CN112172595B - 基于并联机构的无人机电池更换基站及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于并联机构的无人机电池更换基站及方法，其包括操作手、固定手和折展平台，操作手为混联结构，包括二指机械爪、2RPURRPS并联机器人和能旋转剪叉式升降台；固定手包括丝杠滑块、固定手抓取手爪、升降电缸和L型安装板；折展平台为安装基准，采用剪叉式结构，包括箱体、丝杠滑板、升降台和左右滑台。其中，操作手与固定手协作完成电池的更换动作；而升降台工作时，电机二驱动带动丝杠使连杆将升降台沿着滑轨抬升或降落，使升降台升起或左右滑台折叠，满足无人机降落需要或使空间极简。本装置采用可折展结构，可减小基站的放置尺寸，增加使用的灵活性，操作手具有更高的精度和刚度，提高了更换电池过程的稳定性。

Description

基于并联机构的无人机电池更换基站及方法

技术领域

本发明涉及无人机基站，具体涉及一种能够对电池布置在机身两侧的无人 机进行电池更换的基于并联机构的无人机电池更换基站及方法。

背景技术

随着无人机技术的不断发展，长续航、自动化、定点巡航的无人机已经面 市，并广泛应用于公共管理方面，警用、测绘、环境保护、科学研究和灾害预 防管理等方面。在指定区域设立能够为无人机更换电池的基站，能够进一步扩 大无人机的飞行半径，以适应大范围、长距离的巡航检测。这类无人机通常体 积较大，机身配置多块电池，电池重量较重，且通常布置于机身两侧。目前市 面上已出现一些能够实现更换电池功能的无人机地面基站，但还暂无针对电池 布置在机身两侧的无人机型号进行更换电池的无人机基站。

并联机构英文名为ParallelMcehainsm,简称PM，能够定义为动平台和定平 台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以 并联方式驱动的一种闭环机构。并联机构无累积误差，精度较高；驱动装置可 置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应 好；结构紧凑，刚度高，承载能力大。在无人机更换电池的运动空间条件下， 具有一定的优势。

发明内容

本发明提供一种基于并联机构的无人机电池更换基站及方法，采用双机械 手协同作业方法，总体结构包括操作手、固定手和折展平台三部分。其中，所 述折展平台为操作手、固定手安装基准。

一种基于并联机构的无人机电池更换基站，其包括操作手、固定手和折展 平台，所述折展平台为操作手和固定手的安装基准，操作手与固定手之间能够 协同工作；所述操作手采用混联结构，其包括二指机械爪、2RPURRPS并联 机器人和能旋转剪叉式升降台，所述二指机械爪固定在2RPURRPS并联机器 人的动平台上，能随动平台做四自由度运动，所述2RPURRPS并联机器人固 定在能旋转剪叉式升降台上，并能随其做升降和旋转运动；所述2RPURRPS 并联机构包括动平台、静平台以及三条支链，所述三条支链包括一条上支链和两条支腿，所述上支链为RRPS结构，所述上支链与静平台之间通过转动副R 连接，所述上支链与动平台通过球铰S连接，两条支腿均为RPU支链，支腿 和静平台之间通过转动铰链R连接，支腿和动平台之间通过虎克铰U连接， 上支链和支腿上均设置有移动副P；所述固定手包括丝杠滑块、固定手抓取手 爪、升降电缸和L型安装板，所述固定手抓取手爪与所述升降电缸通过手爪 支撑板和横杆固定连接且与所述L型安装板的竖直两侧柱通过导轨滑块连接， 所述升降电缸的电缸杆连接在横杆上，横杆在L型安装板上借助于导轨滑块 进行移动，在升降电缸伸缩范围内固定手能够进行任意上下移动,所述L型安 装板与底部的丝杠滑块连接，固定手底部的第一电机驱动丝杠正反向旋转来实 现固定手抓取手爪的前后移动；所述折展平台采用剪叉式结构，其包括箱体、 丝杠滑板、升降台、左滑台和右滑台，丝杠滑板布置在箱体内，能够通过电机 二驱动带动左右滑台的左右移动和升降台的升降；所述折展平台所采用的剪叉 式结构由交叉成X型的支撑杆形成，箱体底座上固定安装有两根平行的导轨 用于控制箱体的移动方向，左右共四个滑块安装在导轨上；在两导轨中间用三个平板对箱体内的长丝杠进行固定，滑块平台和同步带轮分别与长丝杠连接； 采用电机二驱动同步带使丝杠做水平运动，在滑块平台带动下使滑块在导轨上 左右移动；同时滑块平台与升降台连接的连杆进行伸展和折叠，实现升降台的 升降；升降台与左右滑台分别利用两个支撑杆连接，且在升降台的两侧与箱体 设有竖直的滑轨。

