TWM567744U - Shareable drone energy module replacement system - Google Patents

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TWM567744U
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Abstract

一種可共享的無人機之能源模組更換系統，可透過一傳動單元來帶動一裝有多個能源模組的輪轂旋轉，其轉動方式類似左輪***的彈倉轉換方式，如此無人機可以精準降落的方式先將需要更換的能源模組置於該輪轂的其中一個容置空間中，接著該輪轂旋轉而將該能源模組卸下，同時將另一個充滿能量的能源模組置入該無人機中，達到快速更換能源模組之功效。該能源模組更換系統不但可節省人力及縮短作業時間，且能部屬於各處以便共享，利於多架無人機長時間且長距離地進行自動化之協作任務，甚至達成「自行擇定時間及自行往返來達成任務」的完全無人化作業。

Description

可共享的無人機之能源模組更換系統
本新型是有關於一種能源模組更換系統，特別是指一種用於更換無人機的能源模組之系統。
隨著各式電子控制元件及動力元件日漸輕量化及成熟化，可遠端控制甚至是按照程式自動運作的無人機(又稱無人飛行載具，Unmanned Aerial Vehicle，俗稱UAV）逐漸被應用於各種不同領域。無人機依照任務的不同而有各式不同的組件，例如亞馬遜公司及DHL公司的自動送貨無人機便將貨品掛載於機身之下，常見的空拍機則設有各式不同的相機或遙測儀器，其他還有掛載農藥或肥料噴灑器的農業用無人機等不同的應用。然而無論是何種應用，無人機皆需配備電池或其他可供更換的能源模組作為動力來源。
除了以加油方式補充的燃油系統外，其他的無人機多以更換電池等能源模組的方式來進行能源補充，而目前更換能源模組的方式多是讓無人機降落後，於目標平面上以人工方式拆卸及更換能源模組，此種方式不僅耗費人力，且需自行攜帶多個笨重之能源模組，若執行任務所在地無法補充能源，常致敗興而歸。此外也容易因人為因素的干擾而導致安裝錯誤、能源模組拆卸不當、裝卸費時等問題，更因人力更換的速度緩慢而導致無人機的工作效率降低，目前雖然存在透過自動化控制進行能源模組更換的系統，但該系統需透過夾爪或機械手臂等複雜的機械結構來將能源模組由無人機上卸除，再取出欲換上的能源模組並將其裝設置無人機上，此種自動化系統需要精準的控制及複雜的自動化機構，導致成本過高或容錯率較低，此為現時無人機領域尚待改進之一大課題。
因此，本新型之目的，即在提供一種可快速更換能源模組的能源模組更換系統。
於是，本新型可共享的無人機之能源模組更換系統，適用於一具有一安裝座的無人機。該能源模組更換系統包含一主體單元、一傳動單元，及一供能單元。該主體單元包括一界定出一承接口的外殼，及一可轉動地設置於該外殼上且界定出多個容置空間的輪轂。該承接口是連通該輪轂的其中一個容置空間，且適用於承接該無人機之安裝座。該傳動單元用於帶動該主體單元之輪轂相對於該外殼旋轉。該供能單元包括複數可受控制而分離地固定於該輪轂之該等容置空間內的能源模組，每一能源模組適用於安裝在該無人機之安裝座上或相對應的一個容置空間內。
當該承接口承接該無人機之安裝座時，安裝於該安裝座上的能源模組會置入與該承接口相連通的容置空間，接著該傳動單元會帶動該輪轂旋轉，使該安裝座上的能源模組由該安裝座拆離並轉動至下一個位置，且另一個能源模組轉動至對應該安裝座的位置並固定於該安裝座上。
本新型之功效在於：當該無人機的能源將用罄時，可降落於該能源模組更換系統，並將該安裝座內的能源模組置放於該輪轂的其中一個空出的容置空間內，接著透過該傳動單元帶動該輪轂，使該輪轂以類似左輪***彈倉的輪轉方式旋轉，以將該無人機上的能源模組卸下，並將另一個充滿能源的能源模組置於該無人機之安裝座內，此種自動化的更換方式不僅快速，且不需人力而能避免人為因素的干擾。此外，該能源模組更換系統可部屬於各處，並供多個無人機共享共用，以作為能源補充的中繼站，以利於無人化作業。
