救援无人机机械系统及结构设计.docx

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救援无人机机械系统及结构设计

救援无人机机械系统及结构设计

摘要

近年来，科技领域的各个方面都得到高速的发展，例如材料应用技术、动力系统技术、数字传感技术等等，与此同时救援无人机以及相关设备也得到了全面而快速的发展，装备了先进的自动驾驶系统，使其应用领域越来越广泛。

其主要优势体现在其复杂和危险的环境下也能进行航空救援工作。

对救援无人机的研究也将是科技创新的新时代。

救援无人机主要是通过图像识别系统，对救援对象进行识别，然后通过遥控器发射信号，飞行控制系统可以快速捕捉到信号，然后结合各个传感器的反馈信号来控制电流的输出，来使救援无人机完成上升、下降、置空等救援动作，同时控制着救援无人机机械手的工作。

首先对现有救援无人机与机械爪手展开研究，构建救援无人的大致框架。

根据前人的设计进行模仿创新，将各功能重新分开研究，在基础上进行改进创新，其中包括无人机的整体结构、续航系统、动力系统、各个控制系统及机械手，将其完美组合使得救援无人机整体协作起来，且能够在经济高效的前提下达到毕业设计的的要求。

关键词：

救援无人机；机械手；结构优化

Rescuedronemechanicalsystemandstructuraldesign

Abstract

Withthedevelopmentofmaterialstechnology,digitaltechnology,powersystemtechnology,andsensortechnology,inrecentyears,rescuedronesequippedwithautonomousdrivingequipmenthavealsodevelopedrapidly,andtheirapplicationfieldsarebecomingmoreandmoreextensive.Itsmainadvantagesarereflectedinitsabilitytoconductaerialreconnaissanceinitscomplexanddangerousenvironment.Researchonrescuedroneswillalsobeatrendoftechnologicalinnovation.Therescuedronemainlytransmitssignalsthroughtheremotecontrol,andthereceiverreceivesthesignalsandtransmitsthemtotheflightcontroller.Thesignalsfromtheflightcontroller'sintegratedsensorsandthesignalsreceivedbythereceivercontroltheoutputofthecurrent,soastocontrolthespeedofeachrotoroftheaircraftThecorrespondingflightattitude,whilecontrollingtheworkoftherescuedronemanipulator.First,researchtherescuedroneandsortouttheoveralldesignideas.Throughthemethodofimitationcreationandfunctionaldecomposition,therescuedroneisdecomposedintovariousmodules,includingracks,brushlessmotors,electronicgovernors,batteries,flightcontrollers,remotecontrollers,androbots.Themainfunctionsareanalyzed.,Andthendesignandanalyzethemanipulator,sothattherescuedroneasawholecooperatesandcanmeettherequirementsofgraduationdesignunderthepremiseofcost-effectiveness.

Keywords:

Rescuedrone;manipulator;structuraloptimization

1前言

近年来，多旋翼无人飞行器得到了快速的发展，装配无人驾驶系统。

这些无人机也称为空中无人机器人，广泛应用于各个领域。

无人机按用途分可以分为两种，一种为军用无人机，另一种则为民用无人机。

在军事无人机中发展较为完善，而在民用无人机的发展中还存在很多的空间。

所以本研究重点研究民用的多翼无人机。

多翼无人机它的好处在于无论地势多复杂、气候多恶劣都能优秀的完成侦查救援任务。

由其是将四翼无人机与救援系统相结合其升力大、成本低、升级空间大、灵活性强、飞行灵活、操作简单等优点。

随着材料技术、导航技术、电力系统技术和传感器技术的高速发展，配备了一个夹紧机械手的设备援助无人机也获得了快速发展，其主要的优势是拯救一个在复杂或危险环境中等待救援的人，并且可以通过救援无人机传递必要的救援信息。

1.2国内外的发展概况

2012年，日本注册了约2.4万架多旋翼无人机，这原因是用于农药喷洒的多旋翼无人机数量庞大。

2011年以来，美国由于研究经费大大增加，使得多翼无人及的到空前的高速发展。

相对来说，欧洲此时在无人机方面的发展较为缓慢。

目前，许多公司已经研发生产了100多架无人多旋翼无人机，其中最常见的是四旋翼和六旋翼。

主动防御技术也被引入到无人机中。

与此同时，很多民间小企业也十分重视无人行业的发展，向其引入了许多新型技术，使得多种多样的无人机出现在人们视野中。

有关六旋翼无人机携带用于执法、视频和检查的摄像头的新闻很常见。

以深圳大疆创新科技有限公司为例，自2012年以来，公司规模不断壮大，现已成为世界领先的无人机控制系统及无人机解决方案研发和制造企业。

该公司的客户遍及100多个国家。

早在上世纪90年代末，美国就开始使用无人机进行灾害监测和救援，但在中国，无人机还没有用于地震灾害等应急方面的应用。

在2008年汶川地震发生之前，中国科学院课题组是第一个尝试将遥感无人机应用于震中灾害航拍的课题组。

之后，遥感无人机在玉树、芦山地震后的应急救援中发挥了越来越重要的作用。

许多紧急救援实践证明,无人机可以迅速进入灾区地震后的航拍照片,现在也可以直接远程实时实时回清晰的图像;无人机具有成本低、操作方便和快速的反应等优势，这是更加有效的调查在大面积地震破坏的灾难面前。

