CN112389655B - 一种用于四旋翼无人机的机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于四旋翼无人机的机械臂，包括抓取部与依次铰接的第一连杆、第二连杆、第三连杆，抓取部设在第三连杆的尾端；第二连杆的转动平面与第三连杆的转动平面重合，且第三连杆的长度远小于第二连杆的长度，以实现抓取部抓取角度的粗调节与细调节；第一连杆与第二连杆的铰接处设有限位结构，以使得第一连杆与第二连杆之间的夹角最小为90°。使得四旋翼无人机利用四个相同的机械臂进行抓取物品，有利于抓取较长或者较大的物品，在抓取物品时可以利用机身底部的光电吊舱来观察抓取过程，并通过多个机械臂的协调，稳定被抓物品，同时调节无人机的重心，使其重心保持在飞行器的几何中心，有利于无人机飞行的稳定。

Description

一种用于四旋翼无人机的机械臂

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，具体是一种用于四旋翼无人机的机械臂。

背景技术

随着科技的发展，无人机的潜在应用对于各行业领域十分重要，其使用灵活、生存概率高、机载配置多样化、滞空时间长、操作灵活等优点得到充分地发挥。无人机在战场毁伤评估、物流运输、电力巡检、地质勘探、搜索救援、灾情监测、农业植保、航拍巡视、危险地区采样等方面发挥着重要的作用。

空中抓取机器人是近年来兴起的应用领域，例如在一些山地、河流、地震灾区等，对一些物品进行抓取工作时，往往会使工作人员面临一些不必要的危险。无人机搭载机械爪可以克服这一问题。无人机将机械爪带到指定位置进行工作，通过基于视觉的目标跟踪系统，可以出色完成对目标的抓取工作，同时可以降低危险发生的可能。

如今城市建筑复杂多样，道路、桥梁也是纵横交错，有些城市垃圾散落在一些人类不易达到的地点时，这些垃圾不清理会使得环境不雅观并可能造成污染。这样的情况下，可以利用搭载机械爪的无人机对这些不易到达地区的垃圾进行抓取，把他们统一回收。

如果在发生自然灾害和一些危险情况的时候，如果需要对现场的物品进行取样并带回的时候，一些形状规则适合抓取的物品可以采用机械爪进行现场抓取，因为操作简单、重量轻不但可以节省操作时间，而且容易上手。

然而现有技术中的机械爪存在诸多弊端，一般搭载机械臂的无人机，其起落架就会影响到机械臂的活动范围，而且一般机械臂的长度会大于起落架，所以起降时必须通过地面放置两个增高的台面来实现无人机的起降。例如专利号CN206679256U公开的飞行机械臂及无人机系统，其搭载机械臂较长，占据了起落架的位置，多旋翼飞行器的起降存在难度，不能按正常方式起降，同时单个机械臂在抓取长杆件，圆盘件或箱体时，不容易将物体固定，只能抓取体积较小的物品。再例如专利号CN108312137A公开的基于多关节机械臂的无人机着陆对接机构，其不仅机构复杂，控制难度增加，四旋翼的降落过程是很平稳的，付出太多成本在实现降落问题上，没有意义；而且在地面上设置着陆机构，无人机不能在其他位置着陆，限制了无人机的使用环境。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种用于四旋翼无人机的机械臂，使得四旋翼无人机的应用范围更广。

为实现上述目的，本发明提供一种用于四旋翼无人机的机械臂，包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、抓取部与驱动组件；

所述第一连杆的首端设有能够与无人机相连的连接结构，所述第二连杆的首端通过第一铰链铰接在第一连杆的尾端，所述第三连杆的首端通过第二铰链铰接在第二连杆的尾端，所述抓取部设在第三连杆的尾端；

