CN103112513B - 一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人，包括机身以及机身上安装的仿生折叠翼、可变姿态尾部和控制部分；上述仿生折叠翼安装在机身两侧，采用半柔性伸缩式骨架与柔性薄膜翼面，可收回、打开，且分别通过机身两侧的驱动器独立控制拍翼功能。可变姿态尾部通过驱动器实现相对于机身的上、下、左、右的摆动，且具有可调整配重。分别使用独立的四连杆机构驱动；本发明中控制部分用于实时获取机器人姿态，通过上位机进行处理；且根据当前时刻机器人姿态通过对各个驱动器进行驱动控制，从而对仿生折叠翼与尾部进行控制，进而实现机器人姿态控制。本发明的优点为：可实现空中非完整约束和无约束状态下的姿态自调整，满足空中姿态调整需求。

Description

一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人

技术领域

本发明涉及智能机器人领域，具体来说，是一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人，可应用于跳跃机器人，使其在跳跃腾空后自主调整机体姿态并稳定转化为滑翔或扑翼飞行状态，也可衍化并应用在仿生飞鸟、仿生昆虫等一类仿生扑翼飞行机器人以及滑翔式小型无人机上。

背景技术

地面移动机器人在深空探测、军事侦查及反恐防爆等领域具有广阔的应用前景和重要的战略意义。在这些领域中往往地形环境未知或很复杂，存在各式各样的障碍物或沟渠，这就要求机器人具有很强的地形适应性和越障能力。为了解决微小型移动机器人的越障难题，国内外研究人员正在研究探索各种高越障性的机器人，其中跳跃机器人可以越过数倍甚至数十倍于自身尺寸的障碍物，特别是在星际探索中，由于月球与火星表面重力加速度低于地球(火星38％，月球17％)，弹跳运动能充分利用这个优势，早在1969年美国就有人研制弹跳机构以用于月球探索。最近由美国波士顿公司研制的Sand Flea是跳跃机器人投入到实际应用中的代表，该机器人具有强大的跳跃能力(跳跃高度达7.5米)，已于2010年装备美国军方，用于侦察、搜救等方面。由此可见跳跃机器人具有高效的越障能力和广阔的应用前景。

在跳跃机器人研究中，很多都是模仿具有跳跃能力的生物。公开号为101716962A的发明专利《一种仿蝗虫弹跳翻转机器人》，公开号为102092431A的发明专利《一种仿蝗虫弹射机理的跳跃机器人》以及公开号为202508192U的实用新型专利《一种仿蝗虫的弹跳机构》中均提出了仿蝗虫跳跃机器人的新颖设计。但是，几乎所有的跳跃机器人都面临空中姿态翻转或偏转的问题，由此会造成空中飞行姿态不可控，落地易发生冲击和倾覆。尽管目前一些跳跃机器人具备落地后的姿态恢复能力，但巨大的落地冲击仍会对机器人造成较大损坏。蝗虫集跳跃、滑翔及飞行能力于一身，一般蝗虫通过跳跃的腾空高度可以达到自身身长的10倍以上。特别是，蝗虫可以在空中通过自身细长柔软的腹部摆动和双翼的运动快速改变其姿态，然后通过稳定滑翔增加跳跃距离，落地姿态稳定性好且冲击小。受此启发，研究仿蝗虫的空中姿态调整技术，为上述问题提供技术支撑。

现有技术中，对仿生机器人空中姿态控制的研究集中在仿生扑翼飞行器，且都是基于扑翼气体动力学的姿态控制。而国外一些研究人员，针对猫的跌落姿态调整提出了一些多自由度变结构机体的机构模型，解释了猫的姿态调整原理；针对蜥蜴、壁虎采用尾巴摆动控制自身空中姿态的现象，研制了附加尾巴的机器小车，能够实现小车俯冲时的姿态调节。截至目前，尚未出现采用仿生多自由度可变机体结构和扑翼运动共同调整空中姿态的设计和研究。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明在研究并揭示蝗虫空中姿态自调整机理的基础上，提出一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人，可通过仿蝗虫腹部运动的尾部机构和独立扑动的双翼实现空中非完整约束或无约束状态下的姿态调整和姿态控制。

