CN112046331A - 一种可用于无人机电池更换的抓取装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人机更换电池技术领域，具体涉及一种可用于无人机电池更换的抓取装置，包括机械爪及与机械爪相配合的机械臂，机械爪包括基座、扭簧、舵机、舵盘及布设于基座两侧的夹爪；舵机与舵盘固定连接，舵盘与夹爪之间安装钢丝绳，基座固定连接安装板，安装板与夹爪活动连接，扭簧安装于安装板之上，扭簧与夹爪活动配合；当舵机驱动舵盘转动时，舵盘带动钢丝绳运动，并联动夹爪的抓取部张开；当舵盘停止转动时，在扭簧的作用下，夹爪的抓取部向中间收紧，以使夹爪抓取电池，并配合机械臂将电池推送至无人机；通过直线运动机械臂与机械爪来实现“手”和“肘”的机构，达到更换无人机锂电池的目的，自动化程度高。

Description

一种可用于无人机电池更换的抓取装置

技术领域

本发明属于无人机更换电池技术领域，具体涉及一种可用于无人机电池更换的抓取装置。

背景技术

无人机自动换电池技术是解决无人机长续航、自动化问题的有效方式。对于无人机来说，锂聚合物电池(一般使用此类电池)一般都紧扣在无人机机身上以保证飞行安全。

在现有技术当中，例如：申请号为CN201920619452.6的专利文献公开了一种无人机电池的更换机构，包括起降平台、定位组件、电池更换组件以及多个电池充电仓；起降平台，用于供无人机起飞和降落；定位组件，设置于起降平台，用于对降落的无人机进行对中定位固定；多个电池充电仓，设置于起降平台底部，用于存储无人机电池以及对无人机电池进行充电；电池更换组件，设置于起降平台，用于对多个电池充电仓和对中定位固定的无人机进行无人机电池更换。但是，该专利文献的更换机构结构复杂，自动化程度较低。

现有技术中，不能实现对无人机电池的自动更换，且结构复杂，需要人工辅助进行更换电池，自动化程度低。为此，有必要在此基础之上进行改进。

发明内容

基于现有技术中所存在的上述不足，为了实现更换无人机电池时自动抓取的目的，无人机电池更换的功能势必需要一个类似于人的“手-肘”机械结构，本发明提供一种可用于无人机电池更换的抓取装置。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种可用于无人机电池更换的抓取装置，包括机械爪及与机械爪相配合的机械臂，机械爪包括基座、扭簧、舵机、舵盘及布设于基座两侧的夹爪；舵机与舵盘固定连接，舵盘与夹爪之间安装钢丝绳，基座固定连接安装板，安装板与夹爪活动连接，扭簧安装于安装板之上，扭簧与夹爪活动配合；当舵机驱动舵盘转动时，舵盘带动钢丝绳运动，并联动夹爪的抓取部张开；当舵盘停止转动时，在扭簧的作用下，夹爪的抓取部向中间收紧，以使夹爪抓取电池，并配合机械臂将电池推送至无人机。

作为优选方案，所述安装板对称分布于基座的两侧，且基座的同一侧具有两块安装板，两块安装板之间安装扭簧，扭簧与夹爪活动配合。

作为优选方案，所述安装板之上设有数个安装孔，扭簧的第一触脚活动配合于安装孔，第二触脚抵触于夹爪，以使两侧夹爪的抓取部分别向中间收紧。

作为优选方案，所述夹爪设于两块安装板之间，夹爪具有固定部，固定部与安装孔活动连接。

作为优选方案，所述舵机固定连接压簧，压簧固定连接翘板。

作为优选方案，所述夹爪设有数个贯穿孔，贯穿孔与夹爪的抓取部分别设于夹爪的两端，钢丝绳的一端固定连接于舵盘，另一端穿过贯穿孔，以使两侧夹爪的抓取部张开。

作为优选方案，所述夹爪的抓取部具有导槽和卡槽，电池沿导槽进入卡槽。

作为优选方案，所述机械臂包括电机、光轴、导轨、齿轮及齿条，齿条固定于导轨之上并与齿轮配合，齿轮固定于光轴之上，电机驱动光轴转动，并联动齿条沿齿轮往复运动。

作为优选方案，所述导轨的外部设有碳纤维管，碳纤维管固定安装导轨固定座，导轨固定座与基座固定连接，以使机械臂与机械爪联动配合。

作为优选方案，所述机械爪与机械臂分别通过下位机控制，所述下位机通过驱动器发送脉冲信号于电机，下位机通过控制器发送PWM信号于舵机，分别通过电机与舵机以控制机械臂与机械爪的运动。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

