CN109592059B - 模块化多功能无人机采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化多功能无人机采集装置，包括机身本体、控制模块、摄像头、飞行模块、起落架模块、机械臂、机械手和驱动模块，控制模块设置于机身本体内腔，包括控制器与电池部件，用于控制摄像头、飞行模块和驱动模块；飞行模块包括对称设置于机身本体四角外侧的四旋翼杆，起落架模块由起落架驱动电机提供动力拉动起落架拉索控制起落架架杆实现上下运动；机械臂和机械手由驱动模块提供动力拉动拉索实现运动动作；机械臂和机械手之间通过螺纹配合；机械手为模块化设置，根据作业需求更换相应的机械手。本发明既能完成土壤植物水体等采集作业，亦能实现高山矿石采集作业，环境的适应性强，并能够有效提高动作效率。

Description

模块化多功能无人机采集装置

技术领域

本发明涉及采集平台装置技术领域，具体地指一种模块化多功能无人机采集装置。

背景技术

对于采集(采集)装置的载体，通常为手持式设备或者专用移动机器人，对水体，淤泥采集也有用飞行器作为采集载体，但设计往往不能适应复杂多变的实际情况。

设备工作形式一般如下：

手持式(或固定式)设备，通常利用人力或电机提供驱动力，将采集对象(土壤，岩石，淤泥)以挖掘，破坏等方式收集到储藏处，以此方式进行采集工作。此方式的优点是效率高，采集量灵活，但劳动强度大，在面对采集点被河流山谷隔离，或者采集点在高山或峡谷里时往往无法进行采集作业。

轮式移动机器人设备，通常是将采集工具设计为机械手安放在移动平台上，通过远程遥控来进行特殊环境的采集工作。此方式的优点是适应的环境较为广泛，能移动到的地方均可以进行采集，但无法解决高山与峡谷的采集需求，同时设备成本往往十分高昂。

飞行器式设备，与轮式移动设备类似，现有的设备通常是将机械手放在无人机上通过无人机的悬停，操控机械手进行采集工作。境适应性强较，但机构复杂重量大，飞行器功率过大。面对复杂环境如水域，矿石受限于机械手功能而无法进行采集。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提出一种模块化多功能无人机采集装置，既能完成土壤植物水体等采集作业，亦能实现高山矿石采集作业，环境的适应性强，并能够有效提高动作效率。

为实现上述目的，本发明所设计的模块化多功能无人机采集装置，包括机身本体、控制模块、摄像头、飞行模块、起落架模块、机械臂、机械手和驱动模块，其特殊之处在于，所述控制模块设置于机身本体内腔，包括控制器与电池部件，用于控制摄像头、飞行模块和驱动模块；所述飞行模块包括对称设置于机身本体四角外侧的四旋翼杆，所述起落架模块由起落架驱动电机提供动力拉动起落架拉索控制起落架架杆实现上下运动；所述机械臂和机械手由驱动模块提供动力拉动拉索实现运动动作；所述机械臂和机械手之间通过螺纹配合；所述机械手为模块化设置，根据作业需求更换相应的机械手。

进一步地，所述机械手为机械瓣爪机械手，包括机械瓣爪固定架，所述机械瓣爪固定架的中心设有供瓣爪动力拉索穿过的通孔，所述机械瓣爪固定架的一端设有与机械臂连接的固定螺纹另一端设有瓣爪手复位弹簧，所述瓣爪动力拉索与瓣爪手复位弹簧固定连接，所述瓣爪手复位弹簧的外部均匀设置移动齿条，所述移动齿条与机械瓣爪固定架滑动配合；所述移动齿条上方设置有与之啮合的瓣爪齿轮，所述瓣爪齿轮的上方固定设置有机械瓣爪。

更进一步地，所述机械手为敲击机械手，包括敲击机械固定架，所述敲击机械固定架的前端设有固定轴和与固定轴配合的破碎齿固定齿轮、后端设有与机械手配合的螺纹，中间设有供破碎齿蓄力拉索穿过的通孔，所述破碎齿蓄力拉索与破碎齿固定齿轮固定连接，所述固定轴上固定设有蓄力限位板，所述蓄力限位板与破碎齿固定齿轮之间通过蓄力弹簧连接，所述破碎齿固定齿轮上设置有破碎齿，所述破碎齿的下方设置有收集盒，所述收集盒固定于固定轴上。

