M.洛教授率领一班人马进行研制。无人机当时是作为训练用的靶机使用的。是一个许多国家用于描述最新一代无人驾驶飞机的术语。从字面上讲，这个术语可以描述从风筝，无线电遥控飞机，到V-1飞弹从发展来的巡航导弹，但是在军方的术语中仅限于可重复使用的比空气重的飞行器。
如今无人机已走向平常百姓家，普及于飞行娱乐，航拍等方面，市场的无人机产品也随处可见，无人机市场开拓了目前无人操控机市场的新纪元，目前无人机正不断不入人类生活，多旋翼，航拍等无人机层出不穷，传统的无人机虽然能在天空中飞行，但是由于高空飞行所需的能量大，而传统无人机的续航能力只能在20-30分钟，极大的限制了无人机的使用时间，而且传统的无人机，主要运用在航拍等方面，所以开拓无人机的使用范围，让其涉及更多领域极为必要，当然新生的无人机的机械臂能在生活中完成一些抓取、搬运的功能，但是仍存在缺陷，如续航短、精确度不高、抓住物体的过程中的抖动太大，影响飞行器飞行等问题也随处可见，总之，在无人机开拓市场的过程中，采取一些措施来优化无人机的架构和使用范围极为必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种续航时间长，升力大，抗干扰能力强，灵活性、安全性、稳定性高，且能实现机械手抓取物体灵活、准确，对飞行器影响小的一种仿生人手的多功能四旋翼飞行器。
本发明为解决上述技术问题所采取的方案为：一种仿生人手的多功能四旋翼飞行器，包括飞行架，飞行架四周均匀连接有四个旋翼，飞行架内侧连接有太阳能板，飞行架侧面连接有微型摄像头，飞行架下端通过液压式弹簧减震器连接有机械手。飞行架为飞行器的基本结构基础，可支撑飞行器部件，稳定连接，提高飞行器抗干扰能力。旋翼通过电机转速改变旋翼旋转速度，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置的改变，保证飞行器的灵活运行，四个旋翼的设置为飞行器提高较大的升力，保证飞行与抓取物体的正常进行。太阳能板利用太阳能半导体电子器件有效吸收太阳光辐射能，并转化为电能供旋翼连接的电机使用，为四旋翼飞行提供长时间的续航能力。微型摄像机可实时采集飞行器搬运过程的图像，为人为监测和操控提供便利。机械手动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，抓取物体精确，飞行器与机械手的结合，有力拓宽了飞行器的使用范围，提高飞行器的经济价值。液压式弹簧减震器主要用来抑制弹簧吸震后反弹时的震荡及来自路面的冲击，避免机械手在搬运货物的过程中影响飞行器稳定飞行，有利于提高飞行器的稳定性和安全性。本发明采用了现代化太阳能光伏发电技术、四旋翼的机身结构、机械手、弹簧减震系统，完善了无人机现有存在缺陷，优化了无人机结合机械手的功能使用，推进了无人机的技术发展。
作为优选，旋翼对应连接有独立的电机，旋翼首端连接有桨叶，桨叶的倾斜角为3～9°。飞行器的四个旋翼分别与电机连接，相邻的电机控制旋翼上的桨叶进行反向旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消，桨叶的倾斜角的设定有利于桨叶上下形成适宜的压力差，使飞行器在实现稳定飞行的同时具有较大的升力，为最佳倾斜角度。
作为优选，桨叶由弧形左侧桨和弧形右侧桨组成，左侧桨和右侧桨的圆心角角度α：β比为1:1.6～2.8，右侧桨内壁均布有弧锥。由弧形构成的桨叶在高速旋转下对物体的切割力小，避免了飞行器在工作时，其桨叶与人或物体接触而发生误伤的情况，提高了本飞行器工作安全性。