[发明专利]基于折纸原理的可折展连续体飞行操作机械臂及飞行器

说明书

本发明涉及一种基于折纸原理的可折展连续体飞行操作机械臂，包括：折纸主体机构，包括多个串联连接的折纸模块，折纸模块包括底板和至少一个可折叠的折纸组件，底板开设主过线孔和至少一组通孔；折纸组件设置多个铰接部，且铰接部设置中空轴；线绳驱动机构，包括驱动模块和线绳单元，线绳单元包括主线绳和副线绳，主线绳穿过主过线孔和驱动模块连接，副线绳穿过通孔和主线绳固连，当驱动模块收卷或放卷主线绳，控制通过折纸组件伸缩；自锁机构，设置在折纸组件上；其包括至少一个自锁模块，自锁模块包括设在中空轴内的双程SMA杆连接轴主体，双程SMA杆连接轴主体通/断电，使折纸组件锁定或解锁。本发明实现对各折纸模块与整体机构的精准角度控制。

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，尤其是指一种基于折纸原理的可折展连续体飞行操作机械臂及飞行器。

背景技术

随着科学技术的不断发展，无人机已被广泛应用于城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄等行业。然而，单纯的无人机难以胜任诸如飞行抓取类复杂的、需要主动操作的任务。近年来，科研人员尝试将机械臂安装在飞行器上，构成飞行机械臂系统。此举措极大地拓展了机器人的工作范围和灵活性，丰富了作业类型，因而具有广泛的应用前景。

从机械臂结构种类来看，飞行机械臂可分为关节型飞行机械臂和连续体型飞行机械臂。现有飞行机械臂基本都是关节型的，其具有成本低廉、结构简单、工作范围大等优点，相关研究较为丰富。然而，上述串联型飞行机械臂系统仅能执行一些诸如飞行抓取、移动轻质量物体之类简单的任务，且存在载荷能力低、精度较低、运行速度慢、无人机平衡困难等缺点，因而限制了其在需要向外界提供较大的力或力矩的场合中的应用。

大多数无人机的应用和研究都基于观测和巡逻方面，缺少与环境的交互作业。为满足狭小空间或恶劣环境的作业要求，对工作空间复杂、轻量化、柔顺性、可伸缩、变刚度和一定的负载能力等方面的作业需求，提出了基于折纸原理的可折展连续体飞行操作机械臂。结合旋翼飞行器的空中运动控制、悬停性能以及机械臂的可操作性，组成旋翼飞行机械臂，以此实现空中作业。可折展机构与无人机结合可以帮助机器人或机构进入狭窄复杂的空间来克服体积问题。

但是，现有的飞行操作机械臂能耗较高、负载能力较小，难以实现轻量化；并且，在加上作业装置之后，容易降低飞行器的稳定性；同时飞行操作机械臂自由度较少，无法实现复杂环境的作业工作。

具体地：

针对中国发明专利(CN112621736A)，该发明由多个驱动关节在刚性主骨架及柔性副骨架上并联而成，由于内部刚性主骨架，使得连续体机构具有一定的抗扭刚度，但是在弯曲能力上存在一定的不足；且无法实现伸缩自由度，本体只能实现弯曲变形，而长度无法改变。

针对中国发明专利(CN105729498B)，该发明中4个模块化单体组成一个机械臂节，每个模块化单体由于其结构不同完成其刚性、弯曲等不同单一的功能，无法将柔性弯曲及刚性支撑集成在同一模块化单体上，会极大地增加机械臂节结构的复杂性；且由于模块结构的复杂性，无法实现伸缩自由度。

参考论文“An origami-inspired,self-locking robotic arm that can befolded flat”，该设计中飞行操作机械臂依靠折纸垂直折叠原理的仅能实现结构上的收缩，通过锁止机构来实现连续体机械臂的高刚度和负载能力，然而这种以损失弯曲性为代价换回机构的良好的伸缩特性和优异的负载能力的设计完全丧失了连续体的弯曲性能。

综上所述：现有的飞行操作机械臂无法实现兼具抗扭刚度与弯曲能力，且无法实现伸缩自由度，本体只能实现弯曲变形，而长度无法改变；亦或者无法将柔性弯曲及刚性支撑集成在同一模块化单体上，从而造成机械臂模块结构复杂、体积庞大、无法收缩。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种基于折纸原理的可折展连续体飞行操作机械臂及飞行器。

本发明所采用的技术方案如下：