CN110127072A - 一种基于气动柔性关节的无人机并联平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气动柔性关节的无人机并联平台，包括上、下水平且同心设置的起落平台和接地板，于起落平台和接地板之间设有能够伸缩的支撑杆，以支撑杆为圆心环向均布的至少三个柔性关节，每一柔性关节包括板弹簧和固定于板弹簧两端的刚性连接件，两刚性连接件分别通过球铰接头与对应的起落平台和接地板连接，每一柔性关节还包括用于驱动板弹簧轴向变形、以使起落平台俯仰或横滚的驱动气缸，所述驱动气缸连接有调节其缸杆伸长量的控制***。该并联平台能够根据无人机降落时的角度，调整平台俯仰或横滚角度，以使无人机平稳降落。

Description

一种基于气动柔性关节的无人机并联平台

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种基于气动柔性关节的无人机并联平台。

背景技术

农业无人机具有作业高度低、漂移少、可空中悬停、可远距离遥控等优点，广泛应用于农作物的病虫害防治、施肥、施药以及杂草识别和产量估计等作业。农业无人机在执行作业任务时通常需要挂载一定重量的载荷，根据作业任务的不同，农业无人机起飞和降落的位置和农业环境也不固定，容易受地形、风速等外界因素以及操作者操作不当等人为因素的影响，使得农业无人机降落时不能实现平稳着陆，当受到过大震荡力的作用时可能导致农业无人机本体和挂载载荷受到损害。

为了实现农业无人机的平稳安全起落，必须为农业无人机配备一套具有良好的柔顺性和自适应性的起落平台。并联机构相较于串联机构具有结构刚度大、承载能力强、定位精度高等优点，更适合用来设计无人机的起落平台。然而，现有的并联平台大多采用连杆或者电机丝杠等机构实现传动，采用电机或者液压等方式实现驱动，虽然能够实现并联平台的结构紧凑，但也使得并联平台在柔顺性和自适应性等方面存在不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够根据无人机降落时的角度，调整平台俯仰或横滚角度，以使无人机平稳降落的基于并联气动柔性关节的无人机起落平台。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于气动柔性关节的无人机并联平台，包括上、下水平且同心设置的起落平台和接地板，其特征在于：

于起落平台和接地板之间设有支撑杆，所述支撑杆上的上端通过球铰接头与起落平台的中心位置连接，支撑杆的下端与接地板的中心位置固定，所述支撑杆包括套接的滑杆和滑套，所述滑套上于其轴心具有滑槽，所述滑杆能够于滑槽内上下滑动，所述滑槽的底部设有处于压缩状态的弹簧体；

于起落平台和接地板之间设有柔性支撑机构，所述柔性支撑机构具有以支撑杆为圆心环向均布的至少三个柔性关节；每一柔性关节包括板弹簧和固定于板弹簧两端的刚性连接件，两刚性连接件分别通过球铰接头与对应的起落平台和接地板连接，每一柔性关节还包括用于驱动板弹簧轴向变形、以使起落平台俯仰或横滚的驱动气缸，所述驱动气缸连接有调节其缸杆伸长量的控制***；

控制***，包括控制回路和与驱动气缸相连的气动回路，所述控制回路包括控制器、用于检测无人机降落时起落平台姿态的姿态传感器、以及用于检测每一驱动气缸位移量的位置传感器，所述控制器的信号输入端连接有姿态传感器和位置传感器，控制输出端连接气动回路。

进一步的技术方案在于：所述滑槽的横截面为矩形，所述滑杆上具有与滑槽相匹配的矩形滑块。

进一步的技术方案在于：所述柔性关节的一端或两端、以及支撑杆的一端或两端均设有能够调节其长度的调节组件。

进一步的技术方案在于：所述调节组件包括与起落平台或接地板固定的锁紧螺套，以及与柔性关节或支撑杆固定并与锁紧螺套螺纹匹配的螺杆。

进一步的技术方案在于：所述刚性连接件呈L形，其横端与球铰接头固定，其竖端与板弹簧固定，于其竖端的外侧还固定有L形的支座，所述驱动气缸的两端与对应的支座铰接，所述驱动气缸于板弹簧之间具有间隙。

进一步的技术方案在于：所述板弹簧为变截面式。

进一步的技术方案在于：所述气动回路中高压气体在管路传输中依次经两位五通换向阀和比例控制阀后作为驱动气缸进气、放气的气源，所述控制输出端连接气动回路的两位五通换向阀和比例控制阀。

进一步的技术方案在于：于所述两位五通换向阀前还设有气源三联件。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