左侧桨的弧长和右侧桨的弧长不同，较短一侧的左侧桨朝向桨叶的旋转方向，在桨叶旋转过程，较长一侧的右侧桨受风面积更大，使得桨叶具有更强的排开空气的能力，使得旋翼能够产生更多的升力，根据公式：其中F为总升力，k为升力因子，r为弧形桨对应的半径，l为桨叶长度，τ为反扭力矩，v为桨叶旋转速度，α为左侧桨对应的圆心角，β为右侧桨对应的圆心角，可得左侧桨和右侧桨的圆心角角度α：β比的优选范围为1:1.6～2.8，在上述圆心角的比例下，飞行器具有优异的的飞行能力和应变能力；右侧桨表面设有的弧锥，使得经过右侧桨表面的空气的速度降低，则在桨叶下端能够形成较大压强，而桨叶上端凸起，流过桨叶上表面的气流快，则在桨叶下端的压强较小，弧锥的设置可增大桨叶上下表面的压力差，使得四旋翼飞行器能够得到更大的升力，不仅可提高飞行器搬运物体的重量极限值，还可使飞行器具有更大的灵活性，提升其飞行能力和搬运能力；弧锥使得吹向右侧桨的气流一分为二，向上流动的气流在经过最高点往下落时与新进入的气流相遇，在桨叶下方形成环流，多个弧锥的设置，使得在距桨叶下表面一定距离处形成稳定的环流圈，成为桨叶强有力的“护盾”，避免了飞行器在飞行过程中环境因素对飞行稳定性的影响，使得四旋翼飞行器具有较高的抗干扰能力。
作为优选，液压式弹簧减震器包括活塞杆，活塞杆下端连接有活塞，活塞一侧设有伸张阀，活塞另一侧设有流通阀，伸张阀和流通阀将液压式弹簧减震器内分为上腔室和下腔室，下腔室底部一侧设有压缩阀，下腔室底部另一侧设有补偿阀。液压式弹簧减震器在机械手搬运过程中，当产生振动时，液压式弹簧减震器阻尼力较小，以便发挥弹性元件的弹性作用，缓冲冲击，减少机械手的抖动对飞行器飞行的影响；在弹簧吸震后反弹时，液压式弹簧减震器阻尼力增大，迅速减震，以避免弹簧反弹力对飞行器的影响，达到了有效的减震效果。
作为优选，上腔室和下腔室外围设有储油缸筒，储油缸筒内壁均匀连接有导热板，导热板表面均布有通孔。储油缸筒为油体运动过程中的储备空间，以实现油体的流动减震。导热板为具有优良导热性能的材料，与储油缸筒连接，可增强液压式弹簧减震器的导热性，避免在油体运行时产生的热量对液压式弹簧减震器工作产生影响，快速将热量导出至液压式弹簧减震器外，提高液压式弹簧减震器的安全性；导热板表面设有的通孔增加了油体与导热板的接触面积，从而提升导热板的导热效果，提升飞行器整体工作安全性；通孔的设置还使得油体在储油缸筒内部的运动时，分散为多股速度不同的流体，增加了油分子之间的运动速度差，从而提升油的粘滞力，提升油分子之间的摩擦力，从而显著提升液压式弹簧减震器的减震效果，避免机械手抓取动作对飞行器的影响。
作为优选，活塞杆上端连接有上连接件，上连接件与机械手连接，上连接件两端通过连接板连接有联动扇，液压式弹簧减震器底部连接有下连接件，下连接件与飞行架连接。液压式弹簧减震器连接在机械手和飞行架之间，可抑制弹簧吸震后反弹时的震荡及来自路面的冲击，在获取物体发生抖动时，虽然弹簧可以过滤路面的震动，但弹簧自身还会有往复运动，放置的减震器良好的抑制这种弹簧跳跃，提升工作稳定性。
作为优选，联动扇包括固定杆，固定杆固接于液压式弹簧减震器外壁，固定杆通过转轴连接有扇叶，扇叶外侧壁连接有连接块，连接块与连接件两端通过连接板连接。连接件通过连接板连接扇叶，在需要进行弹力抵消时，部分弹力可转化为扇叶的动力，提升了对弹力的消耗，加快了对弹簧反弹力或抖动的抵消；扇叶消耗动力后对液压式弹簧减震器外表面进行扇风，提升液压式弹簧减震器外表面的热对流运动，提升热量的发散，使液压式弹簧减震器因减震产生的热量快速消散，避免高温对飞行器部件正常工作的影响，提升飞行器工作安全性和可靠性。
作为优选，机械手包括手部，手部表面布有敏感传感器，手部下端通过手腕连接手臂，手臂内部连接有立柱，手臂的手肘处设有弹簧装置，手臂下端通过固接件连接于液压式弹簧减震器。本发明的机械手为夹持式结构，手部为与物体接触部件，手腕是连接手部和手臂的部件，可用来调整被抓取物体的方位，手臂是支撑被抓取物体、手部和手腕的重要部件，可带动手部进行物体抓取，并按照预定要求将物体搬运至指定位置，立柱支撑手臂的回转运动和升降运动，敏感传感器可使机械手精确寻找并抓取物体，弹簧装置能够减少抓取过程对飞行器的影响。上述结构的机械手运动灵活，抓取物体灵活、准确，且对飞行器影响小。