优选地，所述二指机械爪为平行四杆机构，通过第三电机带动移动螺母前 后运动，移动螺母与两侧平行四杆机构连接，带动连杆转动，实现操作手的抓 取动作。

优选地，通过驱动三条支链上的移动副P和RRPS分支的第一个转动副R， 使并联机构实现沿X轴和Y轴的两个移动自由度以及绕Y轴和Z轴的两个转 动自由度。

优选地，所述能旋转剪叉式升降台包括剪叉式升降台与转盘轴承两部分， 剪叉式升降台通过第四电机驱动剪刀叉结构中的一侧前后运动实现升降，转盘 轴承分别与剪叉式升降台下平台和底部折展平台连接，转盘轴承驱动第五电机 固定在剪叉式升降台下平台上，并连有一个与转盘轴承外齿廓相啮合的齿轮， 通过驱动齿轮旋转，带动能旋转剪叉式升降台的整体旋转。

优选地，所述固定手中的固定手抓取手爪由第六电机驱动手臂，手臂上连 接2个手爪转杆用于分别控制手爪固定住无人机；在每个手爪转杆上连接一个 推指转杆，推指转杆能够控制推指将无人机的电池从槽中推出，方便换取。

本发明的另一方面提供一种根据前述基于并联机构的无人机电池更换基 站的电池更换方法，其包括以下步骤：

S1、无人机降落前操作手、固定手和折展平台都处于初始位置；

S2、当无人机要降落时，升降台工作，电机二驱动带动丝杠滑板通过X 型的支撑杆将升降台沿着滑轨向上抬升，同时通过连杆将左滑台、右滑台分别 向推向两侧，使升降台能够顺利升起，无人机降落；无人机降落后，操作手旋 转90°转向与无人机正对方向；

S3、操作手末端二指机械爪张开夹住无人机调整无人机的位置；

S4、固定手向前移动，末端固定手抓取手爪夹紧无人机并调整至合适位置 固定无人机；

S5、操作手末端二指机械爪与无人机末端电池旋转锁接触，在并联平台及 能旋转剪叉式升降台带动运动下，将无人机电池旋转锁解锁；

S6、固定手抓取手爪末端的推指将电池推出，操作手末端二指机械爪抓紧 电池将电池取出；

S7、操作手将电池取出后，在能旋转剪叉式升降台底部转盘轴承的作用下 旋转90°至正对电池箱的位置；

S8、在剪叉式升降台工作下，操作手上下移动并配合并联机器人的运动， 将待充电电池放入电池箱中并抓取出满电电池；

S9、操作手再次旋转至正对无人机的位置，将满电电池插入电池槽中并关 闭电池锁；

S10、完成电池更换之后固定手和操作手均回到初始位置；

S11、无人机完成电池更换之后飞离；以及

S12、无人机离开后，折展平台在剪叉装置的作用下回到初始位置，完成 一次电池更换工作过程。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)能够为相关型号的无人机更换动力源，增加无人机续航能力；