所述第二连杆的转动平面与第三连杆的转动平面重合，且所述第三连杆的长度小于第二连杆的长度，以实现抓取部抓取角度的粗调节与细调节；

所述第一连杆与第二连杆的铰接处设有限位结构，以使得第一连杆与第二连杆之间的夹角最小为90°；

所述第二连杆、第三连杆、抓取部均与驱动组件传动相连。

在其中一个实施例中，所述限位结构包括依次相连的第一限位板、过渡板与第二限位板，所述第一限位板与第二限位板相互垂直；

所述第一限位板平行设在第一连杆与第二连杆中一个的侧面上，所述第二限位板在第一连杆与第二连杆之间的夹角为90°时平行抵接第一连杆与第二连杆中另一个的侧面。

在其中一个实施例中，所述第二连杆上设有起落架，当所述第一连杆与第二连杆之间的夹角为90°时，所述起落架竖直朝下。

在其中一个实施例中，所述起落架包括第四连杆与脚垫，所述第四连杆的首端连接在第二连杆上，所述脚垫连接在第四连杆的尾端上；

所述第四连杆的首端位于第二连杆上与第一铰链相邻且靠近第二连杆尾端的一侧的位置。

在其中一个实施例中，所述驱动组件包括：

第一舵机，设在第一连杆上且靠近第一连杆尾端的位置，所述第一舵机的输出端与第二连杆的首端传动相连，以驱动第二连杆转动；

第二舵机，设在第二连杆上且靠近第二连杆尾端的位置，所述第二舵机的输出端与第三连杆的首端传动相连，以驱动第三连杆转动；

第三舵机，设在抓取部上，以用于驱动抓取部的开合。

在其中一个实施例中，所述连接结构包括连接架与第五连杆，所述第五连杆的尾端与第一连杆的首端固定相连，所述第五连杆的首端与连接架转动相连；

所述驱动组件还包括设在连接架上的第四舵机，所述第四舵机的输出端与第五连杆的首端传动相连，以用于驱动第五连杆转动。

在其中一个实施例中，所述抓取部通过第六连杆与第三连杆的尾端相连；

所述第六连杆的尾端与抓取部固定相连，所述第六连杆的首端与第三连杆的尾端转动相连；

所述驱动组件还包括设在第三连杆上的第五舵机，所述第五舵机的输出端与第六连杆的首端传动相连，以用于驱动第六连杆转动。

相较于现有技术，本发明提供的一种用于四旋翼无人机的机械臂具有如下有益效果：

1、四旋翼飞行器搭载机械臂的同时，在机械臂上设计了起降机构，在具备抓取功能的同时，可以将机械臂固定并利用其进行正常的起飞和降落；

2、利用四个相同的机械臂进行抓取物品，有利于抓取较长或者较大的物品，在抓取物品时可以利用机身底部的光电吊舱来观察抓取过程，并通过多个机械臂的协调，稳定被抓物品，同时调节无人机的重心，使其重心保持在飞行器的几何中心，有利于无人机飞行的稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中第一连杆与第二连杆之间的夹角为180°时机械臂的轴测图；

图2为本发明实施例中第一连杆与第二连杆之间的夹角为180°时机械臂的侧视图；

图3为本发明实施例中第一连杆与第二连杆之间的夹角为90°时机械臂的轴测图；

图4为本发明实施例中第一连杆与第二连杆之间的夹角为90°时机械臂的侧视图；

图5为本发明实施例中限位结构的结构示意图；

图6为本发明实施例中抓取部的结构示意图；

图7为本发明实施例中第一连杆与第二连杆之间的夹角为180°时无人机的轴测图；

图8为本发明实施例中第一连杆与第二连杆之间的夹角为180°时无人机的侧视图；

图9为本发明实施例中第一连杆与第二连杆之间的夹角为90°时无人机的轴测图；

图10为本发明实施例中第一连杆与第二连杆之间的夹角为90°时无人机的侧视图；

图11为本发明实施例中第一种抓取方案时无人机的轴测图；

图12为本发明实施例中第二种抓取方案时无人机的轴测图。

附图标号：第一连杆1、第一舵机舱101、第二连杆2、第二舵机舱201、第三连杆3、抓取部4、固定架401、主动机械手402、从动机械手403、主动转轴404、从动转轴405、齿轮传动结构406、第六连杆407、限位结构5、第一限位板501、过渡板502、第二限位板503、起落架6、第四连杆601、脚垫602、第三舵机7、连接结构8、连接架801、第五连杆802、机身组件9、固定杆901、电机舱902、螺旋桨903、光电吊舱904、激光雷达905、待抓取物10。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1-2所示为本实施例所公开的一种用于四旋翼无人机的机械臂，其具体包括第一连杆1、第二连杆2、第三连杆3、抓取部4与驱动组件。具体地，第一连杆1的首端设有能够与无人机相连的连接结构8，第二连杆2的首端通过第一铰链铰接在第一连杆1的尾端，第三连杆3的首端通过第二铰链铰接在第二连杆2的尾端，抓取部4设在第三连杆3的尾端，其中，第二连杆2、第三连杆3、抓取部4均与驱动组件传动相连，使得第二连杆2在驱动组件的驱动下在第一连杆1的尾端转动、第三连杆3在驱动组件的驱动下在第二连杆2的尾端转动。以及抓取部4在驱动组件的驱动下完成抓取动作。

