小型飞行器攀附装置及小型飞行器

技术领域

本公开涉及飞行器技术领域，尤其涉及一种小型飞行器攀附装置及小型飞行器。

背景技术

小型飞行器体积小、重量轻，而且飞行噪声小，具有天生的隐蔽性，非常适合执行例如侦察、渗透等任务。然而由于小型飞行器的负载能力极其有限，无法携带大容量电源，限制了续航能力和设备携带能力。如何延长小型飞行器的续航时间、完成相对复杂的任务成为了一个热点问题。

目前常用在无人机上的延长续航时间的方法难以移植到小型飞行器上，而使用攀附装置让小型飞行器暂栖是解决这一问题的一种相对可行的方案。但是这一方案实现起来具有很多困难。为了配合小型飞行器，攀附装置要求体积和重量很小，形状不能过度干扰飞行。但目前大部分小型飞行器的攀附方式都需要较大的额外部件实现攀附和脱离，导致攀附机构的体积大，结构复杂且移植性不好。如何减轻攀附装置的重量，提高机构移植性是一个亟待解决的问题。

小型飞行器的任务环境具有多样性，为了更好的配合飞行器完成攀墙，攀附机构应具有广适性，能在多种表面工作。目前有几种常用的解决方案。采用仿生攀附的微棘方案只适用于具有一定粗糙度的表面，并且需要给攀附机构一个持续的收缩力。采用吸盘的方案对表面光洁度有较高的要求。采用静电吸附的方案理论上能让飞行器吸附在任何表面，但其吸附力小，目前只实现了毫克级扑翼的吸附，并且静电发生模块难以小型化，所以仍停留在地面提供外部设备的系留飞行方式，难以解决实用性问题。因此，如何提高环境适应性是另一个需要解决的问题。

发明内容

为了解决或者至少缓解上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种小型飞行器攀附装置及小型飞行器，结构简单，占用体积小，可适应多种表面和适配多种小型飞行器。

根据本公开的一个方面，一种小型飞行器攀附装置，所述装置包括：

框架、滑块、导轨、触发杆、第一连接线、第二连接线、收线舵机、摇臂、弹性元件和至少两个撞针；

所述框架的一端设有撞针安装部，至少两个撞针通过所述弹性元件安装在所述撞针安装部；至少两个撞针在张开状态下所述弹性元件具有弹性势能，所述弹性元件的弹性势能用于使至少两个撞针刺入物体表面；

所述导轨固定在所述框架上，所述滑块滑动设置在所述导轨上；所述触发杆相对滑动地安装在所述框架上并与所述导轨平行；所述框架设有滑动槽，所述触发杆的一端伸入所述滑动槽中，另一端伸出到所述撞针安装部外侧；所述滑动槽靠近所述导轨一侧的侧壁设有限位通孔，所述滑块朝向所述限位通孔的一面设有限位凸起；所述滑块通过所述限位凸起卡入到所述限位通孔内而保持在张紧位置；所述触发杆上固定设有锁舌，所述触发杆带动所述锁舌挤压所述限位凸起使所述限位凸起脱离所述限位通孔；

所述收线舵机安装在所述框架上，所述收线舵机连接所述摇臂并带动所述摇臂摆动；所述滑块通过所述第一连接线与至少两个撞针连接；所述摇臂通过所述第二连接线与所述滑块连接。

根据本公开的至少一个实施方式，所述触发杆上还固定设有止挡件；所述触发杆上同轴套设有复位弹簧，所述复位弹簧的一端抵靠在所述框架上，另一端抵靠在所述止挡件上，用于使所述触发杆复位。

根据本公开的至少一个实施方式，所述框架包括后端壳体和中部限位件；所述触发杆相对滑动地穿设在所述后端壳体和所述中部限位件中；所述复位弹簧和所述止挡件设置在所述后端壳体和所述中部限位件之间。