(2)本发明操作手采用混联结构，操作手主体采用2RPURRPS并联机构， 相较于传统的串联机器人具有更高的精度和刚度，提高了更换电池过程的稳定 性；

(3)本发明采用双机械手协同作业方法，利用固定手结构为无人机提供 主动固定，提高更换电池过程的安全性；

(4)本发明采用可折展结构，可减小放置尺寸，增加使用的灵活性。

附图说明

图1为本发明无人机降落后的整体效果图；

图2为本发明无人机降落前的整体效果图；

图3为本发明操作手的结构示意图；

图4为本发明二指机械爪的结构示意图；

图5为本发明并联机器人的主视图；

图6为本发明能旋转剪叉式升降台图的结构示意图；

图7为本发明3RRPS分支结构示意图；

图8为本发明RPU分支结构示意图；

图9为图5的AA向剖视图；

图10为本发明固定手的结构示意图；

图11为本发明固定手抓取手爪图；

图12为本发明大平台的结构示意图；

图13为本发明手爪上下支撑的结构示意图；

图14为本发明丝杠滑块的结构示意图；

图15(a)为折展平台图的立体图；

图15(b)为折展平台图的俯视图；以及

图15(c)为折展平台图的剖视图。

部分附图标记如下：

10操作手，20固定手，30折展平台，40无人机，50电池箱；

1010二指机械爪，1020并联机器人，1030能旋转剪叉式升降台，

1011手指，1012手指底座，1013移动螺母，1014第三电机，1015爪片， 1016螺纹杆；1021静平台，1022动平台，1023RRPS分支，1024RPU分支； 1031剪叉式升降台，1032转盘轴承，10311连接圆杆，10312底架固定件，10313 折叠杆定位件，10314折叠杆，10315滑块连接件；

10231球副，10232第一电缸，10233第一电缸转动支架，10234第一转轴， 10235第一铜套；10241第二电缸，10242万向铰U，10243第二转轴，10244 第二铜套，10245第二电缸转动支架；10211小电机，10212小电机支架，10213 联轴器，10214小电机盖板；

2010固定手抓取手爪，2020大平台，2030丝杠滑块；

20101手臂，20102右手爪，20103左手爪，20104推手，20105第六电机， 20106末端推指，20107手爪连接杆，20108舵机，20109推指连杆，201010 齿轮；2021L型安装板，2022手爪上下支撑；20221手爪支撑板，20222横杆， 20223导轨，20224升降电缸；2031底架，2032直线模组；

3010左滑台，3020右滑台，3030升降台，3040箱体，3050丝杠滑板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创 造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的为，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当 为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

下面结合附图与具体实施方式对本发明提出的基于并联机构的无人机电 池更换基站及检测装置作进一步详细说明。

本发明实施例的基于并联机构的无人机电池更换基站总体结构包括操作 手10、固定手20和折展平台30，操作手10与折展平台30中的左滑台3010 固定相连，固定手20与折展平台30中的右滑台3020固定相连。图1为本发 明无人机降落后整体效果图，图2为本发明无人机降落前整体效果图。

