CN106043481B - 一种具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人，属于机械设计技术领域。所述的机器人包括身躯模块、肢体模块、尾翼模块和柔性翼膜，整体为扁平式结构；所述肢体模块包括四个结构相同的部分，分别位于身躯模块的四个顶角位置的框架结构上，在相应的四个舵机A控制下实现相对于身躯模块所在平面的上下俯仰运动；尾翼模块安装于身躯模块后端，在相应舵机B控制下实现相对于身躯模块所在平面的上下俯仰运动；柔性翼膜覆盖于身躯模块上下两面，固定连接于肢体模块上，在肢体模块的俯仰运动带动下实现形状的改变。本发明机器人不但安装方便，而且结构紧凑；整体设计扁平化，对于滑翔稳定性更好，整体轻质，有助于提高滑翔比。

Description

一种具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人

技术领域

本发明涉及一种滑翔机器人，具体来说，是一种扁平式、模块化、可仿生滑翔调姿的机器人。

背景技术

为适应在丛林环境中快速转移的需要，一些生物在漫长的自然演变中，进化出了能够实现滑翔降落的翼膜。滑翔运动对该类生物来说有诸多意义，不但有利于增强动物适应性，躲避天敌和捕食猎物，而且可以有效减小运动能耗，并降低意外落地的冲击力。目前，自然界中已发现的具有滑翔能力的动物很多，例如蜥蜴类、蝗虫类、飞鱼、蜘蛛类、飞蛙、蝙蝠、飞鼠、蛇类、鸟类等。

飞蜥主要依靠长尾的摆动来改变姿态，进入滑翔过程，而飞鼠则依靠四肢带动翼膜形状并配合尾部运动改变气动力，进而获得合适的滑翔初始姿态。进入稳定滑翔段之后，飞蜥可以通过尾实时调整姿态来保持稳定和改变滑翔方向，飞鼠则通过四肢控制翼面形状获得优美的滑翔效果。

2004年美国布朗大学Ricardo等人对无人飞行器柔性翼面的气动特性进行了研究，并研制了一款小型柔性翼面的机器人。该机器人翼展15cm，飞行速度10m/s，重约40g。机器人采用碳纤维骨架作为机翼的支撑结构，覆盖可变性的柔性翼膜。通过理论分析和风洞实验发现，柔性变形能够降低气流扰动对翼膜的冲击，并增大翼面失速的临界仰角，从而有效提高了机器人的稳定性。

2005年佛罗里达州立大学Frank等人研制的MMALV机器人采用了轮可展开翼面，翼展30cm，兼具滑翔和地面行走能力。该机器人重450g，前端装有螺旋桨提供飞行动力。

2010年美国斯坦福大学的Alexis等人设计了一款能够飞行、滑翔和附着壁面的多运动模式机器人。该机器人通过螺旋桨获得飞行速度，采用固定翼方式产生飞行和滑翔动力。

2011年美国佛罗里达州立大学Clark等人得到了一款滑翔机器人ICAROS。该机器人重350g，固定翼展0.72m，翼面载荷26.5N/m2，滑翔速度0.53m/s，滑降比在1-3之间，机器人利用固定翼上副翼的调整来进入滑翔状态。

在此基础上对仿生机器人普遍存在的问题进行探索。

1.滑翔的俯仰和偏航控制均采用尾舵，整体尺寸庞大，效果并不理想。自然界滑翔生物给我们的启发是：用腿部关节运动带动翼膜可以有效地对滑翔姿态进行调整。

2.自然界飞鼠、飞猴以及飞蜥等动物，采用一种翼膜颤振配合尾部调节的滑翔姿态控制策略，具体来讲，就是在机器人的运动过程中通过尾部来调节滑翔的俯仰角，通过翼膜扭转来保持平衡和实现定向滑翔。

3.从爬壁滑翔机器人可实现性上考虑，扁平式结构可以有效提高滑翔过程中机器人的整体气动特性；轻量化的设计不但能够降低攀爬过程中电机负载，而且可以通过减小翼膜的翼载，使机器人以更低的速度稳定滑翔和着陆。这将有效提高滑翔的可操作性，同时避免机器人由于过大的冲击力而损坏。因此，机器人结构宜采用轻质材料，在满足机器人运动需求的情况下应尽量减少电机数量。

