本公開屬于飛行器空中作業(yè)領(lǐng)域，特別涉及一種涵道式飛行器大扭矩作業(yè)裝置。

背景技術(shù)：

飛行器系統(tǒng)能夠在三維空間中自由運(yùn)動，具有運(yùn)動機(jī)動性強(qiáng)、靈活性高等特點(diǎn)。但現(xiàn)有的飛行器只能完成諸如火災(zāi)探測、地震現(xiàn)場勘測、廣域環(huán)境建模等被動式監(jiān)測任務(wù)。隨著飛行器應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，人們在飛行器上加裝主動作業(yè)裝置，例如機(jī)械臂與手爪，使之能夠與外界產(chǎn)生物理交互。

由于作業(yè)裝置的引入，飛行器系統(tǒng)的自主控制也面臨著明顯的困難。飛行器系統(tǒng)具有強(qiáng)非線性、大藕合、欠驅(qū)動等特性，并且對外界擾動十分敏感。當(dāng)加載主動作業(yè)裝置后，其與飛行器系統(tǒng)之間的藕合效應(yīng)將使其動力學(xué)特性的復(fù)雜性大大增加。與環(huán)境接觸時，系統(tǒng)不可避免地要持續(xù)受到外界力擾動的影響，此類在位置剛性約束下的接觸力擾動對飛行器的運(yùn)動特性將產(chǎn)生明顯影響。

由于控制的難度，當(dāng)作業(yè)需要例如從較高位置取下或者固定采用螺紋連接的物體時，或者對有預(yù)緊力的閥門進(jìn)行操作等，需要時間短、作用力大的扭轉(zhuǎn)力矩才能夠完成任務(wù)目標(biāo)。如果其反作用力直接作用于機(jī)體，機(jī)體會受到較大的翻轉(zhuǎn)力矩，飛行器很有將無法保持穩(wěn)態(tài)，產(chǎn)生失衡，從而導(dǎo)致無法完成預(yù)期目標(biāo)甚至造成飛行器的損壞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本公開提供了一種涵道式飛行器大扭矩作業(yè)裝置，能夠在施加扭轉(zhuǎn)力矩的同時機(jī)體保持穩(wěn)定置。而且，所述裝置不會受到翻轉(zhuǎn)力矩，實(shí)現(xiàn)飛行器空中作業(yè)時機(jī)體保持平衡。

本公開通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種涵道式飛行器大扭矩作業(yè)裝置，其特征在于，所述裝置包括：殼體、電機(jī)、離合器主動盤、離合器從動盤和夾持機(jī)構(gòu)。

根據(jù)本公開，所述殼體固定在飛行器機(jī)體上，用于承載電機(jī)、離合器主動盤、離合器從動盤和夾持機(jī)構(gòu)。

根據(jù)本公開，所述殼體與飛行器連接。

根據(jù)本公開，所述電機(jī)用于向離合器主動盤提供轉(zhuǎn)動動能。

根據(jù)本公開，所述電機(jī)與離合器主動盤直接連接。電機(jī)工作時帶動主動盤轉(zhuǎn)動。

根據(jù)本公開，所述離合器主動盤用于儲存轉(zhuǎn)動動能。

根據(jù)本公開，所述離合器從動盤用于將轉(zhuǎn)動動能轉(zhuǎn)化為瞬時轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)本公開，所述離合器從動盤與夾持機(jī)構(gòu)固定連接，使得二者可以同步轉(zhuǎn)動。

