一种用于植保无人直升机旋翼操纵的混联装置

专利名称：一种用于植保无人直升机旋翼操纵的混联装置

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210303369.4

专利申请（专利权）人：燕山大学
权利人地址：河北省秦皇岛市河北大街西段438号

专利发明（设计）人：胡波,赵金君,柏朋,陈佳伟,张学兵

专利摘要：本发明提供一种用于植保无人直升机旋翼操纵的混联装置，包括机座、不旋转环、旋转环、桨毂、旋翼主轴、主轴电机以及连接机座和不旋转环的三个驱动支链与两个约束支链、连接旋转环和旋翼主轴的两个结构相同的扭力臂支链、连接旋转环和桨毂的两个结构相同的变距拉杆支链；驱动支链中的移动副为主动驱动副，驱动支链和约束支链中的的转动副轴线平行，变距拉杆支链中的转动副轴线共线并指向桨毂中心，扭力臂支链中的转动副轴线平行于变距拉杆支链中的转动副轴线；所述旋翼主轴初始端和主轴电机相连，中间穿过不旋转环和旋转环，末端和桨毂相连；旋转环和不旋转环通过滚动轴承连接。本发明结构对称、纵向和横向操纵解耦、操纵灵活。

主权利要求：
1.一种用于植保无人直升机旋翼操纵的混联装置，其特征在于：其包括机座、不旋转环、旋转环、桨毂、以及旋翼主轴；
所述机座与不旋转环之间借助于第一支链、第二支链、第三支链、第四支链和第五支链连接，其中第一支链、第二支链和第三支链为驱动支链，第四支链和第五支链为约束支链，所述第一支链、第二支链、第三支链和第四支链的第一端均连接在机座的外端部并沿机座的外端部呈圆周状均匀分布，所述第一支链、第二支链、第三支链和第四支链的第二端均连接在不旋转环的外端部并沿不旋转环的外端部呈圆周状均匀分布，第一支链和第三支链为结构相同的PSS支链，且从所述机座到不旋转环依次包括移动副P1、球副S1、第一连杆和球副S2，所述PSS支链移动副P1垂直于机座并与机座固定连接；第二支链和第四支链为结构相同的PRS支链，自机座到不旋转环依次包括移动副P2、转动副R1、第二连杆和球副S3，PRS支链移动副P2垂直于机座并与机座固定连接，转动副R1轴线平行于第一支链和第三支链的第一端的连线；第五支链为PU支链，自机座到不旋转环依次包括移动副P3和万向节，其中移动副P3由万向节沿旋翼的主轴的移动形成；
所述旋翼主轴与旋转环之间借助于第六支链和第八支链连接，所述桨毂与旋转环之间借助于第七支链和第九支链连接；其中第六支链和第八支链为扭力臂支链，第七支链和第九支链为变距拉杆支链；第六支链、第七支链、第八支链和第九支链与旋转环相连的端点呈圆周状均匀分布，第六支链和第八支链为结构相同且空间位置呈对称分布的RRS支链，从旋翼主轴到旋转环依次包括转动副R3、第四连杆、转动副R2、第三连杆和球副S4；第七支链和第九支链为结构相同的RSS支链，从桨毂到旋转环依次包括转动副R4、变距摇臂、球副S6、变距拉杆、球副S5，其中第七支链和第九支链的RSS支链转动副R4的轴线共线并指向桨毂中心，RSS支链转动副R4的轴线平行于RRS支链转动副R3的轴线。
2.根据权利要求1所述的一种用于植保无人直升机旋翼操纵的混联装置，其特征在于：
所述旋转环和不旋转环通过滚动轴承连接，旋翼主轴的初始端和主轴电机连接，旋翼主轴的中间依次穿过不旋转环和旋转环，旋翼主轴的末端和桨毂连接，并带动桨毂、旋转环、变距拉杆支链和扭力臂支链旋转。
3.根据权利要求1所述的一种用于植保无人直升机旋翼操纵的混联装置，其特征在于：
所述万向节的内环套设置在旋翼主轴的外部，内环套通过第一铰接轴销与万向节的内环相连，内环通过第二铰接轴销与不旋转环相连，内环与不旋转环之间的铰接轴销指向第二支链或第四支链与不旋转环相连的端点。
4.根据权利要求3所述的一种用于植保无人直升机旋翼操纵的混联装置，其特征在于：
第一铰接轴销与第二铰接轴销之间互相垂直。
5.根据权利要求1所述的一种用于植保无人直升机旋翼操纵的混联装置，其特征在于：
第一铰接轴销与第二铰接轴销分别设置有一对。
6.根据权利要求1所述的一种用于植保无人直升机旋翼操纵的混联装置，其特征在于：
转动副R4为变距铰。
7.根据权利要求1所述的一种用于植保无人直升机旋翼操纵的混联装置，其特征在于：
