CN111962947B - 无人机载荷自动装填系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请揭示了一种无人机载荷自动装填系统及方法，该系统包括舱体、载荷传送装置、搬运机械臂、升降台和夹持机构，其中：所述夹持机构将所述无人机存储空间内的无人机夹持放置于所述升降台上；所述升降台被配置为将所述无人机顶升至所述舱体的上层箱体内；所述载荷传送装置上承载有待装填的载荷，被配置为将待装填的载荷传送至所述搬运机械臂位置处；所述搬运机械臂从所述载荷传送装置的输出端部上拾取待装填的载荷，并安装在所述升降台承载的无人机的下端。本申请通过实现无人机载荷的自动装载以及无人机的自动升降，减少了消防人员的参与，减少了载荷更换时间，具备功能多样化、自动化程度高以及处置迅速等优势特点。

Description

无人机载荷自动装填系统及方法

技术领域

本发明属于消防无人机自动装填机库领域，涉及一种无人机载荷自动装填系统及方法。

背景技术

随着经济和技术的发展，高层建筑和超高层建筑也不断挑战高度的极限。与此同时，针对城市高层建筑火灾的消防装备也有了长足发展。消防无人机作为一种新型的消防救援手段，搭载各类消防装备(灭火弹、灭火罐等)具有快速机动性强，飞行高度不受限的特点，逐步成为研发和应用热点。

在火灾现场的应急处置中，无人机通过各种方式运送到达火场附近，通过开箱组装以及飞行调试之后，才能起飞执行消防任务，且消防无人机单次执行完任务后，需人工进行载荷的更换，操作相对不变，并且相对比较费时，直接降低了救援效率，对城市火灾的消防救援带来一定不利影响。此外，现有的消防无人机电池续航能力有限，带动大负载运行时间一般仅为20分钟左右，无法保证持续不间断作业，现场通过人员更换，造成系统自动化水平较低，严重影响救援效能。

发明内容

为了解决相关技术中因在火灾救援现场需人工多次更换无人机装载，导致救援效率低下的问题，本申请提供了一种无人机载荷自动装填系统及方法。具体技术方案如下：

第一方面，本申请提供了一种无人机载荷自动装填系统，包括舱体、载荷传送装置、搬运机械臂、升降台和夹持机构，其中：

所述载荷传送装置和所述搬运机械臂安装于所述舱体的上层箱体内，所述夹持机构位于所述舱体的下层箱体内，所述搬运机械臂和所述升降台位于所述载荷传送装置的输出端部，所述舱体的下层箱体内且位于所述载荷传送装置下方的空间为无人机存储空间；

所述夹持机构将所述无人机存储空间内的无人机夹持放置于所述升降台上；

所述升降台被配置为将所述无人机顶升至所述舱体的上层箱体内；

所述载荷传送装置上承载有待装填的载荷，被配置为将待装填的载荷传送至所述搬运机械臂位置处；

所述搬运机械臂从所述载荷传送装置的输出端部上拾取待装填的载荷，并安装在所述升降台承载的无人机的下端。

可选的，所述载荷传送装置包括第一传送装置和第二传送装置，所述第一传送装置上承载有待装填载荷，所述第二传送装置被配置为承接从无人机下端卸载的待替换载荷。

可选的，所述载荷传送装置通过支腿固定于所述舱体的上层箱体内，所述第一传送装置和所述第二传送装置均采用倍速链装置以实现步进。

可选的，所述升降台的承载面在所述舱体的下层箱体的底板和所述舱体的上层箱体的顶板之间往复运动。

可选的，所述舱体的上层箱体的顶层且位于所述升降台的正方处设置有舱门，所述舱门打开，所述升降台经所述舱门将无人机顶升至所述舱体外，所述无人机起飞。

可选的，所述升降台为剪刀式升降装置。

可选的，所述搬运机械臂包括Z轴机械臂、第一关节机械臂、第二关节机械臂以及末端执行器，其中：

所述Z轴机械臂竖向设置，所述第一关节机械臂滑动安装于所述Z轴机械臂上并沿着所述Z轴机械臂上下运动；

所述第二关节机械臂通过传动装置安装于所述第一关节机械臂，并绕着所述第一关节机械臂旋转运动；

所述末端执行器安装于所述第二关节机械臂，并绕着所述第二关节机械臂旋转运动。

可选的，所述末端执行器包括两个相对设置的电动卡爪，两个电动卡爪被配置为抓取载荷。

可选的，所述无人机载荷自动装填系统还包括控制柜和发电机，所述控制柜和所述发电机均安装于所述舱体上；

所述发电机与所述控制柜、所述载荷传送装置、所述搬运机械臂、所述升降台和所述夹持机构均电性连接以提供电能，所述控制柜对所述载荷传送装置、所述搬运机械臂、所述升降台和所述夹持机构进行控制。