根據(jù)本公開，所述離合器從動盤與夾持機(jī)構(gòu)通過軸承與殼體連接。

根據(jù)本公開，所述夾持機(jī)構(gòu)用于傳遞從離合器從動盤到目標(biāo)物體的轉(zhuǎn)矩并夾緊目標(biāo)物體。

本公開具有以下有益效果：

1、本公開提供了一種讓涵道式飛行器在空中作業(yè)時，能夠在施加扭轉(zhuǎn)力矩的同時機(jī)體保持穩(wěn)定的作業(yè)裝置。當(dāng)夾持機(jī)構(gòu)固定牢固工作物體時，主動盤在電機(jī)的帶動下旋轉(zhuǎn)至具有一定的角速度，電機(jī)停止供電之后，主動盤帶動從動盤轉(zhuǎn)動從而對目標(biāo)物體施加轉(zhuǎn)矩。工作時離合器、夾持機(jī)構(gòu)與裝置其他部位不進(jìn)行周向約束，從而使得在施加轉(zhuǎn)矩時飛行器機(jī)身

2、本公開所述裝置不會受到翻轉(zhuǎn)力矩，實(shí)現(xiàn)飛行器空中作業(yè)時機(jī)體保持平衡。從而飛行器能夠完成在高空中需要施加較大扭轉(zhuǎn)力矩才能實(shí)現(xiàn)的工作任務(wù)。

附圖說明

圖1為本公開一個實(shí)施例中一種涵道式飛行器大扭矩作業(yè)裝置的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本公開一個實(shí)施例中一種涵道式飛行器大扭矩作業(yè)裝置擰下一個底部為螺紋連接的節(jié)能燈的示意圖；

其中：1-電機(jī)；2-離合器主動盤；3-離合器從動盤；4-軸承；5-夾持機(jī)構(gòu)；6-目標(biāo)物體；7-殼體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對本公開進(jìn)行具體的說明。

在一個實(shí)施例中，本公開提供了一種涵道式飛行器大扭矩作業(yè)裝置，所述裝置包括：電機(jī)、離合器主動盤、離合器從動盤和夾持機(jī)構(gòu)；

所述電機(jī)為所述裝置提供能量；

所述離合器主動盤用于儲存轉(zhuǎn)動動能；

所述離合器從動盤用于將轉(zhuǎn)動動能轉(zhuǎn)化為瞬間的轉(zhuǎn)矩；

所述夾持機(jī)構(gòu)用于傳遞轉(zhuǎn)矩并加緊工作目標(biāo)物體。

更優(yōu)的，當(dāng)飛行器準(zhǔn)備對目標(biāo)物體施加扭轉(zhuǎn)作用力時，通過電機(jī)帶動離合器主動盤轉(zhuǎn)動，離合器主動盤與離合器從動盤相連接，離合器從動盤與夾持機(jī)構(gòu)相連接，夾持機(jī)構(gòu)夾持目標(biāo)物體。

在本實(shí)施例中，所述作業(yè)裝置主要組成部件為電機(jī)、離合器主動盤、離合器從動盤和夾持機(jī)構(gòu)。其中電機(jī)提供能量，離合器主動盤用于儲備轉(zhuǎn)動動能，離合器從動盤用于將轉(zhuǎn)動動能轉(zhuǎn)化為瞬間的轉(zhuǎn)矩，夾持機(jī)構(gòu)用于傳遞轉(zhuǎn)矩與夾緊工作目標(biāo)物體。當(dāng)飛行器準(zhǔn)備對目標(biāo)物體施加扭轉(zhuǎn)作用力時，通過電機(jī)帶動離合器主動盤轉(zhuǎn)動，離合器從動盤與夾持機(jī)構(gòu)連接，夾持機(jī)構(gòu)夾持工作目標(biāo)物體。從動盤和夾持機(jī)構(gòu)與裝置連接時沒有周向固定。主動盤加速到計算后設(shè)定的角速度之后，電機(jī)停止供能，主動盤與從動盤結(jié)合，從動盤與夾持機(jī)構(gòu)瞬間獲得轉(zhuǎn)動動能，從而帶動目標(biāo)物體轉(zhuǎn)動。該裝置解決了在較高位置作業(yè)時需要施加扭轉(zhuǎn)力矩的工作需求。該裝置解決了飛行器在空中除了目標(biāo)物體而無其他支撐，對目標(biāo)物體施加轉(zhuǎn)矩時自身受到反作用力產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)力矩，從而導(dǎo)致機(jī)體平衡被破壞的問題。

