一种跨界质飞行机械臂

1.本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种跨界质飞行机械臂。


背景技术：

2.随着近几年无人机技术的快速发展，旋翼无人机开始走进人们的生活。它具有垂直起降和悬停的功能，操作简便、体型小巧、飞行灵活，应用范围十分广泛。目前旋翼无人机已经应用于侦查、监控、航拍及娱乐等诸多方面，但这些应用还停留在与环境非接触的层面上，限制了旋翼无人机的应用价值。为拓展无人机的作业环境和应用范围，加装机械臂的两栖无人机引起了研究人员的关注。因此，亟需一种跨界质飞行机械臂。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种跨界质飞行机械臂，旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种跨界质飞行机械臂，包括：
5.飞行器，所述飞行器包括机身，所述机身的四角分别通过机架固定安装有推拉组件，所述推拉组件上固定安装有旋翼组件；
6.机械臂，所述机械臂包括固接在所述机身底面的基座，所述基座上固定安装有驱动组件，所述基座底面活动连接有多自由度的臂体组件，所述臂体组件底端固接有安装手腕，所述驱动组件与所述臂体组件传动连接；
7.悬浮器，所述悬浮器为两个，所述悬浮器固定安装在所述机身下方，两所述悬浮器对称设置并位于所述臂体组件两侧。
8.优选的，所述推拉组件包括与所述机架固接的连接块，所述连接块上固定安装有推拉式电磁铁，所述推拉式电磁铁的输出端固接有连接杆，所述连接杆远离所述推拉式电磁铁的一端固接有直线齿条，所述直线齿条与所述旋翼组件传动连接。
9.优选的，所述旋翼组件包括第四电机，所述第四电机的输出轴固接有螺旋桨，所述第四电机通过连接架转动连接在所述连接块远离所述推拉式电磁铁的一端，所述连接架任一侧壁上固接有转动齿轮，所述转动齿轮与所述直线齿条啮合连接。
10.优选的，所述基座顶面通过支杆固接有固定板，所述固定板固接在所述机身底面，所述驱动组件位于所述固定板和所述基座之间。
11.优选的，所述驱动组件包括固定安装在所述基座顶面的第一电机、第二电机和第三电机，所述第一电机的输出轴固接有第一驱动轮，所述第二电机的输出轴固接有第二驱动轮，所述第三电机的输出轴固接有第三驱动轮，所述第一驱动轮、所述第二驱动轮和所述第三驱动轮均与所述臂体组件传动连接。
12.优选的，所述固定板底面固定安装有三个驱动控制器，三个所述驱动控制器分别与所述第一电机、第二电机和第三电机电性连接。
13.优选的，所述臂体组件包括对称固接在所述基座底面的支撑板，两所述支撑板之间转动连接有对称设置的两第一臂杆，两所述第一臂杆与所述第一驱动轮传动连接，两所述第一臂杆远离所述支撑板的端部之间转动连接有对称设置的两第二臂杆，两所述第二臂杆与所述第二驱动轮传动连接，两所述第二臂杆远离所述第一臂杆的端部之间对称转动连接有两第三臂杆，两所述第三臂杆与所述第三驱动轮传动连接，所述安装手腕固接在两所述第三臂杆底端。
14.优选的，两所述第一臂杆之间固接有第一轴杆，所述第一轴杆的两端分别与两所述支撑板转动连接，所述第一轴杆上固定套接有第一关节轮，所述第一关节轮与所述第一驱动轮传动连接，两所述第二臂杆之间固接有第二轴杆，所述第二轴杆的两端分别与两所述第一臂杆转动连接，所述第二轴杆上固定套接有第二关节轮，所述第二关节轮与所述第二驱动轮传动连接，两所述第三臂杆之间固接有第三轴杆，所述第三轴杆的两端分别与两所述第二臂杆转动连接，所述第三轴杆上固定套接有第三关节轮，所述第三关节轮与所述第三驱动轮传动连接。
15.优选的，所述悬浮器包括浮子，所述浮子通过支撑杆与所述机身底面固接。
16.本发明公开了以下技术效果：本发明通过在机身上设置旋翼组件并在机身下方设置悬浮器，既适用于空中也适用于水中，实现跨介质作业，拓展了无人机的应用范围，节约了成本；通过驱动组件带动臂体组件实现垂直可达平面内的任意位姿，完全能灵活实现空间多自由度的作业任务，提高了作业能力。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明整体的结构示意图；
19.图2为本发明机械臂的结构示意图；
20.图3为本发明驱动组件的结构示意图；
21.图4为本发明推拉组件的结构示意图；
22.图5为本发明螺旋桨九十度状态的结构示意图；
