CN116276949B - 一种用于旋翼无人机的机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于旋翼无人机的机械臂，包括对称安装在旋翼无人机上的两个第一基座，每个第一基座上可拆卸的安装有第一液压缸，第一液压缸的活塞端安装有第二基座，第二基座上可拆卸的安装有第二液压缸，第一液压缸与第二液压缸处于非平行状态，第二液压缸的活塞端可拆卸的安装有夹持块，第二基座上安装有套筒，套筒末端安装有第三液压缸，套筒前端的内壁设置有螺纹部，套筒前端安装有顶杆，顶杆与螺纹部啮合，顶杆底部通过转盘与第三液压缸的活塞端连接，顶杆顶部安装有若干个夹持臂；夹持块的夹持面上分别设置有两个第一夹持条和一个第二夹持条。本发明能够改进现有技术的不足，优化了液压机械臂的结构同时提高了抓取物品的稳定性。

Description

一种用于旋翼无人机的机械臂

技术领域

本发明涉及一种机械臂装置，尤其是一种用于旋翼无人机的机械臂。

背景技术

无人机是近些年快速发展的一种飞行器，其中旋翼无人机是一种可以自由悬停的无人机类型，可以配合机载机械臂用于物品的取放和运输。现有技术中，大部分机载机械臂是使用电机驱动的多轴机械臂，这类机械臂的优势在于灵活度高，适用范围广。但是，这类电机驱动的多轴机械臂也存在重量大、造价高的缺点。近些年，旋翼无人机上也出现了一些使用液压驱动的机械臂，液压驱动机构的重量不到同等级别电机驱动机构重量的三分之一，可以有效提高无人机的续航。所以，如何进一步简化使用在旋翼无人机上的液压机械臂的结构并提高其抓取稳定性成为了现阶段本领域的研究热点之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于旋翼无人机的机械臂，能够解决现有技术的不足，优化了液压机械臂的结构同时提高了抓取物品的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种用于旋翼无人机的机械臂，包括对称安装在旋翼无人机上的两个第一基座，每个第一基座上可拆卸的安装有第一液压缸，第一液压缸的活塞端安装有第二基座，第二基座上可拆卸的安装有第二液压缸，第一液压缸与第二液压缸处于非平行状态，第二液压缸的活塞端可拆卸的安装有夹持块，第二基座上安装有套筒，套筒末端安装有第三液压缸，套筒前端的内壁设置有螺纹部，两个套筒内的螺纹部的方向相反，套筒前端安装有顶杆，顶杆与螺纹部啮合，顶杆底部通过转盘与第三液压缸的活塞端连接，顶杆顶部安装有若干个夹持臂，夹持臂以顶杆轴线为中心对称排布；夹持块的夹持面上分别设置有两个第一夹持条和一个第二夹持条，两个第一夹持条以夹持面的垂直中线为对称轴竖向对称设置，顶杆在夹持面上的投影位于两个第一夹持条之间，第二夹持条水平设置。

作为优选，所述第一基座和第二基座上分别设置有支架，支架顶部通过连接轴轴接有安装板，轴接处安装有锁止螺栓，锁止螺栓用于锁定安装板与支架的相对位置，第一液压缸和第二液压缸分别与对应的安装板螺栓连接固定。

作为优选，所述夹持块内安装有第四液压缸，第四液压缸的活塞端安装有托板，托板位于夹持块的下方，托板朝向被夹持物的底部伸出。

作为优选，所述夹持臂包括刚性插槽，刚性插槽内插接有橡胶条。

作为优选，所述橡胶条顶部均匀开设有若干个开口部，相邻两个开口部之间的橡胶条内部设置有弹性加强筋，弹性加强筋底部与刚性插槽连接。

作为优选，所述刚性插槽背向顶杆伸出转动方向的一侧设置有与弹性加强筋一一对应的凸起限位部。

作为优选，所述第一夹持条表面设置有若干个与第一夹持条轴线垂直的橡胶凸楞，橡胶凸楞的两端分别设置有V形的加强筋。

作为优选，所述第二夹持条底面设置有与夹持块相连的支撑板。

作为优选，所述第一夹持条竖向倾斜设置，两个第一夹持条的间距由上至下逐渐减小，第二夹持条的两端分别与两个第一夹持条的底端连接。

作为优选，所述第一夹持条为刚性材质，第一夹持条表面设置有橡胶垫片，橡胶凸楞设置在橡胶垫片上，第二夹持条为柔性金属材质，第二夹持条的两端分别与橡胶垫片连接，第二夹持条与支撑板之间粘接有弹性海绵层。