一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人，包括机身以及机身上安装的仿生折叠翼、可变姿态尾部与控制部分。

其中，机身左右两侧分别安装有一套由前翼板、后翼板、折叠翼板以及翼面构成的仿生折叠翼；两套仿生折叠翼均通过连接合页与机身相连；所述连接合页中的叶片A与矩形框架顶面固连，叶片B用来连接前翼板、后翼板与折叠翼板，具体为：前翼板一端与叶片B间通过第一连接轴轴接，后翼板一端与叶片间通过第二连接轴轴接；叶片B上沿连接合页轴向开有滑道；折叠翼板的滑动端与滑道滑动连接，连接端通过第三连接轴轴接在前翼板上；所述翼面固定在前翼板与后翼板上；当折叠翼板的滑动端位于滑道前端时，翼面处于展开状态；折叠翼板的滑动端位于滑道后端时，翼面处于收回状态。

所述可变姿态尾部包括横摆关节、纵摆关节、尾杆与配重，通过尾部安装架安装在机身上；所述尾部安装架由两根电机安装杆与一根连杆构成；两电机安装杆分别与机身后端面轴接，两电机安装杆间通过连杆相连；可变姿态尾部中，纵摆关节为杆状，一端活动套接在连杆中心位置；横摆关节活动套接在纵摆关节上；尾杆前端固定在横摆关节上，且与纵摆关节垂直设置；尾杆后端套接有配重。

所述控制部分均安装在机身上，包括驱动部分、微控制器、姿态传感器、无线数传模块与电源模块；而驱动部分由第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器与第四驱动器构成；其中，第一驱动器与第二驱动器的输出轴朝向机身前方，且分别与双摇杆机构A与双摇杆机构B一端固连，双摇杆机构A与双摇杆机构B另一端分别通过连接件A与机身左右两侧仿生折叠翼中的叶片B铰接；第三驱动器的输出轴朝向机身左侧或右侧，与双摇杆机构C一端相连，双摇杆机构C的另一端与尾部安装架中连杆固连；第四驱动器的输出轴朝向机身下方，与一个摇杆的固定端固连，摇杆的固定端还与横摆关节固连；摇杆的连接端通过连接件B固定在尾杆上。由此通过控制第一驱动器与第二驱动器的输出轴转动，可带动叶片B向上或向下翻转，实现机身左右两侧仿生折叠翼独立的同步或不同步扑翼运动控制；通过控制第三驱动器输出轴转动，使双摇杆机构B带动连杆前后摆动，实现尾杆的俯仰运动控制；通过控制第四驱动器输出轴转动，使摇杆带动横向摆动关节转动，实现尾杆的偏摆运动控制。

所述微控制器通过连接线与无线模块、姿态传感器、电源模块相连；其中，无线模块用来接收上位机发送的控制指令，并发送到微控制器；微控制器根据接收到的控制指令控制第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器与第四驱动器的运动；姿态传感器用来感知机身的姿态，并将获取的姿态信息发送到微控制器中，从而微控制器通过无线模块将获取的姿态信息传回上位机。

本发明的优点在于：

1、本发明仿蝗虫机器人，采用仿蝗虫的姿态调整机理，兼具扑翼方式和尾部机构两自由度摆动快速调整机体姿态，可以实现空中非完整约束和无约束状态下的姿态自调整，具有较好的调整效果和快速性；

2、本发明仿蝗虫机器人，提出了仿蝗虫的折叠翼方案，翼面折叠时，可以仅采用尾部机构摆动实现姿态调整运动，减少翼面气动力影响；翼面展开时，可在尾部不运动时，单独进行扑翼运动实现飞行或滑翔姿态控制；且扑翼和尾部摆动也可以同时实施；