所述驱动支链中的移动副均为主动驱动副。 说明书 : 一种用于植保无人直升机旋翼操纵的混联装置技术领域[0001] 本发明涉及直升机技术领域，具体地涉及一种用于植保无人直升机旋翼操纵的混联装置。背景技术[0002] 旋翼操纵装置作为植保无人直升机的关键执行构件，其作用是通过驱动的输入调整旋翼变距铰大小，从而改变旋翼的气动力/矩，以此来实现植保无人直升机的飞行。植保无人机的旋翼操纵装置要求可靠性高、操纵灵活、易控制、结构紧凑，其构型通常在有人直升机的基础上进行改善和创新，近年来，中国专利CN201410556395.3公开的一种农用无人直升机通过一体化设计以期减少结构重量、提高稳定性；中国专利CN201510509007.0公开的一种农用无人直升机主旋翼系统装置通过消除十字盘和旋转盘之间传动轴承的间隙以期提升飞行稳定性；中国专利CN201620294408.9公开的一种植保无人机的旋翼头的桨夹通过局部结构设计以期提高适用性和可靠性；而在其他类型无人直升机旋翼操纵装置方面，中国专利CN201310502865.3公开的一种旋翼驱动系统通过简化旋翼驱动系统的结构以期解决工艺生产效率低、检修不便等问题；中国专利CN201620935302.2公开的一种结构紧凑的无人直升机，在机座和不旋转环之间增加了一个驱动支链以期提高载荷；中国专利CN201910133978.8公开的一种直升机旋翼操纵装置通过模块化设计以期降低结构的复杂度，使旋翼系统设计和维护等操作简单化。[0003] 综上所述，虽然关于旋翼操纵装置的相关专利有所创新，但目前现有植保无人直升机旋翼操纵装置仍缺乏操纵灵活、易控制、结构简单紧凑的新构型，致使无法满足植保无人直升机旋翼操纵装置的多样化需求。因此，提出一种结构对称紧凑、易装配、操纵灵活的用于植保无人直升机旋翼操纵的混联装置十分有必要。发明内容[0004] 本发明为了解决上述现有技术的不足，满足植保无人直升机旋翼操纵装置的多样化需求，提出了一种结构对称紧凑，操纵灵活的用于植保无人直升机旋翼操纵的混联装置，丰富了植保无人直升机旋翼操纵装置的构型、结构对称紧凑、易装配、操作灵活、易于加工和维护。[0005] 具体地，本发明提出一种用于植保无人直升机旋翼操纵的混联装置，其包括机座、不旋转环、旋转环、桨毂、以及旋翼主轴；[0006] 所述机座与不旋转环之间借助于第一支链、第二支链、第三支链、第四支链和第五支链连接，其中第一支链、第二支链和第三支链为驱动支链，第四支链和第五支链为约束支链，所述第一支链、第二支链、第三支链和第四支链的第一端均连接在机座的外端部并沿机座的外端部呈圆周状均匀分布，所述第一支链、第二支链、第三支链和第四支链的第二端均连接在不旋转环的外端部并沿不旋转环的外端部呈圆周状均匀分布，第一支链和第三支链为结构相同的PSS支链，且从所述机座到不旋转环依次包括移动副P1、球副S1、第一连杆和球副S2，所述PSS支链移动副P1垂直于机座并与机座固定连接；第二支链和第四支链为结构相同的PRS支链，自机座到不旋转环依次包括移动副P2、转动副R1、第二连杆和球副S3，PRS支链移动副P2垂直于机座并与机座固定连接，转动副R1轴线平行于第一支链和第三支链的第一端的连线；第五支链为PU支链，自机座到不旋转环依次包括移动副P3和万向节，其中移动副P3由万向节沿旋翼的主轴的移动形成；[0007] 所述旋翼主轴与旋转环之间借助于第六支链和第八支链连接，所述桨毂与旋转环之间借助于第七支链和第九支链连接；其中第六支链和第八支链为扭力臂支链，第七支链和第九支链为变距拉杆支链；第六支链、第七支链、第八支链和第九支链与旋转环相连的端点呈圆周状均匀分布，第六支链和第八支链为结构相同且空间位置呈对称分布的RRS支链，从旋翼主轴到旋转环依次包括转动副R3、第四连杆、转动副R2、第三连杆和球副S4；第七支链和第九支链为结构相同的RSS支链，从桨毂到旋转环依次包括转动副R4、变距摇臂、球副S6、变距拉杆、球副S5，其中第七支链和第九支链的RSS支链转动副R4的轴线共线并指向桨毂中心，RSS支链转动副R4的轴线平行于RRS支链转动副R3的轴线。[0008] 优选地，所述旋转环和不旋转环通过滚动轴承连接，旋翼主轴初始端和主轴电机连接，旋翼主轴中间依次穿过不旋转环和旋转环，旋翼主轴末端和桨毂连接，并带动桨毂、旋转环、变距拉杆支链和扭力臂支链旋转。