CN110723278A - 一种旋翼飞行机器人 - Google Patents

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王尧尧
刘卢芳
孟思华
陈柏
彭嘉伟
李彬彬
赵锦波
田波
吴洪涛
鞠烽
姚佳烽
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Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
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Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
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    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C17/00—Aircraft stabilisation not otherwise provided for
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C27/00—Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
    • B64C27/04—Helicopters
    • B64C27/08—Helicopters with two or more rotors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C27/00—Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
    • B64C27/32—Rotors

Abstract

本发明公开了一种旋翼飞行机器人，包括飞行器驱动电机、旋翼、旋翼机架、重心调节装置、飞行器壳体、起落架、柔性作业机械臂。飞行器壳体内部中空，放置有飞行器的各控制部件，壳体底部固连有一柔性作业机械臂，该机械臂以电机作为驱动动力源，四根柔性绳作为驱动力的传递介质，通过控制四个电机不同的转动角度，即可调节柔性绳的伸缩，使位于柔性机械臂末端的执行机构到达指定点，完成相应的作业任务。柔性机械臂及重心调节机构大大减小了运动部件的转动惯量，提高了负载自重比及能源利用率，末端执行器具有更高的自由度，控制效果稳定，适用范围更广阔。

Description

一种旋翼飞行机器人
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，尤其涉及一种旋翼飞行机器人。
背景技术
旋翼飞行机器人(Rotor-flying robots,RFR)通常是在旋翼飞行器上加装机械臂。传统的机械臂通常采用关节电机驱动模式，将驱动单元及其防护模块直接安装于机械臂关节处，导致机械臂体积惯量显著增大，继而迫使RFR向大型化发展，难以满足低空作业对高隐蔽性、长续航的刚性需求。同时，当RFR低空作业时，其产生的时变非定常气流与机体和作业机械臂之间会产生极其复杂的动力学耦合，严重制约系统作业精度和效率的提升。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提出一种旋翼飞行机器人，采用新型柔性机械臂代替传动作业机械臂，从而能够减小机械臂中的运动部件的体积惯量，提高了飞行器的负载自重比及能效。
技术方案：为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：
一种旋翼飞行机器人，包括飞行器壳体、位于飞行器壳体侧面并向外侧延伸的数个安装有旋翼的旋翼机架，其特征在于：所述飞行器壳体下方安装有自飞行器壳体下底板向下延伸的柔性作业机械臂；该柔性作业机械臂包括若干定位支架、数个柔性绳和末端执行器基座；每个定位支架上均具有与柔性绳数量相同的数个定位通孔供数个柔性绳穿过，若干定位支架沿柔性绳延伸方向等间距布置；末端执行器基座固定在柔性绳向下延伸的末端；所述壳体内设有若干与柔性绳一一对应的绳驱动装置，该绳驱动装置包括驱动电机、与驱动电机输出轴连接的电机输出轮，所述柔性绳缠绕在对应的电机输出轮上，驱动电机带动电机输出轮转动而驱动柔性绳向下移动或向上移动。
