CN106114098A - 仿水黾压电驱动式超微扑翼两栖机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种仿水黾压电驱动式超微扑翼两栖机器人，包括：两个翅膀、两个纵向骨架、两个横向面板、一个压电驱动器、两个包含被动铰链的翅膀固定件、一个压电驱动器固定件、四个高弹性腿部支撑件，其中：四个腿部支撑件与两个横向面板连接固定；两个翅膀分别通过一个翅膀固定件连接固定；压电驱动器沿中心轴线放置并通过压电驱动器固定件连接固定；两个横向面板分别和两个纵向骨架连接固定。本发明可以通过翅膀的拍打在空中飞行，也可以通过腿部支撑件的斥水特性在水面保持平衡，并通过翅膀的拍打在水面运动。本发明采用水黾式的仿生结构，其体积小，重量轻，稳定性好，可以在水面与空中可控地运动，具有两栖特性，能够适应不同的环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种微型多栖机器人技术领域的装置，具体地，涉及一种能通过翅膀的拍打在空中飞行，并且可以通过仿水黾腿部结构在水面保持站立并运动的仿水黾压电驱动式超微扑翼两栖机器人。
背景技术
机器人在面临复杂地形时，总是对相对于自身体积较庞大的障碍物束手无策，从而限制了机器人在复杂空间内的行动能力以及远距离投送能力，难以满足许多场合下人们对机器人机动能力、复杂环境适应能力以及快速响应能力的需求。两栖机器人可以通过飞行与水面爬行两种模态间自由切换，克服复杂环境下的不利因素。
国内在微扑翼式飞行器的研究方面产生一定的成果。如，公开号为102328744A、申请号为201110223769.6的中国专利，提供了一种基于柔性铰链的电磁驱动式扑翼微飞行器。
但是目前的飞行器，包括前述公开号为102328744A专利的飞行器，难以具备两栖的能力。在遇到水面环境时，难以完成机器人的悬浮、长时间的侦查任务，缺乏对复杂环境的适应能力。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种仿水黾压电驱动式超微扑翼两栖机器人，该机器人可以通过翅膀的拍打在空中飞行，也可以通过腿部支撑件的斥水特性在水面保持平衡，并通过翅膀的拍打在水面运动。仿水黾压电驱动式超微扑翼两栖机器人采用水黾式的仿生结构，其体积小，重量轻，稳定性好，可以在水面与空中可控地运动，具有两栖特性，能够适应不同的环境。
为实现以上目的，本发明提供了一种仿水黾压电驱动式超微扑翼两栖机器人，包括：四个高弹性腿部支撑件、两个翅膀、一个压电驱动器、一个包含被动铰链的翅膀固定件、一个压电驱动器固定件、两个纵向骨架，以及两个横向面板；其中：
两个高弹性腿部支撑件与一个横向面板连接固定，另外两个高弹性腿部支撑件与另外一个横向面板连接固定；两个横向面板分别和两个纵向骨架连接固定；压电驱动器沿所述机器人的中心轴线放置，压电驱动器的底部与两个纵向骨架连接固定，压电驱动器的顶部与压电驱动器固定件连接固定；压电驱动器固定件与包含被动铰链的翅膀固定件连接固定；两个翅膀均与包含被动铰链的翅膀固定件连接固定；
所述压电驱动器采用能产生双向力的电压驱动压电双晶片作为驱动器，在电信号的作用下，压电驱动器的上下往复运动通过压电驱动器固定件、包含被动铰链的翅膀固定件将压电驱动器上下往复运动的微位移放大，从而带动两个翅膀的拍打；通过压电驱动器的输入电压信号频率变化从而改变两个翅膀的拍打频率，通过包含被动铰链的翅膀固定件的尺寸变化从而改变两个翅膀的运动姿态。
优选地，所述压电驱动器，包括：压电驱动器底座、压电驱动器顶部，以及用于连接压电驱动器底座和压电驱动器顶部的压电驱动器连杆；其中：
所述压电驱动器底座的左、右两侧由两个矩形块构成，在矩形块上打有矩形通孔并通过矩形通孔分别与两个纵向骨架进行连接固定；
所述压电驱动器顶部由连续变截面矩形截面梁构成，矩形截面梁的顶端为两腰与侧面成钝角的梯形；压电驱动器顶部与压电驱动器固定件连接固定；
