CN113619788B - 一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构 - Google Patents
一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构，安装在旋翼无人机的顶面，包括爪刺单元、双稳态机构、安装座、机架、舵机和柔性连接机构；安装座将栖息机构固定在旋翼无人机上。旋翼无人机可以通过栖息机构上的爪刺单元抓附室内常见的矿棉板吊顶，从而延长旋翼无人机的续航时间，实现旋翼无人机在室内多次重复栖息和拍摄等任务的功能；旋翼无人机需要返航时，舵机驱动双稳态机构解锁，爪刺单元由向内对抓的状态转变为向外运动的状态，此时爪刺单元与矿棉板间的附着状态解除，旋翼无人机携带栖息组件脱离矿棉板吊顶。该旋翼无人机栖息机构结构简单、体积小、重量轻、易于控制、可靠性强、可重复使用且隐蔽性强。
Description
技术领域
本发明涉及无人机领域，具体涉及一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构。
背景技术
目前，旋翼无人机作为在空中飞行的特殊机器人的应用越来越广，特别是在侦察、监视、运输和航测领域，其操控性能强、体积小、重量轻、可垂直起降和悬停，在执行灾难搜救、航拍等任务过程中，为了延长无人机的持续续航时间，短暂的悬停和栖息是十分必要的。目前的旋翼无人机栖息机构存在结构复杂、体积大、功耗大且隐蔽性差，同时在吸附天花板时会有持续耗能、不能重复使用等缺点。因此设计一种结构简单、体积小、重量轻、易于控制、可靠性强、可重复使用且隐蔽性强的无人机栖息机构是十分必要的。
公开号CN111169628A的中国专利公布了一种旋翼无人机天花板栖息机构，其结构简单、对旋翼无人机的负载要求较低且续航时间长隐蔽性强，但是这种栖息机构采用的粘附材料不能够重复使用，在使用一定次数后粘附性不足会导致无人机无法栖息，需要耗费时间更换新的粘附材料才能继续执行栖息任务。
发明内容
面向旋翼无人机在多种室内应用场景中存在的粉刷天花板、铝扣板吊顶和矿棉板吊顶三种典型顶面的室内侦察应用需求，本发明旨在解决背景技术中提到的结构复杂、体积大、功耗大且隐蔽性差等问题，以及采用粘附栖息机构存在的使用一定次数后粘附性不足问题，而提供一种结构简单、体积小、重量轻、易于控制、可靠性强、可重复使用且隐蔽性强的旋翼无人机栖息机构。
该旋翼无人机栖息机构采用基于对向爪刺单元的侵入式顶面双稳态栖息机构可重复使用且有足够的附着力，其中双稳态机构能够可靠稳定的使抓附式栖息组件多次重复切换附着及解锁动作，使其能够轻松脱离矿棉板等典型室内顶面，使旋翼无人机能够拥有在天花板上栖息的能力，在稳定隐蔽的执行拍摄任务的同时提高续航时间。
本发明的技术方案为：
所述一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构，安装在旋翼无人机的顶面，包括爪刺单元、双稳态机构、安装座、机架、舵机和柔性连接机构；
所述安装座安装在旋翼无人机的顶面，柔性连接机构连接安装座与机架，舵机安装在机架侧面；
所述机架为爪刺单元、双稳态机构以及舵机提供安装基础；
所述爪刺单元包括爪刺足、滑块和滑动轴；其中至少四根滑动轴在机架上下方向分两层布置相互平行布置；两个滑块对称安装于滑动轴上；每个滑块在机架主体的前后方向的外侧具有向内倾斜的爪刺足用于抓附，且滑块还穿在上层滑动轴上，能够沿上层滑动轴转动；在机架主体的上下方向，在滑块内端一侧下部具有伸出的长臂，该长臂穿在部分下层滑动轴上，能够沿下层滑动轴转动，并与双稳态机构中的一根第一连杆固定连接；
所述双稳态机构包括第一连杆和第二连杆；两根第一连杆相互平行布置在机架的前后方向两端，并穿在下层滑动轴上；第一连杆两端分别转动连接一根第二连杆，处于同一侧的两根第二连杆通过转轴转动配合；当同一侧的两根第二连杆处于弯角状态时，两根第一连杆处于靠近状态，且此时两个滑块处于分离状态；当同一侧的两根第二连杆受压从弯角状态变为直线状态后，两根第一连杆相互远离，此时两个滑块相互靠近；
所述舵机内装有舵臂；通过舵臂能够将同一侧的两根第二连杆从直线状态转变为弯角状态。
进一步的，机架主体为“日”字形框架结构，前后两个空间为爪刺单元中两个滑块的运动空间，在机架主体一侧安装舵机；在机架前后两端具有爪刺单元中四根滑动轴的安装孔。
进一步的，在机架主体两侧还有外伸支臂，支臂上具有竖直向上的爪刺足。
进一步的，所述柔性连接机构将安装座和机架的四角相连接，柔性连接机构使用硅胶材料制成。
进一步的，所述舵机型号为AFRC-D1302，重1.9g，扭矩0.15kg-cm，电气接口为JR插头，供电电压3.7V，控制信号为PWM波，周期20ms，常态为脉宽900us，脉宽1700us时双稳态机构解锁。
进一步的，所述栖息机构为60mm×48mm×24mm，质量为13g。