该并联平台能够通过气缸驱动单个柔性关节变形，以改变柔性关节的直线长度，使起落平台具有俯仰或横滚方向的角度调整，以适应无人机在降落时的不同角度，使无人机能够平稳的降落在起落平台上，避免无人机在将落时与起落平台发生碰撞损坏。

其中，柔性关节以板弹簧为变形元件、气缸为驱动器构成柔性关节，通过对柔性关节的控制可以实现并联平台的位姿调节，板弹簧的变形量可根据驱动气缸活塞杆的伸长量进行任意调节，使得起落平台具有任意倾斜角度的调节量，在调节过程具有良好的柔顺性。

在该并联平台中设置支撑杆，其有效长度能够随并联平台的位姿变化而自适应的进行调节，具有良好的自适应性，不仅实现了必须的支撑作用，而且在支撑杆内置了压缩弹簧，能够提供足够大的弹簧恢复力，在并联平台复位过程中，在弹簧恢复力作用下，伴随着压缩弹簧逐渐恢复到初始状态，支撑杆也逐渐恢复到初始长度，最终并联平台恢复到初始位姿，以保证每次控制***调节时的基准不变，以使控制更加精准。

附图说明

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。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的主视结构示意图；

图3是本发明中支撑杆的剖面结构示意图；

图4是本发明中滑杆的结构示意图；

图5是本发明中柔性关节的结构示意图；

图6-1是本发明中起落平台初始姿态的结构示意图；

图6-2是本发明中起落平台调节后姿态的结构示意图；

图7是本发明中控制***的原理示意图。

具体实施方式

下面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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1～图5所示，一种基于气动柔性关节的无人机并联平台，可以应用于无人机停靠平台、模拟舱训练平台等领域。该并联平台包括上、下水平且同心设置的起落平台1和接地板2，起落平台1和接地板2农业无人机的体积来设置，可以是圆形、方形、正五边形、正六边形等规则结构，以便农业无人机从任意方向着落。

于起落平台1和接地板2之间设有支撑杆4，所述支撑杆4上的上端通过球铰接头5与起落平台1的中心位置连接，支撑杆4的下端与接地板2的中心位置固定，所述支撑杆4包括套接的滑杆41和滑套42，所述滑套42上于其轴心具有滑槽，所述滑杆41能够于滑槽内上下滑动，所述滑槽的底部设有处于压缩状态的弹簧体43。

于起落平台1和接地板2之间设有柔性支撑机构，所述柔性支撑机构具有以支撑杆4为圆心环向均布的至少三个柔性关节3；每一柔性关节3包括板弹簧31和固定于板弹簧31两端的刚性连接件32，两刚性连接件32分别通过球铰接头5与对应的起落平台1和接地板2连接，每一柔性关节3还包括用于驱动板弹簧31轴向变形、以使起落平台1俯仰或横滚的驱动气缸33，所述驱动气缸33连接有调节其缸杆伸长量的控制***。

控制***包括控制回路和与驱动气缸33相连的气动回路，所述控制回路包括控制器、用于检测无人机降落时起落平台1姿态的姿态传感器、以及用于检测每一驱动气缸33位移量的位置传感器，所述控制器的信号输入端连接有姿态传感器和位置传感器，控制输出端连接气动回路。具体的，姿态传感器可固定在起落平台1的下表面，用于检测无人机降落到起落平台1上后，起落平台1受无人机降落作用时其自身的姿态变化，主要是倾角和倾角加速度。位置传感器可采用位移传感器实现，位移传感器安装在驱动气缸33气缸杆的前端。

该并联平台在使用时，无人机降落在起落平台1上时，起落平台1受无人机降落作用沿球铰接头5发生偏转，位置传感器将检测到的驱动气缸33的位移量反馈给控制器，姿态传感器将监测到的并联平台的位姿传反馈给控制器，根据并联平台的位姿需求确定控制***的输出量，控制器以驱动气缸33的位移反馈、并联平台的姿态数据计算出控制信号的最优值，向气动回路发出控制命令，使对应位置的驱动气缸33伸长，从而实现闭环控制。根据无人机下落时的角度，调整对应位置的柔性关节3，如图6-1和图6-2所示，使起落平台1具有俯仰或横滚方向的角度调整，以适应无人机在降落时的不同角度，使无人机能够平稳的降落在起落平台1上，避免无人机在降落时与起落平台1存在大的夹角发生碰撞损坏或滑落等问题。