第二方面，本申请还提供了一种无人机载荷自动装填方法，采用如第一方面以及第一方面各种可选方式中提供的无人机载荷自动装填系统，所述无人机载荷自动装填方法包括：

控制所述夹持机构将所述无人机存储空间内的无人机夹持放置于所述升降台上；

控制所述升降台将所述无人机顶升至所述舱体的上层箱体内；

控制所述载荷传送装置将待装填的载荷传送至所述搬运机械臂位置处；

控制所述搬运机械臂从所述载荷传送装置的输出端部上拾取待装填的载荷，并安装在所述升降台承载的无人机的下端。

可选的，所述方法还包括：

控制所述升降台从所述舱体第一箱体顶板下降，以将承接的无人机运动至所述第一箱体内；

控制所述搬运机械臂在所述无人机内装载下端接取卸载的载荷，并将卸载的载荷放置于所述载荷传送装置的第二传送装置上；

控制所述第二传送装置将下载的载荷传送至载荷回收位。

可选的，所述控制所述搬运机械臂从所述载荷传送装置的输出端部上拾取待装填的载荷，并安装在所述升降台承载的无人机的下端之后，所述方法还包括：

控制所述升降台将所述无人机顶升至所述上层箱体的顶板舱门处，打开舱门，所述无人机起飞。

本申请至少可以实现如下有益效果：

通过实现无人机载荷的自动装载以及无人机的自动升降，减少了消防人员的参与，减少了载荷更换时间，具备功能多样化、自动化程度高以及处置迅速等优势特点。

载荷自动装填装置采用上下两层的结构形式，极大提高了舱体的空间利用率，可实现两架无人机进行作业，进行载荷的自动更换，效能更高更快。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本申请一个实施例中提供的无人机载荷自动装填系统的结构示意图；

图2是本申请一个实施例中提供的搬运机械臂的结构示意图；

图3是本申请一个实施例中提供的无人机载荷自动装填方法的方法流程图；

图4是本申请一个实施例中提供的在卸载载荷时的方法流程图。

其中，附图标记如下：

1、舱体；2、载荷传送装置；3载荷；4、搬运机械臂；41、Z轴机械臂；42、第一关节机械臂；43、第二关节机械臂；44末端执行器；5、升降台；6、夹持机构；7、无人机；8、发电机；9、控制柜。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

针对目前消防无人机载车领域，缺少一种专门用于搭载消防无人机和多种消防载荷的消防运载装置，或者部分运载装置具备搭载小型消防无人机的能力但是自动化程度低的难题，发明一种可进行载荷自动装填以及无人机自动起降的全自动无人机载消防车。本申请提供的多功能消防车采用全自动的机构系统和控制方法，实现消防载荷的全自动更换和电池的自动更换，提高系统的自动化程度，减少消防人员的参与，提供系统救援效率。此外，无人机可实现自动起飞和降落，减少对操作人员的技术要求和依赖，多架无人机可循环交替工作。整个系统展开速度快、功能齐全完备，作为系统级应用，将大大提高城市环境下的高层楼宇火灾的处置救援效能。

针对目前消防无人机载荷往往需要人工更换，缺少专门的设备针对无人机载荷进行自动更换和对无人机进行容纳，以及自动放飞，本申请提供的一种大载重消防无人机的载荷自动装填系统，该系统具备无人机自动起降和无人机挂载载荷自动更换的功能，实现消防载荷的全自动更换和电池的自动更换，提高系统的自动化程度，减少消防人员的参与，提高系统救援效率。整个系统展开速度快、功能齐全完备，作为系统级应用，将大大提高消防无人机现场处置效率。下面结合图1-图2对本申请提供的无人机载荷自动装填系统的结构进行解释说明。

