一种大工作范围机械臂多旋翼无人机平台的制作方法

本发明涉及机械臂移动平台，具体涉及一种机架中空的机械臂无人机移动平台。

背景技术：

多旋翼无人机(以下用统称为无人机)作为一种成熟的无人飞行载具可以和很多不同的执行结构结合以完成不同的任务，其中机械臂是一类常用机构。但是现有无人机平台都是即飞控分布在机身中间，动力装置分布在四周，这样机身平面将工作空间分成了机身以上和机身以下两个区域，所以无人机在装入机械臂后机械臂的工作空间被限制在了机身上或机身下，不能发挥出机械臂的全部作用。虽然通过无人机整体移动可以让机械臂依然能够达到原先机械臂无法达到的工作空间，并且无人机整体移动所消耗的能量比单纯只移动机械臂要多。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服无人机机身平面将工作空间分成了机身以上和机身以下两个区域，无人机在装入机械臂后机械臂的工作空间被限制的问题，提供了一种大工作范围机械臂多旋翼无人机平台。

本发明的一种大工作范围机械臂多旋翼无人机平台，包括无人机、机械臂移动平台和机械臂；

无人机的机架中空；

机械臂移动平台固定于无人机的中空机架内，且穿过无人机的中空机架，使得机械臂移动平台的一部分位于无人机机身的上方、另一部分位于无人机机身的下方；

机械臂由机械臂移动平台带动，能够从机械臂移动平台的一端运动且穿过无人机的中空机架后到达机械臂移动平台的另一端，使得机械臂从无人机的上方运动到下方。

本发明的有益效果是：机械臂工作空间增大加上飞行平台本身的移动，可以让机械臂末端执行结构在同一位置时，无人机机身和机械臂有多种不同的位姿，为一种任务增加了多种可行性。

针对需要大范围操作的任务，不需要无人机频繁的来回移动。这就减少了机身动力系统的能耗。

附图说明

图1为本发明的一种大工作范围机械臂多旋翼无人机平台的结构示意图；

图2为本发明的一种大工作范围机械臂多旋翼无人机平台中平台升降装置的其中一种实施方式的结构示意图；其中，平台升降装置包括丝杆电机和丝杆的结构示意图；

图3为本发明的一种大工作范围机械臂多旋翼无人机平台中平台升降装置的另一种实施方式的结构示意图；其中，平台升降装置包括皮带电机、皮带轮、导轮、导轮杆和皮带包括丝杆电机和丝杆；

图4为本发明的一种大工作范围机械臂多旋翼无人机平台中机械臂装载平台与机械臂和平台连接座的配合结构示意图；

图5为本发明的一种大工作范围机械臂多旋翼无人机平台中机械臂装载平台的剖视结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一，本实施方式的一种大工作范围机械臂多旋翼无人机平台，包括无人机1、机械臂移动平台2和机械臂3；

无人机1的机架中空；

机械臂移动平台2固定于无人机1的中空机架内，且穿过无人机1的中空机架，使得机械臂移动平台2的一部分位于无人机1机身的上方、另一部分位于无人机1机身的下方；

机械臂3由机械臂移动平台2带动，能够从机械臂移动平台2的一端运动且穿过无人机1的中空机架后到达机械臂移动平台2的另一端，使得机械臂3从无人机1的上方运动到下方。

具体地，如图1所示～图3所示，本发明的无人机仅指无人机飞行所需的机体结构即机架飞行动力系统不包含其他用于此无人机但不为飞行服务的结构。

本实施方式的一种大工作范围机械臂多旋翼无人机平台，包括：无人机1、机械臂移动平台2和机械臂3。无人机1的机架将采用中空的结构，中间空间留给机械臂移动平台2，即中间的空缺部分用于放置机械臂移动平台2，机械臂移动平台2具有三个自由度，竖直方向的升降和两轴的自转。通过机械臂移动平台2的上下移动和旋转，固定在机械臂移动平台2上的机械臂3将能够在无人机1机身的上部和下部工作，同时机械臂3自身的旋转可以提供额外的增稳功能。

本实施方式的机械臂3可以根据实际需求选取，固定在机械臂移动平台2上，机械臂3的类型和末端执行装置不限可以是并联机械臂可以是串联机械臂。

进一步地，机械臂移动平台2包括一对平台升降装置2-1、一对平台连接座2-2和机械臂装载平台2-3；

一对平台升降装置2-1对称固定在无人机1机架的两个相对的内侧面；

一对平台连接座2-2分别设于两个平台升降装置2-1上，分别由对应的平台升降装置2-1带动沿平台升降装置2-1的长度方向运动；

机械臂装载平台2-3包括内杆2-3-1、外套筒2-3-2和一对平台连接件2-3-3；

内杆2-3-1的一端套设于外套筒2-3-2的一端，且内杆2-3-1和外套筒2-3-2能够相对滑动；

内杆2-3-1的另一端与一个平台连接件2-3-3转动配合，外套筒2-3-2的另一端与另一个平台连接件2-3-3转动配合；

机械臂装载平台2-3位于两个平台连接座2-2之间，该机械臂装载平台2-3的两端的平台连接件2-3-3分别与对应侧的平台连接座2-2铰接。

具体地，如图1～图3所示，机械臂移动平台2有三个自由度，升降和两轴的旋转。这样，无人机1机架的中空部分除了可以让无人机1上下移动外还可以提供机械臂移动平台2的增稳功能。