參閱圖1、圖2，及圖3，本新型可共享的無人機之能源模組更換系統的一實施例，適用於一無人機1。該無人機1具有一機身11，及一設置於該機身11上的安裝座12。該安裝座12可以和該機身11一體成型，也可採可拆離式的模組化設計，其可視需求配置於該機身11的下方。該能源模組更換系統2包含一主體單元3、一傳動單元4，及一供能單元5。該主體單元3包括一外殼31，及一可轉動地設置於該外殼31內的輪轂32。在該實施例中，該外殼31具有一界定出一承接口310的殼體311，及二彼此相間隔地固定於該殼體311內的導引塊312。需要特別說明的是，圖2及圖3中省略了該殼體311以便於說明。該殼體311呈直立設置，該承接口310朝向上方且可連通該殼體311內及外界。該殼體311的寬度較佳是小於該無人機1的旋翼間的距離，如此在該無人機1朝該殼體311降下時，該無人機1的旋翼產生的氣流不會直接撞向該殼體311因而可降低擾流的產生並提高該無人機1靠近時的穩定性。每一導引塊312的外周面形成一向下凹陷且連接該承接口310的承接槽313，內壁面則形成一朝向該輪轂32並連通該承接槽313且概呈環狀的圓弧導槽314。該輪轂32具有六個等角度環狀排列且相互併靠的隔板321，及二用於固定該等隔板321且可轉動地分別設置於該等導引塊312上的轉子軸套322。每兩相鄰隔板321可界定出一容置空間323。該等轉子軸套322轉動時可帶動該等隔板321同步旋轉。在本實施例中，該等隔板321間隔出六個容置空間323，但當然該等隔板321也可以是其他數量，以間隔出不同數量的容置空間323。
該傳動單元4包括一設置於該外殼31之殼體311內的動力源41、一可被該動力源41帶動的傳動皮帶42，及一固定於其中一個轉子軸套322上且可被該傳動皮帶42帶動旋轉的皮帶輪43。當該動力源41帶動該傳動皮帶42時，可透過帶動該皮帶輪43旋轉來驅動相對應的轉子軸套322旋轉，進而使該等隔板321以該等轉子軸套322的中心軸線為旋轉軸線地相對於該等導引塊312旋轉。需要特別說明的是，該傳動單元4也可以是齒輪或其他可帶動該等轉子軸套322旋轉的傳動機構，不應以此為限。
參閱圖1、圖2，及圖4，該供能單元5包括複數可分離地固定於該輪轂32之該等容置空間323內的能源模組51，及一設置於該外殼31內且用於對該等能源模組51充能的充能模組52。每一能源模組51具有一概呈扇形柱狀的裝載殼體511、二分別凸設於該裝載殼體511相反兩側的滑塊512，及複數裝載於該裝載殼體511內的電池513。需要特別說明的是，圖3中為了簡化圖面，因此未繪示該等電池513。當設置於該無人機1上時，透過該裝載殼體511逐漸收合的扇形結構，使其在置入相對應容置空間323時可自動滑入準確的位置，具有自動導正及輔助精準降落之功效。該等滑塊512是可滑動地分別嵌設於該等圓弧導槽314內，每一能源模組51可被該輪轂32帶動旋轉而相對於該外殼31在一充能位置及一裝卸位置間轉動。當該能源模組51位於該充能位置時，該等滑塊512嵌設於該圓弧導槽314中，且容置該能源模組51的相對應容置空間323不連通該等承接槽313。當該能源模組51位於該裝卸位置時，該等滑塊512分別位於該等承接槽313中而不嵌設於該圓弧導槽314中，且該容置空間323連通該等承接槽313，使該能源模組51可受操作而由該輪轂32上拆離，需要特別說明的是，該等滑塊512主要是用來限位該等裝載殼體511。數量為三的倍數的電池513乃是為了串聯與並聯後適用於無人機常用之各種電壓，泛用性高。在本實施例中，是採用該等電池513作為能量來源，但當然也可以是高壓氣體、燃油箱或其他可提供能源之供給源，不應以此為限。該等電池513是採用目前為市場主流的21700電池，且可透過通訊單元或其他方式將該等電池513的電量、充電狀況、電池健康程度等資訊向外發送。參閱圖1、圖2，及圖5，該充能模組52具有複數設置於該等裝載殼體511外弧面上的第一電連接件521、複數設置於該外殼31之殼體311內表面，及並對應該等第一電連接件521設置的第二電連接件522。該等第一電連接件521是與該等能源模組51之電池513電性連接。該等第二電連接件522是與供電源電性連接。當該輪轂32轉動至定位時，該等第一電連接件521透過自身的彈片結構分別貼觸該等第二電連接件522，使得該等第二電連接件522可透過該等第一電連接件521對該等能源模組51充電。在本實施例中，每一個裝載殼體511上僅在該外弧面的中央位置設有一個第一電連接件521，但也可以是在該裝載殼體511的外弧面兩側位置設置兩個第一電連接件，當然也可以視需求是其他數量及設置位置，不以此為限。
