一种基于气弹簧与滑轮组的飞行器机臂展开装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术一种基于气弹簧与滑轮组的飞行器机臂展开装置及方法，属于航空领域；包括机架、机臂转动轴、机臂、气弹簧和收缩架；多个机臂沿周向与机架铰接，气弹簧固定于机架中心处，收缩架安装于机架下方；机臂包括动滑轮、限位件、力调整滑轮、收缩滑轮和钢丝绳，机臂与机架铰接处的下方设置有支臂；动滑轮通过销轴安装于机臂根部，力调整滑轮通过销轴安装于支臂的端头，收缩滑轮通过销轴安装于收缩架上，钢丝绳一端固定于气弹簧伸缩杆的端头处，另一端依次绕过收缩滑轮、动滑轮，固定于机架上，通过气弹簧伸缩杆的伸缩牵动钢丝绳，进一步带动机臂运动，从而实现多旋翼无人机机臂的展开。本发明专利技术采用气弹簧作为动力源，与滑轮组配合使得展臂过程稳定。

【技术实现步骤摘要】
一种基于气弹簧与滑轮组的飞行器机臂展开装置及方法
本专利技术属于航空领域，特别用于变结构多旋翼无人机领域，具体涉及一种基于气弹簧与滑轮组的飞行器机臂展开装置及方法。
技术介绍
随着现代科技逐步向高信息化、高智能化发展，武器装备等工业化产品的信息智能度和作战方式越发突出，两者相辅相成，能够很大程度上影响战局。世界各国都投入大量资金发展无人机，也带动了民用工业无人机市场的高速发展。2015年我国的工业无人机(旋翼机)销售规模为16.31亿，同比增了55％。2016年，我国的工业无人机行业市场规模达到26.1亿元，同比增长率高达60％。可以预见的是，工业无人机行业增长速度仍将保持在高位，到2022年，行业规模将达到527亿元，平均增速将在65％左右。目前，无论是组建一支小型化无人机编队，还是搭建一套无人机实时监控系统，都需要拥有一个具有快速响应、超长航时和远程监控的新型无人机单元，这也是现今工业化无人机的一个重要发展方向。工业多旋翼无人机的技术瓶颈主要体现在续航时长、载荷重量、可靠性以及作业半径上的高要求，尤其是续航时长和载荷重量上面临着较为艰难的技术困境，现有的工业无人机性不能完全在满足行业领域的应用。为此，专利技术专利CN201810177193.6将多旋翼无人机直接投射到空中。投射阶段不使用多旋翼无人机的自身动力，依赖地面装置将无人机发射到高空，较少了多旋翼无人机升空过程中克服重力做功的大量耗能。此外，依赖于地面发射机构多旋翼无人机的飞行距离和飞行航时获得极大提高。投射阶段需要将多旋翼无人机的直径尽可能的缩小，为此需要将多旋翼无人机折叠，待发射到空中自动展开进行多旋翼飞行阶段。因此，机臂的展开装置需要满足质量轻、展开迅速、展开稳定等要求。无人机机臂自动展开相关的专利有：专利CN201810509911.5专利技术了一款基于传统螺旋弹簧的机臂展开机构，其目标为使得多旋翼无人机的存储、运输方便。专利CN201810177193.6采用曲柄滑块机构进行机臂的展开。该机构的驱动元件任然是传统弹簧。对于一般金属弹簧其特点为变形越大扭矩或弹力越大，对于投射在空中的无人机若采用此种弹簧则机臂展开过程对机身冲击较大，势必会导致整机不稳定。
技术实现思路