1.本发明分别通过直线运动机械臂与机械爪来实现“手”和“肘”的机构，并通过舵机及电机分别控制机械爪及机械臂的运动，从而达到更换无人机锂电池的目的。

2.本发明中舵机未控制机械爪时，机械爪处于收紧状态，可以直接将电池推至无人机内；舵机控制机械爪时，机械爪张开并在抓取电池后收紧，可以将电池送至无人机。

3.本发明具有防水功能，可以将抓取装置放置于室外。

4.本发明可以实现将从无人机上取下的锂电池放入固定位置，自动化程度高。

附图说明

图1是本发明实施例1的一种可用于无人机电池更换的抓取装置工作状态连接示意图；

图2是本发明实施例1的一种可用于无人机电池更换的抓取装置机械爪的结构示意图；

图3是本发明实施例1的一种可用于无人机电池更换的抓取装置机械爪的爆炸图；

图4是本发明实施例1的一种可用于无人机电池更换的抓取装置机械爪的另一视角示意图；

图5是本发明实施例1的一种可用于无人机电池更换的抓取装置机械爪的主视图；

图6是本发明实施例1的一种可用于无人机电池更换的抓取装置机械爪与机械臂连接示意图；

图7是本发明实施例1的一种可用于无人机电池更换的抓取装置机械臂机构示意图；

图8是本发明实施例1的一种可用于无人机电池更换的抓取装置机械臂的另一视角示意图；

图9是本发明实施例1的一种可用于无人机电池更换的抓取装置机械臂的部分结构示意图；

图10是本发明实施例1的一种可用于无人机电池更换的抓取装置机械臂的部分结构另一视角示意图；

图11是本发明实施例1的一种可用于无人机电池更换的抓取装置的电路连接示意图；

1机械爪、11基座、110固定件、12夹爪、120金属套筒、121贯穿孔、122抓取部、13舵机、14舵盘、15扭簧、16安装板、161安装孔、17压簧、18金属件、19翘板、2机械臂、21电机、22联轴器、23光轴、24光轴固定座、25齿轮、26导轨、27碳纤维管、28齿条、29导轨固定座、3外壳、4无人机。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。

实施例1：

如图1至图10所示，本实施例提供一种可用于无人机电池更换的抓取装置，包括机械爪1及与机械爪1相配合的机械臂2，机械爪1包括基座11、扭簧15、舵机13、舵盘14及布设于基座11两侧的夹爪12；舵机13与舵盘14固定连接，舵盘14与夹爪12之间安装钢丝绳，基座11固定连接安装板16，安装板16与夹爪12活动连接，扭簧15安装于安装板16之上，扭簧15与夹爪12活动配合；当舵机13驱动舵盘14转动时，舵盘14带动钢丝绳运动，并联动夹爪12的抓取部122张开；当舵盘14停止转动时，在扭簧15的作用下，夹爪12的抓取部11向中间收紧，以使夹爪12抓取电池，并配合机械臂2将电池推送至无人机。

基座11内安装有舵机13及舵盘14，舵机13为整个机械爪1提供足够的扭力来改变其位置形态。基座11内具有金属件18，用于将舵机13与基座11加以固定。安装板16对称分布于基座11的两侧，且基座11的同一侧具有两块安装板16，两块安装板16之间安装扭簧15，扭簧15与夹爪12活动配合。安装板16之上设有数个安装孔161，扭簧15的第一触脚活动配合于安装孔161，第二触脚抵触于夹爪12，以使两侧夹爪12的抓取部122向中间收紧。连接的扭簧15的安装孔121通过金属套筒120加以固定。

夹爪12设于两块安装板16之间，夹爪12具有固定部，固定部与安装孔161活动连接。夹爪12设有数个贯穿孔121，贯穿孔121与夹爪12的抓取部122设于夹爪12的两端。夹爪12的抓取部122具有导槽和卡槽，导槽具有导向作用，卡槽具有对电池卡紧限位的功能，电池沿导槽进入卡槽内，舵盘14停止转动，夹爪12在扭簧15的作用下，两侧的抓取部122向中间收紧，以使夹爪12将电池抓取。

