一种应用于多旋翼无人机的多适应性电动机械吊夹的制作方法

本实用新型涉及一种应用于多旋翼无人机的多适应性电动机械吊夹，属于无人机配套用具领域。

背景技术：

21世纪以来，多旋翼无人机发展十分迅速。随着硬件和算法的不断优化，多旋翼无人机的各项性能有了很大提升，逐渐成为了一种良好的空中平台，在民用和军用领域都有着广泛的应用空间。

多旋翼无人机现已在近地航拍、基础设施检査，搜索与救援，森林消防、运送快递等方面得到应用。不难发现，多旋翼无人机最为广泛的应用还是携带摄像头来实现对指定对象的滞空拍摄。采用多旋翼无人机作为航拍摄影平台具有小型轻便、低噪节能、高效机动、影像清晰的突出特点，但是同样受限于电池电量的缘故，目前市面上绝大数航拍时长不超过半个小时。

申请号为201610220913.3和201810266141.6的中国专利申请“一种多旋翼无人机用吊架”公开了两种安装在多旋翼无人机机机顶的吊架，用于将多旋翼无人机吊挂在高处物体上。吊架存在如下缺陷：1、吊挂稳定性不足。该两类吊架在吊挂完成后，若遇到外力作用(如刮风)，多旋翼无人机存在着大幅度摆动甚至坠落的可能性。此外，如果空中物体刚度较差，多旋翼无人机吊挂其上后，会导致其挠度增大和倾斜弯曲，多旋翼无人机存在滑落的可能性。这样不仅会造成机毁，还可能成为一颗空中“炸弹”，危及安全。2、吊挂适用范围有限。该两类吊架呈弯钩状，仅限于吊挂一些类圆柱体物体，适用范围比较有限。

技术实现要素：

本实用新型目的是为了解决现有吊架存在稳定性不足以及适用范围窄的问题，提供一种应用于多旋翼无人机的多适应性电动机械吊夹，该实用新型通过机械吊夹将多旋翼无人机平台吊挂和夹持在空中固定物体的方式，实现多旋翼无人机平台零功耗高稳定性悬停，还为平台提供了一定的冲击力支撑。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种应用于多旋翼无人机的多适应性电动机械吊夹，包括机械系统和控制系统。机械系统包括夹体、夹持部件、传动部件、电机、底座。控制系统包括摄像头和接触信号发生器；

所述夹体为带有滑槽的勾形结构。

夹持部件由限定块、传力杆和小勾组成。传力杆固定于限定块的下方，并穿过活动块；小勾固定安装在传力杆侧壁，用于固定并限制限定块的位置；

传动部件由活动块、推杆、导向块、旋杆、弹性胶圈组成。推杆为中空结构，推杆位于活动块下方；活动块侧壁上带有勾形结构，需保证该勾形结构与夹持部件的小勾位置对应，且保持距离，然后通过弹性胶圈将勾形结构与小勾活动连接；弹性胶圈类型和数量可根据需求选定，但是需保证两侧小勾上的弹性胶圈类型和数量完全一样；旋杆与推杆螺纹连接；导向块位于推杆底端侧壁上，能够沿着夹体的滑槽移动；

夹体与电机固定安装在底座上；传动部件的旋杆与电机固定连接；传动部件与夹持部件通过弹性胶圈活动连接；传动部件与夹持部件连接后整体位于夹体勾形内，通过夹体与夹持部件将无人机固定在指定位置；

两个接触信号发生器分别位于活动块顶端和滑槽底端；摄像头固定在底座上；

所述活动块顶端为V形结构；所述夹体勾形结构的夹持部位为曲面，曲面末端为平面；

由下述公式，在给定的v、G、Ft、α、μ1、μ2、CD、ρ、A和l参数下，改变被夹圆柱体半径r，即可计算出多个θ和与之对应的切点，将多个切点进行曲线拟合并拉伸，即得到曲面；

其中v为物体与空气的最大相对运动速度，G是平台总重力，Ft是吊夹推杆的推力，θ为圆柱体与吊夹接触面的切线与重力作用线所夹锐角，α为圆柱体与限定块接触面的切线与水平方向所夹锐角，μ1为机械吊夹夹体与圆柱体接触面的摩擦系数，μ2为机械吊夹限定块与圆柱体接触面的摩擦系数，r为圆柱体半径，CD为空气阻力系数，ρ为空气密度(一般取ρ＝1.2258N·s²·m^-4)，A物体迎风面积，l为空气阻力等效合力到圆柱体质心的距离。

