一种电池自动更换结构、装置及无人机机场的制作方法

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种电池自动更换结构、装置及无人机机场。

背景技术：

在无人值守的无人机存储环境，或者全自动的无人机使用系统中，为了保证无人机的长时续航能力，需要对无人机的电池进行充电，或者更换无人机的电池，以应付各种无人机的使用需求，或紧急起飞开始作业，或开机状态进行数据下载。基于无人机是持续在空中作业，因旋翼的高速旋转，机身会有高频的抖动，为保证整机的性能可靠，作为整机的唯一动力来源，无人机电池与无人机的连接是一种带有扣锁的牢固连接，需一套可靠的结构取出/装载无人机电池。

技术实现要素：

针对现有技术的上述缺陷，针对现有技术的上述缺陷，提供一种电池自动更换结构、装置及无人机机场。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：根据本发明的第一方面，提供一种电池自动更换结构，用于更换无人机的电池，包括底板、第一移动组件、第二移动组件以及夹持组件；

所述第一移动组件安装在底板上，所述第二移动组件安装在第一移动组件上，所述夹持组件安装在第二移动组件上；

所述第一移动组件驱动第二移动组件沿第一轴方向移动，所述第二移动组件驱动夹持组件沿第二轴方向移动，进而夹持组件取出/装载无人机的电池。

优选的，所述第一移动组件包括第一驱动件、2根平行设置的第一滑轨以及2个第一承载滑块，所述第一驱动件驱动第一承载滑块在第一滑轨上沿第一轴方向移动；

所述第二移动组件安装在2个第一承载滑块上；所述第二移动组件包括第二驱动件、平行于第二轴方向设置的第二滑轨，所述第二滑轨两端固定设置在2个第一承载滑块上；所述第二驱动件为电磁铁；

所述夹持组件包括推板件、夹取件，所述推板件固定设置在第二滑轨，夹取件与第二驱动件固定连接，夹取件通过第二驱动件可滑动设置在第二滑轨沿第二轴方向移动。

优选的，所述推板件包括推板、2根压缩弹簧、推板导向座、2个限位环、2根推板导向杆以及2个导向套，推板导向座固定设置在第二滑轨上，推板导向座上下设有2个导向孔，2根推板导向杆通过2个导向套分别穿过2个导向孔在导向孔内可自由滑动，推板固定在推板导向杆一端，限位环固定在推板导向杆另一端用于限制推板导向杆轴向窜动，压缩弹簧套设在推板导向杆上；限位环及压缩弹簧配合使得推板导向杆设置在推板导向座上；所述夹取件包括夹板和夹取导向座，夹板与夹取导向座固定连接，夹取导向座通过第二驱动件可滑动设置在第二滑轨上进而夹板可沿第二轴方向移动。

优选的，所述夹持组件还包括电池导向板；所述电池导向板固定设置在与推板件对应位置的底板上，电池导向板上设有用于收纳无人机的电池的电池导向槽。

优选的，所述夹持组件的数量为2个。

优选的，所述第一驱动件包括旋转电机、联轴器、丝杆支座、丝杠、套设在丝杠上的丝母以及连接座；所述旋转电机通过联轴器与丝杠一端共轴固定连接，所述丝母固定设置在连接座上，所述连接座与两个第一承载滑块固定连接，所述丝杆支座固定设置在底板上用于固定丝杠；

所述旋转电机驱动丝杠旋转，丝杠与丝母螺纹配合而带动连接座沿第一轴方向移动，进而连接座带动第一承载滑块沿第一轴方向移动。

优选的，还包括用于感应第一承载滑块的移动位置的限位开关，限位开关沿第一轴方向设置。

优选的，所述限位开关包括至少一个传感器、至少一个感应片，至少一个传感器和至少一个感应片分别固定设置在第一承载滑块或者底板的同一侧壁上。

优选的，所述限位开关包括传感器、第一感应片以及第二感应片，传感器固定设置在第一承载滑块上，所述第一感应片及第二感应片沿第一轴方向设置在底板的第一位置和第二位置上；或者

所述限位开关包括第一传感器、第二传感器以及第一感应片；第一传感器及第二传感器沿第一轴方向分别设置在底板的第一位置和第二位置上，第一感应片设置在第一承载滑块；

所述第一位置为夹取件抓取到无人机的电池时所处的位置，第二位置为夹取件复位所处的初始位置。

根据本发明另一方面，还提供一种电池自动更换装置，用于更换无人机的电池，包括承载结构，固定设置在承载结构上的柔性定位支撑结构、电池解锁结构以及如上文所述的电池自动更换结构；

