CN103395493B - 压电陶瓷扑翼式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种压电陶瓷扑翼式机器人，包含机身支撑架、机翼、压电驱动器、驱动电缆、传动放大机构和驱动足。其中机翼经过仿生设计，形状与双翅目昆虫食蚜蝇的形状相似。在陆地行走时，选用压电陶瓷片为压电驱动器，压电陶瓷片与单端弯曲传动放大机构组成驱动足，驱动电缆输入两路共地的正弦波信号，分别驱动两支驱动足，利用谐振原理驱使机器人作可控的平面运动。在空中飞行时，取下驱动足，以压电陶瓷双晶片作为压电驱动器，输入驱动电压信号，经四连杆传动机构将振动放大并转换为翼的扑动，从而带动机身的飞行。该机器人简单轻便，对环境具有一定的适应能力。

Description

压电陶瓷扑翼式机器人

技术领域

本发明涉及一种压电陶瓷扑翼式机器人，属于机器人技术领域。

背景技术

近年来国内外越来越多的研究者发现了微型扑翼机器人的研究价值和可行性，微型扑翼机器人技术正在逐渐走向成熟。

扑翼机器人能实现原地起飞和空中悬停，适于在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务，在军事和民用领域具有广泛的应用前景。得到了包括美国、日本和英国等国在内很多国家的极大关注。传统的扑翼机器人采用微型电机作为动力源，结构复杂且功耗大。而压电陶瓷作为一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，具有压电效应，已逐渐应用于微型仿生机器人领域。传统的扑翼机器人只能实现空中飞行姿态，运动形式单一，对环境的适应能力弱。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种压电陶瓷扑翼式机器人，以压电陶瓷材料作为动力源，通过控制压电陶瓷驱动器控制机器人的飞行姿态，结构简单轻便；且该机器人具有陆地行走及扑翼飞行两种运动形态，对环境适应能力强。

该压电陶瓷扑翼式机器人包括一对机翼、机身支撑架、压电陶瓷双晶片、传动放大机构、驱动电缆组、头部支撑块和尾部支撑块；其中机翼包括翅脉和翅膜，其中翅脉为机翼的支撑结构；在翅脉的镂空位置安装翅膜；机翼的连接端为两个相互平行且垂直于翼平面的矩形凸块。

所述机器人整体为左右对称结构，所述传动放大机构包括主动杆、两个连杆和两个从动杆，两个从动杆分别位于机身支撑架6头部的左右两边，所述从动杆的一端与机身支撑架的上表面垂直连接，另一端与其所在侧机翼连接端的一个矩形凸块铰接；所述主动杆位于两个从动杆之间，且平行于机身支撑架，主动杆的左右两端向上延伸后分别铰接一个连杆，每个连杆与其所在侧机翼连接端的另一个矩形凸块铰接；

所述压电陶瓷双晶片的一端与传动放大机构中主动杆的中间位置固接，另一端通过尾部支撑块与机身支撑架固接；由三根驱动电缆组成的驱动电缆组固定在机身支撑架尾部的中间位置，用于输入驱动电压。

还包括万向滚珠支撑杆和一对驱动足；其中万向滚珠支撑杆安装在机身支撑架头部的下表面，其一端与机身支撑架可拆卸连接，另一端固接万向滚珠；两个驱动足分别安装在机身支撑架尾部左右两侧的下表面；所述驱动足包括压电陶瓷片、连接弹簧片和传动弹簧片，连接弹簧片的一端与机身支撑架可拆卸连接，另一端通过压电陶瓷片与传动弹簧片连接。

所述驱动足中传动弹簧片的末端朝向机身支撑架的头部方向弯曲。

每个从动杆通过其所在侧的头部支撑块与机身支撑架6连接。

所述翅脉由碳纤维片制成，翅膜为聚酯膜。

所述铰接采用复合型柔性铰链。

当机器人在陆地行走时，所述驱动电缆组的一个输出端与两个驱动足中压电陶瓷片的负极相连，另两个输出端分别与两个压电陶瓷片的正极相连，用于输出两路共地的正弦交流电压信号；当机器人在空中飞行时，所述驱动电缆组的三个输出端分别与压电陶瓷双晶片的三个信号端相连，用于输出地信号、直流电压信号和交流正弦偏置电压信号。

