气动机械臂及具有该机械臂的无人机的制作方法

1.本技术涉及无人机技术领域，尤其是涉及一种气动机械臂及具有该机械臂的无人机。


背景技术：

2.随着无人机的广泛普及，无人机机械臂被逐步应用到航拍、微型快递运输、灾难救援、新闻报道等各个领域。
3.目前的无人机机载机械臂由无人机机架、机械臂、抓取控制装置等组成。其中，机械臂为刚性结构，此类机械臂与无人机配合过程中，存在以下问题：
4.(1)便携性不足，不宜于收纳和携带，增加无人机运行功耗；
5.(2)灵活性不足，难以在抓取过程中灵活调节机械臂长度，当突遇不确定工作空间时，工作效率下降。


技术实现要素：

6.为了使无人机机械臂具有更好的便携性和灵活性，本技术提供一种气动机械臂及具有该机械臂的无人机。
7.第一方面，本技术提供的一种气动机械臂，采用如下的技术方案：
8.一种气动机械臂，包括气泵、气囊、卷扬装置以及收纳机构，所述气泵能够对所述气囊充气或抽气，所述收纳机构上开设有中空通道，所述气囊的一端设置在所述卷扬装置上；
9.所述卷扬装置位于所述中空通道的上方，且所述气囊的自由端穿过所述中空通道并连接有机械爪，在所述卷扬装置释放所述气囊时，所述气泵对所述气囊充气，在所述卷扬装置收纳所述气囊时，所述气泵对所述气囊抽气。
10.通过采用上述技术方案，卷扬装置释放气囊并且气泵对气囊充气，使得气囊伸出膨胀并具有刚度，收纳机构的中空通道挤压气囊对气囊起到固定作用，使得气囊能够配合机械爪进行抓取作业；在抓取作业完成后，气泵对气囊抽气，收纳机构挤压气囊内的气体辅助回收气囊，卷扬装置回收气囊并将气囊收纳至收纳机构内，方便了对机械臂的收纳和携带。
11.可选的，所述卷扬装置包括电机和连接于所述电机输出轴上的卷筒，所述气囊的一端连接于所述卷筒。
12.通过采用上述技术方案，电机转动能够带动卷筒转动，气囊的一端固定在卷筒上，能够随着卷筒的转动缠绕在卷筒上，方便了对气囊的收纳。
13.可选的，所述电机的输出轴上设置有编码器，用于检测所述气囊伸出所述中空通道的长度。
14.通过采用上述技术方案，编码器能够反馈气囊伸出中空通道的长度，方便对气囊的伸缩做出调整。
15.可选的，所述气泵具有充气管路和抽气管路，所述充气管路和所述抽气管路连接四通阀的两个端口，所述四通阀剩余端口中的一个连接有管路，所述管路穿过所述卷筒的内侧壁与所述气囊的所述一端连接。
16.通过采用上述技术方案，气囊的充气管路和抽气管路分开，减小了管路中残余气体对充气和抽气的影响，提高工作效率。
17.可选的，所述四通阀剩余端口中的另一个连接有压力传感器。
18.通过采用上述技术方案，压力传感器能够检测气囊内的气压，使得对于气囊充气和抽气的控制有所依据，操作更为精准。
19.可选的，机械爪的电源线和控制信号线均固定在气囊内。
20.通过采用上述技术方案，气囊对电源线和控制信号线起到保护作用。
21.可选的，还包括处理器，所述处理器分别与所述无人机的控制器、所述压力传感器、所述编码器、所述电机、所述气泵和所述机械爪连接。
22.通过采用上述技术方案，处理器能够获取压力传感器输出的气压信息，并且控制气泵对气囊的充气和抽气，处理器能够接收无人机的控制器输出的无人机高度信号，接受编码器输出的长度收缩信号，控制电机转动以调整气囊从收纳机构伸出的长度。
23.第二方面，本技术提供的一种无人机，包括如第一方面中任一项所述的气动机械臂。
24.通过采用上述技术方案，在无人机下方安装可伸缩的气囊机械臂，便于无人机收纳和携带机械臂，处理器可以接收无人机的控制器输出的高度信号，并调整机械臂伸缩长度及无人机高度，方便无人机抓取物品，减小了对无人机飞行灵活性、稳定性的影响。
25.本技术实施例提供的一种气动机械臂及具有该机械臂的无人机，卷扬装置释放气囊并且气泵对气囊充气，使得气囊伸出膨胀并具有刚度，收纳机构的中空通道挤压气囊对气囊起到固定作用，使得气囊能够配合机械爪进行抓取作业；处理器与无人机控制单元协同工作以控制机械爪所处的高度和伸出的长度，并且提高机械臂在抓取过程中的稳定性。在抓取作业完成后，气泵对气囊抽气，收纳机构挤压气囊内的气体辅助回收气囊，卷扬装置回收气囊并将气囊收纳至收纳机构内，方便了对机械臂的收纳和携带。