所述柔性定位支撑结构，用于定位固定无人机；

所述电池解锁结构，用于解锁无人机的电池；

所述电池自动更换结构，用于取出/装载无人机的电池。

优选的，所述柔性定位支撑结构包括两个相对设置分别夹持固定无人机的定位支撑组件，定位支撑组件包括支撑件、定位件、2个弹性件和转轴；

所述定位件为弓形，定位件的两端均设有夹持部、中部设有通孔，支撑件一端通过转轴活动连接在定位件中部的通孔内，支撑件另一端固定设置在承载结构，夹持部用于夹持固定无人机的两个机臂；

一弹性件一端与支撑件另一端一侧部固定连接、另一端与定位件的一侧壁固定连接，另一弹性件一端与支撑件另一端的另一侧部固定连接、另一端与定位件的另一侧壁固定连接。

优选的，所述电池解锁结构包括固定件、转动电机以及解锁件；

所述固定件将转动电机固定设置在承载结构，解锁件包括解锁连杆及解锁板；所述转动电机驱动解锁件按压解锁无人机的电池锁扣；

所述转动电机与解锁连杆驱动连接，解锁板固定在解锁连杆；转动电机正向转动从而驱动解锁连杆下压，带动解锁连杆的解锁板按压解锁无人机的电池锁扣；转动电机反向转动从而驱动解锁连杆复位，带动解锁连杆的解锁板复位锁定无人机的电池锁扣。

根据本发明再一方面，还提供一种无人机机场，包括上文所述的电池自动更换装置。

实施本发明电池自动更换结构、装置及无人机机场的技术方案，具有如下优点或有益效果：本发明电池自动更换结构、装置及无人机机场，用于更换无人机的电池，电池自动更换装置包括承载结构，固定设置在承载结构上的柔性定位支撑结构、电池解锁结构以及电池自动更换结构。通过柔性定位支撑结构将无人机的机臂进行定位，环抱/钳夹住无人机的机臂；电池解锁结构在运动机构的作用下到达设定位置，旋转电机正向转动，驱动解锁连杆下压，解锁板接触到无人机的电池的电池锁扣，随着旋转电机的移动，持续下压，到达设定角度后，即可将无人机的电池的电池锁扣打开，此时无人机的电池处于自由状态，可以被取出/装载，全自动操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，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，附图中：

图1是本发明电池自动更换装置实施例的结构示意图；

图2是本发明电池自动更换装置实施例的电池更换结构示意图；

图3是本发明电池自动更换装置实施例的电池底板结构示意图；

图4是本发明电池自动更换装置实施例的电池更换结构示意图；

图5是本发明电池自动更换装置实施例的第二移动组件和第一承载滑块结构示意图；

图6是本发明电池自动更换装置实施例的推板件结构示意图；

图7是本发明电池自动更换装置实施例的限位开关第一示意图；

图8是本发明电池自动更换装置实施例的限位开关第二示意图；

图9是本发明电池自动更换装置实施例的推板件分解示意图；

图10是本发明电池自动更换装置实施例的柔性定位支撑结构示意图；

图11是本发明电池自动更换装置实施例的电池解锁结构示意图；

图12是本发明电池自动更换装置实施例的分解状态示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本发明可能采用的各种示例性实施例，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的装置和方法的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“厚度”、“上下前后左右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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元件必须具有的特定的方位、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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介简介相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

由于无人机是持续在空中作业的，因旋翼的高速旋转，机身会有高频的抖动，为保证整机的性能可靠，作为整机的唯一动力来源，无人机的电池与无人机的连接是一种带有电池锁扣的牢固连接，对无人机的电池进行更换，需要对无人机进行定位固定，需对无人机的电池的电池锁扣进行解锁，需一套可靠的结构取出/装载无人机的电池。

实施例一：

如图1-10示出了本发明电池自动更换结构实施例提供的示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。本发明电池自动更换结构30用于更换无人机200的电池210，电池自动更换结构30包括底板31、第一移动组件32、第二移动组件34以及夹持组件33；其中，底板31固定设置在电池自动更换装置的承载结构50上，第一移动组件32安装在底板31上，第二移动组件34安装在第一移动组件32上，夹持组件33安装在第二移动组件34上。第一移动组件32驱动第二移动组件34沿第一轴方向移动，第二移动组件34驱动夹持组件33沿第二轴方向移动，进而夹持组件33取出/装载无人机200的电池210。更为具体的，第一轴方向、第二轴方向为与底板31平行的平面相互垂直的x轴方向和y轴方向。

