CN115230938B - 一种用于模块化无人机模块更换的快速连接机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模块化无人机模块更换的快速连接机构，包括两个舱壳体，两个模块舱段由楔形锁紧组件连接；楔形锁紧组件由楔形锁块、顶销、顶销限位件、压簧构成，楔形锁块限制两个舱段模块间的相对轴向运动，压簧通过顶销压紧楔形锁块来消除两个舱段间的运动间隙；两个舱壳体上分别设计有定位块和定位槽，定位块与定位槽配合限制两个舱壳体间的相对周向运动。本发明采用楔形锁紧组件实现模块化无人机相邻模块舱壳体间快速对接锁紧功能，具有结构简单、拆装容易的优点，可以实现模块化无人机快速安装与拆卸。

Description

一种用于模块化无人机模块更换的快速连接机构

技术领域

本发明属于模块化无人飞行器技术领域，具体涉及一种模块化无人机的快速接口机构。

背景技术

随着“蜂群”概念的兴起，无人机集群化基于成本、规模、模式、协同等方面的优势，能够提升整个作战体系的弹性及稳健性，其作为一种新质作战手段，受到各军事强国的广泛关注，以期提升作战体系的对抗能力。针对集群无人机低成本、可消耗、多样化异构的特点，如果依然采用面向功能需求的无人机单体设计，将造成设计制造成本直线上升，与集群化的要求背道而驰。“通用化平台+任务模块”的模块化设计思路可以很好地规避这一问题，通过模块重新组合，实现无人机“一型多用”。不仅如此，模块化无人机可以像拼搭积木一样迅速调换受损零部件，不仅缩短了无人机制造周期，还可以在战时缩短维修时间，实现无人机战力快速形成的能力。

为了保证模块化无人机模块更换的效率，需要设计快速连接机构以实现无人机各模块的便捷、快速地组合。而现有无人机模块的连接机构/结构主要考虑其承载、传力特性，拆卸及重新连接所需的步骤和环节较多，采用此种快速连接机构/结构的模块化无人机在野外环境下模块的更换耗时较长，无法发挥模块化无人机高效重构、作战能力快速生成的优势。

为此，需要设计一种快速连接接口机构，以实现模块化无人机模块的快速更换、高效组合，支撑模块化无人机作战能力重构、快速生成。

发明内容

本发明的目的在于解决现有无人机模块连接机构更换时步骤繁多，耗时的不足之处，而提供一种用于模块化无人机模块更换的快速连接机构，采用该连接机构的模块化无人机，相邻模块间可以实现快速连接与快速拆卸功能。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

一种用于模块化无人机模块更换的快速连接机构，其特征在于：包括舱壳体A和舱壳体B；两个舱壳体间通过周向限位单元和轴向限位锁紧单元连接；

所述舱壳体A为外台阶式壳体，包括外径依次递减的第一壳体、第二壳体和第三壳体；所述舱壳体B为与舱壳体A相适配的内台阶式壳体，包括内径依次递减的壳体一、壳体二和壳体三；其中，壳体一与第二壳体适配，壳体二与第三壳体适配，且第一壳体和壳体三的内壁均设置为与无人机模块外形适配安装的结构；

所述周向限位单元包括N个沿舱壳体A第二壳体外壁周向间隔设置的定位块，以及N个沿舱壳体B壳体一内壁周向设置可使定位块顺利进出的定位槽；其中，N为大于等于4的偶数(为了保证力传递有效性，考虑到无人机存在4个象限，N取值大于等于4，且避免单数带来的载荷不对称)；即定位块与定位槽相配合实现周向定位；

所述轴向限位锁紧单元包括M个沿舱壳体A第三壳体外壁周向间隔设置的斜槽、M个沿舱壳体B壁面与斜槽配合的导向槽以及M个楔形锁紧组件；其中，M为大于2的整数(最好取偶数，确保承载对称性)；

其中，斜槽的斜面自第三壳体向第一壳体方向朝舱壳体A中轴线方向倾斜；导向槽自壳体三向壳体一方向包括直通槽和短倾槽；其中，短倾槽的斜面自壳体三向壳体一方向朝舱壳体B中轴线方向倾斜；

