一种用于巡检无人直升机的旋翼操纵机构

1.本发明涉及直升机技术领域，具体涉及一种用于巡检无人直升机的旋翼操纵机构。


背景技术：

2.巡检作为无人机的重要应用领域，已广泛应用到电力、管道、农林等巡检场合。目前巡检无人机主要分为多旋翼无人机和无人直升机两类，前者由于结构特殊性，往往抗风载和承载能力较弱，不利于在山区等地方使用；后者在抗风载、载荷方面弥补了多旋翼无人机的缺点，使其在巡检方面大显身手，这主要得益于旋翼操纵机构发挥了举足轻重的作用。旋翼操纵机构一般包括不旋转环、防扭力臂、旋转环、球铰、扭力臂、变距连杆等重要部件。传统旋翼操纵机构中不旋转环和基座之间有三个液压助力器或舵机驱动分支和一个防扭力臂连接，且不旋转环通过球铰和旋翼主轴连接，以此实现旋转环和不旋转沿旋翼主轴移动和姿态调整，如中国专利cn2013105028653设计的旋翼驱动系统、中国专利cn2014105886911公开的一种直升机操纵机构和中国专利2010102067915公开的一种直升机机械操纵系统均采用此结构。简化和轻量化旋翼操纵机构是直升机和机构学等领域专家学者追求的方向和目标，为了简化结构，中国专利cn 2008102190876发明的一种单旋翼直升飞机旋翼机构，用定向轨道替代防扭力臂分支；中国专利cn 2020101131655发明的一种旋翼变距装置，用柔性梁变形来实现桨叶挥舞、摆振和变距运动，具有结构简单、维修方便等优点。
3.上述专利提供了合理有效的技术方案，但仍然存在一些问题，如复杂的球铰结构会增加制造成本，给装配和后期维护带来诸多不便，同时，由于中间球铰的存在，一定程度上限制了桨距角的操纵范围。