有益效果：本发明提供的旋翼飞行机器人中，提供了绳驱动的柔性作业机械臂，末端执行器基座的移动和转向通过数个柔性绳的向上移动或向下移动的组合运动实现，不再采用刚性关节。与刚性关节式机器人相比，柔性作业机械臂可以柔顺而灵活的改变自身的形状，以适应不同环境、不同形状物体的需求，能显著降低运动部件的体积惯量，能显著地提高灵巧性以及隐秘性，可有效提升负载自重比，继而使得搭载平台深度小型化。
进一步的，所述飞行器壳体上或者飞行器壳体内部安装有重心调节装置；该重心调节装置包括两条平行的导轨、承载在两条导轨上的电池固定板、固定在电池固定板上方的电池、驱动电池固定板在导轨上移动的调节电机；该电池为所述旋翼供电。故，本发明的旋翼飞行机器人将原本必须要安装的电池同时也作为配重，用以调节旋翼机器人作业时的重心位置，不需要再设置专门的配重，不但精简了结构同时有利于机器人空间利用，更加有利于整体结构的小型化。
进一步的，所述重心调节装置还包括丝杠支架、安装在丝杠支架上的丝杠、丝杠上的滑块；所述滑块安装在电池固定板下方，丝杠被调节电机驱动而转动，滑块通过丝杠的转动带动电池固定板在导轨上移动。
进一步的，每个旋翼机架延伸出的一端上设有旋翼电机，旋翼安装在旋翼电机的输出轴上，旋翼电机与电池连接并由电池供电。
进一步的，所述电机输出轮表面有螺旋凹槽，用于固定柔性绳。
进一步的，还包括张紧装置，张紧装置安装在飞行器壳体内部的下底板上，包括张紧架、张紧轮；所述张紧架顶部有一U型凹槽，用于固定张紧轮并与张紧轮铰接，柔性绳自电机输出轮延伸出并与张紧轮接触弯折后再向飞行器壳体下方延伸出。
附图说明
图1为一种旋翼飞行机器人的结构示意图；
图2为一种旋翼飞行机器人的仰视图；
图3为柔性机械臂、下底板、电机组件和张紧架的安装示意图；
图4为电机组件示意图；
图5为重心调节机构示意图；
图6为张紧机构示意图。
其中各附图的标记为：1、旋翼电机；2、旋翼；3、旋翼机架；4、重心调节装置；4-1、调节电机；4-2、导轨；4-3、电池；4-4、丝杠；4-5、支架；4-6、铜柱；4-7、滑块；4-8、电池固定板；5、飞行器壳体；6、起落架；7、柔性作业机械臂；7-1、定位支架；7-2、柔性绳；7-3、末端执行器基座；8、下底板；9、电机组件；9-1、驱动电机；9-2、电机输出轮；9-3、电机支架；10、张紧装置；10-1、张紧轮；10-2、螺母；10-3、螺栓；10-4、张紧架。
具体实施方式
结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式。
一种旋翼飞行机器人，包括飞行器壳体5、位于飞行器壳体5侧面并向外侧延伸的数个安装有旋翼2的旋翼机架3。在本实施方式中，采用“X”字型旋翼机架，即包括4个旋翼2。所述飞行器壳体下方安装有自飞行器壳体下底板8向下延伸的柔性作业机械臂7。该柔性作业机械臂7包括若干定位支架7-1、数个柔性绳7-2和末端执行器基座7-3。末端执行器基座7-3可加载各类视频采集装置。每个定位支架7-1上均具有与柔性绳7-2数量相同的数个定位通孔供数个柔性绳穿过，若干定位支架7-1沿柔性绳7-2延伸方向等间距布置。下底板8上也具有与柔性绳7-2数量相同的数个通孔供数个柔性绳穿过。末端执行器基座7-3固定在柔性绳7-2向下延伸的末端。所述壳体内设有若干与柔性绳7-2一一对应的绳驱动装置，该绳驱动装置包括驱动电机9-1、与驱动电机输出轴连接的电机输出轮9-2。所述柔性绳7-2缠绕在对应的电机输出轮9-2上，驱动电机9-1带动电机输出轮9-2转动而驱动柔性绳7-2向下移动或向上移动。本实施方式中，柔性作业机械臂7中共有四根柔性绳7-2，分别连接在四个不同的电机输出轮9-2之上，四个电机输出轮9-2不同的转动角度会使得四根柔性绳7-2各有不同的伸缩量，因此末端可有不同的角度和位置，如，由于本发明柔性机械臂的特性，搭载于其末端的视频采集装置可完成对各个方位目标的拍照、录像等任务。