与现有技术相比，本发明的有益效果为:1)本发明采用了现代化太阳能光伏发电技术、四旋翼的机身结构、机械手、弹簧减震系统，完善了无人机现有存在缺陷，优化了无人机结合机械手的功能使用，推进了无人机的技术发展；2)本发明打破了传统无人机架构，以达到持续续航、防止机身抖动、抓取、搬运等目标为宗旨，针对现有技术提供一种续航时间长、抓取物体精确、防止抖动对机身的抓取物体产生影响的四旋翼飞行器；3)桨叶提高了飞行器安全性，使飞行器具有较大升力，提升飞行器的飞行能力、搬运能力和抗干扰能力；4)导热板加速液压式弹簧减震器散热，提升减震效果；5)联动扇加速了对弹簧反弹力或抖动的抵消，加快了液压式弹簧减震器散热，提升飞行器工作安全性和可靠性；6)机械手运动灵活，抓取物体灵活、准确，且对飞行器影响小。
本发明采用了上述技术方案提供一种仿生人手的多功能四旋翼飞行器，弥补了现有技术的不足，设计合理，操作方便。
附图说明
图1为本发明飞行器的结构示意图；
图2为本发明桨叶的连接示意图；
图3为本发明桨叶侧视图以及左侧桨和右侧桨的对应圆心角示意图；
图4为本发明桨叶侧视图以及右侧桨的表面局部放大图；
图5为本发明液压式弹簧减震器的结构示意图；
图6为本发明联动扇的俯视图；
图7为本发明联动扇的侧视图；
图8为本发明导热板侧视图以及其表面通孔的局部放大图；
图9为本发明机械手结构示意图；
图10为本发明太阳能板对飞行器作用流程框图；
图11为本发明飞行器的四个旋翼的旋转方向示意图；
图12为本发明实施例3地面坐标系与机体坐标系示意图；
图13为本发明机械手控制的控制流程框图；
图14为本发明实施例3飞行器静态时水平位置偏移量测试结果示意图；
图15为本发明实施例3飞行器静态时高度位置偏移量测试结果示意图；
图16为本发明实施例3飞行器动态飞行时测量结果示意图。
附图标记说明：1飞行架；2太阳能板；3微型摄像头；4旋翼；4a桨叶；4b左侧桨；4c右侧桨；4d弧锥；5机械手；6液压式弹簧减震器；7上连接件；8活塞杆；9上腔室；10流通阀；11下腔室；12补偿阀；13下连接件；14压缩阀；15导热板；15a通孔；16联动扇；16a固定杆；16b扇叶；16c连接块；16d转轴；17伸张阀；18手部；19敏感传感器；20手腕；21立柱；22弹簧装置；23手臂；24固接件。
具体实施方式
以下结合附图和实施例作进一步详细描述：
实施例1：
如图1、5所示，一种仿生人手的多功能四旋翼飞行器，包括飞行架1，飞行架1四周均匀连接有四个旋翼4，飞行架1内侧连接有太阳能板2，飞行架1侧面连接有微型摄像头3，飞行架1下端通过液压式弹簧减震器6连接有机械手5。飞行架1为飞行器的基本结构基础，可支撑飞行器部件，稳定连接，提高飞行器抗干扰能力。旋翼4通过电机转速改变旋翼4旋转速度，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置的改变，保证飞行器的灵活运行，四个旋翼4的设置为飞行器提高较大的升力，保证飞行与抓取物体的正常进行。太阳能板2利用太阳能半导体电子器件有效吸收太阳光辐射能，并转化为电能供旋翼4连接的电机使用，为四旋翼飞行提供长时间的续航能力。微型摄像机3可实时采集飞行器搬运过程的图像，为人为监测和操控提供便利。机械手5动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，抓取物体精确，飞行器与机械手5的结合，有力拓宽了飞行器的使用范围，提高飞行器的经济价值。液压式弹簧减震器6主要用来抑制弹簧吸震后反弹时的震荡及来自路面的冲击，避免机械手5在搬运货物的过程中影响飞行器稳定飞行，有利于提高飞行器的稳定性和安全性。本发明采用了现代化太阳能光伏发电技术、四旋翼的机身结构、机械手、弹簧减震系统，完善了无人机现有存在缺陷，优化了无人机结合机械手的功能使用，推进了无人机的技术发展。
