一种基于气弹簧与滑轮组的飞行器机臂展开装置及方法与流程

本发明属于航空领域，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。

背景技术：

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，发明专利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发明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。

技术实现要素：

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。本发明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。

本发明的技术方案是：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°。

本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明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

本发明的有益效果在于：本发明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。

通过简单修改本发明所设计机臂的长度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为本发明的展臂装置示意图；

图2为本发明的展臂机构原理图；

图3为本发明的机臂展开状态受力分析图；

图4为本发明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为本发明的展臂装置爆炸图；

图12为搭载本发明的弹射式多旋翼无人机的机臂收拢状态图；

图13为搭载本发明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.收缩滑轮、6.钢丝绳、7.机臂、8.机架、9.气弹簧固定座、10.收缩架、11.气弹簧气缸、12气弹簧伸缩杆、13.拉绳件。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1，一种基于气弹簧与滑轮组的飞行器机臂展开装置包括动滑轮1、限位件2、力调整滑轮3、机臂转动轴4、收缩滑轮5、钢丝绳6、机臂7、机架8、气弹簧固定座9、收缩架10、气弹簧气缸11、气弹簧伸缩杆12、拉绳件13。

其中，四个机臂7沿周向分别通过机臂传动轴4与机架8铰接，气弹簧通过气弹簧固定座9同轴固定于机架8中心处，其气弹簧气缸11位于上方，气弹簧伸缩杆12位于下方，能够沿轴向向下伸出；气弹簧固定座9通过螺钉固定在机架8上，气弹簧气缸11通过后端螺纹固定在气弹簧固定座9上；所述收缩架10通过螺钉同轴安装于机架8的下方；

所述机臂7与机架8铰接处的下方设置有支臂；动滑轮1通过销轴安装于机臂7根部，力调整滑轮3通过销轴安装于所述支臂的端头处，使得动滑轮1、力调整滑轮3和机臂转动轴4的轴向平行；收缩滑轮5通过销轴安装于收缩架10上，轴向与动滑轮1、力调整滑轮3平行并位置相对；拉绳件13通过内螺纹固定在带外螺纹的气弹簧伸缩杆12上，钢丝绳6一端固定在拉绳件13上，另一端依次绕过收缩滑轮5、动滑轮1，然后固定于机架8上，通过气弹簧伸缩杆12的伸缩牵动钢丝绳6，进一步带动机臂7运动，从而实现多旋翼无人机机臂的展开；限位件2通过螺钉固定于机臂根部，用于限制所述机臂的展开角度不大于90°。

气弹簧，具有出力稳定，较小的结构尺寸具有输出阻尼力容易定制的特点。

如图2所示，机臂具有装配动滑轮与力调整滑轮的通孔以及与机架连接的通孔。装配动滑轮通孔与连接机架通孔的距离为r1；装配力调整滑轮的通孔与连接机架通孔的距离为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可以获得期望的驱动力输出效果。r1越长由动滑轮产生的驱动转矩越大，r2越长初始展臂的驱动转矩越大，γ越大展臂初始阶段可产生的驱动转矩越小。如图2所示，点o所对应的为机架上装配机臂转动轴的位置，点o坐标为(0,0)。点o2所对应的为钢丝绳在机架上的固定位置，点o2的坐标为(x1，y1)。通过向下调整点o2的位置可以使得机臂展开后的驱动转矩增大。

如图1所示，该机架上钢丝绳6固定端的坐标(x1,y1)中x1大于0，y1小于0。因此，展臂装置完全展开状态可获得较大的保持转矩。

根据上述一种基于气弹簧与滑轮组的飞行器机臂展开装置，包括以下步骤：

(a)力调整滑轮(3)与动滑轮(1)综合作用阶段：气弹簧伸缩杆(12)伸长，从而带动拉绳件(13)牵引钢丝绳(6)使得力调整滑轮(3)与动滑轮(1)产生两个转动转矩驱动机臂转动，从而获得了初始阶段的较大转矩。

(b)动滑轮(1)单独作用阶段：机臂经过(a)步骤展开一定角度后，力调整滑轮(3)与钢丝绳不再接触，此时，动滑轮(1)单独作用驱动机臂(7)转动。达到预定伸展角度时，限位件(2)限制机臂(7)不再转动。