附图说明
26.图1是本技术实施例气动机械臂及具有该机械臂的无人机的整体结构示意图。
27.图2是本技术实施例气动机械臂及具有该机械臂的无人机的系统图。
28.附图标记说明：1、气囊；2、卷筒；3、电机；4、收纳机构；5、中空通道；6、气泵；7、机械爪；8、四通阀；9、压力传感器；10、处理器；11、整体协调单元；12、卷扬控制单元；13、充气控制单元；14、气压数据处理单元；15、抓取控制单元；16、控制器； 17、通气口；18、编码器。
具体实施方式
29.下面将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
30.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开
及其应用或使用的任何限制。也就是说，本文中的结构及方法是以示例性的方式示出，来说明本公开中的结构和方法的不同实施例。然而，本领域技术人员将会理解，它们仅仅说明可以用来实施的本公开的示例性方式，而不是穷尽的方式。此外，附图不必按比例绘制，一些特征可能被放大以示出具体组件的细节。
31.另外，对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
32.在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
33.目前无人机的机载机械臂由无人机机架、机械臂以及抓取装置等组成，机械臂为刚性结构，无人机在搭载此类机械臂时，一方面是便携性不足，刚性的机械臂不易于收纳和携带，并且会增加无人机的运行功耗；另一方面是灵活性不足，在无人机搭载机械臂抓取物体的过程中，机械臂的长度难以调节，在无人机的可活动空间不足时，影响工作效率。因此，需要一种灵活性强，并且便于收纳和携带的气动机械臂。
34.参照图1，气动机械臂卷扬装置和收纳机构4吊设在无人机下方，卷扬装置位于收纳机构4的上方，气囊1的一端固定连接于卷扬装置，气囊1的自由端穿过中空通道5连接有机械爪7，气囊1上还连接有用于对气囊1充气或抽气的气泵6。气泵6可以设置在无人机的机体上，无人机的机体上还设置有处理器10和无人机的控制器16，需要说明的是，图1 所示气泵6的安装位置仅是示例性的，气泵6还可以安装在其他位置。其中，气泵6、卷扬装置、机械爪7和控制器16均连接于处理器10，控制器16能够检测无人机的高度，并将高度信号传输至处理器10。
35.在一个具体的示例中，在使用机械臂抓取物体时，无人机首先飞行至目标位置上方，然后处理器10根据控制器16反馈的无人机高度信号控制卷扬装置释放气囊1并且控制气泵6向气囊1充气。在气囊1伸出至目标抓取物体所在的位置时，处理器10控制卷扬装置停止释放气囊1，在气囊1内的气体压力达到第一预设气压后，即气囊1被充满气后，处理器10控制气泵6停止向气囊1充气，充气后的气囊1具有刚度，可配合机械爪7完成抓取作业，处理器10控制机械爪7抓取物体。气囊1的材质可以是热塑性聚氨酯弹性体橡胶。需要说明的是，收纳机构4固定连接于无人机的下方，收纳机构4的中空通道5挤压气囊1内的气体，在充气状态下，中空通道5起到固定气囊1的作用。
36.在收纳气囊1时，处理器10控制气泵6对气囊1进行抽气，收纳机构4的中空通道 5可以挤压气囊1内的气体，为卷扬气囊1做准备，在气囊1中的气体排出至气囊1达到可收纳状态后，处理器10控制卷扬装置收缩气囊1，将气囊1收纳至无人机下方，提供了一种便于收纳和携带的机械臂。
37.为了在气囊1充气状态下对气囊1进行固定，以及在气囊1抽气状态下对气囊1挤压，中空通道5被设置为长条形，中空通道5的长度方向与收缩状态下的气囊1的宽度方向平行，收缩状态下的气囊1穿过中空通道5并且与中空通道5之间存在缝隙，膨胀状态下气囊1被中空通道5挤压。在对气囊1充气时，气囊1膨胀，其穿过中空通道5的部分受中空通道5的挤压与中空通道5紧密接触，中空通道5对气囊1起到固定的作用。在对气囊1抽气时，气囊1受中空通道5的，气囊1内的气体大部分被挤压至气囊1位于中空通道5下方的部分，使得气囊1位于中空通道5上方的部分收缩以为卷扬装置收缩气囊1做准备。
