CN116424591A - 一种具有机械臂双刚度折展组件的无人机 - Google Patents

Abstract

一种具有机械臂双刚度折展组件的无人机属航空航天技术领域，本发明的驱动装置固接于基础无人机的支撑板上面，机械臂双刚度折展组件上表面与支撑板的下表面粘接；活塞式机械爪的外壳顶面与机械臂双刚度折展组件中单元Ⅵ的下表面粘接；本发明的机械臂双刚度折展组件结构简单、重量轻、折展比大，具有三个自由度，结合无人机系统可实现6个自由度运动，能拓展无人机的功能，将无人机的应用从非接触任务勘测、搜索、监视拓展至接触任务操作、抓取。本发明的折展单元具有双刚度特性，可实现自锁并具有一定的抗拉、抗压、抗扭转性能，可应用于无人机、无人车、无人船和连续体机器人等领域，将为各领域机械化、自动化和智能化的发展带来新的领域应用。

Description

一种具有机械臂双刚度折展组件的无人机

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，具体涉及一种具有机械臂双刚度折展组件的无人机。

背景技术

随着科技的发展，在无人机、无人车、无人船和连续体机器人领域对高性能机构的需求越来越大，其中折展机构成为研究热点。目前对折展机构提出了质量轻、强度高和压缩比大的要求，并希望折展机构具有双刚度或变刚度等特征。折展机构的突破将为各领域机械化、自动化和智能化的发展带来新的领域应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于折纸原理的可折展双刚度组件，该装置具有折展机构特性，重量轻、压缩比高，可自锁，可以应用在无人机、无人车搭载机械臂设计、连续体机器人设计、柔性机器人设计等领域。

本发明由基础无人机A、驱动装置B、机械臂双刚度折展组件C和活塞式机械爪D组成，所述的基础无人机A为现有的四旋翼无人机无人机，其中部设有支撑板1，所述的活塞式机械爪D为现有的活塞式机械爪，其中设有外壳23，驱动装置B置于基础无人机A中支撑板1的上表面，由螺栓穿过端盖7的螺栓孔7c固接；机械臂双刚度折展组件C上表面与基础无人机A中支撑板1的下表面粘接；活塞式机械爪D的外壳23顶面与机械臂双刚度折展组件C中单元ⅥC6的下表面粘接。

所述的具有机械臂双刚度折展组件的无人机，所述的驱动装置B由驱动器ⅠB1和驱动器ⅡB2组成,驱动器ⅠB1和驱动器ⅡB2结构相同，对称固接于基础无人机A中支撑板1的上表面，其中以驱动器ⅠB1为例，由电机2、齿轮Ⅰ3、齿轮Ⅱ4、齿轮Ⅲ5、齿轴6、端盖7、绕线轮8、齿轮Ⅳ9、齿轮Ⅴ10、齿轮Ⅵ11、轴12、中箱13、螺栓14和底盖15组成，其中端盖7的四角设有孔组Ⅰ7d的四个孔，中部设有孔Ⅰ7a和孔Ⅱ7b,端盖7前后侧设有螺栓孔对7c的两个孔；中箱13为无盖长方形框架结构，其四角设有孔组Ⅱ13d的四个孔，中部设有内挡板13a、轴孔Ⅰ13b、轴孔Ⅱ13c；电机2固接于中箱13的内挡板13a；齿轮Ⅰ3固接于电机2的输出端，齿轮Ⅱ4和齿轮Ⅲ5固接于齿轴6的下部；绕线轮8固接于齿轮Ⅳ9上面，齿轮Ⅳ9、齿轮Ⅴ10和齿轮Ⅵ11自上而下固接于轴12；齿轴6上部小孔插入端盖7中的孔Ⅰ7a，齿轴6上部与孔Ⅰ7a活动连接，齿轴6下部插入中箱13的轴孔Ⅰ13b，齿轴6下部与中箱13的轴活动孔Ⅰ13b活动连接；轴12下部插入中箱13的轴孔Ⅱ13c；绕线轮8插入端盖7中的孔Ⅱ7b；齿轮Ⅰ3与齿轮Ⅱ4啮合，齿轮Ⅲ5与齿轮Ⅴ10啮合，齿轴6与齿轮Ⅳ9啮合；底盖15、中箱13和端盖7自下而上顺序排列，并经螺栓14固接。