在一個實(shí)施例中，所述離合器從動盤和夾持機(jī)構(gòu)與裝置連接時沒有周向固定。

在本實(shí)施例中，所述離合器從動盤和夾持機(jī)構(gòu)與裝置連接時沒有周向固定，使得在工作時，目標(biāo)物體產(chǎn)生的反扭矩最終不會傳遞到飛行器機(jī)體之上。

在一個實(shí)施例中，當(dāng)離合器主動盤加速到計算后設(shè)定的角速度之后，電機(jī)停止供能，離合器主動盤與離合器從動盤結(jié)合，離合器從動盤與夾持機(jī)構(gòu)獲得轉(zhuǎn)動動能，從而帶動目標(biāo)物體轉(zhuǎn)動。

更優(yōu)的，離合器從動盤與夾持機(jī)構(gòu)固定連接，離合器從動盤和夾持機(jī)構(gòu)通過軸承與殼體連接。

在一個實(shí)施例中，在夾持機(jī)構(gòu)擰緊或擰松目標(biāo)物體時，反作用力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與離合器主動盤本身具有的轉(zhuǎn)動慣性力所抵消。

在本實(shí)施例中，由于在夾持機(jī)構(gòu)擰緊或擰松目標(biāo)物體時，反作用力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與離合器主動盤本身具有的轉(zhuǎn)動慣性力所抵消，所以殼體以及涵道式飛行器的機(jī)體并不會受到轉(zhuǎn)矩作用，在工作的過程中保持平衡。

在一個實(shí)施例中，當(dāng)夾持裝置采用壓力傳感器時，為了擰緊或轉(zhuǎn)動目標(biāo)物體所克服螺紋副中阻力所需扭轉(zhuǎn)力矩t為：

式中：f表示軸向力；λ表示螺紋升角；ρ表示摩擦角，ρ＝arctanf，f為摩擦系數(shù)。

在一個實(shí)施例中，夾持機(jī)構(gòu)夾持目標(biāo)物體需要的力為fp，fp需要滿足的條件為：

fprpa≥t

式中：a表示接觸的面數(shù)；rp表示夾持的半徑。

在一個實(shí)施例中，所述離合器主動盤儲存的轉(zhuǎn)動動能為：

其中，ω表示完成工作任務(wù)主動盤所需要達(dá)到的角速度，i表示主動盤轉(zhuǎn)動慣量。

更優(yōu)的，所述轉(zhuǎn)動動能與扭轉(zhuǎn)力矩的關(guān)系需要滿足

ek≥αt

其中，α表示根據(jù)卸去預(yù)緊力、擰緊或者轉(zhuǎn)動，完成任務(wù)目標(biāo)所需要的角度。

在一個實(shí)施例中，提供一種讓涵道式飛行器在空中作業(yè)時，能夠在施加扭轉(zhuǎn)力矩的同時機(jī)體保持穩(wěn)定的作業(yè)裝置。結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。飛行器攜帶該作業(yè)裝置，作業(yè)裝置中電機(jī)與離合器主動盤相連，離合器從動盤與夾持機(jī)構(gòu)相連。工作時當(dāng)需要對目標(biāo)物體施加轉(zhuǎn)矩時，被加速至設(shè)定角速度的主動盤與從動盤相結(jié)合。