如图3所示，操作手10包括二指机械爪1010、并联机器人1020和能旋 转剪叉式升降台1030，并联机器人1020的构型为2RPURRPS。二指机械爪 1010与并联机器人动平台固定连接，并联机器人1020与能旋转剪叉式升降台 1030固定连接。如图4所示，二指机械爪由第三电机1014驱动且与手指底座 1012固连，手指底座1012又与两个手指1011连接，两个手指末端装有爪片 1015，两手指1011采用平行四杆机构原理与移动螺母1013连接，第三电机1014带动螺纹杆1016转动，移动螺母1013在螺纹杆的转动下前后移动使得 两手指1011转动实现二指机械爪的抓取动作。如图5所示，2RPURRPS并联 机器人包括静平台1021、动平台1022、RRPS分支1023和两个RPU分支1024， 并联机器人共有4个自由度，分别为沿X轴和Y轴的两个移动自由度以及绕 Y轴和Z轴的两个转动自由度。RRPS分支1023与静平台1021通过第一转轴 10234连接，与动平台1022通过球副10231连接；两个RPU分支1024与静 平台1021通过第二转轴10243连接，与动平台1022通过万向铰U10242连接。 如图7所示，RRPS分支包括球副10231、第一电缸10232、第一电缸转动支 架10233和第一转轴10234，实现分支期望自由度，第一转轴与静平台之间安 装有第一铜套10235，该分支自由度为空间内的三个转动自由度和沿分支方向 的移动自由度。如图8所示，RPU分支包括第二电缸10241、万向铰U10242、 第二转轴10243和第二电缸转动支架10245，第二转轴与静平台之间安装有第 二铜套10244，该分支自由度为沿Y轴和Z轴方向的转动自由度和沿分支方向 的移动自由度。如图9所示，静平台1021内安装有静平台小电机10211，电 机与联轴器10213之间由小电机支架10212连接，静平台小电机10211驱动与 RRPS分支1023的第一转轴10234连接实现RRPS分支的一个转动自由度， 静平台1021一侧安装有小电机盖板10214。如图6所示，能旋转剪叉式升降 台1030包括剪叉式升降台1031和转盘轴承1032。剪叉式升降台1031通过第 四电机驱动，使滑块连接件10315前后移动，从而带动折叠杆10314运动实现 升降动作，折叠杆10314连接处安装有折叠杆定位件10313，可使折叠杆安全 稳定的运动，底架固定件10312在上下底架出固定不动，剪叉升降台内部两侧 零件通过连接圆杆10311安装在一起，实现操作手10的整体上下移动，其底 部与转盘轴承1032连接，大齿轮固定，小齿轮在上端第五电机的驱动下转动， 实现整体的旋转，剪叉式升降台1031结构稳固，承载力强，便于维护，与转 盘轴承1032组合使用可更好的实现并联机器人的电池更换操作。

如图10所示，固定手20包括固定手抓取手爪2010、大平台2020和丝杠 滑块2030三部分。固定手抓取手爪2010通过手爪支撑板20221与大平台2020 连接，由升降电缸20224驱动，在升降电缸20224伸缩范围内可实现固定手抓 取手爪2010的沿安装在L型安装板2021的竖直两侧柱的导轨任意上下移动， 大平台2020的L型安装板2021的底部与丝杠滑块2030的四个滑块连接，四 个滑块对称分布在直线模组2032的两侧，使两侧负载平衡，实现大平台2020 的稳定移动，通过直线模组2032的第一电机驱动丝杠正反向旋转来实现固定 手20的前后移动。

如图11所示，固定手抓取手爪2010包括手臂20101、右手爪20102、左 手爪20103、推手20104、第六电机20105和末端推指20106六部分。右手爪 20102和左手爪20103通过手爪连接杆20107与手臂连接，内侧通过手爪转杆 与推手20104连接，由第六电机20105驱动，20104推动推手沿手臂20101导 向槽移动，在手爪转杆连接下使左右手爪在手爪连接杆20107上运动固定住无 人机40。右手爪20102和左手爪20103上分别连接一个末端推指20106，当固 定手抓取手爪2010夹紧固定无人机40后，由固定在手爪上的舵机20108驱动，通过齿轮201010传动控制推指连杆20109动作，使末端推指20106沿手爪移 动，将已经解锁的无人机40电池推出，使另一侧的1010机械爪实现抓取电池 的动作。

如图12、图13所示，大平台2020包括手爪上下支撑2022和L型安装板 2021。导轨20223固定在L型安装板2021的竖直两侧柱内侧，升降电缸20224 固定在L型安装板2021上，手爪支撑板20221与升降电缸20224通过横杆 20222连接，横杆20222安装导轨20223的滑块上。升降电缸20224通过横杆 与L型安装板2021两侧柱上的导轨滑块组合使用实现2010手爪稳定的上下 移动。

如图14所示，丝杠滑块2030包括底架2031与直线模组2032。直线模组 2032固定在底架2031上，L型安装板2021的底部与底架2031上的滑块连接， 直线模组2032的第一电机驱动丝杠正反向旋转，实现固定手的前后移动。