钢丝绳的一端固定于舵盘14之上，另一端穿过贯穿孔121，两侧的夹爪12结构对称设置，使得舵盘14转动时，联动两侧夹爪12的抓取部122张开，抓取部122张开的角度大小可以通过控制舵机13加以调节。

舵机13固定连接压簧17，压簧17固定连接翘板19，翘板19与安装板16活动连接，翘板19通过固定件110与基座11固定连接。翘板19便于将夹爪12抓取的电池进行限位，防止电池在两侧夹爪12收紧的同时，由于电池重力作用沿翘板19的方向发生偏移以至于滑落，翘板19能够起到支撑限位的功能。同时，还可以与夹爪12配合将电池推至无人机4内。

机械臂2包括电机21、光轴23、导轨26、齿轮25及齿条28，齿条28固定于导轨26之上并与齿轮25配合，齿轮25固定于光轴23之上，导轨26固定于光轴固定座24。电机21与光轴23之间设有联轴器22，电机21驱动光轴23转动，并联动齿条28沿齿轮25往复运动。电机21为机械臂2直线运动提供运动控制的动力，将电机21的旋转运动转换为直线运动。

导轨26为齿条28提供支撑，并固定于外壳3上，导轨26的外部设有碳纤维管27，碳纤维管27两末端均安装有尼龙材质的导轨固定座29，保证整体结构的刚度。导轨固定座29与基座11固定连接，以使机械臂2与机械爪1联动配合。

当需要抓取电池时，舵机13驱动舵盘14运动，舵盘14带动钢丝绳并联动夹爪12的抓取部122张开，以对电池进行抓取，当电池进入夹爪12的卡槽内，舵盘14停止转动，在扭簧15的作用下，夹爪12的抓取部122向中间收紧，以对电池固定，实现抓取的功能，在机械臂2的协同作用下，将电池送至无人机4的电池槽。

直线运动的机械臂2与机械爪1中的机械结构，可以在无人机停泊到位的情况下，取出无人机机身上的电池(一般为锂聚合物电池)。抓取装置的机械臂2，可以实现电池的在轨运输以及电池的推送，且直线运动机械臂2也包含了防雨水设计，可实现锂聚合物电池在雨雪天气下的安全储藏。抓取装置的机械爪1，可以实现对锂聚合物电池的抓取、放下以及稳拿等操作，方便于无人机电池的更换。

无人机落在地面站后，机械爪1便可以张开，电机21推进整个抓取装置，电池在机械爪1导槽的引导下进入机械爪1的卡槽，机械爪1闭合，电池便可便运送到提前设置好的的地方(譬如放在抓取装置和飞机之间电池仓内)。将电池送至无人机可用两种方式：其一为在舵机13未控制当机械爪1的情况下，机械爪1处于收紧状态，机械爪1末端尺寸小于电池尺寸，可以将电池推至无人机。其二为当舵机13控制机械爪1张开，抓取电池后收紧，送至无人机。

本发明的抓取装置独立于无人机机载系统，安装在无人机的地面站上，在无人机平稳降落到地面站后，便可执行无人机的电池更换任务。这为无人机的长续航、自动化作业提供了便利。无人机地面站一般包括无人机精准降落台、电池更换抓取装置、电池存储仓、电池充电器、地面控制中心(一般为机载电脑)、防雨棚等。通过与无人机地面站一起使用，提高了无人机长续航、自动化程度。

实施例2：

本实施例提供一种可用于无人机电池更换的抓取装置，与实施例1的不同之处在于：

如图11所示，本实施例中机械爪与机械臂分别通过下位机控制，下位机通过驱动器发送脉冲信号给电机，下位机通过控制器发送PWM信号给舵机，分别通过电机与舵机以控制机械臂与机械爪的运动。通过电源为电机及舵机供电，并通过开关控制。有利于机械爪与机械臂抓取电池时协作运动，提高精确度，且便于控制。

