一种万向节轴承共轴无人机矢量推力机构及其工作方法

1.本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种万向节轴承共轴无人机矢量推力机构及其工作方法。


背景技术：

2.无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“uav”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。
3.从技术角度定义可以分为：无人固定翼飞机、无人垂直起降飞机、无人飞艇、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人伞翼机等。与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点。由于无人驾驶飞机对未来空战有着重要的意义，世界各主要军事国家都在加紧进行无人驾驶飞机的研制工作。
4.传统共轴无人机多通过偏转旋翼轴来实现对无人机姿态与运动的控制，中国专利cn201510182069.5公开一种大载荷低结构复杂度双共轴双旋翼无人飞行器，其改变无人机飞行姿态使用的结构复杂，不利于无人机的飞行控制。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种万向节轴承共轴无人机矢量推力机构，简化无人机矢量推力机构，使无人机飞行姿态调整更加快捷方便。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种万向节轴承共轴无人机矢量推力机构，包括基座，所述基座顶部固定连接有固定板，所述固定板顶面中心固定连接有球头，所述球头外侧滑动连接有球头座，所述球头座顶面固定连接有电机安装板，所述球头座与所述固定板之间设有自由度限制部，所述电机安装板传动连接有俯仰驱动部和横滚驱动部，所述电机安装板、俯仰驱动部的连接点至所述球头座中心连线与所述电机安装板、横滚驱动部连接点至所述球头座中心连线相垂直。
8.优选的，所述自由度限制部包括固定连接在所述固定板顶部一侧的限位块、固定连接在所述球头座侧壁的滑杆，所述限位块上开设有限位槽，所述限位槽竖直设置，所述滑杆与所述限位槽滑动配合，所述限位块位于所述球头座一侧，所述俯仰驱动部或所述横滚驱动部位于所述球头座另一侧，所述滑杆轴线与所述球头球心重合。
9.优选的，所述俯仰驱动部包括第一伺服器，所述第一伺服器的输出轴轴接有第一摆臂的一端，所述第一摆臂另一端通过第一万向铰铰接有第一连杆一端，所述第一连杆另一端通过第二万向铰与所述电机安装板侧壁连接。
10.优选的，所述横滚驱动部包括第二伺服器，所述第二伺服器的输出轴轴接有第二摆臂的一端，所述第二摆臂另一端通过第三万向铰铰接有第二连杆一端，所述第二连杆另一端通过第四万向铰与所述电机安装板侧壁连接，所述第四万向铰、球头座中心连线与所述第二万向铰、球头座中心连线相垂直。
11.优选的，所述第一万向铰、第二万向铰、第三万向铰、第四万向铰为球铰。
12.优选的，所述基座、固定板之间固定连接有支撑架，所述第一伺服器、第二伺服器固定连接在所述支撑架上。
13.一种万向节轴承共轴无人机矢量推力机构的工作方法，所述工作方法基于上述技术方案所述万向节轴承共轴无人机矢量推力机构，包括如下步骤：
14.控制所述俯仰驱动部运行，所述俯仰驱动部推动所述电机安装板沿所述球头转动实现俯仰姿态角度调整；
15.控制所述横滚驱动部运行，所述横滚驱动部推动所述电机安装板沿所述球头转动实现横滚姿态角度调整。
16.本发明具有如下技术效果：
17.无人机的机翼驱动电机固定安装在电机安装板顶部，无人机需要进行俯仰姿态调节时，控制俯仰驱动部运行，俯仰驱动部推动电机安装板沿球头转动实现俯视角度或仰视角度调节，无人机需要进行横滚姿态调节时，控制横滚驱动部运行，横滚驱动部推动电机安装板沿球头转动，实现横滚方向的两个方向调节，通过在球头座与固定板之间设置自由度限制部，可以限制球头座相对于球头轴线的转动，使电机安装板只能沿两个方向转动。