本发明具有两种常驻状态，一种是机臂未展开状态，另一种是机臂展开至水平状态，两种状态机臂实现从90度到0度切换。当采用曲柄滑块机构时机臂相当于曲柄，弹簧的直线运动相当于滑块，通过滑块产生曲柄的0度到90度转动时，由于死点的存在展臂的初始阶段需要极大的弹簧力才能顺利展开。即使设计时避开死点的位置，由于滑块驱动曲柄转动在死点附近产生的驱动转矩任然很小。若一味提高弹簧刚度获得满足要求的驱动转矩势必会导致结构整体质量增加，弹簧的要求升高。

对于投射到空中需要稳定展臂机臂进行多旋翼状态飞行的要求，机臂展开装置的难点为机臂展开的快速性和稳定性。在传统曲柄滑块难以满足要求的背景下，本发明设计机臂具有装配力调整滑轮和动滑轮通孔，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(1)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。

修改本发明所设计机臂的长度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。

如下基于具体实施例对机臂展开机构滑轮组进行受力分析：

机臂展开状态分析：

如图3所示，钢丝绳仅通过动滑轮产生驱动转矩。图中力调整滑轮未画出。经过计算可以算出维持机臂展开所需驱动转矩，得出钢丝绳所需拉力。

机臂收缩状态分析：

图4为展臂机构处于收缩状态的示意图，收缩状态时力调整滑轮与动滑轮均会产生展臂的驱动力矩。保证了初始展臂过程的快速性。

展开过程受力分析：

(a)：力调整滑轮(3)与动滑轮(1)综合作用阶段：

为便于进行受力过程的动态分析，我们取θ角为自变量，点o和点o2为铰支座，点o1和o3为滑轮，点o4为钢丝绳牵引点。为便于计算采用向量对力进行表示，采用向量叉乘对转矩进行计算。

点o为坐标原点(0，0)，记：

o2坐标为(x1，y1)；

o1坐标为(r1×cosθ,r1×sinθ)；

o3坐标为(r2×cosα，r2×sinα)，α＝θ-γ；

o4坐标为(x2,y2)；

则向量表示为：

将驱动力矩记为m则：

因为展臂的过程中不断减小，我们记一个减小的微小量为δ，因为钢丝绳长度是一定的，而的长度为定值，所以的长度增加量也为δ，点o4为空气弹簧的y方向的移动，故o4横坐标不变，又由于与y轴方向的夹角从展臂开始到结束的变化量都很小，将o3o4与y轴的夹角记为β，则当钢丝绳被拉动一小段距离δ时，o4的坐标变为(x2,y2-δ×cosβ)。

进一步，当点o3，o4，o1处于同一条直线上时，钢丝绳与o3点处于临界分离点。通过matlab对上述动态过程的转矩进行分析。

则δ的计算公式为：

式中：为在t+1时刻的模长，为在t时刻的模长。

通过matlab对上述模型进行仿真得图5。可以看出驱动转矩m随着θ的变小先增大后逐渐减小。

(b)动滑轮(1)单独作用阶段：

我们把θ角从临界分离点减小到0°定义为展臂过程第二阶段，此阶段，o3与钢丝绳不在接触，此时驱动转矩变为：

通过matlab做出m随θ的变化如图6，随着夹角θ达到终值，驱动转矩快速减小到一较小的值。

基于上述受力理论分析可得本发明展臂阶段可以达到快速与稳定的要求。

通过向下调整图2所示固接绳子的o2点可以使得机臂展开后有较大的维持转矩。对应到机架上，如图7所示。

如图8为机臂示意图，机臂上设置有装配动滑轮与力调整滑轮的通孔以及连接机架的通孔。机臂末端设置有连接电机的通孔以及连接限位件的螺纹孔。

如图12为搭载本发明的弹射式多旋翼无人机的机臂收拢状态图；无人机下部设置有保持收拢状态的机构，以及拔销机构。通过地面弹射装置将图12所示无人机发射到空中，需要展开时，拔销机构拔销，机臂受绳子拉力进行展开作业。达到图13所示效果。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。