所述压电驱动器连杆为梯形结构，梯形的两腰与底部的夹角成锐角。
优选地，所述压电驱动器固定件的内部具有与压电驱动器顶部的梯形顶端相契合的孔槽，压电驱动器固定件通过孔槽与压电驱动器顶部配合连接固定；
所述压电驱动器固定件的顶端为梯形，压电驱动器固定件的梯形顶端与包含被动铰链的翅膀固定件连接固定。
优选地，所述压电驱动器固定件内部具有与所述的压电驱动器顶部相契合的孔槽，孔槽用于和所述压电驱动器的顶部结构相连接固定。所述压电驱动器固定件的顶端同样为梯形，以便于顶端与所述包含被动铰链的翅膀固定件连接固定。
优选地，所述包含被动铰链的翅膀固定件由中心平台与左右两侧的连杆机构组成，其中：
所述中心平台位于所述机器人的中心轴线位置，并与压电驱动器固定件连接固定；
左右两侧的所述连杆机构分别与两个翅膀连接固定，并通过左右两侧的连杆机构将压电驱动器上下往复运动的微位移放大，从而带动两个翅膀的拍打。
更优选地，所述包含被动铰链的翅膀固定件还包含被动扭转结构，所述被动扭转结构由内侧矩形块、外侧矩形块以及内侧矩形块与外侧矩形块之间的间隙构成，其中：内侧矩形块与翅膀固定件左右两侧的连杆机构固接，外侧矩形块与翅膀固接，内侧矩形块与外侧矩形块之间的间隙作为柔性铰链提供翅膀被动扭转的自由度。
优选地，所述翅膀包括斜杆、翅脉和翅膜，其中：翅膜粘贴在翅脉上，斜杆固定在被动扭转结构的外侧矩形块上，翅脉形状仿昆虫翅脉。
更优选地，所述翅脉为金属材料或者碳纤维材料。
更优选地，所述翅膜为聚酯薄膜或聚酰亚胺膜在激光切割下成形。
优选地，所述高弹性腿部支撑件为铍青铜或钛合金材料，并在铍青铜或钛合金材料上涂有一层斥水性的聚四氟乙烯，使高弹性腿部支撑件在水面保持站立姿态。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明所述一种仿水黾压电驱动式超微扑翼两栖机器人，采用水黾式的仿生结构，具有水面持续工作能力的优势；具有体积小、重量轻、稳定性好的优势，可以在水面与空中可控地运动；具有两栖特性，能够适应不同的环境。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的整体结构正等轴测图；
图2为本发明一实施例中翅膀固定件与压电驱动器固定件连接示意图；
图3为本发明一实施例中压电驱动器正等轴测图；
图4为本发明一实施例中压电驱动器与压电驱动器固定件连接示意图；
图5为本发明一实施例中包含被动铰链的翅膀固定件的正等轴测图；
图6为本发明一实施例中左翅膀的俯视图；
图中：1、2、3、4为高弹性腿部支撑件，5、6为翅膀，7为压电驱动器，8、9为纵向骨架，10、11为横向面板，12为包含被动铰链的翅膀固定件，13为压电驱动器固定件，14为压电驱动器底座，15为压电驱动器顶部，16为压电驱动器梯形连杆，17为压电驱动器固定件孔槽，18为压电驱动器固定件顶部，19为翅膀固定件中心平台，20、21为翅膀固定件连杆机构，22、23为被动扭转结构，24为翅脉，25为翅膜，26为斜杆。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1、2所示，一种仿水黾压电驱动式超微扑翼两栖机器人，包括：四个高弹性腿部支撑件1、2、3、4，两个翅膀5、6，一个压电驱动器7，两个纵向骨架8、9，两个横向面板10、11，一个包含被动铰链的翅膀固定件12，一个压电驱动器固定件13；其中：
高弹性腿部支撑件1、2、3、4分别与横向面板10、11固定连接；两个翅膀5、6通过包含被动铰链的翅膀固定件12连接固定；压电驱动器7沿所述机器人的中心轴线放置，其与两个纵向骨架8、9连接固定，并与压电驱动器固定件13连接固定；压电驱动器固定件13与包含被动铰链的翅膀固定件12连接固定；纵向骨架8、9分别与横向面板10、11连接固定。