图1是本申请一个实施例中提供的无人机载荷自动装填系统的结构示意图，本申请提供的无人机载荷自动装填系统可以包括舱体1，舱体1包括上层箱体和下层箱体。

无人机载荷自动装填系统还可以包括控制柜9和发电机8，控制柜9和发电机8均安装于舱体1上。

无人机载荷自动装填系统还可以包括载荷传送装置2、搬运机械臂4、升降台5和夹持机构6。发电机8与控制柜9、载荷传送装置2、搬运机械臂4、升降台5和夹持机构6均电性连接以提供电能，控制柜9对载荷传送装置2、搬运机械臂4、升降台5和夹持机构6进行控制。

在实际实现时，载荷传送装置2和搬运机械臂4安装于舱体1的上层箱体内，夹持机构6位于舱体1的下层箱体内，搬运机械臂4和升降台5位于载荷传送装置2的输出端部。

升降台5被配置为将无人机7顶升至舱体1的上层箱体内。可选的，舱体1的上层箱体和下层箱体在一端部上下打通，以供升降台5实现升降动作。

舱体1的下层箱体内且位于载荷传送装置2下方的空间为无人机存储空间，无人机存储空间预先存储有大载重型的至少一个无人机7，夹持机构6可以将无人机存储空间内的无人机7夹持放置于升降台5上。通过将大载荷消防无人机存储于舱体的下层箱体内，从而降低了大载荷消防无人机对舱体的损坏，提高舱体的使用寿命。

可选的，夹持机构6可以选用二自由度夹持机构，即夹持机构6可以实现在水平方向的横移动作以及竖直方向的升降动作。在实际实现时，夹持机构6可以将大载重无人机7夹持至升降台5台面上。

载荷传送装置2通过支腿固定于舱体1的上层箱体内，载荷传送装置2上承载有待装填的载荷3，被配置为将待装填的载荷3传送至搬运机械臂4位置处。

在消防无人机载荷自动装载系统中，载荷3可以包括消防用的灭火弹、灭火罐以及无人机电池中的至少一种。

为了方便实现载荷的上料和回收，载荷传送装置2包括第一传送装置和第二传送装置，第一传送装置上承载有待装填载荷3，第二传送装置被配置为承接从无人机7下端卸载的待替换载荷3。

在一种可能的实现方式中，第一传送装置上预先存储有至少一个待装填的载荷3，优选的，为了保证载荷3的供给充足，第一传送装置上可以预先存满待装填的载荷3。而第二传送装置是为了将下载的载荷3进行回收，因此在初始化时，第二传送装置上一般为空余状态。

为了实现载荷3的上料和回收，第一传送装置和第二传送装置均可以采用倍速链装置以实现步进，从而将下一个待装填的载荷3运送至输出端，以便搬运机械臂4从载荷传送装置2的输出端部上拾取待装填的载荷3，并安装在升降台5承载的无人机7的下端；或者，将下一个待回收的载荷3运送至回收位。

为了实现将下层箱体内的无人机7放置于升降台5上、无人机7的载荷3自动装填以及无人机7的飞行，升降台5的承载面可以在舱体1的下层箱体的底板和舱体1的上层箱体的顶板之间往复运动。

可选的，升降台5为剪刀式升降装置。

通常，舱体1的上层箱体的顶层且位于升降台5的正方处设置有舱门，舱门打开，升降台5经舱门将无人机7顶升至舱体1外，无人机7起飞。

在一种可能的实现方式中，请参见图2所示，其是本申请一个实施例中提供的搬运机械臂的结构示意图，搬运机械臂4可以为三自由度机械臂，也即搬运机械臂4可以包括Z轴机械臂41、第一关节机械臂42、第二关节机械臂43以及末端执行器44。

Z轴机械臂41竖向设置，第一关节机械臂42滑动安装于Z轴机械臂41上并沿着Z轴机械臂41上下运动；

第二关节机械臂43通过传动装置安装于第一关节机械臂42，并绕着第一关节机械臂42旋转运动。

末端执行器44安装于第二关节机械臂43，并绕着第二关节机械臂43旋转运动。

可选的，末端执行器44包括两个相对设置的电动卡爪，两个电动卡爪被配置为抓取载荷3。

也就是说，搬运机械臂4主要包括Z轴机械臂41、第一关节机械臂42、第二关节机械臂43以及末端执行器44，Z轴机械臂41实现的是第一关节机械臂42、第二关节机械臂43和末端执行器44的上下运动，主要基于伺服电机，减速器以及滚珠丝杠的传动系统。第一关节机械臂42通过电机，减速器以及同步带的传动形式，实现的是第二关节43和末端执行器44围绕第一关节的旋转运动。第二关节机械臂43通过电机，减速器以及同步带的传动形式，实现的末端执行器44围绕第二关节43的旋转运动。末端执行器44采用的是二指电动卡爪，卡爪可自动抓取载荷，实现新载荷从载荷传送装置2上移动至无人机下端，实现废载荷从无人机下端移动至载荷传送装置2上。