本实施例中，第二连杆2的转动平面与第三连杆3的转动平面重合，且第三连杆3的长度小于第二连杆2的长度，以实现抓取部4抓取角度的粗调节与细调节，例如，第三连杆3的长度为第二连杆2的长度1/20~1/10。进一步具体地，第一连杆1与第二连杆2的铰接处设有限位结构5，以使得第一连杆1与第二连杆2之间的夹角最小为90°，其中，限位结构5位于第二连杆2的内侧面上，进而可以在第二连杆2上设有起落架6，且当第一连杆1与第二连杆2之间的夹角为90°时，起落架6竖直朝下，即图3-4所示，进而使得四旋翼无人机在具备抓取功能的同时，可以将机械臂固定并利用其进行正常的起飞和降落。

参考图5，限位结构5包括第一限位板501、过渡板502与第二限位板503，且第一限位板501、过渡板502与第二限位板503依次相连并构成钩状结构，第一限位板501与第二限位板503相互垂直。其中，第一限位板501平行设在第一连杆1与第二连杆2中一个的侧面上，第二限位板503在第一连杆1与第二连杆2之间的夹角为90°时平行抵接第一连杆1与第二连杆2中另一个的侧面。具体到本实施例中，第一限位板501平行设在第二连杆2的内侧面上，第二限位板503在第一连杆1与第二连杆2之间的夹角为90°时平行抵接第一连杆1的内侧面。而第一限位板501与第二连杆2之间则可以通过螺栓连接或焊接或胶接的方式实现固定相连。

起落架6包括第四连杆601与脚垫602，第四连杆601的首端通过螺栓与法兰连接在第二连杆2的外侧面上，而脚垫602连接在第四连杆601的尾端上。优选地，第四连杆601的首端位于第二连杆2的外侧面上与第一铰链相邻且靠近第二连杆2尾端的一侧的位置，进而在无人机通过起落架6降落时，使得第二连杆2在第四连杆601的作用力下，具有一个继续向第一连杆1弯曲的趋势，从而使得限位结构可以将第一连杆1和第二连杆2卡住，进而使无人机的降落过程更加稳定。

本实施例中，驱动组件包括第一舵机、第二舵机与第三舵机7。第一连杆1上靠近尾端的位置设有第一舵机舱101，第一舵机设在第一舵机舱101内，第一舵机的输出端与第二连杆2的首端传动相连，以驱动第二连杆2转动；第二连杆2上靠近尾端的位置设有第二舵机舱201，第二舵机设在第二舵机舱201内，第二舵机的输出端与第三连杆3的首端传动相连，以驱动第三连杆3转动。第三舵机7设在抓取部4上，以用于驱动抓取部4的开合。

参考图6，抓取部4包括固定架401以及对向转动连接在固定架401上的主动机械手402与从动机械手403，第三舵机7设在固定架401上且通过主动转轴404与主动机械手402传动相连，而从动机械手403通过从动转轴405转动连接在固定架401上，且主动转轴404通过齿轮传动结构406与从动转轴405传动相连，进而通过第三舵机7驱动主动机械手402与从动机械手403对向转动，进而实现抓取部4的抓取与松开动作之间的切换。

本实施例中，连接结构8包括连接架801与第五连杆802，第五连杆802的尾端与第一连杆1的首端固定相连，第五连杆802的首端与连接架801转动相连。驱动组件还包括设在连接架801上的第四舵机，第四舵机的输出端与第五连杆802的首端传动相连，以用于驱动第五连杆802转动，进而带动第一连杆1转动。抓取部4通过第六连杆407与第三连杆3的尾端相连，第六连杆407的尾端与抓取部4固定相连，第六连杆407的首端与第三连杆3的尾端转动相连；驱动组件还包括设在第三连杆3上的第五舵机，第五舵机的输出端与第六连杆407的首端传动相连，以用于驱动第六连杆407转动，进而带动抓取部4转动。

从上述描述可知，本实施例中的抓取部4一共具有五个自由度，分别为偏转、一次俯仰、二次俯仰、滚转、抓取，其中，偏转通过第五舵机带动第一连杆1转动而实现，一次俯仰通过第一舵机带动第二连杆2转动而实现，二次俯仰通过第二舵机带动第三连杆3转动而实现，滚转通过第四舵机带动抓取部4旋转而实现，抓取通过第三舵机7带动两个弧形杆对向转动而实现。

如图7-8所示为本实施例所公开的一种上述机械臂的使用方法，即四旋翼无人机，包括机身组件9以及设在机身组件9上的四个升力组件，四个升力组件通过四个固定杆901呈十字结构的安装在机身组件9上，其中，机身组件9位于十字结构的中心位置。具体地，升力组件包括电机舱902以及设在电机舱902顶部的螺旋桨903，电机舱902内设有与螺旋桨903传动相连的电机；电机舱902的底部设有上述的用于四旋翼无人机的机械臂，且连接结构8通过螺栓与法兰与电机舱902的底端固定相连。其中，机械臂连接在电机舱902上，且第一连杆1与第二连杆2之间的夹角为90°时，第二连杆2的尾端朝向内侧，即图9-10所示的机身组件9所在的一侧。

