CN113060042A - 一种基于机械手的无人机电池换装平台及换装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机械手的无人机电池换装平台及换装方法，所述无人机电池换装平台包括控制系统、顶部形成起落口的电池更换内舱、设置于所述起落口上的双轴矫正装置以及设置于所述电池更换内舱内的升降装置、电池更换装置和电池管理装置，其中：所述双轴矫正装置包括与四个分别与所述起落口的四个边一一对应的矫正杆以及四个分别对应驱动每一矫正杆的直线驱动结构；所述升降装置包括供无人机降落的降落台和驱动所述降落台的升降驱动结构；所述升降装置和所述电池管理装置相对，分别位于所述电池更换装置的两侧，所述电池管理装置包括至少一个充电电池盒；本发明可实现精准更换电池，快速充电。

Description

一种基于机械手的无人机电池换装平台及换装方法

技术领域

本发明涉及无人机维护技术领域，特别是涉及及换装方法。

背景技术

随着无人机的普及，无人机正在人们生活发挥着不同的重要作用，特别是在农业、地质勘探、抢险救灾、边防等行业。现在无人机作业，其电池续航能力不能满足长时间作业，而不论有线还是无线充电的时间都不能满足短时间继续工作的要求，而大多采用人工回收，更换电池后继续作业。

对于商业化运行的无人机，需要大量的人力对批量的无人机进行维护，这样需要额外的人力，造成了人力的浪费，同时增加维护成本。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的无人机更换电池费时费力的问题，而提供一种基于机械手的无人机电池换装平台。

本发明的另一方面，是提供所述无人机电池换装平台的换装方法，省时省力。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种基于机械手的无人机电池换装平台，包括控制系统、顶部形成起落口的电池更换内舱、设置于所述起落口上的双轴矫正装置以及设置于所述电池更换内舱内的升降装置、电池更换装置和电池管理装置，其中：

所述双轴矫正装置包括与四个分别与所述起落口的四个边一一对应的矫正杆以及四个分别对应驱动每一矫正杆的直线驱动结构；

所述升降装置包括供无人机降落的降落台和驱动所述降落台的升降驱动结构；

所述升降装置和所述电池管理装置相对，分别位于所述电池更换装置的两侧，所述电池更换装置包括Y轴驱动结构、受Y轴驱动结构驱动的X轴驱动结构以及固定于所述X轴驱动结构上的机械手，所述机械手的两指与形成于无人机的电池壳体上的卡槽相匹配，其中所述X轴驱动结构的定位端通过旋转机构旋转连接于所述Y轴驱动结构的驱动块上，所述旋转机构旋转时，带动机械手由朝向所述升降装置一侧旋转至朝向所述电池管理装置一侧；

所述电池管理装置包括至少一个充电电池盒，每一充电电池盒内的接触电极与无人机的电池底部的接触电极相配合实现充电；

其中所述电池管理装置、直线驱动结构、升降驱动结构、Y轴驱动结构、X轴驱动结构、旋转机构均与所述控制系统通讯连接。

在上述技术方案中，所述电池管理装置内的所有充电电池盒均在同一高度上。

在上述技术方案中，所述降落台的上表面上形成有两条与无人机起落架的两杆相对应的降落凹槽。

在上述技术方案中，所述降落凹槽的内径、长度与所述起落架的两杆的粗细和长度分别对应相同。

在上述技术方案中，起落口为矩形，四个矫正杆均与起落口相对应的边缘平行。

在上述技术方案中，位于所述起落口前后两侧的矫正杆的长度大于等于两个起落架之间的间距，且前后两侧的矫正杆的直线驱动结构伸至最长时，两矫正杆之间的间距与起落架的两杆长度相同。

在上述技术方案中，位于所述起落口左右两侧的矫正杆的长度与所述起落口左右两边的长度相同，且左右两侧的矫正杆的直线驱动结构伸直最长时，两矫正杆之间的间距等于两个起落架之间的间距。

在上述技术方案中，所述直线驱动结构为电动推杆。

在上述技术方案中，所述机械手的两指上均固定有一卡块，所述卡块可对应嵌入所述电池壳体两侧的卡槽内。

在上述技术方案中，直线驱动结构为电动升降杆，所述X轴驱动结构为X轴电动推杆，所述机械手的固定部通过固定块固定于所述X轴电动推杆的驱动端上，所述Y轴驱动结构为固定于所述电池更换内舱内电动滑轨结构，所述电动滑轨结构包括电动滑轨和与所述电动滑轨的轨道滑动连接的滑块，所述X轴电动推杆的尾部通过旋转结构旋转连接于所述滑块上，所述旋转结构包括舵机和由所述舵机驱动的旋转轴，所述舵机固定于所述滑块上，所述X轴电动推杆的尾部固定于所述旋转轴上，电动升降杆杆收缩时，所述机械手与位于无人机内的电池齐平。

