CN115140303B - 无人机对接机构及方法 - Google Patents

Abstract

无人机对接机构及方法，它包含机臂、对接公头和对接母头；对接公头包含锁紧体和对接体，对接母头包含承载体、拉力弹簧和连杆组件，当对接体与承载体未对接时，插销位于插孔内，对接体与承载体对接后，插销位于卡槽内，且对接体与承载体被周向限位，对接和未对接时拉力弹簧均处于压缩状态。所述对接方法，对接公头移动，接近对接母头，对接公头的锁紧体接触到对接母头上的插销，并对其形成挤压力，两个折形连杆的另一端的拉力弹簧被拉伸，对接公头继续向对接母头移动，当卡槽移动到插销的正下方时，插销在拉力弹簧拉力的作用下实现锁紧，此时插销与卡槽配合，对接体与承载体对接并被周向限位，至此对接动作完成。本发明结构紧凑，对接稳定可靠。

Description

无人机对接机构及方法

技术领域

本发明涉及一种对接机构，尤其涉及一种无人机对接机构及方法。

背景技术

无人机是一种无人驾驶的飞行器，可以通过远程操纵来实现某种特定功能的飞行器，多数情况下被用作数据采集的平台，若在无人机上搭载一些传感器就可以实现高质量、低成本和高效率的数据采集。其具有可持续续航、高飞行高度、可携带外接设备等一系列优势，目前应用于多个领域，并经过行业的不断发展已形成初步的产业链。

目前常见的无人机类型为单旋翼无人机、四旋翼无人机和共轴双旋翼无人机，传统共轴双旋翼飞行器的特点：采用两幅反向旋转的旋翼克服反扭矩，无尾桨，机身长度大大缩减，无人机越来越多地被用作侦探、空中作业的创新工具。虽然目前有多种基于空气的作业方式可用，但它们都有一定的局限性。单个多旋翼无人机由于受到自身稳定性和载荷力量的限制，无法承担更大的空中作业任务。

对接机构在航天领域发展较多，它需要实现航天器间的捕获、缓冲、形成刚性连接以及安全分离，一直是航天技术发展的重要标志。对接机构分为大型载人对接机构和非密封小型对接机构，小型对接机构多应用于空间碎片清理、在轨捕获等领域；大型对接机构一般有可供通过的密封通道，主要包括杆-锥式中心对接和异体同构周边式对接两种形式。

因此，需要一种既准确又快速地小型无人机，通过对接组合成稳定性更高、载荷能力更强的空中作业平台，以应对更复杂的任务，势在必行。

发明内容

本发明为克服现有技术不足，提供一种无人机对接机构及方法。

无人机对接机构包含机臂、对接公头和对接母头；所述对接公头包含锁紧体和对接体，所述锁紧体上开有卡槽；

所述对接母头包含承载体、拉力弹簧和连杆组件，承载体具有可容纳锁紧体的中空腔，承载体的外壁上加工有贯通中空腔的插孔，连杆组件包含两个折形连杆，对接公头安装在其中一个机臂上，对接母头安装在另一个机臂上，两个折形连杆分别与另一个所述机臂转动连接，两个折形连杆的一端均具有可进出插孔的插销，两个折形连杆的另一端之间连接有拉力弹簧；当对接体与承载体未对接时，插销位于插孔内，对接体与承载体对接后，插销位于卡槽内，且对接体与承载体被周向限位，对接和未对接时拉力弹簧均处于压缩状态。

无人机对接机构的对接方法，对接公头移动，接近对接母头，对接公头的锁紧体接触到对接母头上的插销，并对其形成挤压力，由于受到对接过程中对接公头的对接挤压，两个折形连杆的另一端的拉力弹簧被拉伸，对接公头继续向对接母头移动，当卡槽移动到插销的正下方时，插销在拉力弹簧拉力的作用下实现锁紧，此时插销与卡槽配合，限制对接机构直线方向的移动，对接体与承载体对接并被周向限位，至此对接动作完成。

无人机对接机构的分离方法，对接公头和对接母头处于结合状态，舵机开始顺时针转动，驱动着凸轮转动，挤压对接母头上的两个折形连杆，使其克服末端拉力弹簧拉力作用，两个插销逐渐张开，凸轮继续转动，顶压折形连杆，当两个插销处于完全打开状态时，对接公头不再受到直线方向的移动限制，离开对接母头，完成脱钩，对接公头分离以后，舵机驱动着凸轮逆时针转动，在拉力弹簧的拉力作用下两个插销回到插孔内，以准备下一次对接，此时对接机构分离动作完成。