技术实现要素：

4.为了解决上述现有技术的不足，提供一种结构简单、桨距角范围大、方便控制的用于巡检无人直升机的旋翼操纵机构。
5.本发明提供的一种用于巡检无人直升机的旋翼操纵机构，包括rrs+rru+rss并联机构、桨叶变距组件和旋翼主轴驱动组件，
6.所述rrs+rru+rss并联机构包括基座、不旋转环和三个驱动分支，三个驱动分支分别为rrs驱动分支、rru驱动分支和rss驱动分支，三个驱动分支的第一端通过转动副和基座连接，rrs驱动分支和rss驱动分支第二端通过球副和不旋转环连接，rru驱动分支第二端通过万向铰和不旋转环连接，不旋转环中心为通孔；
7.所述rrs驱动分支和rss驱动分支中与基座相连的转动副轴线彼此平行且均与rru驱动分支中与基座相连的转动副轴线垂直，rru驱动分支中与不旋转环相连的万向铰的外侧转动副轴线垂直于rrs驱动分支和rss驱动分支与不旋转环相连的两个端点之间的连线；
8.所述桨叶变距组件包括变距连杆、变距桨夹、扭力臂、旋转环、桨叶和桨毂，所述旋
转环上设置有三个连接点，其中，第一连接点和第二连接点对称设置，第一连接点和第二连接点分别与一条变距连杆第一端连接，第三连接点与所述扭力臂的第一端连接，所述变距连杆第二端与变距桨夹第一端连接，所述扭力臂第二端通过扭力臂套环与旋翼主轴连接，所述变距桨夹第二端与所述桨毂连接。
9.优选地，所述旋翼主轴驱动组件包括电机、带轮、同步带和旋翼主轴。
10.优选地，所述旋转环和不旋转环之间借助于轴承连接，所述轴承的外圈和不旋转环的凹槽内侧连接，所述轴承的内圈和旋转环连接。
11.优选地，所述基座上固定设置有轴套，所述轴套两端内部通过轴承和旋翼主轴连接。
12.优选地，所述三个驱动分支中与基座连接的转动副均由舵机驱动。
13.优选地，所述不旋转环设有用于安装轴承的凹槽。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
15.(1)本发明提出的用于巡检无人直升机的旋翼操纵机构简化了传统不旋转环和基座之间的连接方式，仅利用rrs驱动分支，rru驱动分支，rss驱动分支即可实现不旋转环两转一移的运动，且转动轴线靠近不旋转环，可提高不旋转环和旋转环的位姿调整功能，结构上更加简化。
16.(2)本发明提出的并联驱动机构具有连续转轴，便于运动学标定和控制，避免复杂的控制工作。
17.(3)本发明摒弃了旋转环和旋翼主轴之间的球铰，一方面增加了旋转环和旋转环的姿态变化能力，提高了桨距角的操纵范围，另一方面在一定程度上提升了旋翼操纵机构的整体寿命。
18.(4)本发明的结构简化了原本复杂的变距操纵机构，降低了加工制造成本和装配维护的难度，可用于巡检无人直升机。
附图说明
19.图1为本发明用于巡检无人直升机的旋翼操纵机构等轴侧结构图；
20.图2为本发明用于巡检无人直升机无桨叶的旋翼操纵机构等轴侧结构图；
21.图3为本发明用于巡检无人直升机的旋翼操纵机构中的主轴驱动组件结构图；
22.图4为本发明用于巡检无人直升机的旋翼操纵机构中的rrs+rru+rss并联机构结构图；
23.图5为本发明用于巡检无人直升机的旋翼操纵机构中的桨叶变距组件结构图。
24.主要附图标记如下：
25.1-桨叶，2-桨毂，3-变距桨夹，4-旋翼主轴，5-轴套，6-电机，7-电机轴带轮，8-主轴带轮，9-同步带，10-变距连杆，11-扭力臂，12-不旋转环，13-旋转环，14-扭力臂套环，15-轴承，16-rrs驱动分支，17-rru驱动分支，18-rss驱动分支，19-变距横轴，20-基座，21-舵机。
具体实施方式
26.以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
27.本发明的一种用于巡检无人直升机的旋翼操纵机构，如图1-图5所示，包括rrs+
rru+rss并联机构、桨叶变距组件和旋翼主轴驱动组件。
28.rrs+rru+rss并联机构包括基座20、不旋转环12以及三个呈对称布局的驱动分支，三个驱动分支分别为rrs驱动分支16、rru驱动分支17和rss驱动分支18，其中三个驱动分支的第一端通过转动副和基座20连接，rrs驱动分支16和rss驱动分支18第二端通过球副和不旋转环12连接，rru驱动分支17另一端通过万向铰和不旋转环12连接，不旋转环12中间有通孔并设有安装轴承15的凹槽。
29.rrs驱动分支16和rss驱动分支18中与基座20相连的转动副轴线平行，且和rru驱动分支17中与基座20相连的转动副轴线垂直，rru驱动分支17中与不旋转环12相连的万向铰的外侧转动副轴线垂直于rrs驱动分支16和rss驱动分支18中与不旋转环12相连端点的连线。
30.桨叶变距组件包括变距连杆10、变距桨夹3、扭力臂11、旋转环13和桨叶1、桨毂2，其中旋转环13上有三个连接点，第一连接点和第二连接点对称设置，两个对称的第一连接点和第二连接点分别与一个变距连杆10第一端连接，第三连接点和扭力臂11第一端连接，变距连杆10第二端和变距桨夹3第一端连接，扭力臂11第二端通过扭力臂套环14和旋翼主轴4连接，变距桨夹3第二端和桨毂2连接，桨叶1通过螺栓和变距桨夹3连接。
31.不旋转环12和旋转环13之间借助于轴承15连接，轴承15外圈和不旋转环12的凹槽内侧连接，轴承15内圈和旋转环13连接，本实施例中，轴承15为滚动轴承。
32.旋翼主轴驱动组件包括电机6、电机轴带轮7、主轴带轮8、同步带9和旋翼主轴4，旋翼主轴4下面和主轴带轮8连接，旋翼主轴4中间直接穿过不旋转环12，旋翼主轴4和不旋转环12两者之间无中间球铰连接，旋翼主轴4上部和桨毂2固定连接，轴套5固定连接在基座20上，且其内部两端通过轴承和旋翼主轴4连接，变距横轴19穿过桨毂2上部中空部分，变距桨夹3通过三个轴承安装在变距横轴19上。
33.在本实施例中，rrs驱动分支16、rru驱动分支17、rss驱动分支18和基座20连接的转动副均由舵机21驱动，在其余的实施例中，三个驱动分支的转动副也可以由其余驱动装置进行驱动。
34.下面结合实施例对本发明的工作原理进行进一步说明：
35.工作时，变距操纵由rrs+rru+rss并联机构和旋翼主轴驱动组件共同控制进行飞行姿态的变化，基于不同的操纵模式，通过协调控制rrs+rru+rss并联机构的三个驱动输入，不旋转环12实现两转一移运动，以此调控旋转环13和不旋转环12的位置和姿态，并通过桨叶变距组件将运动传递到桨叶1，旋转环13和桨毂2在旋翼主轴4的带动下，实现桨叶1的总距和周期变距运动，最终实现前后、左右、上下等飞行姿态的控制。
36.本发明的用于巡检无人直升机的旋翼操纵机构简化了传统不旋转环和基座之间的连接方式，仅利用rrs驱动分支、rru驱动分支和rss驱动分支即可实现不旋转环两转一移的运动，且转动轴线靠近不旋转环，可提高不旋转环和旋转环的位姿调整功能，结构上更加简化，控制上也更加简便精确，通过rrs驱动分支、rru驱动分支和rss驱动分支三个分支的不同驱动实现无人机前后、左右、上下等飞行姿态的控制。
37.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。