3、本发明仿蝗虫机器人，采用各自由度独立驱动，并采用四杆机构较好的解决了复杂的传动问题，使系统结构紧凑，易于实施。

附图说明

图1为本发明具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人中整体结构示意图；

图2为本发明具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人中仿生折叠翼结构及安装方式示意图；

图3为本发明具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人的仿生折叠翼中后翼板限位方式示意图；

图4为本发明具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人中可变姿态尾部结构及安装方式示意图；

图5为本发明具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人中驱动部分安装方式示意图；

图6为本发明具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人中控制部分结构框图。

图中：

1-机身       2-仿生折叠翼  3-可变姿态尾部 4-控制部分

201-前翼板   202-后翼板    203-折叠翼板   204-翼面

205连接合页  206-滑槽      207-限位块     208-突出部分

301-横摆关节 302-纵摆关节  303-尾杆       304-配重

305-尾部安装架    305a-电机安装杆   305b-连杆          401-驱动部分

402-微控制器      403-姿态传感器    401a-第一驱动器    401b-第二驱动器

401c-第三驱动器   401d-第四驱动器   401e-双摇杆机构A   401f-双摇杆机构B

401g-双摇杆机构C  401h-摇杆         401i-连接件A       401j-连接件B

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人，包括机身1以及机身1上安装的仿生折叠翼2、可变姿态尾部3和控制部分4，如图1所示。

其中，机身1为框架结构，左侧与右侧间通过加固杆相连，稳固框架结构。机身1左右两侧分别安装有一套由前翼板201、后翼板202、折叠翼板203以及翼面204构成的仿生折叠翼2，两套仿生折叠翼2相对机身1对称设计，均通过连接合页205与机身1相连，如图2所示；所述连接合页205中的叶片A与矩形框架顶面固连，叶片B用来连接前翼板201、后翼板202与折叠翼板203，具体为：前翼板201一端与叶片B间通过第一连接轴轴接，后翼板202一端与叶片间通过第二连接轴轴接；叶片B上沿连接合页205轴向开有滑道206；折叠翼板203的滑动端与滑道206滑动连接，连接端通过第三连接轴轴接在前翼板201上。所述翼面204为由柔性薄膜材料制成，翼面204固定在前翼板201与后翼板202上。通过上述结构，当折叠翼板203的滑动端沿滑道206向前滑动时，可带动前翼板201向前绕第一连接轴转动，同时，翼面204逐渐展开，通过翼面204拉动后翼板202向前绕第二连接轴转动，直至折叠翼板203滑动端滑动到滑道206前端，此时翼面204完全展开，且前翼板201轴线与机身1轴线垂直。由于后翼板202与翼面204固定，而与叶片B采用轴接，因此在机器人工作时，后翼板202会向机身1前方偏转，破坏展开后翼面翼型，因此本发明中在叶片B上，靠近后翼板202连接处前方安装有限位块207，且后翼板202与叶片B连接一端设计有定位突出部分208；由此在翼面204完全展开时，突出部分208与限位块207搭接，通过限位块207对后翼板202向前转动的位移进行限制，如图3所示。当折叠翼板203的滑动端沿滑道206向后滑动时，可带动前翼板201向后绕第一连接轴转动，同时，翼面204逐渐收回，当前翼板201与后翼板202接触后，通过前翼板201可推动后翼板202向后绕第二连接轴转动，直至折叠翼板203滑动端滑动到滑道206后端，此时翼面204完全收回，且前翼板201、后翼板202的轴线均与机身1平行。由于仿生折叠翼2通过连接合页205与机身1连接，因此翼面204可上下翻转，不影响翼面204的展开与收回。