通过上述结构，本申请提供的系统的工作流程如下：

1)、控制柜9接收到外界的展开工作指令，夹持机构6将已经提前挂载好新载荷的大载荷无人机7夹紧，水平夹持无人机7运送至升降台5之上；

2)、升降台5带动无人机7上升，直至到达舱体1的顶部，无人机7带载荷自动起飞执行消防任务；

3)、执行完任务的消防无人机7降落至已经提前上升至车顶的升降台5，升降台5带动无人机7下降至舱体1的上层空间；

4)、搬运机械臂4通过末端执行器44将废载荷从无人机下端取下，夹持载荷放置载荷传送装置2的空余线上，载荷传送装置2通过倍速链带动载荷移动至另外一端进行回收；

5)、另外一条装满新载荷的载荷传送装置2，通过倍速链将新载荷朝机械臂所在方向运动一段距离，搬运机械臂4通过末端执行器44将废载荷从载荷传送装置2上取下，夹持载荷放置无人机下端，并通过电磁弹簧销夹紧载荷；

6)、升降台5带动已经更换完载荷的无人机上升至舱体1顶部，大载荷消防无人机7再次起飞；

7)、执行完任务的大载荷消防无人机7降落至已经提前上升至车顶的升降台5，重复步骤4和步骤5，完成新载荷的自动装填之后，升降台5直接降至舱体1的下层空间，二自由度夹持机构直接将无人机卡住，直接水平移动送至原位，系统撤收完成。

综上所述，本身提供的无人机载荷自动填装系统，通过实现无人机载荷的自动装载以及无人机的自动升降，减少了消防人员的参与，减少了载荷更换时间，具备功能多样化、自动化程度高以及处置迅速等优势特点。

载荷自动装填装置采用上下两层的结构形式，极大提高了舱体的空间利用率，可实现两架无人机进行作业，进行载荷的自动更换，效能更高更快。

通过将大载荷消防无人机存储于舱体的下层箱体内，从而降低了大载荷消防无人机对舱体的损坏，提高舱体的使用寿命。

采用上述系统结构，本申请还提供了一种无人机载荷自动填装方法，采用如图1-图2中所示的无人机载荷自动装填系统，该无人机载荷自动填装方法可以通过软件、硬件或软硬件结合的方式实现，比如可以通过控制模块实现，该控制模块与无人机载荷自动填装系统中的相关部件电性连接，并控制各部件执行相应动作。

如图3所示，其是本申请一个实施例中提供的无人机载荷自动装填方法的方法流程图，本申请提供的无人机载荷自动填装方法可以包括如下步骤：

步骤S1、控制所述夹持机构将所述无人机存储空间内的无人机夹持放置于所述升降台上；

步骤S2、控制所述升降台将所述无人机顶升至所述舱体的上层箱体内；

步骤S3、控制所述载荷传送装置将待装填的载荷传送至所述搬运机械臂位置处；

步骤S4、控制所述搬运机械臂从所述载荷传送装置的输出端部上拾取待装填的载荷，并安装在所述升降台承载的无人机的下端。

可选的，在步骤S4之后，本申请提供的无人机载荷自动填装方法还包括：控制所述升降台将所述无人机顶升至所述上层箱体的顶板舱门处，打开舱门，所述无人机起飞。

在卸载载荷时，请参见图4所示，其是本申请提供的在卸载载荷时的方法流程图，本申请提供的无人机载荷自动填装方法还包括如下步骤：

步骤S5、控制所述升降台从所述舱体第一箱体顶板下降，以将承接的无人机运动至所述第一箱体内；

步骤S6、控制所述搬运机械臂在所述无人机内装载下端接取卸载的载荷，并将卸载的载荷放置于所述载荷传送装置的第二传送装置上；

步骤S7、控制所述第二传送装置将下载的载荷传送至载荷回收位。

综上所述，本身提供的无人机载荷自动填装方法，通过实现无人机载荷的自动装载以及无人机的自动升降，减少了消防人员的参与，减少了载荷更换时间，具备功能多样化、自动化程度高以及处置迅速等优势特点。