所述机身支撑架为硬性轻质材料，且其头部镂空。

有益效果：

（1）采用压电陶瓷材料作为该机器人的动力源，使其结构简单，轻便。

（2）该机器人具有陆地行走及扑翼飞行两种运动形态，对环境适应能力强，且机身支撑架与万向滚珠支撑架和驱动足部分之间可拆卸连接，在空中飞行将万向滚珠支撑杆和压电陶瓷驱动足拆掉，从而使机器人更加轻便，易于实现两栖功能。

（3）机翼的传动机构通过四连杆传动放大机构实现，结构简单，性能可靠。

附图说明

图1为本发明的压电陶瓷扑翼式机器人平面行走结构示意图；

图2为本发明的压电陶瓷扑翼式机器人飞行结构示意图；

图3为机翼结构示意图；

图4为传动放大机构示意图。

其中：1-翅脉、2-翅膜、3-传动放大机构、4-头部支撑块、5-万向滚珠支撑杆、6-机身支撑架、7-压电陶瓷双晶片、8-尾部支撑块、9-连接弹簧片、10-压电陶瓷片、11-传动弹簧片、12-驱动电缆组、13-主动杆、14-从动杆、15-连杆

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种压电陶瓷扑翼式机器人，该机器人采用压电陶瓷材料作为动力源，且具有陆地行走及扑翼飞行两种运动形态，对环境适应能力强。

该机器人包括一对机翼、机身支撑架6、传动放大机构3、压电陶瓷双晶片7、头部支撑块4、万向滚珠支撑杆5、驱动电缆12和一对驱动足。

其中机身支撑架6为ABS材料制成的左右对称的板型结构，其头部镂空，以减轻机身的重量，并减小飞行时的空气阻力。传动放大机构3包括主动杆13、两个连杆15和两个从动杆14；其中两个从动杆14分别位于机身支撑架6头部的左右两边，两个从动杆14沿机身支撑架6的中心线左右对称，所述从动杆14的一端与机身支撑架6的上表面垂直连接，另一端与其所在侧机翼上的矩形凸块A铰接。为保证从动杆14与机身支撑架6连接可靠，每个从动杆14均通过头部支撑块4与机身支撑架6连接。主动杆13位于两个从动杆14之间，且平行与机身支撑架6，主动杆13的左右两端向上延伸后分别铰接一个连杆15，每个连杆15与其所在侧机翼上的矩形凸块B铰接，所述矩形凸块A与矩形凸块B相互平行且均垂直于翼平面；如图4所示。压电陶瓷双晶片7的一端与传动放大机构3中主动杆的中间位置固接，另一端通过尾部支撑块8与机身支撑架6固接。由三根驱动电缆组成的驱动电缆组12固定在机身支撑架6尾部的中间位置，用于输入驱动电压。万向滚珠支撑架5安装在机身支撑架6头部的下表面，其一端与机身支撑架6连接，另一端固接万向滚珠。两个驱动足分别对称安装在机身支撑架6尾部左右两侧的下表面，驱动足和万向滚珠支撑架5为机器人在平面运动时的行走机构。驱动足和万向滚珠支撑架5均与机身支撑架6可拆卸连接，以便机器人飞行时取下，以减轻机体的重量易于飞行。

所述驱动足由连接弹簧片9、压电陶瓷片10和传动弹簧片11组成，本实施例中连接弹簧片9的一端与机身支撑架6粘接，另一端通过压电陶瓷片10连接传动弹簧片11，传动弹簧片11的末端朝向机身支撑架6的头部方向弯曲，由此形成单端弯曲传动机构。

该机器人飞行时机翼的扑翼方式采用洗式翅的仿生原理，因此机翼的形状与双翅目昆虫食蚜蝇的形状相似，如图3所示。机翼运动时，其轨迹可以看作一个二自由度的运动，分别为机翼的前后拍动（机翼轨迹的主要运动）和机翼围绕翼展方向轴的扭转。机翼在前拍时以正面迎击空气，增加与空气接触面积，增加阻力；后挥时以侧面迎击空气，减小与空气接触面积，减小阻力；以此在一个拍动周期内形成阻力差。基于此，采用高模量碳纤维片制成翅脉1，翅脉1为机翼的支撑结构，在保证期望的负载条件下保持机翼的刚度，具有较高的刚度质量比。将机翼轨迹的前拍与后拍，简化为机翼的扭转，由此在翅脉1的镂空位置安装聚酯膜作为翅膜2。在负载推动下，机翼的拍击过程中使得扭转运动被动发生，以确保产生升力。并可通过机翼扑动中心的偏移来调整机体的俯仰角姿态。