工作过程：将机械吊夹底座固定在多旋翼无人机上；控制多旋翼无人机起飞到空中指定吊挂位置附近，通过摄像头查看位置，利用多旋翼无人机的机动性将机械吊夹吊挂在空中物体上。然后控制电机工作，旋杆推动推杆升高，推杆推动活动块升高，在弹性胶圈的作用下限定块向上移动。当限定块与被夹持部位接触后，限定块不再升高，传动部件继续升高，直至活动块与限定块接触，此时接触信号发生器产生停止信号，电机停止工作。此时，机械吊夹完成夹持动作；

有益效果

1、本实用新型电动机械吊夹通过将多旋翼无人机平台吊挂在空中固定目标的方式实现零功耗悬停，显著延长了多旋翼无人机平台在空工作时间。本实用新型电动机械吊夹在实现了吊挂的基础上，还能对空中固定目标进行夹持，显著提高了多旋翼无人机平台在空的稳定性、可靠性；本实用新型电动机械吊夹针对的空中固定目标对象可以是较宽尺寸范围内的类圆柱体，也可以是外凸型平板，有效拓展了吊夹的适用范围；本实用新型电动机械吊夹具有摄像系统和夹紧自停系统，能帮助控制者实现对机械吊夹的超视距控制。

2、本实用新型电动机械吊夹夹持曲面通过严谨的理论推导，采用最优化设计，针对所夹不同直径圆柱体，均能产生较大夹持力，稳定性较强，可靠性较高。

3、本实用新型电动机械吊夹可根据需求，通过改变小勾上弹性胶圈的数量和类型，来实现对夹持力的调节。

附图说明

图1为本实用新型示意图；

图2为夹体结构示意图；

图3为夹持部件图；

图4为传动部件图；

图5为夹持圆柱体时的受力分析图。

图6为吊挂和夹持圆柱体示意图

图7为吊挂和夹持外伸平板示意图

图中1.夹体，2.限定块，3.传力杆，4.小勾，5.弹性胶圈，6.推杆，7.导向块，8.旋杆，9.活动块，10.电机，11.底座，12.摄像头，13.接触信号发生器，1a.夹持曲面，1b.夹持平面，1c.夹体滑槽。

具体实施方式

为便于更好的理解本实用新型的目的、结构、特征以及功效等，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如附图1所示，本实用新型一种应用于多旋翼无人机的多适应性电动机械吊夹，包括机械系统和控制系统。机械系统包括夹体1、夹持部件、传动部件、电机10、底座11。控制系统包括摄像头12和接触信号发生器13。

如附图1和附图2所示，所述夹体1为带有滑槽1c的勾形结构。

如附图1和附图3所示，所述夹持部件由限定块2、传力杆3和小勾4组成。所述传力杆3固定于限定块2的下方，并穿过活动块9；所述小勾4固定安装在传力杆3侧壁，用于固定并限制限定块2的位置；

如附图1和附图4所示，所述传动部件由活动块9、推杆6、导向块7、旋杆8、弹性胶圈5组成。所述推杆6为中空结构，且攻有内螺纹，推杆6位于活动块9下方；活动块9侧壁上带有勾形结构，需保证该勾形结构与夹持部件的小勾4位置对应，且保持距离，然后通过弹性胶圈5将勾形结构与小勾4活动连接；机械吊夹推力大小可通过改变弹性胶圈数量和类型的方式来调节；所述旋杆8与推杆6螺纹连接；所述导向块7位于推杆6底端侧壁上，能够沿着夹体滑槽1c移动；

如附图1所示，所述夹体1与电机10固定安装在底座上；所述传动部件的旋杆8与电机10固定连接；所述传动部件与夹持部件通过弹性胶圈5活动连接；所述传动部件与夹持部件连接后整体位于夹体1勾形内，通过夹体1与夹持部件将多旋翼无人机固定在指定位置；

如附图1所示，所述两个接触信号发生器13分别位于活动块顶端和滑槽底端，接触信号发生器用于产生接触信号，控制电机自动停止转动；摄像头12固定在底座11上，用于查看机械吊夹与目标物体的相对位置；

