四轴飞行器智能充电装置机构设计与分析

叶淑祯，谢兆贤，张艺泷，范利鑫，马钧杰，黄沈权

(温州大学机电工程学院，浙江温州 325035)

从20世纪初开始，四轴飞行器[1-3]就被人们广泛研究.时至今日，随着四轴飞行器技术的日渐成熟和工业生产水平的不断提高，四轴飞行器已经广泛运用于军事和民用领域.四轴飞行器在需要特定环境和视角来进行作业的行业倍受欢迎，需要其工作的时间也越来越长，因此对四轴飞行器的续航要求也在不断提高.

现有的四轴飞行器一般的续航时间只有半个小时左右[4]，飞行一段时间后就必须遥控其降落，然后拆卸下电池进行充电.充电技术和电池性能是四轴飞行器续航能力的关键技术，普通的四轴飞行器对于电池续航能力和充电设备有很强的依赖性.为了最大程度延长四轴飞行器的飞行时间，智能化的充电设备机构是一个亟需开发完善的研究方向，可是目前尚未有该研究领域的相关报道.可将现有成熟的充电设备和自动化机械设备结合，设计一种专门用于四轴飞行器充电的智能机构，以最大程度地挖掘四轴飞行器的发展潜能.

对以上研究方向，主要存在的关键技术问题是：（1）如何设计一种能平稳固定四轴飞行器的定位基座夹具机构.（2）如何使基座夹具机构能够满足四轴飞行器的规格.本文拟解决以上问题，提出一种针对四轴飞行器充电设备的四轴定位基座夹具机构设计，该定位夹具机构可以满足多种四轴飞行器的结构.在保证充电效果和设备安全稳固的前提下，结合现有的机械夹具设备和成熟的充电装置，设计一种可用于四轴飞行器智能充电的新型定位基座夹具机构.这种新型的定位基座夹具机构通过理论设计计算，进行滚珠丝杠选型和滚珠丝杠电机选型，针对气动手指中的受力夹板、夹具体模块中的夹块、与受力推杆等三类分析设计实现.这种新型定位基座夹具机构能够在很大程度上改善现有的传统充电方式，同时提升四轴飞行器的续航能力.

1 设计方案

1.1 定位基座夹具的目标分析及功能设计

本文是为了设计出一种可用于四轴飞行器智能充电的新型定位基座夹具机构，此夹具机构既有常规夹具的功能，功能设计当中还具备四个额外的特征和五项评估的指标.特征有：（1）四轴飞行器召回降落；（2）左右两侧和后侧夹具机构移动限位；（3）夹具机构固定四轴飞行器脚架；（4）气动手指夹取电池充电.指标是：（1）飞行器降落到指定位置；（2）夹具移动限位快速、准确、稳定；（3）夹具加紧脚架稳固，不破坏脚架；（4）夹取电池快速、准确、稳固；（5）从降落至开始充电时间不超过 1分钟.根据定位基座夹具机构的功能设计和指标设定，设计夹具机构的整体工作流程.整体的工作流程如图1所示，技术路线如图2.

图1 夹具整体工作流程Fig 1 Overall Workflow of Fixture

图2 技术路线图Fig 2 Technology Roadmap

1.2 压力传感器装置

压力传感器设计装配在底架模块上，用于感应四轴飞行器的降落，将启动信号传输给运算处理中心，是夹具机构整体运行的关键部件.压力传感器的种类选择和位置安装都十分重要，直接影响夹具机构的整体工作.因此，在选择压力传感器时，应当考虑经济成本和功能效果，在满足设计要求的前提下，选择成本较低、性能较好和技术较为成熟的压力传感器.结合本夹具机构的设计要求，只需要触发传感器并输入信号即可，综合考虑选用金属应变式压力传感器.图3的金属应变式压力传感器装配在底架模块的主板下方，并且专门设计一个托架作为固定装配零件，如图4.具体结构设计方案是将托架和主板通过内六角螺钉链接，压力传感器则装配在托架的特制卡槽内.

1.3 测距传感器装置

主控运算处理中心接收到压力传感器传输过来的信号后，发送信号给测距传感器使其开始测距工作，测距传感器设计装配在固定夹具模块上，在丝杆滑台的左、右、前、后四侧的底侧，当四轴飞行器降落时，用于检测飞行器脚架与固定夹具模块、定位推板模块和气动手指模块之间的距离.

考虑测距传感器用于提供具体的距离数据，从而精确地控制固定夹具、定位推板和启动手指这三个模块的运动.因此，在选择测距传感器的时候，要在经济成本允许的最大范围内，尽可能地选择测距精度高的传感器，为后续的机构运作提供保障.