23.图中：1、机身；2、机架；3、螺旋桨；4、第四电机；41、连接架；51、连接块；52、推拉式电磁铁；53、直线齿条；54、转动齿轮；55、连接杆；56、弹簧；61、第一电机；611、第一驱动轮；62、第二电机；621、第二驱动轮；63、第三电机；631、第三驱动轮；7、基座；8、支撑杆；9、浮子；10、支撑板；101、第一轴杆；102、第二轴杆；103、第三轴杆；111、第一关节轮；112、第二关节轮；113、第三关节轮；121、第一臂杆；122、第二臂杆；123、第三臂杆；13、绳索；14、安装手腕；15、固定板；16、驱动控制器；171、第一传动轮；172、第二传动轮；173、第三传动轮。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
26.参照图1-5所示，本实施例提供一种跨界质飞行机械臂，其特征在于，包括：
27.飞行器，飞行器包括机身1，机身1的四角分别通过机架2固定安装有推拉组件，推拉组件上固定安装有旋翼组件；
28.机械臂，机械臂包括固接在机身1底面的基座7，基座7上固定安装有驱动组件，基座7底面活动连接有多自由度的臂体组件，臂体组件底端固接有安装手腕14，驱动组件与臂体组件传动连接；
29.悬浮器，悬浮器为两个，悬浮器固定安装在机身1下方，两悬浮器对称设置并位于臂体组件两侧。
30.通过在机身1上设置旋翼组件并在机身1下方设置悬浮器，既适用于空中也适用于水中，实现跨介质作业，拓展了无人机的应用范围，节约了成本；通过驱动组件带动臂体组件实现垂直可达平面内的任意位姿，完全能灵活实现空间多自由度的作业任务，提高了作业能力。
31.进一步的，安装手腕14部位可根据作业形式安装不同功能手爪。
32.进一步优化方案，推拉组件包括与机架2固接的连接块51，连接块51上固定安装有推拉式电磁铁52，推拉式电磁铁52的输出端固接有连接杆55，连接杆55远离推拉式电磁铁52的一端固接有直线齿条53，直线齿条53与旋翼组件传动连接。旋翼组件包括第四电机4，第四电机4的输出轴固接有螺旋桨3，第四电机4通过连接架41转动连接在连接块51远离推拉式电磁铁52的一端，连接架41任一侧壁上固接有转动齿轮54，转动齿轮54与直线齿条53啮合连接。
33.通过对推拉式电磁铁52通电，推拉式电磁铁52上的弹簧56压缩，推动连接杆55，由连接杆55推动直线齿条53向前运动，带动转动齿轮54逆时针转动，从而带动连接架41、螺旋桨3和第四电机4逆时针转动，实现螺旋桨3的九十度转动；断电时，弹簧56恢复原位，连接杆55推动直线齿条53向后运动，带动转动齿轮54顺时针转动，从而带动连接架41螺旋桨3和第四电机4顺时针转动复位。
34.进一步优化方案，基座7顶面通过支杆固接有固定板15，固定板15固接在机身1底面，驱动组件位于固定板15和基座7之间。驱动组件包括固定安装在基座7顶面的第一电机61、第二电机62和第三电机63，第一电机61的输出轴固接有第一驱动轮611，第二电机62的输出轴固接有第二驱动轮621，第三电机63的输出轴固接有第三驱动轮631，第一驱动轮611、第二驱动轮621和第三驱动轮631均与臂体组件传动连接。固定板15底面固定安装有三个驱动控制器16，三个驱动控制器16分别与第一电机61、第二电机62和第三电机63电性连接。
35.通过三个驱动控制器16分别控制第一电机61、第二电机62和第三电机63的运动，第一电机61、第二电机62和第三电机63分别第一驱动轮611、第二驱动轮621和第三驱动轮631的转动，实现对臂体组件的多自由度调整。
36.进一步优化方案，臂体组件包括对称固接在基座7底面的支撑板10，两支撑板10之
间转动连接有对称设置的两第一臂杆121，两第一臂杆121与第一驱动轮611传动连接，两第一臂杆121远离支撑板10的端部之间转动连接有对称设置的两第二臂杆122，两第二臂杆122与第二驱动轮621传动连接，两第二臂杆122远离第一臂杆121的端部之间对称转动连接有两第三臂杆123，两第三臂杆123与第三驱动轮631传动连接，安装手腕14固接在两第三臂杆123底端。两第一臂杆121之间固接有第一轴杆101，第一轴杆101的两端分别与两支撑板10转动连接，第一轴杆101上固定套接有第一关节轮111，第一关节轮111与第一驱动轮611传动连接，两第二臂杆122之间固接有第二轴杆102，第二轴杆102的两端分别与两第一臂杆121转动连接，第二轴杆102上固定套接有第二关节轮112，第二关节轮112与第二驱动轮621传动连接，两第三臂杆123之间固接有第三轴杆103，第三轴杆103的两端分别与两第二臂杆122转动连接，第三轴杆103上固定套接有第三关节轮113，第三关节轮113与第三驱动轮631传动连接。