采用上述技术方案所带来的有益效果在于：由于采用液压机构实现多自由度旋转的结构较为复杂，所以本发明选择了结构较为简单的平面式对向夹持方式。使用第一液压缸与第二液压缸实现机械臂的上下移动和向内夹持向外打开的功能，同时使用第三液压缸实现对物品上部的夹持固定。为了有效提高物品被夹持后的稳定性，本发明利用第三液压缸的伸缩带动顶杆在伸缩的同时产生旋转，从而在夹持臂与物品进行水平方向的压接夹持的同时在垂直方向推动物品使物品产生一个垂直与水平夹持方向的旋转趋势，与此同时物品的下部被第一夹持条和第二夹持条夹持，物体的这种旋转趋势就使得物品与第一夹持条和第二夹持条的接触部位产生一个平行于夹持接触面的相互作用力(静摩擦力)。这就使得整个物品不仅在上部和下部分别受到一个方向的夹持力，同时整个物品还与夹持接触面之间产生一个垂直与夹持方向的静摩擦力。夹持力主要用来实现在悬吊转运过程中对物品的向上提拉(克服物品重力)，而静摩擦力则是主要用来对转运过程中物品由于水平方向的晃动惯性产生的与夹持接触面的微小相对位移进行抑制，从而提高施加在物品上的夹持力的稳定性。夹持臂上的橡胶条在平行于接触面的静摩擦力的作用下可以产生弹性形变，从而有效抑制物品上部的振动。凸起限位部用来对橡胶条的最大形变进行限制。第一夹持条表面橡胶凸楞的作用与橡胶条类似，即利用物品与橡胶凸楞的静摩擦力抑制物品下部的振动。本发明利用顶杆不仅实现物品上部的夹持而且同时与夹持块的配合实现对物品与夹持接触面的微小相对位移和振动的抑制，结构简单，夹持稳定性高。第二夹持条一方面起到提高夹持块的夹持力的作用，同时在橡胶凸楞受到静摩擦力产生弹性形变的时候，由于第二夹持条的两端与橡胶凸楞连接，橡胶凸楞发生形变时第二夹持条被从两端拉紧，可以有效的弥补由于橡胶凸楞发生弹性形变后导致的物品与第二夹持条之间的受力均匀度偏差。通过设置可灵活调节角度的支架，从而可以根据具体的使用场景对第一液压缸和第二液压缸的安装角度进行调整，夹持块底部的托板可以在物品被无人机吊起后伸至物品底部对物品进行托举，从而进一步提高物品夹持起吊过程的稳定性。