18.本发明在电机安装板与固定板之间通过球铰结构进行连接，使电机安装板的运行精度得到了提升，同时简化了机翼姿态调整的调节结构，使得无人机的飞行姿态调整更加方便快捷。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明结构示意图；
21.图2为本发明另一视角结构示意图；
22.图3为本发明实施例二结构示意图；
23.图4为本发明实施例二相机转动组件结构示意图；
24.图5为本发明实施例二相机转动组件的剖视结构示意图。
25.其中，1、基座；2、支撑架；3、第一伺服器；4、第一摆臂；5、第一连杆；501、第一万向铰；502、第二万向铰；6、第二伺服器；7、第二摆臂；8、第二连杆；801、第三万向铰；802、第四万向铰；9、固定板；10、电机安装板；11、球头；12、球头座；1201、滑杆；13、限位块；1301、限位槽；14、无人机机体；1401、第一电机；1402、l型支架；1403、竖向驱动齿轮；1404、横向滑轨；1405、横向驱动齿轮；1406、第三电机；1407、第二支架；15、相机转动组件；1501、安装座；1502、转动球；1503、双向转齿；1504、驱动齿轮；1505、小齿轮；1506、内螺纹套；1507、第一齿轮；1508、第一丝杆；1509、第二齿轮；1510、第二丝杆；1511、第三伺服电机；1512、第四伺服电机；1513、第一安装块；1514、驱动轴；1515、第二安装块；1516、安装板；1518、连接杆；16、相机。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
28.实施例一：
29.参照图1-2所示，本实施例提供一种万向节轴承共轴无人机矢量推力机构，包括基座1，基座1顶部固定连接有固定板9，固定板9顶面中心固定连接有球头11，球头11外侧滑动连接有球头座12，球头座12顶面固定连接有电机安装板10，球头座12与固定板9之间设有自由度限制部，电机安装板10传动连接有俯仰驱动部和横滚驱动部，电机安装板10、俯仰驱动部的连接点至球头座12中心连线与电机安装板10、横滚驱动部连接点至球头座12中心连线相垂直。
30.无人机的机翼驱动电机固定安装在电机安装板10顶部，无人机需要进行俯仰姿态调节时，控制俯仰驱动部运行，俯仰驱动部推动电机安装板10沿球头11转动实现俯视角度或仰视角度调节，无人机需要进行横滚姿态调节时，控制横滚驱动部运行，横滚驱动部推动电机安装板10沿球头11转动，实现横滚方向的两个方向调节，通过在球头座12与固定板9之间设置自由度限制部，可以限制球头座12相对于球头11轴线的转动，使电机安装板10只能沿两个方向转动。
31.本发明在电机安装板10与固定板9之间通过球铰结构进行连接，使电机安装板10的运行精度得到了提升，同时简化了机翼姿态调整的调节结构，电机安装板10与固定板9之间通过球铰结构进行连接，可以增大电机安装板10的摆动角度，使得无人机的飞行姿态调整更加方便快捷。
32.进一步优化方案，自由度限制部包括固定连接在固定板9顶部一侧的限位块13、固定连接在球头座12侧壁的滑杆1201，限位块13上开设有限位槽1301，限位槽1301竖直设置，滑杆1201与限位槽1301滑动配合，限位块13位于球头座12一侧，俯仰驱动部或横滚驱动部位于球头座12另一侧，滑杆1201轴线与球头11球心重合。
33.通过滑杆1201与限位槽1301的配合，此时滑杆1201只能沿限位槽1301滑动或沿滑杆1201转动，球头座12在运动过程中只能实现两个角度方向的移动，防止了球头座12相对于基座1的轴向转动，从而限制限制球头座12只能有两个自由度的移动。
