一种用于多旋翼无人机自动装卸货及换电无人站的装置的制作方法

1.本发明涉及一种用于多旋翼无人机自动装卸货及换电无人站的装置。


背景技术：

2.近年来随着互联网科技的快速发展，越来越多的城市开始走智慧城市的发展道路。智慧城市的核心要素就是智能化、自动化和便捷化。在智慧城市的发展中，物流的快速发展起到了不可替代的角色。高效便捷化的物流运输系统是快速发展智慧城市的核心技术，随着人民生活水平的不断提高，人们对物流的要求也在不断提升。高效、便捷、智能等诸多要素成为了现代化物流发展的核心要素。
3.在发展无人机配送模式中，会遇到许多技术上的难题。目前无人机的关键技术包括航电控制系统、锂电池技术、无人机机群协作调度系统、视觉识别技术、图形跟踪技术、自动避障及起降技术等。随着科技的不断进步，对无人机的配送里程也提出更高的要求。而提高无人机的运行里程的关键技术就是发展高能量密度的锂电池，但是高密度锂电池技术发展十分困难，尤其是研发适用于长飞行距离的供电锂电池。因为无人机使用的锂电池不仅要求其具有高能量密度，并且有非常严格的重量要求。无人机最大起飞重量是根据飞机类型而恒定的，如果锂电池的重量过大，就会降低无人机的有效载重。为了解决无人机配送里程的技术问题，近年来开始发展无人机换电技术。无人机换电技术就是在无人机降落无人站后，在卸货的同时完成无人机锂电池的更换。这样一来不仅解决了无人机卸货问题，还大大提高了无人机二次配送的飞行里程。
4.在实际的应用中，传统的无人机在执行配送任务时往往都会受限于里程问题，由于飞行里程的制约，使得无人机的服务范围十分狭窄，不能做到周边的全覆盖式服务。例如在抗疫期间，偏远山区医院的病人需要很多医疗物资，但是由于目的地较为偏远，传统的无人机配送模式不能覆盖，此时解决的方案往往是人为驱车前往。这种服务模式虽然解决了没有时限要求的服务需求，但当出现的配送任务有时限要求时，例如需要紧急配送血液或者器官时往往就无从下手。而采用无人机全自动换电站后，无人机起飞后只需要在调度系统的指令下自动降落到途中一个换电站完成自动换电后就能快速前往偏远目的地完成配送任务。无人机配送的服务范围会随全自动换电站的设立大幅度提升，也将会有更多人享受到无人机配送模式的便捷。我们要做的不仅是实现“最后一公里”的全自动配送，还要实现的是最大化“最后一公里”的服务范围，让更多的人享受现代化的物流服务。
5.多旋翼无人机自动装卸货及换电无人站站能够解决无人机飞行中的里程焦虑问题，和传统的充电的模式相比较其运作效率大大提升。锂电池释放完电后往往需要很长的时间给其充电，如果每次无人机电量不足都需要返回仓库进行充电，那么势必会将无人机配送这种模式的优势大打折扣。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用于多旋翼无人
机自动装卸货及换电无人站的装置，本发明的装置主要分为四大模块：装卸货模块、货箱传送模块、自动换电模块和自动充电模块，涉及的设计内容主要包括：自动换电装置设计、可移动式自动充电电池仓设计、自动装卸货装置设计及货箱传送装置设计。装卸货和换电过程可以分为：无人机降落、货物卸载、取出无人机锂电池、锂电池进入电池仓充电、满电锂电池取出、满电锂电池装入无人机、货箱重新装入无人机、无人机上电、调度系统下发配送任务、无人机起飞，实际工作时的操作流程图如图1所示。