本实施例中，上述的铰接均采用复合型柔性铰链实现。复合型柔性铰链具有弹性回复力，能够实现位置控制，适用用于存储释放能量以及高频振动等场合，是一种在精密机械，尤其在微型扑翼机器人中广泛应用的一种新型铰链形式。由于铰链处较薄弱同时铰链处材料的弹性模量小于杆的弹性模量，因此变形发生在铰链处。该柔性铰链利用碳纤维薄片作为刚性杆，其挠性部分使用了广泛用与复合挠性机构的聚酰亚胺材料。

该机器人的运动原理为：

当该机器人在光滑平面上行走时，其结构形态如图1所示。此时，驱动电缆组12的一个输出端与两个驱动足中压电陶瓷片的负极相连，另两个输出端分别与两个压电陶瓷片的正极相连，从而输出两路共地的正弦交流电压信号。本实施例中输入的正弦交流电压信号幅值100V，频率约200HZ（不同压电陶瓷片具有不同的谐振频率，需根据测试后得到）。压电陶瓷片10由于压电效应产生来回的振动，传动弹簧片11将压电陶瓷片10的振动放大，并将双向的振动转换为朝向弯曲方向的单向运动，最终驱动机体运动。行走时，分别控制两路正弦交流电压信号即可实现方向可控的行走：1、直线运动：同时开启两路正弦交流电压信号；2、右拐：左侧驱动足的正弦交流电压信号正常接入，右侧驱动足的正弦交流电压信号关闭；3、左拐：右侧驱动足正弦交流电压信号正常接入，右侧驱动足正弦交流电压信号关闭；4、运动停止：同时关闭两路正弦交流电压信号。机体前端的万向滚珠支撑杆5起到稳定支撑与减小阻力的作用，保证驱动足的振动能够更好地驱使机体的运动。

当机器人飞行时，其结构形态如图2所示。为减轻机体的重量易于飞行，拆下驱动足和万向滚珠支撑架5。此时利用压电陶瓷双晶片7作为压电驱动器对机器人进行开环控制。驱动电缆组12的三个输出端分别与压电陶瓷双晶片7的三个信号端相连，用于输出地信号、直流电压信号和交流正弦偏置电压信号。根据整体连接关系可知，压电陶瓷双晶片7一端实际固定在机身支撑架6上，另一端通过柔性铰链与机身支撑架6间有一个自由度的运动范围，以此形成两端固定的梁结构。驱动电缆12输入驱动信号后，分别在压电陶瓷双晶片7中的两片压电陶瓷晶片上施加电场。当对其中一片压电陶瓷晶片施加外电场时，压电陶瓷晶片发生较大伸缩应变，而支持层仅发生很小的应变，整个材料表现出向一边弯曲的现象。压电陶瓷双晶片7产生压电效应，由固定在尾部支撑块8的一端传入，由于悬臂梁的作用使其另一端产生较大的来回线性运动（即上下振动），该线性运动经过传动放大机构3传入机翼，作为机翼的初始源振动，本实施例中使用的压电陶瓷双晶片7能够在500Hz工作频率下达到±500μm的端部位移。从而实现机翼的扑动，通过控制驱动电缆组12输入的交流正弦偏置电压信号中电压偏置的不同，对机器人的俯仰姿态角进行控制，实现机体的带缆飞行。

该机器人飞行时，机翼的运动由压电陶瓷双晶片7通过传动放大机构3带动，对压电陶瓷双晶片7施加不同形式的驱动电压能够实现对机翼运动形式的控制。根据压电陶瓷驱动原理与本实施例中使用的压电陶瓷双晶片7性能，驱动电缆12需输入一路幅度固定约200V的交流电压信号和一路带直流偏置约100V，可调的正弦交流信号幅度频率可调。驱动信号需要控制三个参数，即：交流电压的频率、幅值和直流偏置。

下面为三个控制参数对于机翼扑动的影响：1、交流电压的频率，由于机翼处于受迫振动状态，故机翼的振动和压电陶瓷双晶片7振动具有相同的频率，即控制电压的频率将直接决定机翼振动的频率。2、交流电压的幅值，交流电压的幅值决定了压电陶瓷双晶片7的震动幅值，而压电陶瓷双晶片7的运动通过传动放大机构3与机翼的摆幅成几乎线性的关系，故控制电压的幅值决定了机翼摆动的幅值；3、直流偏置，由于四连杆传动放大机构3的输入输出曲线是一条过零点的直线，故当控制电压围绕直流电压的中心波动时，机翼也围绕其机身的中心扑动，此时机翼只产生升力，不产生姿态力矩简化认为机身中心即为重心；当控制电压产生直流偏置，机翼扑动中心也将发生偏移，此时机翼产生的推动力一部分为升力，同时还将产生一个俯仰力矩。综上，控制电压能够控制机翼的拍幅拍频和升力中心的偏移。