进一步的，栖息过程中，在四旋翼无人机向上驱动力的作用下，柔性连接机构变形，将无人机对栖息机构施加的向上的压力转化为爪刺单元的法向预压力和相向运动的切向对抓力，在为爪刺单元提高向上预压力的同时带动爪刺单元中的滑块相向对抓，爪刺足刺入矿棉板中，进而为四旋翼无人机提供附着力；在复飞状态时，双稳态机构通过舵臂旋转驱动解锁，两个滑块由向内对抓的状态变为向外运动的状态，爪刺单元与吊顶的附着状态解除，四旋翼无人机携带栖息组件脱离吊顶。
有益效果
本发明提供的基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构具有以下优点：抓附式栖息机构以室内常见的矿棉板吊顶为栖息目标表面，能够实现多次重复栖息功能，其通过爪刺单元将压力转换为抓附力，栖息状态下无功耗、无噪音，可以提高旋翼无人机执行高空定点观察和拍摄任务时的隐蔽性和稳定性，延长旋翼无人机的续航时间。栖息部件抓附力较大，有足够的附着力，栖息性能可靠；抓附式栖息机构解锁动作可靠稳定，解锁后能够轻松脱离矿棉板，脱附简单，解锁和脱附性能可靠。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明提供的一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构的结构示意图；
图2为本发明提供的一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构的脱附状态结构示意图；
图3为本发明提供的一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构的抓附状态结构示意图；
图4为本发明提供的一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构的脱附状态内部结构示意图；
图5为本发明提供的一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构的抓附状态内部结构示意图；
图6为本发明提供的一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构的脱附状态正视图；
图7为本发明提供的一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构的抓附中间状态正视图；
图8为本发明提供的一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构的抓附状态正视图；
图9为本发明提供的一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构的脱附中间状态正视图；
图10为本发明提供的一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构的脱附完成状态正视图；
图11为本发明提供的一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构的附着动作序列分析示意图；
图12为本发明提供的一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构的解锁动作序列分析示意图；
图13为本发明提供的一种旋翼无人机在室内天花板进行抓附式栖息的工作过程示意图。
其中：
1：旋翼无人机；
2：栖息机构；
2-1：爪刺单元；2-2：双稳态机构；2-3：安装座；2-4：机架；2-5：舵机；2-6：柔性连接机构；
2-1-1：爪刺足；2-1-2：滑块；2-1-3：滑动轴；
2-2-1：第一连杆；2-2-2：第二连杆；
2-5-1：舵臂；
3：天花板。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1所示，本发明提出的基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构安装在旋翼无人机1的顶面，以室内常见的矿棉板吊顶为栖息目标表面，实现多次重复栖息功能。
如图2和图3所述栖息机构2样机尺寸为60mm×48mm×24mm，质量为13g，包括爪刺单元2-1、双稳态机构2-2、安装座2-3、机架2-4、舵机2-5和柔性连接机构2-6。
所述机架2-4为爪刺单元2-1、双稳态机构2-2以及舵机2-5提供安装基础。机架2-4主体为“日”字形框架结构，前后两个空间为爪刺单元2-1中两个滑块的运动空间，在机架2-4主体一侧安装舵机2-5，在机架2-4主体两侧还有外伸支臂，支臂上具有竖直向上的爪刺足；在机架2-4前后两端具有爪刺单元2-1中四根滑动轴的安装孔。
所述爪刺单元2-1包括爪刺足2-1-1、滑块2-1-2和滑动轴2-1-3；其中四根滑动轴2-1-3在机架2-4上下方向分两层布置相互平行布置，上层两根，下层两根。两个滑块对称安装于四个滑动轴上。每个滑块在机架2-4主体的前后方向上为“口”字形配合“一”字形结构，其中口”字形配合“一”字形结构穿在上层两根滑动轴上，“一”字形结构上具有向内倾斜的爪刺足用于抓附；而在机架2-4主体的上下方向，在“口”字形结构内端一侧下部具有伸出的长臂，该长臂穿在下层滑动轴中的一根滑动轴上，并与双稳态机构2-2中的一根第一连杆2-2-1固定连接。