根据本公开的至少一个实施方式，所述滑动槽设置在所述后端壳体中，所述锁舌位于所述滑动槽中并沿所述滑动槽滑动。

根据本公开的至少一个实施方式，所述中部限位件上设有向外伸出的支架，所述支架用于支撑在物体表面。

根据本公开的至少一个实施方式，所述后端壳体和所述中部限位件分别设有穿线孔；所述第一连接线和所述第二连接线分别经过相应的穿线孔。

根据本公开的至少一个实施方式，所述导轨具有弹性，在所述锁舌挤压所述限位凸起时，所述导轨产生弯曲变形以使所述限位凸起脱离所述限位通孔。

根据本公开的至少一个实施方式，所述撞针安装部包括安装杆，所述安装杆转动连接在所述框架的一端并与所述触发杆垂直；所述安装杆上安装所述弹性元件，所述弹性元件分别连接两个撞针，两个撞针呈钳状分布并能绕所述安装杆的轴线摆动。

根据本公开的至少一个实施方式，所述弹性元件为扭簧，所述扭簧同轴套设在所述安装杆上并分别与两个撞针连接；

所述撞针为L型，每个L型撞针的一端与所述扭簧连接，另一端用于刺入物体表面。

根据本公开的另一个方面，一种小型飞行器，包括上述任一项实施方式所述的小型飞行器攀附装置。

本公开的小型飞行器攀附装置与现有技术相比，采用了滑块、导轨结构，利用滑块与框架之间的限位结构保持撞针处于张紧状态；并利用与导轨平行设置的触发杆带动锁舌移动，使锁舌在垂直于导轨方向上挤压滑块，使滑块脱离限位通孔。锁舌式的触发机构结构简单，使整个机构的杆件平行布置，减小了机构在其他方向上的尺寸，能方便地与多种飞行器配合使用。另外，采用收线舵机带动摇臂转动来回收连接线，将滑块拉回到张紧位置，使滑块重新处于限位状态，等待下次触发。整个装置使用部件数目少，大大减小装置复杂性，同时使机构重量减小。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本公开小型飞行器攀附装置的一种示例性结构示意图。

图2是本公开框架与滑块之间限位结构及触发杆上锁舌结构的放大示意图。

图3是本公开小型飞行器攀附装置处于待触发状态的示意图。

图4是本公开小型飞行器攀附装置的触发杆撞到物体表面后的状态示意图。

图5是本公开小型飞行器攀附装置的支架支撑在物体表面后的状态示意图。

图6是本公开小型飞行器攀附装置的舵机向后拉动连接线使撞针脱离物体表面的状态示意图。

附图标记说明：

1-框架、2-滑块、3-导轨、4-触发杆、5-第一连接线、6-第二连接线、7-收线舵机、8-摇臂、9-弹性元件、10-撞针、11-滑动槽、12-限位通孔、13-限位凸起、14-锁舌、15-止挡件、16-复位弹簧、17-后端壳体、18-中部限位件、19-前端壳体、20-主结构杆、21-结构加强杆、22-支架、23-安装杆、24-竖直墙面。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

针对小型飞行器攀附装置轻量化、广适性的难题，本公开创新性地利用弓储存弹性势能并转化为动能的原理，以及锁舌转变受力方向的原理，提出了可适应多种表面、可适配多种飞行器的小型飞行器攀附装置。以下展开说明多种实施方式的示例性实施例。

根据本公开的一个方面，参见图1所示的小型飞行器攀附装置的一种示例性结构示意图；提供了一种小型飞行器攀附装置，包括框架1、滑块2、导轨3、触发杆4、第一连接线5、第二连接线6、收线舵机7、摇臂8、弹性元件9(图中被遮挡，位于前端壳体内部)和至少两个撞针10。

框架1作为整个装置的基础部件，用来安装其他机构和部件，并可以用来和小型飞行器的机体进行连接。本文中的框架1并不仅仅指通常理解的框架结构，也可以采用轻质材料制成的块状实体结构，具体的结构根据其上安装的部件和位置来设计。所述框架1的一端设有撞针安装部，至少两个撞针10通过所述弹性元件9安装在所述撞针安装部。撞针安装部可以是与框架1一体形成的框架1的一部分，也可以是安装在框架1一端的独立部件。弹性部件固定安装，撞针10与弹性元件9连接，通过弹性元件9的变形，撞针10的位置能产生变化，例如，各个撞针10相互远离的张开状态，以及各个撞针10相互靠拢的合拢状态。弹性元件9可以采用弹片状弹簧或螺旋状弹簧等不同形式。撞针10的作用是刺入物体表面实现攀附，为了便于刺入，针尖可以使用高硬度材料。当至少两个撞针10在张开状态时，所述弹性元件9具有弹性势能，所述弹性元件9的弹性势能用于使至少两个撞针10刺入物体表面，也就是利用弹性势能转化为撞针10高速运动的动能，使撞针10高速撞击物体表面，撞针10刺入物体表面实现攀附。在该装置处于未触发状态时，撞针10是处于张开状态的。