在本实施例的实际测试中：调节压电陶瓷双晶片7输出位移约为±400μm，翼长为36mm，传动比约为655rad/m。调节自耦变压器，使输入直流驱动电压电压为200V，交流不带偏置驱动电压100V，调整信号频率，当信号频率到达45HZ左右时，机翼发生了较大幅度的震动，说明此系统谐振频率在45HZ左右。得到此时翼的拍动角峰峰值为28.6°，与设计值的±15度较接近。当偏置信号不为0时，即交流驱动电压额外产生一个直流偏置，此时交流驱动信号不在以正100V电压为中心波动，额外了附加一个直流信号。相对应的，压电陶瓷驱动器的振动中心发生了相应的偏移。这是由于拍动中心的偏移导致推力中心偏离重心，从而产生了一个俯仰力矩，实现了在自由飞行时调整俯仰角姿态。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (8)

1.压电陶瓷扑翼式机器人，其特征在于，包括一对机翼、机身支撑架(6)、压电陶瓷双晶片(7)、传动放大机构(3)、驱动电缆组(12)、头部支撑块(4)和尾部支撑块(8)；其中机翼包括翅脉(1)和翅膜(2)，其中翅脉(1)为机翼的支撑结构；在翅脉(1)的镂空位置安装翅膜(2)；机翼的连接端为两个相互平行且垂直于翼平面的矩形凸块；

所述机器人整体为左右对称结构，所述传动放大机构(3)包括主动杆(13)、两个连杆和两个从动杆，两个从动杆分别位于机身支撑架(6)头部的左右两边，所述从动杆的一端与机身支撑架(6)的上表面垂直连接，另一端与其所在侧机翼连接端的一个矩形凸块铰接；所述主动杆(13)位于两个从动杆之间，且平行于机身支撑架(6)，主动杆的左右两端向上延伸后分别铰接一个连杆，每个连杆与其所在侧机翼连接端的另一个矩形凸块铰接；

所述压电陶瓷双晶片(7)的一端与传动放大机构(3)中主动杆的中间位置固接，另一端通过尾部支撑块(8)与机身支撑架(6)固接；由三根驱动电缆组成的驱动电缆组(12)固定在机身支撑架(6)尾部的中间位置，用于输入驱动电压。

2.如权利要求1所述的压电陶瓷扑翼式机器人，其特征在于，还包括万向滚珠支撑杆(5)和一对驱动足；其中万向滚珠支撑杆(5)安装在机身支撑架(6)头部的下表面，其一端与机身支撑架(6)可拆卸连接，另一端固接万向滚珠；两个驱动足分别安装在机身支撑架(6)尾部左右两侧的下表面；所述驱动足包括压电陶瓷片(10)、连接弹簧片(9)和传动弹簧片(11)，连接弹簧片(9)的一端与机身支撑架(6)可拆卸连接，另一端通过压电陶瓷片(10)与传动弹簧片(11)连接。

3.如权利要求2所述的压电陶瓷扑翼式机器人，其特征在于，所述驱动足中传动弹簧片(11)的末端朝向机身支撑架(6)的头部方向弯曲。

4.如权利要求1或2所述的压电陶瓷扑翼式机器人，其特征在于，每个所述从动杆通过其所在侧的头部支撑块与机身支撑架(6)连接。

5.如权利要求1或2所述的压电陶瓷扑翼式机器人，其特征在于，所述翅脉(1)由碳纤维片制成，翅膜(2)为聚酯膜。

6.如权利要求1或2所述的压电陶瓷扑翼式机器人，其特征在于，所述铰接采用复合型柔性铰链。

7.如权利要求2所述的压电陶瓷扑翼式机器人，其特征在于，当机器人在陆地行走时，所述驱动电缆组(12)的一个输出端与两个驱动足中压电陶瓷片的负极相连，另两个输出端分别与两个压电陶瓷片的正极相连，用于输出两路共地的正弦交流电压信号；当机器人在空中飞行时，所述驱动电缆组(12)的三个输出端分别与压电陶瓷双晶片(7)的三个信号端相连，用于输出地信号、直流电压信号和交流正弦偏置电压信号。

8.如权利要求1或2所述的压电陶瓷扑翼式机器人，其特征在于，所述机身支撑架(6)为硬性轻质材料，且其头部镂空。