本实施例中的常规技术为本领域技术人员所知晓的现有技术，在此不作详细叙述。
实施例2：
如图1～9所示，本实施例在实施例1的基础上，进一步的优化方案为：旋翼4对应连接有独立的电机，旋翼4首端连接有桨叶4a，桨叶4a的倾斜角优选为6°。飞行器的四个旋翼4分别与电机连接，相邻的电机控制旋翼4上的桨叶4a进行反向旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消，桨叶4a的倾斜角的设定有利于桨叶4a上下形成适宜的压力差，使飞行器在实现稳定飞行的同时具有较大的升力，为最佳倾斜角度。
桨叶4a由弧形左侧桨4b和弧形右侧桨4c组成，左侧桨4b和右侧桨4c的圆心角角度α：β比优选为1:1.8，右侧桨4c内壁均布有弧锥4d。由弧形构成的桨叶4a在高速旋转下对物体的切割力小，避免了飞行器在工作时，其桨叶4a与人或物体接触而发生误伤的情况，提高了本飞行器工作安全性。左侧桨4b的弧长和右侧桨4c的弧长不同，较短一侧的左侧桨4b朝向桨叶4a的旋转方向，在桨叶4a旋转过程，较长一侧的右侧桨4c受风面积更大，使得桨叶4a具有更强的排开空气的能力，使得旋翼4能够产生更多的升力，根据公式： 其中F为总升力，k为升力因子，r为弧形桨对应的半径，l为桨叶长度，τ为反扭力矩，v为桨叶旋转速度，α为左侧桨对应的圆心角，β为右侧桨对应的圆心角，可得左侧桨和右侧桨的圆心角角度α：β比的优选范围为1:1.6～2.8，优选范围中的优选比值取1:1.8，在上述圆心角的比例下，使得飞行器具有优异的的飞行能力和应变能力；右侧桨4c表面设有的弧锥4d，使得经过右侧桨4c表面的空气的速度降低，则在桨叶4a下端能够形成较大压强，而桨叶4a上端凸起，流过桨叶4a上表面的气流快，则在桨叶4a下端的压强较小，弧锥4d的设置可增大桨叶4a上下表面的压力差，使得四旋翼飞行器能够得到更大的升力，不仅可提高飞行器搬运物体的重量极限值，还可使飞行器具有更大的灵活性，提升其飞行能力和搬运能力；弧锥4d使得吹向右侧桨4c的气流一分为二，向上流动的气流在经过最高点往下落时与新进入的气流相遇，在桨叶4a下方形成环流，多个弧锥4d的设置，使得在距桨叶4a下表面一定距离处形成稳定的环流圈，成为桨叶4a强有力的“护盾”，为飞行器飞行的抗干扰实现了意想不到的提升作用，避免了飞行器在飞行过程中环境因素对飞行稳定性的影响，使得四旋翼飞行器具有较高的抗干扰能力。
桨叶4a为塑料材质，由于桨叶4a长期处于高速旋转下，且具有与物体发生碰撞的可能性，故桨叶4a所用的塑料材质需具备较高的强度与较好的韧性，上述塑料材质的制备方法为：按重量份取8份磷酸二氢铵、5份氧化铜、8份聚醚醚酮，将磷酸二氢铵和氧化铜粉碎至目数为330目；反应釜温度调节至150℃，加入42份聚氯乙烯、14份低密度聚乙烯、6份脲醛树脂、11份甲基丙烯酸羟丙酯、10份矿物油，将各成分高温下混合融解；再加入280目的8份磷酸二氢铵、3份氧化铜、1.2份增强剂、1.5份交联剂、0.8份阻燃剂，高温下熔融均匀；将熔融状态的塑料混合物用双螺杆挤压机进行挤压造粒，所述的双螺杆挤压机转速为125rpm，双螺杆挤压机的长径比为30:1，挤压的区段温度为第一段为180℃，第二段为195℃，第三段为208℃；挤压后将塑料混合物进行切粒处理，制备得到塑料材质。将上述制备方法制备所得的塑料用模具制备得到桨叶4a具有较高的强度与较好的韧性，在使用过程可提高飞行器飞行的稳定性，且不易损坏，上述制备过程中的阻燃剂为磷酸三丁酯和焦谷氨酸的混合物，其中焦谷氨酸中的D-焦谷氨酸和L-焦谷氨酸的重量比为1:0.2，上述阻燃剂的阻燃效果远好于单一磷酸三丁酯的阻燃效果，不仅可有效提高桨叶4a的阻燃性，避免高速下发生碰撞而产生熔融现象，且具有特殊配比的焦谷氨酸与磷酸二氢铵具有协同作用，能够促进聚醚醚酮中的醚酮基团的增加，从而增加空间位阻使链段不易移动，提高聚醚醚酮玻璃化转变温度，降低规整度，使聚醚醚酮的结晶度下降，提高聚醚醚酮的加工性能，使制得的塑料具备较强的韧性和强度，大大提高了桨叶4a的旋转性能，且改善气流在桨叶4a表面的流动性能，提升桨叶4a的升力和抗干扰性，延长了桨叶4a的使用寿命，提升飞行器飞行稳定性。