需要说明的是，姿态检测和位置检测始终都有，但是在无人机降落到起落平台1之前，两者的检测结果(此时在误差允许范围内，检测结果与传感器默认初始输出值近似一致)不会引起控制的输出，即没有产生控制信号，驱动气缸33也就不会动作；当降落动作发生，位置检测信号发生变化，控制器接收这种变化，进而发出控制信号，驱动气缸33才开始动作，位置检测发生变化，直至位移量满足控制变形量后，驱动气缸33停止动作。

具体的关于对柔性关节3的调节，板弹簧31被驱动气缸33驱动，当驱动气缸33内充入高压气体时，活塞杆伸长并将力与力矩传递给板弹簧31，板弹簧31会产生弯曲变形，使得该柔性关节3的直线长度变短，导致起落平台1向该侧发生倾斜。当无人机降落平稳后，驱动气缸33内气体放出，在板弹簧31的恢复力作用下，压迫驱动气缸33活塞杆回缩，使柔性关节3恢复到初始状态。

其中，板弹簧31的变形量的不同导致起落平台1的倾斜角度不同，而板弹簧31的变形量由驱动气缸33活塞杆的伸长量控制，通过调节驱动气缸33活塞杆的伸长量可实现对起落平台1的倾斜角度进行精准的调节，进一步提高无人机降落时的平稳性。该柔性关节3以板弹簧31为变形元件、气缸为驱动器构成柔性关节3，通过对柔性关节3的控制可以实现并联平台的位姿调节，该调节过程具有良好的柔顺性。

通过单独调节左、右、前或后侧的柔性关节可实现起落平台1的俯仰、横滚调节，同时调节所有的柔性关节的等量变形，还可实现对落平台1高度的调节。

在起落平台1的倾斜过程中，滑杆41会在滑槽内滑动，以适应性的调节支撑杆4的长度。当支撑杆4的长度变短后，滑杆41向下压缩弹簧体43，使弹簧体43压缩蓄能，一旦柔性关节3发生复位趋势，弹簧体43就会释放能量，提供足够大的弹簧恢复力，保证并联平台在复位后能够处于初始位姿，以保证每次控制***调节时的基准不变，以使控制更加精准，具有较好的自适应性。

为了避免在起落平台1调节过程中发生转动，使球铰接头5受力损坏，因此滑槽的横截面为矩形，所述滑杆41上具有与滑槽相匹配的矩形滑块，保证了支撑杆4只有沿中心轴线的纵向平移自由度，而没有绕自身中心轴线的旋转自由度，以对起落平台1进行固定。

无人机降落后，操作人员需要对无人机进行更换电池及农药加载等操作，由于不同操作人员身高的不同，为提高操作的舒适度，对起落平台1的高度存在不同的要求。并且由于农作物高度的不同，对起落平台1的高度也存在不同的要求。因此在柔性关节3的一端或两端、以及支撑杆4的一端或两端均设有能够调节其长度的调节组件6。

具体的，调节组件6包括与起落平台1或接地板2固定的锁紧螺套，以及与柔性关节3或支撑杆4固定并与锁紧螺套螺纹匹配的螺杆，通过螺杆在调节锁紧螺套内的长度，可调节起落平台1的高度。另外，通过柔性关节3两端通过调节组件6连接的方式，可实现柔性关节3与起落平台1和接地板2之间的可拆卸连接，当需要大幅度调节起落平台1的高度时，可更换大尺寸的柔性关节3。

关于驱动气缸33的与板弹簧31的具体连接结构，刚性连接件32呈L形，其横端与球铰接头5固定，其竖端与板弹簧31固定，于其竖端的外侧还固定有L形的支座34，所述驱动气缸33的两端与对应的支座34铰接，所述驱动气缸33于板弹簧31之间具有间隙，预留板弹簧31的变形空间。驱动气缸33的两端固定有双耳接头36，该双耳接头36与固定在支座34上的单耳接头35转动连接。

另外，板弹簧31以采用等截面的矩形板弹簧31，也可以采用变截面式，例如双梯形板弹簧31、抛物线形板弹簧31，变截面板弹簧31不仅能够节约资源，且柔顺性更好。

如图7所示，控制***包括气动回路和控制回路，实现电—气之间的转换，通过对驱动气缸33供给气量的控制，实现对并联平台的位姿控制。气动回路中高压气体在管路传输中依次经两位五通换向阀和比例控制阀后作为驱动气缸33进气、放气的气源。控制两位五通换向阀在左侧或右侧上电，分别控制驱动气缸33进气而活塞杆伸长，或者驱动气缸33放气而活塞杆回缩，气体流量通过比例控制阀调节。控制器的控制输出端连接气动回路的两位五通换向阀和比例控制阀。