附图说明

图1是本发明一个具体实施方式的单侧机械臂结构图。

图2是本发明一个具体实施方式中支架的结构图。

图3是本发明一个具体实施方式中夹持块上夹持面的结构图。

图4是本发明一个具体实施方式中橡胶凸楞上凹槽部位的局部放大图。

图5是本发明一个具体实施方式中夹持臂的局部放大图。

具体实施方式

参照图1-5，本发明一个具体实施方式包括对称安装在旋翼无人机上的两个第一基座1，每个第一基座1上可拆卸的安装有第一液压缸2，第一液压缸2的活塞端安装有第二基座3，第二基座3上可拆卸的安装有第二液压缸4，第一液压缸2与第二液压缸4处于非平行状态，第二液压缸4的活塞端可拆卸的安装有夹持块5，第二基座3上安装有套筒6，套筒6末端安装有第三液压缸7，套筒6前端的内壁设置有螺纹部8，两个套筒6内的螺纹部8的方向相反，套筒6前端安装有顶杆9，顶杆9与螺纹部8啮合，顶杆9底部通过转盘10与第三液压缸7的活塞端连接，顶杆9顶部安装有若干个夹持臂11，夹持臂11以顶杆9轴线为中心对称排布；夹持块5的夹持面上分别设置有两个第一夹持条12和一个第二夹持条13，两个第一夹持条12以夹持面的垂直中线为对称轴竖向对称设置，顶杆9在夹持面上的投影位于两个第一夹持条12之间，第二夹持条13水平设置。第一基座1和第二基座3上分别设置有支架14，支架14顶部通过连接轴15轴接有安装板16，轴接处安装有锁止螺栓17，锁止螺栓17用于锁定安装板16与支架14的相对位置，第一液压缸2和第二液压缸4分别与对应的安装板16螺栓连接固定。本发明在旋翼无人机上使用对称式的液压夹持结构实现无人机在悬停状态下夹取物品，每一侧通过最简单的两个串联组合的液压缸组成夹持驱动主体实现夹持动作。在此基础上，本发明设计了上下两个夹持部位，位于上方的顶杆9在夹持的同时还产生旋转，从而在夹持臂11与物品表面接触后，夹持臂11施加在物品接触上一个旋转的驱动力，这一旋转驱动力不仅使物品与夹持臂11之间产生了相互的静摩擦力，而且还同时使物品与夹持物品下方的第一夹持条12和第二夹持条13之间产生了相互的静摩擦力。由于上述物品上部的静摩擦力和物品下部的静摩擦力相互反向(一个向左另一个向右)且与物品的重力方向相互垂直，所以物品与其夹持接触面上的静摩擦力可以有效提高物品在悬吊过程中的稳定性。同时，本发明的这一结构设计中没有额外使用单独的驱动机构，即使用现有的夹持液压缸实现，最大程度的降低了机械臂的复杂度和重量。

夹持块5内安装有第四液压缸18，第四液压缸18的活塞端安装有托板19，托板19位于夹持块5的下方，托板19朝向被夹持物的底部伸出。通过加装托板19，可以直接从物品的底部实现托举，从而减小夹持臂11和夹持块5对物品直接夹持固定的负荷。

夹持臂11包括刚性插槽20，刚性插槽20内插接有橡胶条21。橡胶条21顶部均匀开设有若干个开口部22，相邻两个开口部22之间的橡胶条21内部设置有弹性加强筋23，弹性加强筋23底部与刚性插槽20连接。刚性插槽20背向顶杆9伸出转动方向的一侧设置有与弹性加强筋23一一对应的凸起限位部24。夹持臂11采用可形变设计，可以效抑制物品悬吊过程的振动。

第一夹持条12表面设置有若干个与第一夹持条12轴线垂直的橡胶凸楞25，橡胶凸楞25的两端分别设置有V形的加强筋26。第二夹持条13底面设置有与夹持块5相连的支撑板27。第一夹持条12竖向倾斜设置，两个第一夹持条12的间距由上至下逐渐减小，第二夹持条13的两端分别与两个第一夹持条12的底端连接。第一夹持条12为刚性材质，第一夹持条12表面设置有橡胶垫片28，橡胶凸楞25设置在橡胶垫片28上，第二夹持条13为柔性金属材质，第二夹持条13的两端分别与橡胶垫片28连接，第二夹持条13与支撑板27之间粘接有弹性海绵层29。由于物品在初始夹持状态下第二夹持条13是被紧紧压接在支撑板27上的，随着起吊和静摩擦力的建立，物品与第二夹持条13在接触面的各个位置的受力状态会出现改变。第一夹持条12上的橡胶凸楞25不仅实现了提高静摩擦力的作用，同时利用橡胶凸楞25对橡胶垫片28产生的弹性形变，使与橡胶垫片28对第二夹持条13进行拉紧，从而提高物品与第二夹持条13在接触面的各个位置的受力状态均匀度。

另外，橡胶凸楞25表面开设有若干个相互平行的凹槽30，凹槽30与橡胶凸楞25的轴线夹角为45°，凹槽30内固定有Y型支撑片31，Y型支撑片31的顶部两端分别与凹槽30的内侧壁连接，Y型支撑片31的底部与凹槽30的底面连接。通过对橡胶凸楞25的结构进行上述优化，可以有效的提高橡胶凸楞25对物品的夹持稳定性，尤其是可以强化通过顶杆9旋转建立起来的静摩擦力对物品的夹持稳定性的增强。