所述的具有机械臂双刚度折展组件的无人机，所述的机械臂双刚度折展组件C由折展单元ⅠC1、折展单元ⅡC2、折展单元ⅢC3、折展单元ⅣC4、折展单元ⅤC5和折展单元ⅥC6组成，折展单元ⅠC1、折展单元ⅡC2、折展单元ⅢC3、折展单元ⅣC4、折展单元ⅤC5和折展单元ⅥC6结构相同，且自上而下顺序排列并固接，其中以折展单元ⅠC1为例，由上下板对16、前后板对17、左右板对18、前鱼线19a、后鱼线19b、前V形板20a、后V形板20b、短弹性绳对21和长弹性绳对22组成，上下板对16中两块板的上板设有前孔Ⅰ16a和后孔Ⅰ16b；上下板对16中两块板的下板设有前孔Ⅱ16c和后孔Ⅱ16d；折展单元ⅠC1中上下板对16的下板，即折展单元ⅡC2中上下板对的上板，折展单元ⅢC3、折展单元ⅣC4、折展单元ⅤC5和折展单元ⅥC6中的上下板对的上下板关系，亦与之相同；前V形板20a设有顶孔Ⅰ20c；后V形板20b设有顶孔Ⅱ20d；前后板对17的两块板的上下端，与上下板对16的两块板的前后端由弹性膜铰接；左右板对18的两块板的上下端，与上下板对16的两块板的左右端由弹性膜铰接；前后板对17的两块板能以a-a线折叠；左右板对18的两块板能以b-b线、c-c线、d-d线折叠；前V形板20a和后V形板20b，分别固接于前后板对17的两块板里面，且位于的a-a线处；前鱼线19a由上下板对16中的上板的前孔Ⅰ16a穿入，再穿过前V形板20a的顶孔20c后，由上下板对16中的前孔Ⅱ16c穿出。前鱼线19a末端与折展单元ⅥC6中上下板对16的下板固接。后鱼线19b由上下板对16中的上板的后孔Ⅰ16b穿入，再穿过后V形板20b的顶孔20d后，由上下板对16中的后孔Ⅱ16d穿出。后鱼线19b末端与折展单元ⅥC6中上下板对16的下板固接。前鱼线19a和后鱼线19b分别与各自的驱动装置b中绕线轮8固接。短弹性绳对21的两根弹性绳的前端分别固接于v形板两板重合处边缘前V形板20a中顶孔Ⅰ20c的左右两侧；两根弹性绳的后端后分别固接于V形板20b中顶孔Ⅱ20d的左右两侧；长弹性绳对22的两根弹性绳的前后端，分别固接于前后板对17的两块板的a-a线左右两端。

所述的具有机械臂双刚度折展组件的无人机，所述的机械臂双刚度折展组件C中上下板对16、前后板对17、左右板对18的材料为碳纤维刚性材料，其厚度为0.2—0.5mm，折痕和连接材料为聚二甲基硅氧烷薄膜，其厚度为0.2—0.5mm。

本发明的工作过程如下：

机械臂双刚度折展组件C初始状态处于展开状态，前鱼线19a缠在驱动器ⅠB1绕线轮8上，后鱼线19b缠在驱动器ⅡB2绕线轮上，驱动器ⅠB1和驱动器ⅡB2中2个电机2通电，电机转动2经齿轮组带动绕线轮8转动，前鱼线19a绷紧带动前V形板对20a，后鱼线19b绷紧带动后V形板对20b，推动前后板对17的折痕a-a线，使得前后板对17折叠，由正刚度转换成零刚度，机械臂双刚度折展组件C由展开状态转变为折叠状态。