38.卷扬装置具体包括卷筒2和电机3，卷筒2水平悬吊在无人机下方，电机3固定连接于无人机下方，卷筒2与电机3的中心轴相连，与电机3同轴转动，气囊1的一端连接在卷筒2的外表面上，并且气囊1被收纳的部分在卷筒2的外表面上缠绕，处理器10通过控制卷筒2的转动方向和转动圈数，控制气囊1的伸长、收缩以及气囊1伸出的长度。
39.在一些实施例中，电机3还串接有编码器18，编码器18与处理器10连接。编码器 18用于检测气囊1伸出中空通道5的长度，并向处理器10输出伸缩长度信号，在伸缩长度信号小于气囊1的预设长度时，处理器10控制卷扬装置释放气囊1并且控制气泵6对气囊 1充气，在伸缩长度信号大于气囊1的预设长度时，处理器10控制卷扬装置收缩气囊1并且控制气泵6对气囊1抽气，直至气囊1伸出至预设长度并且气囊1内的气压为第一预设气压。
40.在一个具体的示例中，气囊1处于从中空通道5伸出10厘米的状态，而预设长度为 40厘米，编码器18检测气囊1的伸出长度后输出伸缩长度信号，处理器10接收伸缩长度信号，并将伸缩长度信号与预设长度相比较，比较结果为伸缩长度信号小于预设长度，这时，处理器10控制卷扬装置释放气囊1并控制气泵6对气囊1充气，直至气囊1从中空通道5伸出的长度为40厘米，伸缩长度信号等于预设长度，处理器10控制卷扬装置停止释放气囊1，在气囊1内的气压达到第一预设气压后，控制气泵6停止对气囊1充气。
41.在一些实施例中，气泵6具有充气管路和抽气管路，充气管路连接四通阀8的第一端口，抽气管路连接四通阀8的第二端口，第一端口和第二端口处均设置有止逆阀，以阻止气体回流。四通阀8的第三端口连接有管路，气囊1与卷筒2连接的一端开设有通气口 17，管路穿过设置在卷筒2内侧壁的中空槽与气囊1的通气口17连接，四通阀8的第四端口连接有压力传感器9，压力传感器9与处理器10连接，压力传感器9用于检测气囊1内的气体压力，并将气压信号输出至处理器10。在充气状态下，当气压信号小于第一预设气压时，处理器10控制气泵6对气囊1充气，直至气压信号等于第一预设气压，处理器10控制气泵6关闭。在抽气状态下，当气压信号大于第二预设气压时，处理器10控制气泵6对气囊1抽气，直至气压信号等于第二预设气压，处理器10控制气泵6关闭。
42.需要说明的是，本技术实施例中的第一预设气压为气囊1被充气膨起后，具有刚度并适于配合机械爪7工作时气囊1内的气压；第二预设气压为气囊1被抽气后，适于被收纳机构4收纳时气囊1内的气压，第二预设气压小于第一预设气压。
43.机械爪7与气囊1的自由端连接，机械爪7的电源线和控制信号线均固定在气囊1 内，电源线的一端连接于机械爪7，另一端连接于电源；控制信号线的一端连接于机械爪 7，另一端连接于处理器10，处理器10通过控制信号线向机械爪7发送抓取信号。
44.在一个具体的示例中，处理器10控制机械臂对物体进行抓取时，处理器10首先控制气囊1伸出到预设长度，并且控制气泵6对气囊1充气，使得在气囊1内的气压达到第一预设气压后，处理器10输出抓取信号，机械爪7接收抓取信号，做出抓取动作，并向处理器10反馈抓取状态信息，处理器10通过反馈的抓取状态信息，判断机械爪7是否抓取成功，若抓取失败，处理器10则调整气囊1的伸出长度，同时控制气泵6对气囊1充放气，并再一次发出抓取信号，直至抓取成功。
45.处理器10可以是stm32处理器10，处理器10具体包括卷扬控制单元12、充气控制单元13、气压数据处理单元14、抓取控制单元15和整体协调单元11。卷扬控制单元12 连接于整体协调单元11和卷扬控制装置，卷扬控制单元12用于接收编码器18输出的伸缩长度信
号，获取气囊1伸出中空通道5的长度信息，并将长度信息输出至整体协调单元 11；卷扬控制单元12还用于接受整体协调单元11发出的气囊1伸缩命令，并控制气囊1的伸出和收缩。具体来讲，伸缩长度信号小于预设长度时，整体协调单元11输出伸长信号，卷扬控制单元12接收伸长命令并控制气囊1伸长；在伸缩长度大于预设长度时，整体协调单元11输出收缩信号，卷扬控制单元12接收收缩信号并控制气囊1收缩，直至气囊1从中空通道5伸出的长度等于预设长度。
