CN110155267B - 一种基于柔锁并联机构的无人机回收充电装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于柔锁并联机构的无人机回收充电装置，安装在无人艇平台上，包括升降机构、稳定平台和无人机降落平台，升降机构固定在无人艇内，通过稳定平台连接到无人机降落平台的底部，所述无人机降落平台内设有升降抓取机构、升降充电装置和充电定位机构。本发明结构新颖，构思巧妙，通过升降机构的剪式机构和稳定平台来调整无人机降落平台的高度和角度，通过升降抓取机构的升降和平移限制无人机降落后的位移，将无人机固定在升降充电装置上进行充电，充电续航效果好，安全性能好，自动化程度高。

Description

一种基于柔锁并联机构的无人机回收充电装置
技术领域
本发明涉及无人设备应用技术领域，具体是一种应用于无人艇平台上对无人机进行回收充电的装置。
背景技术
21世纪是“海洋的世纪”。当今国际海洋形势正在发生重要变革，这对中国的海洋战略的构建与发展既是机遇同时又是异常严峻的挑战。
近年来，随着无人艇技术的发展，国内外科研院所已经研制出若干艘的吃水浅、机动性好的无人艇型号，并投入实际的海洋测量应用中去。与此同时，无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。随着无人机行业的迅速发展，越来越多的无人机被应用到农业、林业、电力、测绘、遥测等行业。如今，无人机技术发展也已经非常成熟，人们可以利用无人机执行高风险、高强度任务，最大程度上保障人类的生命安全。如果能够将无人机与无人艇技术相结合，可以大大增强无人艇的功能性。
在实际应用中，无人机通常需要搭载各种设备以实现各种功能，提高无人机应用的智能化、可靠性以及便捷性意义重大。无人机的精准降落是影响现阶段无人机在各行各业应用发展的重要因素。针对无人机的自动降落，传统的降落方法定位精度不高，且可靠性低；且随着无人机搭载设备的增加，无人机的自身质量增加，电量损耗较大。但是，无人机基本都是依靠电池供电。由于电池技术水平有限，续航能力也是当前多旋翼无人机面临的挑战之一，由无人艇舰载的无人机，由于工作范围远离母船和岸基，无人机的续航难度进一步加大。因此，如何在无人艇平台上实现无人机的固定和充电，提高无人机的续航效果，是人们一直研究的方向。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提出一种基于柔锁并联机构的无人机回收充电装置，实现无人艇对无人机的固定和充电，提高无人机的续航效果。
本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种基于柔锁并联机构的无人机回收充电装置，安装在无人艇平台上，包括升降机构、稳定平台和无人机降落平台，升降机构固定在无人艇内，通过稳定平台连接到无人机降落平台的底部，所述无人机降落平台内设有升降抓取机构和升降充电装置，其中升降充电装置包括安装基座，安装基座固定在无人机降落平台内，安装基座上固定有竖直的第一升降电机，第一升降电机通过第一联轴器固定有竖直的第一丝杠，第一丝杠上同轴设置有两端封闭的圆形套筒，圆形套筒内设置有电池模块，相对应的圆形套筒外壁上设置有两个与电池模块连通的充电插槽；所述升降抓取机构有对称分布在升降充电装置两侧的两组，包括滑动基座，滑动基座可移动的设置在无人机降落平台内，滑动基座上固定有竖直的第二升降电机，第二升降电机通过第二联轴器固定有竖直的第二丝杠，第二丝杠上同轴设置有两端封闭的夹具套筒，夹具套筒的顶部设置有气动机械爪，夹具套筒的外壁上设置有充电接口，与升降充电装置的充电插槽相匹配。