34.进一步优化方案，俯仰驱动部包括第一伺服器3，第一伺服器3的输出轴轴接有第一摆臂4的一端，第一摆臂4另一端通过第一万向铰501铰接有第一连杆5一端，第一连杆5另一端通过第二万向铰502与电机安装板10侧壁连接。
35.通过控制第一伺服器3运行，第一伺服器3带动第一摆臂4转动，第一摆臂4推动第一连杆5移动，第一连杆5推动电机安装板10边缘移动，实现电机安装板10沿球头11一个方向的转动。
36.进一步优化方案，横滚驱动部包括第二伺服器6，第二伺服器6的输出轴轴接有第二摆臂7的一端，第二摆臂7另一端通过第三万向铰801铰接有第二连杆8一端，第二连杆8另
一端通过第四万向铰802与电机安装板10侧壁连接，第四万向铰802、球头座12中心连线与第二万向铰502、球头座12中心连线相垂直。
37.通过控制第二伺服器6运行，第二伺服器6带动第二摆臂7转动，第二摆臂7推动第二连杆8移动，第二连杆8推动电机安装板10另一个边缘移动，实现电机安装板10沿球头11另一个方向的转动。
38.第一万向铰501、第二万向铰502、第三万向铰801、第四万向铰802为球铰。采用球铰连接第一连杆5、电机安装板10、第一摆臂4，采用球铰连接第二连杆8、电机安装板10、第二摆臂7，当电机安装板10转动时，电机安装板10与第一连杆5、第二连杆8连接处的运动轨迹为非直线运动，通过第一万向铰501、第二万向铰502、第三万向铰801、第四万向铰802的设置，可以保证电机安装板10运动的自由度。
39.进一步优化方案，基座1、固定板9之间固定连接有支撑架2，第一伺服器3、第二伺服器6固定连接在支撑架2上。
40.一种万向节轴承共轴无人机矢量推力机构的工作方法，工作方法基于上述方案的万向节轴承共轴无人机矢量推力机构，包括如下步骤：
41.控制控制第一伺服器3运行，第一伺服器3带动第一摆臂4转动，第一摆臂4推动第一连杆5移动，第一连杆5推动电机安装板10边缘移动，实现电机安装板10沿球头11一个方向的转动，电机安装板10带动顶部的机翼驱动电机移动，实现俯仰姿态角度调整；
42.控制第二伺服器6运行，第二伺服器6带动第二摆臂7转动，第二摆臂7推动第二连杆8移动，第二连杆8推动电机安装板10另一个边缘移动，实现电机安装板10沿球头11另一个方向的转动，电机安装板10带动顶部的机翼驱动电机移动，实现横滚姿态角度调整。
43.实施例二：
44.参照图3-5所示，本实施例的无人机矢量推力机构与实施例一的区别仅在于，基座1底部固定连接有无人机机体14，无人机机体14底部固定连接有竖向横向移动部，竖向横向移动部底部固定连接有相机转动组件15，相机转动组件15一侧固定连接有相机16，竖向横向移动部包括固定连接在无人机机体14底部的第一电机1401，第一电机1401输出轴固定连接有l型支架1402，l型支架1402竖直侧壁滑动连接有第二电机，第二电机轴接有竖向驱动齿轮1403，竖向驱动齿轮1403与l型支架1402相啮合，第二电机侧壁固定连接有横向滑轨1404，横向滑轨1404上滑动连接有第三电机1406，第三电机1406轴接有横向驱动齿轮1405，横向驱动齿轮1405与横向滑轨1404相啮合，第三电机1406底部固定连接有第二支架1407，第二支架1407底部与相机转动组件15固定连接；
45.相机转动组件15包括两个对称设置的安装座1501，两个安装座1501固定连接，两个安装座1501组成倒置等腰直角结构，两个安装座1501底部开设有球形槽，球形槽内转动连接有转动球1502，转动球1502表面设有若干双向转齿1503，双向转齿1503对称啮合有万向驱动部，两个万向驱动部相互垂直设置，万向驱动部固定连接在等腰直角结构的直角边上，两个万向驱动部顶部固定连接有安装板1516，转动球1502外侧与相机16固定连接。
46.通过控制两个万向驱动部分别运行，万向驱动部可以带动双向转齿1503以两个不同的方向移动，从而使转动球1502在球形槽内可以实现不同方向的转动，此时固定在转动球1502外侧的相机16可以以任意角度的移动。