在本实施例中，夹持组件33的数量与无人机200的电池210的数量相等，具体可以根据要更换的无人机200的电池210的数量来设定，优选的，夹持组件33的数量为2个。当无人机200的电池210为1个时，夹持组件33的的数量为1个，对应的，当无人机200的电池210为2个时，夹持组件33为2个，具体数量在此不做限制。

在本实施例中，第一移动组件32包括第一驱动件、2根平行设置的第一滑轨323以及2个第一承载滑块322，第一驱动件驱动第一承载滑块322在第一滑轨323上沿第一轴方向移动。

在本实施例中，所述第一驱动件包括旋转电机321、联轴器326、丝杆支座3241、丝杠324、套设在丝杠324上的丝母327以及连接座325；其中，旋转电机321通过联轴器326与丝杠324一端共轴固定连接，丝母327固定设置在连接座325上，连接座325与2个第一承载滑块322固定连接，丝杆支座3241固定设置在底板31上用于固定丝杠324；所述旋转电机321驱动丝杠324旋转，丝杠324与丝母327螺纹配合而带动连接座325沿第一轴方向移动，进而连接座325带动第一承载滑块322沿第一轴方向移动。更为具体的，丝杆支座3241上设置有轴承，丝杠324靠近旋转电机321的一端穿设在丝杆支座3241的轴承上。

在本实施例中，第二移动组件34安装在2个第一承载滑块322上，具体的，第二移动组件34包括第二驱动件341、平行于第二轴方向设置的第二滑轨3223，第二滑轨3223两端固定设置在2个第一承载滑块322上；所述夹持组件33包括推板件331、夹取件332，推板件331固定设置在第二滑轨3223上，夹取件332与第二驱动件341固定连接，夹取件332通过第二驱动件341可滑动设置在第二滑轨3223沿第二轴方向移动，第二驱动件341驱动夹取件332沿第二轴方向移动。夹取件332的位置分别通过旋转电机321及第二驱动件341调整，夹取件332和推板件331配合来夹取无人机200的电池210。所述第二驱动件341为电磁铁。具体的，电磁铁为贯通式电磁铁，优选的，可以为24v贯通推拉式电磁铁，通过电流来产生磁性，利用不同的磁圈，加上电源来控制磁性的大小，形成一个可以推、拉的动作，使其在一个整体中运行，就像是活塞一样运动，推拉式的电磁铁因为体型较小，容易安装到一些小的场所。

具体的，所述推板件331包括推板3311、2根压缩弹簧3312、推板导向座3313、2个限位环3314、2根推板导向杆3315、以及2个导向套3318，推板导向座3313通过其导向槽3317固定设置在第二滑轨3223上，推板导向座3313上下并列设有2个导向孔3316，2根推板导向杆3315通过2个导向套3318分别穿过2个导向孔3316在导向孔3316内可自由滑动，推板3311固定在推板导向杆3315一端，限位环3314固定在推板导向杆3315另一端用于限制推板导向杆3315轴向窜动，压缩弹簧3312套设在推板导向杆3315上；限位环3314及压缩弹簧3312配合使得推板导向杆3315设置在推板导向座3313上。所述夹取件332包括夹板3321和夹取导向座3322，夹板3321与夹取导向座3322固定连接，夹取导向座3322通过第二驱动件341可滑动设置在第二滑轨3223上进而夹板3321可沿第二轴方向移动。

在本实施例中，所述夹持组件33还包括电池导向板333；电池导向板333固定设置在与推板件331对应位置的底板31上，电池导向板333上设有用于收纳无人机200的电池210的电池导向槽3331。

在本实施例中，还包括用于感应第一承载滑块322的移动位置的限位开关40，限位开关40沿第一轴方向设置。具体的，所述限位开关40包括至少一个传感器311和至少一个感应片312，至少一个传感器311和至少一个感应片312分别固定设置在第一承载滑块322或者底板31的同一侧壁上。即，可以设置一个传感器311、1个感应片312，也可以是1个传感器、2个感应片312，还可以是2个传感器、1个感应片，以及可以是2个传感器、2个感应片等等形式，传感器311和感应片312分别设置在第一承载滑块322或者底板31的同一侧壁上。

