一、 前言本文章是基于 Pixhawk 6X (PX4) 飛控平臺(tái)搭建的一套高空墻面接觸式檢測(cè)無(wú)人機(jī)。無(wú)人機(jī)在執(zhí)行墻面檢測(cè)時(shí)機(jī)身需要與墻壁保持安全飛行距離這就需要一套靈活、輕量且具備緩沖能力的機(jī)載機(jī)械臂來(lái)實(shí)現(xiàn)前端觸達(dá)。本文作為該系列的第一篇重點(diǎn)記錄機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)選型、輕量化設(shè)計(jì)思路以及基于 3D 打印的快速驗(yàn)證與組裝過(guò)程。二、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)載機(jī)械臂對(duì)自重和剛度有著極為嚴(yán)苛的要求任何多余的死重都會(huì)直接削減無(wú)人機(jī)的續(xù)航與抗擾動(dòng)裕度。整體結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由以下幾個(gè)核心部分構(gòu)成1.基座設(shè)計(jì)基座設(shè)計(jì)圖如圖2.2所示底部采用電池架與基座共用的便捷設(shè)計(jì)基座預(yù)留銅柱的螺絲孔和電池綁帶孔預(yù)設(shè)使用2根綁帶保障電池的固定。基座用于將機(jī)械臂剛性固定在機(jī)架下方同時(shí)分散運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)機(jī)身重心的扭矩沖擊。2.多自由度關(guān)節(jié)布局采用模塊化關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)各關(guān)節(jié)預(yù)留舵機(jī)/電機(jī)安裝位與線纜通孔保證運(yùn)動(dòng)范圍覆蓋前進(jìn)伸展與貼墻作業(yè)角度。如圖2.3所示.2.1前端半圓弧回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)前端兩側(cè)設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)的半圓形耳片。圓弧輪廓不僅能在舵機(jī)帶動(dòng)關(guān)節(jié)做大角度擺動(dòng)時(shí)避免與相鄰構(gòu)件發(fā)生機(jī)械干涉還提供了最大的有效旋轉(zhuǎn)范圍。兩側(cè)開(kāi)有與輸出軸及副支承軸同心的回轉(zhuǎn)通孔保證受力平衡減少單側(cè)懸臂帶來(lái)的扭轉(zhuǎn)變形。2.2側(cè)面 4 螺絲孔定位陣列側(cè)壁預(yù)留了 4 個(gè)定位安裝孔孔距完全根據(jù)所選的幻爾總線舵機(jī)外殼的安裝孔位逆向匹配設(shè)計(jì)。舵機(jī)嵌入 U 型腔體后通過(guò)側(cè)面螺絲穿過(guò)該 4 孔剛性鎖緊確保在空中對(duì)抗風(fēng)阻與接觸墻面反作用力時(shí)舵機(jī)不產(chǎn)生微小位移或曠量。2.3碳管/連桿輕量化骨架關(guān)節(jié)之間想連接的碳纖維管我使用的是外徑16mm,內(nèi)徑14mm能夠很好的保證剛性的同時(shí)價(jià)格也較為便宜。關(guān)節(jié)底部集成了一體式碳纖維圓管夾緊抱箍兼顧高強(qiáng)度連接、裝配一致性與內(nèi)部走線需求其核心設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如下對(duì)開(kāi)開(kāi)縫柔性?shī)A緊設(shè)計(jì)采用對(duì)稱開(kāi)縫結(jié)構(gòu)配合側(cè)向沉頭螺栓施加預(yù)緊力。在免打孔、不損傷碳管表面編織纖維層的前提下依靠均勻的包絡(luò)正壓力提供充沛的靜摩擦力從機(jī)械層面徹底鎖死連桿的軸向滑移與周向偏轉(zhuǎn)。內(nèi)止口軸向精準(zhǔn)限位插座內(nèi)部深處設(shè)計(jì)了一圈階梯狀環(huán)形擋邊。碳管插入至臺(tái)階端面即實(shí)現(xiàn)硬物理止位杜絕過(guò)插或欠插問(wèn)題保證各關(guān)節(jié)力臂長(zhǎng)度嚴(yán)格符合運(yùn)動(dòng)學(xué)建模尺寸臺(tái)階端面與外側(cè)環(huán)形抱箍形成“端面限位 徑向壓緊”雙重約束削弱復(fù)雜機(jī)載振動(dòng)工況下的軸向微量晃動(dòng)。貫通式中空中軸有效削減 3D 打印件深層實(shí)心死重改善末端懸臂質(zhì)量分布作為機(jī)械臂的內(nèi)部隱藏式通道舵機(jī)總線與末端傳感器線纜可直接經(jīng)由碳管內(nèi)腔貫穿至關(guān)節(jié)內(nèi)部避免外露線束受旋翼下洗氣流吹動(dòng)或在關(guān)節(jié)大角度運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生纏繞與刮扯。3.舵機(jī)選擇在關(guān)節(jié)執(zhí)行器的選擇上我選用了幻爾的雙軸串行總線舵機(jī)由于傳統(tǒng) PWM 舵機(jī)需要大量三線線束匯聚到主控不僅增加機(jī)載死重還極易發(fā)生空中纏繞而幻爾總線舵機(jī)支持串聯(lián)拓?fù)淙蹆H需一組供電與信號(hào)線貫穿走線非常整潔。總線通信支持實(shí)時(shí)讀取關(guān)節(jié)的實(shí)際角度、溫度、電壓以及當(dāng)前負(fù)載力矩。在后續(xù)的工作中預(yù)期二次開(kāi)發(fā)QGC實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角度實(shí)時(shí)查看。四.總結(jié)本文主要記錄并分享了我個(gè)人在設(shè)計(jì)與制作無(wú)人機(jī)機(jī)載機(jī)械臂過(guò)程中的一些結(jié)構(gòu)思路希望能為同樣在折騰空中作業(yè)機(jī)器人或 3D 打印關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的朋友提供一點(diǎn)靈感參考與設(shè)計(jì)啟發(fā)。