CN117021067A - 用于无人机发射回收的运动补偿机械臂装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于无人机发射回收的运动补偿机械臂装置及使用方法，包括多段式机械臂和六自由度运动补偿机构，多段式机械臂底端固定于转台上，顶端与六自由度运动补偿机构相连接，转台实现360°旋转调节，六自由度运动补偿机构与发射回收轨道相配置连接，发射回收轨道上安设有航姿测量系统和组合导航系统，多段式机械臂对发射回收轨道进行垂向和横向的位移补偿，六自由度运动补偿机构逆向补偿舰船纵摇、艏摇和横摇角度，本发明具有舰船位姿运动补偿能力外，还可以兼具轨道、机械臂折叠收纳能力，从而降低对舰船总体资源的需求。

Description

用于无人机发射回收的运动补偿机械臂装置及使用方法

技术领域

本申请涉及航空保障装备的技术领域，具体而言，涉及一种用于无人机发射回收的运动补偿机械臂装置及使用方法。

背景技术

无人机在现代海洋执法和维权活动中正承担起越来越重要和多样化的使命任务。固定翼无人机具有风险小、有效载荷系数大、航时长、可靠性高等技术优势，已在各国海洋执法和维权活动中扮演重要的空中侦察、监视、拍照、取证等角色。固定翼无人机在野外环境下或者在船舶上出动和回收非常困难，出动方面发展了火箭助飞出动、发射架出动等技术，回收方面发展了伞降回收、撞网回收、天勾回收等技术。

中国专利(CN107600445B)公开了一种固定翼无人机短距共轨发射回收装置，可应用于在舰船上实现对无人机的短距弹射起飞和拦阻回收作业。主要过程如下：无人机在引导系统的制导下沿着轨道方向行进，背部升起拦阻钩，伴随无人机行进，拦阻钩率先挂索，挂索后，在惯性的作用下，机头向上俯冲，安装于机头上的挂钩上穿拦阻网的网眼并打开辅钩，在机头在重力作用下回落时挂住拦阻网，从而实现对无人机的两点固定和安全回收。在此过程中，因为发射回收装置机械臂与舰船平台固连，舰船的运动会传递给机械臂，带着机械臂一起摇摆，虽然机械臂也具备一定的运动补偿能力，但无法确保轨道始终相对大地坐标在一定时间内处于“相对静止状态”，无法解决舰船运动对无人机发射回收作业的影响。

解决舰船运动对于无人机发射回收影响的技术难题，对于固定翼无人机短距共轨发射回收技术的实现具有很大的技术意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种用于无人机发射回收的运动补偿机械臂装置及使用方法，可使用于发射和回收无人机的悬吊轨道在一定时间内克服或补偿部分舰船运动，为无人机发射和回收作业创造有利条件。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请实施例提供一种用于无人机发射回收的运动补偿机械臂装置，其特征在于，包括多段式机械臂和六自由度运动补偿机构，所述多段式机械臂底端固定于转台上，顶端与所述六自由度运动补偿机构相连接，所述转台实现360°旋转调节，六自由度运动补偿机构与发射回收轨道相配置连接，所述发射回收轨道上安设有航姿测量系统和组合导航系统，多段式机械臂对发射回收轨道进行位移补偿，六自由度运动补偿机构逆向补偿舰船纵摇、艏摇和横摇角度。

在一些可选的实施方案中，所述多段式机械臂包括顺次铰接相连的大臂、中臂和小臂，对应各个铰接处依次设有大臂驱动机构、中臂驱动机构和小臂驱动机构。

在一些可选的实施方案中，所述六自由度运动补偿机构包括纵摇补偿回转作动机构、艏摇补偿回转作动机构和横摇补偿驱动机构，所述纵摇补偿回转作动机构固定于所述机械臂的顶端，所述艏摇补偿回转作动机构通过纵摇支架与纵摇补偿回转作动机构相连接，所述横摇补偿驱动机构通过艏摇支架与艏摇补偿回转作动机构相连接，所述艏摇支架内设有回转导向机构与发射回收轨道相连接。

在一些可选的实施方案中，所述纵摇补偿回转作动机构和艏摇补偿回转作动机构分别为回转驱动装置，所述横摇补偿驱动机构为横摇驱动液压缸，所述纵摇支架为具有90°弯角的板件，纵摇补偿回转作动机构竖直设于纵摇支架的一端，艏摇补偿回转作动机构水平设于纵摇支架的另一端，所述纵摇驱动液压缸固定于所述艏摇支架上，伸缩杆与所述发射回收轨道相连接。