电机输出轮9-2表面有螺旋凹槽，用于固定柔性绳7-2。电机输出轮9-2连接在电机9-1上，受其驱动而转动。电机9-1安装在电机支架9-3上。为了使柔性绳7-2张紧，该机器人中还包括张紧装置10。张紧装置10安装在下底板8上，张紧装置10包括张紧架10-4、张紧轮10-1、螺栓10-3和螺母10-2。张紧架10-4顶部有一U型凹槽，用于固定张紧轮10-1并与张紧轮10-1铰接。柔性绳7-2自电机输出轮延伸出并与张紧轮10-1接触弯折后再向飞行器壳体5下方延伸出。张紧架10-4底部是带有螺纹的圆柱体，与螺母配合使用即可将张紧架10-4固定在下底板8上。安装时，为使柔性绳7-2不产生无效弯折，应使得张紧轮10-1的凹槽部分于固定支架7-1的通孔在径向对齐。
同时，该旋翼飞行机器人的飞行器壳体上或者飞行器壳体内部安装有重心调节装置。4该重心调节装置4包括两条平行的导轨4-2、承载在两条导轨4-2上的电池固定板4-8、固定在电池固定板4-8上方的电池4-3、驱动电池固定板4-8在导轨4-2上移动的调节电机4-1。该电池4-3即作为本机器人中的主电源为所述旋翼2供电。即每个旋翼机架3延伸出的一端上设有旋翼电机1，旋翼2安装在旋翼电机1的输出轴上。旋翼电机1与电池4-3连接并由电池4-3供电。所述导轨4-2底部连接着铜柱4-6，用于支撑导轨4-2及调节高度。所述重心调节装置4还包括丝杠支架4-5、安装在丝杠支架4-5上的丝杠4-4、丝杠4-4上的滑块4-7。所述滑块4-7安装在电池固定板4-8下方。丝杠4-4被调节电机4-1驱动而转动。滑块4-7通过丝杠4-4的转动带动电池固定板4-8在导轨4-2上移动。虽然现有技术中的旋翼飞行机器人也需要设置重心调节装置实时调整重心以稳定飞行姿态，但是本实施方式中，创新性地使用电池作为配重来调节飞行机器人的重心，不需要再设置专门的配重，不但精简了结构同时有利于机器人空间利用，更加有利于整体结构的小型化。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其他各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种旋翼飞行机器人，包括飞行器壳体、位于飞行器壳体侧面并向外侧延伸的数个安装有旋翼的旋翼机架，其特征在于：所述飞行器壳体下方安装有自飞行器壳体下底板向下延伸的柔性作业机械臂；该柔性作业机械臂包括若干定位支架、数个柔性绳和末端执行器基座；每个定位支架上均具有与柔性绳数量相同的数个定位通孔供数个柔性绳穿过，若干定位支架沿柔性绳延伸方向等间距布置；末端执行器基座固定在柔性绳向下延伸的末端；所述壳体内设有若干与柔性绳一一对应的绳驱动装置，该绳驱动装置包括驱动电机、与驱动电机输出轴连接的电机输出轮，所述柔性绳缠绕在对应的电机输出轮上，驱动电机带动电机输出轮转动而驱动柔性绳向下移动或向上移动。
2.根据权利要求1所述的旋翼飞行机器人，其特征在于：所述飞行器壳体上或者飞行器壳体内部安装有重心调节装置；该重心调节装置包括两条平行的导轨、承载在两条导轨上的电池固定板、固定在电池固定板上方的电池、驱动电池固定板在导轨上移动的调节电机；该电池为所述旋翼供电。
3.根据权利要求2所述的旋翼飞行机器人，其特征在于：所述重心调节装置还包括丝杠支架、安装在丝杠支架上的丝杠、丝杠上的滑块；所述滑块安装在电池固定板下方，丝杠被调节电机驱动而转动，滑块通过丝杠的转动带动电池固定板在导轨上移动。
4.根据权利要求2或3所述的旋翼飞行机器人，其特征在于：每个旋翼机架延伸出的一端上设有旋翼电机，旋翼安装在旋翼电机的输出轴上，旋翼电机与电池连接并由电池供电。
5.根据权利要求1所述的旋翼飞行机器人，其特征在于：所述电机输出轮表面有螺旋凹槽，用于固定柔性绳。
6.根据权利要求1或5所述的旋翼飞行机器人，其特征在于：还包括张紧装置，张紧装置安装在飞行器壳体内部的下底板上，包括张紧架、张紧轮；所述张紧架顶部有一U型凹槽，用于固定张紧轮并与张紧轮铰接，柔性绳自电机输出轮延伸出并与张紧轮接触弯折后再向飞行器壳体下方延伸出。
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