CN110194278A - 一种基于伸展并联机构的无人机回收充电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种基于伸展并联机构的无人机回收充电装置,包括从下至上依次设置的升降机构、伸展并联机构和无人机降落机构；无人机降落机构的顶端设有充电定位装置，内部设有升降充电装置，升降充电装置两侧对称设置有升降抓取装置，升降抓取装置上设有红外信标；伸展并联机构包括固定于升降机构上的基板，基板上垂直设置有顶板，在基板和顶板之间设有三个伸展结构，所述三个伸展结构在基板上呈正三角形分布，伸展结构的底端和顶端分别与基板和顶板固定连接；本发明利用伸展并联机构的调平特性，使得伸展并联机构的顶板始终处于水平状态，有利于无人机降落机构对无人机的精准回收充电。

Description

一种基于伸展并联机构的无人机回收充电装置
技术领域
本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种基于伸展并联机构的无人机回收充电装置。
背景技术
近年来，无人机技术发展的非常迅速。无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。与载人飞机相比，无人机具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点，在军事领域和民用领域已经得到较多应用。
由于无人机内没有人为控制，无人机的回收技术显得尤为重要。由于回收场地的使用要求极大的限制了小型无人机广泛使用，尤其在测绘航拍领域、在被测区执行任务完毕后、需要保证充足的燃油或者电力来满足小型无人机返回降落场地，这极大的影响了小型无人机的工作效率。且传统的无人机降落方法定位精度不高，可靠性低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于伸展并联机构的无人机回收充电装置，以提高无人机的回收精度，并对回收的无人机进行自主充电。
基于上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于伸展并联机构的无人机回收充电装置，包括从下至上依次设置的升降机构、伸展并联机构和无人机降落机构；无人机降落机构的顶端设有充电定位装置，内部设有升降充电装置，升降充电装置两侧对称设置有升降抓取装置，升降抓取装置上设有红外信标；伸展并联机构包括固定于升降机构上的基板，基板上垂直设置有顶板，在基板和顶板之间设有三个伸展结构，三个伸展结构在基板上呈正三角形分布，伸展结构的底端和顶端分别与基板和顶板固定连接。
进一步地，伸展结构包括四根长连杆和四根短连杆，四根短连杆中两两短连杆的端部铰接，其中两个短连杆的铰接处通过L型固定板固定于基板上，另外两个短连杆的铰接处通过L型固定板固定于顶板上；短连杆的自由端分别与四根长连杆铰接；与短连杆铰接的其中两个长连杆通过设于长连杆中部的螺纹连接件相互铰接，另外两个长连杆通过设于长连杆中部的螺柱相互铰接；长连杆的自由端相互铰接；伸展结构还包括线性驱动器模块，线性驱动器模块的驱动端与螺柱同轴固定连接。
进一步地，升降机构包括底板、升降台和固定于底板与升降台之间的剪式结构；剪式结构包括两对连杆，连杆由两根呈剪式的活动杆组成，两根活动杆通过设于活动杆中部的连接件转动连接，活动杆的底端和顶端分别与底板和升降台活动连接，底板和升降台上均设有与活动杆相配合的U型槽；所述两对连杆对称设于底板的两侧；两对连杆之间设有长杆，长杆的两端分别与两个连杆的连接处固定连接；剪式结构还包括固定于底板上的液压缸，液压缸的活塞杆输出端与长杆的中部固定连接。