具体的，所述限位开关40包括传感器311、第一感应片312以及第二感应片314，传感器311固定设置在第一承载滑块322上，第一感应片312及第二感应片314沿第一轴方向设置在底板31的第一位置和第二位置上；或者

所述限位开关40包括第一传感器311、第二传感器313以及第一感应片312；第一传感器311及第二传感器313沿第一轴方向分别设置在底板31的第一位置和第二位置上，第一感应片312设置在第一承载滑块322；其中，所述第一位置为夹取件332抓取到无人机200的电池210时所处的位置，第二位置为夹取件332复位所处的初始位置。

如图7所示，具体的，下文仅仅以光电传感器为例进行说明，不用于限制。限位开关40的第一实施方式：所述限位开关40包括光电传感器311、第一感应片312以及第二感应片314，光电传感器311固定设置在第一承载滑块322上，第一感应片312及第二感应片314沿第一轴方向设置在底板31的第一位置和第二位置上；所述第一位置为夹取件332抓取到无人机200的电池210时所处的位置，第二位置为夹取件332复位的初始位置。具体的，当光电传感器311随第一承载滑块322移动至第一感应片312时，光被遮挡，光电传感器311有相应的动作，输出一个相应的开关控制信号，进而其他相应结构采取相应的动作，如电池解锁结构解锁无人机200的电池210的电池锁扣，进而，夹持组件33夹取或装载无人机200的电池210。当光电传感器311随第一承载滑块322移动至第二感应片314时，光被遮挡，光电传感器311有相应的动作，输出一个相应的开关控制信号，进而其他相应结构采取相应的动作，如夹持组件33夹取了无人机200的电池210，进而第一驱动件后退/前进，将无人机200的电池210放到充电装置或者运送到无人机200上等。

如图8所示，具体的，限位开关40第二实施方式：限位开关40包括第一光电传感器311、第二光电传感器313以及第一感应片312；第一光电传感器311及第二光电传感器313沿第一轴方向分别设置在底板31的第一位置和第二位置上，第一感应片312设置在第一承载滑块322；第一位置为夹取件332抓取到无人机200的电池210时所处的位置，第二位置为夹取件332复位的初始位置。更为具体的，传感器312为槽型光电传感器，优选的，可以为24v的微型槽型光电传感器。

具体的，当第一感应片312随第一承载滑块322移动至第一光电传感器311时，光被遮挡，第一光电传感器311有相应的动作，输出一个相应的开关控制信号，进而其他相应结构采取相应的动作，如电池解锁结构解锁无人机200的电池210的电池锁扣，进而，夹持组件33夹取或装载无人机200的电池210。当第一感应片312随第一承载滑块322移动至第二光电传感器313时，光被遮挡，第二光电传感器313有相应的动作，输出一个相应的开关控制信号，进而其他相应结构采取相应的动作，如夹持组件33夹取了无人机200的电池210，进而第一驱动件后退/前进，将无人机200的电池210放到充电装置或者运送到无人机200上等。同时，限位开关还可以有其他实施方式，如2个光电传感器和2个感应片等等，在此不做具体限制。

实施例二：

如图1-10示出了本发明电池自动更换装置实施例提供的示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。本发明电池自动更换装置，用于更换无人机200的电池210，包括承载结构50，固定设置在承载结构50上的柔性定位支撑结构10、电池解锁结构20、电池自动更换结构30；所述电池自动更换结构30如实施例一所述，具体不在此进一步描述。

具体的，柔性定位支撑结构10，用于定位固定待操作的无人机200，电池解锁结构20，用于解锁无人机200的电池210，电池自动更换结构30，用于取出/装载无人机200的电池210。

电池解锁结构20在运动结构的作用下到达设定位置，在上位机的逻辑控制下，旋转电机正向转动，驱动解锁连杆下压，解锁板接触到无人机的电池的电池锁扣，随着旋转电机的运动，持续下压，到达设定角度后，即可将无人机的电池的电池锁扣打开，此时无人机的电池处于自由状态，可以被取出/装载。采用旋转电机控制的目的在于输出比较大的力矩，同时可以接收反馈，保证无人机的电池锁扣存在差异的情况下，也能正常解锁。在拆卸电池的过程中，旋转电机保持解锁动作的姿态，以避免因机械结构的误差引起的电池锁扣重新扣住电池；完成拆卸电池后，旋转电机方向复位即可。