在本发明中，所述升降抓取机构以升降充电装置为中心分布在两侧，滑动基座的通过燕尾槽结构设置在无人机降落平台内，滑动方向为升降充电装置到升降抓取机构的连线上，两个滑动基座位于同一条直线上。
进一步的，所述气动机械爪包括基座、固定杆和抓取结构，抓取结构通过固定杆连接到基座上，基座固定夹具套筒的顶部，所述抓取结构为对称的爪状结构，气动机械爪与充电接口接通，通过无人机的起落架为无人机内置的蓄电池充电。
在本发明中，所述升降抓取机构的夹具套筒沿着第二丝杠上下滑动，相对于滑动基座在水平方向上保持相对静止不转动；升降充电装置的圆形套筒沿着第一丝杠上下滑动，相对于安装基座在水平方向上保持相对静止不转动。
在本发明中，所述无人机降落平台上设置有充电定位机构，充电定位机构包括位于水平面四个角的四个锥齿轮箱，四个锥齿轮箱之间分别相对分布设置有两根传动轴和两根第三丝杠，两根传动轴和两根第三丝杠相互交替作为一个长方形的四条边，传动轴上分别设置有双轴电机，两根第三丝杠之间设置有两条对称布置的定位推杆，定位推杆的两端通过滑块搭接在两根第三丝杠上，并沿着第三丝杠自由滑动，定位推杆的滑动方向与滑动基座滑动方向一致，并推动升降抓取机构沿着滑动基座的方向滑动。
进一步的，所述第三丝杠中部设置有轴承座支撑起丝杠，并限制定位推杆的活动范围，所述传动轴上设置有第三联轴器。
在本发明中，所述升降机构包括底板和剪式机构，剪式机构包括X型布置的两组共四根活动连杆，每组两根活动连杆呈剪式安装在底板上，每组两根活动连杆中部通过长杆连接到另一组活动连杆；相对应的两根活动连杆的下端铰接在底板上，另两根活动连杆的下端通过固定在底板上的U型槽结构与底板活动连接。
进一步的，所述剪式机构包括剪式液压油缸，剪式液压油缸的一端连接到长杆上，另一端连接到底板上，通过剪式液压油缸的伸缩来推动剪式机构的升降。
进一步的，所述稳定平台包括上板、下板、支撑板、柔性杆和柔锁驱动装置，其中支撑板与剪式机构相连接，上板与无人机降落平台固定连接，柔性杆的上端与上板中心固定连接，下端穿过下板中心与支撑板固定连接，柔锁驱动装置有至少三个，周向分布在上板与下板之间。
进一步的，所述柔锁驱动装置包括柔性锁链、伺服电机和绕锁柱，伺服电机设置在下板与支撑板之间，下板对应的位置开设有孔，所述柔性锁链的一端固定在上板上，另一端穿过孔绕在伺服电机带动的绕锁柱上，所述伺服电机通过编码器与绕锁柱连接。通过伺服电机带动柔性锁链的异步拉动来改变上板与下板之间的夹角，进一步改变无人机降落平台的角度。
与现有技术相比，本发明结构新颖，构思巧妙，通过剪式机构和稳定平台来调整无人机降落平台的高度和角度，通过升降抓取机构的升降和平移限制无人机降落后的位移，将无人机固定在升降充电装置上进行充电，充电续航效果好，安全性能好，自动化程度高。
附图说明
图1 为本发明的基于柔锁并联机构的无人机回收充电装置搭载于无人艇上的状态示意图；
图2 为本发明的基于柔锁并联机构的无人机回收充电装置的结构示意图；
图3 为本发明的稳定平台使用状态示意图；
图4 为本发明的无人机降落平台的结构示意图；
图5 为图4中的升降充电装置的结构示意图；
图6 为图4中的升降抓取机构的气动机械爪的结构示意图；
图7 为升降抓取机构与升降充电装置工作状态示意图。
图中：升降机构I：底板I-1、U型槽结构I-2、剪式机构I-3、剪式液压油缸I-4；
稳定平台II：上板II-1、下板II-2、伺服电机II-3、编码器II-4、绕锁柱II-5、支撑板II-6、柔性杆II-/7、柔性锁链II-8；