在一些可选的实施方案中，所述艏摇支架为底部开口的圆筒状框架结构，顶部设有支架与所述横摇驱动液压缸相连接，两侧端分别设有回转安装位，所述回转导向机构安设于所述回转安装位。

在一些可选的实施方案中，所述回转导向机构为与所述艏摇支架相配置的底部开口的圆环结构，外周面上设有多个导向轮安装槽，导向轮嵌设于所述导向轮安装槽内，导向轮与所述回转安装位的内壁相接触。

在一些可选的实施方案中，所述发射回收轨道包括两段轨道及连接所述两段轨道的轨道梁过渡段，所述回转导向机构与所述轨道梁过渡段相连接。

在一些可选的实施方案中，所述大臂驱动机构为大臂驱动液压缸，所述中臂驱动机构为中臂驱动液压缸，所述小臂驱动机构包括过渡转臂、小臂驱动液压缸和折叠收纳液压缸，所述过渡转臂位于中臂与小臂的连接处，通过销轴与中臂及小臂铰接相连，所述小臂驱动液压缸固定于中臂上，伸缩杆与过渡转臂相连接，所述折叠收纳液压缸固定于过渡转臂上，伸缩杆与小臂相连接。

在一些可选的实施方案中，所述垂向位移补偿为0～1.5m，横向位移补偿为0～2m，所述逆向补偿舰船纵摇角度≥2°、艏摇角度≥2°、横摇角度≥5°。

用于无人机发射回收的运动补偿机械臂装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)通过安装在发射回收轨道上的高精度航姿测量系统，用于采集发射回收轨道的航向角度、横摇角度、纵摇角度以及相应角加速度数据，以此作为发射回收轨道角度补偿的依据；通过组合导航系统采集发射回收轨道前端点的垂荡、横荡和纵荡位置数据，以此作为轨道位置补偿的依据；

S2)根据航姿测量系统和组合导航系统测量的绝对位置信息与角度的数据，建立运动坐标系，推导出坐标变换矩阵，在分解到每个液压缸的动作上，通过驱动液压缸的协作运动对舰船运动引起的角度和位移变化进行反向补偿，并采用液压缸位移传感器测量液压缸伸长量，以此实现闭环控制。

本申请的有益效果是：本申请提供的一种用于无人机发射回收的运动补偿机械臂装置及使用方法，可以在一定范围内实现对舰船运动的补偿，从而为无人机发射回收作业创造有利条件，提高回收成功率，降低回收安全风险，同时降低对引导系统和无人机飞控系统的指标要求；多段式机械臂可以实现发射回收装置的折叠收纳，可以大幅节约舰船总体资源。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例的结构示意图；

图2为本申请实施例的六自由度运动补偿机构的结构示意图；

图3为本申请实施例的纵摇支架的结构示意图；

图4为本申请实施例的艏摇支架的结构示意图；

图5为本申请实施例的回转导向机构的结构示意图；

图6为本申请实施例的轨道梁过渡段的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明提出了一种用于无人机发射回收的运动补偿机械臂装置，解决舰船摇摆运动环境对无人机发射回收的影响问题，可使用于发射和回收无人机的悬吊轨道在一定时间内克服或补偿部分舰船运动，为无人机发射和回收作业创造有利条件。如图1所示，主要包括多段式机械臂和六自由度运动补偿机构1，多段式机械臂底端固定于转台2上，顶端与六自由度运动补偿机构相连接，转台实现360°旋转调节，六自由度运动补偿机构与发射回收轨道3相配置连接，发射回收轨道上安设有航姿测量系统和组合导航系统，多段式机械臂对发射回收轨道进行位移补偿，六自由度运动补偿机构逆向补偿舰船纵摇、艏摇和横摇角度。

多段式机械臂包括顺次铰接相连的大臂4、中臂5和小臂6，对应各个铰接处依次设有大臂驱动机构、中臂驱动机构和小臂驱动机构。大臂驱动机构为大臂驱动液压缸7，中臂驱动机构为中臂驱动液压缸8，小臂驱动机构包括过渡转臂9、小臂驱动液压缸10和折叠收纳液压缸11，过渡转臂位于中臂与小臂的连接处，通过销轴与中臂及小臂铰接相连，小臂驱动液压缸固定于中臂上，伸缩杆与过渡转臂相连接，折叠收纳液压缸固定于过渡转臂上，伸缩杆与小臂相连接。