导轨3固定在所述框架1上，所述滑块2滑动设置在所述导轨3上。导轨3限定了滑块2的移动方向，为了更好的操作撞针10的状态，导轨3的方向设置成使滑块2在靠近和远离撞针10的方向上移动。为了跟好的限制滑块2的移动距离，也可以在导轨3的相应位置设置限位块来阻挡滑块2继续移动。所述触发杆4相对滑动地安装在所述框架1上并与所述导轨3平行；触发杆4可以相对于框架1移动，且移动的方向与导轨3的方向平行。所述框架1设有滑动槽11，所述触发杆4的一端伸入所述滑动槽11中，另一端伸出到所述撞针安装部外侧。触发杆4的作用是为了使滑块2脱离限位状态，从而解除对撞针10的限制，使撞针10能够动作。因此可知设置触发杆4时，其移动路径的设置必然要满足实现上面作用的要求。例如，触发杆4设置在导轨3、滑块2的一侧，滑动槽11与部分导轨3之间有重叠关系，滑块2可以移动到正对滑动槽11侧面的位置。滑动槽11靠近所述导轨3一侧的侧壁设有限位通孔12，所述滑块2朝向所述限位通孔12的一面设有限位凸起13。限位通孔12和限位凸起13的数量不限，位置相互对应即可。滑块2通过所述限位凸起13卡入到所述限位通孔12内而保持在张紧位置。当滑块2移动到与限位通孔12对应的位置后，限位凸起13可以卡入到限位通孔12中，使滑块2的位置保持不动。在该位置，使撞针10处于张开状态，弹性元件9储存势能，称为张紧位置。所述触发杆4上固定设有锁舌14，为实现触发解锁，可知限位凸起13必然会有部分突出到滑动槽11的空间内，并且在处于未触发状态的张紧位置时，锁舌14必然要位于比滑块2更靠近撞针10的位置，如以前后进行区分，则锁舌14位于滑块2的前方。当触发杆4的端部碰撞到物体表面后，触发杆4相对框架1向后移动，带动锁舌14向后移动，锁舌14挤压所述限位凸起13使所述限位凸起13脱离所述限位通孔12。锁舌14将触发杆4所受的向后的推力转化成垂直于导轨3方向的挤压力，来达到触发滑块2解锁的作用。可选的，为了实现通过锁舌14的挤压而解锁，导轨3可以采用具有弹性的材料制成，在所述锁舌14挤压所述限位凸起13时，所述导轨3产生弯曲变形以使所述限位凸起13脱离所述限位通孔12。该结构可以使触发杆4与导轨3形成平行结构，且两者之间的间距可以比较小，大大减小了垂直于导轨3方向上的尺寸，使装置结构紧凑，适应各种小型飞行器。

可选的，为了更好的达到触发效果，减小触发阻力，提高触发成功率，可以将锁舌14与限位凸起13接触的部分形成圆弧面，同时将限位凸起13与锁舌14接触的端面形成倒角，降低接触阻力。

所述收线舵机7安装在所述框架1上，优选的，安装在远离撞针10的另一端。所述收线舵机7连接所述摇臂8并带动所述摇臂8摆动。所述滑块2通过所述第一连接线5与至少两个撞针10连接；所述摇臂8通过所述第二连接线6与所述滑块2连接。收线舵机7可以通过遥控操作或通过小型飞行器上的启动装置操作而开始动作。收线舵机7的作用是在撞针10刺入物体表面后，通过摇臂8拉拽第二连接线6使滑块2移动到初始的张紧位置，同时，滑块2移动过程中通过第一连接线5拉拽撞针10，使撞针10脱离物体表面并恢复到张开状态。并且，在滑块2移动到初始的张紧位置后，收线舵机7继续使摇臂8摆动，使第二连接线6处于松弛状态，以便进行下次触发。