所述无人机电池换装平台的换装方法，包括以下步骤：

步骤1，无人机矫正：

无人机降落至降落台其位置可能存在偏差，相对的两个矫正杆同时受驱动向起落口的中心移动，移动到位后，另外相对的两个矫正杆同时受驱动运动向起落口的中心移动，四个矫正杆均移动到位时，无人机位置得以矫正；

步骤2，降落台受升降驱动结构的驱动下降，至无人机的电池与所述机械手位于同一水平面上，四个矫正杆复位；

步骤3，机械手的两指张开，Y轴驱动结构、X轴驱动结构先后移动至两指与卡槽相接触，机械手的两指闭合夹住电池，X轴驱动结构收缩，旋转机构旋转使得机械手朝向充电电池盒一侧，Y轴驱动结构带动机械手移动，至电池与空位的充电电池盒对位，X轴驱动结构伸出，将电池匹配插入空位的充电电池盒内，机械手的两指松开，X轴驱动结构收缩；

步骤4，控制系统控制Y轴驱动结构动作至具有满电电池的充电电池盒内，X轴驱动结构伸出，机械手的两指与满电电池壳体上的卡槽相接触，两指闭合夹住满电电池，旋转机构旋转使得机械手朝向降落台一侧，Y轴驱动结构动作至机械手与无人机上的电池仓相对应，X轴驱动结构伸出，机械手将满电电池匹配插入所述电池仓内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.便捷性：无人机在有线充电时需要人为插拔，对于本发明，在换取电池时，不需人为插拔与监管，节省人力物力。

2.精准性：普通无人机换电池平台需要无人机精准降落，若无人机降落有偏差，会导致无人机换电池过程出现差错，本平台实现自主矫正，使无人机换电池过程准确无误。

3.快速：对于无人机来说，有线充电速度较慢，无线充电效率低下，难以得到大幅应用。此发明以通过快速换电池免去有线充电和无线充电的时间浪费。

附图说明

图1是基于机械手的无人机电池换装平台示意图，

图2是电池更换装置示意图，

图3是升降装置示意图。

图中：1-电池更换内舱，2-降落台，3-直线驱动结构，4-降落凹槽，5-矫正杆，6-电池更换装置，7-电池管理装置，8-起落口；

61-机械手，62-固定块，63-X轴电动推杆，64-滑块，65-电动滑轨。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种无人机电池换装平台，包括控制系统、顶部形成起落口8的电池更换内舱1、设置于所述起落口8上的双轴矫正装置以及设置于所述电池更换内舱1内的升降装置、电池更换装置6和电池管理装置7，其中：

所述双轴矫正装置包括与四个分别与所述起落口8的四个边一一对应的矫正杆5以及四个分别对应驱动每一矫正杆5的直线驱动结构3；

所述升降装置包括供无人机降落的降落台2和驱动所述降落台2的升降驱动结构；

所述升降装置和所述电池管理装置7相对，分别位于所述电池更换装置6的两侧，所述电池更换装置6包括Y轴驱动结构、受Y轴驱动结构驱动的X轴驱动结构以及固定于所述X轴驱动结构上的机械手61，所述机械手61的两指与形成于无人机的电池壳体上的卡槽相匹配，其中所述X轴驱动结构的定位端通过旋转机构旋转连接于所述Y轴驱动结构的驱动块上，所述旋转机构旋转时，带动机械手61由朝向所述升降装置一侧旋转至朝向所述电池管理装置7一侧；

所述电池管理装置7包括至少一个充电电池盒，每一充电电池盒内的接触电极与无人机的电池底部的接触电极相配合实现充电；

其中所述电池管理装置7、直线驱动结构3、升降驱动结构、Y轴驱动结构、X轴驱动结构、旋转机构均与所述控制系统通讯连接。

所述无人机电池换装平台的换装方法包括以下步骤：

步骤1，无人机矫正：

无人机降落至降落台2其位置可能存在偏差，相对的两个矫正杆5同时受驱动向起落口8的中心移动，移动到位后，另外相对的两个矫正杆5同时受驱动运动向起落口8的中心移动，四个矫正杆5均移动到位时，无人机位置得以矫正；