进一步地，充电定位装置包括设于无人机降落机构顶角上的四个锥齿轮箱、平行设置的两个双轴电机和平行设置且与双轴电机相垂直的两个传动丝杠；每个双轴电机的两端均通过锥齿轮箱与传动丝杠的端部转动连接；两个传动丝杠之间设有与传动丝杠相垂直的两个定位推杆，两个定位推杆的两端均通过滑块与传动丝杠转动连接；每个传动丝杠中部均设有与传动丝杠相配合的轴承座，两个定位推杆分别设于轴承座的两侧。
进一步地，升降充电装置包括从下至上依次连接的固定基座、升降结构和充电结构；固定基座包括固定于无人机降落机构底部的底座和固定于底座上的支撑筒；升降结构包括固定于支撑筒上的升降筒，升降筒内设有固定于升降筒底部的升降电机，升降电机输出端通过联轴器固定有升降丝杠；充电结构包括充电筒，充电筒内设有贯穿充电筒底端的螺纹套筒，螺纹套筒与升降丝杠转动连接；螺纹套筒的两侧设有电池模块，电池模块设于充电筒的内部；充电筒的外部两侧对称设有与电池模块相连接的充电插槽。
进一步地，升降抓取装置包括从下至上依次连接的移动基座、升降结构和抓取结构；移动基座包括固定板，固定板的两侧设有滑槽，固定板上设有与滑槽相配合的滑板，滑板上固定有支撑筒；升降结构包括固定于支撑筒上的升降筒，升降筒内设有固定于升降筒底部的升降电机，升降电机输出端通过联轴器固定有升降丝杠；抓取结构包括圆形套筒，圆形套筒内设有贯穿圆形套筒底端的螺纹套筒，螺纹套筒与升降丝杠转动连接；圆形套筒的侧面设有与充电插槽相配合的充电接口；圆形套筒的顶部固定有两个对称设置的气动机械爪。
进一步地，气动机械爪包括固定于圆形套筒顶端的机械爪底座，机械爪底座上对称设有机械爪，机械爪的底部设有贯穿机械爪的固定杆，机械爪通过固定杆固定于机械爪底座上；红外信标设于机械爪上。
进一步地，伸展并联机构的顶板上设有角度传感器，支撑筒内设有控制器和通信模块；控制器与角度传感器和线性驱动器模块相连接，角度传感器将顶板的倾斜角度变化输出为电压信号，控制器接收角度传感器的电压信号并对电压信号进行处理，从而对线性驱动器模块进行动作控制，以调整顶板的偏移量，使顶板始终保持水平状态；通信模块与无人机无线连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明采用在无人机降落机构的底端设置伸展并联机构，利用伸展并联机构的调平特性，使得伸展并联机构的顶板始终处于水平状态，使得置于顶板上的无人机降落机构能够保持水平稳定状态，有利于无人机降落机构对无人机的精准回收。
（2）本发明采用在伸展并联机构中设置三个伸展结构，伸展结构在基板和顶板之间呈正三角形分布，且伸展结构的底端和顶端分别与基板和顶板固定连接，有利于保持顶板的稳定；伸展结构采用相互铰接的四根长连杆和四根短连杆，其中两个长连杆通过设于长连杆中部的螺柱相互铰接，伸展结构内的线性驱动器模块的驱动端与螺柱同轴固定连接，本发明通过线性驱动器模块控制伸展结构的升降，从三个方向上，对伸展并联机构中的顶板进行调平，进一步提高了对顶板进行调平的精准度。
（3）本发明采用在伸展并联机构的顶板上设置角度传感器，在支撑筒内设置与角度传感器和线性驱动器模块相连接的控制器，通过控制器对角度传感器输出的电压信号进行接收和处理，进而对线性驱动器模块进行动作控制，更加精准控制顶板的偏移量，有利于提高对顶板进行角度调整时的精度。
（4）本发明采用在无人机降落机构内设置升降抓取装置，并在升降抓取装置上设有红外信标，便于无人机通过红外信标对升降抓取装置进行识别定位，有利于本发明装置对无人机的回收。
（5）本发明采用在无人机降落机构内设置升降充电装置，便于对回收的无人机进行充电，提高无人机的有效工作时间，延长无人机的续航能力；采用在无人机降落机构上设置充电定位装置，便于升降抓取装置在充电定位装置的作用下移动，使升降抓取装置与升降充电装置相连接，便于对升降抓取装置上的无人机进行自主充电。