本发明相比现有技术的有益效果是：

本发明的对接机构采用机械方式的刚性对接，具有对接简单、对接刚度大、稳定性好等优点。理论上没有无人机对接数量限制，可无线扩展。对于一个无人机而言，排布方式上采用对接公头和对接母头交替分布的方式(周向方向交替设置)，形成两个无人机对接或多个无人机对接。对接机构结构紧凑性，对接方法可靠，方便快捷。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：

附图说明

图1为从一个方向看的本发明的无人机对接机构的整体示意图；

图2为从另一个方向看的本发明的无人机对接机构的整体示意图；

图3为对接公头的结构示意图；

图4为锁紧体的结构示意图；

图5为驱动机构及承载体的布置示意图；

图6为驱动机构示意图；

图7为中空腔的结构示意图；

图8为利用本发明实现四个无人机对接的示意图；

图9为本发明对接公头和对接母头对接过程示意图；

图10为本发明对接公头和对接母头对接后分离过程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，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。

结合图1-图6说明，无人机对接机构包含机臂1、对接公头2和对接母头3；

所述对接公头2包含锁紧体21和对接体22，所述锁紧体21上开有卡槽210；

所述对接母头3包含承载体31、拉力弹簧32和连杆组件，承载体31具有可容纳锁紧体的中空腔311，承载体31的外壁上加工有贯通中空腔的插孔312，连杆组件包含两个折形连杆33，对接公头2安装在其中一个机臂1上，对接母头3安装在另一个机臂1上，两个折形连杆33分别与另一个所述机臂1转动连接，两个折形连杆33的一端均具有可进出插孔22的插销330，两个折形连杆33的另一端之间连接有拉力弹簧32；

当对接体22与承载体31未对接时，插销330位于插孔312内，对接体22与承载体31对接后，插销330位于卡槽210内，且对接体22与承载体31被周向限位，对接和未对接时拉力弹簧32均处于压缩状态。

本实施方式的对接公头2和对接母头3接触面结构互补，在不同类型面的交接处还可设计圆角，增大对接的成功率和稳定性。

本实施方式的对接机构采用机械方式的刚性对接，具有对接简单、对接刚度大、稳定性好等优点。理论上没有无人机对接数量限制，可无线扩展，对于一个无人机而言，排布方式上采用对接公头和对接母头交替分布的方式(周向四个方向交替设置)。形成两个无人机对接和如图8所示的四个无人机对接。

进一步地，如图4所示，所述卡槽210在锁紧体21的外表面上沿周向设置。卡槽设计成环形槽，这样不论插销330周向如何变化，插销330均能位于卡槽210内，定位方便可靠。

可选地，如图5和图6所示，为了实现对接后的无人机的分离，所述无人机对接机构还包含安装在另一个机臂1上的驱动机构4，所述驱动机构4包含舵机41和凸轮42，舵机41安装在另一个所述机臂1上，凸轮42安装在舵机41的输出轴上，且凸轮42位于两个折形连杆33之间，两个插销330在卡槽210内的张开动作由驱动机构4控制。凸轮42由舵机41驱动运动，舵机41是整个对接机构分离时的动力源。设计成折形连杆，在凸轮的作用下，有助于插销330张开，实现脱离卡槽210，完成分离。

较佳地，凸轮42为椭圆形凸轮。利用椭圆形长轴和短轴的不同，实现在凸轮42旋转作用下，两个折形连杆33能作张合运动。此初，对接公头2和对接母头3处于结合状态，舵机41开始顺时针转动，驱动着凸轮42转动，挤压对接母头3上的两个折形连杆33，使其克服末端拉力弹簧32拉力作用，两个插销330逐渐张开，凸轮42继续转动，顶压折形连杆33，当锁紧的两个插销330处于完全打开状态时，对接公头2不再受到直线方向的移动限制，离开对接母头3，完成脱钩，对接公头2分离以后，舵机41驱动着凸轮42逆时针转动，在拉力弹簧32的拉力作用下两个插销330回到插孔312内，以准备下一次对接，此时对接机构分离动作完成。

