一、 前言本文章是基于 Pixhawk 6X (PX4) 飛控平臺搭建的一套高空墻面接觸式檢測無人機。無人機在執(zhí)行墻面檢測時機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載機械臂來實現(xiàn)前端觸達。本文作為該系列的第一篇重點記錄機械臂的結(jié)構(gòu)選型、輕量化設(shè)計思路以及基于 3D 打印的快速驗證與組裝過程。二、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計機載機械臂對自重和剛度有著極為嚴(yán)苛的要求任何多余的死重都會直接削減無人機的續(xù)航與抗擾動裕度。整體結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示整機機械結(jié)構(gòu)主要由以下幾個核心部分構(gòu)成1.基座設(shè)計基座設(shè)計圖如圖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。基座用于將機械臂剛性固定在機架下方同時分散運動時對機身重心的扭矩沖擊。2.多自由度關(guān)節(jié)布局采用模塊化關(guān)節(jié)設(shè)計各關(guān)節(jié)預(yù)留舵機/電機安裝位與線纜通孔保證運動范圍覆蓋前進伸展與貼墻作業(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)計為標(biāo)準(zhǔn)的半圓形耳片。圓弧輪廓不僅能在舵機帶動關(guān)節(jié)做大角度擺動時避免與相鄰構(gòu)件發(fā)生機械干涉還提供了最大的有效旋轉(zhuǎn)范圍。兩側(cè)開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 個定位安裝孔孔距完全根據(jù)所選的幻爾總線舵機外殼的安裝孔位逆向匹配設(shè)計。舵機嵌入 U 型腔體后通過側(cè)面螺絲穿過該 4 孔剛性鎖緊確保在空中對抗風(fēng)阻與接觸墻面反作用力時舵機不產(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價格也較為便宜。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度連接、裝配一致性與內(nèi)部走線需求其核心設(shè)計細(xì)節(jié)如下對開開縫柔性夾緊設(shè)計采用對稱開縫結(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)計了一圈階梯狀環(huán)形擋邊。碳管插入至臺階端面即實現(xiàn)硬物理止位杜絕過插或欠插問題保證各關(guān)節(jié)力臂長度嚴(yán)格符合運動學(xué)建模尺寸臺階端面與外側(cè)環(huán)形抱箍形成“端面限位 徑向壓緊”雙重約束削弱復(fù)雜機載振動工況下的軸向微量晃動。貫通式中空中軸有效削減 3D 打印件深層實心死重改善末端懸臂質(zhì)量分布作為機械臂的內(nèi)部隱藏式通道舵機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或在關(guān)節(jié)大角度運動時發(fā)生纏繞與刮扯。3.舵機選擇在關(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由于傳統(tǒng) PWM 舵機需要大量三線線束匯聚到主控不僅增加機載死重還極易發(fā)生空中纏繞而幻爾總線舵機支持串聯(lián)拓?fù)淙蹆H需一組供電與信號線貫穿走線非常整潔?？偩€通信支持實時讀取關(guān)節(jié)的實際角度、溫度、電壓以及當(dāng)前負(fù)載力矩。在后續(xù)的工作中預(yù)期二次開發(fā)QGC實現(xiàn)機械臂的關(guān)節(jié)角度實時查看。四.總結(jié)本文主要記錄并分享了我個人在設(shè)計與制作無人機機載機械臂過程中的一些結(jié)構(gòu)思路希望能為同樣在折騰空中作業(yè)機器人或 3D 打印關(guān)節(jié)機構(gòu)的朋友提供一點靈感參考與設(shè)計啟發(fā)。