在控制过程中，控制器通过调节比例控制阀的气体流量，可以调节驱动气缸33的动作响应速度和幅度，从而实现对柔性关节3的弯曲速度和弯曲变形量的调节。该控制器为基于PLC的可编程逻辑控制器，由于联连平台结构对称，具有准确的运动学逆解，便于控制器中程序的编程。采用气动回路和控制回路设计并联平台的控制***，控制简单，结构精巧，制造成本低。

该控制***具有如下优点：1)并联平台的位姿控制需要最少对三组两位五通换向阀和比例控制阀进行控制，避免了冗余控制量的产生，减小了控制器设计难度；2)柔性关节3的输出力平衡决定了起升平台的最终平衡位姿，柔性关节3的输出力大小取决于气缸输出力的大小。

为保证进入驱动气缸33内气体的洁净度，于所述两位五通换向阀前还设有气源三联件，即F.R.L，将空气过滤器(F)、减压阀(R)和油雾器(L)三种气源处理元件组装在一起件，用以对进入气动仪表的气源净化过滤和减压至仪表供给额定的气源压力，相当于电路中的电源变压器的功能。

以上仅是本发明的较佳实施例，任何人根据本发明的内容对本发明作出的些许的简单修改、变形及等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于气动柔性关节的无人机并联平台，包括上、下水平且同心设置的起落平台(1)和接地板(2)，其特征在于：

于起落平台(1)和接地板(2)之间设有支撑杆(4)，所述支撑杆(4)上的上端通过球铰接头(5)与起落平台(1)的中心位置连接，支撑杆(4)的下端与接地板(2)的中心位置固定，所述支撑杆(4)包括套接的滑杆(41)和滑套(42)，所述滑套(42)上于其轴心具有滑槽，所述滑杆(41)能够于滑槽内上下滑动，所述滑槽的底部设有处于压缩状态的弹簧体(43)；

于起落平台(1)和接地板(2)之间设有柔性支撑机构，所述柔性支撑机构具有以支撑杆(4)为圆心环向均布的至少三个柔性关节(3)；每一柔性关节(3)包括板弹簧(31)和固定于板弹簧(31)两端的刚性连接件(32)，两刚性连接件(32)分别通过球铰接头(5)与对应的起落平台(1)和接地板(2)连接，每一柔性关节(3)还包括用于驱动板弹簧(31)轴向变形、以使起落平台(1)俯仰或横滚的驱动气缸(33)，所述驱动气缸(33)连接有调节其缸杆伸长量的控制***；

控制***，包括控制回路和与驱动气缸(33)相连的气动回路，所述控制回路包括控制器、用于检测无人机降落时起落平台(1)姿态的姿态传感器、以及用于检测每一驱动气缸(33)位移量的位置传感器，所述控制器的信号输入端连接有姿态传感器和位置传感器，控制输出端连接气动回路。

2.根据权利要求1所述的一种基于气动柔性关节的无人机并联平台，其特征在于：所述滑槽的横截面为矩形，所述滑杆(41)上具有与滑槽相匹配的矩形滑块。

3.根据权利要求1所述的一种基于气动柔性关节的无人机并联平台，其特征在于：所述柔性关节(3)的一端或两端、以及支撑杆(4)的一端或两端均设有能够调节其长度的调节组件(6)。

4.根据权利要求3所述的一种基于气动柔性关节的无人机并联平台，其特征在于：所述调节组件(6)包括与起落平台(1)或接地板(2)固定的锁紧螺套，以及与柔性关节(3)或支撑杆(4)固定并与锁紧螺套螺纹匹配的螺杆。

5.根据权利要求1所述的一种基于气动柔性关节的无人机并联平台，其特征在于：所述刚性连接件(32)呈L形，其横端与球铰接头(5)固定，其竖端与板弹簧(31)固定，于其竖端的外侧还固定有L形的支座(34)，所述驱动气缸(33)的两端与对应的支座(34)铰接，所述驱动气缸(33)于板弹簧(31)之间具有间隙。

6.根据权利要求1所述的一种基于气动柔性关节的无人机并联平台，其特征在于：所述板弹簧(31)为变截面式。

7.根据权利要求1所述的一种基于气动柔性关节的无人机并联平台，其特征在于：所述气动回路中高压气体在管路传输中依次经两位五通换向阀和比例控制阀后作为驱动气缸(33)进气、放气的气源，所述控制输出端连接气动回路的两位五通换向阀和比例控制阀。

8.根据权利要求7所述的一种基于气动柔性关节的无人机并联平台，其特征在于：于所述两位五通换向阀前还设有气源三联件。