飞蜥和飞鼠等仿生原型体态和运动特征的研究给我们的启发是：依据已有生物学领域成果，对四足滑翔动物的滑翔机理和气动特性进行研究，可抽象出该类生物的滑翔控制模型，即通过改变翼膜和尾的形状来改变滑翔轨迹并保持稳定，可以利用机器人的四肢控制翼膜，进行滑翔过程的姿态调整，最终实现可控的稳定滑翔。

发明内容

针对上述生物原型特点，本发明提出一种具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人，该机器人将肢体、身躯与尾部采用模块化设计；采用一体化制备的铝合金材料作为身躯外壳；外壳采用空腔形式，使具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人质量更轻；整体设计结构紧凑，使具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人尺寸更小；整体也充分考虑利用舵机和传动结构的空间位置设置，使得机器人为扁平式结构，尺寸更小；翼膜弹性设计，使机器人具有了一定的柔性性能。

本发明提出的具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人，包括身躯模块、肢体模块、尾翼模块和柔性翼膜，整体为扁平式结构；所述肢体模块包括左前肢模块、右前肢模块、左后肢模块与右后肢模块四个部分，四个部分结构相同，分别位于身躯模块的四个顶角位置的框架结构上，在相应的四个舵机A控制下实现相对于身躯模块所在平面的上下俯仰运动；尾翼模块安装于身躯模块后端，在相应舵机B控制下实现相对于身躯模块所在平面的上下俯仰运动；柔性翼膜覆盖于身躯模块上下两面，固定连接于左前肢模块、右前肢模块、左后肢模块与右后肢模块上，在肢体模块的俯仰运动带动下实现形状的改变。

本发明的优点在于：

(1)本发明具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人，具有相同模块化的四个肢体模块以及一个身躯模块、一个尾部模块，模块化设计使机器人结构更加清晰；使机器人不但安装方便，而且结构紧凑；

(2)本发明具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人，舵机的阶梯轴安装于身躯模块与肢体模块孔槽中心，起到了保护阶梯轴的效果；

(3)本发明具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人，身躯模块采用一体化成型制备，内部开有多个型腔，有效保护了嵌入其中的易损部件；

(4)本发明具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人，整体设计扁平化，整体高度不超过40mm，对于滑翔稳定性更好，整体轻质，有助于提高滑翔比。

(5)本发明具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人，柔性翼膜安装于肢体模块上，翼膜形状可由四肢的形状控制改变，机器人滑翔运动的姿态调整可通过改变翼膜形状和尾翼俯仰角来实现，进而实现控制滑翔轨迹并保持稳定。

(6)本发明具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人，翼膜大小可以根据优化需要通过改变模型四肢长度进行调整；还能够通过四肢的姿态调整和自身的一些结构特点来最大程度的增大翼膜面积。

附图说明

图1为本发明具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人的整体结构示意图。

图2A和图2B分别为本发明具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人的身躯模块中身躯和弧形顶盖的结构示意图。

图3为本发明具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人的肢体模块中左前肢模块的结构示意图。

图4和图5为本发明具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人的尾翼模块的结构俯仰示意图。图中：