要解决的技术问题：为了避免现有技术的不足之处，解决具有投射阶段的多旋翼无人机机臂快速且稳定展开的问题。本专利技术提出一种基于气弹簧与滑轮组的飞行器机臂展开装置,可以在满足低重量、小体积的前提下实现无人机在空中的快速、稳定展开。本专利技术的技术方案是：一种基于气弹簧与滑轮组的飞行器机臂展开装置,包括机架、机臂转动轴和机臂，多个所述机臂沿机架的周向均布，其靠近根部位置分别通过所述机臂转动轴与机架铰接；其特征在于：还包括气弹簧和收缩架，所述气弹簧通过气弹簧固定座同轴固定于机架中心处，其气弹簧气缸位于上方，气弹簧伸缩杆位于下方，能够沿轴向向下伸出；所述收缩架同轴安装于机架的下方；每个所述机臂包括动滑轮、限位件、力调整滑轮、收缩滑轮和钢丝绳，所述机臂与机架铰接处的下方设置有支臂；所述动滑轮通过销轴安装于所述机臂根部，所述力调整滑轮通过销轴安装于所述支臂的端头处，使得所述动滑轮、力调整滑轮和机臂转动轴的轴向平行；所述收缩滑轮通过销轴安装于收缩架上，轴向与所述动滑轮、力调整滑轮平行并位置相对；所述钢丝绳一端固定于所述气弹簧伸缩杆的端头处，另一端依次绕过收缩滑轮、动滑轮，然后固定于机架上，通过所述气弹簧伸缩杆的伸缩牵动钢丝绳，进一步带动机臂运动，从而实现多旋翼无人机机臂的展开；所述限位件固定于机臂根部，用于限制所述机臂的展开角度不大于90°。本专利技术的进一步技术方案是：所述动滑轮与机臂转动轴的中心距为R1，所述力调整滑轮与机臂转动轴的中心距为R2，R1与R2的所在直线的夹角为γ；通过调整R1、R2与γ所在机臂上对应的尺寸,获得期望的驱动力输出,即驱动转矩M先增大后减小。本专利技术的进一步技术方案是：所述气弹簧伸缩杆端头处通过螺纹固定有拉绳件，通过拉绳件与钢丝绳连接。本专利技术的进一步技术方案是：所述架体上端为中心处开有通孔的圆板结构，沿周向开有四个凹槽，分别用于与四个所述机臂铰接；所述气弹簧气缸同轴穿过所述架体的中心处通孔。本专利技术的进一步技术方案是：所述气弹簧固定座为一端开口的筒状结构，其开口端设置有法兰盘，其内设置有内螺纹；所述气弹簧气缸尾端的外螺纹与气弹簧固定座的内螺纹配合安装，所述气弹簧固定座的法兰盘同轴安装于所述机架上。一种采用基于气弹簧与滑轮组的飞行器机臂展开装置展开机臂的方法，特征在于具体步骤如下：步骤一：所述力调整滑轮与动滑轮综合作用阶段；首先，控制所述气弹簧伸缩杆伸出，同时牵动所述钢丝绳，从而使得所述力调整滑轮与动滑轮产生两个转动转矩驱动所述机臂转动，获得了初始阶段的较大转矩；步骤二：所述动滑轮单独作用阶段；所述机臂经步骤一的初始转矩后展开一定角度，即所述力调整滑轮与钢丝绳不接触；此时，所述动滑轮单独作用并驱动所述机臂转动，当达到预定伸展角度时，通过所述限位件限制机臂不再转动。有益效果本专利技术的有益效果在于：本专利技术所设计机臂上开有装配力调整滑轮和动滑轮的通孔，其中基于力调整滑轮是否参与机臂展开驱动将展臂阶段分为：(a)力调整滑轮与动滑轮综合作用阶段、(b)动滑轮单独作用阶段。其中(a)阶段动滑轮与力调整滑轮综合作用相比仅通过动滑轮驱动会产生更大的驱动转矩。(b)阶段力调整滑轮不再参与驱动过程，使得驱动机臂展开的转矩下降，从而机臂展开结束时不会对飞行器产生过大的冲击。采用气弹簧作为动力源，由于其固有力输出特性，并配合滑轮组使得展臂过程稳定。通过简单修改本专利技术所设计机臂的长度R1、R2与夹角γ可以获得不同转矩值，以解决不同机臂悬臂长度及电机质量场景。通过修改机架上钢丝绳固定端O2的位置可以调整机臂展开后的保持转矩。一般O2纵坐标越小保持转矩越小。采用气弹簧作为驱动元件相比于电机驱动不会对飞行器本体产生大的质量附加。气弹簧随压缩气体的压强可以获得相比传统金属弹簧更大的出力范围，气弹簧活塞且出力稳定，初速均匀。此外，本设计气弹簧设置在飞行器中部同时起到对飞行器本体的支撑作用。