[0009] 优选地，所述万向节的内环套设置在旋翼主轴的外部，内环套通过第一铰接轴销与万向节的内环相连，内环通过第二铰接轴销与不旋转环相连，内环与不旋转环之间的铰接轴销指向第二支链或第四支链与不旋转环相连的端点。[0010] 优选地，第一铰接轴销与第二铰接轴销之间互相垂直。[0011] 优选地，第一铰接轴销与第二铰接轴销分别设置有一对。[0012] 优选地，转动副R4为变距铰。[0013] 优选地，所述驱动支链中的移动副均为主动驱动副。[0014] 优选地，通过给定三个主动驱动副不同的输入，可实现总距操纵和周期变距操纵。在初始位形下，当三个驱动同时增减相同大小时，旋转环和不旋转环上下移动，带动变距拉杆支链能够实现旋翼的总距操纵，从而改变上下方向的旋翼拉力；[0015] 当驱动第二支链时，旋转环和不旋转环向前后倾斜，带动变距拉杆支链能够实现旋翼的纵向周期变距操纵，从而产生前后方向的旋翼拉力；[0016] 当驱动第一支链和第三支链时，旋转环和不旋转环向左右倾斜，带动变距拉杆支链能够实现旋翼的横向周期变距操纵，从而产生左右方向的旋翼拉力。[0017] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：[0018] (1)本发明提出了具有创新结构的用于植保无人直升机旋翼操纵的混联装置，该结构丰富了植保无人直升机旋翼操纵装置的构型、结构对称紧凑、易于加工和维护，支链的设置更加合理，通过设置驱动支链和约束支链能够增加整个机构的操作灵活性及准确性。[0019] (2)本发明的纵向和横向操纵解耦、操纵灵活、有助于植保无人直升机在施肥、喷洒药物等作业过程中的实时控制。[0020] (3)本发明刚度和精度比较高，轴向载荷承载能力好，变距铰操纵范围大。附图说明[0021] 图1是本发明的一种用于植保无人直升机旋翼操纵的混联装置的结构示意图；[0022] 图2是本发明的连接机座和不旋转环的分支结构示意图；[0023] 图3是本发明的万向节结构示意图；[0024] 图4是本发明PSS驱动支链的结构示意图；[0025] 图5是本发明PRS驱动支链的结构示意图。[0026] 其中部分附图标记如下所示：[0027] 1‑第一支链；101‑第一连杆；2‑第二支链；21‑第二连杆；3‑第三支链；4‑第四支链；5‑第五支链；6‑第六支链；61‑第三连杆；62‑第四连杆；7‑第七支链；71‑变距拉杆；72‑变距摇臂；8‑第八支链；9‑第九支链；10‑机座；11‑不旋转环；12‑旋转环；13‑桨毂；14‑旋翼主轴；15‑万向节；151‑内环套；152‑第一铰接轴销；153‑内环；154‑第二铰接轴销；16‑滚动轴承；17‑主轴电机。具体实施方式[0028] 以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。[0029] 如图1至图5所示，本发明提供一种用于植保无人直升机旋翼操纵的混联装置，其包括机座10、不旋转环11、旋转环12、桨毂13、主轴电机17和旋翼主轴14。机座10和不旋转环11之间借助于五条支链连接，五条支链分别包括第一支链1、第二支链2、第三支链3、第四支链4和第五支链5，旋翼主轴14和旋转环12之间借助于第六支链6和第八支链8连接，旋转环12和桨毂13之间借助于第七支链7和第九支链9连接。其中，第一支链1、第二支链2和第三支链3均为驱动支链，第四支链4和第五支链5为约束支链，第六支链6和第八支链8为扭力臂支链，第七支链7和第九支链9为变距拉杆支链。[0030] 该结构丰富了植保无人直升机旋翼操纵装置的构型、结构对称紧凑、易于加工和维护，支链的设置更加合理。[0031] 上述第一支链1、第二支链2、第三支链3、第四支链4的两端均分别与机座10和不旋转环11的外圆周相连，且相连节点呈圆周状均匀分布。[0032] 其中第一支链1和第三支链3为结构相同的PSS支链，自机座10到不旋转环11依次包括：移动副P1、球副S1、第一连杆101和球副S2，该第一支链中的移动副P1垂直于机座并与机座10固定连接，移动副P1通过球副S1和第一连杆101连接，第一连杆101通过球副S2和不旋转环11连接。