更进一步地，所述起落架模块包括设置于中心的起落架动力齿圈和围绕起落架动力齿圈均匀分布的起落架架杆，每一个起落架架杆上设置有起落架拉索，所有起落架拉索均与起落架动力齿圈固定连接，所述起落架架杆靠近起落架动力齿圈的一端设有起落架复位弹簧，所述起落架复位弹簧通过设置于起落架架杆端部的限位板固定，所述起落架动力齿圈通过与之啮合的起落架驱动电机驱动。

更进一步地，所述机械臂包括第一臂杆与第二臂杆铰接，连接处形成第一关节，所述第二臂杆与驱动模块底部铰接，连接处形成第二关节，所述第一臂杆靠近第一关节的一端、所述第二臂杆靠近第二关节的一端均设有机械臂复位弹簧，所述机械臂复位弹簧通过设置于第一关节、第二关节处的限位板固定，所述第一臂杆上设置有第一关节拉索，所述第二臂杆上设置有第二关节拉索，所述第一关节拉索、第二关节拉索均与驱动模块连接。

更进一步地，所述摄像头设置于起落架模块外部与机械臂伸出方向相同一侧。

更进一步地，所述驱动模块内设置有三个电机，分别与第一关节拉索、第二关节拉索、机械手动力拉索连接。

更进一步地，所述起落架架杆铰接在四旋翼杆下方，在起落架拉索驱动下提升到与四旋翼杆的旋翼平行位置，所述起落架架杆的水平长度大于四旋翼杆的旋翼工作范围。

更进一步地，所述第一关节拉索、第二关节拉索以及机械手动力拉索均通过机械臂并由设置于机械臂内的分索滑轮进行分位保证关节运动正常。

更进一步地，所述移动齿条、瓣爪齿轮和机械瓣爪均为三个，三个机械瓣爪处于合拢状态时在内腔中形成密闭空间。

本发明具有如下优点：

(1)本发明将机械手模块化设置，根据不同作业需求更换相应的机械手，更换过程操作简单，方便实用；

(2)本发明提出瓣爪式结构的机械爪，针对土壤，水体采集使用；本发明提出旋转敲击功能的采集手，针对高山峭壁上的矿石采集对象使用；

(3)本发明提出的动力模块外壁连接有齿圈与起落架驱动电机，通过驱动齿圈拉动拉索控制无人机起落架开合，以保护无人机飞行，降落；

(4)本发明中机械手动力均来自于机械臂内拉索拉力，机械手复位由弹簧弹力提供，简单易控，满足无人机轻载要求；

(5)本发明具有轻量化，模块化等特点，可以大幅降低采集成本，具有良好兼容性和环境适应性，能够提高动作效率，改善劳动强度，节约人工成本，同时降低设备成本。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的主视结构示意图。

图3为本发明的仰视结构示意图。

图4为本发明的侧视结构示意图。

图5为本发明的起落架模块的结构示意图。

图6为本发明的机械臂的结构示意图。

图7为本发明的机械瓣爪机械手的结构示意图。

图8为本发明的机械瓣爪机械手的工作状态示意图。

图9为本发明的敲击机械手的结构示意图。

图10为本发明的敲击机械手的工作状态示意图。

图中：机身本体1，摄像头2，飞行模块3，四旋翼杆3.1，起落架模块4，起落架动力齿圈4.1，起落架架杆4.2，起落架拉索4.3，起落架复位弹簧4.4，起落架驱动电机4.5，限位板4.6，机械臂5，第一臂杆5.1，第二臂杆5.2，第一关节5.3，第二关节5.4，机械臂复位弹簧5.5，第一关节拉索5.6，第二关节拉索5.7，分索滑轮5.8，机械手6，驱动模块7，机械瓣爪机械手8，机械瓣爪固定架8.1，瓣爪动力拉索8.2，移动齿条8.3，瓣爪手复位弹簧8.4，瓣爪齿轮8.5，机械瓣爪8.6，敲击机械手9，敲击机械固定架9.1，破碎齿固定齿轮9.2，破碎齿蓄力拉索9.3，固定轴9.4，蓄力限位板9.5，蓄力弹簧9.6，破碎齿9.7，收集盒9.8。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1～图4所示，本发明提出的一种模块化多功能无人机采集装置，它包括机身本体1、控制模块、摄像头2、飞行模块3、起落架模块4、机械臂5、机械手6和驱动模块7。