7.本发明专利主要设计了一种多旋翼无人机自动装卸货及换电无人站，主要用于物流无人机的自动装卸货箱和无人机锂电池的自动更换。当物流无人机携带配送货物进行配送时，到达该无人站后，无人站的卸货装置会自动将待取件的货物从无人机的机舱中取出，并且能够实现自动将货物送达无人站的取件窗口。取件完成后，货箱会自动沿着设计好的路线返回无人机中。全过程无需人工参与，无论是取件服务还是寄件服务，无人站的装卸模块都会实现全自动服务。
8.当无人机到达无人站后，在完成装卸货的同时，如果云端系统检测到该无人机目前携带的锂电池的剩余可用电量不能满足接下来的配送服务，那么该无人站的自动换电模块就会自动给无人机更换满电的锂电池。换电模块不仅能实现对无人机锂电池的自动更换，还能将更换下的锂电池送入无人站的电池仓进行二次充电。本发明专利实现了集无人机自动装卸货和自动换电于一体，此外换电无人站的设计中，不仅能实现锂电池的更换，还能实现将锂电池自动送入电池仓进行二次充电。
9.所述的一种用于多旋翼无人机自动装卸货及换电无人站的装置，其特征在于包括自动装卸装置、货箱传送装置、用于给无人机更换锂电池的无人机自动换电装置、用于将亏空电池更换为满电电池的电池仓自动换电装置和用于给换下的亏空锂电池进行及时充电的电池仓自动充电装置；
10.自动装卸装置用于装载从无人机中卸下的料箱，并将料箱输送至货箱传送装置上；所述货箱传送装置用于将料箱输送至无人站的取货窗口，进行卸料；
11.所述自动装卸装置包括前转轴a、转轴步进电机、丝杆a、支架板、后转轴a、装卸皮带、丝杆步进电机和起降丝杆支架，前转轴a与后转轴a的两端转动连接在两块平行的支架板上，装卸皮带绷紧设置在前转轴a与后转轴a上，转轴步进电机利用联轴器与前转轴a连接，利用转轴步进电机旋转带动前转轴a旋转送料；
12.每块支架板的两端外侧分别固定设置一个螺纹滑块，螺纹滑块螺纹连接在丝杆a 上，丝杆a安装在起降丝杆支架上，丝杆步进电机设置在起降丝杆支架的底部并利用联轴器与丝杆a连接，利用丝杆步进电机旋转带动前转轴a、后转轴a与装卸皮带的整体结构上升或下降；
13.其中，支架板上设置有激光测距传感器，能够测出装卸皮带与料箱底面之间的距离，从而能够自动判断装卸皮带上是否有装载料箱；
14.起降丝杆支架上设置有激光测距传感器，当装卸皮带装载从无人机中卸下的料箱后下降位移时，能够测试装卸皮带是否下降至用于给货箱传送装置送料的指定位置。
15.所述的一种用于多旋翼无人机自动装卸货及换电无人站的装置，其特征在于所述货箱传送装置包括一组相互靠近设置的传送单元，每个传送单元均包括前转轴b、后转轴 b、传送带支架、限位隔板、传送带、底座a和步进电机b，前转轴b与后转轴b的两端转动连接
在两块平行的传送带支架上，传送带绷紧设置在前转轴b与后转轴b上，步进电机b利用联轴器与前转轴b连接，利用步进电机b旋转带动前转轴b进行旋转送料；
16.每块传送带支架的两端底部均固定设置有一个底座a进行支撑，传送带支架上设置限位隔板，用于防止料箱较大时发生左右侧移；
17.其中，传送带支架上设置有激光传感器，用于判断传送带上是否有料箱通过。
18.所述的一种用于多旋翼无人机自动装卸货及换电无人站的装置，其特征在于所述无人机自动换电装置包括换电移动模块和换电升降模块；
19.所述换电移动模块包括底座b、滑杆支架、气动机械抓手、水平移动步进电机、安装板和丝杆滑块，滑杆支架安装在底座b上，滑杆支架的数量是两个，两个滑杆支架平行设置，滑杆支架上转动连接有丝杆且设有水平导杆，两个滑杆支架朝向相同的一端均设置一个水平移动步进电机，且水平移动步进电机利用联轴器与相应滑杆支架上的丝杆连接；
20.所述安装板两端的底部分别通过丝杆滑块设置于所述两个滑杆支架上，丝杆滑块上设有导杆孔洞及丝杆螺纹孔洞，丝杆滑块配合设置在相应滑杆支架的丝杆和水平导杆上，在水平移动步进电机的运行下能够驱使安装板水平移动；