本实施例中的四旋翼无人机中，机身组件9底部中心搭载有光电吊舱904，以用于对待抓取的物品进行侦察和定位；机身组件9上部配备有激光雷达905，以进行障碍物的探测。通过在电机舱902底部设置图1-4中具有起落架6与限位结构5的机械臂，当机械臂中的第一连杆1与第二连杆2处于相互垂直状态时，四旋翼无人机可以稳定地在四个起落架6的支撑下进行起飞降落，在此过程中通过限位结构5将第一连杆1与第二连杆2之间的关节固定，减少机械臂的晃动。

本实施例还公开了一种上述机械臂的使用方法，即空中抓取方法，采用上述的四旋翼无人机，其具体包括如下步骤：

步骤1，利用无人机上搭载的光电吊舱904对待抓取物10进行搜索，并锁定待抓取物10；

步骤2，对目标进行检测与分类，确定抓取方案；

步骤3，基于抓取方案操作机械臂抓取待抓取物10，并判断是否抓取成功，若是则进入步骤4，否则重复步骤3；

步骤4，控制无人机返回预设点卸下待抓取物10，并判断当前搜索点是否搬运完成，若是则控制无人机自主飞行并进入搜索模式，否则返回上一次的抓取位置后重复步骤2-4。

步骤2中，抓取方案包括两种：

第一种为：若经过检测与分类判定待抓取物10为杆状结构，则控制位于无人机上对角的两个机械臂同时对待抓取物10进行抓取，即如图11所示；

第二种为：若经过检测与分类判定待抓取物10为箱状结构，则控制位于无人机上四个机械臂同时对待抓取物10进行抓取，即如图12所示。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于四旋翼无人机的机械臂，其特征在于，包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、抓取部与驱动组件；

所述第一连杆的首端设有能够与无人机相连的连接结构，所述第二连杆的首端通过第一铰链铰接在第一连杆的尾端，所述第三连杆的首端通过第二铰链铰接在第二连杆的尾端，所述抓取部设在第三连杆的尾端；

所述第二连杆的转动平面与第三连杆的转动平面重合，且所述第三连杆的长度小于第二连杆的长度，以实现抓取部抓取角度的粗调节与细调节；

所述第一连杆与第二连杆的铰接处设有限位结构，以使得第一连杆与第二连杆之间的夹角最小为90°；

所述第二连杆、第三连杆、抓取部均与驱动组件传动相连；

所述第二连杆上设有起落架，当所述第一连杆与第二连杆之间的夹角为90°时，所述起落架竖直朝下。

2.根据权利要求1所述用于四旋翼无人机的机械臂，其特征在于，所述限位结构包括依次相连的第一限位板、过渡板与第二限位板，所述第一限位板与第二限位板相互垂直；

所述第一限位板平行设在第一连杆与第二连杆中一个的侧面上，所述第二限位板在第一连杆与第二连杆之间的夹角为90°时平行抵接第一连杆与第二连杆中另一个的侧面。

3.根据权利要求1所述用于四旋翼无人机的机械臂，其特征在于，所述起落架包括第四连杆与脚垫，所述第四连杆的首端连接在第二连杆上，所述脚垫连接在第四连杆的尾端上；

所述第四连杆的首端位于第二连杆上与第一铰链相邻且靠近第二连杆尾端的一侧的位置。

4.根据权利要求1或2所述用于四旋翼无人机的机械臂，其特征在于，所述驱动组件包括：

第一舵机，设在第一连杆上且靠近第一连杆尾端的位置，所述第一舵机的输出端与第二连杆的首端传动相连，以驱动第二连杆转动；

第二舵机，设在第二连杆上且靠近第二连杆尾端的位置，所述第二舵机的输出端与第三连杆的首端传动相连，以驱动第三连杆转动；

第三舵机，设在抓取部上，以用于驱动抓取部的开合。

5.根据权利要求4所述用于四旋翼无人机的机械臂，其特征在于，所述连接结构包括连接架与第五连杆，所述第五连杆的尾端与第一连杆的首端固定相连，所述第五连杆的首端与连接架转动相连；

所述驱动组件还包括设在连接架上的第四舵机，所述第四舵机的输出端与第五连杆的首端传动相连，以用于驱动第五连杆转动。

6.根据权利要求4所述用于四旋翼无人机的机械臂，其特征在于，所述抓取部通过第六连杆与第三连杆的尾端相连；

所述第六连杆的尾端与抓取部固定相连，所述第六连杆的首端与第三连杆的尾端转动相连；

所述驱动组件还包括设在第三连杆上的第五舵机，所述第五舵机的输出端与第六连杆的首端传动相连，以用于驱动第六连杆转动。

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