46.需要说明的是，气囊1的预设长度由整体协调单元11根据实际抓取的目标物体设定。
47.充气控制单元13连接于整体协调单元11、气泵6、压力传感器9和气压数据处理单元14。充气控制单元13用于接收压力传感器9输出的气压信号，并将气囊1内的气压信息输出至气压数据处理单元14；整体协调单元11用于输出充气命令或抽气命令；气压数据处理单元14用于接收气压信息以及整体协调单元11输出的充气命令或抽气命令，并输出充气信号或抽气信号。具体来讲，气压数据处理单元14在接收到充气命令并且其接收到的气压信息小于第一预设气压时，输出充气信号；气压数据处理单元14在接收到抽气命令并且其接收到的气压信息大于第二预设气压时，输出抽气信号。充气控制单元13还用于接收充气信号或抽气信号，控制气泵6对气囊1充气或抽气。
48.在一个具体的示例中，在需要对气囊1充气时，整体协调单元11输出充气命令，气压数据处理单元14接收充气命令和充气控制单元13输出的气压数据信息，当气压数值小于第一预设气压时，气压数据处理单元14输出充气信号，充气控制单元13接收充气信号并控制气泵6对气囊1充气，直至气压数值等于第一预设气压。在另一个示例中，整体协调单元 11输出抽气命令，气压数据处理单元14接受抽气命令和气压数据信息，当气压数值大于第二预设气压时，气压数据处理单元14输出抽气信号，充气控制单元13接收抽气信号并控制气泵6对气囊1进行抽气，直至气压数值等于第二预设气压。
49.在一些实施例中，控制器16有线通信连接于整体协调单元11，有线通信可以为有线串口，控制器16用于向整体协调单元11发送无人机的高度和速度信息，并且接受整体协调单元11发出的升高信号或降低信号。
50.在一个具体的示例中，控制器16向整体协调单元11发送无人机高度信号，整体协调单元11在接收到无人机高度信号后，结合气囊1能够伸出的长度，确定无人机的目标位置和气囊1伸出的目标长后，整体协调单元11向控制器16发出无人机位置调整信号，在无人机所处的位置高于目标位置时，向控制器16发送降低信号，控制器16控制无人机降低，并向整体协调单元11反馈无人机的高度信息，直至无人机降低至目标位置。在无人机所述的位置低于目标位置时，与上述的调整方式同理，整体协调单元11向控制器16发送升高信号并接受无人机反馈的无人机高度信息，直至控制器16将无人机升高至目标高度。
51.在一些实施例中，当无人机遇到狭窄的工作空间，无人机的升降受限，整体协调单元11能够根据无人机的高度信息和目标抓取物体的位置，调整气囊1伸出的预设长度。以整体协调单元11调整预设长度后，气囊1伸出的长度小于预设长度为例，整体协调单元11 输出伸长信号，卷扬控制单元12接收到伸长信号后，控制气囊1伸长至预设长度。同时由于气囊1伸长，气囊1内的气压减小，整体协调单元11输出充气命令，气压数据处理单元 14结合充气命令和气囊1内的气压信息，输出充气信号。充气控制单元13接收到充气信号后，控制
气泵6对气囊1充气，直至气囊1内的气压等于第一预设气压。然后整体协调单元 11输出抓取信号，控制机械爪7对目标物体进行抓取。在抓取完成后，整体协调单元11输出抽气命令，气压数据处理单元14结合抽气命令和气囊1内的气压信息，输出抽气信号，充气控制单元13在接收到抽气信号后控制气泵6对气囊1抽气，直至气囊1内的气压等于第二预设气压。整体协调单元11输出收缩信号，卷扬控制单元12接收到收缩信号后，控制卷扬装置收缩气囊1，将气囊1收缩至收纳到无人机的下方。
52.本技术实施例还公开一种具有本技术实施例的气动机械臂的无人机，机械臂能够安装在机械臂的下方，与无人机配合作业，可伸缩的机械臂更加方便收纳和携带，并且能够减小机械臂对无人机飞行时的灵活性和稳定性的影响。
53.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。