21.所述气动机械抓手设置于安装板上，且气动机械抓手上设有传感器；无人机进行换电时，首先气动机械抓手在水平移动步进电机的驱动下，随着水平导杆向前移动，然后气动机械抓手在气压的作用下将抓手撑开，当气动机械抓手上的传感器检测到抓手接触无人机锂电池把手后，无人机内部舵机解锁，电池上的弹簧顶针顶出，然后气动机械抓手将电池把手夹紧，在水平移动步进电机的驱动下往后移动将电池运到换电升降模块上，通过换电升降模块将电池输送至电池仓自动换电装置进行充电。
22.所述的一种用于多旋翼无人机自动装卸货及换电无人站的装置，其特征在于所述换电升降模块包括升降步进电机、升降支架、竖直导杆、升降平台、斜撑板、竖直丝杆和导向轮；
23.所述升降支架为方形结构，竖直导杆设置于升降支架内部，升降步进电机设置升降支架底部，且升降步进电机利用联轴器与竖直导杆连接；
24.所述升降平台中心设置有方形通孔，升降平台中心的方形通孔穿设在升降支架的外侧；升降支架的外侧设置有一个方形中空框，方形中空框的四个侧边顶部分别固定设置有一个斜撑板，升降平台通过螺栓固定在斜撑板上；其中，方形中空框的其中三个侧边内壁分别固定设置有一个导向轮，方形中空框的第四个侧边内壁固定设置升降丝杆滑块；
25.所述方形中空框的三个侧边内壁上设置的导向轮分别与升降支架的三个侧壁进行滚动接触，升降支架的第四个侧面设置竖向空槽，方形中空框的第四个侧边内壁固定的升降丝杆滑块穿入所述竖向空槽内并与竖直丝杆螺纹连接；
26.其中，所述升降丝杆滑块靠近于方形中空框内壁的一端设有竖向的导杆通孔，竖直导杆的上端向上穿过在升降丝杆滑块的导杆通孔，竖直导杆的下端固定设置在支撑板上，支撑板固定设置在升降支架的下部侧部。
27.所述的一种用于多旋翼无人机自动装卸货及换电无人站的装置，其特征在于所述电池仓自动换电装置包括安装支架、丝杆b、导杆b、电池仓、步进电机c、气缸底座和气缸，气缸上设有气缸机械手；两个安装支架之间安装丝杆b和导杆b，步进电机c安装在其中一个安装支架上并与丝杆b连接，所述电池仓上端与丝杆b螺纹连接，电池仓下端与导杆b滑动连
43.一种用于多旋翼无人机自动装卸货及换电无人站的装置，包括自动装卸装置、货箱传送装置、用于给无人机更换锂电池的无人机自动换电装置、用于将亏空电池更换为满电电池的电池仓自动换电装置和用于给换下的亏空锂电池进行及时充电的电池仓自动充电装置；自动装卸装置用于装载从无人机中卸下的料箱，并将料箱输送至货箱传送装置上；所述货箱传送装置用于将料箱输送至无人站的取货窗口，进行卸料。
44.对照图3中，自动装卸装置包括前转轴a 101、转轴步进电机102、丝杆a 103、支架板104、后转轴a 105、装卸皮带106、丝杆步进电机107和起降丝杆支架108，前转轴a 101与后转轴a 105的两端转动连接在两块平行的支架板104上，装卸皮带106绷紧设置在前转轴a 101与后转轴a 105上，转轴步进电机102利用联轴器与前转轴a 101 连接，利用转轴步进电机102旋转带动前转轴a101旋转送料。每块支架板104的两端外侧分别固定设置一个螺纹滑块，螺纹滑块螺纹连接在丝杆a 103上，丝杆a 103安装在起降丝杆支架108上，丝杆步进电机107设置在起降丝杆支架108的底部并利用联轴器与丝杆a 103连接，利用丝杆步进电机107旋转带动前转轴a 101、后转轴a 105与装卸皮带106的整体结构上升或下降。
