基于 PX4 6X 的无人机机载机械臂设计1：机械结构与 3D 打印件设计

一、 前言本文章是基于 Pixhawk 6X (PX4) 飞控平台搭建的一套高空墙面接触式检测无人机。无人机在执行墙面检测时机身需要与墙壁保持安全飞行距离这就需要一套灵活、轻量且具备缓冲能力的机载机械臂来实现前端触达。本文作为该系列的第一篇重点记录机械臂的结构选型、轻量化设计思路以及基于 3D 打印的快速验证与组装过程。二、机械结构设计机载机械臂对自重和刚度有着极为严苛的要求任何多余的死重都会直接削减无人机的续航与抗扰动裕度。整体结构图如图2.1所示整机机械结构主要由以下几个核心部分构成1.基座设计基座设计图如图2.2所示底部采用电池架与基座共用的便捷设计基座预留铜柱的螺丝孔和电池绑带孔预设使用2根绑带保障电池的固定。基座用于将机械臂刚性固定在机架下方同时分散运动时对机身重心的扭矩冲击。2.多自由度关节布局采用模块化关节设计各关节预留舵机/电机安装位与线缆通孔保证运动范围覆盖前进伸展与贴墙作业角度。如图2.3所示.2.1前端半圆弧回转结构关节前端两侧设计为标准的半圆形耳片。圆弧轮廓不仅能在舵机带动关节做大角度摆动时避免与相邻构件发生机械干涉还提供了最大的有效旋转范围。两侧开有与输出轴及副支承轴同心的回转通孔保证受力平衡减少单侧悬臂带来的扭转变形。2.2侧面 4 螺丝孔定位阵列侧壁预留了 4 个定位安装孔孔距完全根据所选的幻尔总线舵机外壳的安装孔位逆向匹配设计。舵机嵌入 U 型腔体后通过侧面螺丝穿过该 4 孔刚性锁紧确保在空中对抗风阻与接触墙面反作用力时舵机不产生微小位移或旷量。2.3碳管/连杆轻量化骨架关节之间想连接的碳纤维管我使用的是外径16mm,内径14mm能够很好的保证刚性的同时价格也较为便宜。关节底部集成了一体式碳纤维圆管夹紧抱箍兼顾高强度连接、装配一致性与内部走线需求其核心设计细节如下对开开缝柔性夹紧设计采用对称开缝结构配合侧向沉头螺栓施加预紧力。在免打孔、不损伤碳管表面编织纤维层的前提下依靠均匀的包络正压力提供充沛的静摩擦力从机械层面彻底锁死连杆的轴向滑移与周向偏转。内止口轴向精准限位插座内部深处设计了一圈阶梯状环形挡边。碳管插入至台阶端面即实现硬物理止位杜绝过插或欠插问题保证各关节力臂长度严格符合运动学建模尺寸台阶端面与外侧环形抱箍形成“端面限位 径向压紧”双重约束削弱复杂机载振动工况下的轴向微量晃动。贯通式中空中轴有效削减 3D 打印件深层实心死重改善末端悬臂质量分布作为机械臂的内部隐藏式通道舵机总线与末端传感器线缆可直接经由碳管内腔贯穿至关节内部避免外露线束受旋翼下洗气流吹动或在关节大角度运动时发生缠绕与刮扯。3.舵机选择在关节执行器的选择上我选用了幻尔的双轴串行总线舵机由于传统 PWM 舵机需要大量三线线束汇聚到主控不仅增加机载死重还极易发生空中缠绕而幻尔总线舵机支持串联拓扑全臂仅需一组供电与信号线贯穿走线非常整洁。总线通信支持实时读取关节的实际角度、温度、电压以及当前负载力矩。在后续的工作中预期二次开发QGC实现机械臂的关节角度实时查看。四.总结本文主要记录并分享了我个人在设计与制作无人机机载机械臂过程中的一些结构思路希望能为同样在折腾空中作业机器人或 3D 打印关节机构的朋友提供一点灵感参考与设计启发。