CN104943862B

CN104943862B - 一种欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人

Info

Publication number: CN104943862B
Application number: CN201510286482.6A
Authority: CN
Inventors: 何广平; 孙卫; 王建领; 狄杰建; 孙恺; 袁俊杰
Original assignee: North China University of Technology
Current assignee: North China University of Technology
Priority date: 2015-05-30
Filing date: 2015-05-30
Publication date: 2021-11-19
Anticipated expiration: 2035-05-30
Also published as: CN104943862A

Abstract

本发明涉及一种欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人。本发明中仿生扑翼飞行机器人，包括扑翼飞行机器人骨架、传动机构、柔性平板机翼、柔性平板尾翼、舵机、电机、信号接收器、电池、电调。其特征在于，该扑翼飞行机器人骨架采用廉价的酚醛布板，电机通过主动齿轮、从动齿轮啮合传动，带动曲柄、连杆、摇杆，同时实现拍动和机翼的扭转两个自由度的运动，尾翼采用分体式柔性平板尾翼。本发明机构简单，质量轻，造价成本低，能够满足扑翼飞行机器人的飞行要求，该扑翼飞行机器人可用于通信中继、环境研究、自然灾害、低空侦察、信号干扰等任务。

Description

一种欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人

技术领域

本发明涉及一种仿生欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人的设计方法,特别涉及一种仿鸟欠驱动柔性平板翼扑翼飞行方式的飞行机器人。

背景技术

在生物的飞行过程中,采用的都是扑翼的飞行方式,没有一种是采用类似机械飞行的固定翼或旋翼驱动方式飞行的。现实生活中,固定翼和旋翼是两种常规飞行普遍采用的方式,但运动灵活性与鸟类的扑翼飞行具有很大的不同。仿生欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人可用于通信中继、环境研究、自然灾害、低空侦察、信号干扰等任务,并在未来大型牧场和城区监视等方面将具有广阔的市场和应用前景。

仿生扑翼飞行机器人是类似鸟类飞行的一类飞行机器人,其特征是:

通过柔性平板机翼拍打空气的反力作为升力及前行力。

通过机翼及尾翼的位置改变飞行方向。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有仿生扑翼飞行机器人质量大、灵活度差、制造成本高的缺点，发明出一种质量较小、灵活度高、结构简单紧凑且价格低廉的欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：本发明的一种欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人主要由机身骨架（A）、柔性平板机翼（B、F)、柔性平板尾翼（C、D）、整体配件(E)、传动系统（G）组成。机身骨架（A）主要由廉价的酚醛布板组成，主要包括机身主骨架（1），左右两边固定主骨架的副骨架（2、3）；传动系统由主动齿轮（8、10）、从动齿轮（9、11）、一二级传动花键轴（23、24）、曲柄（12、22）、连杆（14、20）、摇杆（16、18）、轴承（25）等组成；控制系统由电机（7）、电调（5）、电池（6）、信号接收器（4）组成。

机身骨架（A）由廉价的酚醛布板、碳纤维型材、低密度轻质木材、ABS硬塑料等材料加工制成，其中机身骨架主要由廉价的酚醛布板组成，其有益效果是酚醛布板主骨架在加工过程中，尤其在线切割和机床钻孔中作用力周围范围内不会发生应变，它具有较高的抗弯、抗张以及冲击强度等力学性能，在样机试验中骨架并未发生严重变形；机身骨架（A）两侧分别有一个由酚醛布板制成的副骨架（2、3）通过螺钉固定连接，同时起着固定传动花键轴作用；机身骨架（A）用细铁丝捆绑和快速凝固胶水粘接，组装而成，弹性碳纤维桁架式骨架和酚醛布板能够刚性的连接在一起，结构简单。所述曲柄（12、22）和摇杆（16、18）采用ABS硬塑料，其具有优良的综合物理和机械性能，极好的低温抗冲击性能，是一种减磨、耐磨、传动性好的零件。其有益效果是运用此种材料可以节约制造零件的成本达到提高机器人的使用寿命的目的，从而达到有效降低机械加工成本的目的，有利于这种机器人的推广应用。