[0033] 上述第二支链2和第四支链4为结构相同的PRS支链，自机座10到不旋转环11依次包括：移动副P2、转动副R1、第二连杆21和球副S3，该第二支链中的移动副P2垂直于机座并与机座10固定连接，移动副P2通过转动副R1和第二连杆21相连，第二连杆21通过球副S3和不旋转环11相连，转动副R1轴线平行于第一支链1和第三支链3与机座10相连端点的连线。[0034] 上述第五支链5为PU支链，自机座10到不旋转环11依次包括旋翼主轴14、移动副P4、万向节15，其中移动副P4为万向节15沿旋翼主轴14的移动，万向节15的内环套151套在旋翼主轴14上，内环套151通过一对第一铰接轴销152与万向节15的内环153相连，内环153通过另一对和第一铰接轴销152互相垂直的第二铰接轴销154与不旋转环11相连，第二铰接轴销154指向第二支链2或第四支链4与不旋转环11相连端点。[0035] 上述第六支链6、第七支链7、第八支链8、第九支链9与旋转环12相连的节点呈圆周均匀分布，其中第六支链6、第八支链8为结构相同且空间位置呈对称分布的RRS支链，从旋翼主轴14到旋转环12依次包括转动副R3、第四连杆62、转动副R2、第三连杆61、球副S4，旋翼主轴14通过转动副R3和第四连杆62相连，第四连杆62通过转动副R2与第三连杆61相连，第三连杆61通过球副S4与旋转环12相连，两支链中的转动副轴线平行于第七支链7或第九支链9中的转动副(变距铰)R4轴线。[0036] 上述第七支链7、第九支链9为结构相同的RSS支链，从桨毂13到旋转环12依次包括转动副(变距铰)R4、变距摇臂72、球副S6、变距拉杆71、球副S5，桨毂13通过转动副(变距铰)R4与变距摇臂72相连，变距摇臂72通过球副S6与变距拉杆71相连，变距拉杆71通过球副S5和旋转环12相连，第七支链7、第九支链9的转动副(变距铰)R4轴线共线且指向桨毂13中心。[0037] 上述驱动支链中的移动副均为主动驱动副，旋转环12和不旋转环11通过滚动轴承16连接，旋翼主轴14初始端和主轴电机17相连，中间穿过不旋转环11和旋转环12，末端和桨毂13相连，并带动桨毂13、旋转环12、变距拉杆支链和扭力臂支链旋转。[0038] 以下结合实施例对本发明一种用于植保无人直升机旋翼操纵的混联装置做进一步描述：[0039] 本发明的多条支链整体构成了一个混联装置，该混联装置的机械本体由机座10、不旋转环11(也可称作不动环)、三条驱动支链及两条约束支链组成的底部机构和旋翼主轴14、旋转环12(也可称作动环)、桨毂13、两条变距拉杆支链及两条扭力臂支链组成的顶部机构通过滚动轴承串联组成。为了体现本发明混联装置的操纵方式，在实施过程中，将第一支链1、第二支链2和第三支链3中的移动副作为主动驱动副，通过给定三个主动驱动副不同的输入参数，可实现总距操纵和周期变距操纵。[0040] 在初始位形下，定义第一支链1和第三支链3与机座10相连端点连线的方向为前后方向，第二支链2和第四支链4与机座10相连端点连线的方向为左右方向，旋翼主轴的方向为上下方向。[0041] 当同时驱动第一支链1、第二支链2和第三支链3，并且三个主动驱动副同时增加或减少相同大小时，不旋转环11沿旋翼主轴14上下移动，不旋转环11通过滚动轴承16将运动传递给旋转环12，旋转环12同时沿旋翼主轴14上下移动，并通过变距拉杆支链(第七支链7和第九支链9)将运动传递给桨叶实现旋翼的总距操纵，从而产生上下方向的旋翼拉力。[0042] 当单独驱动第二支链2时，旋转环12和不旋转环11同时向前后方向倾斜，并通过变距拉杆支链(第七支链7和第九支链9)将运动传递给桨叶实现旋翼的纵向周期变距操纵，从而产生前后方向的旋翼拉力。[0043] 当同时驱动第一支链1和第三支链3时，旋转环12和不旋转环11同时向左右方向倾斜，并通过变距拉杆支链(第七支链7和第九支链9)将运动传递给桨叶实现旋翼的横向周期变距操纵，从而产生左右方向的旋翼拉力。[0044] 以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，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。

专利地区：河北

专利申请日期：2022-03-24

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN114852328B