所述可变姿态尾部3为具有俯仰和偏摆两个摆动自由度的尾部机构，包括横向摆动关节、纵摆关节302、尾杆与配重304，通过连接安装在机身1上，如图4所示。所述尾部安装架305由两跟电机安装杆305a与一根连杆305b构成；两电机安装杆305a分别竖直与机身1后端两侧面轴接，两电机安装杆305a间通过连杆305b相连，形成“U”型框架结构，且可前后摆动。可变姿态尾部3中，纵摆关节302为杆状，与机架中连杆305b垂直设置，一端套在连杆305b中心位置，与连杆305b间转动连接，使纵摆关节302可以以连杆305b为轴纵向转动。横摆关节301套在纵摆关节302上，与纵摆关节302转动连接，使横摆关节301可以以纵摆关节302为轴横向转动。尾杆前端固定在横摆关节301上，且与纵摆关节302垂直设置；尾杆后端套接有配重304。通过上述结构，当支架前后摆动时，可带动尾杆抬起或下落，由此实现尾杆的俯仰运动；当横摆关节301向左或向右转动时，带动尾杆向左或向右摆动，实现尾杆的偏摆运动。

上述仿生折叠翼2与可变姿态尾部3的运动均通过控制部分4控制；控制部分4包括驱动部分401、微控制器402、姿态传感器403、无线数传模块404与电源模块405。其中，驱动部分401由四个驱动器构成，如图6所示，均安装机身1上；为了便于说明，分别令其为第一驱动器401a、第二驱动器401b、第三驱动器401c、第四驱动器401d。

所述第一驱动器401a与第二驱动器401b分别安装在机身1左右两侧，分别通过由双摇杆机构A401e与双摇杆机构B401f驱动机身1左右两侧的仿生折叠翼2运动，具体方式如图5所示：第一驱动器401a与第二驱动器401b的输出轴朝向机身1前方，且分别与双摇杆机构A401e、双摇杆机构B401f一端固连，双摇杆机构A401e与双摇杆机构B401f的另一端分别通过连接件A401i与机身1左右两侧仿生折叠翼2中的叶片B铰接；由此通过控制第一驱动器401a与第二驱动器401b的输出轴转动，可带动叶片B向上或向下翻转，实现机身1左右两侧防身折叠翼独立的同步或不同步扑翼运动控制。

第三驱动器401c安装在机身1后部，通过双摇杆机构C401g控制可变姿态尾部3的纵向摆动，具体如图4所示：第三驱动器401c的输出轴朝向机身1左侧或右侧，与双摇杆机构C401g一端相连，双摇杆机构C401g的另一端与尾部安装架305中连杆305b固连，由此通过控制第三驱动器401c输出轴转动，使双摇杆机构B401f带动连杆305b前后摆动，实现尾杆的俯仰运动控制。

第四驱动器401d安装在尾部安装架305中两根电机安装杆305a上，通过摇杆401h与连接件B401j控制可变姿态尾部3的横向摆动，具体为：第四驱动器401d的输出轴朝向机身1下方，与摇杆401h的固定端固连，摇杆401h的固定端还与横向摆动关节固连；摇杆401h的连接段与连接件固连，连接件固定套接在尾杆上；由此通过控制第四驱动器401d输出轴转动，使摇杆401h带动横向摆动关节转动，实现尾杆的偏摆运动控制。

所述微控制器402、姿态传感器403、无线数传模块404与电源模块405均安装在机身1上任意位置，微控制器402通过连接线与无线模块、姿态传感器403、电源模块405相连；其中，无线模块用来接收上位机发送的控制指令，并发送到微控制器402；微控制器402根据接收到的控制指令控制第一驱动器401a、第二驱动器401b、第三驱动器401c与第四驱动器401d的运动，由此实现机器人扑翼和尾部的运动。姿态传感器403用来感知机身1的姿态，并将获取的姿态信息发送到微控制器402中，从而微控制器402通过无线模块将获取的姿态信息传回上位机，实现机身1姿态实时监测。

上述结构仿蝗虫机器人，当处于初始状态时，翼面204处于回收状态，可变姿态尾部3的轴线与机身1轴线平行且共面(即可变姿态尾部3在上、下、左、右方向上无偏摆)，此时，整个机器人的重心位于机身1中轴线上，且位于后翼板202与机身1连接位置处。由此本机器人腾空后，在仿生折叠翼2翼面204未展开时，可以仅通过控制可变姿态尾部3的俯仰运动与左右摆动，调节机器人空中的姿态俯仰与姿态偏航；上述过程中，由于尾部配重304的重力，亦会产生翻滚姿态调节；由此可减少翼面204气动力影响。当仿生折叠翼2翼面204展开时，也可在尾部不运动的情况下，通过控制控制机身1左侧与右侧仿生折叠翼2进行不同步扑翼运动，实现机器人空中姿态翻滚的调节，并实现飞行或滑翔姿态控制。通过控制上述仿生折叠翼2与尾部间进行耦合作用，能够实现机器人空中任意姿态的快速调整。

