CN108238248B - 一种柔性机翼及扑翼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，提供了一种柔性机翼及扑翼机器人，包括相互对称的第一机翼和第二机翼，第一机翼包括机翼本体、第一装置和第二装置，机翼本体为具有翼型的机翼，机翼本体由内侧到外侧依次包括内翼段和外翼段。第一装置为刚体，其设置在所述内翼段内，可加大机翼本体内翼段的刚度，从而可提高升力产生效率；第二装置用于控制外翼段进行弯曲变形，可主动改变机翼本体外翼段的柔性，从而可主动改变产生推力的大小，以此来实现转向。通过合理的刚性和柔性布局能够提高升力和推力的产生效率，并实现机翼本体的柔性可控，提升机动性，结构简单易实现，有利于大量普及应用。

Description

一种柔性机翼及扑翼机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种柔性机翼及扑翼机器人。

背景技术

仿生扑翼机器人是一种新型的飞行机器人，它的飞行原理不同于旋翼和固定翼飞行机器人，是通过模仿鸟类翅膀的扑动来产生飞行所需的升力和推力，从而实现飞行的目的。理论上，相比于固定翼和旋翼飞行机器人，扑翼机器人具有更高的飞行效率和机动性，加上更低的飞行噪声以及仿生的外形使得扑翼机器人在军事和民用方面均有广泛的运用前景，而机翼是扑翼机器人的一个关键部件。通过分析各种飞行生物的翅膀，发现它们为并非是厚度均匀的，而是具有一定翼型、内侧柔性更小外侧柔性更大的特点，而且鸟类能够根据飞行情况自主地改变翅膀形状和柔性布局，这些特点使得鸟类能够高效飞行。现有技术中，扑翼机器人的机翼都是通过简化飞行生物的翅膀而形成的，例如平板翼、被动柔性翼和双段翼等，而现有技术中的这些机翼方案均存在一定的缺陷：平板翼方案能产生的升力过小；被动柔性翼方案无法主动调节推力的大小；而双段翼方案机械结构过于复杂，不利于普及应用。这些技术问题，影响着扑翼机器人的发展。因此提供一种能够根据飞行情况自主地改变机翼形状和柔性布局的柔性机翼，以解决上述现有技术中存在的技术问题，对于扑翼机器人而言非常有必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够根据飞行情况自主地改变机翼形状和柔性布局的柔性机翼，并提供一种包括该柔性机翼的扑翼机器人。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

提供了一种柔性机翼，安装在飞行机器人的机身两侧，用于产生升力和推力，该柔性机翼包括相互对称的第一机翼和第二机翼，所述第一机翼包括机翼本体、第一装置和第二装置，所述机翼本体为具有翼型的机翼，所述机翼本体由其内侧到外侧依次包括内翼段和外翼段，所述第一装置为刚体，所述第一装置设置在所述内翼段内，所述第二装置用于控制所述外翼段进行弯曲变形。

作为上述技术方案的改进，所述第一装置包括若干横向件和若干纵向件，所述横向件自所述机翼本体的内侧向所述机翼本体的外侧延伸，所述纵向件自所述机翼本体的前缘向所述机翼本体的后缘延伸，所述横向件与所述纵向件固定连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一装置包括两件所述横向件，分别为第一横向件和第二横向件，所述第一横向件设置在所述内翼段内靠近所述机翼本体的前缘的一侧，所述第二横向件设置在所述内翼段内靠近所述机翼本体的后缘的一侧。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一装置包括三件所述纵向件，所述纵向件自所述机翼本体的内侧向所述机翼本体的外侧排布，所述纵向件的前端与所述第一横向件固定连接，所述纵向件的后端与所述第二横向件固定连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述横向件为碳纤维材料制成的杆状结构，所述纵向件为碳纤维材料制成的板状结构。

作为上述技术方案的进一步改进，所述纵向件上设置有用于与所述横向件卡接的卡槽。

作为上述技术方案的进一步改进，所述横向件通过预埋的方式设置在所述机翼本体内。

作为上述技术方案的进一步改进，所述机翼本体上设置有从其表面向下凹陷的安装槽，所述纵向件安装在所述安装槽内。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第二装置包括记忆合金丝控制器和记忆合金丝，所述记忆合金丝设置在所述外翼段内，所述记忆合金丝自靠近所述内翼段的一侧至所述外翼段的边沿延伸，所述记忆合金丝与所述记忆合金丝控制器电性连接，所述记忆合金丝控制器用于控制所述记忆合金丝的形状变化。

