四旋翼飛行機(jī)器人的浮體式降落平臺(tái)設(shè)計(jì)

強(qiáng) 俊

(安徽工程大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院， 安徽 蕪湖 241000)

四旋翼飛行機(jī)器人的續(xù)航能力有限，運(yùn)行一段時(shí)間后需要回來充電，并進(jìn)行維修檢測(cè)，因此需要用到降落平臺(tái)。降落平臺(tái)的減震能力關(guān)系到飛行機(jī)器人降落的安全性。四旋翼飛行機(jī)器人的應(yīng)用范圍較寬，機(jī)身上通常裝載有許多監(jiān)測(cè)設(shè)備及電器元件，降落時(shí)的沖擊力過大就可能對(duì)它們?cè)斐蓳p害，縮短其使用壽命。目前，市面上有許多帶減震設(shè)備的降落平臺(tái)，但大部分是通過彈簧實(shí)現(xiàn)減震的。彈簧相對(duì)比較生硬，回彈時(shí)反彈力比較大，會(huì)產(chǎn)生反沖擊力?；诖耍P者研究設(shè)計(jì)了一種適合于四旋翼飛行機(jī)器人的浮體式降落平臺(tái)，通過浮體以及導(dǎo)向桿與導(dǎo)向筒的摩擦連接，可使得整個(gè)降落平臺(tái)具有更好的減震效果。該降落平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案已經(jīng)申報(bào)發(fā)明專利。

1 浮體式降落平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

四旋翼飛行機(jī)器人在使用過程中通常裝載了多個(gè)高精度、高價(jià)值的設(shè)備，每次降落都可能影響到它們的使用性能和壽命。為了給它的降落提供安全保障，我們研究比較了多種減震方案，設(shè)計(jì)出了浮體式降落平臺(tái)。

如圖1和圖2所示，設(shè)計(jì)的浮體式降落平臺(tái)，含1個(gè)水箱。水箱的下端設(shè)置有防滑墊，一側(cè)設(shè)置水閥，便于排水。水箱的側(cè)壁上卡接透明玻璃，便于觀察水箱的內(nèi)部情況。水箱的內(nèi)腔中部，設(shè)置上端呈開口狀的托盤，托盤的下端開口連接豎直向下的導(dǎo)向筒。水箱內(nèi)設(shè)置浮體，位于托盤的正上方。浮體為內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)，具有浮力。浮體的下端成圓弧形，其下端中部設(shè)置墜塊，使浮體保持平衡。浮體的周向上端與水箱的上端周向之間通過環(huán)形的防墜網(wǎng)連接，防止飛行機(jī)器人落入水箱內(nèi)。

圖1 降落平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

浮體的上端周向設(shè)有防護(hù)板，防護(hù)板的內(nèi)側(cè)設(shè)有彈性墊層。浮體側(cè)壁上開設(shè)有進(jìn)水口，進(jìn)水口處螺紋連接有旋塊，旋塊的外端設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)塊，可以進(jìn)水，從而調(diào)節(jié)浮體的進(jìn)水緩沖速度。浮體的下端中部，設(shè)置豎直向下的導(dǎo)向桿。導(dǎo)向桿的下端設(shè)置萬向輪，導(dǎo)向桿和萬向輪的直徑均小于導(dǎo)向筒的內(nèi)徑。導(dǎo)向桿的下端周向鉸接連接外端向上翹起的摩擦桿，導(dǎo)向桿上的螺紋連接螺紋筒，螺紋筒的下端連接轉(zhuǎn)環(huán)。轉(zhuǎn)環(huán)套接在導(dǎo)向桿上，位于摩擦桿的上側(cè)。摩擦桿的側(cè)壁與轉(zhuǎn)環(huán)之間通過彈簧連接。浮體的外端周向與水箱的內(nèi)壁之間通過橡皮條連接。導(dǎo)向筒的內(nèi)壁上設(shè)置有防滑橡皮層，摩擦桿的上端設(shè)置有圓弧形的防滑橡皮塊。

圖2 降落平臺(tái)主視圖

2 浮體式降落平臺(tái)的工作原理

飛行機(jī)器人若從一側(cè)斜著降落到浮體上，浮體開始向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶有側(cè)向運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，萬向輪會(huì)沿著托盤的內(nèi)壁上升，并在重力作用下緩慢減速，待其到達(dá)一定位置，橡皮條被拉直，輔助將浮體拉回到中部。這樣，飛行機(jī)器人斜著降落導(dǎo)致的反沖力就被削減了。

如果飛行機(jī)器人是豎直降落的，萬向輪會(huì)順著導(dǎo)向筒下滑。這時(shí)，在彈簧的作用下，摩擦桿上的防滑橡皮塊與防滑橡皮層之間產(chǎn)生摩擦，再加上水的阻力，下滑的萬向輪會(huì)緩慢減速。速度降下來以后，在浮力及橡皮條的作用下，整個(gè)浮體向上回升，這時(shí)的摩擦力起反向作用，防止上升過快。這樣，實(shí)現(xiàn)溫和減震，可以有效保護(hù)飛行機(jī)器人的降落安全。另外，通過在進(jìn)水口注水，可以調(diào)節(jié)浮體的下落速度；通過旋轉(zhuǎn)螺紋筒，可以調(diào)節(jié)彈簧的擠壓力度，調(diào)節(jié)摩擦力。

3 浮體式降落平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

按上述設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。與現(xiàn)有技術(shù)相比，這種浮體式降落平臺(tái)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

(1) 當(dāng)飛行機(jī)器人從側(cè)面落到浮體上時(shí)，在重力作用下，浮體能夠進(jìn)行緩慢減速，可以有效削減機(jī)器人斜著降落導(dǎo)致的反沖力。

(2) 當(dāng)飛行機(jī)器人豎直降落到浮體上時(shí)，在降落平臺(tái)內(nèi)部的摩擦力和水的阻力作用下，可以實(shí)現(xiàn)溫和減震，從而有效保護(hù)飛行機(jī)器人的著陸安全。

(3) 根據(jù)飛行機(jī)器人的體積質(zhì)量，可以通過旋轉(zhuǎn)螺紋筒或調(diào)節(jié)進(jìn)水量，靈活地控制降落平臺(tái)浮體的下滑和回升速度，減少飛行機(jī)器人在降落時(shí)所受到的震動(dòng)。

4 結(jié) 語

目前，四旋翼飛行機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，但在使用過程中普遍存在降落平臺(tái)減震效果不佳的問題。為了提升降落平臺(tái)的減震效果，研究提出的浮體式降落平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，全方位考慮了飛行機(jī)器人從側(cè)面和正面降落時(shí)的情況，通過借助水的浮力、器件的摩擦力和橡皮條、彈簧的彈力的綜合作用，來削減機(jī)器人降落時(shí)導(dǎo)致的反沖力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種浮體式降落平臺(tái)，可以有效減少四旋翼飛行機(jī)器人在降落時(shí)受到的震動(dòng)，對(duì)保護(hù)飛行器及其裝載設(shè)備的安全具有良好的作用。