附图说明
图1为本发明基于伸展并联机构的无人机回收充电装置搭载于无人艇上的示意图；
图2为本发明的整体结构示意图；
图3为升降机构的结构示意图；
图4为伸展并联机构的结构示意图；
图5为无人机降落机构的结构示意图；
图6为升降充电装置和升降抓取装置的整体结构示意图；
图7为升降充电装置的结构示意图；
图8为气动机械爪的结构示意图。
图中：1、升降机构；11、底板；12、升降台；13、活动杆；14、长杆；15、U型槽；2、伸展并联机构；21、基板；22、顶板；23、伸展结构；24、长连杆；25、短连杆；26、L型固定板；27、线性驱动器模块；3、无人机降落机构；4、充电定位装置；41、锥齿轮箱；42、双轴电机；43、传动丝杠；44、定位推杆；45、滑块；46、轴承座；5、升降充电装置；51、底座；52、支撑筒；53、升降筒；54、升降电机；55、升降丝杠；56、充电筒；57、螺纹套筒；58、电池模块；59、充电插槽；6、升降抓取装置；61、固定板；62、滑槽；63、滑板；64、圆形套筒；65、充电接口；7、气动机械爪；71、机械爪底座；72、机械爪；73、固定杆。
具体实施方式
实施例1
如图1～8所示一种基于伸展并联机构的无人机回收充电装置，无人机回收充电装置搭载于无人艇上的示意图如图1所示，其中，无人机回收充电装置的结构如图2所示，包括从下至上依次设置的升降机构1、伸展并联机构2和无人机降落机构3。
升降机构1对伸展并联机构2和无人机降落机构3进行升降，在未使用状态时，升降机构1将本发明装置降低至最低状态，使得本发明装置能够置于无人艇内部，有效避免本发明装置的折旧和老化，在使用时，将无人艇上的翻版打开，升降机构1将本发明装置进行抬升，便于本发明装置对无人机的回收充电操作。
升降机构1的结构如图3所示，包括底板11、升降台12和固定于底板11与升降台12之间的剪式结构；剪式结构包括两对连杆，连杆由两根呈剪式的活动杆13组成，两根活动杆13通过设于活动杆13中部的连接件转动连接，活动杆13的底端和顶端分别与底板11和升降台12活动连接，底板11和升降台12上均设有与活动杆13相配合的U型槽15；两对连杆对称设于底板11的两侧；两对连杆之间设有长杆14，长杆14的两端分别与两个连杆的连接处固定连接；剪式结构还包括固定于底板11上的液压缸，液压缸的活塞杆输出端通过螺栓与长杆14的中部固定连接。
伸展并联机构2用于调整伸展并联机构2内的顶板22始终处于水平状态，提高置于顶板22上的无人机降落机构3在水平方向上的稳定性。
伸展并联机构2的结构如图4所示，伸展并联机构2包括固定于升降机构1上的基板21，基板21上垂直设置有顶板22，在基板21和顶板22之间设有三个伸展结构23，三个伸展结构23在基板21上呈正三角形分布，伸展结构23的底端和顶端分别与基板21和顶板22固定连接，便于从三个方向上对顶板22的偏转角度进行调整，提高对顶板22的调平精度。
伸展结构23包括四根长连杆24和四根短连杆25，四根短连杆25中两两短连杆25的端部铰接，其中两个短连杆25的铰接处通过L型固定板26固定于基板21上，另外两个短连杆25的铰接处通过L型固定板26固定于顶板22上；短连杆25的自由端分别与四根长连杆24铰接；与短连杆25铰接的其中两个长连杆24通过设于长连杆24中部的螺纹连接件相互铰接，另外两个长连杆24通过设于长连杆24中部的螺柱相互铰接；长连杆24的自由端相互铰接；伸展结构23还包括线性驱动器模块27，线性驱动器模块27的驱动端与螺柱同轴固定连接。