液压式弹簧减震器6包括活塞杆8，活塞杆8下端连接有活塞，活塞一侧设有伸张阀17，活塞另一侧设有流通阀10，伸张阀17和流通阀10将液压式弹簧减震器6内分为上腔室9和下腔室11，下腔室11底部一侧设有压缩阀14，下腔室11底部另一侧设有补偿阀12。液压式弹簧减震器6在机械手5搬运过程中，当产生振动时，液压式弹簧减震器6阻尼力较小，以便发挥弹性元件的弹性作用，缓冲冲击，减少机械手5的抖动对飞行器飞行的影响；在弹簧吸震后反弹时，液压式弹簧减震器6阻尼力增大，迅速减震，以避免弹簧反弹力对飞行器的影响，达到了有效的减震效果。
上腔室9和下腔室11外围设有储油缸筒，储油缸筒内壁均匀连接有导热板15，导热板15表面均布有通孔15a。储油缸筒为油体运动过程中的储备位置，以实现减震效果。导热板15为具有优良导热性能的材料，与储油缸筒连接，可增强液压式弹簧减震器6的导热性，避免在油体运行时产生的热量对液压式弹簧减震器6工作产生影响，快速将热量导出至液压式弹簧减震器6外，提高液压式弹簧减震器6的安全性；导热板15表面设有的通孔15a增加了油体与导热板15的接触面积，从而提升导热板的导热效果，提升飞行器整体工作安全性；通孔15a的设置使得油体在储油缸筒内部的运动时，分散为多股速度不同的流体，增加了油分子之间的运动速度差，从而提升油的粘滞力，显著提升液压式弹簧减震器6的减震效果，避免机械手5抓取动作对飞行器的影响。
活塞杆8上端连接有上连接件7，上连接件7与机械手5连接，上连接件7两端通过连接板连接有联动扇16，液压式弹簧减震器6底部连接有下连接件13，下连接件13与飞行架1连接。液压式弹簧减震器6连接在机械手5和飞行架1之间，可抑制弹簧吸震后反弹时的震荡及来自路面的冲击，在获取物体发生抖动时，虽然弹簧可以过滤路面的震动，但弹簧自身还会有往复运动，放置的减震器良好的抑制这种弹簧跳跃，提升工作稳定性。
联动扇16包括固定杆16a，固定杆16a固接于液压式弹簧减震器6外壁，固定杆16a通过转轴16d连接有扇叶16b，扇叶16b外侧壁连接有连接块16c，连接块16c与连接件7两端通过连接板连接。连接件7通过连接板连接扇叶16b，在需要进行弹力抵消时，部分弹力可转化为扇叶16b的动力，提升了对弹力的消耗，加快了对弹簧反弹力或抖动的抵消；扇叶16b消耗动力后对液压式弹簧减震器6外表面进行扇风，提升液压式弹簧减震器6外表面的热对流运动，提升热量的发散，使液压式弹簧减震器6因减震产生的热量快速消散，避免高温对飞行器部件正常工作的影响，提升飞行器工作安全性和可靠性。
机械手5包括手部18，手部18表面布有敏感传感器19，手部18下端通过手腕20连接手臂23，手臂23内部连接有立柱21，手臂23的手肘处设有弹簧装置22，手臂23下端通过固接件24连接于液压式弹簧减震器6。本发明的机械手5为夹持式结构，手部18为与物体接触部件，手腕20是连接手部18和手臂13的部件，可用来调整被抓取物体的方位，手臂23是支撑被抓取物体、手部18和手腕20的重要部件，可带动手部18进行物体抓取，并按照预定要求将物体搬运至指定位置，立柱21支撑手臂23的回转运动和升降运动，敏感传感器19可使机械手精确寻找并抓取物体，弹簧装置22能够减少抓取过程对飞行器的影响。上述结构的机械手5运动灵活，抓取物体灵活、准确，且对飞行器影响小。
本实施例中的常规技术为本领域技术人员所知晓的现有技术，在此不作详细叙述。
