CN104842341B - 一种共振式拍动翼机器人 - Google Patents

Abstract

一种共振式拍动翼机器人，涉及到一种共振式拍动翼机器人，属于微小型机器人技术领域。解决了现有微小型飞行机器人结构复杂、拍动翼运动频率和速度偏低的问题。本发明所述的n对竖直拍动翼对称设置在机器人本体的两侧，m对水平拍动翼对称设置在机器人本体的两侧,竖直拍动翼和水平拍动翼的振动均采用弹性体共振原理实现的，所述传感器设置在机器人本体的顶端；传感器用于采集探测机器人前方的障碍物，实现对共振式拍动翼机器人运动轨迹的控制。本发明适用于复杂狭小空间探查、搜救。

Description

一种共振式拍动翼机器人

技术领域

本发明涉及到一种共振式拍动翼机器人，属于微小型机器人技术领域。

背景技术

微小型机器人技术一直以来都是机器人技术领域的一个重要分支，其突出优势在于狭小空间内的良好通过性以及常规空间内的难察觉性，在复杂狭小空间探查、搜救等领域具有广泛应用前景。

借鉴仿生学的原理，拍动翼式微小型机器人是目前的主要研究方向。不过，目前多数拍动翼式微小型机器人均采用电机和连杆机构实现翼的周期性拍动，普遍存在结构复杂的突出不足，而拍动翼运动频率和速度偏低也是该类机器人目前存在的一个主要问题。

发明内容

本发明是为了解决现有微小型飞行机器人结构复杂、拍动翼运动频率和速度偏低的问题，提供了一种共振式拍动翼机器人。

本发明所述的一种共振式拍动翼机器人，它包括机器人本体、n对竖直拍动翼、m对水平拍动翼、电源、控制器和传感器，n和m均为正整数；

每对竖直拍动翼均对称设置在机器人本体的两侧，竖直拍动翼包括第一支撑梁、第一电机、第一偏心轮、第一振动梁和第一薄翼，

第一支撑梁为中空结构，所述第一支撑梁的一端与机器人本体的侧面固定连接，第一支撑梁该端的内部固定有第一电机，第一电机的输出轴上套接有第一偏心轮；

第一振动梁的一端与第一支撑梁的另一端固定连接，第一薄翼的上端固定在第一振动梁的另一端的下表面；第一薄翼沿竖直方向延展；

每对水平拍动翼对称设置在机器人本体的两侧，水平拍动翼包括第二支撑梁、第二电机、第二偏心轮、第二振动梁和第二薄翼；

第二支撑梁为中空结构，所述第二支撑梁的一端与机器人本体的侧面固定连接，第二支撑梁该端的内部固定有第二电机，第二电机的输出轴上套接有第二偏心轮；

第二振动梁的一端与第二支撑梁的另一端固定连接，第二薄翼的上端固定在第二振动梁的另一端的后表面；第二薄翼沿水平方向延展；

电源和控制器均设置在机器人本体的内部，所述传感器设置在机器人本体的顶端；电源用于为控制器、传感器、第一电机和第二电机供电，传感器用于采集探测机器人前方的障碍物信号，传感器的障碍物探测信号输出端连接控制器的障碍物探测信号输入端。

本发明所述的共振式拍动翼机器人采用的是弹性体共振实现飞行，没有中间的传动机构，结构实现了极大程度的简化；此外，由于共振状态下薄翼获得了较高的振幅和振速，改善了拍动翼运动频率速度偏低的问题。本发明的共振式拍动翼机器人结构简单，加工装配十分简便，易于实现微型化。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的共振式拍动翼机器人的结构示意图；

图2为具体实施方式一所述的共振式拍动翼机器人的立体结构示意图；

图3是图1的A-A方向的剖视图；

图4为竖直拍动翼或水平拍动翼在共振状态下向前或向上弯曲的变形示意图；

图5为竖直拍动翼或水平拍动翼在共振状态下向后或向下弯曲的变形示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1到图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种共振式拍动翼机器人，它包括机器人本体1、n对竖直拍动翼2、m对水平拍动翼3、电源4、控制器5和传感器6，n和m均为正整数；

每对竖直拍动翼2均对称设置在机器人本体1的两侧，竖直拍动翼2包括第一支撑梁2-1、第一电机2-2、第一偏心轮2-3、第一振动梁2-4和第一薄翼2-5，

第一支撑梁2-1为中空结构，所述第一支撑梁2-1的一端与机器人本体1的侧面固定连接，第一支撑梁2-1该端的内部固定有第一电机2-2，第一电机2-2的输出轴上套接有第一偏心轮2-3；