作为一优选的实施方式，所述高弹性腿部支撑件1、2、3、4的末端分别与横向面板10、11连接固定；所述高弹性腿部支撑件1、2、3、4为铍青铜或钛合金材料，并在材料上涂有一层斥水性的聚四氟乙烯，使其能够在水面保持站立姿态。所述高弹性腿部支撑件1、2、3、4采用高弹性材料可以存储大的弹性能量。
如图3所示，为一实施例所述压电驱动器结构示意图。所述压电驱动器7的结构包括：压电驱动器底座14、压电驱动器顶部15，以及用于连接压电驱动器底座14和压电驱动器顶部15的压电驱动器梯形连杆16；其中：
所述压电驱动器底座14的左、右两侧由两个矩形块构成，两个矩形块上分别打有矩形通孔，并通过矩形通孔分别与纵向骨架8、9进行连接固定；
所述压电驱动器顶部15由一矩形截面梁构成，矩形截面梁的顶端为梯形且梯形的两腰与侧面成165°-175°；压电驱动器顶部15的结构用于与压电驱动器固定件13连接固定；
所述压电驱动器梯形连杆16的两腰与底部的夹角成60°至80°。
作为一优选的实施方式，所述压电驱动器7使用的材料为能产生双向力的电压驱动压电双晶片。
如图4所示，为所述压电驱动器7与压电驱动器固定件13连接示意图。所述压电驱动器固定件13的内部具有与压电驱动器顶部15相契合的压电驱动器固定件孔槽17，用于和压电驱动器顶部15相连接固定；所述压电驱动器固定件顶部18同样为梯形，以便于与包含被动铰链的翅膀固定件12连接固定。
如图5所示，为所述包含被动铰链的翅膀固定件12的结构示意图。所述包含被动铰链的翅膀固定件12包括：翅膀固定件中心平台19，左右两侧的翅膀固定件连杆机构20、21，以及被动扭转结构22、23；其中：
翅膀固定件中心平台19位于所述机器人的中心轴线位置，并与压电驱动器固定件13连接固定；
翅膀固定件连杆机构20、21分别与翅膀5、6连接固定，翅膀固定件连杆机构20、21将压电驱动器7上下往复运动的微位移放大，从而分别带动翅膀5、6的拍打；
被动扭转结构22、23均由两个矩形块以及两块矩形块之间的间隙构成，两个矩形块之间的间隙作为柔性铰链提供翅膀5、6被动扭转的自由度；两块矩形块中：内侧矩形块与翅膀固定件左右两侧的连杆机构固接，外侧矩形块与翅膀固接。
如图6所示，为所述左翅膀的结构示意图(右翅膀与左翅膀结构对称)。所述翅膀5、6均包括翅脉24、翅膜25和斜杆26，其中：翅脉24的形状仿昆虫翅脉；翅膜25粘贴在翅脉24上；斜杆26用于固定在被动扭转结构22、23的外侧矩形块上。
作为一优选的实施方式，所述翅脉24材料可以是金属材料或者碳纤维。
作为一优选的实施方式，所述翅膜25为聚酯薄膜或聚酰亚胺膜在激光切割下成形。
系统运作时，压电驱动器7接入一定频率、幅值的正弦信号，通过调整正弦信号的频率改变压电驱动器7的振动频率，通过连接的压电驱动器固定件13的振动带动包含被动铰链的翅膀连接件12的振动，通过翅膀固定件连杆机构20、21将振动幅值放大，并传递给翅膀5、6，带动翅膀5、6振动，以完成仿水黾压电驱动式超微两栖机器人在空中和可控性的运动。
基于以上结构，若所述机器人依靠高弹性腿部支撑件1、2、3、4在水面上站立时，可以通过翅膀5、6的扇动所带给所述机器人的反作用力使其在水面上可控的运动。
本发明所述的仿水黾压电驱动式超微扑翼两栖机器人，采用水黾式的仿生结构，其体积小，重量轻，稳定性好，可以在水面与空中可控地运动，具有两栖特性，能够适应不同的环境。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种仿水黾压电驱动式超微扑翼两栖机器人，其特征在于，包括：四个高弹性腿部支撑件、两个翅膀、一个压电驱动器、一个包含被动铰链的翅膀固定件、一个压电驱动器固定件、两个纵向骨架，以及两个横向面板；其中：