柔性平板机翼（B、F)、柔性平板尾翼（C、D）由碳纤维型材和轻质风筝布用细铁丝捆绑和快速凝固胶水和风筝布修补胶带粘接固定的方法粘接而成。其中采用碳纤维型和细铁丝捆绑的方式材编制机翼的弹性桁架式骨架，采用轻质风筝布为翼膜，采用快速凝固胶水粘接和风筝布修补胶带粘接固定的方法，加工制作具有期望弹性变形行为的柔性平板机翼。其有益效果是机翼在传动机构的驱动下在空气中扑动，产生推力和升力，使得通过唯一的拍动输入，在气动力和惯性力共同作用下产生弯曲和扭转的变形，通过机翼的弹性形变，同时实现拍动和机翼的扭转两个自由度的运动，使得机翼拍动时产生的推力有效增大，有利于提高系统飞行速度和抵抗自然环境中空气流动（风）带来的负面影响。

无刷航模电机（7），体积小、重量轻，通过传动花键轴（23、24）、轴承（25）固定于机身骨架上，驱动左右摇杆（16、18）上下扑动。此种电机具有转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小等优点，适合为扑翼飞行机器人提供动力，通过二级齿轮减速和两路并联的空间曲柄摇杆机构进行传动，驱动一对柔性平板机翼（B、F）的拍动，形成一种单输入双摇杆机构。二级减速齿轮组中所用传动轴为花键轴，承载能力高，对中性好，在高频率拍打过程中，也能够保证齿轮持续稳定啮合。左右曲柄（12、22）与二级传动花键轴（23）固定连接，保证了左右曲柄（12、22）的对称性，机翼拍打时产生相等的推力，维持机身平衡性。与空间曲柄摇杆机构中连杆（14、20）与曲柄（12、22）、摇杆（16、18）的的作用副为球铰副，转动灵活。其有益效果是有效简化了机器人系统的传动机构，有利于大大减轻机器人系统的重量。

柔性平板尾翼采用左右对称分体式尾翼，使得通过尾翼调整机器人在空中飞行姿态时，灵敏度高，操作简单，更易实现该机器人的姿态调整。

两个小型航模舵机（28、30）在低密度轻质木块（26、29）固定作用下并排安装，两侧由轻质加工塑料固定两侧，通过细弹簧钢丝，驱动一对并排安装，但中间分离的柔性平板尾翼，使得通过尾翼调整机器人在空中飞行时的姿态时，灵敏度有效改善。其有益效果是有利于减小尾翼的面积，从而有利于减小飞行器的总体外形尺寸和系统总体质量。或者在不减小飞行器总体尺寸的条件下，有利于提高机器人系统的负载飞行能力，为工程实际应用提供方便。

本发明一种欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人具有以下优点：

机身骨架采用廉价的酚醛布板等材料，质量轻，价格便宜，有利于大大减轻机器人系统总体重量和制造成本，提高系统的负载飞行能力；主机翼采用柔性平板机翼，能够实现拍打和扭转两自由度的欠驱动结构，使得机翼拍动时产生的推力有效增大，有利于提高系统飞行速度和抵抗自然环境中空气流动（风）带来的负面影响。

附图说明

图1为本发明一种欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人俯视图。

图2为本发明一种欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人配件图。

图3为本发明一种欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人柔性平板机翼俯视图。

图4为本发明一种欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人柔性平板尾翼俯视图。

图5为本发明一种欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人传动机构示意图。

图6为本发明一种欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人尾部结构示意图。

图7为本发明一种欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人样机示意图。

图8、9、10、11为本发明一种欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人飞行过程姿态图。

图中各附图标记为：A.机身骨架，B.右柔性平板机翼，C.右柔性平板尾翼,D.左柔性平板尾翼，E.整体配件，F.左柔性平板机翼，G.传动机构，1.机身主骨架，2.左主体固定架，3.右主体固定架，4.信号接收器，5.电调，6.电池，7.电机，8.主动齿轮，9.从动齿轮，10.主动齿轮，11.从动齿轮，12.曲柄，13.球铰副，14。左连杆，15.球铰副，16.左摇杆，17.销钉，18.右杆，19.球铰副，20.右连杆，21.球铰副，22.右曲柄，23.二级传动花键轴，24.一级传动花键轴，25.轴承，26.低密度轻质木块，27.尾巴根部，28.左舵机，29.低密度轻质木块，30.右舵机，31.尾巴根部，32.螺钉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明包括酚醛布板机身骨架（A）、柔性平板翼（B、F)、柔性平板尾翼（C、D）、整体配件(E)、传动系统（G）。电机（7）传动系统（G）实现柔性平板翼（B、F)的拍打，本发明欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人通过信号接收器（4）调节电机（7）转速，改变舵机（28、30）方向，实现自主飞行。