实施例3：
如图10所示，为本发明太阳能板2对飞行器作用流程框图：太阳能板2利用太阳能转换器产生光电效应，将太阳能辐射能转化为电能，供给给飞行器的电机使用，电机驱动飞行器翼进行转动，从而实现四旋翼飞行器的长效自给供能。
如图11所示，本发明四旋翼飞行器的四个旋翼4中旋翼F1与旋翼F3呈顺时针转动，旋翼F2与旋翼F4呈逆时针转动，四个旋翼4为十字交叉设置，相邻的旋翼旋转方向相反，使四旋翼飞行器抵消了飞机的陀螺效应，一种欠驱动系统，是一种六自由度的垂直升降机，四个输入力，六个状态输出。
如图12所示，选取地面坐标系与机体坐标系作为建立动力学模型的参考基准，建立飞行器的非线性数学模型为：
式中，X、Y、Z分别表示地面坐标系下机体在X轴、Y轴和Z轴方向上的位移；r、p、q分别表示四旋翼飞行器在地面坐标系下的偏航姿态角、俯仰姿态角和横滚姿态角；m表示本发明四旋翼飞行器的总质量，上述非线性数学模型模拟了四旋翼飞行器的六个输出状态，为实现飞行器的稳定调节提供了研究基础。
采用上述非线性数学模型进行本发明四旋翼飞行器在抓有物体的情况下的静态和动态飞行环境下对飞位置进行测量，静态时水平位置偏移量如图14所示，静态时高度位置偏移量如图15所示，动态飞行时测量结果如图16所示。
由上图14、15所示，本发明的飞行器在抓有物体的情况下，其水平位置和高度偏移量小，可得出在静态控制状态下，本发明四旋翼飞行器抗干扰能力强，能够实现稳定的悬浮。
由上图16所示，本发明的飞行器在动态飞行环境下，实际路线与设定路线相近，飞行的偏移量小，故可得出本发明的飞行器稳定性高，受机械臂抓取物体的干扰小，能够实现稳定、可靠的物体运输。
本实施例中的飞行器实现飞行的主控模块、供电模块、信号转换模块等为现有常规模块，为本领域技术人员所知晓的现有技术，在此不作详细叙述。
实施例4：
如图13所示，为机械手5控制的控制流程框图：控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。本实施例机械手5采用PLC程序控制系统，支配机械手5按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手5的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手5的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。本实施例采用的驱动系统为液压传动。
本发明机械手5的工作原理为：机械手5主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在PLC程序控制的条件下，采用液压传动方式，来实现执行机构的相应部位(手部、手腕、手臂和立柱)发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置，实现物体的抓取。
采用本发明的机械手5进行物体抓取试验，设定2分钟内能够实现稳定抓取即为抓取成功，反之，视为抓取失败。试验抓取物体的长、宽、高均为0.3m，质量为1.5kg，一次试验中进行50次抓取，成功率为50次抓取中成功次数X的百分比，共进行8次试验，结果如下表。
试验次数 成功率(％)
1 96
2 90
3 92
4 90
5 94
6 92
7 90
8 94
由上表数据所示，本发明机械手的抓取成功率为大于90％，可得本发明机械手的抓取准确度高，且抓取动作稳定、有效。
本实施例中的机械手实现抓取的主控模块、供电模块、信号转换模块等为现有常规模块，为本领域技术人员所知晓的现有技术，在此不作详细叙述。
实施例5：