控制模块设置于机身本体1内腔，包括控制器与电池部件，用于控制摄像头2、飞行模块3和驱动模块7。机身本体1四周连接起落架模块4与飞行模块3，底部通过螺栓连接驱动模块7，机身本体1的内腔中包含控制芯片、电池能等组件组成的控制模块，控制模块通过程序向摄像头2、飞行模块3和驱动模块7发出控制指令，并根据摄像头2传回画面遥控操作设备完成飞行、采集作业。摄像头2设置于起落架模块4外部与机械臂5伸出方向相同一侧。

飞行模块3包括对称设置于机身本体1四角外侧的四旋翼杆3.1，起落架模块4由起落架驱动电机4.5提供动力拉动起落架拉索4.3控制起落架架杆4.2实现上下运动。

如图5所示，起落架模块4包括设置于中心的起落架动力齿圈4.1和围绕起落架动力齿圈4.1均匀分布的起落架架杆4.2，每一个起落架架杆4.2上设置有起落架拉索4.3，所有起落架拉索4.3均与起落架动力齿圈4.1固定连接，起落架架杆4.2靠近起落架动力齿圈4.1的一端设有起落架复位弹簧4.4，起落架复位弹簧4.4通过设置于起落架架杆4.2端部的限位板4.6固定，起落架动力齿圈4.1通过与之啮合的起落架驱动电机4.5驱动。起落架动力齿圈4.1旋转齿圈与外壁通过凹槽与滚珠连接，齿圈上有拉索固定点，通过外壁上的起落架驱动电机4.5带动起落架动力齿圈4.1旋转以带动起落架拉索4.3运动控制起落架架杆4.2的张合。起落架动力齿圈4.1旋转运动带动起落架拉索4.3运动控制起落架架杆4.2上下运动，起落架动力齿圈4.1与起落架驱动电机4.5齿轮啮合提供动力。起落架架杆4.2铰接在四旋翼杆3.1下方，在起落架拉索4.3驱动下提升到与四旋翼杆3.1的旋翼平行位置，起落架架杆4.2的水平长度大于四旋翼杆3.1的旋翼工作范围。

机械臂5包括第一臂杆5.1与第二臂杆5.2铰接，连接处形成第一关节5.3，第二臂杆5.2与驱动模块7底部铰接，连接处形成第二关节5.4，第一臂杆5.1靠近第一关节5.3的一端、第二臂杆5.2靠近第二关节5.4的一端均设有机械臂复位弹簧5.5，机械臂复位弹簧5.5通过设置于第一关节5.3、第二关节5.4处的限位板固定，第一臂杆5.1上设置有第一关节拉索5.6，第二臂杆5.2上设置有第二关节拉索5.7。第一关节拉索5.6、第二关节拉索5.7均与驱动模块7连接。机械臂5和机械手6由驱动模块7提供动力拉动拉索实现运动动作。

驱动模块7内设置有三个电机，分别与第一关节拉索5.6、第二关节拉索5.7、机械手动力拉索连接。第一关节拉索5.6、第二关节拉索5.7以及机械手动力拉索均通过机械臂5并由设置于机械臂5内的分索滑轮5.8进行分位保证关节运动正常，如图6所示。驱动模块7的驱动原理与起落架模块4相同，在此既不赘述。

机械手6通过螺纹连接、固定在机械臂5上，作为采集装置，本发明提出两种实现方式，一种为机械瓣爪机械手8，针对土壤、植株、水体采集使用，另一种是有旋转敲击功能的敲击机械手9，针对高山峭壁上的矿石采集对象使用，两种机械手根据不同作业环境可以方便更换。机械手6以螺纹与机械臂5连接，实现快速更换，机械手6动力均来自于机械臂5内拉索拉力，机械手6复位由弹簧弹力提供，敲击蓄能拉力由拉索提供。机械手5在采集过程中可实现夹取，夹断等功能并储存在机械手腔内，以及敲击硬面并收集的功能。

实施例1机械瓣爪机械手8

如图7所示，机械瓣爪机械手8包括机械瓣爪固定架8.1，机械瓣爪固定架8.1的中心设有供瓣爪动力拉索8.2穿过的通孔，机械瓣爪固定架8.1的一端设有与机械臂6连接的固定螺纹8.3另一端设有瓣爪手复位弹簧8.4，瓣爪动力拉索8.2与瓣爪手复位弹簧8.4固定连接，瓣爪手复位弹簧8.4的外部均匀设置三个移动齿条8.3，三个移动齿条8.3与机械瓣爪固定架8.1滑动配合；三个移动齿条8.3上方设置分别有与之啮合的瓣爪齿轮8.5，每个瓣爪齿轮8.5的上方固定设置有一个机械瓣爪8.6，三个机械瓣爪8.6处于合拢状态时在内腔中形成密闭空间。