机身骨架（A)采用廉价的酚醛布板,曲柄（12、22）、摇杆（16、18)、尾巴根部（27、31)等材料采用ABS硬塑料棒，质量轻，减轻了该发明的机构总体质量，制造成本低。

该发明一种欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人左右曲柄（12、22）同步安装在二级传动花键轴（23），避免了因左右曲柄（12、22）不同步而带来的扑翼不能相对同步，解决了柔性平板机翼不能相对同步而影响仿生欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人飞行的问题。同时，本发明机构简单，质量轻，造价成本低，易于拆卸与安装，能够满足欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人的飞行要求。

一级传动花键轴（24）与主动齿轮（8）、从动齿轮（9）相连接；二级传动花键轴（13）与主动齿轮（10）、从动齿轮（11）相连接。主骨架（1）与副骨架（2、3）通过轴承（25）与传动轴（23、24）固定；主动齿轮（8）固定安装在发动机（7）的输出轴上。主动齿轮（8）与从动齿轮（9）啮合传动；主动齿轮（10）与从动齿轮（11）啮合传动。曲柄（12、22）与二级传动花键轴（23）固定连接，摇杆（16、18）与机身骨架（A）连接采用转动副连接。摇杆（16、18）的上极限位置和下极限位置分别为和

和

。通过这样的传动方式可高效率的将电机的转动转化为摇杆简单的上下摆动，从而带动柔性平板机翼上下扑动。有效的简化了机器人系统的传动机构，有利于大大减轻机器人系统的重量。

主机翼采用碳纤维型和细铁丝捆绑的方式材编制机翼的弹性桁架式骨架，采用轻质风筝布为翼膜，采用快速凝固胶水粘接和风筝布修补胶带粘接固定的方法，加工制作具有期望弹性变形行为的柔性平板机翼。柔性平板翼与摇杆连接方式为插入式，方便不同平板翼的互换。

在尾部采用两个小型航模舵机并排安装的方式，两侧由轻质加工塑料固定两侧，通过细弹簧钢丝，驱动一对并排安装，中间分离的柔性平板尾翼，使得通过柔性平板尾翼调整机器人在空中飞行时的姿态时，灵敏度有效改善。有利于减小柔性平板尾翼的面积，从而有利于减小飞行器的总体外形尺寸和系统总体质量。在不减小飞行器总体尺寸的条件下，有利于提高机器人系统的负载飞行能力，为工程实际应用提供方便。

电池（6）置放在电机另一侧身体中间偏后，接收器（4）与电调（5）对立放置，平衡身体质心。

图8、9、10、11为该发明飞行过程姿态图，通过与地面遥控设备相匹配能够实现飞行速度的快慢，调整方位姿态时，灵敏度高，可简单快速实现各种飞行姿态。

该发明一种欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人采用手投方式起飞。

Claims

1.一种欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人，主要包括：扑翼飞行机器人骨架、传动机构、单输入两自由度柔性平板主机翼、分体式柔性平板尾翼；

主机翼采用碳纤维型和细铁丝捆绑的方式编制机翼的弹性桁架式骨架，采用轻质风筝布为翼膜，采用快速凝固胶水粘接和风筝布修补胶带粘接固定的方法，加工制作具有期望弹性变形行为的柔性平板机翼，使得通过唯一的拍动输入，在气动力和惯性力共同作用下产生弯曲和扭转的变形；

柔性平板尾翼采用左右对称且相对设置的分体式尾翼，柔性平板尾翼由碳纤维型材和轻质风筝布用细铁丝捆绑和快速凝固胶水和风筝布修补胶带粘接固定的方法粘接而成；

在尾部采用两个小型航模舵机并排安装的方式，通过细弹簧钢丝，驱动一对并排安装，但中间分离的柔性平板尾翼；

两个小型航模舵机在低密度轻质木块固定作用下并排安装，两侧由轻质加工塑料固定两侧，尾翼的尾巴根部通过螺钉与低密度轻质木块固定连接。

2.根据权利要求1所述一种欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人，其特征在于：该扑翼飞行机器人机身骨架采用廉价的酚醛布板、碳纤维型材、低密度轻质木材、ABS硬塑料加工制成后，用细铁丝捆绑和快速凝固胶水粘接，组装而成。

3.根据权利要求1所述一种欠驱动柔性平板翼扑翼飞行机器人，其特征在于：采用一个原动件，通过二级齿轮减速和两路并联的空间曲柄摇杆机构进行传动，驱动一对柔性平板机翼的拍动。