可选的，收线舵机7采用电动舵机，电动舵机的输出轴与摇臂8固定连接，摇臂8的另一端设置接线柱，第二连接线6的一端固定连接在接线柱上。优选的，摇臂8的摆动平面与导轨3、滑块2处于同一平面上。

根据上述本公开小型飞行器攀附装置的实施方式，通过弹性元件9的储能，触发杆4触发后弹性元件9释放，针尖以及针尖后方配重(可选择设置)获得动能，高速撞击物体表面，撞针10刺入物体表面实现攀附。针尖能刺入大部分物体表面，例如树干、木制门、粉刷墙面等，适应于多种表面。通过触发杆4带动锁舌14挤压限位凸起13的解锁装置设计，使整个机构的杆件平行布置，体积小，因而能方便地与多种飞行器配合使用。采用收线舵机7带动摇臂8的收线结构，简单紧凑。锁舌14式触发机构使部件数目减少，大大减小装置复杂性，同时使机构重量减小。

在本公开的一个实施方式中，触发杆4上还固定设有止挡件15。所述触发杆4上同轴套设有复位弹簧16，所述复位弹簧16的一端抵靠在所述框架1上，另一端抵靠在所述止挡件15上，用于使所述触发杆4复位。由于触发杆4碰撞到物体表面后相对框架1向后移动，因此要使触发杆4回复原位，止挡件15必然需要设置在复位弹簧16的前面，即更靠近撞针10，触发杆4向后移动后压缩复位弹簧16，通过复位弹簧16的弹力使触发杆4复位。

在本公开的一个实施方式中，框架1包括后端壳体17和中部限位件18。触发杆4相对滑动地穿设在所述后端壳体17和所述中部限位件18中。所述复位弹簧16和所述止挡件15设置在所述后端壳体17和所述中部限位件18之间。该结构可以更好的限定触发杆4的位置，当复位弹簧16推动触发杆4向前移动时，止挡件15可抵靠在位于其前面的中部限位件18上，防止触发杆4继续向前移动。优选的，在止挡件15抵靠在中部限位件18上后，复位弹簧16仍处于压缩受力状态，从而给触发杆4施加一些预紧力，使止挡件15可靠的抵靠在中部限位件18上。后端壳体17和中部限位件18之间通过框架1的其他部分连接在一起。

进一步地，滑动槽11可以设置在所述后端壳体17中，所述锁舌14位于所述滑动槽11中并沿所述滑动槽11滑动。如图2所示，后端壳体17的前端设置一个供触发杆4穿过的穿孔，触发杆4的后端通过穿孔伸入到滑动槽11中，锁舌14固定在触发杆4的后端部。锁舌14的轮廓与滑动槽11的横截面轮廓相适应，在滑动槽11的导向作用下滑动，防止锁舌14偏离滑动路径。导轨3的一端固定在后端壳体17上，导轨3与滑动槽11在竖直方向的投影有部分重叠。滑块2沿导轨3移动到该重叠部分后，滑块2的上部会与滑动槽11的下部壁接触，为了使滑块2更顺利的向后移动到与限位通孔12对应的位置，优选的，在后端壳体17上位于滑动槽11与滑块2接触的起始部分设置成圆弧状曲面。

在本公开的一个实施方式中，中部限位件18上设有向外伸出的支架22，所述支架22用于支撑在物体表面。参见图5所示，当撞针10刺入到物体表面之后，装置在重力作用下可以围绕撞针10的摆动轴线向下摆动，支架22朝向摆动方向伸出，从而可以支撑在物体表面。

可选的，撞针安装部包括安装杆23，所述安装杆23转动连接在所述框架1的一端并与所述触发杆4垂直。框架1可以围绕安装杆23摆动。所述安装杆23上安装所述弹性元件9，所述弹性元件9分别连接两个撞针10，两个撞针10呈钳状分布并能绕所述安装杆23的轴线摆动。采用呈钳状对称分布的两个撞针10，能稳定的攀附在物体表面。