45.其中，支架板104上设置有激光测距传感器，能够测出装卸皮带106与料箱底面之间的距离，从而能够自动判断装卸皮带106上是否有装载料箱；起降丝杆支架108上设置有激光测距传感器，当装卸皮带106装载从无人机中卸下的料箱后下降位移时，能够测试装卸皮带106是否下降至用于给货箱传送装置送料的指定位置。
46.对照图2和图4中，货箱传送装置包括一组相互靠近设置的传送单元，每个传送单元均包括前转轴b 201、后转轴b、传送带支架202、限位隔板203、传送带205、底座 a206和步进电机b 208，前转轴b 201与后转轴b的两端转动连接在两块平行的传送带支架202上，传送带205绷紧设置在前转轴b 201与后转轴b上，步进电机b 208利用联轴器与前转轴b 201连接，利用步进电机b 208旋转带动前转轴b 201进行旋转送料；每块传送带支架202的两端底部均固定设置有一个底座a 206进行支撑，传送带支架202上设置限位隔板203，用于防止料箱较大时发生左右侧移；其中，传送带支架202 上设置有激光传感器，用于判断传送带205上是否有料箱通过。
47.本发明中，无人机自动换电装置包括换电移动模块和换电升降模块。
48.对照图5，,换电移动模块包括底座b 305、滑杆支架306、气动机械抓手312、水平移动步进电机314、安装板315和丝杆滑块316，滑杆支架306安装在底座b 305上，滑杆支架306的数量是两个，两个滑杆支架306平行设置，滑杆支架306上转动连接有丝杆且设有水平导杆313，两个滑杆支架306朝向相同的一端均设置一个水平移动步进电机314，且水平移动步进电机314利用联轴器与相应滑杆支架306上的丝杆连接。
49.安装板315两端的底部分别通过丝杆滑块316设置于所述两个滑杆支架306上，丝杆滑块316上设有导杆孔洞及丝杆螺纹孔洞，丝杆滑块316配合设置在相应滑杆支架306 的丝杆和水平导杆313上，在水平移动步进电机314的运行下能够驱使安装板315水平移动。气动机械抓手312设置于安装板315上，且气动机械抓手312上设有传感器；无人机进行换电时，首先气动机械抓手312在水平移动步进电机314的驱动下，随着水平导杆313向前移动，然后气动机械抓手312在气压的作用下将抓手撑开，当气动机械抓手312上的传感器检测到抓手接触无人机锂电池把手后，无人机内部舵机解锁，电池上的弹簧顶针顶出，然后气动机械抓手312将电池把手夹紧，在水平移动步进电机314的驱动下往后移动将电池运到换电升
降模块上，通过换电升降模块将电池输送至电池仓自动换电装置进行充电。
50.对照图5和图6，换电升降模块包括升降步进电机301、升降支架302、竖直导杆 303、升降平台308、斜撑板318、竖直丝杆320、导向轮321；升降支架302为方形结构，竖直导杆303设置于升降支架302内部，升降步进电机301设置升降支架302底部，且升降步进电机301利用联轴器与竖直导杆303连接。升降平台308中心设置有方形通孔309，升降平台308中心的方形通孔309穿设在升降支架302的外侧；升降支架302 的外侧设置有一个方形中空框，方形中空框的四个侧边顶部分别固定设置有一个斜撑板 318，升降平台308通过螺栓固定在斜撑板318上；其中，方形中空框的其中三个侧边内壁分别固定设置有一个导向轮321，方形中空框的第四个侧边内壁固定设置升降丝杆滑块。
51.方形中空框的三个侧边内壁上设置的导向轮321分别与升降支架302的三个侧壁进行滚动接触，升降支架302的第四个侧面设置竖向空槽，方形中空框的第四个侧边内壁固定的升降丝杆滑块穿入所述竖向空槽内并与竖直丝杆320螺纹连接；其中，所述升降丝杆滑块靠近于方形中空框内壁的一端设有竖向的导杆通孔，竖直导杆303的上端向上穿过在升降丝杆滑块的导杆通孔，竖直导杆303的下端固定设置在支撑板上，支撑板固定设置在升降支架302的下部侧部。
