CN109050909A - 一种自主供电的微型扑翼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自主供电的微型扑翼机器人，包括机身支撑架、机翼、压电驱动器、高压脉冲供电模块、无线通讯模块和传动放大机构。压电陶瓷双晶片作为压电驱动器，压电陶瓷双晶片经过传动放大机构驱动机翼。高压脉冲模块输出高压脉冲方波信号。无线通讯模块接收地面发出的控制信号，控制高压脉冲模块的输出。在飞行时，压电陶瓷双晶片作为压电驱动器，输入高压脉冲信号，经过传动放大机构将压电陶瓷双晶片的振动放大并转换为机翼振动频率、占空比，进而控制两个机翼扑动的幅度及角度，实现前进、后退、转向、悬停等飞行姿态。该机器人自身携带供电系统，可实现较远距离的自主飞行。通过无线通讯实现对机器人的飞行控制，对恶劣天气的适应能力强。

Description

一种自主供电的微型扑翼机器人

技术领域

本发明涉及了一种自主供电的微型扑翼机器人，属于机器人技术领域。

背景技术

扑翼飞行机器人是一种模拟飞行生物的扑翼飞行模式，能够在军事领域和民用领域发挥巨大作用，是近年来研究的热点。与固定翼、旋翼飞行方式相比，扑翼飞行方式可适应强风、暴雨等恶劣天气的飞行,具有更小的体积和更低的能耗。

能源和动力问题是微型飞行器面临的首要难题。使用微型电机作为动力源，具有结构复杂、效率低等缺点。压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，为扑翼机器人的动力驱动开辟了新的途径。现阶段实现完全自主供电的微型扑翼机器人并不多见，多数研究处于外部有线供电的实验室样机阶段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自主供电的微型扑翼机器人。该机器人以压电陶瓷双晶片作为动力源，通过高压脉冲模块输出的高压脉冲信号驱动压电陶瓷，进而控制机器人的飞行姿态。无需电缆供电，可实现较远距离的自主飞行。通过无线通讯实现对机器人的飞行控制，对恶劣天气的适应能力强。

为实现前述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明首先公开了一种自主供电的微型扑翼机器人，包括机身支撑架、延伸杆、一对机翼、压电陶瓷双晶片、传动放大机构、高压脉冲模块、无线通讯模块；所述的一对机翼对称布置在机身支撑架的前端，机翼包括骨架和覆膜，覆膜设置在骨架上，覆膜可以采用粘合剂连接在骨架上；

所述的传动放大机构与压电陶瓷双晶片的前端相连，且所述的传动放大机构与两个机翼的骨架固定相连；相连处与延伸杆的一端铰接，所述延伸杆的另一端固定设置在机身支撑架上；所述压电陶瓷双晶片的后端与机身支撑架固定连接；高压脉冲模块、无线通讯模块均设置在机身支撑架上；高压脉冲模块用于向压电陶瓷双晶片输入驱动电压；无线通讯模块用于接收控制信号，所述控制信号控制高压脉冲模块的输出信号，进而控制机器人的飞行姿态。

优选的，所述机器人整体为对称结构，一对机翼分别位于机器人左右两侧，关于中心线对称。

优选的，所述的传动放大机构包括主动杆和两个连杆；连杆内部设有直线槽；两个连杆交叉布置；主动杆一端设置在两个连杆交叉处的直线槽内，另一端与压电陶瓷双晶片的前端相连；两个连杆分别与两个机翼骨架固定相连。传动放大机构用于将压电陶瓷双晶片的震动放大并转化为机翼的扑翼动作。

进一步的，所述的主动杆包括第一支杆和第二支杆；第一支杆的一端与压电陶瓷双晶片的前端相连；另一端与第二支杆呈一定角度相连；第二支杆的一端穿过两个连杆交叉处的直线槽。主动杆用于将压电陶瓷双晶片的震动转化为连杆的运动。

更进一步的，所述的第二支杆穿过直线槽的一侧设置轴向限位件；或所述的第二支杆在相对于直线槽的前后两侧均设置轴向限位件。轴向限位件用于限制连杆在第二支杆上的位置，防止连杆脱离第二支杆。轴向限位件可以是加工或套设在第二支杆上的凸起。

优选的，所述的骨架为由钛合金制成；覆膜为聚酯膜；所述机身支撑架为硬性轻质材料。机翼骨架与机身支撑架之间的铰接采用复合型柔性铰接。上述材料的选择考虑到机器人的重量、机械强度及整体性能的要求。

优选的，所述的高压脉冲模块、无线通讯模块设置在机身支撑架的后端；所述延伸杆的另一端固定设置在机身支撑架的前端。高压脉冲模块与无线通讯模块均自身携带电池，进行供电。