壳体A和舱壳体B连接后，斜槽与导向槽连通，且斜槽与短倾槽形成一个长倾槽；

所述楔形锁紧组件沿轴向设置在导向槽内，与导向槽配合，包括楔形锁块、顶销、压簧、以及顶销限位件；

其中，压簧的一端安装在导向槽靠近壳体三的壁面上；

顶销的轴向截面为U型，其位于导向槽内，并从压簧的另一端套装在压簧外侧；

顶销限位件安装在导向槽外侧，用于限位顶销径向移动；

楔形锁块包括连接的竖臂和斜臂，竖臂安装在顶销的U型底面上，压簧通过顶销将压缩力传递至楔形锁块上，使斜臂插入长倾槽内，斜臂为T型滑块，其上表面和下表面为角度相同的斜面，分别与长倾槽的顶面和底面配合，实现两个舱壳体的锁定及轴向约束定位，即装配时在压簧的作用下，顶销推动楔形锁块，使楔形锁块插入舱壳体A上的斜槽，从而限制舱壳体A与舱壳体B之间的轴向运动，锁定状态下压簧通过顶销将压缩力传递至楔形锁块上，进而压紧楔形锁块来消除两个舱段间的运动间隙，防止楔形锁块受到静态、动态载荷产生回退，出现脱锁现象，限制了两个舱壳体件的轴向运动；

其中，楔形锁块的楔形角度(即楔形锁块上下配合面相对于水平面的倾斜角度)与斜槽角度θ相同，且大于3°小于摩擦自锁角8.5°，也就是说，要实现锁紧功能，斜槽角度必须大于0°，而楔形锁块要实现自锁，楔角应小于摩擦自锁角8.5°，同时为了便于解锁，楔形锁块自锁角度尽量取大于3°，以免需要较大的解锁行程及较大的解锁力；

压簧自由状态下的长度、顶销U型底面的厚度以及楔形锁块竖臂的厚度之和大于导向槽的长度。

进一步地，N个定位块均匀间隔设置在第二壳体的外壁上，且紧邻第一壳体和第二壳体的台阶面设置，其高度低于台阶面的高度，长度短于定位槽的长度。

进一步地，为了减小接口重量，N的数量不易过多，所述N取6、8或10，且M与N取值相同，具体可依据无人机的几何尺度大小，选取M、N值。

进一步地，为了使整个连接机构的结构更加合理稳定，所述定位槽与导向槽位于同一母线上。

进一步地，所述M和N均取8。由于无人机在多个飞行模态下，受载方向不定，容易出现各方向受力不均现象，M、N取8可以确保壳体间的力有效传递，同时不会让单个楔形锁块受力过大出现结构屈服甚至破坏，导致其失效的情况。

进一步地，为了在无人机飞行时快速连接机构对无人机外气流产生影响，影响无人机飞行，舱壳体A和舱壳体B连接后，两个舱壳体的外周面齐平。

利用上述快速连接机构进行模块化无人机模块的装配与拆卸方法，其特征在于：

相邻模块舱段装配时：

1)将舱壳体A和舱壳体B分别安装在两个相邻的无人机模块上；

2)将舱壳体A上的定位块对准舱壳体B上的定位槽，通过外力使舱壳体A插入舱壳体B实现对接；舱壳体A端面推动楔形锁块，使楔形锁块退出并压缩压簧，轴向装配到位后楔形锁块在压簧的驱动下插入舱壳体A上的斜槽实现自锁，进而锁紧两个舱壳体，完成装配；

相邻模块舱段拆卸时：

通过外力将楔形锁块从舱壳体A上斜槽内退出后，两个舱体间的轴向约束取消，两个舱壳体可以沿轴向分离拆卸。

进一步地，相邻模块舱段拆卸时，利用环形工装同时推动楔形锁块从舱壳体A上斜槽内退出，解除两个舱体间的轴向约束。

本发明的优点是：

1.本发明提出的用于模块化无人机模块更换的快速连接机构操作简单；可以实现两个模块舱段间的快速装配，只需要将两个模块舱段以正确的位置对接插入即可装配在一起；可以实现两个模块舱段间的快速拆卸，只需要将楔形锁块退出斜槽，即可将两个模块的舱段轻松分离。