Claims (7)

1.一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人，其特征在于：包括机身以及机身上安装的仿生折叠翼、可变姿态尾部与控制部分；

其中，机身左右两侧分别安装有一套由前翼板、后翼板、折叠翼板以及翼面构成的仿生折叠翼；两套仿生折叠翼均通过连接合页与机身相连；所述连接合页中的叶片A与矩形框架顶面固连，叶片B用来连接前翼板、后翼板与折叠翼板，具体为：前翼板一端与叶片B间通过第一连接轴轴接，后翼板一端与叶片间通过第二连接轴轴接；叶片B上沿连接合页轴向开有滑道；折叠翼板的滑动端与滑道滑动连接，连接端通过第三连接轴轴接在前翼板上；所述翼面固定在前翼板与后翼板上；当折叠翼板的滑动端位于滑道前端时，翼面处于展开状态；折叠翼板的滑动端位于滑道后端时，翼面处于收回状态；

所述可变姿态尾部包括横摆关节、纵摆关节、尾杆与配重，通过尾部安装架安装在机身上；所述尾部安装架由两根电机安装杆与一根连杆构成；两电机安装杆分别与机身后端两侧面轴接，两电机安装杆间通过连杆相连；可变姿态尾部中，纵摆关节为杆状，一端活动套接在连杆中心位置；横摆关节活动套接在纵摆关节上；尾杆前端固定在横摆关节上，且与纵摆关节垂直设置；尾杆后端套接有配重；

所述控制部分均安装在机身上，包括驱动部分、微控制器、姿态传感器、无线数传模块与电源模块；而驱动部分由第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器与第四驱动器构成；其中，第一驱动器与第二驱动器的输出轴朝向机身前方，且分别与双摇杆机构A、双摇杆机构B一端固连，双摇杆机构A与双摇杆机构B另一端分别通过连接件A与机身左右两侧仿生折叠翼中的叶片B铰接；第三驱动器的输出轴朝向机身左侧或右侧，与双摇杆机构C一端相连，双摇杆机构C的另一端与尾部安装架中连杆固连；第四驱动器的输出轴朝向机身下方，与一个摇杆的固定端固连，摇杆的固定端还与横摆关节固连；摇杆的连接端通过连接件B固定在尾杆上；

所述微控制器通过连接线与无线模块、姿态传感器、电源模块相连；其中，无线模块用来接收上位机发送的控制指令，并发送到微控制器；微控制器根据接收到的控制指令控制第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器与第四驱动器的运动；姿态传感器用来感知机身的姿态，并将获取的姿态信息发送到微控制器中，从而微控制器通过无线模块将获取的姿态信息传回上位机。

2.如权利要求1所述一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人，其特征在于：所述两套仿生折叠翼相对机身对称设计。

3.如权利要求1所述一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人，其特征在于：所述翼面为由柔性薄膜材料制成。

4.如权利要求1所述一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人，其特征在于：当翼面处于展开状态时，前翼板轴线与机身轴线垂直。

5.如权利要求1所述一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人，其特征在于：所述翼面处于收回状态时，前翼板、后翼板的轴线均与机身平行。

6.如权利要求1所述一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人，其特征在于：当所述翼面处于收回状态，且可变姿态尾部的轴线与机身轴线平行共面时，仿蝗虫姿态调整机器人的重心位于机身中轴线上，且位于后翼板与机身连接位置处。

7.如权利要求1所述一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人，其特征在于：所述叶片B上，靠近后翼板连接处前方安装有限位块，通过限位块对后翼板向前转动的位移进行限制。