机械瓣爪机械手8由瓣爪动力拉索8.2带动移动齿条8.3移动，使机械瓣爪固定架8.1上啮合的瓣爪齿轮8.5旋转完成机械手抓取动作，并由瓣爪手复位弹簧8.4提供伸长弹力完成复位动作。

本发明的工作过程：

工作前状态，

起落架模块4由起落架复位弹簧4.4复位弹簧拉至限位处，机械臂5经过拉索控制回收到相应位置保证机体正常停泊。

飞行时状态，起落架模块4在起落架拉索4.3驱动下提升到与飞行模块3的旋翼平行位置。此时起落架架杆4.2水平长度大于旋翼工作范围，可保护旋翼，在飞行过程避免碰撞对旋翼造成影响。

土壤植物水体等采集作业时如图8所示，整备保持飞行状态，通过摄像头2获取作业区域画面信息，通过控制机械臂5的第一关节拉索5.6、第一关节拉索5.7、瓣爪动力拉索8.2控制机械手6及机械瓣爪机械手8动作，完成通过瓣爪齿轮8.5张合，完成植株采摘、土壤采集等任务。

实施例2敲击机械手9

敲击机械手9，包括敲击机械固定架9.1，敲击机械固定架9.1的前端设有固定轴9.4和与固定轴9.4配合的破碎齿固定齿轮9.2、后端设有与机械手5配合的螺纹，中间设有供破碎齿蓄力拉索9.3穿过的通孔，破碎齿蓄力拉索9.3与破碎齿固定齿轮9.2固定连接，固定轴9.4上固定设有蓄力限位板9.5，蓄力限位板9.5与破碎齿固定齿轮9.2之间通过蓄力弹簧9.6连接，破碎齿固定齿轮9.2上设置有破碎齿9.7，破碎齿9.7的下方设置有收集盒9.8，收集盒9.8固定于固定轴9.4上。

本发明的工作过程：

工作前状态，

起落架模块4由起落架复位弹簧4.4复位弹簧拉至限位处，机械臂5经过拉索控制回收到相应位置保证机体正常停泊。

飞行时状态，起落架模块4在起落架拉索4.3驱动下提升到与飞行模块3的旋翼平行位置。此时起落架架杆4.2水平长度大于旋翼工作范围，可保护旋翼，在飞行过程避免碰撞对旋翼造成影响。

高山矿石采集作业时如图9所示，整备保持飞行状态，通过摄像头2获取作业区域画面信息，通过控制机械臂5的第一关节拉索5.6、第一关节拉索5.7、破碎齿蓄力拉索9.3完成破碎齿9.7旋转蓄力和击发敲击动作，并由收集盒9.8收集采集样本，完成矿石采集任务。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种模块化多功能无人机采集装置，包括机身本体(1)、控制模块、摄像头(2)、飞行模块(3)、起落架模块(4)、机械臂(5)、机械手(6)和驱动模块(7)，其特征在于：所述控制模块设置于机身本体(1)内腔，包括控制器与电池部件，用于控制摄像头(2)、飞行模块(3)和驱动模块(7)；所述飞行模块(3)包括对称设置于机身本体(1)四角外侧的四旋翼杆(3.1)，所述起落架模块(4)由起落架驱动电机(4.5)提供动力拉动起落架拉索(4.3)控制起落架架杆(4.2)实现上下运动；所述机械臂(5)和机械手(6)由驱动模块(7)提供动力拉动拉索实现运动动作；所述机械臂(5)和机械手(6)之间通过螺纹配合；所述机械手(6)为模块化设置，根据作业需求更换相应的机械手，所述机械手(6)为机械瓣爪机械手(8)或敲击机械手(9)；