第一振动梁2-4的一端与第一支撑梁2-1的另一端固定连接，第一薄翼2-5的上端固定在第一振动梁2-4的另一端的下表面；第一薄翼2-5沿竖直方向延展；

每对水平拍动翼3对称设置在机器人本体1的两侧，水平拍动翼3包括第二支撑梁3-1、第二电机3-2、第二偏心轮3-3、第二振动梁3-4和第二薄翼3-5；

第二支撑梁3-1为中空结构，所述第二支撑梁3-1的一端与机器人本体1的侧面固定连接，第二支撑梁3-1该端的内部固定有第二电机3-2，第二电机3-2的输出轴上套接有第二偏心轮3-3；

第二振动梁3-4的一端与第二支撑梁3-1的另一端固定连接，第二薄翼3-5的上端固定在第二振动梁3-4的另一端的后表面；第二薄翼3-5沿水平方向延展；

电源4和控制器5均设置在机器人本体1的内部，所述传感器6设置在机器人本体1的顶端；电源4用于为控制器5、传感器6、第一电机2-2和第二电机3-2供电，传感器6用于采集探测机器人前方的障碍物信号，传感器6的障碍物探测信号输出端连接控制器5的障碍物探测信号输入端；

第一电机2-2的开关控制信号输入端连接控制器5的竖直拍动控制信号输出端，第二电机3-2的开关控制信号输入端连接控制器5的水平拍动控制信号输出端。

本实施方式中2n个竖直拍动翼2中每对对称的两个第一振动梁2-4长度相等，且相互平行；2m个水平拍动翼3中，每对对称的两个第二振动梁3-4长度相等，且相互平行，当n和m均为1时，如图1和图2所示，这样可以保证对称的拍动翼产生一致的升力或者推进力，本实施方式中所述的n对竖直拍动翼2以机器人本体1的中轴线为中心呈圆周对称排列或沿机器人本体1的侧面等间隔向下对称排列；m对水平拍动翼3以机器人本体1的中轴线为中心呈圆周排列或沿机器人本体1的侧面等间隔向下排列。

本发明所述的共振式拍动翼机器人，利用了悬臂结构拍动翼的共振式弯曲振动的工作原理：安装在电机输出轴上的偏心轮在电机带动下会产生一个同频的离心力，当电机的转动频率等于拍动翼的弯曲振动共振频率时，该离心力就会激发拍动翼产生弯曲共振，从而在薄翼处获得了周期性的弯曲振动，如图4和图5所示；竖直拍动翼的弯振是沿机器本身体前后方向拍动的，水平拍动翼的弯振是沿机器人身体上下方向拍动的；第一薄翼的前后拍动会获得向上的升力，用于克服机器人重力以及高度的调整；第二薄翼的上下拍动会获得向前的推力，用于推动机器人向前飞行；设置在身体前端的传感器用于探测机器人前方障碍物情况；电源驱动第一电机；控制器接收传感器返回的信息，并进行分析处理，然后规划飞行轨迹，最终通过控制第一电机和第二电机施加电压的大小来实现预定轨迹的行进。通过调整竖直拍动翼上第一电机施加电压的大小，可以改变第一薄翼所获得的升力，从而改变升力和重力的平衡状态，最终实现飞行高度的调整；通过调整身体两侧的水平拍动翼上第二电机施加电压的大小，可以改变机器人左右两侧第薄翼产生推力的大小，当右侧第二电机施加电压高于左侧时实现左转弯；当左侧第二电机施加电压高于右侧时实现右转弯，转弯半径的大小可以通过改变两侧第二电机施加电压幅值差异进行灵活调整。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种共振式拍动翼机器人的进一步说明，第一支撑梁2-1、第一振动梁2-4和机器人本体1为一体件。本实施方式所述结构连接方式可以极大的简化机器人的制作工艺，同时提高了第一振动梁2-4的耐振度。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种共振式拍动翼机器人的进一步说明，第二支撑梁3-1、第二振动梁3-4和机器人本体1为一体件。

本实施方式所述结构连接方式可以极大的简化机器人的制作工艺，同时提高了第二振动梁3-4的耐振度。

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种共振式拍动翼机器人的进一步说明，第一电机2-2的转动频率在竖直拍动翼2的前后弯曲振动共振频率±20％的幅度范围内；第二电机3-2的转动频率在水平拍动翼3的前后弯曲振动共振频率±20％的幅度范围内。