两个高弹性腿部支撑件与一个横向面板连接固定，另外两个高弹性腿部支撑件与另外一个横向面板连接固定；两个横向面板分别和两个纵向骨架连接固定；压电驱动器沿所述机器人的中心轴线放置，压电驱动器的底部与两个纵向骨架连接固定，压电驱动器的顶部与压电驱动器固定件连接固定；压电驱动器固定件与包含被动铰链的翅膀固定件连接固定；两个翅膀均与包含被动铰链的翅膀固定件连接固定；
所述压电驱动器采用能产生双向力的电压驱动压电双晶片作为驱动器，在电信号的作用下，压电驱动器的上下往复运动通过压电驱动器固定件、包含被动铰链的翅膀固定件将压电驱动器上下往复运动的微位移放大，从而带动两个翅膀的拍打；通过压电驱动器的输入电压信号频率变化从而改变两个翅膀的拍打频率，通过包含被动铰链的翅膀固定件的尺寸变化从而改变两个翅膀的运动姿态。
2.根据权利要求1所述的一种仿水黾压电驱动式超微扑翼两栖机器人，其特征在于，所述压电驱动器，包括：压电驱动器底座、压电驱动器顶部，以及用于连接压电驱动器底座和压电驱动器顶部的压电驱动器连杆；其中：
所述压电驱动器底座的左、右两侧由两个矩形块构成，在矩形块上打有矩形通孔并通过矩形通孔分别与两个纵向骨架进行连接固定；
所述压电驱动器顶部由连续变截面矩形截面梁构成，矩形截面梁的顶端为两腰与侧面成钝角的梯形；压电驱动器顶部与压电驱动器固定件连接固定；
所述压电驱动器连杆为梯形结构，梯形的两腰与底部的夹角成锐角。
3.根据权利要求2所述的一种仿水黾压电驱动式超微扑翼两栖机器人，其特征在于，所述压电驱动器中，其顶部的矩形截面梁的顶端为两腰与侧面成165°-175°的梯形；
所述压电驱动器连杆，其梯形的两腰与底部的夹角成60°至80°。
4.根据权利要求1所述的一种仿水黾压电驱动式超微扑翼两栖机器人，其特征在于，所述压电驱动器固定件的内部具有与压电驱动器顶部的梯形顶端相契合的孔槽，压电驱动器固定件通过孔槽与压电驱动器顶部配合连接固定；
所述压电驱动器固定件的顶端为梯形，压电驱动器固定件的梯形顶端与包含被动铰链的翅膀固定件连接固定。
5.根据权利要求4所述的一种仿水黾压电驱动式超微扑翼两栖机器人，其特征在于，其特征在于，所述压电驱动器固定件内部具有与所述的压电驱动器顶部相契合的孔槽，孔槽用于和压电驱动器的顶部相连接固定；所述压电驱动器固定件的顶端同样为梯形，以便于顶端与包含被动铰链的翅膀固定件连接固定。
6.根据权利要求1所述的一种仿水黾压电驱动式超微扑翼两栖机器人，其特征在于，所述包含被动铰链的翅膀固定件由中心平台与左右两侧的连杆机构组成，其中：
所述中心平台位于所述机器人的中心轴线位置，并与压电驱动器固定件连接固定；
左右两侧的所述连杆机构分别与两个翅膀连接固定，并通过左右两侧的连杆机构将压电驱动器上下往复运动的微位移放大，从而带动两个翅膀的拍打。
7.根据权利要求6所述的一种仿水黾压电驱动式超微扑翼两栖机器人，其特征在于，所述包含被动铰链的翅膀固定件还包含被动扭转结构，所述被动扭转结构由内侧矩形块、外侧矩形块以及内侧矩形块与外侧矩形块之间的间隙构成，其中：内侧矩形块与翅膀固定件左右两侧的连杆机构固接，外侧矩形块与翅膀固接，内侧矩形块与外侧矩形块之间的间隙作为柔性铰链提供翅膀被动扭转的自由度。
8.根据权利要求7所述的一种仿水黾压电驱动式超微扑翼两栖机器人，其特征在于，所述翅膀包括斜杆、翅脉和翅膜，其中：翅膜粘贴在翅脉上，斜杆固定在被动扭转结构的外侧矩形块上，翅脉形状仿昆虫翅脉。
9.根据权利要求8所述的一种仿水黾压电驱动式超微扑翼两栖机器人，其特征在于，所述翅脉为金属材料或者碳纤维材料；所述翅膜为聚酯薄膜或聚酰亚胺膜在激光切割下成形。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种仿水黾压电驱动式超微扑翼两栖机器人，其特征在于，所述高弹性腿部支撑件为铍青铜或钛合金材料，并在铍青铜或钛合金材料上涂有一层斥水性的聚四氟乙烯，使高弹性腿部支撑件在水面保持站立姿态。
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