伸展结构23采用相互铰接的四根长连杆24和四根短连杆25，其中两个长连杆24通过设于长连杆24中部的螺柱相互铰接，伸展结构23内的线性驱动器模块27的驱动端与螺柱同轴固定连接，本发明通过线性驱动器模块27控制伸展结构23的升降，对伸展并联机构2中的顶板22进行调平，有利于顶板22始终保持水平稳定状态，使得置于顶板22上的无人机降落机构3能够保持平稳状态，有利于无人机降落机构3对无人机的精准回收。
无人机降落机构3的结构如图5所示，无人机降落机构3整体为立方体结构，无人机降落机构3的底部通过螺栓固定于顶板22上，无人机降落机构3的顶端设有充电定位装置4，内部设有升降充电装置5，升降充电装置5两侧对称设置有升降抓取装置6。无人机降落机构3内设置升降抓取装置6，升降抓取装置6上设有红外信标，便于无人机通过红外信标对升降抓取装置6进行识别定位，提高本发明装置对无人机的回收精度；此外，无人机降落机构3内设有升降充电装置5，便于对回收的无人机进行充电，提高无人机的有效工作时间，延长无人机的续航能力；另外，在无人机降落机构3上设置的充电定位装置4，便于升降抓取装置6在充电定位装置4的作用下移动，使升降抓取装置6与升降充电装置5相连接，便于对升降抓取装置6上的无人机进行自主充电。
充电定位装置4的结构如图5所示，包括设于无人机降落机构3顶角上的四个锥齿轮箱41、锥齿轮箱41内设有锥齿轮，平行设置的两个双轴电机42和平行设置且与双轴电机42相垂直的两个传动丝杠43；每个双轴电机42的两端均通过锥齿轮箱41与传动丝杠43的端部转动连接，即双轴电机42的两个输出轴均通过锥齿轮与传动丝杠43啮合传动；两个传动丝杠43之间设有与传动丝杠43相垂直的两个定位推杆44，两个定位推杆44的两端均通过滑块45与传动丝杠43转动连接；滑块45与传动丝杠43之间为螺纹连接，每个传动丝杠43中部均设有与传动丝杠43相配合的轴承座46，轴承座46对传动丝杠43起到支撑作用，且不干扰传动丝杠43的转动，两个定位推杆44分别设于轴承座46的两侧。
通过双轴电机42的两个输出轴的转动，带动与双轴电机42的输出轴啮合传动的传动丝杠43进行转动，使得与传动丝杠43螺纹连接的滑块45随着传动丝杠43的转动而在丝杠上产生位移，由于两两对称的滑块45之间连接有定位推杆44，移动的滑块45带动定位推杆44产生位移，从而使得定位推杆44对升起后的升降抓取装置6进行推动，升降抓取装置6向充电定位装置4移动。
升降充电装置5的结构如图6和图7所示，包括从下至上依次连接的固定基座、升降结构和充电结构；固定基座包括固定于无人机降落机构3底部的底座51和固定于底座51上的支撑筒52；升降结构包括固定于支撑筒52上的升降筒53，升降筒53内设有固定于升降筒53底部的升降电机54，升降电机54输出端通过联轴器固定有升降丝杠55；充电结构包括充电筒56，充电筒56内设有贯穿充电筒56底端的螺纹套筒57，螺纹套筒57的内侧壁设有螺纹，螺纹套筒57与升降丝杠55转动连接；螺纹套筒57的两侧设有电池模块58，电池模块58设于充电筒56的内部；充电筒56的外部两侧对称设有与电池模块58相连接的充电插槽59。
通过升降电机54转轴的转动，带动与升降电机54转轴固定连接的升降丝杠55进行转动，从而带动与升降丝杠55螺纹连接的螺纹套筒57随着升降丝杠55的转动进行上下移动，从而带动充电筒56进行上下移动。
升降抓取装置6的结构如图6和图7所示，包括从下至上依次连接的移动基座、升降结构和抓取结构；移动基座包括固定板61，固定板61的两侧设有滑槽62，固定板61上设有与滑槽62相配合的滑板63，滑板63上固定有支撑筒52；升降结构包括固定于支撑筒52上的升降筒53，升降筒53内设有固定于升降筒53底部的升降电机54，升降电机54输出端通过联轴器固定有升降丝杠55；抓取结构包括圆形套筒64，圆形套筒64内设有贯穿圆形套筒64底端的螺纹套筒57，螺纹套筒57与升降丝杠55转动连接；圆形套筒64的侧面设有与充电插槽59相配合的充电接口65；圆形套筒64的顶部固定有两个对称设置的气动机械爪7。