无人机降落平台III：双轴电机III-1、定位推杆III-2、锥齿轮箱III-3、第三丝杠III-4、轴承座III-5、滑块III-6、升降充电装置III-7、升降抓取机构III-8、安装基座III-9、第一升降电机III-10、第一联轴器III-11、第一丝杠III-12、电池模块III-13、圆筒套筒III-14、基座III-15、固定杆III-16、抓取结构III-17、第三联轴器III-18、传动轴III-19、充电接口III-20、充电插槽III-21。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
参见图1-7所示的基于柔锁并联机构的无人机回收充电装置，安装在无人艇平台上，包括升降机构I、稳定平台II和无人机降落平台III，升降机构I固定在无人艇内，通过稳定平台II连接到无人机降落平台III的底部，所述无人机降落平台III内设有升降抓取机构III-8、升降充电装置III-7和充电定位机构。
所述升降机构I包括底板I-1和剪式机构I-3，剪式机构I-3包括X型布置的两组共四根活动连杆，每组两根活动连杆呈剪式安装在底板I-1上，每组两根活动连杆中部通过长杆连接到另一组活动连杆；相对应的两根活动连杆的下端铰接在底板I-1上，另两根活动连杆的下端通过固定在底板I-1上的U型槽结构I-2与底板I-1活动连接；所述剪式机构I-3包括剪式液压油缸I-4，剪式液压油缸I-4的一端连接到长杆上，另一端连接到底板I-1上，通过剪式液压油缸I-4的伸缩来推动剪式机构I-3的升降。
所述稳定平台包括上板II-1、下板II-2、支撑板II-6、柔性杆II-7和柔锁驱动装置，其中支撑板II-6与剪式机构I-3相连接，上板II-1与无人机降落平台III固定连接，柔性杆II-7的上端与上板II-1中心固定连接，下端穿过下板II-2中心与支撑板II-6固定连接，柔锁驱动装置有至少三个，周向分布在上板II-1与下板II-2之间。所述柔锁驱动装置包括柔性锁链II-8、伺服电机II-3和绕锁柱II-5，伺服电机II-3设置在下板II-2与支撑板II-6之间，下板II-2对应的位置开设有孔，所述柔性锁链II-8的一端固定在上板II-1上，另一端穿过孔绕在伺服电机II-3带动的绕锁柱II-5上，所述伺服电机II-3通过编码器II-4与绕锁柱II-5连接。通过伺服电机II-3带动柔性锁链II-8的异步拉动来改变上板II-1与下板II-2之间的夹角，进一步改变无人机降落平台III的角度。
所述升降充电装置III-7包括安装基座III-9，安装基座III-9固定在无人机降落平台III内，安装基座III-9上固定有竖直的第一升降电机III-10，第一升降电机III-10通过第一联轴器III-11固定有竖直的第一丝杠III-12，第一丝杠III-12上同轴设置有两端封闭的圆形套筒，圆形套筒内设置有电池模块III-13，相对应的圆形套筒外壁上设置有两个与电池模块III-13连通的充电插槽III-21；所述升降抓取机构III-8有对称分布在升降充电装置III-7两侧的两组，包括滑动基座，滑动基座可移动的设置在无人机降落平台III内，滑动基座上固定有竖直的第二升降电机，第二升降电机通过第二联轴器固定有竖直的第二丝杠，第二丝杠上同轴设置有两端封闭的夹具套筒，夹具套筒的顶部设置有气动机械爪，气动机械爪包括基座III-15、固定杆III-16和抓取结构III-17，抓取结构III-17通过固定杆III-16连接到基座III-15上，基座III-15固定夹具套筒的顶部，所述抓取结构III-17为对称的爪状结构，气动机械爪与充电接口III-20接通，通过无人机的起落架为无人机内置的蓄电池充电；所述夹具套筒的外壁上设置有充电接口III-20，与升降充电装置III-7的充电插槽III-21相匹配。