37.进一步的，第一驱动轮611与第一关节轮111通过绳索13传动连接。
38.进一步的，第一轴杆101上通过轴承转动连接有第一传动轮171和第二传动轮172，第二轴杆102上通过轴承转动连接有第三传动轮173；第一传动轮171和第二驱动轮621通过绳索13传动连接，且第一传动轮171与第二关节轮112通过绳索13传动连接；第二传动轮172和第三驱动轮631通过绳索13传动连接，且第二传动轮172与第三传动轮173通过绳索13传动连接，同时第三传动轮173与第三关节轮113通过绳索13传动连接。
39.通过第一电机61的正转、反转驱动第一驱动轮611同步转动，由绳索13带动第一关节轮111正转、反转，实现两第一臂杆121的转动；
40.通过第二电机62的正转、反转驱动第二驱动轮621同步转动，由绳索13带动第一传动轮171转动，并由第一传动轮171通过绳索13带动第二关节轮112转动，实现两第二臂杆122的转动；
41.通过第三电机63的正转、反转驱动第三驱动轮631同步转动，由绳索13带动第二传动轮172转动，第二传动轮172通过绳索13带动第三传动轮173转动，第三传动轮173通过绳索13带动第三关节轮113转动，实现两第三臂杆123的转动。
42.进一步优化方案，悬浮器包括浮子9，浮子9通过支撑杆8与机身1底面固接。
43.通过设置浮子9即可使本装置漂浮于水面，且支撑杆8为背离机械臂方向的倾斜设置。
44.本发明的多种工况：
45.一、空中作业飞行，按正常的四旋翼飞行器工作模式进行飞行；
46.二、水面低空悬停，四个螺旋桨3等速转动；
47.三、水面悬停，四个螺旋桨3停止运动；
48.四、水面滑行，如图5所示，使螺旋桨3转动的轴线方向与机械臂平行，通过调整螺旋桨3的转速获得向前或者向后的推力。
49.如果只是为获得向前的推力，可只转动轴对称的螺旋桨，但同时为克服因第四电机4带来的偏转扭矩，和对称螺旋桨3输出力方向的一致性，要保证轴对称的第四电机4转动方向相反，转速一致；也可以同时转动四个螺旋桨，当转速一致，轴对称螺旋桨3转速方向相反时，可获得更大推力，当轴对称的螺旋桨3转速不一致，会产生偏转运动，依据此，可调整系统在水面滑行的方向。
50.本发明采用防水设计，并采用浮子9结构，用于地面的支撑以及水面的漂浮；四个螺旋桨3可与连接块51之间产生九十度角的转动，在空中飞行时，螺旋桨3的轴线方向与机械臂垂直，可以提供垂直方向上的升力；在水面滑行时，为保持平衡，可两个螺旋桨3或四个螺旋桨3转动九十度角，使得螺旋桨3轴线方向与机械臂平行，提供一个水平方向的推力。
51.通过若干绳索13牵引安装在第一臂杆、第二臂杆和第三臂杆运动，降低了飞行器与机械臂之间的影响，提高了负载自重比。机械臂为三自由度平面型，可实现垂直可达平面内的任意位姿，与四旋翼组件结合，完全能灵活实现空间六自由度的作业任务。
52.本发明机械臂在不作业时，一般处于收缩状态，其末端不超出浮子9，避免降落时，造成损坏。
53.本系统可以通过接收终端发送的信息进行遥控，也可以通过预定程序进行自主作业飞行。
54.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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。
55.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种跨界质飞行机械臂，其特征在于，包括：飞行器，所述飞行器包括机身(1)，所述机身(1)的四角分别通过机架(2)固定安装有推拉组件，所述推拉组件上固定安装有旋翼组件；机械臂，所述机械臂包括固接在所述机身(1)底面的基座(7)，所述基座(7)上固定安装有驱动组件，所述基座(7)底面活动连接有多自由度的臂体组件，所述臂体组件底端固接有安装手腕(14)，所述驱动组件与所述臂体组件传动连接；悬浮器，所述悬浮器为两个，所述悬浮器固定安装在所述机身(1)下方，两所述悬浮器对称设置并位于所述臂体组件两侧。