优选的，机身支撑架上还设有温度传感器和摄像头；温度传感器可以用于获取温度信息，使机器人具有远程温度检测功能，摄像头用于拍摄图片，使机器人具有航拍功能。

高压脉冲模块输出高压脉冲信号，驱动电压陶瓷双晶片发生形变，传动放大机构将压电陶瓷双晶片的振动转换为机翼的扑动。无线通讯模块接收外界指令，将指令传递给高压脉冲模块，高压脉冲模块调整自身输出的高压脉冲信号的频率、幅值、占空比，进而控制两个机翼扑动的幅度及角度，实现前进、后退、转向、悬停等飞行姿态。

所述的高压脉冲模块的电压等级由压电陶瓷的类别决定。一般在kV以上，从1.5kV到15kV都可以。

有益效果：

(1)与固定翼、旋翼飞行方式相比，扑翼飞行方式可适应强风、暴雨等恶劣天气的飞行,具有更小的体积和更低的能耗。

(2)压电陶瓷双晶片作为该机器人的动力源，结构简单、效率高。

(3)无需电缆供电，可实现较远距离的自主飞行。通过无线通讯实现对机器人的飞行控制，适应能力强。

附图说明

图1为本发明的自主供电的微型扑翼机器人结构的示意图(侧视)。

图2为本发明的自主供电的微型扑翼机器人结构的示意图(正视)。

图3为机翼骨架结构示意图。

其中：1-骨架、2-覆膜、3-机身支撑架、4-连杆、5-机身支撑架向上的延伸杆、6-主动杆、7-压电陶瓷双晶片、8-高压脉冲模块、9-无线通讯模块、10-铰接点。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细说明。

如图1-2所示，在本发明的一个具体实施例中，自主供电的微型扑翼机器人，包括机身支撑架3、延伸杆5、一对机翼、压电陶瓷双晶片7、传动放大机构、高压脉冲模块8、无线通讯模块9；所述的一对机翼对称布置在机身支撑架3的前端，机翼包括骨架1和覆膜2，覆膜2设置在骨架1上，覆膜2可以采用粘合剂连接在骨架1上；所述的传动放大机构与压电陶瓷双晶片7的前端相连，且所述的传动放大机构与两个机翼的骨架1固定相连；相连处与延伸杆5的一端铰接，所述延伸杆5的另一端固定设置在机身支撑架3上；所述压电陶瓷双晶片7的后端与机身支撑架3固定连接；高压脉冲模块8、无线通讯模块9均设置在机身支撑架3上；高压脉冲模块8用于向压电陶瓷双晶片7输入驱动电压；无线通讯模块9用于接收控制信号，所述控制信号控制高压脉冲模块的输出信号，进而控制机器人的飞行姿态。

优选的，所述机器人整体为对称结构，一对机翼分别位于机器人左右两侧，关于中心线对称。对称结构利于机器人的整体飞行稳定性。

如图2和3所示，在本发明的一个具体实施例中，所述的传动放大机构包括主动杆6和两个连杆4；连杆4内部设有直线槽；两个连杆4交叉布置；主动杆6一端设置在两个连杆4交叉处的直线槽内，另一端与压电陶瓷双晶片7的前端相连；两个连杆4分别与两个机翼骨架1固定相连。

在本发明的一个更为优选的实施例中，所述的主动杆6包括第一支杆和第二支杆；第一支杆的一端与压电陶瓷双晶片7的前端相连；另一端与第二支杆呈一定角度相连；第二支杆的一端穿过两个连杆4交叉处的直线槽。

在本发明的一个具体实施例中，所述的第二支杆穿过直线槽的一侧设置轴向限位件；或所述的第二支杆在相对于直线槽的前后两侧均设置轴向限位件。

优选的，所述的骨架为由钛合金制成；覆膜为聚酯膜；所述机身支撑架为硬性轻质材料。上述材料的选择考虑到机器人的重量、机械强度及整体性能的要求。

优选的，所述的高压脉冲模块、无线通讯模块设置在机身支撑架的后端；所述延伸杆的另一端固定设置在机身支撑架的前端。高压脉冲模块与无线通讯模块均自身携带电池，进行供电。

优选的，机身支撑架上还设有温度传感器和摄像头；温度传感器可以用于获取温度信息，使机器人具有远程温度检测功能，摄像头用于拍摄图片，使机器人具有航拍功能。

高压脉冲模块8输出高压脉冲信号，驱动电压陶瓷双晶片7发生形变，传动放大机构将压电陶瓷双晶片7的振动转换为机翼的扑动。无线通讯模块9接收外界指令，将指令传递给高压脉冲模块8，高压脉冲模块8调整自身输出的高压脉冲信号的频率、幅值、占空比，进而控制两个机翼扑动的幅度及角度，实现前进、后退、转向、悬停等飞行姿态。

机翼骨架1与机身支撑架3之间的铰接采用复合型柔性铰接。复合型柔性铰链具有弹性回复力，能够实现位置控制，适用于高频振动场合，是一种在精密机械中广泛应用的一种新型铰链形式。