1-身躯模块； 2-肢体模块； 3-尾翼模块； 4-柔性翼膜；

101-身躯； 102-弧形顶盖； 103-控制器；

201-肢体架； 202-舵机A； 203-阶梯轴A； 204-舵机摆杆A；

301-舵机B； 302-尾架； 303-尾摆架； 304-舵机摆杆B；

305-阶梯轴B； 306-尾前盖板； 307-尾蹼； 308-尾后盖板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供一种具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人，如图1所示，所述的机器人包括身躯模块1、肢体模块2、尾翼模块3和柔性翼膜4，整体为扁平式结构。所述肢体模块2包括左前肢模块、右前肢模块、左后肢模块与右后肢模块四个部分，四个部分结构相同，分别位于长方形身躯模块1的四个顶角位置，其中，左前肢模块与右前肢模块分别对称安装于身躯模块1前端框架结构的轴孔内，左后肢模块与右后肢模块分别对称安装于身躯模块1后端框架结构的轴孔内，安装方式均相同。左前肢模块、右前肢模块、左后肢模块与右后肢模块相对于身躯模块1的长轴和短轴分别呈对称布置，可以在相应舵机控制下实现相对于身躯模块2所在平面的上下俯仰运动。尾翼模块3通过凹凸结构镶嵌安装于身躯模块1后端中心的凹槽内，尾翼模块3位于机器人中心线附近安装，可以在相应舵机控制下实现相对于身躯模块2所在平面的上下俯仰运动。柔性翼膜4覆盖于身躯模块1上下两面，固定连接于左前肢模块、右前肢模块、左后肢模块与右后肢模块上，对机器人除尾翼模块3以外进行覆盖。

所述身躯模块1如图2所示，包括身躯101、弧形顶盖102和控制器103，其中身躯101由铝合金材料一体制成；身躯101中间主体为槽型结构，所述的槽型结构划分为四个舵机安装槽、一个控制器安装槽和和一个电池安装槽，其中四个舵机安装槽位于身躯101的四个顶角位置，槽内尺寸和形状与舵机A202尺寸和形状相配合，四个肢体驱动舵机A202卡于舵机安装槽内，保证其不会产生前后左右串动。控制器103和电池分别安装于控制器安装槽和电池安装槽内，采用强力胶粘贴固定。身躯101前后端设置有关于身躯101长轴左右对称的框架结构，用以安装肢体模块2。身躯101后端框架结构中间开有阶梯凹槽，用以安装尾翼模块3。弧形顶盖102采用ABS塑料材质，由3D打印成型，通过螺钉与身躯101固定连接，对身躯2内的电池、舵机A202与控制器103等都起到一个上下定位和保护作用，防止在飞行器掉落时，电池、舵机A202与控制器103出现损坏。弧形顶盖102为弧形凸起形状，其中前端厚度大于后端厚度，弧形顶盖102的弧形凸起结构可以保证柔性翼膜4具有较好的空气流线型。

如图3所示，以左前肢模块为例来说明所述的肢体模块2与身躯模块1之间的连接和工作关系。所述的左前肢模块包括肢体架201、舵机A202、阶梯轴A203和舵机摆杆A204。其中舵机A202在主体结构扁平安装在身躯模块1中舵机安装槽内，舵机摆杆A204和舵机轴伸出在身躯模块1外侧。所述的肢体架201的一端为自由端，另一端为连接端，所述的自由端为圆环形，所述的连接端为U型开口结构，所述U型开口结构的前后两侧板套装在身躯101前端框架结构前后两侧板外侧，U型开口结构两侧板均开有对心轴孔，框架结构左端的前后两侧板也开有对心轴孔，阶梯轴A203从前到后依次贯穿U型开口结构的对心轴孔和框架结构的对心轴孔后，固定在舵机A202的舵机轴上，便于肢体架201与身躯101定位。

在所述的对心轴孔内安装有铜套。所述的阶梯轴A203为T型阶梯轴，大端轴肩用以定位，小端有螺纹，阶梯轴A203穿过肢体架201右侧U型开口结构和身躯101前端框架结构的对心轴孔内的铜套，铜套用以减少阶梯轴A203和对心轴孔的磨损，大端轴肩定位于肢体架201右侧U型开口结构前侧板，小端(螺纹端)固定安装在舵机A202的舵机轴上，肢体架201通过阶梯轴A203与身躯101形成转动副，肢体架201的U型开口结构两侧板与身躯101前端框架结构前后两侧板形成对阶梯轴A203的保护。舵机摆杆A204固定安装在舵机轴上，肢体架201的U型开口结构的后侧板和舵机摆杆A204通过螺栓固定连接，从而舵机A202通过舵机摆杆A204带动肢体架201绕阶梯轴A203转动，形成俯仰运动。