本实施方式通过电机带动偏心轮产生的离心力来激发高强度的拍动翼弯曲振动。

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种共振式拍动翼机器人的进一步说明，第一薄翼2-5和第二薄翼3-5均采用柔性材料制作实现。

本实施方式所述的柔性材料制第一薄翼2-5和第二薄翼3-5在振动时有利于提高推进效率。

具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种共振式拍动翼机器人的进一步说明，第一振动梁2-4横截面面积小于第一支撑梁2-1的横截面面积；第二振动梁3-4横截面面积小于第二支撑梁3-1横截面面积。

本实施方式所述的截面设计可以实现弯曲振动振幅和振速的放大。

具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式一或五所述的一种共振式拍动翼机器人的进一步说明，传感器6为距离传感器或者视觉传感器。

本实施方式所述的传感器用于实现对前方障碍物的探测，并发送相应信号给控制器。

Claims (7)

1.一种共振式拍动翼机器人，其特征在于，它包括机器人本体(1)、n对竖直拍动翼(2)、m对水平拍动翼(3)、电源(4)、控制器(5)和传感器(6)，n和m均为正整数；

每对竖直拍动翼(2)均对称设置在机器人本体(1)的两侧，竖直拍动翼(2)包括第一支撑梁(2-1)、第一电机(2-2)、第一偏心轮(2-3)、第一振动梁(2-4)和第一薄翼(2-5)，

第一支撑梁(2-1)为中空结构，所述第一支撑梁(2-1)的一端与机器人本体(1)的侧面固定连接，第一支撑梁(2-1)该端的内部固定有第一电机(2-2)，第一电机(2-2)的输出轴上套接有第一偏心轮(2-3)；

第一振动梁(2-4)的一端与第一支撑梁(2-1)的另一端固定连接，第一薄翼(2-5)的上端固定在第一振动梁(2-4)的另一端的下表面；第一薄翼(2-5)沿竖直方向延展；

每对水平拍动翼(3)对称设置在机器人本体(1)的两侧，水平拍动翼(3)包括第二支撑梁(3-1)、第二电机(3-2)、第二偏心轮(3-3)、第二振动梁(3-4)和第二薄翼(3-5)；

第二支撑梁(3-1)为中空结构，所述第二支撑梁(3-1)的一端与机器人本体(1)的侧面固定连接，第二支撑梁(3-1)该端的内部固定有第二电机(3-2)，第二电机(3-2)的输出轴上套接有第二偏心轮(3-3)；

第二振动梁(3-4)的一端与第二支撑梁(3-1)的另一端固定连接，第二薄翼(3-5)的上端固定在第二振动梁(3-4)的另一端的后表面；第二薄翼(3-5)沿水平方向延展；

电源(4)和控制器(5)均设置在机器人本体(1)的内部，所述传感器(6)设置在机器人本体(1)的顶端；电源(4)用于为控制器(5)、传感器(6)、第一电机(2-2)和第二电机(3-2)供电，传感器(6)用于采集探测机器人前方的障碍物信号，传感器(6)的障碍物探测信号输出端连接控制器(5)的障碍物探测信号输入端。

2.根据权利要求1所述的一种共振式拍动翼机器人，其特征在于，第一支撑梁(2-1)、第一振动梁(2-4)和机器人本体(1)为一体件。

3.根据权利要求1或2所述的一种共振式拍动翼机器人，第二支撑梁(3-1)、第二振动梁(3-4)和机器人本体(1)为一体件。

4.根据权利要求1或2所述的一种共振式拍动翼机器人，其特征在于，第一电机(2-2)的转动频率在竖直拍动翼(2)的前后弯曲振动共振频率±20％的幅度范围内；第二电机(3-2)的转动频率在水平拍动翼(3)的前后弯曲振动共振频率±20％的幅度范围内。

5.根据权利要求1所述的一种共振式拍动翼机器人，其特征在于，第一薄翼(2-5)和第二薄翼(3-5)均采用柔性材料制作实现。

6.根据权利要求1所述的一种共振式拍动翼机器人，其特征在于，第一振动梁(2-4)横截面面积小于第一支撑梁(2-1)的横截面面积；第二振动梁(3-4)横截面面积小于第二支撑梁(3-1)横截面面积。

7.根据权利要求1或5所述的一种共振式拍动翼机器人，其特征在于，传感器(6)为距离传感器或者视觉传感器。