高压脉冲模块8由功率主电路与电源控制电路组成。功率主电路包括直流电路和脉冲发生电路，脉冲发生电路由两个电感滤波与IGBT模块并联支路和脉冲变压器构成，采用RLC串联谐振软开关技术，在脉冲变压器二次侧产生高压脉冲。

电源控制电路包括对电源主电路输出电压的闭环控制、火花处理、火花率控制、温度过高处理、故障处理和降压振打，其中闭环控制包括对高压直流电压幅值和高频脉冲电压的幅值、频率、重复频率的闭环控制，均可采用PID控制的方法。

该机器人的运动原理为：

高压脉冲模块8的正、负极分别与压电陶瓷双晶片7的正、负极相连，输出高压脉冲方波型号。压电陶瓷双晶片7由于压电效应产生往复振动，传动放大机构将压电陶瓷双晶片7的振动放大，最终驱动机翼的扑动。

该机器人飞行时，机翼的运动由压电陶瓷双晶片7通过传动放大机构带动，对压电陶瓷双晶片7施加不同形式的驱动电压能够实现对于机翼运动形式的控制。驱动信号需要控制三个参数，即高压脉冲信号的频率、幅值、占空比。

下面为三个控制参数对于机翼扑动的影响：

1.频率，由于机翼处于受迫振动的状态，故机翼的振动与压电陶瓷双晶片7振动具有相同的频率，即控制电压的频率将直接决定机翼振动的频率。

2.幅值，高压脉冲模块输出电压的幅值决定的压电陶瓷双晶片7的端部振动幅值，而压电陶瓷双晶片7经过传动放大机构带动机翼的摆动，两者近似成线性关系，故高压脉冲模块输出电压的幅值决定了机翼摆动的幅值。

3.占空比，机翼围绕机身中心扑动，向下扑动时产生升力，向上扑动时产生俯仰力矩。改变高压脉冲信号一个周期内正负半周的比例，即改变一次上下扑动过程中升力与俯仰力矩的比例，故高压脉冲模块输出电压的幅值决定了飞行姿态。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种自主供电的微型扑翼机器人，其特征在于，包括机身支撑架(3)、延伸杆(5)、一对机翼、压电陶瓷双晶片(7)、传动放大机构、高压脉冲模块(8)、无线通讯模块(9)；

所述的一对机翼对称布置在机身支撑架(3)的前端，机翼包括骨架(1)和覆膜(2)，覆膜(2)设置在骨架(1)上；所述的传动放大机构与压电陶瓷双晶片(7)的前端相连，且所述的传动放大机构与两个机翼的骨架(1)固定相连；相连处与延伸杆(5)的一端铰接，所述延伸杆(5)的另一端固定设置在机身支撑架(3)上；所述压电陶瓷双晶片(7)的后端与机身支撑架(3)固定连接；高压脉冲模块(8)、无线通讯模块(9)均设置在机身支撑架(3)上；高压脉冲模块(8)用于向压电陶瓷双晶片(7)输入驱动电压；无线通讯模块(9)用于接收控制信号，所述控制信号控制高压脉冲模块的输出信号，进而控制机器人的飞行姿态。

2.根据权利要求1所述的自主供电的微型扑翼机器人，其特征在于所述的传动放大机构包括主动杆(6)和两个连杆(4)；连杆(4)内部设有直线槽；两个连杆(4)交叉布置；主动杆(6)一端设置在两个连杆(4)交叉处的直线槽内，另一端与压电陶瓷双晶片(7)的前端相连；两个连杆(4)分别与两个机翼骨架(1)固定相连。

3.根据权利要求1所述的自主供电的微型扑翼机器人，其特征在于所述的主动杆(6)包括第一支杆和第二支杆；第一支杆的一端与压电陶瓷双晶片(7)的前端相连；另一端与第二支杆呈一定角度相连；第二支杆的一端穿过两个连杆(4)交叉处的直线槽。

4.根据权利要求3所述的自主供电的微型扑翼机器人，其特征在于所述的第二支杆穿过直线槽的一侧设置轴向限位件；或所述的第二支杆在相对于直线槽的前后两侧均设置轴向限位件。

5.根据权利要求1所述的自主供电的微型扑翼机器人，其特征在于所述的骨架(1)为由钛合金制成；覆膜(2)为聚酯膜。

6.根据权利要求1所述的自主供电的微型扑翼机器人，其特征在于所述的高压脉冲模块(8)、无线通讯模块(9)设置在机身支撑架(3)的后端；所述延伸杆(5)的另一端固定设置在机身支撑架(3)的前端。

7.如权利要求1所述的自主供电的微型扑翼机器人，其特征在于，机身支撑架(3)上还设有温度传感器和摄像头。