还提供了一种扑翼机器人，包括机身和上述的柔性机翼，所述柔性机翼对称安装在所述机身的两侧，并可相对所述机身扑动。

本发明的有益效果是：

本发明的柔性机翼及扑翼机器人，包括相互对称的第一机翼和第二机翼，第一机翼包括机翼本体、第一装置和第二装置，机翼本体为具有翼型的机翼，机翼本体由内侧到外侧依次包括内翼段和外翼段。第一装置为刚体，其设置在所述内翼段内，可加大机翼本体内翼段的刚度，从而可提高升力产生效率；第二装置用于控制外翼段进行弯曲变形，从而可主动改变产生推力的大小，以此来实现转向。与现有的平板翼、被动柔性翼、双段翼等方案相比，本发明的柔性机翼通过对机翼本体进行刚性和柔性布局，能够提高升力和推力的产生效率，并实现机翼本体的柔性可控，提升机动性，结构简单易实现，从而解决现有技术中存在的升力产生效率低、机翼柔性不可控、结构复杂的技术问题，有利于大量普生产和普及。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单说明：

图1为本发明柔性机翼一个实施例的整体结构示意图；

图2为本发明中第一机翼一个实施例的结构示意图；

图3为本发明中第一装置一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明中所涉及的上、下、左、右等方位描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。本发明中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

图1为本发明柔性机翼一个实施例的整体结构示意图，图2为本发明中第一机翼一个实施例的结构示意图，图3为本发明中第一装置一个实施例的结构示意图，参考图1～3，柔性机翼用于安装在飞行机器人的机身(图未示出)两侧，用于产生升力和推力，柔性机翼包括相互对称的第一机翼1和第二机翼2，第一机翼1和第二机翼2对称安装在机体两侧，第一机翼1和第二机翼2结构设置相同，以下对第一机翼1进行详述。

第一机翼1包括机翼本体11、第一装置12和第二装置13，机翼本体11为具有翼型的机翼，机翼本体11的内侧11a用于连接机身，远离该内侧11a的一侧为外侧11b，机翼本体11由其内侧11a到外侧11b依次包括内翼段111和外翼段112，第一装置12为刚体，第一装置12设置在内翼段111内，用于增大机翼本体11的刚度，通过第一装置12的合理设置从而可对机翼本体11进行合理的刚性布局，从而提高升力产生效率。第二装置13用于控制外翼段112进行弯曲变形，从而主动改变外翼段112的柔性，进而能够主动改变产生推力的大小，以此来实现转向，提高机动性。

机翼本体11由聚丙烯塑料发泡材料注塑加工而成，其翼型曲线可参考空气动力学的原理在翼型设计软件中生成。外翼段112相对于内翼段向后侧延伸。

第一装置12包括若干横向件121和若干纵向件122，横向件121自机翼本体11的内侧11a向机翼本体11的外侧11b延伸，纵向件122自机翼本体的前缘11c向机翼本体的后缘11d延伸，横向件121与纵向件122固定连接。

图3为本发明中第一装置一个实施例的结构示意图，在本实施例中，第一装置12包括两件平行设置的横向件121，分别为第一横向件1211和第二横向件1212，第一横向件1211设置在内翼段111内靠近前缘11c的位置，第二横向件1212设置在内翼段111内靠近后缘11d的位置，第二横向件1212的长度大于第一横向件1211的长度。第一装置12包括三件纵向件122，三件纵向件122分别自机翼本体11的内侧11a向机翼本体11的外侧11b排布，纵向件122的前端与第一横向件1211固定连接，纵向件122的后端与第二横向件1212固定连接。

其中，横向件121为碳纤维材料制成的圆杆结构，第一横向件1211直径大于第二横向件1212，本实施例第一横向件1211优选为直径为4mm的碳纤维杆，第二横向件1212优选为直径为2mm的碳纤维杆，纵向件122为碳纤维材料制成的板状结构，板状的纵向件122垂直设置在机翼本体11内。纵向件122上对应横向件121的位置设置有用于与横向件121卡接的卡槽。机翼本体11内侧11a预留出横向件121的一端位于机翼本体11外。

横向件121和纵向件122可通过装配的方式设置在机翼本体11上，可在机翼本体11上设置相应数量的、自其内侧11a向外侧11b延伸的安装孔，用于安装横向件121，横向件121与该安装孔为过渡配合或过盈配合，确保横向件121与机翼本体配合紧固。可在机翼本体11内翼段111上设置从其表面向下凹陷的安装槽，安装槽与横向件121垂直并相交，安装槽尺寸略小于纵向件122的尺寸，纵向件122安装在该安装槽内，并与横向件121卡接，并在纵向件122和机翼本体11之间设置粘胶使二者粘接固定，在纵向件122和横向件121的连接处设置粘胶使二者粘接固定，确保连接牢固。

横向件121也可通过预埋的方式在机翼本体11的注塑加工过程中内嵌于内翼段111内，从而减小安装孔的加工难度和装配难度，减小装配误差，并且更有利于批量生产。纵向件122也可通过预埋的方式在机翼本体的注塑加工过程中内嵌于内翼段111内。