2.本发明提出的用于模块化无人机模块更换的快速连接机构，通过其楔形自锁与压簧消隙功能相组合，能够保证机构受到静态、动态载荷作用下，不出现脱锁情况。

3.本发明采用楔形锁紧组件的楔形锁块是双斜面的结构形式，通过双斜面同时实现两个舱体的配合锁紧，解除后两个舱体都与楔形锁块同时分离，实现舱体间的快速脱离。即，通过楔形斜面，实现模块化无人机相邻模块舱段间快速对接锁紧功能，具有结构简单、拆装容易的优点，可以实现模块化无人机快速安装与拆卸；并且能够实现多个楔形锁块通过斜面同时锁定，以及借助环形工装同时推动楔形锁块进行解锁的功能，确保同步受力。由此，在锁紧连接过程中避免多个楔形锁块中某个楔形锁块无法到位锁紧的情况，使得整个连接结构受力不均匀，连接不可靠；在解锁过程中，避免多个楔形锁块中某个锁块无法完全解锁，影响两个舱体有效分离。

4.本发明快速连接机构采用斜向插入楔块，与径向插入楔块相比在直径方向上占用空间小，同时操作比较方便。与传统卡环连接需要拧螺钉来消隙实现锁紧功能相比，本发明仅依靠楔块的摩擦自锁便能实现消隙解锁功能，不需要拧螺钉操作，操作十分简单。此外，还充分考虑了楔形锁紧组件空间占用问题，尤其是对连接舱段的口径影响。

附图说明

图1是本发明用于模块化无人机更换的快速连接机构在模块化无人机中的应用示意图；

图2是本发明用于模块化无人机更换的快速连接机构的结构图；

图3是本发明用于模块化无人机更换的快速连接机构中舱段壳体A结构图；

图4是本发明用于模块化无人机更换的快速连接机构中舱段壳体B结构图；

图5是本发明用于模块化无人机更换的快速连接机构中楔形锁块结构图；

图6是本发明用于模块化无人机更换的快速连接机构锁紧状态示意图；

图7是本发明用于模块化无人机更换的快速连接机构拆卸前解锁状态示意图；

附图标号如下：

1.制导模块；2.飞控模块；3.毁伤模块；4.动力模块；5.快速连接机构；5-1.舱壳体A；5-1-1.定位块；5-1-2.斜槽；5-2.舱壳体B；5-2-1.定位槽；5-2-2.导向槽；5-3.楔形锁块；5-4.顶销；5-5.顶销限位件；5-6.压簧；01-第一壳体；02-第二壳体；03-第三壳体；04-壳体一；05-壳体二；06-壳体三；07-竖臂；08-斜臂。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

一种用于模块化无人机模块更换的快速连接机构，用于实现无人机相邻模块间快速装配和拆卸，如图1所示，制导模块1、飞控模块2、毁伤模块3、动力模块4间通过快速连接机构5装配在一起。

该快速连接机构，如图2-图7所示，包括舱壳体A5-1、舱壳体B5-2，二者通过周向限位单元和轴向限位锁紧单元连接。

舱壳体A为外台阶式壳体，包括外径依次递减的第一壳体、第二壳体和第三壳体；所述舱壳体B为与舱壳体A相适配的内台阶式壳体，包括内径依次递减的壳体一、壳体二和壳体三；其中，壳体一与第二壳体适配，壳体二与第三壳体适配，且第一壳体和壳体三的内壁均设置为与无人机模块外形适配安装的结构；对接后，舱壳体A和舱壳体B连接后，两个舱壳体的外周面齐平。

周向限位单元包括8个沿舱壳体A第二壳体外壁周向均匀间隔设置的定位块，以及8个沿舱壳体B壳体一内壁周向设置可使定位块顺利进出的定位槽。定位块紧邻第一壳体和第二壳体的台阶面设置，其高度低于台阶面的高度，长度短于定位槽的长度。