步骤2，降落台2受升降驱动结构的驱动下降，至无人机的电池与所述机械手61位于同一水平面上，四个矫正杆5复位；

步骤3，机械手61的两指张开，Y轴驱动结构、X轴驱动结构先后移动至两指与卡槽相接触，机械手61的两指闭合夹住电池，X轴驱动结构收缩，旋转机构旋转使得机械手61朝向充电电池盒一侧，Y轴驱动结构带动机械手61移动，至电池与空位的充电电池盒对位，X轴驱动结构伸出，将电池匹配插入空位的充电电池盒内，机械手61的两指松开，X轴驱动结构收缩；

步骤4，控制系统控制Y轴驱动结构动作至具有满电电池的充电电池盒内，X轴驱动结构伸出，机械手61的两指与满电电池壳体上的卡槽相接触，两指闭合夹住满电电池，旋转机构旋转使得机械手61朝向降落台2一侧，Y轴驱动结构动作至机械手61与无人机上的电池仓相对应，X轴驱动结构伸出，机械手61将满电电池匹配插入所述电池仓内。

为了便于机械手61取放电池，所述电池管理装置7内的所有充电电池盒均在同一高度上。如此机械手61只需在同一水平面上移动，便于管理，当所述充电电池盒内的电池充满电时，向所述控制系统发送满电信号，该电池即被标记为满电电池，待更换使用。

实施例2

为了保证无人机更精确的降落在降落台2上，同时防止在拆卸或插入电池过程中，无人机发生随动，所述降落台2的上表面上形成有两条与无人机起落架的两杆相对应的降落凹槽4。两条降落凹槽4间距与起落架的两杆之间间距相同，无人机在矫正杆5的作用下矫正位置，直至无人机底部的降落架落入到降落凹槽4内，形成定位。

更为优选的，所述降落凹槽的内径、长度与所述起落架的两杆的粗细和长度分别对应相同。如此保证无人机在降落台2上时，起落架的两杆能良好的卡入到降落凹槽内，一来精确定位，二来对无人机形成限位作用，防止从无人机上取出或插入电池时，无人机发生移位。

为了保证矫正杆5的矫正效果，起落口8为矩形，四个矫正杆5均与起落口8相对应的边缘平行。四个边缘进行矫正，定位更加准确。

为了保证前后矫正效果，位于所述起落口8前后两侧的矫正杆5的长度大于等于两个起落架之间的间距，且前后两侧的矫正杆5的直线驱动结构3伸至最长时，两矫正杆5之间的间距与起落架的两杆长度相同；

为了保证左右矫正效果，位于所述起落口8左右两侧的矫正杆5的长度与所述起落口8左右两边的长度相同，且左右两侧的矫正杆5的直线驱动结构3伸直最长时，两矫正杆5之间的间距等于两个起落架之间的间距。

四个矫正杆5缩回时，不影响无人机正常降落，伸长时可将起落架的两杆接触，并将其推送至降落凹槽内。

为了保证矫正杆5的驱动，所述直线驱动结构3为电动推杆。电动推杆由电机推杆和控制装置等机构组成的一种新型直线执行机构，通过控制通电的正负以控制电动推杆伸出及收缩。

实施例3

为了保证电池更换装置6流畅作业，所述机械手61的两指上均固定有一卡块，所述卡块可对应嵌入所述电池壳体两侧的卡槽内。实现夹取时固定电池的作用。

无人机的电池的壳体顶端两侧设有正方形卡槽，可与所述机械手的卡块嵌接，所述无人机的电池底部设有接触式电极，可以所述充电电池盒相接。

为了保证本换装平台顺畅作业，以下对各驱动结构进行介绍：

直线驱动结构3为电动升降杆，所述X轴驱动结构为X轴电动推杆63，所述机械手61的固定部通过固定块62固定于所述X轴电动推杆63的驱动端上，所述Y轴驱动结构为固定于所述电池更换内舱1内电动滑轨结构，所述电动滑轨结构包括电动滑轨65和与所述电动滑轨65的轨道滑动连接的滑块64，所述X轴电动推杆63的尾部通过旋转结构旋转连接于所述滑块64上，所述旋转结构包括舵机和由所述舵机驱动的旋转轴，所述舵机固定于所述滑块64上，所述X轴电动推杆63的尾部固定于所述旋转轴上，电动升降杆杆收缩时，所述机械手61与位于无人机内的电池齐平。所述旋转结构可实现360°旋转，所述滑块64可带动机械手61直线移动，以与相应充电电池盒相对齐。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于机械手的无人机电池换装平台，其特征在于，包括控制系统、顶部形成起落口的电池更换内舱、设置于所述起落口上的双轴矫正装置以及设置于所述电池更换内舱内的升降装置、电池更换装置和电池管理装置，其中：