如图5～8所示，液压式弹簧减震器6的工作原理为：当机械手5产生抖动或机械手5上的弹簧装置22产生反弹时，活塞杆8被下压，下腔室11的容积减少，油压升高，使得油体经过流通阀10流入上腔室9，由于上腔室9内部空间小于下腔室11内部空间，则下腔室11的部分油体推开压缩阀14，回流至储油缸体内部，在回流过程阀对油的节流形成阻力，进而对抖动进行抵消；当活塞杆8被上拉时，上腔室9内部油压升高，流通阀10关闭，上腔室的油体推开伸张阀17流入下腔室11，由于上腔室9内部体积小于下腔室11内部体积，则从上腔室9流入的油体不足以填充下腔室11，使得下腔室11产生真空度，则储油缸体中的油体推开补偿阀12流入下腔室11内部，在回流过程阀对油的节流形成阻尼力，进而对抖动进行抵消。导热板15增强了液压式弹簧减震器6的散热效果，避免油体流动产生过多热量，联动扇16，加快了对弹簧反弹力或抖动的抵消，提升液压式弹簧减震器6外表面的热对流运动。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种仿生人手的多功能四旋翼飞行器，包括飞行架(1)，其特征在于：所述的飞行架(1)四周均匀连接有四个旋翼(4)，所述的飞行架(1)内侧连接有太阳能板(2)，所述的飞行架(1)侧面连接有微型摄像头(3)，所述的飞行架(1)下端通过液压式弹簧减震器(6)连接有机械手(5)。
2.根据权利要求1所述的一种仿生人手的多功能四旋翼飞行器，其特征在于：所述的旋翼(4)对应连接有独立的电机，所述的旋翼(4)首端连接有桨叶(4a)，所述的桨叶(4a)的倾斜角为3～9°。
3.根据权利要求2所述的一种仿生人手的多功能四旋翼飞行器，其特征在于：所述的桨叶(4a)由弧形左侧桨(4b)和弧形右侧桨(4c)组成，所述的左侧桨(4b)和右侧桨(4c)的圆心角角度α：β比为1:1.6～2.8，所述的右侧桨(4c)内壁均布有弧锥(4d)。
4.根据权利要求1所述的一种仿生人手的多功能四旋翼飞行器，其特征在于：所述的机械手(5)包括手部(18)，所述的手部(18)表面布有敏感传感器(19)，所述的手部(18)下端通过手腕(20)连接手臂(23)，所述的手臂(23)内部连接有立柱(21)，所述的手臂(23)的手肘处设有弹簧装置(22)，所述的手臂(23)下端通过固接件(24)连接于液压式弹簧减震器(6)。
5.根据权利要求1所述的一种仿生人手的多功能四旋翼飞行器，其特征在于：所述的液压式弹簧减震器(6)包括活塞杆(8)，所述的活塞杆(8)下端连接有活塞，所述的活塞一侧设有伸张阀(17)，所述的活塞另一侧设有流通阀(10)，所述的伸张阀(17)和流通阀(10)将液压式弹簧减震器(6)内分为上腔室(9)和下腔室(11)，所述的下腔室(11)底部一侧设有压缩阀(14)，所述的下腔室(11)底部另一侧设有补偿阀(12)。
6.根据权利要求5所述的一种仿生人手的多功能四旋翼飞行器，其特征在于：所述的上腔室(9)和下腔室(11)外围设有储油缸筒，所述的储油缸筒内壁均匀连接有导热板(15)，所述的导热板(15)表面均布有通孔(15a)。
7.根据权利要求5所述的一种仿生人手的多功能四旋翼飞行器，其特征在于：所述的活塞杆(8)上端连接有上连接件(7)，所述的上连接件(7)与机械手(5)连接，所述的上连接件(7)两端通过连接板连接有联动扇(16)，所述的液压式弹簧减震器(6)底部连接有下连接件(13)，所述的下连接件(13)与飞行架(1)连接。
8.根据权利要求7所述的一种仿生人手的多功能四旋翼飞行器，其特征在于：所述的联动扇(16)包括固定杆(16a)，所述的固定杆(16a)固接于液压式弹簧减震器(6)外壁，所述的固定杆(16a)通过转轴(16d)连接有扇叶(16b)，所述的扇叶(16b)外侧壁连接有连接块(16c)，所述的连接块(16c)与连接件(7)两端通过连接板连接。
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