所述双稳态机构2-2包括第一连杆2-2-1和第二连杆2-2-2。两根第一连杆2-2-1相互平行布置在机架2-4的前后方向两端，并穿在下层两根滑动轴上；第一连杆2-2-1两端分别转动连接一根第二连杆2-2-2，处于同一侧的两根第二连杆2-2-2通过转轴转动配合。当同一侧的两根第二连杆2-2-2处于弯角状态时，两根第一连杆2-2-1处于靠近状态，由于在前后方向上，一端的第一连杆连接的是另一端的滑块，所以此时两个滑块处于分离状态；当同一侧的两根第二连杆2-2-2受压从弯角状态变为直线状态后，两根第一连杆2-2-1相互远离，而此时两个滑块相互靠近。
所述舵机2-5内装有舵臂2-5-1；通过舵臂2-5-1能够将同一侧的两根第二连杆2-2-2从直线状态转变为弯角状态。
安装座2-3安装在旋翼无人机的顶端，通过安装座实现将栖息机构固定在旋翼无人机上，柔性连接机构用于连接安装座与机架，舵机安装在机架侧面，爪刺单元安装于机架上与双稳态机构配合连接实现吊顶抓附与脱附。
驱动舵机2-5型号为AFRC-D1302，重1.9g，扭矩0.15kg-cm，电气接口为JR插头，供电电压3.7V，控制信号为PWM波，周期20ms，常态为脉宽900us，脉宽1700us时双稳态机构解锁。柔性连接机构2-6将安装座2-3和机架2-4的四角相连接，柔性连接机构2-6使用硅胶材料制成，其目的是在栖息过程中，当旋翼无人机顶面不平行于天花板时，柔性连接机构2-6发生形变使栖息机构顶面抓附天花板3。
在栖息过程中在四旋翼无人机向上驱动力的作用下，使柔性连接机构变形，将无人机对栖息机构施加的向上的压力转化为爪刺单元的法向预压力和相向运动的切向对抓力，在为爪刺单元提高向上预压力的同时带动爪刺单元中的滑块相向对抓，爪刺足刺入矿棉板中，进而可以为四旋翼无人机提供附着力；在复飞状态时，双稳态机构通过舵臂旋转来驱动其解锁，两个滑块由向内对抓的状态变为向外运动的状态，爪刺单元与矿棉板间的附着状态解除，四旋翼无人机可携带栖息组件脱离矿棉板吊顶。
参见图2和图3所示，图2为栖息机构的脱附状态，此时爪刺单元2-1的两个滑块2-1-2在滑动轴2-1-3最外侧，双稳态机构2-2的两个第二连杆2-2-2呈120°连接；图3为栖息机构的抓附状态，此时爪刺单元2-1的两个滑块2-1-2从滑动轴2-1-3最外侧向内滑动，双稳态机构2-2的两个第二连杆2-2-2呈直线连接。
参见图11所示的附着动作序列分析示意图，在栖息过程中双稳态机构2-2由图6脱附状态中的稳态1在四旋翼无人机向上驱动力的作用下，使图7抓附中间状态中柔性连接机构2-6变形，进而切换到图8抓附状态中的稳态2，双稳态机构2-2将无人机对栖息机构2施加的向上的压力转化为爪刺单元2-1的法向预压力和两个滑块相向运动的切向对抓力，在为爪刺单元2-1提高向上预压力的同时带动爪刺单元2-1中两个滑块2-1-2相向对抓，爪刺刺入矿棉板中，进而可以为四旋翼无人机1提供附着力；参见图12所示的解锁动作序列分析示意图，在复飞状态时，双稳态机构2-2由图8抓附状态中的稳态2经过图9脱附中间状态中舵机2-5带动舵臂2-5-1旋转来驱动双稳态机构2-2，进而使其切换到图10脱附完成状态中的稳态1，舵机驱动双稳态机构2-2解锁，使爪刺单元2-1由向内对抓的状态变为向外运动的状态，此时爪刺单元2-1与矿棉板间的附着状态解除，四旋翼无人机1可携带栖息组件轻松脱离矿棉板吊顶。
参见图13所示，本发明一种旋翼无人机在室内天花板进行抓附式栖息的工作过程为：当旋翼无人机1需要栖息到天花板3工作时，旋翼无人机1逐渐靠近天花板3，若旋翼无人机顶面不平行天花板3时，柔性连接机构2-6发生变形使粘附件顶面紧贴天花板，爪刺单元2-1抓附到天花板上实现栖息；当旋翼无人机需要重新起飞时，舵机驱动双稳态机构2-2解锁，爪刺单元2-1由向内对抓的状态变为向外运动的状态，旋翼无人机1重新起飞，携带其余部件返航。
本发明一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构的特点为，该机构使旋翼无人机能够栖息到天花板上，提高旋翼无人机续航时间，增强执行高空观察和拍摄等任务过程的稳定性和隐蔽性，采用双稳态机构、舵机、安装座和爪刺单元组成作为抓附机构，在栖息状态下能提供较大的抓附力，且无额外功耗、隐蔽性好，利用解锁机构将旋翼无人机和所抓附的材料解锁分离，完成旋翼无人机复飞操作。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构，其特征在于：安装在旋翼无人机的顶面，包括爪刺单元、双稳态机构、安装座、机架、舵机和柔性连接机构；
所述安装座安装在旋翼无人机的顶面，柔性连接机构连接安装座与机架，舵机安装在机架侧面；
所述机架为爪刺单元、双稳态机构以及舵机提供安装基础；
所述爪刺单元包括爪刺足、滑块和滑动轴；其中至少四根滑动轴在机架上下方向分两层布置相互平行布置；两个滑块对称安装于滑动轴上；每个滑块在机架主体的前后方向的外侧具有向内倾斜的爪刺足用于抓附，且滑块还穿在上层滑动轴上，能够沿上层滑动轴转动；在机架主体的上下方向，在滑块内端一侧下部具有伸出的长臂，该长臂穿在部分下层滑动轴上，能够沿下层滑动轴转动，并与双稳态机构中的一根第一连杆固定连接；