如附图1所示，所述活动块9顶端为V形结构；所述夹体1勾形结构的夹持部位为夹持曲面1a，夹持曲面1a末端为夹持平面1b；

如附图5所示，由下述公式，在给定的v、G、Ft、α、μ1、μ2、CD、ρ、A和l参数下，改变被夹圆柱体半径r，调整圆柱体圆心位置，即可计算出多个θ和与之对应的切点，将多个切点进行曲线拟合并拉伸，即得到曲面；

其中v为物体与空气的最大相对运动速度，G是平台总重力，Ft是吊夹推杆6的推力，θ为圆柱体与吊夹夹持曲面1a的切线与重力作用线所夹锐角，α为圆柱体与限定块2接触面的切线与水平方向所夹锐角，μ1为机械吊夹夹体1与圆柱体接触面的摩擦系数，μ2为机械吊夹限定块2与圆柱体接触面的摩擦系数，r为圆柱体半径，CD为空气阻力系数，ρ为空气密度(一般取ρ＝1.2258N·s²·m^-4)，A物体迎风面积，l为空气阻力等效合力到圆柱体质心的距离，r为圆柱体。

如附图5和附图6所示，下面将对上述公式的推导过程进行说明。

为了简化模型，将空中物体视作圆柱体，推导出本平台各参数与所能抵抗的最大风速之间的关系。

1、外部作用力矩

本平台在空中所受扰动作用力主要为刮风引起的空气阻力，对于空气阻力有：

空气阻力对平台施加的风阻力矩:

Me＝Fw·(l-r) (公式3)

式公式2和公式3联立，得

其中Me为风阻力矩，CD为空气阻力系数，ρ为空气密度，A物体迎风面积，v为物体与空气的相对运动速度，l为空气阻力等效合力到圆柱体质心的距离，r为圆柱体。

2、吊夹最大摩擦矩

如图5(a)所示，对吊夹模型的机构简图进行受力分析，将吊夹和空中圆柱体视作一个整体，除去圆柱体所受支反力。

如图5(b)所示，现在对夹体进行单独受力分析，得

2F1cos(π/2-θ)＝G+Ft (公式5)

如图5(d)所示，对限定块2进行单独受力分析，得

2F2cosα＝Ft (公式7)

与外力矩相平衡摩擦矩由夹体1和限定块2对圆柱体的摩擦力产生，因此对圆柱体进行单独受力分析(仅考虑二维平面，忽略支反力影响)，得

f＝2F1·μ1+2F2μ2 (公式9)

将公式6和公式8代入公式9，得

摩擦矩表达式为：

Mi＝f·r (公式11)

将公式10代入公式11，得

其中Mi最大摩擦矩，G是平台总重力，Ft是吊夹推杆6的推力，θ为圆柱体与吊夹夹持曲面1a的切线与重力作用线所夹锐角，α为圆柱体与限定块2接触面的切线与水平方向所夹锐角，μ1为机械吊夹夹体1与圆柱体接触面的摩擦系数，μ2为机械吊夹限定块2与圆柱体接触面的摩擦系数，r为圆柱体半径。

现考虑平台即将失稳的工况，即外力矩恰好等于最大摩擦矩

Me＝Mi (公式13)

将公式4、公式12和公式13联立，可得本设计吊夹所能抵抗的最大风速表达式

其中v为物体与空气的相对运动速度，G是平台总重力，Ft是吊夹推杆6的推力，θ为圆柱体与吊夹夹持曲面1a的切线与重力作用线所夹锐角，α为圆柱体与限定块2接触面的切线与水平方向所夹锐角，μ1为机械吊夹夹体1与圆柱体接触面的摩擦系数，μ2为机械吊夹限定块2与圆柱体接触面的摩擦系数，r为圆柱体半径，CD为空气阻力系数，ρ为空气密度(一般取ρ＝1.2258N·s²·m^-4)，A物体迎风面积，l为空气阻力等效合力到圆柱体质心的距离。

如附图1、附图2和附图6所示，所述夹持平面1b和限定块2将平板夹在中间，即实现机械吊夹对外伸平板吊挂和夹持。

以上所述的具体描述，对实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。