根据自由度的需求，机械臂移动平台2分成内外两层驱动机构，外层驱动负责升降和旋转，由中间的两个电机带动。内层只负责另一轴的旋转。外层驱动在固定于无人机1机身的导轨2-7上升降移动。通过左右两个平台升降装置2-1分别带动机械臂装载平台2-3与其的对应端移动，机械臂装载平台2-3左右两端高度可以同步，也可以不同步，即通过调整高度差实现机械臂装载平台2-3的旋转。

由于，两侧平台升降装置2-1高度不同会引起两个平台连接座2-2之间直线距离的变化，为了保证两侧平台升降装置2-1高度不同以控制机械臂装载平台2-3旋转，机械臂装载平台2-3在与导轨2-7的连接机构(平台连接座2-2)上有合页结构。机械臂装载平台2-3也被分成左右两部分。

如图4～图5所示，机械臂装载平台2-3采用了套筒设计，左右两部分通过内杆2-3-1和外套筒2-3-2的连接，可以相互滑动，适应高度差引起的距离变化。

本实施方式的机械臂3可以根据实际需求选取，固定在机械臂装载平台2-3上，机械臂3的类型和末端执行装置不限可以是并联机械臂可以是串联机械臂。

进一步地，机械臂移动平台2还包括平台转动电机2-4；

平台转动电机2-4的机身固定在外套筒2-3-2另一端连接的平台连接件2-3-3上，该平台转动电机2-4动力输出轴与外套筒2-3-2传动配合，使得平台转动电机2-4能够带动外套筒2-3-2绕自身长轴旋转。

进一步地，机械臂移动平台2还包括转台2-5和姿态传感器2-6；

转台2-5固定在外套筒2-3-2的外侧壁上；

姿态传感器2-6固定在转台2-5上，用于获取转台2-5的姿态。

具体地，如图4所示，本装置的旋转部分，在外套筒2-3-2上又套有转台2-5，转台2-5由外套筒2-3-2上的两个平台转动电机2-4驱动。转台2-5可以360度旋转。

同时，在转台2-5背面安装姿态传感器2-6，用于给转台2-5的控制器提供转台2-5的姿态信息，用于实现平台增稳功能。平台控制器会根据姿态传感器2-6的数据和用户的指令，调整两侧升降平台的高低和转台的角度。

本实施方式的机械臂3可以根据实际需求选取，固定在转台2-5上，机械臂3的类型和末端执行装置不限可以是并联机械臂可以是串联机械臂。

进一步地，机械臂移动平台2还包括一对导轨2-7；

一对导轨对称固定在无人机1机架的两个相对的内侧面，且该一对导轨2-7垂直于无人机1机架所在平面；

平台连接座2-2分别嵌入对应侧的导轨2-7，且能够沿导轨2-7的长度方向移动。

具体地，如图1～图3所示，在上无人机1的机架中空处地左右两侧的中间铺设相同的组合式的竖直导轨2-7。为了方便根据需求调整导轨2-7的长度，导轨2-7可以采用分段式拼接设计。导机械臂移动平台2主要作用是升降，平台连接座2-2套在导轨2-7上。轨2-7的终端安装有限位组件，防止机械臂装载平台2-3超出导轨范围。

导轨2-7可以分段式拼接组合，两节导轨2-7由安装孔固定。机械臂移动平台2的内层(机械臂装载平台2-3)整体固定在外层(平台升降装置2-1)驱动的可升降平台上，平台上有一个可360°旋转机构——机械臂装载平台2-3，机械臂装载平台2-3的旋转平面与平台升降装置2-1的升降平面垂直。机械臂装载平台2-3的旋转机构上有一个平板状的转台2-5用于安装图像系统4和机械臂3。

进一步地，如图2所示，平台升降装置2-1包括丝杆电机2-1-1和丝杆2-1-2；

丝杆电机2-1-1固定在对应侧导轨2-7的一端，丝杆2-1-2与丝杆电机2-1-1的动力输出轴同轴固定，且丝杆2-1-2垂直于无人机1机架所在平面；

平台连接座2-2上设有与丝杆2-1-2相匹配的螺孔，该平台连接座2-2通过螺孔与对应侧的丝杆2-1-2螺旋配合，使得当丝杆电机2-1-1带动丝杆2-1-2转动时，带动对应的平台连接座2-2沿丝杆2-1-2的长度方向移动。