所述升降抓取机构III-8以升降充电装置III-7为中心分布在两侧，滑动基座的通过燕尾槽结构设置在无人机降落平台III内，滑动方向为升降充电装置III-7到升降抓取机构III-8的连线上，两个升降抓取机构III-8的滑动基座位于同一条直线上；所述升降抓取机构III-8的夹具套筒沿着第二丝杠上下滑动，相对于滑动基座在水平方向上保持相对静止不转动，升降充电装置III-7的圆形套筒沿着第一丝杠III-12上下滑动，相对于安装基座III-9在水平方向上保持相对静止不转动。
所述充电定位机构包括位于水平面四个角的四个锥齿轮箱III-3，四个锥齿轮箱III-3之间分别相对分布设置有两根传动轴III-19和两根第三丝杠III-4，两根传动轴III-19和两根第三丝杠III-4相互交替作为一个长方形的四条边，传动轴III-19上分别设置有双轴电机III-1，两根第三丝杠III-4之间设置有两条对称布置的定位推杆III-2，定位推杆III-2的两端通过滑块III-6搭接在两根第三丝杠III-4上，并沿着第三丝杠III-4自由滑动，定位推杆III-2的滑动方向与滑动基座滑动方向一致，并推动升降抓取机构III-8沿着滑动基座的方向滑动；所述第三丝杠III-4中部设置有轴承座III-5支撑起丝杠，并限制定位推杆III-2的活动范围，所述传动轴III-19上设置有第三联轴器III-18。
所述基于柔锁并联机构的无人机回收充电装置应用于无人艇平台的无人机续航充电时，包括以下步骤：
（1）无人艇接收到无人机降落信号时，打开船体翻板，启动升降机构I的剪式液压油缸I-4电机，升降平台随着剪式液压油缸I-4活塞杆的运动而上升，推动稳定平台II上升；
（2）启动无人机降落平台III的第一升降电机III-10，通过第一丝杠III-12传动，推动升降充电装置III-7作上升运动；
（3）安装在稳定平台II底部的角度传感器检测船体左右倾斜角度，角度传感器将倾斜角度的变化输出为电压信号变化，通过控制器发送指令，稳定平台II下端的伺服电机II-3启动，调节并联稳定平台II的水平度，维持并联稳定平台的上板II-1保持水平状态，通过每个伺服电机II-3对应的编码器II-4，可以得到对应伺服电机II-3的转速控制，从而可以计算出稳定平台上板II-1的位姿，反馈到控制系统，实现整个平台的闭环控制；
（4）当无人机的位置位于待降落区上方时，通过无人机上的红外摄像头对升降抓取机构顶部预设波长的红外信标进行检测进行定位；
（5）当检测到所述预设波长的红外信标时，根据红外信标在红外摄像头的位置引导无人机向下飞行，并通过图像采集摄像头对无人艇上的物体进行实时图像采集，对采集的物体图像进行识别；
（6）当在物体图像中识别到预设的气动机械爪的图像时，根据气动机械爪在图像采集摄像头的位置引导无人机降落；
（7）当无人机降落到一定高度，通过距离传感器检测无人机与气动机械爪的距离，达到预设距离后，气动机械爪开始向上推进并抓取无人机，完成无人机回收；
（8）当无人机回收完成后，启动双轴电机III-1，带动传动轴III-19和第三丝杠III-4运动，使定位推杆III-2运动，定位推杆III-2推动升降抓取机构III-8，使升降抓取机构III-8的滑动基座水平滑动，当升降抓取机构III-8的充电接口III-20插入升降充电平台的充电插槽III-21中，电路接通，电池模块III-13通过嵌合的充电插口和充电插槽III-21，将电流传导到气动机械爪处，经由无人机的起落架开始对无人机的蓄电池自主充电，同时，双轴电机III-1停止运动。
因此，结合上述构造和工作过程可以发现，本发明所述的基于柔锁并联机构的无人机回收充电装置结构新颖，构思巧妙，能够将无人机固定在无人艇平台上进行充电，充电续航效果好，安全性能好，自动化程度高。

Claims (6)