技术特征：
1.一种用于巡检无人直升机的旋翼操纵机构，其特征在于：包括rrs+rru+rss并联机构、桨叶变距组件和旋翼主轴驱动组件，所述rrs+rru+rss并联机构包括基座、不旋转环和三个驱动分支，三个驱动分支分别为rrs驱动分支、rru驱动分支和rss驱动分支，三个驱动分支的第一端通过转动副和基座连接，rrs驱动分支和rss驱动分支第二端通过球副和不旋转环连接，rru驱动分支第二端通过万向铰和不旋转环连接，不旋转环中心为通孔；所述rrs驱动分支和rss驱动分支中与基座相连的转动副轴线彼此平行且均与rru驱动分支中与基座相连的转动副轴线垂直，rru驱动分支中与不旋转环相连的万向铰的外侧转动副轴线垂直于rrs驱动分支和rss驱动分支与不旋转环相连的两个端点之间的连线；所述桨叶变距组件包括变距连杆、变距桨夹、扭力臂、旋转环、桨叶和桨毂，所述旋转环上设置有三个连接点，其中，第一连接点和第二连接点对称设置，第一连接点和第二连接点分别与一条变距连杆第一端连接，第三连接点与所述扭力臂的第一端连接，所述变距连杆第二端与变距桨夹第一端连接，所述扭力臂第二端通过扭力臂套环与旋翼主轴连接，所述变距桨夹第二端与所述桨毂连接。2.根据权利要求1所述的用于巡检无人直升机的旋翼操纵机构，其特征在于：所述旋翼主轴驱动组件包括电机、带轮、同步带和旋翼主轴。3.根据权利要求1所述的用于巡检无人直升机的旋翼操纵机构，其特征在于：所述旋转环和不旋转环之间借助于轴承连接，所述轴承的外圈和不旋转环的凹槽内侧连接，所述轴承的内圈和旋转环连接。4.根据权利要求1所述的用于巡检无人直升机的旋翼操纵机构，其特征在于：所述基座上固定设置有轴套，所述轴套两端内部通过轴承和旋翼主轴连接。5.根据权利要求1所述的用于巡检无人直升机的旋翼操纵机构，其特征在于：所述三个驱动分支中与基座连接的转动副均由舵机驱动。6.根据权利要求1所述的用于巡检无人直升机的旋翼操纵机构，其特征在于：所述不旋转环设有用于安装轴承的凹槽。

技术总结
本发明提出了一种用于巡检无人直升机的旋翼操纵机构，其包括RRS+RRU+RSS并联机构、桨叶变距组件和旋翼主轴驱动组件，RRS+RRU+RSS并联机构包括基座、不旋转环以及RRS驱动分支，RRU驱动分支，RSS驱动分支，三个驱动分支一端通过转动副和基座连接，RRS和RSS驱动分支另一端通过球副和不旋转环连接，RRU驱动分支另一端通过万向铰和不旋转环连接，不旋转环中间为通孔并设有凹槽；旋转环和不旋转之间由轴承连接，旋翼主轴穿过不旋转环。本发明的RRS+RRU+RSS并联机构实现不旋转环的位姿变换，桨叶变距组件改变桨距角的大小。本发明摒弃了传统的防扭力臂分支和不旋转环和旋翼主轴之间的球铰结构，提升了旋转环和不旋转环的姿态调整能力，简化了机械结构，便于加工安装和后期维护。便于加工安装和后期维护。便于加工安装和后期维护。


技术研发人员：胡波 赵金君 孙宏伟 陈佳伟
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/6/26