进一步地，平台升降装置2-1包括皮带电机2-1-3、皮带轮2-1-4、两个导轮2-1-5、两个导轮杆2-1-6和皮带2-1-7；

皮带电机2-1-3固定在无人机1的机架上；

皮带轮2-1-4与皮带电机2-1-3的动力输出轴同轴固定；

两个导轮杆2-1-6分别固定在同一对应侧导轨2-7的两端；

两个导轮2-1-5分别套设于两个导轮杆2-1-6上；

皮带2-1-7同时套设于皮带轮2-1-4和两个导轮2-1-5的外侧，皮带电机2-1-3通过带动皮带轮2-1-4转动，从而带动皮带2-1-7转动；

平台连接座2-2与对应侧皮带2-1-7的一段固定，使得皮带2-1-7转动时，带动对应的平台连接座2-2沿皮带2-1-7的长度方向移动。

具体地，如图1和图3所示，平台升降装置2-1还可以采用如下结构，导轨2-7的同一侧的限位组件上还安装有导轮杆2-1-6(上下各一个)，导轮杆2-1-6上(中间)安装有导轮2-1-5。上下的导轮2-1-5和位于机身上的皮带电机2-1-3上的皮带轮2-1-4，构成一个三角形的皮带盘结构。机械臂装载平台2-3上于皮带2-1-7上一小段固定。通过皮带电机2-1-3的转动带动皮带2-1-7转动，进而带动机械臂装载平台2-3升降移动。

平台升降装置2-1的驱动方式不限于电机螺杆也可以采用皮带传动或者液压。

进一步地，还包括图像系统4；

图像系统4包括飞行摄像头4-1和多个操纵摄像头4-2；

飞行摄像头4-1固定在无人机1的机架上，且该飞行摄像头4-1的镜头朝向无人机的前进方向；

多个操纵摄像头4-2分布固定在转台2-5的四角。

具体地，如图1～图3所示，图像系统4有两个部分，提供飞行器位姿信息和机械臂位姿信息。用于飞行器控制的飞行摄像头4-1安装在飞机的前进方向，提供飞行器前方视野给飞手或者视觉伺服系统。用于控制机械臂的操纵摄像头4-2有四个安装在转台2-5的四角(可以为两个，对称安装在转台2-5的两侧)。

进一步地，无人机1包括机架1-1、四个螺旋桨支架1-2和四个螺旋桨1-3；

机架1-1为中空的方框形；

四个螺旋桨支架1-2的一端分别固定于机架1-1的四个顶点处，且四个螺旋桨支架1-2以机架1-1的中轴为中心对称轴成中心对称；

四个螺旋桨支架1-2的一端分别设有一个螺旋桨1-3，且四个螺旋桨1-3以机架1-1的中轴为中心对称轴成中心对称。

具体地，如图1～图3所示，无人机1采用四轴无人机形式，无人机1机架的中间留出一个方形框架的机架1-1，方形框架机架1-1的四个顶点处伸出足够长度的螺旋桨支架1-2安装用于安装螺旋桨1-3(及其电机)。

本装置的动力布局采用h形四旋翼结构。中间的方框形机架1-1链接四个螺旋桨支架1-2。螺旋桨支架1-2上安装螺旋桨1-3。

进一步地，无人机1还包括多个电池1-4；

多个电池1-4以等重量分布固定在机架1-1相对的两侧，且两侧的电池1-4的总体质心的连线经过机架1-1横截面的中点处。

具体地，如图1～图3所示，无人机1其中相对的外围靠近中心的地方用于安装电池1-4以保证重量分布紧凑，以对称分布(无人机1前进方向的左右两侧)或呈中心对称分布。

机身两侧安装电池。机架1-1中间空余的部分完全留给机械臂移动平台2使用。

本装置的上下工作区域的切换方式，一次切换需要调整姿态和高度。以从下到上为例，先通过平台升降装置2-1将机械臂装载平台2-3的高度下降，给机械臂装载平台2-3和无人机1机身之间留足够的空间。然后转台2-5旋转将机械臂3对准上方，最后两侧升降装置2-1升起，完成切换。也可以先调整高度再调整姿态。只要移动机构的运动轨迹不冲突，切换方式可以根据实际情况灵活调整。

机械臂工作空间增大加上飞行平台本身的移动，可以让机械臂末端执行结构在同一位置时，无人机1机身和机械臂3有多种不同的位姿，为一种任务增加了多种可行性。尤其是对于在竖直方向上跨度较大的工作任务，无人机不用频繁的上下飞行改变高度。而且上下导轨2-7长度可以组合选择，让平台的拓展性进一步提升。比如输电线的除冰或维修等，很多输电线是上下多层的布置方式。采用本装置，可以让飞机停靠在两组输电线的中间位置，通过平台移动对上下两组输电线操作。

此外，大型输电线固定在电力塔上的安装方式不同。很多电线会采用吊装式，无人机此时无法从上方对电线进行操作，此时就可以切换为机械臂在上端的形态。

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