图3 金属应变传感器装配Fig 3 Assembly of Metal Strain Sensor

图4 托架零件的模型Fig 4 Model of Bracket Parts

图5 模型传感器转配方式Fig 5 Transfer Mode of Model Sensor

本夹具机构考虑选用红外线测距传感器.它会被装配在丝杆滑台的轴承座前方，将红外线测距传感器和轴承座通过螺钉链接.此传感器的转配方式如图5所示.

1.4 底架模块设计

本文提出的四轴定位基座夹具机构设计，参考自大疆公司的PHANTOM 3 STANDARD[5].底架模块的基本材料选取的型材需要满足四轴飞行器的承重要求，又因为轴距为350 mm，停载的平台尺寸只需在轴距基础上设计，所以机构设计为160 mm×200 mm.

底架模块是主体夹具机构的承载要素，底架模块可设置在无遮挡的位置，例如：宽敞的平地.本模块由铝型材、金属板材、固定角码、金属应变压力传感器和垫脚组成.具体的机构模型如图6所示.

图6 底架模块机构模型Fig 6 Model of the Under Frame Structure Module

图7 固定夹具模块模型Fig 7 Model of Fixed-fixture Jig Module

图8 夹具体模块爆炸模型Fig 8 Explosive View of the Jig Mechanism Module

1.5 固定夹具模块设计

1.5.1 主要运动组件选择

为了飞行器降落时完美停降在预定的位置，同时考虑到飞行器姿态需要进行调整，设计中选用滚珠丝杆.该丝杠主要是对四轴飞行器在降落平台Y轴方向上的位姿进行观测和调整，能进行前后的往复运动，所以使得夹具模块整体具备效率高、冲击载荷小、和运动平稳等特性，同时夹住飞行器脚架后不会松开，便会具有好的自锁功能.

1.5.2 固定夹具模块整体设计

固定夹具模块是主体夹具机构的主要夹具机构，固定夹具模块设置在底架模块的左右两侧.并通过滑台托板1和底架模块固定连接.该模块主要由丝杆滑台、夹具机构和红外测距传感器组成，其中的两台丝杆滑台沿着底架模块的Y轴方向移动，主要用于四轴飞行器在Y轴上的位置调整，另外两个自主设计的夹具体则是用于固定四轴飞行器的两个脚架.图7显示具体的设计方案.自主设计的夹具体通过连接板和丝杆滑台连接，其中夹具体和连接板用螺钉连接，连接板和丝杆滑台亦通过螺钉连接.红外测距传感器亦是通过螺钉固定在丝杆滑台的轴承座前侧.固定夹具模块整体包含以上三个部分连接组合而成.

1.5.3 夹具体设计

夹具体是自主设计的关键固定机构，属于非标（非标准件）夹具，用于固定四轴飞行器的脚架.此夹具机构包含交流伺服电机、支承板1、夹块、推杆、推块、齿条1、齿条2、圆柱齿轮、顶盖以及硬质橡胶块组成.

图8的夹具体模块爆炸模型包含支承板1和顶盖通过螺钉连接，以此构成夹具体的主体.交流伺服电机通过螺钉固定在顶盖上方，其中一个圆柱齿轮和交流伺服电机的输出轴通过键连接，另一个圆柱齿轮则装配在支承板内部的一根对应的轴上，两个齿轮互相啮合形成齿轮配合.齿条1、2分别和两根推杆通过螺钉固结，并将两个齿条装配在支承板1左右两侧的特型滑槽内，并同时和所述的两个齿轮两两啮合.两个夹块分别装配在支撑板1前侧的两个特型孔中，同时推杆顶端的圆柱与夹块中的 T型滑槽配合形成滑动配合.两个推块分别通过螺钉固定在两个夹块的前侧，用于一开始接触四轴飞行器脚架进行位姿的调整.两个硬质橡胶块通过螺钉分别固定在两个夹块下侧的预制槽中，因为四轴飞行器脚架的材料为硬质塑料，不宜用硬质金属作为直接接触的部件，所以这里采用硬质橡胶.当电机转动工作时带动齿轮，同时驱动两侧的齿条向前或向后滑动，从而使推杆推动夹块，并利用T型滑槽使夹块下降或上升，最终实现夹紧或松开的功能.所以，当夹具夹紧四轴飞行器脚架时，由于硬质橡胶快的框型槽设计，可实现四轴飞行器Y轴和Z轴方向上的固定.