无人机的出现，专家们可以利用无人机的优势对难情进行分析以及评估伤害。

目前的无人机技术除了可以对灾害进行航拍外，还可以装载多种有效载荷模块，若将其“转化”为移动通信基站，同时具备灾后运输、物资配送、宣传等救援的潜力。

因此，无人机将成为应急救援中不可或缺甚至不可替代的航空力量。

1.3本设计的主要内容

本文介绍了一种救援无人机的机械爪的设计，这种无人机与机械爪手的组合是一种能在恶劣环境中帮助救援人员展开救援工作的新方法。

它不仅自身有很好的抓取能力，将其优势与无人机的优势相结合，充分发挥救援无人机的作用。

救援无人机通过与机械手相互配合，完成对各种物体的抓取任务，且自动返回。

本文包括了机械爪的建模与工作原理，还包括结构设计和ansys静力学分析。

2机械爪手设计方案

2.1机械爪手的设计要求和功能要求

2.1.1设计要求

机械爪手首先抓物体十分牢靠，自身要有一定的强度，然后再与四翼无人机相结合，利用其准确快速的飞行能力完成许多救援工作，并最后安全返回。

机械爪手应当结构简单和轻量化，避免错综复杂的结构。

爪手控电路应该简单可靠，在不影响功能的前提下，尽可能减少驱动电机的数量，并且可以在不通电的情况下自锁，实现低功耗、高效率，为无人机的续航能力创造条件。

2.1.2功能要求

可以对目标物体进假设，能抓取方形或圆柱形，球体及不规则形状的物体。

在理想状态下，可抓取最大尺寸为100mm、重1000g的物体。

2.2常见机械爪手

2.2.1夹钳式机械爪手

夹钳式的机械爪手，它一般由手指、驱动、传动系统及连接与支承原件组成，通过手指的上下移动来对目标物体进行夹取。

其手部结构与螃蟹钳子相似，广泛应用于工业机器人的一种手部结构。

夹钳式机械爪手又可以分为两种结构，一种为回转型结构，另一种为平移型结构。

回转型的工作原理是两个杠杆通过转动机构来带动手指，然后手指会绕指定点旋转从而实现开闭运动。

而平动型机械爪手的工作原理是传动机构来带动两个手指作相对的平移运动，从而实现开闭运动。

2.2.2弹性力机械爪手

弹性力机械爪手的特点是通过弹性原件来夹紧物品，它在装夹目标物体时仅需要施加一定的压力就可，可以省去特定的动力装置。

但是，在放下物体时需要施加一个拉力，且这个拉力要大于目标物体的自重。

对于目标物体的形状也有要去，其必须与手指的形状相似，而且抓取的方向要同一方向进行抓取。

2.2.3勾托式机械爪手

钩爪不是通过夹紧力来抓住物体，而是利用物体的重量和水平手指产生的支持力来钩住或拖动物体。

由于钩式手爪主要依靠手指的支持力来夹紧物体，不是特别依赖于驱动装置的力矩大小，且不需要很大的夹紧力。

2.3方案对比分析和确定

机械手爪是救援无人机最关键的执行机构，是否能精确稳定的加持物体是提高救援无人机的工作效率和推进工作水平为重点。

机械手抓的设计好坏主要取决于装夹是否牢固、定位是否精确、是否具有普遍性。

目前常用的机械爪手多数为三种结构简单的爪手，一种为夹钳式，另一种是弹性力式，还有一种是勾托式。

他们都有一个缺陷就是其工作原理过于简单导致装夹对象单一。

近些年以来随着机械的各个方面的发展，出现了许多各种各样的爪手的结构，从简单变复杂，从单一到普遍，他们的功能也越来越多样化。

从自然界寻找灵感，爪手也趋于仿生化。

实践证明，手指越多抓取物品更加稳定，可以抓取各种形状不一的物品，但手指过多使得结构复杂多余，所以三指机械爪手的结构是最佳选择。

2.3.1方案一二指平动手爪

方案一是一种多连杆的二指平动机械爪，它是由很多个可以自由活动的小关节组成的。

然后使用电机作为驱动，使得机械爪完成装夹的动作。

图2.1二指平动机械手原理图

该类型机械爪手以步进电机为驱动源，具有传动灵敏和传动精度高的特点。

该类型的机械爪一般结构大小适中，生产成本不高，一般用于科研机器人和教学机器人。

其工作原理是电机带动第一动力杆，再通过连杆传给平行四边形结构，带动手指的张合。

手指的表面是粗糙的，目的是为了增加与装夹物体间的摩擦系数，使得抓的更加的牢固。

手指与装夹物体之间还有压力传感器通过物体的硬度大小来判断需要多大的夹紧力，防止物体被夹坏。

2.3.2方案二三指关节机械手爪

方案二是步进电机驱动的三指关节结构机械手，使得机械爪手更灵活、更稳定的抓取目标物体。

从而设计了一种新型结构的单电机驱动的三指机械手爪。

其工作方式为电机转动带动与其连接的圆盘，再通过曲型连接件传动，与其端部分别通过连杆与三根手指连接；电机带动圆盘和曲形连杆转动，通过连杆控制手爪开合。

三根手指呈正三角形排布，抓握时被抓取物受力均匀。

该新型的三指手爪设计方案表现出机械爪手具有控制简单、抓握可靠的优点。

2.3.3方案分析

应根据机械爪的具体使用情况来设计机械爪结构，它的功能确定时，爪手的结构及工作也