进一步地，每个所述折形连杆33包含连接为一体的第一杆331、第二杆332和第三杆333；第二杆332位于第一杆331和第三杆333之间，且第二杆332分别与第一杆331和第三杆333垂直，第三杆333与另一个所述机臂1铰接，第三杆333的端部设置有插销330，第一杆331的端部连接有拉力弹簧32，凸轮42位于两个第一杆331之间。

将折形连杆设计成直角折形结构，布置紧凑，利用椭圆形长轴和短轴的不同，实现在凸轮42旋转作用下，两个折形连杆33能作张合运动，初始，两个折形连杆33的插销330位于插孔312内，凸轮42的长轴呈水平布置，第一杆331平行并靠近或接触凸轮的短轴所在的外端面，凸轮42旋转，凸轮的长轴所在的外端面逐渐靠近并挤压两个第一杆331，使其克服末端拉力弹簧32的拉力作用，两个第三杆333被驱动绕机臂1向外旋转，两个插销330逐渐张开，凸轮42继续转动，顶压第一杆331，当锁紧的两个插销330处于完全打开状态，脱离卡槽210时，对接公头2不再受到直线方向的移动限制，离开对接母头3，完成脱钩，此时，插销330部分或全部脱离插孔312，凸轮42的长轴处于竖直状态，之后随着凸轮42的反向旋转，插销330逐渐直至完全置于插孔312内，长轴又恢复呈水平布置。

更优选地，为了实现对接公头2和对接母头3稳定可靠地对接，如图4-图6所示，对接体22的外周面上设有凸棱221，承载体31的外周面上设有凹槽313，凸棱221和凹槽313匹配限制对接公头2和对接母头3的周向转动。

进一步地，为了增大对接的成功率和稳定性。所述锁紧体21包含小圆锥211、圆柱212和大圆锥213；小圆锥211、圆柱212和大圆锥213三者依次固接，且同轴设置，圆柱212的外周面上开有卡槽211，对接体22布置在大圆锥213上，对接体22与承载体31对接时，小圆锥211、圆柱212和大圆锥213布置在中空腔311内。

如图7所示，所述中空腔311包含同轴布置的圆锥腔3111和圆柱腔3112，对接体22与承载体31对接时，小圆锥211布置在圆锥腔3111内，圆柱212布置在圆柱腔3112内。设计成接触面呈互补结构，增大了对接的成功率和稳定性。采用锥形和圆柱相结合的方式，使得对接机构紧凑性好，又提高了对接的稳定性。

基于上述对接机构，还提供适用于二个或多个无人机的对接方法，具体过程如图9所示(图中实心箭头表示相应部件的动作方向)，对接公头2移动，接近对接母头3，对接公头2的锁紧体21接触到对接母头3上的插销330，并对其形成挤压力，由于受到对接过程中对接公头2的对接挤压，两个折形连杆33的另一端的拉力弹簧32被拉伸，对接公头2继续向对接母头3移动，当卡槽211移动到插销330的正下方时，插销330在拉力弹簧32拉力的作用下实现锁紧，此时插销330与卡槽211配合，限制对接机构直线方向的移动，在插孔210定位作用下，对接体22与承载体31对接并被周向限位，至此对接动作完成。

基于上述对接机构，还提供适用于二个或多个无人机的对接机构的分离方法，具体过程如图10所示(图中实心箭头表示相应部件的动作方向)，对接公头2和对接母头3处于配合状态，舵机41开始顺时针转动，驱动着凸轮42转动，挤压对接母头3上的两个折形连杆33，使其克服末端拉力弹簧32拉力作用，两个插销330逐渐张开，凸轮42继续转动，顶压折形连杆33，当两个插销330处于完全打开状态时，对接公头2不再受到直线方向的移动限制，离开对接母头3，完成脱钩，对接公头2分离以后，舵机41驱动着凸轮42逆时针转动，在拉力弹簧32的拉力作用下两个插销330回到插孔312内，以准备下一次对接，此时对接机构分离动作完成。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (8)