2.根据权利要求1所述的一种跨界质飞行机械臂，其特征在于：所述推拉组件包括与所述机架(2)固接的连接块(51)，所述连接块(51)上固定安装有推拉式电磁铁(52)，所述推拉式电磁铁(52)的输出端固接有连接杆(55)，所述连接杆(55)远离所述推拉式电磁铁(52)的一端固接有直线齿条(53)，所述直线齿条(53)与所述旋翼组件传动连接。3.根据权利要求2所述的一种跨界质飞行机械臂，其特征在于：所述旋翼组件包括第四电机(4)，所述第四电机(4)的输出轴固接有螺旋桨(3)，所述第四电机(4)通过连接架(41)转动连接在所述连接块(51)远离所述推拉式电磁铁(52)的一端，所述连接架(41)任一侧壁上固接有转动齿轮(54)，所述转动齿轮(54)与所述直线齿条(53)啮合连接。4.根据权利要求1所述的一种跨界质飞行机械臂，其特征在于：所述基座(7)顶面通过支杆固接有固定板(15)，所述固定板(15)固接在所述机身(1)底面，所述驱动组件位于所述固定板(15)和所述基座(7)之间。5.根据权利要求4所述的一种跨界质飞行机械臂，其特征在于：所述驱动组件包括固定安装在所述基座(7)顶面的第一电机(61)、第二电机(62)和第三电机(63)，所述第一电机(61)的输出轴固接有第一驱动轮(611)，所述第二电机(62)的输出轴固接有第二驱动轮(621)，所述第三电机(63)的输出轴固接有第三驱动轮(631)，所述第一驱动轮(611)、所述第二驱动轮(621)和所述第三驱动轮(631)均与所述臂体组件传动连接。6.根据权利要求5所述的一种跨界质飞行机械臂，其特征在于：所述固定板(15)底面固定安装有三个驱动控制器(16)，三个所述驱动控制器(16)分别与所述第一电机(61)、第二电机(62)和第三电机(63)电性连接。7.根据权利要求5所述的一种跨界质飞行机械臂，其特征在于：所述臂体组件包括对称固接在所述基座(7)底面的支撑板(10)，两所述支撑板(10)之间转动连接有对称设置的两第一臂杆(121)，两所述第一臂杆(121)与所述第一驱动轮(611)传动连接，两所述第一臂杆(121)远离所述支撑板(10)的端部之间转动连接有对称设置的两第二臂杆(122)，两所述第二臂杆(122)与所述第二驱动轮(621)传动连接，两所述第二臂杆(122)远离所述第一臂杆(121)的端部之间对称转动连接有两第三臂杆(123)，两所述第三臂杆(123)与所述第三驱动轮(631)传动连接，所述安装手腕(14)固接在两所述第三臂杆(123)底端。8.根据权利要求7所述的一种跨界质飞行机械臂，其特征在于：两所述第一臂杆(121)之间固接有第一轴杆(101)，所述第一轴杆(101)的两端分别与两所述支撑板(10)转动连接，所述第一轴杆(101)上固定套接有第一关节轮(111)，所述第一关节轮(111)与所述第一驱动轮(611)传动连接，两所述第二臂杆(122)之间固接有第二轴杆(102)，所述第二轴杆(102)的两端分别与两所述第一臂杆(121)转动连接，所述第二轴杆(102)上固定套接有第
二关节轮(112)，所述第二关节轮(112)与所述第二驱动轮(621)传动连接，两所述第三臂杆(123)之间固接有第三轴杆(103)，所述第三轴杆(103)的两端分别与两所述第二臂杆(122)转动连接，所述第三轴杆(103)上固定套接有第三关节轮(113)，所述第三关节轮(113)与所述第三驱动轮(631)传动连接。9.根据权利要求1所述的一种跨界质飞行机械臂，其特征在于：所述悬浮器包括浮子(9)，所述浮子(9)通过支撑杆(8)与所述机身(1)底面固接。

技术总结
本发明公开一种跨界质飞行机械臂，其特征在于，包括：飞行器、机械臂和悬浮器，飞行器包括机身，机身的四角分别通过机架固定安装有推拉组件，推拉组件上固定安装有旋翼组件；机械臂包括固接在机身底面的基座，基座上固定安装有驱动组件，基座底面活动连接有多自由度的臂体组件，臂体组件底端固接有安装手腕，驱动组件与臂体组件传动连接；悬浮器为两个，悬浮器固定安装在机身下方，两悬浮器对称设置并位于臂体组件两侧，本发明能够实现跨介质作业，拓展了无人机的应用范围。展了无人机的应用范围。展了无人机的应用范围。


技术研发人员：席万强 邵子宴 宋长坡 宋莹
受保护的技术使用者：无锡学院
技术研发日：2022.12.05
技术公布日：2023/3/28