转台可以实现整个机械臂的360°回转，大臂通过固定于转台上的大臂驱动液压缸驱动其旋转运动，从而实现大臂的顶举和拉降，大臂在大臂驱动液压缸的推升下，可以实现大范围的位姿调节。中臂通过固定于大臂上的中臂驱动液压缸实现顶举和拉降，中臂可以协助实现较大范围的位姿调节。过渡转臂用于接力实现小臂和中臂的顶直操作，同时作为小臂驱动液压缸伸缩杆端的顶支点和折叠收纳液压缸的支点，小臂驱动液压缸固定于小臂，可协同折叠收纳液压缸共同实现轨道的小范围顶举和拉降等位姿调节。

因舰船一直处于定向航行状态，可不考虑纵荡运动，因此舰船的位移运动主要为垂荡和横荡，对垂荡和横荡运动的补偿主要通过大臂驱动液压缸驱动大臂、中臂驱动液压缸驱动中臂、小臂驱动液压缸驱动小臂、折叠收纳液压缸带动发射回收轨道共同协作完成。

如图2所示，六自由度运动补偿机构包括纵摇补偿回转作动机构11、艏摇补偿回转作动机构12和横摇补偿驱动机构13，纵摇补偿回转作动机构固定于机械臂的顶端，艏摇补偿回转作动机构通过纵摇支架14与纵摇补偿回转作动机构相连接，横摇补偿驱动机构通过艏摇支架15与艏摇补偿回转作动机构相连接，艏摇支架内设有回转导向机构16与发射回收轨道相连接。

在一些可选的实施方案中，纵摇补偿回转作动机构和艏摇补偿回转作动机构分别为回转驱动装置，横摇补偿驱动机构为横摇驱动液压缸，纵摇支架为具有90°弯角的板件(见图3)，纵摇补偿回转作动机构竖直设于纵摇支架的一端，艏摇补偿回转作动机构水平设于纵摇支架的另一端，横摇驱动液压缸固定于艏摇支架上，伸缩杆与发射回收轨道相连接。

如图4所示，艏摇支架为底部开口的圆筒状框架结构，顶部设有支架17与横摇驱动液压缸相连接，两侧端分别设有回转安装位18，回转导向机构安设于回转安装位。

如图5所示，回转导向机构为与艏摇支架相配置的底部开口的圆环结构，外周面上设有多个导向轮安装槽，导向轮19嵌设于导向轮安装槽内，导向轮与回转安装位的内壁相接触。发射回收轨道包括两段轨道及连接两段轨道的轨道梁过渡段20(见图6)，回转导向机构与轨道梁过渡段相连接。

纵摇补偿回转作动机构以小臂的端面为安装面，其通过自带的回转液压马达实现回转作业，从而实现在一定范围内逆向补偿舰船纵摇角度。艏摇补偿回转作动机构通过纵摇支架固连于纵摇补偿回转作动机构上，其同样通过回转液压马达实现回转作业，从而实现在一定范围内逆向补偿舰船艏摇角度。

横摇补偿驱动液压缸(筒端)以艏摇支架上伸出的支架为安装座，其杆端与轨道梁过渡段上的支座固连，用于固定轨道，避免其沿长度方向移动；轨道梁过渡段则通过螺栓固连在回转导向机构上，横摇补偿驱动液压缸的伸缩带动轨道实现横摇运动补偿，回转导向机构通过自带的导向轮实现在艏摇支架上的回转运动。

舰船运动补偿的触发机制是：通过航姿测量系统采集发射回收轨道的航向角度、横摇角度、纵摇角度以及相应角加速度数据，以此作为发射回收轨道角度补偿的依据；通过组合导航系统采集机械臂端点的垂荡、横荡和纵荡位置数据，以此作为发射回收轨道位置补偿的依据。

根据航姿测量系统和组合导航系统测量的绝对位置信息与角度的数据，建立运动坐标系，推导出坐标变换矩阵，在分解到每个液压缸的动作上去。通过驱动液压缸的协作运动对舰船运动引起的角度和位移变化进行反向补偿，并采用液压缸位移传感器测量液压缸伸长量，以此实现闭环控制。

基于本发明，可实现如下舰船运动补偿能力：

垂向位移补偿为0～1.5m，横向位移补偿为0～2m，逆向补偿舰船纵摇角度≥2°、艏摇角度≥2°、横摇角度≥5°。

所有的液压缸、液压马达的动力均来自于同一套液压动力模块，该动力源同时为无人机的发射和回收作业提供动力。

Claims (10)