如图15所示，折展平台30包括左滑台3010、右滑台3020、升降台3030、 箱体3040和丝杠滑板3050。固定手20通过底架2031固定在左滑台3010上， 操作手10的转盘轴承1032固定在右滑台3020上。左滑台3010与右滑台3020 分别通过两连杆与升降台3030连接，并安装在箱体3040的横向滑槽内，实现 升降台上下移动时左右滑台的折展动作，减小尺寸。升降台3030通过交叉成 X型的支撑杆与丝杠滑板3050的滑块平台连接，X型支撑杆的设计结构简单， 运行可靠，与丝杠滑板的组合使用使得升降台的上下移动更加稳定。升降台 3030可沿箱体3040内测的滑轨上下移动。丝杠滑板3050固定在箱体3040底 部。丝杠滑板3050的电机二驱动同步带使丝杠做水平运动，在丝杠滑板3050 带动下使滑块在导轨上可左右移动。当无人机40飞离时，升降台3030在折展 平台30下，以减少工作空间。

更换电池步骤如下：

S1、无人机40降落前操作手10、固定手20和折展平台30都处于初始位 置；

S2、当无人机40要降落时，升降台3030工作，电机二驱动带动丝杠通过 X型的支撑杆将升降台3030沿着滑轨向上抬升，同时通过连杆将左滑台3010、 右滑台3020分别向推向两侧，使升降台3030能够顺利升起，无人机40降落； 无人机40降落后，操作手10旋转90°转向与无人机40正对方向；

S3、操作手10末端的二指机械爪1010张开夹住无人机40调整无人机40 的位置；

S4、固定手20向前移动，末端固定手抓取手爪2010夹紧无人机40并调 整至合适位置固定无人机40；

S5、操作手10末端的二指机械爪1010与无人机40末端电池旋转锁接触， 在并联平台及能旋转剪叉式升降台1030带动运动下，将无人机40电池旋转锁 解锁；

S6、固定手抓取手爪2010末端的推指将电池推出，二指机械爪1010抓紧 电池将电池取出；

S7、操作手10将电池取出后，在能旋转剪叉式升降台1030底部转盘轴承 的作用下旋转90°至正对电池箱50的位置；

S8、在剪叉式升降台1031工作下，操作手10上下移动并配合并联机器人 的运动，将待充电电池放入电池箱50中并抓取出满电电池；

S9、操作手10再次旋转至正对无人机40的位置，将满电电池插入电池槽 中并关闭电池锁；

S10、完成电池更换之后固定手20和操作手10均回到初始位置；

S11、无人机40完成电池更换之后飞离；以及

S12、无人机40离开后，折展平台30在剪叉装置的作用下回到初始位置， 完成一次电池更换工作过程。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定， 本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权 利要求书的保护范围。

以上所述各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参 照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应该理解： 其依然能对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技 术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本 发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于并联机构的无人机电池更换基站，其包括操作手、固定手和折展平台，其特征在于，所述折展平台为操作手和固定手的安装基准，操作手与固定手之间能够协同工作；

所述操作手采用混联结构，其包括二指机械爪、2RPURRPS并联机器人和能旋转剪叉式升降台，所述二指机械爪固定在2RPURRPS并联机器人的动平台上，能随动平台做四自由度运动，所述2RPURRPS并联机器人固定在能旋转剪叉式升降台上，并能随其做升降和旋转运动；

所述2RPURRPS并联机器人包括动平台、静平台以及三条支链，所述三条支链包括一条上支链和两条支腿，所述上支链为RRPS结构，所述上支链与静平台之间通过转动副R连接，所述上支链与动平台通过球铰S连接，两条支腿均为RPU支链，支腿和静平台之间通过转动铰链R连接，支腿和动平台之间通过虎克铰U连接，上支链和支腿上均设置有移动副P；

所述固定手包括丝杠滑块、固定手抓取手爪、升降电缸和L型安装板，所述固定手抓取手爪与所述升降电缸通过手爪支撑板和横杆固定连接且与所述L型安装板的竖直两侧柱通过导轨滑块连接，所述升降电缸的电缸杆连接在横杆上，横杆在L型安装板上借助于导轨滑块进行移动，在升降电缸伸缩范围内固定手能够进行任意上下移动, 所述L型安装板与底部的丝杠滑块连接，固定手底部的第一电机驱动丝杠正反向旋转来实现固定手抓取手爪的前后移动；