1.6 电池夹取转运模块设计

电池夹取转运模块是最后完成四轴飞行器自动充电的关键机构，电池夹取转运模块设置在底架模块的后侧.并通过气缸托板和底架模块固定连接.该模块主要由丝杆滑台、旋转气缸和气动手指组成.其中所属该模块的丝杆滑台用于气动手指的传送，从而使气动手指能够到达夹取电池的相应位置以及最后将电池送入充电位置，气动手指用于夹取四轴飞行器上的电池，旋转气缸则是用于将气动手指夹取的电池转送至相应的充电位置.

图9的设计是将旋转气缸通过螺钉固定在气缸托板上，丝杆滑台亦是通过螺钉和旋转气缸固结.气动手指模块通过支承板3和丝杆滑台连接，其中丝杆滑台和支承板3用螺钉连接，气动手指装配在支承板前侧特制的装配卡槽中，亦是通过螺钉连接.

图9 电池夹取转运模块爆炸模型Fig 9 Explosive View of Battery Clamp and Transfer Module

图10 定位基座夹具机构整体结构图Fig 10 Chart of the Jig Mechanism Massive Structure with Positional Foundation Support

图11 定位基座夹具机构整体结构爆炸图Fig 11 Explosive View of the Jig Mechanism Massive Structure with Positional Foundation Support

2 理论设计计算

2.1 固定夹具模块设计计算

2.1.1 滚珠丝杠机构设计计算

本设计采用滚珠丝杠作为固定夹具模块的主要运动组件，以下便是滚珠丝杠的理论计算和参数设定.滚珠丝杠机构是一种常见的滚动螺旋传动机构，滚珠丝杠的基本运动副是滚珠丝杠副，滚珠丝杠副是丝杠和螺母间以钢球（滚珠）为传动体的螺旋传动副，它可以将旋转运动转变成直线运动[6].

下面对滚珠丝杠的基本参数和主要参数的计算做讨论.根据丝杆直线滑台的结构确定滚珠丝杠的导程（参考标准JB3162.4-1993），滚珠直径、公称直径和导程的关系式如下公式：

根据滚珠丝杠副的标准参数查表得Ph导程为10 mm.由（1）式可得滚珠直径DW为6 mm.由λ螺旋升角（一般为2° - 5°）、ρ′摩擦角和η传动效率（η需要＞=90%）之间的关系确定合适的公称直径，设定d0公称直径为25 mm.

基本参数设定后，进行许用轴向载荷、刚性、寿命等主要参数的计算和验证.滚珠丝杠承受的最大轴向力有三种状况：

1）根据固定夹具模块结构估算其所承受的滚珠丝杠的额定静负荷大致为20 N；

2）不发生弯曲变形所承受的最大轴向力P1；

3）允许拉伸或压缩变形的情况下，可承受的最大轴向力P2.

其次计算螺母的刚性.螺母的刚性则是由预紧力决定.在轴承承受预紧力时，也需要考虑支撑轴承的刚性.

最后是对效率和驱动力矩的计算.一般情况下，滚珠丝杠的效率为 0.9.在一般情况下，将理论设计值限制在电机输出转矩的10% - 30%为佳.最终选择TH-20丝杠直线导轨滑台.

2.1.2 滚珠丝杠电机选型

滚珠丝杠电机选型的过程需要考虑电机种类和电机型号参数两个部分.

首先，电机种类.由于四轴定位基座夹具机构的使用环境基本处于家庭环境或者公共环境，所以使用的电流属于交流电，故综合考虑选用三相步进电机.

其次，电机型号参数.为了控制方便，选用步进电机，特性是转速越高力矩越小，于三相步进电机的稳定性较好，并且比两相步进电机的步距角小，精度较高.

最终选择573S15三相步进电机.

3 基于SolidWorks的建模和静力学分析

3.1 四轴定位基座夹具机构整体结构设计

本文设计四轴定位基座夹具机构的方案，如图10提出的定位基座夹具机构整体结构模型.主体由底架1、固定夹具2、定位推板3、以及电池夹取转运4等四大模块组成.

图11的定位基座夹具机构整体爆炸图，显示固定夹具模块共有两个，分别装配在底架左右两侧的支架上.定位推板模块有一个，装配在底架前侧的支架上，电池夹取转运模块装配在底架后侧的支架上.固定夹具模块主要由丝杆滑台、夹具体机构和红外测距传感器组成.定位推板模块主要由丝杆滑台、支承板2和固定推板所组成.电池夹取转运模块主要由丝杆滑台、旋转气缸和气动手指模块组成.底架模块由底架和压力传感器组成，压力传感器装配在底架下方的预定槽中，当四轴飞行器降落时可进行感知并发送信号.