附图说明图1为本专利技术的展臂装置示意图；图2为本专利技术的展臂机构原理图；图3为本专利技术的机臂展开状态受力分析图；图4为本专利技术的展臂收拢状态受力分析图；图5为展臂过程动滑轮与力调整滑轮综合作用阶段转矩-转角变化曲线图；图6为展臂过程动滑轮单独作用阶段转矩-转角变化曲线图；图7为机架示意图；图8为展臂装置机臂示意图；图9为展臂装置处于展臂状态的剖视图；图10为展臂装置处于收拢状态的剖视图；图11为本专利技术的展臂装置爆炸图；图12为搭载本专利技术的弹射式多旋翼无人机的机臂收拢状态图；图13为搭载本专利技术的弹射式多旋翼无人机的机臂展开状态图。附图标记说明：1.动滑轮、2.限位件、3.力调整滑轮、4.机臂转动轴、5.收缩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于气弹簧与滑轮组的飞行器机臂展开装置,包括机架、机臂转动轴和机臂，多个所述机臂沿机架的周向均布，其靠近根部位置分别通过所述机臂转动轴与机架铰接；其特征在于：还包括气弹簧和收缩架，所述气弹簧通过气弹簧固定座同轴固定于机架中心处，其气弹簧气缸位于上方，气弹簧伸缩杆位于下方，能够沿轴向向下伸出；所述收缩架同轴安装于机架的下方；/n每个所述机臂包括动滑轮、限位件、力调整滑轮、收缩滑轮和钢丝绳，所述机臂与机架铰接处的下方设置有支臂；所述动滑轮通过销轴安装于所述机臂根部，所述力调整滑轮通过销轴安装于所述支臂的端头处，使得所述动滑轮、力调整滑轮和机臂转动轴的轴向平行；所述收缩滑轮通过销轴安装于收缩架上，轴向与所述动滑轮、力调整滑轮平行并位置相对；所述钢丝绳一端固定于所述气弹簧伸缩杆的端头处，另一端依次绕过收缩滑轮、动滑轮，然后固定于机架上，通过所述气弹簧伸缩杆的伸缩牵动钢丝绳，进一步带动机臂运动，从而实现多旋翼无人机机臂的展开；所述限位件固定于机臂根部，用于限制所述机臂的展开角度不大于90°。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于气弹簧与滑轮组的飞行器机臂展开装置,包括机架、机臂转动轴和机臂，多个所述机臂沿机架的周向均布，其靠近根部位置分别通过所述机臂转动轴与机架铰接；其特征在于：还包括气弹簧和收缩架，所述气弹簧通过气弹簧固定座同轴固定于机架中心处，其气弹簧气缸位于上方，气弹簧伸缩杆位于下方，能够沿轴向向下伸出；所述收缩架同轴安装于机架的下方；
每个所述机臂包括动滑轮、限位件、力调整滑轮、收缩滑轮和钢丝绳，所述机臂与机架铰接处的下方设置有支臂；所述动滑轮通过销轴安装于所述机臂根部，所述力调整滑轮通过销轴安装于所述支臂的端头处，使得所述动滑轮、力调整滑轮和机臂转动轴的轴向平行；所述收缩滑轮通过销轴安装于收缩架上，轴向与所述动滑轮、力调整滑轮平行并位置相对；所述钢丝绳一端固定于所述气弹簧伸缩杆的端头处，另一端依次绕过收缩滑轮、动滑轮，然后固定于机架上，通过所述气弹簧伸缩杆的伸缩牵动钢丝绳，进一步带动机臂运动，从而实现多旋翼无人机机臂的展开；所述限位件固定于机臂根部，用于限制所述机臂的展开角度不大于90°。


2.根据权利要求1所述基于气弹簧与滑轮组的飞行器机臂展开装置，其特征在于：所述动滑轮与机臂转动轴的中心距为R1，所述力调整滑轮与机臂转动轴的中心距为R2，R1与R2的所在直线的夹角为γ；通过调整R1、R2与γ所在机臂上对应的尺寸,获得期望的驱动力输出,即驱动转矩M先增大后减小。
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈冰，杨宝通，齐俊德，高历，牛智炀，赵爽爽，金玉阳，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61