所述双稳态机构包括第一连杆和第二连杆；两根第一连杆相互平行布置在机架的前后方向两端，并穿在下层滑动轴上；第一连杆两端分别转动连接一根第二连杆，处于同一侧的两根第二连杆通过转轴转动配合；当同一侧的两根第二连杆处于弯角状态时，两根第一连杆处于靠近状态，且此时两个滑块处于分离状态；当同一侧的两根第二连杆受压从弯角状态变为直线状态后，两根第一连杆相互远离，此时两个滑块相互靠近；
所述舵机内装有舵臂；通过舵臂能够将同一侧的两根第二连杆从直线状态转变为弯角状态。
2.根据权利要求1所述一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构，其特征在于：机架主体为“日”字形框架结构，前后两个空间为爪刺单元中两个滑块的运动空间，在机架主体一侧安装舵机；在机架前后两端具有爪刺单元中四根滑动轴的安装孔。
3.根据权利要求1或2所述一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构，其特征在于：在机架主体两侧还有外伸支臂，支臂上具有竖直向上的爪刺足。
4.根据权利要求1所述一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构，其特征在于：所述柔性连接机构将安装座和机架的四角相连接，柔性连接机构使用硅胶材料制成。
5.根据权利要求1所述一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构，其特征在于：所述舵机型号为AFRC-D1302，重1.9g，扭矩0.15kg-cm，电气接口为JR插头，供电电压3.7V，控制信号为PWM波，周期20ms，常态为脉宽900us，脉宽1700us时双稳态机构解锁。
6.根据权利要求5所述一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构，其特征在于：所述栖息机构为60mm×48mm×24mm，质量为13g。
7.根据权利要求1所述一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构，其特征在于：栖息过程中，在四旋翼无人机向上驱动力的作用下，柔性连接机构变形，将无人机对栖息机构施加的向上的压力转化为爪刺单元的法向预压力和相向运动的切向对抓力，在为爪刺单元提高向上预压力的同时带动爪刺单元中的滑块相向对抓，爪刺足刺入矿棉板中，进而为四旋翼无人机提供附着力；在复飞状态时，双稳态机构通过舵臂旋转驱动解锁，两个滑块由向内对抓的状态变为向外运动的状态，爪刺单元与吊顶的附着状态解除，四旋翼无人机携带栖息组件脱离吊顶。
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| CN202111016724.1A Active CN113619788B (zh) | 2021-08-31 | 2021-08-31 | 一种基于对向爪刺单元的旋翼无人机顶面双稳态栖息机构 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114771859B (zh) * | 2022-04-07 | 2024-05-10 | 南京航空航天大学 | 基于微刺阵列和仿生干黏附材料的粗糙/光滑负表面无人机着陆机构 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111169628A (zh) * | 2019-11-22 | 2020-05-19 | 西安理工大学 | 一种旋翼无人机天花板栖息机构 |
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Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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2021
- 2021-08-31 CN CN202111016724.1A patent/CN113619788B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN112550682A (zh) * | 2020-12-16 | 2021-03-26 | 南京航空航天大学 | 负表面着陆机构、旋翼无人机及其着陆与起飞方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 小型四旋翼无人机建模与控制仿真;孟佳东;赵志刚;;兰州交通大学学报(第01期);69-73 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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