直线运动机械臂和机械爪安装紧固在一起，通过下位机对电机和舵机的执行控制指令，从而实现“抓取”、“稳拿”及“松开”等操作。下位机一般为单片机或者机载电脑，下位机连接电机的控制器(驱动器)以及舵机的控制器，发送控制信号(控制指令)到电机及舵机上；电源同时给下位机、以及电机、舵机、及其控制器(驱动器)供电；下位机与电源安置一个紧急开关以保证安全。

其它具体结构可以参考实施例1。

实施例3：

本实施例提供一种可用于无人机电池更换的抓取装置，与实施例1的不同之处在于：

本实施例中抓取装置具有防水功能，直线运动机械臂固定在外壳内，当无人机锂聚合物电池被换下，可被机械手抓取储藏在外壳中间。抓取装置的机械部件均为铝合金、不锈钢或尼龙件，电机和舵机也具有防水功能，电路连接没有暴露在外的接口，因此可以起到防水安全功能。无人机换电地面站上的电池更换的抓取装置是防雨水的，可以放置于室外，但是由于锂聚合物电池的原因，抓取装置不适合浸泡在水中或大雨环境下工作。

其它具体结构可以参考实施例1。

实施例4：

本实施例提供一种可用于无人机电池更换的抓取装置，与实施例1的不同之处在于：

本实施例中可以省去翘板和压簧，简化结构，便于安装和拆卸。

其它具体结构可以参考实施例1。

上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种可用于无人机电池更换的抓取装置，其特征在于，包括机械爪及与机械爪相配合的机械臂，机械爪包括基座、扭簧、舵机、舵盘及布设于基座两侧的夹爪；舵机与舵盘固定连接，舵盘与夹爪之间安装钢丝绳，基座固定连接安装板，安装板与夹爪活动连接，扭簧安装于安装板之上，扭簧与夹爪活动配合；当舵机驱动舵盘转动时，舵盘带动钢丝绳运动，并联动夹爪的抓取部张开；当舵盘停止转动时，在扭簧的作用下，夹爪的抓取部向中间收紧，以使夹爪抓取电池，并配合机械臂将电池推送至无人机。

2.根据权利要求1所述的一种可用于无人机电池更换的抓取装置，其特征在于，所述安装板对称分布于基座的两侧，且基座的同一侧具有两块安装板，两块安装板之间安装扭簧，扭簧与夹爪活动配合。

3.根据权利要求2所述的一种可用于无人机电池更换的抓取装置，其特征在于，所述安装板之上设有数个安装孔，扭簧的第一触脚活动配合于安装孔，第二触脚抵触于夹爪，以使两侧夹爪的抓取部分别向中间收紧。

4.根据权利要求3所述的一种可用于无人机电池更换的抓取装置，其特征在于，所述夹爪设于两块安装板之间，夹爪具有固定部，固定部与安装孔活动连接。

5.根据权利要求1所述的一种可用于无人机电池更换的抓取装置，其特征在于，所述舵机固定连接压簧，压簧固定连接翘板。

6.根据权利要求1所述的一种可用于无人机电池更换的抓取装置，其特征在于，所述夹爪设有数个贯穿孔，贯穿孔与夹爪的抓取部分别设于夹爪的两端，钢丝绳的一端固定连接于舵盘，另一端穿过贯穿孔，以使两侧夹爪的抓取部张开。

7.根据权利要求1所述的一种可用于无人机电池更换的抓取装置，其特征在于，所述夹爪的抓取部具有导槽和卡槽，电池沿导槽进入卡槽。

8.根据权利要求1所述的一种可用于无人机电池更换的抓取装置，其特征在于，所述机械臂包括电机、光轴、导轨、齿轮及齿条，齿条固定于导轨之上并与齿轮配合，齿轮固定于光轴之上，电机驱动光轴转动，并联动齿条沿齿轮往复运动。

9.根据权利要求8所述的一种可用于无人机电池更换的抓取装置，其特征在于，所述导轨的外部设有碳纤维管，碳纤维管固定安装导轨固定座，导轨固定座与基座固定连接，以使机械臂与机械爪联动配合。

10.根据权利要求1所述的一种可用于无人机电池更换的抓取装置，其特征在于，所述机械爪与机械臂分别通过下位机控制，所述下位机通过驱动器发送脉冲信号于电机，下位机通过控制器发送PWM信号于舵机，分别通过电机与舵机以控制机械臂与机械爪的运动。

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