在本实施例中，所述柔性定位支撑结构10包括2个相对设置分别夹持固定无人机200的定位支撑组件11，定位支撑组件11包括支撑件101、定位件102、2个弹性件103和转轴123；其中，定位件102为弓形，定位件102的两端均设有夹持部121、中部设有通孔122，支撑件101一端通过转轴123活动连接在定位件102中部的通孔122内，支撑件101另一端固定设置在承载结构50，夹持部121用于夹持固定无人机200的2个机臂210；优选的，弹性件103为弹簧，更为具体的，一弹性件103一端与支撑件101另一端一侧部固定连接、另一端与定位件102的一侧壁固定连接，另一弹性件103一端与支撑件101另一端的另一侧部固定连接、另一端与定位件102的另一侧壁固定连接。支撑件可通过以转轴为中心，进行一定角度的旋转运动。两侧拉簧连接支撑件101及定位件102，作用是保持柔性定位支撑结构10保持初始姿态。弹性件103的弹性形变以适应因无人机机体的误差或其他因素带来的位置变动引起的机臂位置变动，保证定位件102依然能对无人机机体具有一定自由度的限制，从而保证接下来的动作正常运行。

在本实施例中，所述电池解锁结构20包括固定件23、转动电机21以及解锁件22；其中，所述固定件23将转动电机21固定设置在承载结构40，解锁件22包括解锁连杆222及解锁板221；转动电机21能够驱动解锁件22按压解锁无人机200的电池锁扣；转动电机21与解锁连杆222驱动连接，解锁板221固定在解锁连杆222；转动电机21正向转动从而驱动解锁连杆222下压，带动解锁连杆222的解锁板221按压解锁无人机200的电池锁扣；转动电机21反向转动从而驱动解锁连杆222复位，带动解锁连杆222的解锁板221复位锁定无人机200的电池锁扣220。

如图10所示，a.为初始状态，整套装置处于后方，感应片感应到传感器信号，为初始位置；b.整套装置在旋转电机转动的驱动下前进到设定位置；c.夹板在电磁铁的作用下前进，扣住电池；d.整套机头在旋转电机反转的驱动下复位到初始位置，在此过程中，电池经由夹板施加拉力，在电池导向板作用下，最后存储在导向板上。对应的，装载电池的动作过程就是取出电池过程的反向工序流程，在此不做赘述。

本发明电池自动更换装置，取出电池时，需要解锁动作先执行，并保持解锁动作，直至整个动作完成，是由于无人机电池存在有尺寸误差，不能保证一次解锁成功。装载电池时，因为无人机姿态的不精确，以及无人机机体存在误差，需要采用柔性支撑定位模块起作用，保证装载电池时能顺利进入而不会损坏无人机或电池等硬件，同时，由于无人机本身的结构原因，决定了必须采用一定的力矩输出才能保证装载成功。取出电池时，为了保证电池完全脱离无人机，必须采用位置控制，因此在电机控制方面需要进行位置控制+力矩控制两种模式的切换使用。

实施例三：

根据本发明的另一方面，还提供一种无人机机场实施例，包括如上文实施例二所述的电池自动更换装置。无人机机场还可以包括电池充电装置，用于对电池自动更换装置换下来的无人机的电池进行自动充电等等，具体及其他内容不在此做限制及细述。

本发明电池自动更换结构、装置及无人机机场，通过柔性定位支撑结构将无人机的机臂进行定位，环抱/钳夹住无人机的机臂，同时保持一定的弹性形变以适应因无人机机体的误差或其他因素带来的位置变动引起的机臂位置变动，保证对无人机机体具有一定自由度限制。

电池解锁结构在运动机构的作用下到达设定位置，在上位机的逻辑控制下，旋转电机正向转动，驱动解锁连杆下压，解锁板接触到无人机的电池的电池锁扣，随着旋转电机的运动，持续下压，到达设定角度后，即可将无人机的电池的电池锁扣打开，此时无人机的电池处于自由状态，可以被取出/装载。采用旋转电机控制的目的在于输出比较大的力矩，同时可以接收反馈，保证无人机的电池锁扣存在差异的情况下，也能正常解锁。在拆卸电池的过程中，旋转电机保持解锁动作的姿态，以避免因机械结构的误差引起的电池锁扣重新扣住电池；完成拆卸电池后，旋转电机方向复位即可，全自动操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。