快递用可伸缩旋翼臂的设计与构型

引言

近年来,随着电子信息技术与网络贸易的发展,网购已成为了国人生活的一部分,中国已经成为全世界网络交易金额最高的国家。人们通过网购买个人、家庭需要的服装、食品、日用品等。而网购的日渐发展,也离不开物流的高效运转。针对节省人力并克服运输中地形复杂等困难的要求,我们提出了无人机物流配送的概念。

1无人机介绍

无人机指的是不载有操作人员,利用空气动力起飞,可自主飞行或遥控驾驶的,可一次使用也可多次回收使用的,携有致命或非致命载荷的飞行器。其在种类上分为无人直升机、无人飞艇、多旋翼无人机、固定翼无人机和无人伞翼机等。无人机配送,即通过自动驾驶仪或无线电设备对飞行器进行遥控并运载包裹自动到达目的地。

2无人机种类的选定与原理

根据无人机的分类,可知适合进行货物运输的有固定翼无人机、四(多)旋翼无人机和无人直升机。固定翼无人机续航时间长,携货量大,航速快,对环境的适应性好:但考虑到物流的"重灾区"主要是在拥挤嘈杂、人满为患的市区,固定翼无人机最突出的缺点使得它并不适用于这里一对起飞和降落的场地要求最高,而场地恰恰是城市中最为稀缺的。无人直升机悬停精度高,对场地的要求低,刚好弥补了固定翼无人机的不足:但其巨大的噪声和庞大的结构重量使其在城市中的运用颇为局限。而多旋翼无人机机动灵活,结构重量小,对场地的要求较低,悬停精度极高,便于在城市内穿梭,且多旋翼无人机多为纯电驱动,燃料经济效益高,有助于降低运营成本。因此,我们在这里选择四旋翼无人机来进行讨论。

四旋翼无人机主要是靠四个旋翼的不同转速组合来进行机动。如图1所示,定义机体绕本体系x轴转动的角度为滚转角9,机体绕本体系y轴转动的角度为俯仰角θ,机体绕本体系:轴转动的角度为偏航角w,三个角当转动方向与旋转轴符合右手定则时为正方向。

图2所示为四旋翼无人机飞行原理图。

由图2(a)可知,螺旋奖分为正奖和反奖,以对角线上角速度方向相同为同一种螺旋奖。因为这样才能让其不产生水平扭矩,保持其不在水平方向上发生旋转。当四旋翼做垂直方向的运动时,若四个旋翼产生的升力大于重力,飞行器向上做加速运动:若旋翼产生的升力小于重力,飞行器向下做加速运动。当四旋翼产生的升力与重力相同时,飞行器悬停。

由图2(b)可知,当对于飞行器对角线方向的电机(即旋转方向相同的两个电机)增加其中一个的转速同时减小另一个相同量的转速时,飞行器整体的水平扭矩依然保持平衡,但由于旋翼3的升力高于旋翼l,力矩的不平衡使得飞行器会绕y轴旋转,实现四轴飞行器俯仰姿态的控制。

由图2(c)可知,飞行器的滚转姿态控制操纵原理与俯仰姿态基本相同,不同之处在于产生转速差的为另一组电机。

如图2(d)所示,当其中一对旋翼的转速均上升且另一对的转速均下降时,机身的水平扭矩会不平衡,使机身绕:轴旋转,以实现对飞行器水平姿态的控制。

综上,作为一种欠驱动系统,四旋翼无人机通过控制电机1~4不同的转速组合,可以在空间6自由度上实现不同运动。若将以上各种情况任意组合,还可以实现更加复杂的运动。

3可伸缩旋翼臂设计的提出与对其形变的分析

随着物流企业的迅速发展,快递包裹的种类越来越多。所以要想实现真正意义上的无人机快递,就要在实现快递包装盒的标准化基础上实现无人机对包裹的高适应性,为此,我们提出了可伸缩的旋翼机臂的设计理念。

四旋翼无人机的旋翼臂末端为升力的作用点,由于受到力的作用,旋翼臂的末端会产生一定量的形变,从而对飞行安全造成一定的隐患。

可伸缩机臂末端与基座固连,顶端受作用力F:根据截面的不同分为三个部分:

(1)仅有内侧固定机臂的一段,该段固定在机体上,是不可动的一段。如图3所示,该段长为11。

(2)有外侧与内侧机臂相互交错的一段,该段中外侧机臂与内侧机臂由移动副连接,是可动的。如图3所示,该段长为12。

(3)仅有外侧机臂的一段。该段单独不可动,外端与螺旋奖相连。该段长为13。

图3可伸缩机臂组成示意图

图4为横截面一样的杆件受力变形示意图,其在末端受力为F时的变形为:

式中,1为长度:E为弹性模量:I为横截面惯性矩。

根据上述结论,要得到在旋翼臂末端的总变形量,就得到三个不同截面的变形,三段形变量叠加即为最末端形变量,设11的形变量为w1,12的形变量为w2,13的形变量为w3,则总形变量w=w1+w2+w3。

4可伸缩旋翼臂截面几何构型的确定

根据形状的不同,可将套筒分为圆形套筒和正方形套筒,如图5所示。下面来讨论圆形套筒与正方形套筒形变量的大小对比。

当质量、横截面积与材料完全一致且套筒为圆形时,有:

根据公式,当F、1、E相同时,w与I成反比,Ix圆=Iy圆>Ix方二w圆<w方,因此在其他条件完全相同的情况下,等横截面积的圆形套筒和方形套筒中,圆形套筒的形变量较小。所以旋翼臂选择圆形套筒,并采用可伸缩式。

5可伸缩旋翼臂的原理设计

如图6所示,电机A可以在竖直方向上转动,与齿轮通过螺旋副(1)相连接,齿轮B将电机的竖直方向转动转化为水平方向转动,齿轮B与丝杠C和丝杠D相连接,丝杠将齿轮的水平旋转转化为水平平移,实现套筒的伸缩。

由自由度公式可知:

由此可知,该机械仅有一个驱动即可确定其运动轨迹,可靠性较高。当电机作为驱动时,可使圆锥齿轮进行旋转,带动丝杠在旋转的同时产生水平方向上的位移带动移动副水平移动,实现旋翼臂的伸缩。

6结语

近年来,电商平台的飞速发展极大地促进了物流企业的发展,并且在各个方面向着"更快"的方向发展乃是大势所趋,这就对快递行业的运输方式提出了新的要求。仅仅依靠传统的物流方式很难满足新时代的要求,伴随着科技的进步,无人机快递物流应运而生。但快递包裹种类之繁多,使得传统的无人机很难满足货运要求。针对这点,本文创新性地提出了可伸缩旋翼臂设计,使得未来的无人机能够满足快递物流行业的需求,从而推动快递行业的发展,在降低成本的同时提高运输效率,因而具有广阔的市场前景。