以下說明本實施例的能源更換過程，首先該無人機1之安裝座12對準該殼體311上的承接口310，此時該輪轂32的其中一個容置空間323是連通該等承接槽313及該承接口310，且該容置空間323內未裝有能源模組51。參閱圖1、圖2，及圖6，接著該無人機1向下降落，使裝有一能源模組51A的安裝座12通過該承接口310後如圖6所示地置入該容置空間323及該等承接槽313內。該輪轂32上通常會有一個容置空間323未置入該等能源模組51該容置空間323是開口朝上並用於承接該無人機1之安裝座12及該安裝座12內的能源模組51A，若將該輪轂32的圓形側面比作時鐘，且以圖6中具有六個容置空間323的態樣來說，前述空置的容置空間323是位於12點鐘方向。在該安裝座12及該能源模組51A置入相對應容置空間323後，該無人機1不再固定該安裝座12內待更換的能源模組51A，使該能源模組51A位於該裝卸位置，也就是說，該能源模組51A於該無人機1之安裝座12中已處於可拆卸狀態，並容置於該容置空間323中。
參閱圖2、圖7，及圖8，接著該傳動單元4驅動該輪轂32相對於該外殼31及該無人機1旋轉，使得另一個充滿能量的能源模組51B對準該無人機1之安裝座12，此時該能源模組51A之該等滑塊512會進入該等圓弧導槽314內，以由該裝卸位置移動至該充能位置，而充滿電的能源模組51B則由該充能位置移動至該裝卸位置，圖7為該等能源模組51A、51B尚未轉至定位的態樣。若以前述的時鐘方向來說明的話，待更換的能源模組51A會逆時鐘轉動至10點鐘位置(當然也可以是順時鐘轉動至2點鐘位置)，而充滿能量的能源模組51B則由2點鐘位置逆時鐘轉動至12點鐘位置(或由10點鐘位置順時鐘轉動至12點鐘位置)。在確定該能源模組51B對準該安裝座12後，該無人機1的固定機制(可以是磁吸、卡榫或其他方式)啟動而將該能源模組51B固定於該安裝座12上，最後該無人機1向上飛離該能源模組更換系統2而完成能源更換作業，此時位於12點鐘位置的容置空間323內的能源模組51B已被取走而未置有該等能源模組51，以待下一次充電時置入另一個能源模組51。該無人機1更換下來的能源模組51A會透過該充能模組52補充能量，以用於進行下一次的能源更換作業。需要特別說明的是，在前述過程中，該無人機1會啟動備用電源，使得該能源模組51A脫離時，該無人機1上除了飛行動力系統以外之其他系統保持待命狀態，故在整個更換過程中該無人機1可不需重新啟閉，並在換上新的能源模組51B後可直接飛離，提升方便性及該無人機1的工作效率。
該能源模組更換系統2機動化地部屬於各處，並供來往的多架無人機1共享，作為飛航的能源補充中繼站可延長無人機1的航程，利於多架無人機1長時間且長距離地進行自動化之協作任務，甚至達成「自行擇定時間自行往返來達成任務」的完全無人化作業。
復參閱圖1、圖2，及圖9，該能源模組更換系統2可快速且自動化地進行能源更換作業，此外也可如圖9所示地將該兩個安裝座12相間隔地設置在該無人機1之機身11底端的腳架位置，此時需要兩個能源模組更換系統2間隔並列設置，該無人機1進行能源更換作業時，是將兩個安裝座12分別置入該等能源模組更換系統2之該等承接口310內，並透過上述的作業方式進行能源更換，
綜上所述，本新型能源模組更換系統2可設置於各處，且透過該輪轂32的輪轉式旋轉，可達到快速更換該等能源模組51之功效，故確實能達成本新型之目的。
惟以上所述者，僅為本新型之實施例而已，當不能以此限定本新型實施之範圍，凡是依本新型申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本新型專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧無人機
11‧‧‧機身
12‧‧‧安裝座
2‧‧‧能源模組更換系統
3‧‧‧主體單元
31‧‧‧外殼
310‧‧‧承接口
311‧‧‧殼體
312‧‧‧導引塊
313‧‧‧承接槽
314‧‧‧圓弧導槽
