CN121403454A - 用于无人机的轻量化动平衡大行程折叠臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及特殊作业机器人技术领域，具体涉及一种用于无人机的轻量化动平衡大行程折叠臂。该折叠臂包括：安装基座、对称设置于基座两侧的可折叠组件、驱动装置和平衡机构，以及连接两侧的联动杆，所述可折叠组件由第一平行连杆组和第二平行连杆组构成。在驱动装置的带动下，可折叠组件展开或折叠，并通过齿轮啮合驱动平衡机构实现反向联动运动，以抵消折叠臂运动所产生的反作用力矩。本发明在实现大行程与动平衡兼顾的稳定展开的同时，显著降低了系统重量，提高了无人机平台的作业稳定性与轻量化水平。

Description

用于无人机的轻量化动平衡大行程折叠臂

技术领域

本发明属于特殊作业机器人技术领域，具体涉及一种用于无人机平台的轻量化、大行程且具备动平衡功能的折叠臂结构。

背景技术

无人机（UAV）作为高效的空中作业平台，其应用场景已从传统的航拍、巡检加速向物资投递、高空采样及设备维护等复杂的空中操作任务拓展。此类任务的执行效果在很大程度上取决于机械臂的性能及其与无人机平台的适配性。

然而，在将现有机械臂技术与无人机平台，特别是与市面上占主流的中小型无人机相结合时，暴露了以下难以调和的根本性矛盾：

“轻量化”与平台适配性的矛盾：这是制约机械臂在无人机领域广泛应用的关键因素。由于绝大部分中小型无人机的任务载荷能力有限，对挂载设备的重量要求极为苛刻。现有技术为实现较大作业范围，通常采用复杂的多级关节或伸缩连杆结构，导致其自重大、体积大、功耗高，难以满足中小型无人机平台对结构简单与整体轻量化的技术需求。

“大行程”与气流干扰的矛盾：当机械臂在无人机下方执行任务时，旋翼下洗气流会对其运动稳定性与操作精度造成显著影响。为避免气流干扰，机械臂需具备足够的伸展行程以伸出气流影响区；然而，这种“大行程”设计通常意味着结构体积与重量的增加，从而进一步加剧轻量化难题，构成了相互制约的设计难题。

“动平衡”与飞行安全的矛盾：现有机械臂在快速运动过程中，其重心的剧烈变化会产生显著的惯性力矩，严重破坏飞行器的姿态平衡，构成安全风险。而现有技术普遍缺乏有效的动平衡补偿机制，严重限制了机械臂在飞行状态下的作业效率与安全性。

综上所述，现有技术难以在轻量化结构的前提下，同时实现“大行程”伸展与“动平衡”稳定，导致机械臂在中小型无人机中的应用仍受严重限制。因此，如何在兼顾结构轻量、气流规避与飞行稳定性的前提下实现可靠的空中操作，已成为本领域亟待突破的关键技术难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于无人机的轻量化动平衡大行程折叠臂。该折叠臂旨在从根本上解决无人机搭载机械臂时的重量、行程与平衡难题，在保证轻量化的同时，显著提高了无人机与机械臂的系统适配性和任务能力。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于无人机的轻量化动平衡大行程折叠臂，其基本构成包括：一个安装基座（1）；一个对称设置于安装基座（1）两侧的可折叠组件，该组件由第一平行连杆组（2）和第二平行连杆组（3）构成；一个与可折叠组件传动连接的折展驱动机构（4）；一个对称设置的平衡机构（5）；一个与前述两个机构传动连接的驱动装置（6）；以及一根连接两个平行连杆组的联动杆（7）。在本发明中，驱动装置（6）被配置为在驱动折展驱动机构（4）使可折叠组件展开或折叠时，能联动平衡机构（5）进行同步且方向相反的运动，以抵消所述折叠臂运动时对所述安装基座（1）产生的反作用力矩。

进一步在于，所述安装基座(1)、第一平行连杆组(2)、第二平行连杆组(3)以及联动杆(7)共同构成一平行四边形连杆机构，该平行四边形机构使得无论折叠臂处于何种状态，所述联动杆（7）始终与所述安装基座（1）保持平行，从而确保固定于联动杆（7）末端的任务荷载平台（8）在运动过程中保持恒定的姿态角度。

进一步在于，所述第一平行连杆组(2)、第二平行连杆组(3)、折展驱动机构(4)以及平衡机构(5)均通过设置于所述安装基座(1)上的枢轴支座(9)实现枢转连接，使整个折叠臂能够在单一平面内进行大角度运动，从而实现大行程作业。