轴向限位锁紧单元包括8个沿舱壳体A第三壳体外壁周向间隔设置的斜槽、8个沿舱壳体B壁面与斜槽配合的导向槽以及8个楔形锁紧组件。其中，斜槽的斜面自第三壳体向第一壳体方向朝舱壳体A中轴线方向倾斜；导向槽与定位槽位于同一母线上导向槽自壳体三向壳体一方向包括直通槽和短倾槽；其中，短倾槽的斜面自壳体三向壳体一方向朝舱壳体B中轴线方向倾斜；壳体A和舱壳体B连接后，斜槽与导向槽连通，且斜槽与短倾槽形成一个长倾槽；楔形锁紧组件沿轴向设置在导向槽内，包括楔形锁块、顶销、压簧、以及顶销限位件；其中，压簧的一端安装在导向槽靠近壳体三的壁面上；顶销的轴向截面为U型，其位于导向槽内，并从压簧的另一端套装在压簧外侧；顶销限位件安装在导向槽外侧，限制顶销径向移动；楔形锁块包括连接的竖臂和斜臂，竖臂安装在顶销的U型底面上(竖臂用于方便解锁并受压簧作用避免其受力回退解锁)，压簧通过顶销将压缩力传递至楔形锁块的竖臂上，使斜臂插入所述长倾槽内，斜臂的上表面和下表面均为斜面，分别与长倾槽的顶面和底面配合，实现两个舱壳体的锁定及轴向约束定位；其中，楔形锁块的楔形角度(即楔形锁块上下配合面相对于水平面的倾斜角度)与斜槽角度θ相同，且大于3°小于摩擦自锁角8.5°，也就是说，要实现锁紧功能，斜槽角度必须大于0°，而楔形锁块要实现自锁，楔角应小于摩擦自锁角8.5°，同时为了便于解锁，楔形锁块自锁角度尽量取大于3°，以免需要较大的解锁行程及较大的解锁力；压簧自由状态下的长度、顶销U型底面的厚度以及楔形锁块竖臂的厚度之和大于导向槽的长度。

本发明一种用于模块化无人机模块更换的快速连接机构的工作过程为：

相邻模块舱段装配时：

1)将舱壳体A和舱壳体B分别安装在两个相邻的无人机模块上；

2)将舱壳体A上的定位块对准舱壳体B上的定位槽，通过外力使舱壳体A插入舱壳体B实现对接；舱壳体A端面推动楔形锁块，使楔形锁块退出并压缩压簧，轴向装配到位后楔形锁块在压簧的驱动下插入舱壳体A上的斜槽实现自锁，进而锁紧两个舱壳体，完成装配；

如图5所示，舱壳体A5-1与舱壳体B5-2处于锁紧状态，在压簧5-5的作用下，顶销5-4顶紧楔形锁块5-3，楔形锁块5-3插入舱壳体A5-1上的斜槽5-1-2，实现舱壳体A5-1与舱壳体B5-2之间的轴向约束定位。

相邻模块舱段拆卸时：

通过外力(比如：利用环形工装同时推动)将楔形锁块从舱壳体A上斜槽内退出后，两个舱体间的轴向约束取消，两个舱壳体可以沿轴向分离拆卸。

如图6所示，舱壳体A5-1与舱壳体B5-2处于解锁状态，楔形锁块5-3退出舱壳体5-1上斜槽5-1-2，舱壳体A5-1与舱壳体B5-2轴向约束取消，可以轴向分离拆卸。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于模块化无人机模块更换的快速连接机构，其特征在于：包括舱壳体A和舱壳体B；两个舱壳体间通过周向限位单元和轴向限位锁紧单元连接；

所述舱壳体A为外台阶式壳体，包括外径依次递减的第一壳体、第二壳体和第三壳体；所述舱壳体B为与舱壳体A相适配的内台阶式壳体，包括内径依次递减的壳体一、壳体二和壳体三；其中，壳体一与第二壳体适配，壳体二与第三壳体适配，且第一壳体和壳体三的内壁均设置为与无人机模块外形适配安装的结构；