驱动器ⅠB1中电机2转动时，前侧前后板对17折叠，机械臂双刚度折展组件C由展开状态转变为向前弯曲状态。驱动器ⅡB2中电机2转动时，后侧前后板对17折叠，机械臂双刚度折展组件C由展开状态转变为向后弯曲状态。

驱动器ⅠB1和驱动器ⅡB2中2个电机2反转，前鱼线19a和后鱼线19b放松，折展单元中长弹性绳22拉动前后板对17，使得前后板对17展开并转变为正刚度状态，机械臂双刚度折展组件C由折叠状态转变为展开状态。

其中，前鱼线19a和后鱼线19b用于间接驱动，短弹性绳对21用于前V型板20a和后V型板20b的限位，长弹性绳对22用于驱动折展单元转变并保持展开状态。

本发明的有益效果在于：

1.本发明涉及的机械臂双刚度折展组件结构简单、重量轻、折展比大，具有三个自由度，结合无人机系统可实现6个自由度运动，拓展了无人机的功能，将无人机的应用从非接触任务勘测、搜索、监视拓展至接触任务操作、抓取。

2.本发明涉及的折展单元具有正刚度、零刚度两个刚度，具有一定的力学性能，可承受一定的拉、压、扭转载荷，可应用于连续体机器人设计、柔性机器人设计等不同领域。

3.本发明采用模块化设计，拓展性高，末端执行器可换成相机、锁套等以便于执行更多任务，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为具有机械臂双刚度折展组件C的无人机的轴测图；

图2为基础无人机A的轴测图；

图3为驱动装置B的爆炸图；

图4为驱动装置B内部驱动装置的轴测图；

图5为驱动装置B上盖13的轴测图；

图6为驱动装置B端盖7的轴测图；

图7为机械臂双刚度折展组件C的轴测图；

图8为折展单元内部状态的轴测图；

图9为折展单元折叠时的轴测图；

图10为折展单元展开状态的轴测图；

图11为折展单元折叠状态的轴测图；

图12为折展单元弯曲状态的轴测图；

图13为折展单元展开状态的上视图；

图14为前后板对17和左右板对18的折痕图；

图15为活塞式机械爪的轴测图；

图16为机械臂双刚度折展组件C与前鱼线19a连接的轴测图；

图17为为机械臂双刚度折展组件C，驱动装置B与前鱼线19a和后鱼线19b连接的侧视图；

其中：A.基础无人机B.驱动装置B1.驱动器ⅠB2.驱动器ⅡC.机械臂双刚度折展组件D.活塞式机械爪1.支撑板2.电机3.齿轮Ⅰ4.齿轮Ⅱ5.齿轮Ⅲ6.齿轴7.端盖7a.孔Ⅰ7b.孔Ⅱ7c.螺栓孔对7d.孔组Ⅰ8.绕线轮9.齿轮Ⅳ10.齿轮Ⅴ11.齿轮Ⅵ12.轴13.中箱13a.内挡板13b.轴孔Ⅰ13c.轴孔Ⅱ13d.孔组Ⅱ14.螺栓15.底盖16.上下板对16a.前孔Ⅰ16b.后孔Ⅰ16c.前孔Ⅱ16d.后孔Ⅱ17.前后板对18.左右板对19a.前鱼线19b.后鱼线20a.前V形板20b.后V形板20c.顶孔Ⅰ20d.顶孔Ⅱ21.短弹性绳对22.长弹性绳对23.外壳。

具体实施方式

如图1至图3、图15所示，本发明一种具有机械臂双刚度折展组件的无人机，由基础无人机A、驱动装置B、机械臂双刚度折展组件C和活塞式机械爪D组成，驱动装置B置于基础无人机A中支撑板1的上表面，由螺栓穿过端盖7的螺栓孔7c固接；机械臂双刚度折展组件C上表面与基础无人机A中支撑板1的下表面粘接；活塞式机械爪D的外壳23顶面与机械臂双刚度折展组件C中单元ⅥC6的下表面粘接。