3.2 基于SolidWorks的静力学分析

SolidWorks Simulation完全集成的设计分析系统，拥有应力学分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析等多种分析功能[7]，实现仿真[8-9].可以直接从SolidWorks三维模型提取需要的模型.当导入模型之后，可以直接对零件设置作用力的大小和方向、零件的材质、和夹具的位置，在设定的载荷条件下点击分析算例便可得出零件各个位置的应力的大小.SolidWorks Simulation内建模块可以方便并且准确的提高零件的可靠性和安全性，有利于减少设计过程中因材质问题而出现的设计缺陷.

图12 添加固定图Fig 12 Additional Fixation Diagram

图13 添加载荷图Fig 13 Additional Loading Diagram

图14 静力分析图Fig 14 Analysis Diagram of Static Force

本节中将对夹具机构中的主要几个受力零件进行静力学分析.

3.2.1 气动手指中的受力夹板分析案例

气动手指的夹板的制作材料铝合金的弹性模量为E= 71.7 GPA，泊松比u= 0.33，密度为ρ=2.81 g/cm3.经SolidWorks Simulation后，将夹板的材料设定成不锈钢，然后进行静力学分析的运算模块.由于夹板和气动手指连接是通过螺栓螺母固定，所以分析时需要添加固定，固定约束的位置选择在夹板的后部，如图12所示.气动手指模块工作时最大的负载为10 N，图13需要在夹板的正下方模拟添加大小为10 N的压力.通过Simulation模块的静力学分析得到图14的夹板在载荷作用下的静应力分布图.图14中标示的最大应力值为σmax=11 385 Pa.由于无杆气缸滑块的材料为铝合金，依据材料性质可知，屈服极限为σb=55 148 500 Pa.将取安全系数n=2，许用应力为[σb]=σb/2=27 574 250 Pa.

σmax＜[σb]，则此设计满足强度的要求.

3.2.2 夹具体模块中的夹块分析案例

夹块的制作材料为45号钢，其弹性模量E= 210 GPA，泊松比u= 0.28，密度ρ= 7.9 g/cm3.经SolidWorks Simulation后，窗口中将夹板的材料设定成不锈钢，然后进行静力学分析的运算模块.

首先，添加固定.图15显示固定的位置选择在夹块后部.

图15 添加固定图Fig 15 Additional Fixation Diagram

然后，由分析得夹块工作时最大的压力为20 N.图16显示夹块底端凹槽处添加20 N的压力.

图16 添加载荷图Fig 16 Additional Loading Diagram

最后，通过Simulation模块的静力学分析得到图17，显示为夹块在载荷作用下的静应力分布图.

图17 静力分析图Fig 17 Analysis Diagram of Static Force

图17中的最大应力值为σmax=130 743 Pa.已知无杆气缸的滑块材料为铝合金，依材料性质可知屈服极限为σb=185 MPa.故此取安全系数为n=2，取得许用应力为[σb]=σb/2=92.5 MPa.

σmax＜[σb]，则此设计满足强度要求.

3.2.3 夹具体模块中的受力推杆分析案例

推杆的制作材料为45号钢，45号钢的弹性模量为E= 210 GPA，泊松比μ= 0.28，密度为ρ=7.9 g/cm3.SolidWorks Simulation后，将夹板的材料设定成不锈钢，然后进行添加固定和添加载荷等两项静力学分析.（1）添加固定.因为推杆和传动齿条连接是通过螺栓螺母固定，所以固定的位置选择在推杆的后部，如图18.（2）添加载荷.在气动手指模块工作时最大的压力为10N，在确定推杆固定约束的位置后，在推杆后侧添加10 N的压力，如图19所示.

总结以上的结果，通过Simulation模块的静力学分析可以得到图20结果，显示夹板在载荷作用下的静应力分布图.图中最大的应力为σmax=19 733 654 Pa.由于推杆的材料45号钢，得到屈服强度σb=185 Mpa.故此，取安全系数为n=2，许用应力为[σb]=σb/2 = 92.5 MPa.最后，直接得出σmax＜[σb]，该零件设计满足使用要求.

图18 添加固定图Fig 18 Additional Fixation Diagram

图19 添加载荷图Fig 19 Additional Loading Diagram

图20 静力分析图Fig 20 Analysis Diagram of Static Force

4 结 论

本文提出一种四轴定位基座夹具机构设计，通过结构分析和对比计算，选择相应的机构组件，结合现有的机械夹具设备和成熟的充电装置，设计出一种可用于四轴飞行器智能充电的新型定位基座夹具机构.本设计的创新点主要有以下两点：首先，创新夹具平台设计.其次，自主设计的夹具体机构.本作品为四轴飞行器的充电提供了一个崭新的硬件平台.