进一步在于，所述折展驱动机构（4）包括左连杆驱动齿轮（401）和右连杆驱动齿轮（402）。所述平衡机构（5）包括左平衡驱动齿轮（501）和右平衡驱动齿轮（502），并进一步包括固定于其上的左、右平衡臂（503, 504）以及安装于臂端的左、右负载模块（505, 506）。

所述动平衡功能基于角动量守恒原理实现。其核心机理在于：在折叠臂的每一侧，所述连杆驱动齿轮（401、402）分别与同侧的平衡驱动齿轮（501、502）直接啮合，形成齿轮副。该啮合关系构成一种机械耦合的反向联动传动机构：当驱动装置（6）带动连杆驱动齿轮（401、402）转动，以驱动可折叠组件展开或折叠时，所述齿轮副同步带动同侧的平衡驱动齿轮（501、502）以相反方向转动。由此，平衡臂（503、504）及其负载模块（505、506）产生与折叠臂运动方向相反的补偿运动。该补偿运动所产生的反向角动量用于抵消折叠臂运动引起的角动量变化，使无人机与折叠臂所构成系统的总角动量在运动过程中保持近似守恒，从而有效抑制对无人机飞行平台姿态的扰动。

进一步在于，为优化系统的适配性与可维护性，所述左、右平衡臂（503, 504）通过紧固件与同侧的平衡驱动齿轮（501, 502）实现可拆卸连接。同时，所述左、右负载模块（505, 506）被构造为质量可调或可更换的配置。该设计允许负载模块不仅作为专用配重块，亦可集成无人机系统中已有的功能部件（如供电单元、控制单元）。通过将此类功能性部件的固有质量作为动平衡配重使用，系统避免了专设配重所带来的额外重量负担，在确保动平衡效果的同时，显著提升了系统的整体质量效率，有力支持了无人机平台的轻量化设计目标。

进一步在于，为实现对折叠臂展开幅度的精确位置控制，所述驱动装置（6）包括电动机（601）及由该电动机驱动的主驱动齿轮（602）。所述电动机（601）优选为伺服电机（舵机）或步进电机，通过对电机旋转角度的精确闭环或开环控制，实现对折叠臂展开角度的精细化调控，以满足高精度作业任务的需求。

进一步在于，本发明提供了一种优选的高效单侧驱动方案。在该方案中，所述驱动装置(6)仅直接驱动左连杆驱动齿轮（401）。另一侧的连杆驱动齿轮则通过所述联动杆（7）的刚性连接实现被动同步运动；而该侧的平衡驱动齿轮则通过与其同侧连杆驱动齿轮的啮合关系被驱动。此单侧驱动方案在保证双侧运动绝对同步的同时，有效减少了驱动器数量，降低了系统重量与复杂度，避免了其他方案中可能出现的控制延迟或同步误差。

进一步在于，为扩展任务能力，所述折叠臂还包括一任务荷载平台（8），该平台固定连接于所述联动杆（7）的末端。所述平台设置有标准化机械与电气接口，用于可更换地安装多种任务执行模块，例如但不限于夹爪、钩具、探针或传感器模块等，从而使所述折叠臂能够快速适配多种作业场景，增强其任务灵活性与应用广度。

本发明的有益效果：

本发明通过折展驱动机构（4）与平衡机构（5）的对称式反向联动设计，能够实时、主动地抵消折叠臂在快速展开与收拢过程中产生的惯性力矩，有效抑制了其对无人机本体造成的姿态扰动，从而显著提升了飞行器在作业过程中的稳定性与安全性。

本发明在实现大行程作业、有效规避无人机旋翼气流干扰的同时，保持了紧凑的结构布局。通过将电池、控制器等功能部件作为平衡机构（5）的配重，实现了载重与配重的一体化，极大地提升了系统质量和空间的利用效率，从结构上有效化解了“大行程”、“动平衡”与“轻量化”之间的核心设计矛盾。

本发明通过由安装基座（1）、平行连杆组（2, 3）及联动杆（7）构成的平行四边形机构，整个折叠臂能在单一平面内进行大角度、大行程的展开与收拢。此设计使得机械臂末端能够充分延伸至无人机旋翼的下洗气流影响区之外，从而最大限度地避免了气流对作业稳定性和精度的干扰，为大行程下的精准操作提供了保障。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明实施例一种部分折叠状态的立体结构示意图。