如图2所示，所述的基础无人机A为现有的四旋翼无人机无人机，其中部设有支撑板1。

如图3至图6所示，所述的驱动装置B由驱动器ⅠB1和驱动器ⅡB2组成,驱动器ⅠB1和驱动器ⅡB2结构相同，对称固接于基础无人机A中支撑板1的上表面，其中以驱动器ⅠB1为例，由电机2、齿轮Ⅰ3、齿轮Ⅱ4、齿轮Ⅲ5、齿轴6、端盖7、绕线轮8、齿轮Ⅳ9、齿轮Ⅴ10、齿轮Ⅵ11、轴12、中箱13、螺栓14和底盖15组成，电机2固接于中箱13的内挡板13a；齿轮Ⅰ3固接于电机2的输出端，齿轮Ⅱ4和齿轮Ⅲ5固接于齿轴6的下部；绕线轮8固接于齿轮Ⅳ9上面，齿轮Ⅳ9、齿轮Ⅴ10和齿轮Ⅵ11自上而下固接于轴12；齿轴6上部小孔插入端盖7中的孔Ⅰ7a，齿轴6上部与孔Ⅰ7a活动连接，齿轴6下部插入中箱13的轴孔Ⅰ13b，齿轴6下部与中箱13的轴活动孔Ⅰ13b活动连接；轴12下部插入中箱13的轴孔Ⅱ13c；绕线轮8插入端盖7中的孔Ⅱ7b；齿轮Ⅰ3与齿轮Ⅱ4啮合，齿轮Ⅲ5与齿轮Ⅴ10啮合，齿轴6与齿轮Ⅳ9啮合；底盖15、中箱13和端盖7自下而上顺序排列，并经螺栓14固接。

如图5所示，中箱13为无盖长方形框架结构，其四角设有孔组Ⅱ13d的四个孔，中部设有内挡板13a、轴孔Ⅰ13b、轴孔Ⅱ13c。

如图6所示，端盖7的四角设有孔组Ⅰ7d的四个孔，中部设有孔Ⅰ7a和孔Ⅱ7b,端盖7前后侧设有螺栓孔对7c的两个孔。

如图7所示，所述的机械臂双刚度折展组件C由折展单元ⅠC1、折展单元ⅡC2、折展单元ⅢC3、折展单元ⅣC4、折展单元ⅤC5和折展单元ⅥC6组成，折展单元ⅠC1、折展单元ⅡC2、折展单元ⅢC3、折展单元ⅣC4、折展单元ⅤC5和折展单元ⅥC6结构相同，且自上而下顺序排列并固接。

如图8所示，其中以折展单元ⅠC1为例，由上下板对16、前后板对17、左右板对18、前鱼线19a、后鱼线19b、前V形板20a、后V形板20b、短弹性绳对21和长弹性绳对22组成，前后板对17的两块板的上下端，与上下板对16的两块板的前后端由弹性膜铰接；左右板对18的两块板的上下端，与上下板对16的两块板的左右端由弹性膜铰接；短弹性绳对21的两根弹性绳的前端分别固接于v形板两板重合处边缘前V形板20a中顶孔Ⅰ20c的左右两侧；两根弹性绳的后端后分别固接于V形板20b中顶孔Ⅱ20d的左右两侧；长弹性绳对22的两根弹性绳的前后端，分别固接于前后板对17的两块板的a-a线左右两端。

如图9至图12所示，机械臂双刚度折展组件C具有展开图10、折叠图11、弯曲图12三个状态；上下板对16中两块板的上板设有前孔Ⅰ16a和后孔Ⅰ16b；上下板对16中两块板的下板设有前孔Ⅱ16c和后孔Ⅱ16d。