47.万向驱动部包括与双向转齿1503啮合的两个驱动齿轮1504，两个驱动齿轮1504对
称设置，安装座1501的外侧边固定连接有第一安装块1513，第一安装块1513固定安装在安装座1501的斜边上，第一安装块1513内转动连接有驱动轴1514，驱动轴1514靠近安装座1501的一端与驱动齿轮1504转动连接，驱动轴1514转动连接有小齿轮1505，小齿轮1505与驱动齿轮1504相啮合，驱动轴1514外侧转动连接有内螺纹套1506，内螺纹套1506与小齿轮1505相啮合，驱动轴1514上设有转动连接有驱动小齿轮1505转动的第一方向驱动部，驱动轴1514外侧固定连接有驱动驱动轴1514转动的第二方向驱动部。
48.通过控制第一方向驱动部运行，第一方向驱动部带动内螺纹套1506沿驱动轴1514转动，内螺纹套1506内部的螺纹带动小齿轮1505转动，小齿轮1505带动驱动齿轮1504转动，驱动齿轮1504带动转动球1502实现一个方向的转动，通过控制第二方向驱动部运行，第二方向驱动部带动驱动轴1514转动，驱动轴1514带动驱动齿轮1504沿驱动轴1514的轴心转动，由于驱动齿轮1504与双向转齿1503相互啮合，此时驱动齿轮1504带动转动球1502实现另一个方向的转动，通过设置两组相互垂直的万向驱动部相互配合运行可以实现转动球1502任意方向的转动。
49.进一步优化方案，第一方向驱动部包括转动连接在驱动轴1514外侧的第一齿轮1507，第一齿轮1507靠近驱动齿轮1504的一侧与内螺纹套1506固定连接，第一齿轮1507远离驱动齿轮1504的一侧设有第二齿轮1509，第二齿轮1509与驱动轴1514通过键连接，驱动轴1514远离驱动齿轮1504的一端转动连接有第二安装块1515，第一齿轮1507啮合有第一丝杆1508，第一丝杆1508轴接有第三伺服电机1511的输出轴，第二齿轮1509啮合有第二丝杆1510，第二丝杆1510轴接有第四伺服电机1512的输出轴后，第三伺服电机1511、第四伺服电机1512与第二安装块1515固定连接，第二安装块1515通过连接杆1518与第一安装块1513固定连接。
50.通过控制第三伺服电机1511和第四伺服电机1512转动，第三伺服电机1511带动第一丝杆1508转动，第一丝杆1508带动第一齿轮1507转动，第一齿轮1507带动内螺纹套1506转动，内螺纹套1506内部的螺纹带动小齿轮1505转动，小齿轮1505带动驱动齿轮1504转动，驱动齿轮1504带动转动球1502实现一个方向的转动；
51.第四伺服电机1512带动第二丝杆1510转动，第二丝杆1510带动第二齿轮1509转动，第二齿轮1509带动驱动轴1514转动，驱动轴1514带动驱动齿轮1504沿驱动轴1514的轴心转动，由于驱动齿轮1504与双向转齿1503相互啮合，此时驱动齿轮1504带动转动球1502实现另一个方向的转动。转动球1502的球心与第一电机1401轴心重合。
52.当无人机机体14在运行过程中出现振动时，相机16根据振动情况进行适应角度的转动，同时第一电机1401转动，第一电机1401的转动角度抵消相机16的转动角度，第二电机转动，带动整个相机转动组件15上下移动，消除竖直方向的振动，第三电机1406转动，带动整个相机转动组件15水平方向移动，消除水平方向的振动，本实施例的结构可以使无人机在拍摄过程中相机16的画面稳定。
53.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
54.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行
限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。