如图4和图5所示，所述尾翼模块3包括舵机B301、尾架302、尾摆架303、舵机摆杆B304、阶梯轴B305、尾前盖板306、尾蹼307和尾后盖板308。其中，尾架302主体为凹槽结构，左右两侧分别有竖直侧板，侧板上开有轴孔，且左右两侧竖直侧板的轴孔对心，尾架302前端具有凹凸结构，通过身躯模块1后端两框架结构中间的阶梯凹槽镶嵌安装于身躯模块1上，保证其前后左右的定位，将尾后盖板308通过螺钉固定在尾架302上，实现尾架302和身躯101进一步固定连接和限位。舵机B301扁平放置于尾架302的凹槽结构中，尾架302凹槽内壁四周尺寸与舵机B301外形尺寸配合一致，可以限定舵机B301前后左右运动。尾前盖板306通过螺钉与尾架302固定连接，从而形成对尾架302内舵机B301的四周保护和固定。尾摆架303前端为U型结构，后端自由端为小平板，尾摆架303的U型结构两侧均开有左右方向的轴孔，轴孔对心，且轴孔直径与尾架302两侧板的轴孔直径相同，尾摆架303上轴孔与尾架302侧板的轴孔通过同心方式定位，且相邻的两个轴孔内安装铜套，光杆螺栓穿过尾摆架303与尾架302的左侧两轴孔，轴孔内有铜套保护，形成旋转副，即尾摆架303与尾架302之间可以相对于光杆螺栓转动。阶梯轴B305为T型阶梯轴，大端轴肩用以定位，小端有螺纹，阶梯轴B305从右到左依次穿过尾摆架303的右侧轴孔、尾架302右侧侧板的轴孔，所述轴孔内的有铜套，大端轴肩限位在尾架302右侧侧板，小端(螺纹端)固定连接在舵机B301的舵机轴上，尾摆架303与尾架302可以分别绕阶梯轴B305形成转动副。尾摆架303的右侧侧板与尾架302右侧侧板形成对阶梯轴B305的保护。舵机摆杆B304固定安装在舵机轴上，尾摆架303和舵机摆杆B304通过螺栓固定连接，从而舵机B301通过驱动舵机摆杆B304来带动尾摆架303转动。尾蹼307通过强力胶粘贴在尾摆架303后端小平板上，从而尾摆架303转动的同时带动尾蹼307俯仰运动。其中尾蹼307为塑胶材质，具有一定弹性且轻质，尾蹼307为扁平式扇形机构。整个尾翼模块3扁平，高度不超过20mm；尾翼模块3中的舵机B301带动尾蹼307俯仰可以改变机器人位姿状态，从而使得机器人滑落过程中产生滑翔的效果，减少损伤。

尾翼模块3中连接尾架302和尾摆架303左右两侧的光杆螺栓和阶梯轴B305同轴。

所述柔性翼膜4采用具有弹性的不透气低重量织物；采用强力胶固定连接于肢体模块2的四个角上，所述肢体架201长度可以通过更换肢体架调节，肢体长度改变的目的是为了柔性翼膜面积改变，从而改变具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人的翼载荷。柔性翼膜4面积也可以随肢体架长度的变化而得到调节。左前肢模块、右前肢模块、左后肢模块与右后肢模块的俯仰运动，带动柔性翼膜4形状改变。

本发明提供的具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人运动时，左前肢模块、右前肢模块、左后肢模块与右后肢模块分别由各自的舵机A202驱动转动，由舵机摆杆A204带动肢体架201俯仰运动，通过肢体架201俯仰运动带动柔性翼膜4形变；尾翼模块3中舵机B301转动，由舵机摆杆B304带动尾摆架303俯仰运动；尾摆架303带动尾蹼307俯仰。通过改变柔性翼膜4形状和尾翼模块3中的尾蹼307俯仰角来实现机器人滑翔运动的姿态调整，实现滑翔运动。

Claims (8)

1.一种具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人，其特征在于：所述的机器人包括身躯模块、肢体模块、尾翼模块和柔性翼膜，整体为扁平式结构；所述肢体模块包括左前肢模块、右前肢模块、左后肢模块与右后肢模块四个部分，四个部分结构相同，分别位于身躯模块的四个顶角位置的框架结构上，在相应的四个舵机A控制下实现相对于身躯模块所在平面的上下俯仰运动；尾翼模块安装于身躯模块后端，在相应舵机B控制下实现相对于身躯模块所在平面的上下俯仰运动；柔性翼膜覆盖于身躯模块上下两面，固定连接于左前肢模块、右前肢模块、左后肢模块与右后肢模块上，在肢体模块的俯仰运动带动下实现形状的改变；