1.用于无人机发射回收的运动补偿机械臂装置，其特征在于，包括多段式机械臂和六自由度运动补偿机构，所述多段式机械臂底端固定于转台上，顶端与所述六自由度运动补偿机构相连接，所述转台实现360°旋转调节，六自由度运动补偿机构与发射回收轨道相配置连接，所述发射回收轨道上安设有航姿测量系统和组合导航系统，多段式机械臂对发射回收轨道进行垂向和横向的位移补偿，六自由度运动补偿机构逆向补偿舰船纵摇、艏摇和横摇角度。

2.根据权利要求1所述的用于无人机发射回收的运动补偿机械臂装置，其特征在于，所述多段式机械臂包括顺次铰接相连的大臂、中臂和小臂，对应各个铰接处依次设有大臂驱动机构、中臂驱动机构和小臂驱动机构。

3.根据权利要求1或2所述的用于无人机发射回收的运动补偿机械臂装置，其特征在于，所述六自由度运动补偿机构包括纵摇补偿回转作动机构、艏摇补偿回转作动机构和横摇补偿驱动机构，所述纵摇补偿回转作动机构固定于所述机械臂的顶端，所述艏摇补偿回转作动机构通过纵摇支架与纵摇补偿回转作动机构相连接，所述横摇补偿驱动机构通过艏摇支架与艏摇补偿回转作动机构相连接，所述艏摇支架内设有回转导向机构与发射回收轨道相连接。

4.根据权利要求3所述的用于无人机发射回收的运动补偿机械臂装置，其特征在于，所述纵摇补偿回转作动机构和艏摇补偿回转作动机构分别为回转驱动装置，所述横摇补偿驱动机构为横摇驱动液压缸，所述纵摇支架为具有90°弯角的板件，纵摇补偿回转作动机构竖直设于纵摇支架的一端，艏摇补偿回转作动机构水平设于纵摇支架的另一端，所述纵摇驱动液压缸固定于所述艏摇支架上，伸缩杆与所述发射回收轨道相连接。

5.根据权利要求4所述的用于无人机发射回收的运动补偿机械臂装置，其特征在于，所述艏摇支架为底部开口的圆筒状框架结构，顶部设有支架与所述横摇驱动液压缸相连接，两侧端分别设有回转安装位，所述回转导向机构安设于所述回转安装位。

6.根据权利要求5所述的用于无人机发射回收的运动补偿机械臂装置，其特征在于，所述回转导向机构为与所述艏摇支架相配置的底部开口的圆环结构，外周面上设有多个导向轮安装槽，导向轮嵌设于所述导向轮安装槽内，导向轮与所述回转安装位的内壁相接触。

7.根据权利要求6所述的用于无人机发射回收的运动补偿机械臂装置，其特征在于，所述发射回收轨道包括两段轨道及连接所述两段轨道的轨道梁过渡段，所述回转导向机构与所述轨道梁过渡段相连接。

8.根据权利要求6所述的用于无人机发射回收的运动补偿机械臂装置，其特征在于，所述大臂驱动机构为大臂驱动液压缸，所述中臂驱动机构为中臂驱动液压缸，所述小臂驱动机构包括过渡转臂、小臂驱动液压缸和折叠收纳液压缸，所述过渡转臂位于中臂与小臂的连接处，通过销轴与中臂及小臂铰接相连，所述小臂驱动液压缸固定于中臂上，伸缩杆与过渡转臂相连接，所述折叠收纳液压缸固定于过渡转臂上，伸缩杆与小臂相连接。

9.根据权利要求1或6或7或8所述的用于无人机发射回收的运动补偿机械臂装置，其特征在于，所述垂向位移补偿为0～1.5m，横向位移补偿为0～2m，所述逆向补偿舰船纵摇角度≥2°、艏摇角度≥2°、横摇角度≥5°。

10.采用上述权利要求8所述的用于无人机发射回收的运动补偿机械臂装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)通过安装在发射回收轨道上的高精度航姿测量系统，用于采集发射回收轨道的航向角度、横摇角度、纵摇角度以及相应角加速度数据，以此作为发射回收轨道角度补偿的依据；通过组合导航系统采集发射回收轨道前端点的垂荡、横荡和纵荡位置数据，以此作为轨道位置补偿的依据；

S2)根据航姿测量系统和组合导航系统测量的绝对位置信息与角度的数据，建立运动坐标系，推导出坐标变换矩阵，在分解到每个液压缸的动作上，通过驱动液压缸的协作运动对舰船运动引起的角度和位移变化进行反向补偿，并采用液压缸位移传感器测量液压缸伸长量，以此实现闭环控制。