机械瓣爪机械手(8)包括机械瓣爪固定架(8.1)，所述机械瓣爪固定架(8.1)的中心设有供瓣爪动力拉索(8.2)穿过的通孔，所述机械瓣爪固定架(8.1)的一端设有与机械臂(5)连接的固定螺纹另一端设有瓣爪手复位弹簧(8.4)，所述瓣爪动力拉索(8.2)与瓣爪手复位弹簧(8.4)固定连接，所述瓣爪手复位弹簧(8.4)的外部均匀设置移动齿条(8.3)，所述移动齿条与机械瓣爪固定架(8.1)滑动配合；所述移动齿条(8.3)上方设置有与之啮合的瓣爪齿轮(8.5)，所述瓣爪齿轮(8.5)的上方固定设置有机械瓣爪(8.6)；所述移动齿条(8.3)、瓣爪齿轮(8.5)和机械瓣爪(8.6)均为三个，三个机械瓣爪(8.6)处于合拢状态时在内腔中形成密闭空间；机械瓣爪机械手(8)由瓣爪动力拉索(8.2)带动移动齿条(8.3)移动，使机械瓣爪固定架(8.1)上啮合的瓣爪齿轮(8.5)旋转完成机械手抓取动作，并由瓣爪手复位弹簧(8.4)提供伸长弹力完成复位动作；

敲击机械手(9)包括敲击机械固定架(9.1)，所述敲击机械固定架(9.1)的前端设有固定轴(9.4)和与固定轴(9.4)配合的破碎齿固定齿轮(9.2)、后端设有与机械臂(5)配合的螺纹，中间设有供破碎齿蓄力拉索(9.3)穿过的通孔，所述破碎齿蓄力拉索(9.3)与破碎齿固定齿轮(9.2)固定连接，所述固定轴(9.4)上固定设有蓄力限位板(9.5)，所述蓄力限位板(9.5)与破碎齿固定齿轮(9.2)之间通过蓄力弹簧(9.6)连接，所述破碎齿固定齿轮(9.2)上设置有破碎齿(9.7)，所述破碎齿(9.7)的下方设置有收集盒(9.8)，所述收集盒(9.8)固定于固定轴(9.4)上。

2.根据权利要求1所述的模块化多功能无人机采集装置，其特征在于：所述起落架模块(4)包括设置于中心的起落架动力齿圈(4.1)和围绕起落架动力齿圈(4.1)均匀分布的起落架架杆(4.2)，每一个起落架架杆(4.2)上设置有起落架拉索(4.3)，所有起落架拉索(4.3)均与起落架动力齿圈(4.1)固定连接，所述起落架架杆(4.2)靠近起落架动力齿圈(4.1)的一端设有起落架复位弹簧(4.4)，所述起落架复位弹簧(4.4)通过设置于起落架架杆(4.2)端部的限位板固定，所述起落架动力齿圈(4.1)通过与之啮合的起落架驱动电机(4.5)驱动。

3.根据权利要求1所述的模块化多功能无人机采集装置，其特征在于：所述机械臂(5)包括第一臂杆(5.1)与第二臂杆(5.2)铰接，连接处形成第一关节(5.3)，所述第二臂杆(5.2)与驱动模块(7)底部铰接，连接处形成第二关节(5.4)，所述第一臂杆(5.1)靠近第一关节(5.3)的一端、所述第二臂杆(5.2)靠近第二关节(5.4)的一端均设有机械臂复位弹簧(5.5)，所述机械臂复位弹簧(5.5)通过设置于第一关节(5.3)、第二关节(5.4)处的限位板固定，所述第一臂杆(5.1)上设置有第一关节拉索(5.6)，所述第二臂杆(5.2)上设置有第二关节拉索(5.7)，所述第一关节拉索(5.6)、第二关节拉索(5.7)均与驱动模块(7)连接。

4.根据权利要求1所述的模块化多功能无人机采集装置，其特征在于：所述摄像头(2)设置于起落架模块(4)外部与机械臂(5)伸出方向相同一侧。

5.根据权利要求3所述的模块化多功能无人机采集装置，其特征在于：所述驱动模块(7)内设置有三个电机，分别与第一关节拉索(5.6)、第二关节拉索(5.7)、机械手动力拉索连接。

6.根据权利要求2所述的模块化多功能无人机采集装置，其特征在于：所述起落架架杆(4.2)铰接在四旋翼杆(3.1)下方，在起落架拉索(4.3)驱动下提升到与四旋翼杆(3.1)的旋翼平行位置，所述起落架架杆(4.2)的水平长度大于四旋翼杆(3.1)的旋翼工作范围。

7.根据权利要求5所述的模块化多功能无人机采集装置，其特征在于：所述第一关节拉索(5.6)、第二关节拉索(5.7)以及机械手动力拉索均通过机械臂(5)并由设置于机械臂(5)内的分索滑轮(5.8)进行分位保证关节运动正常。

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