所述的左前肢模块包括肢体架、舵机A、阶梯轴A和舵机摆杆A；其中舵机A扁平安装在身躯模块中舵机安装槽内，舵机摆杆A和舵机轴伸出在身躯模块外侧；所述的肢体架的一端为自由端，另一端为连接端，所述的自由端为圆环形，所述的连接端为U型开口结构，所述U型开口结构的前后两侧板套装在身躯前端框架结构前后两侧板外侧，U型开口结构两侧板均开有对心轴孔，框架结构左端的前后两侧板也开有对心轴孔，阶梯轴A从前到后依次贯穿U型开口结构的对心轴孔和框架结构的对心轴孔后，固定在舵机A的舵机轴上；

所述的阶梯轴A为T型阶梯轴，大端轴肩用以定位，小端有螺纹，阶梯轴A穿过肢体架右侧U型开口结构和身躯前端框架结构的对心轴孔，大端轴肩定位于肢体架右侧U型开口结构前侧板，小端固定安装在舵机A的舵机轴上，肢体架通过阶梯轴A与身躯形成转动副；舵机摆杆A固定安装在舵机轴上，肢体架的U型开口结构的后侧板和舵机摆杆A通过螺栓固定连接，从而舵机A通过舵机摆杆A带动肢体架绕阶梯轴A转动，形成肢体模块的俯仰运动。

2.根据权利要求1所述的一种具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人，其特征在于：所述身躯模块包括身躯、弧形顶盖和控制器，其中身躯为槽型结构，所述的槽型结构划分为四个舵机安装槽、一个控制器安装槽和和一个电池安装槽，其中四个舵机安装槽位于身躯的四个顶角位置，槽内尺寸和形状与舵机A尺寸和形状相配合，四个肢体驱动舵机A卡于舵机安装槽内，控制器和电池分别安装于控制器安装槽和电池安装槽内，身躯前后端设置有关于身躯长轴左右对称的框架结构，用以安装肢体模块；身躯后端框架结构中间开有阶梯凹槽，用以安装尾翼模块；弧形顶盖通过螺钉与身躯固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人，其特征在于：在所述的对心轴孔内安装有铜套。

4.根据权利要求1所述的一种具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人，其特征在于：所述肢体架长度可通过更换肢体架调节。

5.根据权利要求1所述的一种具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人，其特征在于：所述尾翼模块包括舵机B、尾架、尾摆架、舵机摆杆B、阶梯轴B、尾前盖板、尾蹼和尾后盖板；其中，尾架前端具有凹凸结构，通过身躯模块后端两框架结构中间的阶梯凹槽镶嵌安装于身躯模块上，尾后盖板盖住所述的镶嵌位置并通过螺钉固定在尾架上；舵机B扁平放置于尾架的凹槽结构中，尾前盖板通过螺钉与尾架固定连接；尾摆架前端为U型结构，后端自由端为平板，尾摆架的U型结构两侧均开有左右方向的轴孔，轴孔对心，且轴孔直径与尾架两侧板的轴孔直径相同，尾摆架上轴孔与尾架侧板的轴孔通过同心方式定位，光杆螺栓穿过尾摆架与尾架的左侧两轴孔，形成旋转副；阶梯轴B从右到左依次穿过尾摆架的右侧轴孔、尾架右侧侧板的轴孔，固定连接在舵机B的舵机轴上，尾摆架与尾架分别绕阶梯轴B形成转动副；舵机摆杆B固定安装在舵机轴上，尾摆架和舵机摆杆B通过螺栓固定连接，从而舵机B通过驱动舵机摆杆B来带动尾摆架转动；尾蹼通过强力胶粘贴在尾摆架后端平板上，从而尾摆架转动的同时带动尾蹼俯仰运动。

6.根据权利要求5所述的一种具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人，其特征在于：所述的轴孔内安装铜套。

7.根据权利要求5所述的一种具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人，其特征在于：所述尾蹼为塑胶材质，具有弹性且轻质，尾蹼为扁平式扇形机构。

8.根据权利要求1所述的一种具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人，其特征在于：所述尾翼模块扁平，高度不超过20mm。