所述折展平台采用剪叉式结构，其包括箱体、丝杠滑板、升降台、左滑台和右滑台，丝杠滑板布置在箱体内，能够通过电机二驱动带动左右滑台的左右移动和升降台的升降；所述折展平台所采用的剪叉式结构由交叉成X型的支撑杆形成，箱体底座上固定安装有两根平行的导轨用于控制箱体的移动方向，左右共四个滑块安装在导轨上；在两导轨中间用三个平板对箱体内的长丝杠进行固定，滑块平台和同步带轮分别与长丝杠连接；采用电机二驱动同步带使丝杠做水平运动，在滑块平台带动下使滑块在导轨上左右移动；同时滑块平台与升降台连接的连杆进行伸展和折叠，实现升降台的升降；升降台与左右滑台分别利用两个支撑杆连接，且在升降台的两侧与箱体设有竖直的滑轨。

2.根据权利要求1所述的基于并联机构的无人机电池更换基站，其特征在于，所述二指机械爪为平行四杆机构，通过第三电机带动移动螺母前后运动，移动螺母与两侧平行四杆机构连接，带动连杆转动，实现操作手的抓取动作。

3.根据权利要求1所述的基于并联机构的无人机电池更换基站，其特征在于，通过驱动三条支链上的移动副P和RRPS分支的第一个转动副R，使并联机构实现沿X轴和Y轴的两个移动自由度以及绕Y轴和Z轴的两个转动自由度。

4.根据权利要求1所述的基于并联机构的无人机电池更换基站，其特征在于，所述能旋转剪叉式升降台包括剪叉式升降台与转盘轴承两部分，剪叉式升降台通过第四电机驱动剪刀叉结构中的一侧前后运动实现升降，转盘轴承分别与剪叉式升降台下平台和底部折展平台连接，转盘轴承驱动第五电机固定在剪叉式升降台下平台上，并连有一个与转盘轴承外齿廓相啮合的齿轮，通过驱动齿轮旋转，带动能旋转剪叉式升降台的整体旋转。

5.根据权利要求1所述的基于并联机构的无人机电池更换基站，其特征在于，所述固定手中的固定手抓取手爪由第六电机驱动手臂，手臂上连接2个手爪转杆用于分别控制手爪固定住无人机；在每个手爪转杆上连接一个推指转杆，推指转杆能够控制推指将无人机的电池从槽中推出，方便换取。

6.一种根据权利要求1-5之一所述的基于并联机构的无人机电池更换基站的电池更换方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、无人机降落前操作手、固定手和折展平台都处于初始位置；

S2、当无人机要降落时，升降台工作，电机二驱动带动丝杠滑板通过X型的支撑杆将升降台沿着滑轨向上抬升，同时通过连杆将左滑台、右滑台分别向推向两侧，使升降台能够顺利升起，无人机降落；无人机降落后，操作手旋转90°转向与无人机正对方向；

S3、操作手末端二指机械爪张开夹住无人机调整无人机的位置；

S4、固定手向前移动，末端固定手抓取手爪夹紧无人机并调整至预先设定位置固定无人机；

S5、操作手末端二指机械爪与无人机末端电池旋转锁接触，在并联平台及能旋转剪叉式升降台带动运动下，将无人机电池旋转锁解锁；

S6、固定手抓取手爪末端的推指将电池推出，操作手末端二指机械爪抓紧电池将电池取出；

S7、操作手将电池取出后，在能旋转剪叉式升降台底部转盘轴承的作用下旋转90°至正对电池箱的位置；

S8、在剪叉式升降台工作下，操作手上下移动并配合并联机器人的运动，将待充电电池放入电池箱中并抓取出满电电池；

S9、操作手再次旋转至正对无人机的位置，将满电电池插入电池槽中并关闭电池锁；

S10、完成电池更换之后固定手和操作手均回到初始位置；

S11、无人机完成电池更换之后飞离；以及

S12、无人机离开后，折展平台在剪叉装置的作用下回到初始位置，完成一次电池更换工作过程。

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