如图13所示，前V形板20a设有顶孔Ⅰ20c；后V形板20b设有顶孔Ⅱ20d；前V形板20a和后V形板20b，分别固接于前后板对17的两块板里面，且位于的a-a线处。

如图14所示，前后板对17的两块板能以a-a线折叠；左右板对18的两块板能以b-b线、c-c线、d-d线折叠。

如图15所示，所述机械爪为现有的活塞式机械爪，其中设有外壳23。

如图16和图17所示，前鱼线19a由上下板对16中的上板的前孔Ⅰ16a穿入，再穿过前V形板20a的顶孔20c后，由上下板对16中的前孔Ⅱ16c穿出。前鱼线19a末端与折展单元ⅥC6中上下板对16的下板固接。后鱼线19b由上下板对16中的上板的后孔Ⅰ16b穿入，再穿过后V形板20b的顶孔20d后，由上下板对16中的后孔Ⅱ16d穿出。后鱼线19b末端与折展单元ⅥC6中上下板对16的下板固接。前鱼线19a和后鱼线19b分别与各自的驱动器ⅠB1和驱动器ⅡB2中绕线轮8固接。

Claims (2)

1.一种具有机械臂双刚度折展组件的无人机，由基础无人机(A)、驱动装置(B)、机械臂双刚度折展组件(C)和活塞式机械爪(D)组成，所述的基础无人机(A)为现有的四旋翼无人机无人机，其中部设有支撑板(1)；所述活塞式机械爪(D)为现有的活塞式机械爪，其中设有外壳(23)，其特征在于：所述的驱动装置(B)由驱动器Ⅰ(B1)和驱动器Ⅱ(B2)组成,驱动器Ⅰ(B1)和驱动器Ⅱ(B2)结构相同，其中以驱动器Ⅰ(B1)为例，由电机(2)、齿轮Ⅰ(3)、齿轮Ⅱ(4)、齿轮Ⅲ(5)、齿轴(6)、端盖(7)、绕线轮(8)、齿轮Ⅳ(9)、齿轮Ⅴ(10)、齿轮Ⅵ(11)、轴(12)、中箱(13)、螺栓(14)和底盖(15)组成，其中端盖(7)的四角设有孔组Ⅰ(7d)的四个孔，中部设有孔Ⅰ(7a)和孔Ⅱ(7b),端盖(7)前后侧设有螺栓孔对(7c)的两个孔；中箱(13)为无盖长方形框架结构，其四角设有孔组Ⅱ(13d)的四个孔，中部设有内挡板(13a)、轴孔Ⅰ(13b)、轴孔Ⅱ(13c)；电机(2)固接于中箱(13)的内挡板(13a)；齿轮Ⅰ(3)固接于电机(2)的输出端，齿轮Ⅱ(4)和齿轮Ⅲ(5)固接于齿轴(6)的下部；绕线轮(8)固接于齿轮Ⅳ(9)上面，齿轮Ⅳ(9)、齿轮Ⅴ(10)和齿轮Ⅵ(11)自上而下固接于轴(12)；齿轴(6)上部小孔插入端盖(7)中的孔Ⅰ(7a)，齿轴(6)上部与孔Ⅰ(7a)活动连接，齿轴(6)下部插入中箱(13)的轴孔Ⅰ(13b)，齿轴(6)下部与中箱(13)的轴活动孔Ⅰ(13b)活动连接；轴(12)下部插入中箱(13)的轴孔Ⅱ(13c)；绕线轮(8)插入端盖(7)中的孔Ⅱ(7b)；齿轮Ⅰ(3)与齿轮Ⅱ(4)啮合，齿轮Ⅲ(5)与齿轮Ⅴ(10)啮合，齿轴(6)与齿轮Ⅳ(9)啮合；底盖(15)、中箱(13)和端盖(7)自下而上顺序排列，并经螺栓(14)固接；所述的机械臂双刚度折展组件(C)由折展单元Ⅰ(C1)、折展单元Ⅱ(C2)、折展单元Ⅲ(C3)、折展单元Ⅳ(C4)、折展单元Ⅴ(C5)和折展单元Ⅵ(C6)组成，折展单元Ⅰ(C1)、