1.无人机对接机构，其特征在于：包含机臂（1）、对接公头（2）和对接母头（3）；

所述对接公头（2）包含锁紧体（21）和对接体（22），所述锁紧体（21）上开有卡槽（210）；

所述对接母头（3）包含承载体（31）、拉力弹簧（32）和连杆组件，承载体（31）具有可容纳锁紧体的中空腔（311），承载体（31）的外壁上加工有贯通中空腔的插孔（312），连杆组件包含两个折形连杆（33），对接公头（2）安装在其中一个机臂（1）上，对接母头（3）安装在另一个机臂（1）上，两个折形连杆（33）分别与另一个所述机臂（1）转动连接，两个折形连杆（33）的一端均具有可进出插孔（312）的插销（330），两个折形连杆（33）的另一端之间连接有拉力弹簧（32）；每个所述折形连杆（33）包含连接为一体的第一杆（331）、第二杆（332）和第三杆（333）；第二杆（332）位于第一杆（331）和第三杆（333）之间，且第二杆（332）分别与第一杆（331）和第三杆（333）垂直，第三杆（333）与另一个所述机臂（1）铰接，第三杆（333）的端部设置有插销（330），第一杆（331）的端部连接有拉力弹簧（32），凸轮（42）位于两个第一杆（331）之间，所述无人机对接机构还包含安装在另一个机臂（1）上的驱动机构（4），所述驱动机构（4）包含舵机（41）和凸轮（42），舵机（41）安装在另一个所述机臂（1）上，凸轮（42）安装在舵机（41）的输出轴上，且凸轮（42）位于两个折形连杆（33）之间，两个插销（330）在卡槽（210）内的张开动作由驱动机构（4）控制；

当对接体（22）与承载体（31）未对接时，插销（330）位于插孔（312）内，对接体（22）与承载体（31）对接后，插销（330）位于卡槽（210）内，且对接体（22）与承载体（31）被周向限位，对接和未对接时拉力弹簧（32）均处于压缩状态。

2.根据权利要求1所述无人机对接机构，其特征在于：所述卡槽（210）在锁紧体（21）的外表面上沿周向设置。

3.根据权利要求1所述无人机对接机构，其特征在于：所述对接体（22）的外周面上设有凸棱（221），承载体（31）的外周面上设有凹槽（313），凸棱（221）和凹槽（313）匹配限制对接公头（2）和对接母头（3）的周向转动。

4.根据权利要求1所述无人机对接机构，其特征在于：所述锁紧体（21）包含小圆锥（211）、圆柱（212）和大圆锥（213）；小圆锥（211）、圆柱（212）和大圆锥（213）三者依次固接，且同轴设置，圆柱（212）的外周面上开有卡槽（210），对接体（22）布置在大圆锥（213）上，对接体（22）与承载体（31）对接时，小圆锥（211）、圆柱（212）和大圆锥（213）布置在中空腔（311）内。

5.根据权利要求4所述无人机对接机构，其特征在于：所述中空腔（311）包含同轴布置的圆锥腔（3111）和圆柱腔（3112），对接体（22）与承载体（31）对接时，小圆锥（211）布置在圆锥腔（3111）内，圆柱（212）布置在圆柱腔（3112）内。

6.根据权利要求1所述无人机对接机构，其特征在于：所述凸轮（42）为椭圆形凸轮。

7.如权利要求1所述无人机对接机构的对接方法，其特征在于：对接公头（2）移动，接近对接母头（3），对接公头（2）的锁紧体（21）接触到对接母头（3）上的插销（330），并对其形成挤压力，由于受到对接过程中对接公头（2）的对接挤压，两个折形连杆（33）的另一端的拉力弹簧（32）被拉伸，对接公头（2）继续向对接母头（3）移动，当卡槽（210）移动到插销（330）的正下方时，插销（330）在拉力弹簧（32）拉力的作用下实现锁紧，此时插销（330）与卡槽（210）配合，限制对接机构直线方向的移动，对接体（22）与承载体（31）对接并被周向限位，至此对接动作完成。

8.如权利要求7所述无人机对接机构的分离方法，其特征在于：对接公头（2）和对接母头（3）处于结合状态，舵机（41）开始顺时针转动，驱动着凸轮（42）转动，挤压对接母头（3）上的两个折形连杆（33），使其克服末端拉力弹簧（32）拉力作用，两个插销（330）逐渐张开，凸轮（42）继续转动，顶压折形连杆（33），当两个插销（330）处于完全打开状态时，对接公头（2）不再受到直线方向的移动限制，离开对接母头（3），完成脱钩，对接公头（2）分离以后，舵机（41）驱动着凸轮（42）逆时针转动，在拉力弹簧（32）的拉力作用下两个插销（330）回到插孔（312）内，以准备下一次对接，此时对接机构分离动作完成。

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