气动机械爪7的结构如图8所示，包括固定于圆形套筒64顶端的机械爪底座71，机械爪底座71上对称设有机械爪72，机械爪72的底部设有贯穿机械爪72的固定杆73，机械爪72通过固定杆73固定于机械爪底座71上；机械爪72上设有红外信标，便于无人机通过红外信标对升降抓取装置6进行识别定位，提高本发明装置对无人机回收的精度。
此外，伸展并联机构2的顶板22上设有角度传感器，支撑筒52内设有控制器和通信模块；控制器与角度传感器和线性驱动器模块27相连接，角度传感器将顶板22的倾斜角度变化输出为电压信号，控制器接收角度传感器的电压信号并对电压信号进行处理，从而对线性驱动器模块27进行动作控制，以调整顶板22的偏移量，使顶板22始终保持水平状态；通信模块与无人机无线连接；通过对每个伸展结构23中的线性驱动器模块27的转动偏移量进行控制，并从三个方向上对顶板22的偏移角度进行调整，提高了对顶板22偏移量的精准调控，有利于顶板22维持水平稳定状态，便于置于顶板22上的无人机降落机构3对无人机进行自主回收充电。
实施例2
一种利用实施例1所述无人机回收充电装置进行工作的方法，包括以下步骤：
（1）接收到无人机降落信号时，打开船体翻板，启动升降机构1液压缸电机，升降机构1随着液压缸活塞杆的运动而上升，推动伸展并联机构2上升；
（2）启动无人机降落机构3的升降电机54，通过升降丝杠55传动，推动充电筒56作上升运动；
（3）安装在伸展并联机构2的角度传感器检测顶板22的倾斜角度，角度传感器将顶板22倾斜角度的变化输出为电压信号变化，控制器接受电压信号并进行信号处理后，向线性驱动器模块27发出控制指令，控制伸展并联机构2的三个线性驱动器模块27进行角度调整动作，调节顶板22的水平度，维持顶板22的水平状态。
（4）当无人机的位置位于待降落区上方时，通过所述无人机上的红外摄像头对气动机械爪7上预设波长的红外信标进行检测；
（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7的图像时，根据气动机械爪7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升降抓取装置6的距离，达到预设距离后，升降抓取装置6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42，带动传动丝杠43转动，使定位推杆44在传动丝杠43上进行相对运动，定位推杆44推动升降抓取装置6，使升降抓取装置6在滑槽62中滑动，当升降抓取装置6的充电接口65插入升降充电装置5的充电插槽59中，开始进行无人机的自主充电，同时，双轴电机42停止运动。

Claims (8)

1.一种基于伸展并联机构的无人机回收充电装置，其特征在于，包括从下至上依次设置的升降机构、伸展并联机构和无人机降落机构；所述无人机降落机构的顶端设有充电定位装置，内部设有升降充电装置，升降充电装置两侧对称设置有升降抓取装置，所述升降抓取装置上设有红外信标；所述伸展并联机构包括固定于升降机构上的基板，基板上垂直设置有顶板，在基板和顶板之间设有三个伸展结构，所述三个伸展结构在基板上呈正三角形分布，伸展结构的底端和顶端分别与基板和顶板固定连接。