所述双轴矫正装置包括与四个分别与所述起落口的四个边一一对应的矫正杆以及四个分别对应驱动每一矫正杆的直线驱动结构；

所述升降装置包括供无人机降落的降落台和驱动所述降落台的升降驱动结构；

所述升降装置和所述电池管理装置相对，分别位于所述电池更换装置的两侧，所述电池更换装置包括Y轴驱动结构、受Y轴驱动结构驱动的X轴驱动结构以及固定于所述X轴驱动结构上的机械手，所述机械手的两指与形成于无人机的电池壳体上的卡槽相匹配，其中所述X轴驱动结构的定位端通过旋转机构旋转连接于所述Y轴驱动结构的驱动块上，所述旋转机构旋转时，带动机械手由朝向所述升降装置一侧旋转至朝向所述电池管理装置一侧；

所述电池管理装置包括至少一个充电电池盒，每一充电电池盒内的接触电极与无人机的电池底部的接触电极相配合实现充电；

其中所述电池管理装置、直线驱动结构、升降驱动结构、Y轴驱动结构、X轴驱动结构、旋转机构均与所述控制系统通讯连接。

2.如权利要求1所述的无人机电池换装平台，其特征在于，所述电池管理装置内的所有充电电池盒均在同一高度上。

3.如权利要求1所述的无人机电池换装平台，其特征在于，所述降落台的上表面上形成有两条与无人机起落架的两杆相对应的降落凹槽，所述降落凹槽的内径、长度与所述起落架的两杆的粗细和长度分别对应相同。

4.如权利要求1所述的无人机电池换装平台，其特征在于，起落口为矩形，四个矫正杆均与起落口相对应的边缘平行。

5.如权利要求4所述的无人机电池换装平台，其特征在于，位于所述起落口前后两侧的矫正杆的长度大于等于两个起落架之间的间距，且前后两侧的矫正杆的直线驱动结构伸至最长时，两矫正杆之间的间距与起落架的两杆长度相同。

6.如权利要求4所述的无人机电池换装平台，其特征在于，位于所述起落口左右两侧的矫正杆的长度与所述起落口左右两边的长度相同，且左右两侧的矫正杆的直线驱动结构伸直最长时，两矫正杆之间的间距等于两个起落架之间的间距。

7.如权利要求4所述的无人机电池换装平台，其特征在于，所述直线驱动结构为电动推杆。

8.如权利要求1所述的无人机电池换装平台，其特征在于，所述机械手的两指上均固定有一卡块，所述卡块可对应嵌入所述电池壳体两侧的卡槽内。

9.如权利要求1所述的无人机电池换装平台，其特征在于，直线驱动结构为电动升降杆，所述X轴驱动结构为X轴电动推杆，所述机械手的固定部通过固定块固定于所述X轴电动推杆的驱动端上，所述Y轴驱动结构为固定于所述电池更换内舱内电动滑轨结构，所述电动滑轨结构包括电动滑轨和与所述电动滑轨的轨道滑动连接的滑块，所述X轴电动推杆的尾部通过旋转结构旋转连接于所述滑块上，所述旋转结构包括舵机和由所述舵机驱动的旋转轴，所述舵机固定于所述滑块上，所述X轴电动推杆的尾部固定于所述旋转轴上，电动升降杆杆收缩时，所述机械手与位于无人机内的电池齐平。

10.如权利要求1-9中任一项所述无人机电池换装平台的换装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，无人机矫正：

无人机降落至降落台其位置可能存在偏差，相对的两个矫正杆同时受驱动向起落口的中心移动，移动到位后，另外相对的两个矫正杆同时受驱动运动向起落口的中心移动，四个矫正杆均移动到位时，无人机位置得以矫正；

步骤2，降落台受升降驱动结构的驱动下降，至无人机的电池与所述机械手位于同一水平面上，四个矫正杆复位；

步骤3，机械手的两指张开，Y轴驱动结构、X轴驱动结构先后移动至两指与卡槽相接触，机械手的两指闭合夹住电池，X轴驱动结构收缩，旋转机构旋转使得机械手朝向充电电池盒一侧，Y轴驱动结构带动机械手移动，至电池与空位的充电电池盒对位，X轴驱动结构伸出，将电池匹配插入空位的充电电池盒内，机械手的两指松开，X轴驱动结构收缩；

步骤4，控制系统控制Y轴驱动结构动作至具有满电电池的充电电池盒内，X轴驱动结构伸出，机械手的两指与满电电池壳体上的卡槽相接触，两指闭合夹住满电电池，旋转机构旋转使得机械手朝向降落台一侧，Y轴驱动结构动作至机械手与无人机上的电池仓相对应，X轴驱动结构伸出，机械手将满电电池匹配插入所述电池仓内。

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