該作業(yè)裝置適用于涵道式飛行器的空中作業(yè)，能夠完成例如在高處旋轉(zhuǎn)操控閥門、擰緊或放松采用螺紋連接的目標(biāo)等需要施加扭轉(zhuǎn)力矩才能實(shí)現(xiàn)的工作任務(wù)。如圖2，以擰下一個底部為螺紋連接的節(jié)能燈為例，說明作業(yè)裝置的工作原理：電機(jī)1與操縱機(jī)構(gòu)連接最終固定于殼體7上。殼體7與涵道式飛行器連接。電機(jī)1與離合器主動盤2直接連接，電機(jī)1工作時帶動主動盤2轉(zhuǎn)動。離合器從動盤3與夾持機(jī)構(gòu)5固定連接，使得二者可以同步轉(zhuǎn)動。離合器從動盤3與夾持機(jī)構(gòu)5通過軸承4與殼體7連接。當(dāng)飛行器飛行至目標(biāo)物體6(節(jié)能燈)附近懸停后，夾持機(jī)構(gòu)5夾緊目標(biāo)物體6。此時，離合器主動盤2與從動盤3處于分離狀態(tài)。電機(jī)1帶動離合器主動盤2加速轉(zhuǎn)動，加速過程中電機(jī)1對整個系統(tǒng)產(chǎn)生的擾動力比較小，在可控范圍之內(nèi)。當(dāng)離合器主動盤2被加速到具有一定的轉(zhuǎn)動動能之后，停止給電機(jī)供電，操縱機(jī)構(gòu)使離合器主動盤2與從動盤3結(jié)合。由于慣性力作用，從動盤3將跟隨主動盤2轉(zhuǎn)動，通過夾持機(jī)構(gòu)5最終對目標(biāo)物體6(節(jié)能燈)施加轉(zhuǎn)矩，使之?dāng)Q緊或者放松。在離合器主動盤2與從動盤3結(jié)合時，電機(jī)1未供電，定子和轉(zhuǎn)子之間沒有作用力，同時離合器主動盤2、離合器從動盤3、夾持機(jī)構(gòu)5與殼體7通過軸承相連，目標(biāo)物體6(節(jié)能燈)的反作用力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩并不會傳遞到殼體7之上。

因此，在夾持機(jī)構(gòu)5擰緊或擰松目標(biāo)物體6(節(jié)能燈)時，反作用力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與離合器主動盤2本身具有的轉(zhuǎn)動慣性力所抵消，殼體7以及涵道式飛行器的機(jī)體并不會受到轉(zhuǎn)矩作用，在工作的過程中保持平衡。

其中，夾持裝置采用壓力傳感器，為了擰緊或轉(zhuǎn)動工作目標(biāo)所克服螺紋副中阻力所需扭轉(zhuǎn)力矩t為

式中f——軸向力；

λ——螺紋升角；

ρ——摩擦角，ρ＝arctanf，f為摩擦系數(shù)。

一般情況下，擰松力矩為擰緊力矩的70％-75％。

夾持位置需要的力為fp，fp需要滿足的條件為：

fprpa≥t

式中a——接觸的面數(shù)；

rp——夾持的半徑。

為了得知完成工作任務(wù)主動盤所需要達(dá)到的角速度ω，需要根據(jù)從動盤與夾持裝置需要的力矩t，得到需要的轉(zhuǎn)動動能ek:

di＝dmdρ²，di＝dmdρ²

vdm＝ωdρ

式中：i——主動盤轉(zhuǎn)動慣量

dm——主動盤質(zhì)量微元

dρ——主動盤密度微元

vdm——質(zhì)量微元線速度

轉(zhuǎn)動動能為

主動盤與從動盤接觸時間很短，可以認(rèn)為接觸之后，主動盤、從動盤、夾持裝置的轉(zhuǎn)動動能等于ek。

根據(jù)卸去預(yù)緊力、擰緊或者轉(zhuǎn)動，完成任務(wù)目標(biāo)所需要的角度α，轉(zhuǎn)動動能與扭轉(zhuǎn)力矩的關(guān)系需要滿足

ek≥αt

由此便可以得到工作所需要的各個參數(shù)。

以上實(shí)施例僅用以說明本公開的技術(shù)方案，而非對其保護(hù)范圍的限制。盡管參照上述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，其依然可以對上述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替代；而這些修改或者替換，并不會使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本公開各實(shí)施例所述的精神范圍。