所述周向限位单元包括N个沿舱壳体A第二壳体外壁周向间隔设置的定位块，以及N个沿舱壳体B壳体一内壁周向设置可使定位块顺利进出的定位槽；其中，N为大于等于4的偶数；

所述轴向限位锁紧单元包括M个沿舱壳体A第三壳体外壁周向间隔设置的斜槽、M个沿舱壳体B壁面与斜槽配合的导向槽以及M个楔形锁紧组件；其中，M为大于2的整数；

其中，斜槽的斜面自第三壳体向第一壳体方向朝舱壳体A中轴线方向倾斜；导向槽自壳体三向壳体一方向包括直通槽和短倾槽；其中，短倾槽的斜面自壳体三向壳体一方向朝舱壳体B中轴线方向倾斜；

壳体A和舱壳体B连接后，斜槽与导向槽连通，且斜槽与短倾槽形成一个长倾槽；

所述楔形锁紧组件沿轴向设置在导向槽内，包括楔形锁块、顶销、压簧、以及顶销限位件；

其中，压簧的一端安装在导向槽靠近壳体三的壁面上；

顶销的轴向截面为U型，其位于导向槽内，并从压簧的另一端套装在压簧外侧；

顶销限位件安装在导向槽外侧，限制顶销径向移动；

楔形锁块包括连接的竖臂和斜臂，竖臂安装在顶销的U型底面上，压簧通过顶销将压缩力传递至楔形锁块上，使斜臂插入所述长倾槽内，所述斜臂的上表面和下表面均为斜面，分别与长倾槽的顶面和底面配合，实现两个舱壳体的锁定及轴向约束定位；其中，楔形锁块的楔形角度与斜槽角度相同，且大于3°小于摩擦自锁角8.5°；

压簧自由状态下的长度、顶销U型底面的厚度以及楔形锁块竖臂的厚度之和大于导向槽的长度。

2.根据权利要求1所述一种用于模块化无人机模块更换的快速连接机构，其特征在于：

N个定位块均匀间隔设置在第二壳体的外壁上，且紧邻第一壳体和第二壳体的台阶面设置，其高度低于台阶面的高度，长度短于定位槽的长度。

3.根据权利要求2所述一种用于模块化无人机模块更换的快速连接机构，其特征在于：

所述N取6、8或10，且M与N取值相同。

4.根据权利要求3所述一种用于模块化无人机模块更换的快速连接机构，其特征在于：

所述定位槽与导向槽位于同一母线上。

5.根据权利要求4所述一种用于模块化无人机模块更换的快速连接机构，其特征在于：

所述M和N均取8。

6.根据权利要求5所述一种用于模块化无人机模块更换的快速连接机构，其特征在于：

舱壳体A和舱壳体B连接后，两个舱壳体的外周面齐平。

7.利用权利要求1-6任一所述快速连接机构进行模块化无人机模块的装配与拆卸方法，其特征在于：

相邻模块舱段装配时：

1)将舱壳体A和舱壳体B分别安装在两个相邻的无人机模块上；

2)将舱壳体A上的定位块对准舱壳体B上的定位槽，通过外力使舱壳体A插入舱壳体B实现对接；舱壳体A端面推动楔形锁块，使楔形锁块退出并压缩压簧，轴向装配到位后楔形锁块在压簧的驱动下插入舱壳体A上的斜槽实现自锁，进而锁紧两个舱壳体，完成装配；

相邻模块舱段拆卸时：

通过外力将楔形锁块从舱壳体A上斜槽内退出后，两个舱体间的轴向约束取消，两个舱壳体可以沿轴向分离拆卸。

8.根据权利要求7所述快速连接机构进行模块化无人机模块的装配与拆卸方法，其特征在于：

相邻模块舱段拆卸时，利用环形工装同时推动楔形锁块从舱壳体A上斜槽内退出，解除两个舱体间的轴向约束。