图2为图1所示状态的正视结构示意图。

图3为图1所示状态的后视结构示意图。

图4为图1所示状态的左视结构示意图。

图5为图1所示状态的右视结构示意图。

图6为本发明实施例在完全展开状态下的正视结构示意图。

图7为本发明实施例在完全折叠状态下的正视结构示意图。

图中：1、安装基座；2、第一平行连杆组；3、第二平行连杆组；4、折展驱动机构；5、平衡机构；6、驱动装置；7、联动杆；8、任务荷载平台；9、枢轴支座；201、第一左连杆 ；202、第一右连杆；301、第二左连杆；302、第二右连杆；401、左连杆驱动齿轮；402、右连杆驱动齿轮；501、左平衡驱动齿轮；502、右平衡驱动齿轮；503、左平衡臂；504、右平衡臂；505、左负载模块；506、右负载模块；601、电动机；602、主驱动齿轮。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明。应当理解，所列举的实施例仅用以示例说明本发明的技术构思及实现方式，而非对本发明保护范围的穷尽限定。基于本发明的技术原理及公开内容，本领域普通技术人员在无需付出创造性劳动的情况下所能推导或实现的其他实施形式，均应纳入本发明的保护范围。

请参阅图1至图7，本发明提供一种用于无人机的轻量化动平衡大行程折叠臂的实施例。该折叠臂主要包括：一个作为整体框架的安装基座（1）；一个由第一平行连杆组（2）和第二平行连杆组（3）构成的可折叠组件；一个驱动该可折叠组件运动的折展驱动机构（4）；一个用于动态平衡的平衡机构（5）；一个提供动力的驱动装置（6）；以及一个确保两侧同步运动的联动杆（7）。

如图1和图2所示，所述安装基座（1）为一刚性框架结构，用于将整个折叠臂固定于无人机机身下方，并作为所有运动部件的安装载体。所述第一平行连杆组（2）、第二平行连杆组（3）、折展驱动机构（4）以及平衡机构（5）均通过设置在安装基座（1）上的枢轴支座（9）实现枢转连接，从而使得整个折叠臂能够在单一平面内进行大角度运动。

请继续参阅图1至图3，所述可折叠组件对称地安装在安装基座（1）的两侧，它由第一平行连杆组（2）和第二平行连杆组（3）构成。具体地，第一平行连杆组（2）由第一左连杆（201）和第一右连杆（202）组成；第二平行连杆组（3）由第二左连杆（301）和第二右连杆（302）组成。

请参阅图6和图7，本发明的一个关键结构特征在于，所述安装基座（1）、第一平行连杆组（2）、第二平行连杆组（3）以及联动杆（7）共同构成了一个平行四边形连杆机构。基于该机构的运动学特性，无论折叠臂处于何种状态，所述联动杆（7）始终与所述安装基座（1）保持平行。这一特性确保了固定于联动杆（7）末端的任务荷载平台（8）在运动过程中能够保持恒定的姿态角度，从而为精准作业建立了可靠的几何基础。

请着重参阅图2和图3，本发明的动平衡功能是通过折展驱动机构（4）与平衡机构（5）实现的。所述折展驱动机构（4）包括对称设置的左连杆驱动齿轮（401）和右连杆驱动齿轮（402）。所述平衡机构（5）包括左平衡驱动齿轮（501）和右平衡驱动齿轮（502）。其核心机理在于：在折叠臂的每一侧，所述连杆驱动齿轮（401, 402）均与同侧的所述平衡驱动齿轮（501, 502）直接啮合。该啮合关系构成了一种强制性反向传动，当连杆驱动齿轮转动时，强制驱动平衡驱动齿轮向相反方向转动，抑制所述折叠臂运动对安装基座（1）产生的反作用力矩。

抑制所述折叠臂运动对安装基座（1）产生的反作用力矩。请参阅图4和图5，为对平衡机构（5）的进一步说明，其还包括左平衡臂（503）和右平衡臂（504），以及安装在臂端的左负载模块（505）和右负载模块（506）。所述左、右平衡臂（503, 504）通过可拆卸连接件（例如销钉结构）与同侧的平衡驱动齿轮（501, 502）固定。同时，所述左、右负载模块（505, 506）设计为质量可调的组件，该组件不仅可采用专用无源质量块，还可直接集成无人机系统中具备自身功能的部件（如供电单元、控制单元），此设计在确保动平衡效果的同时，显著降低了整机挂载重量。

如图2所示，所述驱动装置（6）为整个系统提供动力，它包括一个电动机（601）和一个主驱动齿轮（602）。在本实施例中，电动机（601）可为能够精确控制转角的伺服电机或步进电机，以实现对折叠臂展开幅度的精细化调控。