本发明的使用方法为：使用前，根据物品大小和形状，调整两个安装板16的固定角度，然后使用锁止螺栓17锁紧安装板16，然后将对应型号的第一液压缸2和第二液压缸4安装在对应的安装板16上。机械臂组装完毕后，启动旋翼无人机，使旋翼无人机悬停在待吊装的物品上方，启动第一液压缸2和第二液压缸4，首先将夹持块5对准物品的夹持位置，使用夹持块5对物品进行预夹持。旋翼无人机将悬停高度稍稍提升，然后启动第三液压缸7，使用夹持臂11对物品进行夹持，与此同时由于夹持臂11的旋转，使物品与夹持臂11、第一夹持条12和第二夹持条13之间产生静摩擦力，最后旋翼无人正式起飞，同时启动第四液压缸18，使用托板19对物品底部进行托举。到达目标位置后，首先回收托板19，然后松开夹持臂11，然后调整旋翼无人机悬停位置将物品放置平稳后，再松开夹持块5，完成物品的运输。旋翼无人机返航，进行下一次夹持运输。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种用于旋翼无人机的机械臂，其特征在于：包括对称安装在旋翼无人机上的两个第一基座（1），每个第一基座（1）上可拆卸的安装有第一液压缸（2），第一液压缸（2）的活塞端安装有第二基座（3），第二基座（3）上可拆卸的安装有第二液压缸（4），第一液压缸（2）与第二液压缸（4）处于非平行状态，第二液压缸（4）的活塞端可拆卸的安装有夹持块（5），第二基座（3）上安装有套筒（6），套筒（6）末端安装有第三液压缸（7），套筒（6）前端的内壁设置有螺纹部（8），两个套筒（6）内的螺纹部（8）的方向相反，套筒（6）前端安装有顶杆（9），顶杆（9）与螺纹部（8）啮合，顶杆（9）底部通过转盘（10）与第三液压缸（7）的活塞端连接，顶杆（9）顶部安装有若干个夹持臂（11），夹持臂（11）以顶杆（9）轴线为中心对称排布；夹持块（5）的夹持面上分别设置有两个第一夹持条（12）和一个第二夹持条（13），两个第一夹持条（12）以夹持面的垂直中线为对称轴竖向对称设置，顶杆（9）在夹持面上的投影位于两个第一夹持条（12）之间，第二夹持条（13）水平设置；第一夹持条（12）表面设置有若干个与第一夹持条（12）轴线垂直的橡胶凸楞（25），橡胶凸楞（25）的两端分别设置有V形的加强筋（26）；第二夹持条（13）底面设置有与夹持块（5）相连的支撑板（27）；第一夹持条（12）竖向倾斜设置，两个第一夹持条（12）的间距由上至下逐渐减小，第二夹持条（13）的两端分别与两个第一夹持条（12）的底端连接；第一夹持条（12）为刚性材质，第一夹持条（12）表面设置有橡胶垫片（28），橡胶凸楞（25）设置在橡胶垫片（28）上，第二夹持条（13）为柔性金属材质，第二夹持条（13）的两端分别与橡胶垫片（28）连接，第二夹持条（13）与支撑板（27）之间粘接有弹性海绵层（29）。

2.根据权利要求1所述的用于旋翼无人机的机械臂，其特征在于：所述第一基座（1）和第二基座（3）上分别设置有支架（14），支架（14）顶部通过连接轴（15）轴接有安装板（16），轴接处安装有锁止螺栓（17），锁止螺栓（17）用于锁定安装板（16）与支架（14）的相对位置，第一液压缸（2）和第二液压缸（4）分别与对应的安装板（16）螺栓连接固定。

3.根据权利要求1所述的用于旋翼无人机的机械臂，其特征在于：所述夹持块（5）内安装有第四液压缸（18），第四液压缸（18）的活塞端安装有托板（19），托板（19）位于夹持块（5）的下方，托板（19）朝向被夹持物的底部伸出。

4.根据权利要求1所述的用于旋翼无人机的机械臂，其特征在于：所述夹持臂（11）包括刚性插槽（20），刚性插槽（20）内插接有橡胶条（21）。

5.根据权利要求4所述的用于旋翼无人机的机械臂，其特征在于：所述橡胶条（21）顶部均匀开设有若干个开口部（22），相邻两个开口部（22）之间的橡胶条（21）内部设置有弹性加强筋（23），弹性加强筋（23）底部与刚性插槽（20）连接。

6.根据权利要求5所述的用于旋翼无人机的机械臂，其特征在于：所述刚性插槽（20）背向顶杆（9）伸出转动方向的一侧设置有与弹性加强筋（23）一一对应的凸起限位部（24）。