52.对照图7，电池仓自动换电装置包括安装支架、丝杆b 403、导杆b 404、电池仓 410、步进电机c 411、气缸底座405和气缸406，气缸406上设有气缸机械手408；两个安装支架之间安装丝杆b 403和导杆b 404，步进电机c 411安装在其中一个安装支架上并与丝杆b 403连接，所述电池仓410上端与丝杆b 403螺纹连接，电池仓410下端与导杆b 404滑动连接，电池仓410上设有机械手通孔409和电池仓充电槽，所述机械手通孔409和电池仓充电槽相通；在进行换电的过程中，电池仓410在步进电机c 411 的驱动下沿着导杆b 404移动，将电池仓410的电池仓充电槽移动到指定位置；然后气缸机械手408在气缸406的作用下穿过电池仓410上的机械手通孔409抓取无人机自动换电装置上的亏空电池413，将亏空电池413送入电池仓410的电池仓充电槽进行充电。
53.对照图8，电池仓自动充电装置主要实现的功能是给换下的亏空锂电池进行及时的充电，以便用于下一次换电操作。当气缸机械手408抓取亏空锂电池进入电池仓410时，位于电池仓410上的弹簧触点502会被电池上的充放电触针501顶住，在压缩弹簧504 的作用下，弹簧触点502会自动和充放电触针501直接接触。随后电源线503会对锂电池进行充电，电流会从电源线503传到弹簧触点502然后直接给充放电触针501供电。充电完成后，电池仓内的电源板会读取电池充电状况，一旦充电完成后，电源板会自动切断供电，此时弹簧触点502和充放电触针501依然接触但是没有电流流过。采用该种设计能够很好的对电池进行充电，并且在弹簧的作用下，弹簧触点502和充放电触针501 能保证良好的接触。
54.采用用于多旋翼无人机自动装卸货及换电无人站的装置，进行工作的过程如下：
55.(1)货箱卸载过程：
56.参考图2
‑
3，当无人机携带货箱进入无人站的起降平台后，装卸模块的装卸皮带106 会在丝杆步进电机107的驱动下沿着丝杆a 103向上移动，当激光测距仪检测到装卸皮带106和货箱底面接触后，丝杆步进电机107停止转动，丝杆a 103也随着停止回转，此时装卸皮带106被固定在指定高度。随后无人机内部舵机解锁，使得货箱两侧挂耳解锁货箱和无人机分离。丝杆步进电机107反向转动，驱动丝杆a 103反向回转，装卸皮带106带着货箱向
下移动。此时位于起降丝杆支架108上的激光测距传感器会检测下降位移，当装卸皮带106下降到指定位置后，丝杆步进电机107停止回转，货箱和装卸皮带106被固定在指定位置。
57.(2)货箱传送过程：
58.参考图2和图4，当货箱随着货箱装卸模块来到无人机内部时，首先货箱装卸模块的转轴步进电机102驱动装卸皮带106回转，此时货箱传送模块的步进电机b 208以同方向同转速开始运转，驱动传送带205开始回转。货箱在装卸皮带106的驱动下向前移动，随后货箱前侧沿着限位隔板203进入货箱传送模块。货箱在传送带205的驱动下，沿着限位隔板203向前移动进入下一个货箱传送模块单元，随后沿着传送带205来到无人站取货窗口。每当货箱完全离开装卸皮带106后，转轴步进电机102就会自动停止工作，同样当货箱来到下一个货箱传送模块的激光传感器位置时，上一个传送单元的步进电机b 208也会随即停止工作。当取货完成后，空箱会同样在传送带205的驱动下进入装卸皮带106，然后丝杆步进电机107带动装卸皮带106上升到指定位置，将空箱重新送回无人机内部。
