一种具有机械臂双刚度折展组件的无人机

本发明属于航空航天，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：

1、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、本发明的工作过程如下：

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、本发明的有益效果在于：

12、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。

13、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。

14、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。

技术特征：

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。

技术总结
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。

技术研发人员：朱航,马瑞涛,江梓豪,孟子尧,赵胤
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13