载荷自动装填装置采用上下两层的结构形式，极大提高了舱体的空间利用率，可实现两架无人机进行作业，进行载荷的自动更换，效能更高更快。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种无人机载荷自动装填系统，其特征在于，所述无人机载荷自动装填系统包括舱体、载荷传送装置、搬运机械臂、升降台和夹持机构，其中：

所述载荷传送装置和所述搬运机械臂安装于所述舱体的上层箱体内，所述夹持机构位于所述舱体的下层箱体内，所述搬运机械臂和所述升降台位于所述载荷传送装置的输出端部，所述舱体的下层箱体内且位于所述载荷传送装置下方的空间为无人机存储空间；所述无人机储存空间预先储存有至少一个无人机；

所述夹持机构将所述无人机存储空间内的无人机夹持放置于所述升降台上；

所述升降台被配置为将所述无人机顶升至所述舱体的上层箱体内；

所述载荷传送装置上承载有待装填的载荷，被配置为将待装填的载荷传送至所述搬运机械臂位置处；其中，所述载荷传送装置包括第一传送装置和第二传送装置，所述第一传送装置上承载有待装填载荷，所述第二传送装置被配置为承接从无人机下端卸载的待替换载荷；所述载荷包括消防用的灭火弹、灭火罐以及无人机电池中的至少一种；

所述搬运机械臂从所述载荷传送装置的输出端部上拾取待装填的载荷，并安装在所述升降台承载的无人机的下端，在无人机装填载荷后所述升降台带动无人机顶升至所述舱体外；所述搬运机械臂包括Z轴机械臂、第一关节机械臂、第二关节机械臂以及末端执行器，其中：所述Z轴机械臂竖向设置，所述第一关节机械臂滑动安装于所述Z轴机械臂上并沿着所述Z轴机械臂上下运动；所述第二关节机械臂通过传动装置安装于所述第一关节机械臂，并绕着所述第一关节机械臂旋转运动；所述末端执行器安装于所述第二关节机械臂，并绕着所述第二关节机械臂旋转运动。

2.根据权利要求1所述的无人机载荷自动装填系统，其特征在于，所述载荷传送装置通过支腿固定于所述舱体的上层箱体内，所述第一传送装置和所述第二传送装置均采用倍速链装置以实现步进。

3.根据权利要求1所述的无人机载荷自动装填系统，其特征在于，所述升降台的承载面在所述舱体的下层箱体的底板和所述舱体的上层箱体的顶板之间往复运动。

4.根据权利要求1所述的无人机载荷自动装填系统，其特征在于，所述舱体的上层箱体的顶层且位于所述升降台的正方处设置有舱门，所述舱门打开，所述升降台经所述舱门将无人机顶升至所述舱体外，所述无人机起飞。

5.根据权利要求1所述的无人机载荷自动装填系统，其特征在于，所述末端执行器包括两个相对设置的电动卡爪，两个电动卡爪被配置为抓取载荷。

6.根据权利要求1-5中任一所述的无人机载荷自动装填系统，其特征在于，所述无人机载荷自动装填系统还包括控制柜和发电机，所述控制柜和所述发电机均安装于所述舱体上；

所述发电机与所述控制柜、所述载荷传送装置、所述搬运机械臂、所述升降台和所述夹持机构均电性连接以提供电能，所述控制柜对所述载荷传送装置、所述搬运机械臂、所述升降台和所述夹持机构进行控制。

7.一种无人机载荷自动装填方法，其特征在于，采用如权利要求1-6中任一所述的无人机载荷自动装填系统，所述无人机载荷自动装填方法包括：

控制所述夹持机构将所述无人机存储空间内的无人机夹持放置于所述升降台上；

控制所述升降台将所述无人机顶升至所述舱体的上层箱体内；

控制所述载荷传送装置将待装填的载荷传送至所述搬运机械臂位置处；

控制所述搬运机械臂从所述载荷传送装置的输出端部上拾取待装填的载荷，并安装在所述升降台承载的无人机的下端；

所述方法还包括：

控制所述升降台从所述舱体第一箱体顶板下降，以将承接的无人机运动至所述第一箱体内；

控制所述搬运机械臂在所述无人机内装载下端接取卸载的载荷，并将卸载的载荷放置于所述载荷传送装置的第二传送装置上；

控制所述第二传送装置将下载的载荷传送至载荷回收位。

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