59.(3)无人机换电过程：
60.参考图5和图6，当无人机需要换电时，首先位于安装板315上的气动机械抓手312 在水平移动步进电机314的驱动下沿着水平导杆313向前移动，并且气动机械抓手312 会在气压的作用下将机械爪张开，当位于气动机械抓手312上的传感器检测到气动机械抓手312接触到电池把手后，无人机内部通过舵机解锁锂电池，此时锂电池可以被拉出。然后气动机械抓手312的机械爪在内部弹簧的作用下合爪，然后气动机械抓手312在水平移动步进电机314的驱动下沿着水平导杆313反向移动，将电池移动到升降平台308 上，位于升降平台308上的传感器会检测电池的位移，当达到指定位置后气动机械抓手 312就会脱离电池并且向后移动到指定位置。此后电池将会随着升降平台308在升降步进电机301的驱动下沿着竖直导杆303向下移动。当电池随着升降平台308下降到指定位置时，就需要进行电池入仓和满电电池出仓操作。没电的电池在电池仓机械抓手的作用下进入电池仓充电，满电的电池会被送到升降平台308上。随后升降平台308会带着满电电池沿着竖直导杆303上升到指定起降平台，过程中会有位于升降平台308上的传感器检测其位移。到达指定位置后，气动机械抓手312会沿着水平导杆313向前移动，并且在气压的作用下张开机械爪。当传感器检测到气动爪接触到电池把手后，机械爪会在弹簧力下合并，然后带着电池向前移动，将满电电池送入无人机中，然后机械爪松开，沿着水平导杆313在水平移动步进电机314的驱动下退回指定位置等待下一次换电操作。
61.(4)电池仓换电过程：
62.参考图7，当无人机的锂电池随着升降平台308进入无人站指定位置后，首先电池仓410会在步进电机c 411的驱动下沿着导杆b 404水平移动，将电池仓410的空位电池仓充电槽对准亏空电池413。然后气缸机械手408在气缸406的驱动下穿过机械手通孔409，当位于气缸机械手408上的传感器检测到气缸机械手408触碰到亏空电池413 后，气缸机械手408在气压的作用下抓紧电池，然后气缸406在方向阀的作用下反向移动，将电池放入电池仓中，随后气缸机械手408脱离电池继续向后移动，直到气缸机械手408完全离开电池仓410后壳。然后电池仓410在丝杆b 403的驱动下移动，将满电的电池所在仓位对齐气缸机械手408，此后气缸机械手408在气缸406的作用下向前移动，当其上的传感器检测到气缸机械手408触碰到满电锂电池后，机械手会夹紧满电锂电池，然后满电锂电池在气缸机械手408的
作用下被送到升降平台308上，位于气缸406 上的位移传感器检测到设定位移量后，气缸机械手408会在气压的作用下将满电锂电池松开，随后气缸机械手408返回指定位置待命，等待下一次换电操作。
63.(5)电池仓自动充电过程：
64.参考图8，当气缸机械手408抓取亏空锂电池进入电池仓410到达指定位置时，位于电池仓410上的弹簧触点502会被电池上的充放电触针501顶住，在压缩弹簧504的作用下，弹簧触点502会自动和充放电触针501直接接触，随后电源线503会对锂电池进行充电，电流会从电源线503传到弹簧触点502然后直接给充放电触针501供电。当里位于电池仓内的电池完成充电后，电池仓内的电源板会读取电池充电状况，一旦充电完成后，电源板就会自动切断供电，此时弹簧触点502和充放电触针501依然接触但是没有电流流过。
65.本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。