第二装置13包括记忆合金丝控制器131和记忆合金丝132，记忆合金丝132沿自靠近内翼段111的一侧至外翼段112的边沿延伸设置在外翼段112内，本实施例包括两根记忆合金丝，其中一根与横向件的相互平行，另一根斜向外翼段的后端设置，具体实施时，记忆合金丝的位置可根据具体的柔性布局需要进行设置。记忆合金丝与记忆合金丝控制器电性连接，记忆合金丝控制器用于控制记忆合金丝的形状变化。记忆合金丝控制器通过控制记忆合金丝132内流过的电流的大小来改变记忆合金丝132的温度，从而改变记忆合金丝132的形状，实现机翼本体外翼段112可主动控制的柔性布局，从而能够主动改变产生推力的大小。

具体实施时，第二装置还可为其他的柔性控制装置，例如，可利用控制电机驱动柔性绳索带动外翼段发生弯曲运动，以实现对外翼段柔性布局的主动控制。

本发明将机翼本体11做成有翼型的结构，并通过上述第一装置12加大机翼本体11内翼段111的刚度，从而可提高升力产生效率；通过上述的第二装置13主动改变机翼本体11外翼段112的柔性，从而可主动改变产生推力的大小，以此来实现转向。与现有的平板翼、被动柔性翼、双段翼等相比，本发明的柔性机翼能够根据飞行情况自主地改变机翼形状和柔性布局，具体通过合理的刚性和柔性布局能够提高升力和推力的产生效率，并实现机翼本体的柔性可控，提升机动性，结构简单易实现，从而解决上述现有技术中存在的升力产生效率低、机翼柔性不可控、结构复杂的技术问题，有利于大量普生产和普及。本发明柔性机翼可用于大型扑翼机器人，以产生升力和推力。

第二机翼2的结构设置和上述的第一机翼1的结构设置相同，只是与第一机翼1相对称，此处不做赘述。

本发明还提供了一种扑翼机器人的一个实施例，其包括机身、柔性机翼和机载飞行控制器，该柔性机翼为上述的柔性机翼，第一机翼和第二机翼对称安装在机身两侧，并可相对所述机身扑动；记忆合金丝控制器与机载飞行控制器整合在同一块控制板上，使结构紧凑，节约安装空间。柔性机翼通过合理的柔性布局能够提高升力和推力的产生效率，从而提升扑翼机器人的续航时间；利用记忆合金丝来改变局部柔性来控制推力的产生，能够提升扑翼机器人的机动性；简化了整体结构，从而降低自身重量，有助于提高扑翼机器人的带负载能力。

上述仅为本发明的较佳实施例，但本发明并不限制于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以做出多种等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种柔性机翼，安装在飞行机器人的机身两侧，用于产生升力和推力，其特征在于：包括相互对称的第一机翼和第二机翼，所述第一机翼包括机翼本体、第一装置和第二装置，所述机翼本体为具有翼型的机翼，所述机翼本体由其内侧到外侧依次包括内翼段和外翼段，所述第一装置为刚体，所述第一装置设置在所述内翼段内，所述第二装置包括记忆合金丝控制器和记忆合金丝，所述记忆合金丝设置在所述外翼段内，所述记忆合金丝自靠近所述内翼段的一侧至所述外翼段的边沿延伸，所述记忆合金丝与所述记忆合金丝控制器电性连接，所述记忆合金丝控制器用于控制所述记忆合金丝的形状变化以控制所述外翼段进行弯曲变形。

2.根据权利要求1所述的柔性机翼，其特征在于：所述第一装置包括若干横向件和若干纵向件，所述横向件自所述机翼本体的内侧向所述机翼本体的外侧延伸，所述纵向件自所述机翼本体的前缘向所述机翼本体的后缘延伸，所述横向件与所述纵向件固定连接。

3.根据权利要求2所述的柔性机翼，其特征在于：所述第一装置包括两件所述横向件，分别为第一横向件和第二横向件，所述第一横向件设置在所述内翼段内靠近所述机翼本体的前缘的一侧，所述第二横向件设置在所述内翼段内靠近所述机翼本体的后缘的一侧。

4.根据权利要求3所述的柔性机翼，其特征在于：所述第一装置包括三件所述纵向件，所述纵向件自所述机翼本体的内侧向所述机翼本体的外侧排布，所述纵向件的前端与所述第一横向件固定连接，所述纵向件的后端与所述第二横向件固定连接。

5.根据权利要求2所述的柔性机翼，其特征在于：所述横向件为碳纤维材料制成的杆状结构，所述纵向件为碳纤维材料制成的板状结构。

6.根据权利要求2所述的柔性机翼，其特征在于：所述纵向件上设置有用于与所述横向件卡接的卡槽。

7.根据权利要求2所述的柔性机翼，其特征在于：所述横向件通过预埋的方式设置在所述机翼本体内。

8.根据权利要求2所述的柔性机翼，其特征在于：所述机翼本体上设置有从其表面向下凹陷的安装槽，所述纵向件安装在所述安装槽内。

9.一种扑翼机器人，其特征在于：包括机身和权利要求1～8中的任一项所述的柔性机翼，所述柔性机翼对称安装在所述机身的两侧，并可相对所述机身扑动。

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