32‧‧‧輪轂
321‧‧‧隔板
322‧‧‧轉子軸套
323‧‧‧容置空間
4‧‧‧傳動單元
41‧‧‧動力源
42‧‧‧傳動皮帶
43‧‧‧皮帶輪
5‧‧‧供能單元
51‧‧‧能源模組
511‧‧‧裝載殼體
512‧‧‧滑塊
513‧‧‧電池
52‧‧‧充能模組
521‧‧‧第一電連接件
522‧‧‧第二電連接件
本新型之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一立體圖，說明本新型可共享的無人機之能源模組更換系統的一實施例； 圖2是一立體分解圖，說明本實施例的元件連接關係，圖2中未繪示一殼體； 圖3是一側視剖面圖，說明圖1的側視剖面態樣，圖3中未繪示該殼體； 圖4是一立體圖，說明本實施例的一個能源模組，本實施例中，該能源模組以電池為例； 圖5至圖8皆是示意圖，說明本實施例的運作方式；及 圖9是一示意圖，說明本實施例的另一種實施態樣。

Claims (9)

  1. 一種可共享的無人機之能源模組更換系統，適用於一具有一安裝座的無人機，該能源模組更換系統包含： 一主體單元，包括一界定出一承接口的外殼，及一可轉動地設置於該外殼上且界定出多個容置空間的輪轂，該承接口是連通該輪轂的其中一個容置空間，且適用於承接該無人機之安裝座； 一傳動單元，用於帶動該主體單元之輪轂相對於該外殼旋轉；及 一供能單元，包括複數可受控制而分離地固定於該輪轂之該等容置空間內的能源模組，該等能源模組適用於安裝在該無人機之安裝座上及該等容置空間內； 當該承接口承接該無人機之安裝座時，安裝於該安裝座上的能源模組會置入與該承接口相連通的容置空間，接著該傳動單元會帶動該輪轂旋轉，使該安裝座上的能源模組由該安裝座拆離並轉動至下一個位置，且另一個能源模組轉動至對應該安裝座的位置並固定於該安裝座上。
  2. 如請求項1所述可共享的無人機之能源模組更換系統，其中，該供能單元還包括一用於對該等能源模組充能的充能模組。
  3. 如請求項2所述可共享的無人機之能源模組更換系統，其中，供能單元之充能模組具有複數設置於該等能源模組上且與該等能源模組電性連接的第一電連接件，及複數設置於該外殼內表面並用於與該等第一電連接件電性接觸的第二電連接件，該等第二電連接件是與供電源電性連接已透過該等第一電連接件對該等能源模組充電。
  4. 如請求項3所述可共享的無人機之能源模組更換系統，其中，該主體單元之外殼包括二分別供該輪轂的兩端樞設的導引塊，每一導引塊形成一向下凹陷且適用於對應該無人機之安裝座的承接槽，及一朝向該輪轂且連通該承接槽的圓弧導槽，該等承接槽連通該承接口，該供能單元之每一能源模組具有一裝載殼體，及二分別凸設於該裝載殼體的兩側且可滑移地嵌設於該等圓弧導槽中的滑塊，每一能源模組可被該輪轂帶動旋轉而相對於該外殼在一充能位置及一裝卸位置間轉動，當該能源模組位於該充能位置時，該等滑塊嵌設於該圓弧導槽中，且容置該能源模組的相對應容置空間不連通該等承接槽，當該能源模組位於該裝卸位置時，該等滑塊分別位於該等承接槽中而不嵌設於該圓弧導槽中，使該能源模組可受操作而由該輪轂上拆離。
  5. 如請求項4所述可共享的無人機之能源模組更換系統，其中，該供能單元之每一能源模組還具有複數裝載於該裝載殼體內且與相對應第一電連接件電性連接的電池，該裝載殼體概呈扇形柱狀。
  6. 如請求項5所述可共享的無人機之能源模組更換系統，其中，每一能源模組之該等電池的數量為三的倍數。
  7. 如請求項6所述可共享的無人機之能源模組更換系統，其中，該主體單元之輪轂具有複數等角度環狀排列的隔板，及二固定該等隔板且可轉動地分別設置於該外殼之該等導引塊上的轉子軸套，每兩相鄰隔板間隔出該等容置空間的其中之一。
  8. 如請求項7所述可共享的無人機之能源模組更換系統，其中，該主體單元之外殼還具有一用於容置該等導引塊及該輪轂並供該等導引塊固定，且界定出該承接口的殼體。
  9. 如請求項8所述可共享的無人機之能源模組更換系統，其中，該傳動單元包括一動力源、一可被該動力源帶動的傳動皮帶，及一固定於該輪轂的其中一個轉子軸套上且可被該傳動皮帶帶動旋轉的皮帶輪。
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