1.一种基于柔锁并联机构的无人机回收充电装置，安装在无人艇平台上，其特征在于：包括升降机构、稳定平台和无人机降落平台，升降机构固定在无人艇内，通过稳定平台连接到无人机降落平台的底部，所述无人机降落平台内设有升降抓取机构和升降充电装置，其中升降充电装置包括安装基座，安装基座固定在无人机降落平台内，安装基座上固定有竖直的第一升降电机，第一升降电机通过第一联轴器固定有竖直的第一丝杠，第一丝杠上同轴设置有两端封闭的圆形套筒，圆形套筒内设置有电池模块，相对应的圆形套筒外壁上设置有两个与电池模块连通的充电插槽；所述升降抓取机构有对称分布在升降充电装置两侧的两组，包括滑动基座，滑动基座可移动的设置在无人机降落平台内，滑动基座上固定有竖直的第二升降电机，第二升降电机通过第二联轴器固定有竖直的第二丝杠，第二丝杠上同轴设置有两端封闭的夹具套筒，夹具套筒的顶部设置有气动机械爪，夹具套筒的外壁上设置有充电接口，与升降充电装置的充电插槽相匹配；所述稳定平台包括上板、下板、支撑板、柔性杆和柔锁驱动装置，其中支撑板与剪式机构相连接，上板与无人机降落平台固定连接，柔性杆的上端与上板中心固定连接，下端穿过下板中心与支撑板固定连接，柔锁驱动装置有至少三个，周向分布在上板与下板之间；所述升降抓取机构以升降充电装置为中心分布在两侧，滑动基座的通过燕尾槽结构设置在无人机降落平台内，滑动方向为升降充电装置到升降抓取机构的连线上，两个滑动基座位于同一条直线上；所述气动机械爪包括基座、固定杆和抓取结构，抓取结构通过固定杆连接到基座上，基座固定夹具套筒的顶部，所述抓取结构为对称的爪状结构，气动机械爪与充电接口接通，通过无人机的起落架为无人机内置的蓄电池充电；所述升降机构包括底板和剪式机构，剪式机构包括X型布置的两组共四根活动连杆，每组两根活动连杆呈剪式安装在底板上，每组两根活动连杆中部通过长杆连接到另一组活动连杆；相对应的两根活动连杆的下端铰接在底板上，另两根活动连杆的下端通过固定在底板上的U型槽结构与底板活动连接。
2.根据权利要求1所述的基于柔锁并联机构的无人机回收充电装置，其特征在于：所述升降抓取机构的夹具套筒沿着第二丝杠上下滑动，相对于滑动基座在水平方向上保持相对静止不转动；升降充电装置的圆形套筒沿着第一丝杠上下滑动，相对于安装基座在水平方向上保持相对静止不转动。
3.根据权利要求1所述的基于柔锁并联机构的无人机回收充电装置，其特征在于：所述无人机降落平台上设置有充电定位机构，充电定位机构包括位于水平面四个角的四个锥齿轮箱，四个锥齿轮箱之间分别相对分布设置有两根传动轴和两根第三丝杠，两根传动轴和两根第三丝杠相互交替作为一个长方形的四条边，传动轴上分别设置有双轴电机，两根第三丝杠之间设置有两条对称布置的定位推杆，定位推杆的两端通过滑块搭接在两根第三丝杠上，并沿着第三丝杠自由滑动，定位推杆的滑动方向与滑动基座滑动方向一致，并推动升降抓取机构沿着滑动基座的方向滑动。
4.根据权利要求3所述的基于柔锁并联机构的无人机回收充电装置，其特征在于：所述第三丝杠中部设置有轴承座支撑起丝杠，并限制定位推杆的活动范围，所述传动轴上设置有第三联轴器。
5.根据权利要求1所述的基于柔锁并联机构的无人机回收充电装置，其特征在于：所述剪式机构包括剪式液压油缸，剪式液压油缸的一端连接到长杆上，另一端连接到底板上。
6.根据权利要求1所述的基于柔锁并联机构的无人机回收充电装置，其特征在于：所述柔锁驱动装置包括柔性锁链、伺服电机和绕锁柱，伺服电机设置在下板与支撑板之间，下板对应的位置开设有孔，所述柔性锁链的一端固定在上板上，另一端穿过孔绕在伺服电机带动的绕锁柱上，所述伺服电机通过编码器与绕锁柱连接。
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