折展单元Ⅱ(C2)、折展单元Ⅲ(C3)、折展单元Ⅳ(C4)、折展单元Ⅴ(C5和折展单元Ⅵ(C6)结构相同，且自上而下顺序排列并固接，其中以折展单元Ⅰ(C1)为例，由上下板对(16)、前后板对(17)、左右板对(18)、前鱼线(19a)、后鱼线(19b)、前V形板(20a)、后V形板(20b)、短弹性绳对(21)和长弹性绳对(22)组成，上下板对(16)中两块板的上板设有前孔Ⅰ(16a)和后孔Ⅰ(16b)；上下板对(16)中两块板的下板设有前孔Ⅱ(16c)和后孔Ⅱ(16d)；折展单元Ⅰ(C1)中上下板对(16)的下板，即折展单元Ⅱ(C2)中上下板对的上板，折展单元Ⅲ(C3)、折展单元Ⅳ(C4)、折展单元Ⅴ(C5)和折展单元Ⅵ(C6)中的上下板对的上下板关系，亦与之相同；前V形板(20a)设有顶孔Ⅰ(20c)；后V形板(20b)设有顶孔Ⅱ(20d)；前后板对(17)的两块板的上下端，与上下板对(16)的两块板的前后端由弹性膜铰接；左右板对(18)的两块板的上下端，与上下板对(16)的两块板的左右端由弹性膜铰接；前后板对(17)的两块板能以a-a线折叠；左右板对(18)的两块板能以b-b线、c-c线、d-d线折叠；前V形板(20a)和后V形板(20b)，分别固接于前后板对(17)的两块板里面，且位于的a-a线处；前鱼线(19a)由上下板对(16)中的上板的前孔Ⅰ(16a)穿入，再穿过前V形板(20a)的顶孔(20c)后，由上下板对(16)中的前孔Ⅱ(16c)穿出。前鱼线(19a)末端与折展单元Ⅵ(C6)中上下板对(16)的下板固接。后鱼线(19b)由上下板对(16)中的上板的后孔Ⅰ(16b)穿入，再穿过后V形板(20b)的顶孔(20d)后，由上下板对(16)中的后孔Ⅱ(16d)穿出。后鱼线(19b)末端与折展单元Ⅵ(C6)中上下板对(16)的下板固接。前鱼线(19a)和后鱼线(19b)分别与各自的驱动器Ⅰ(B1)和驱动器Ⅱ(B2)中绕线轮(8)固接。短弹性绳对(21)的两根弹性绳的前端分别固接于v形板两板重合处边缘前V形板(20a)中顶孔Ⅰ(20c)的左右两侧；两根弹性绳的后端后分别固接于V形板(20b)中顶孔Ⅱ(20d)的左右两侧；长弹性绳对(22)的两根弹性绳的前后端，分别固接于前后板对(17)的两块板的a-a线左右两端；驱动装置(B)的驱动器Ⅰ(B1)和驱动器Ⅱ(B2)对称固接于基础无人机(A)中支撑板(1)的上表面；机械臂双刚度折展组件(C)上表面与基础无人机(A)中支撑板(1)的下表面粘接；活塞式机械爪(D)的外壳(23)顶面与机械臂双刚度折展组件(C)中单元Ⅵ(C6)的下表面粘接。

2.根据权利要求1所述的具有机械臂双刚度折展组件的无人机，其特征在于：所述的机械臂双刚度折展组件(C)中上下板对(16)、前后板对(17)、左右板对(18)的材料为碳纤维刚性材料，其厚度为0.2—0.5mm，折痕和连接材料为聚二甲基硅氧烷薄膜，其厚度为0.2—0.5mm。

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