请再次参阅图1，在一个优选实施例中，所述驱动装置（6）被配置为仅直接驱动一侧的连杆驱动齿轮。另一侧的连杆驱动齿轮则通过所述联动杆（7）的刚性连接实现被动同步运动。此单侧驱动方案在保证双侧运动绝对同步的同时，有效减少了驱动器数量，降低了系统重量与复杂度。

如图1所示，为扩展任务能力，所述联动杆（7）的末端固定连接有一个任务荷载平台（8）。该平台提供了一个标准化接口，可用于可更换地安装诸如夹爪、钩具、探针或传感器模块之类的任务执行模块，使其能够灵活适应不同的作业场景。

以上所述，仅为本发明若干种具体实施方式的示例性说明，并非对本发明实际实施方式的唯一限定。所属技术领域的技术人员在参阅前述说明书及附图内容后，完全可以在不偏离本发明技术原理的前提下，对所述实施例的细节进行各种形式上的修改、组合，或对部分技术特征进行等同替换。凡在此构思基础上所进行的任何改动与变型，只要其未脱离本发明权利要求书所定义的范围，均应视为落入本发明的专利保护界限之内。

Claims (9)

1.用于无人机的轻量化动平衡大行程折叠臂，其特征在于：包括

一个安装基座（1）；一组可折叠组件，对称设置于所述安装基座（1）两侧，由第一平行连杆组（2）和第二平行连杆组（3）组成；一个折展驱动机构（4），与所述可折叠组件传动连接；一个平衡机构（5），对称设置于所述安装基座（1）的两侧；一个驱动装置（6），与所述折展驱动机构（4）和所述平衡机构（5）传动连接；以及一个联动杆（7），连接所述第一平行连杆组（2）与第二平行连杆组（3）；其中，所述驱动装置（6）被配置为驱动所述折展驱动机构（4）并联动所述平衡机构（5），使得所述可折叠组件进行展开或折叠运动时，所述平衡机构（5）进行同步的、方向相反的运动。

2.根据权利要求1所述用于无人机的轻量化动平衡大行程折叠臂，其特征在于：所述安装基座（1）、第一平行连杆组（2）、第二平行连杆组（3）以及联动杆（7）共同构成一个平行四边形连杆机构。

3.根据权利要求1所述用于无人机的轻量化动平衡大行程折叠臂，其特征在于：所述第一平行连杆组（2）、第二平行连杆组（3）、折展驱动机构（4）以及平衡机构（5）均通过设置在所述安装基座（1）上的枢轴支座（9）枢转连接。

4.根据权利要求1所述用于无人机的轻量化动平衡大行程折叠臂，其特征在于：所述折展驱动机构（4）包括左连杆驱动齿轮（401）和右连杆驱动齿轮（402）；在折叠臂的每一侧，所述连杆驱动齿轮（401, 402）分别与所述平衡机构（5）中同侧的平衡驱动齿轮（501, 502）啮合传动。

5.根据权利要求1所述用于无人机的轻量化动平衡大行程折叠臂，其特征在于：所述平衡机构（5）包括：左侧平衡驱动齿轮（501）、右平衡驱动齿轮（502）、左平衡臂（503）、右平衡臂（504）、左负载模块（505）以及右负载模块（506）；并且，所述左、右负载模块（505、506）的质量可调。

6.根据权利要求5所述用于无人机的轻量化动平衡大行程折叠臂，其特征在于：所述左平衡臂（503）和右平衡臂（504）通过连接件与同侧的左平衡驱动齿轮（501）和右平衡驱动齿轮（502）固定。

7.根据权利要求1所述用于无人机的轻量化动平衡大行程折叠臂，其特征在于：所述驱动装置（6）包括一个主驱动齿轮（602）和一个用以驱动该主驱动齿轮（602）的电动机（601）；所述电动机（601）为一种具有角度控制功能的电机，例如伺服电机或步进电机。

8.根据权利要求4所述用于无人机的轻量化动平衡大行程折叠臂，其特征在于：所述驱动装置（6）仅驱动折叠臂一侧的连杆驱动齿轮，另一侧的连杆驱动齿轮和平衡驱动齿轮通过所述联动杆（7）被动同步联动，以保证整个折叠臂的展开或折叠。

9.根据权利要求1所述用于无人机的轻量化动平衡大行程折叠臂，其特征在于：所述折叠臂还包括任务荷载平台（8），所述任务荷载平台（8）固定连接于联动杆（7）的末端，并用于可更换地安装任务执行模块，所述任务执行模块可以是夹爪、钩具、探针或传感器模块。