2.根据权利要求1所述的基于伸展并联机构的无人机回收充电装置，其特征在于，所述伸展结构包括四根长连杆和四根短连杆，四根短连杆中两两短连杆的端部铰接，其中两个短连杆的铰接处通过L型固定板固定于基板上，另外两个短连杆的铰接处通过L型固定板固定于顶板上；短连杆的自由端分别与四根长连杆铰接；与短连杆铰接的其中两个长连杆通过设于长连杆中部的螺纹连接件相互铰接，另外两个长连杆通过设于长连杆中部的螺柱相互铰接；长连杆的自由端相互铰接；伸展结构还包括线性驱动器模块，线性驱动器模块的驱动端与螺柱同轴固定连接。
3.根据权利要求2所述的基于伸展并联机构的无人机回收充电装置，其特征在于，所述升降机构包括底板、升降台和固定于底板与升降台之间的剪式结构；所述剪式结构包括两对连杆，所述连杆由两根呈剪式的活动杆组成，两根活动杆通过设于活动杆中部的连接件转动连接，活动杆的底端和顶端分别与底板和升降台活动连接，底板和升降台上均设有与活动杆相配合的U型槽；所述两对连杆对称设于底板的两侧；两对连杆之间设有长杆，所述长杆的两端分别与两个连杆的连接处固定连接；剪式结构还包括固定于底板上的液压缸，液压缸的活塞杆输出端与长杆的中部固定连接。
4.根据权利要求3所述的基于伸展并联机构的无人机回收充电装置，其特征在于，所述充电定位装置包括设于无人机降落机构顶角上的四个锥齿轮箱、平行设置的两个双轴电机和平行设置且与双轴电机相垂直的两个传动丝杠；每个双轴电机的两端均通过锥齿轮箱与传动丝杠的端部转动连接；所述两个传动丝杠之间设有与传动丝杠相垂直的两个定位推杆，两个定位推杆的两端均通过滑块与传动丝杠转动连接；每个传动丝杠中部均设有与传动丝杠相配合的轴承座，所述两个定位推杆分别设于轴承座的两侧。
5.根据权利要求4所述的基于伸展并联机构的无人机回收充电装置，其特征在于，所述升降充电装置包括从下至上依次连接的固定基座、升降结构和充电结构；所述固定基座包括固定于无人机降落机构底部的底座和固定于底座上的支撑筒；所述升降结构包括固定于支撑筒上的升降筒，升降筒内设有固定于升降筒底部的升降电机，升降电机输出端通过联轴器固定有升降丝杠；所述充电结构包括充电筒，充电筒内设有贯穿充电筒底端的螺纹套筒，螺纹套筒与升降丝杠转动连接；螺纹套筒的两侧设有电池模块，电池模块设于充电筒的内部；充电筒的外部两侧对称设有与电池模块相连接的充电插槽。
6.根据权利要求5所述的基于伸展并联机构的无人机回收充电装置，其特征在于，所述升降抓取装置包括从下至上依次连接的移动基座、升降结构和抓取结构；所述移动基座包括固定板，固定板的两侧设有滑槽，固定板上设有与滑槽相配合的滑板，所述滑板上固定有支撑筒；所述升降结构包括固定于支撑筒上的升降筒，升降筒内设有固定于升降筒底部的升降电机，升降电机输出端通过联轴器固定有升降丝杠；所述抓取结构包括圆形套筒，圆形套筒内设有贯穿圆形套筒底端的螺纹套筒，螺纹套筒与升降丝杠转动连接；圆形套筒的侧面设有与充电插槽相配合的充电接口；圆形套筒的顶部固定有两个对称设置的气动机械爪。
7.根据权利要求6所述的基于伸展并联机构的无人机回收充电装置，其特征在于，所述气动机械爪包括固定于圆形套筒顶端的机械爪底座，机械爪底座上对称设有机械爪，所述机械爪的底部设有贯穿机械爪的固定杆，机械爪通过固定杆固定于机械爪底座上；所述红外信标设于机械爪上。
8.根据权利要求7所述的基于伸展并联机构的无人机回收充电装置，其特征在于，所述所述伸展并联机构的顶板上设有角度传感器，所述支撑筒内设有控制器和通信模块；所述控制器与角度传感器和线性驱动器模块相连接，角度传感器将顶板的倾斜角度变化输出为电压信号，控制器接收角度传感器的电压信号并对电压信号进行处理，从而对线性驱动器模块进行动作控制，以调整顶板的偏移量，使顶板始终保持水平状态；所述通信模块与无人机无线连接。
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