进一步地，弹性元件9为扭簧，所述扭簧同轴套设在所述安装杆23上并分别与两个撞针10连接。扭簧的一个支腿固定在撞针安装部，另一个支腿连接相应的撞针10。撞针10为L型，每个L型撞针10的一端与所述扭簧连接，另一端用于刺入物体表面。例如，第一连接线5分别连接在两个撞针10的弯折部位。

在本公开的一个实施方式中，后端壳体17和所述中部限位件18分别设有穿线孔。所述第一连接线5和所述第二连接线6分别经过相应的穿线孔。如果没有穿线孔，连接线处于松弛状态时会随意漂移，可能会钩挂住其他部件造成故障，通过设置穿线孔，能够限制连接线的位置，防止发生上面的情况。

在本公开的一个实施方式中，框架1可以包括前端壳体19、中部限位件18、主结构杆20、结构加强杆21、后端壳体17。前端壳体19和后端壳体17分别固定连接在主结构杆20的前端和后端，中部限位件18固定连接在主结构杆20上，位于前端壳体19和后端壳体17之间。结构加强杆21的前端固定连接中部限位件18，结构加强杆21的后端固定连接后端壳体17。主结构杆20、导轨3、触发杆4和结构加强杆21均平行设置。导轨3的后端固定在后端壳体17，导轨3穿过中部限位件18，导轨3的前端固定在前端壳体19。为增加滑块2稳定性，导轨3可以设置为平行的两根。前端壳体19形成有撞针安装部。触发杆4从前向后依次可相对滑动地穿过前端壳体19、中部限位件18和后端壳体17。采用该框架1的结构形式更加紧凑、轻便。

下面以机构攀附在竖直墙面24为例结合图3至图6具体说明该装置的动作过程。

如图3所示，装置未攀附时，与滑块2相连的第一连接线5被拉紧，扭簧张紧处于反弓状态，滑块2自锁在后端壳体17的限位通孔12中，第二连接线6处于松弛状态，整个机构处于待触发状态。

如图4所示，触发杆4撞击墙面时，锁舌14向后运动，将滑块2向下推，同时导轨3由于具有弹性而向下弯曲，滑块2离开自锁状态。由于扭簧处于张紧状态，解锁后的恢复力拉动滑块2沿着导轨3前移，同时撞针10在扭簧复位力的带动下扎进墙面实现攀附。

如图5所示，攀附到墙面后，触发杆4在复位弹簧16的推动下复位，触发锁舌14回到初始位置。攀附在墙面后的装置连同飞行器在重力作用下绕扭簧中心轴自然垂下，直到底部支架22接触墙面。

如图6所示，需要撞针10脱离墙面时，由一个微型舵机带动摇臂8向后拉动第二连接线6，第二连接线6、第一连接线5不断收紧直到扭簧收缩使撞针10脱离墙面，即可实现飞行器的脱离。同时，滑块2在第二连接线6的拉力作用下被拉回到后端壳体17的限位通孔12内，进入自锁状态。摇臂8继续摆动使第二连接线6处于松弛状态，整个机构再次进入待触发状态。至此完成了一次完整的攀附与脱离。

本公开的攀附装置通过扭簧和锁舌14式解锁机构实现了小型飞行器的攀附与脱离，任何基于弹性势能、平行解锁机构、锁舌14式触发机构原理实现攀附与脱离的方案均包含在本申请的技术构思之中。

根据本公开的另一个方面，提供了一种小型飞行器，包括上面任一实施例描述的小型飞行器攀附装置。

可以得知，该小型飞行器具有以下技术效果，简单轻量、空间占用率低、适应性广。利用了锁舌14式结构的特性，在很小的行程内将触发杆4受到的轴向力平顺地传递到法向上，同时利用了滑块2的自锁特性，形成了简单高效的触发解锁机构。用扭簧和撞针10配合，使小型飞行器能够攀附在不同的表面，可大大延长飞行器续航时间，并且可能让小型飞行器携带更加多样性的任务载荷。攀附装置细长简单的结构不会占用太多空间，也不容易与飞行器上的其他构件发生干涉。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。