CN109533324B - 蝶形仿生多功能机器人 - Google Patents

Abstract

蝶形仿生多功能机器人，它涉及仿生机器人技术领域，它包括蝴蝶身体、蝴蝶翅膀、凸轮机构、超声波传感器、球形云台摄像机、前轮机构、夹持机构、后轮机构和涵道尾桨；凸轮机构固定在蝴蝶身体上方，超声波传感器固定在蝴蝶头部前方，球形云台摄像机安装在蝴蝶头部下方，蝴蝶身体腹部下方还固接有夹持物体的夹持机构，前轮机构和后轮机构分别固定在蝴蝶身体腹部下方以支撑机器人滑行；本发明具有操作方便、性能稳定和通用性强的特点。

Description

蝶形仿生多功能机器人

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其涉及一种蝶形仿生多功能机器人。

背景技术

随着时代的发展，当今世界，科技发展水平日益进步，机器人研究领域已经向航空航天、水面水下、地下管道等环境发展，未来的机器人将在人类无法工作的环境中代替人类工作。随着导航、控制技术的不断发展和成熟，飞行机器人已经成功用于航空拍摄、灾难现场勘察、环境监测等众多领域，但随着人类活动范围的扩大，飞行机器人不仅要求具备飞行能力，还要具备其它特殊功能，所以一种具备多功能作业能力的新型机器人系统逐渐成为飞行机器人领域新的研究特点。

机器人往往需要适应未知的环境，实现多种探测、作业等功能，对机器人的运动灵活性、适应性、多功能性的要求较高。现有的飞行机器人多采用螺旋桨或者喷气推进形式，能够到人们无法进入的地方进行探测、研究、采取样本等，但是一般只能进行空中飞行，其他能力还并不完善，而移动性能、功能多样性是未来机器人在许多场合的关键能力。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种蝶形仿生多功能机器人，模拟蝴蝶的飞行模式，利用凸轮的旋转反复拉动蝴蝶翅膀的连接杆来是的蝴蝶翅膀两边对称上下摆动，从而实现蝴蝶的飞行运动，利用超声波传感器来使蝴蝶机器人能够检测障碍并有效避障飞行，利用球形云台摄像机进行拍摄和录像，利用车轮来进行地面移动，利用夹持机构来实现远程获取物体的功能，利用无线控制模块来实现远程操控蝴蝶机器人，涵道尾桨通过中央控制模块来控制电机正反转，从而使蝴蝶机器人进行左转或者右转，所有的功能综合运用从而实现了该蝴蝶机器人的微型化、集成化与通用性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种蝶形仿生多功能机器人包括蝴蝶身体、蝴蝶翅膀、凸轮机构、超声波传感器、球形云台摄像机、前轮机构、夹持机构、后轮机构和涵道尾桨；

凸轮机构固定在蝴蝶身体上方，超声波传感器固定在蝴蝶头部前方，球形云台摄像机安装在蝴蝶头部下方，蝴蝶身体腹部下方还固接有夹持物体的夹持机构，前轮机构和后轮机构分别固定在蝴蝶身体腹部下方以支撑机器人滑行，涵道尾桨固定在蝴蝶尾部中心；

所述的蝴蝶翅膀包括用于固接薄膜的翅膀薄膜杆和搭载薄膜的翅膀固定杆，翅膀薄膜杆和翅膀固定杆分别与翅膀框架连接，翅膀固定杆上装有固定座使蝴蝶翅膀与凸轮机构连接；

所述的蝴蝶翅膀分为结构相同的蝴蝶左翅膀和蝴蝶右翅膀，所述蝴蝶左翅膀和蝴蝶右翅膀分别由蝴蝶翅膀上的连接轴和蝴蝶身体两侧的连接座进行连接并且转动；

所述的蝴蝶翅膀通过翅膀连接杆与凸轮机构连接，所述的凸轮机构是一个内置双层凹槽的凸轮，双轮滚子的两个滚子分别固定在双层凹槽的上下槽面轨道中，并且双轮滚子与翅膀连接杆通过滚子连接杆互相铰接而连接；所述翅膀连接杆一端固定在固定杆上的固定座上，另一端固定在滚子连接杆上，凸轮通过驱动电机驱动做旋转运动使得双轮滚子在上下槽面轨道运动驱动蝴蝶翅膀做两边对称的上下往复运动。

进一步地，所述的超声波传感器的超声波发生器发射超声波，超声波接收器接受反射回来的超声波。

进一步地，所述的球形云台摄像机由左右驱动电机控制左右旋转范围为180°，由上下驱动电机控制上下旋转范围为90°。

进一步地，所述前轮机构包含前弹性支撑装置、前转向机构和前车轮；蝴蝶身体腹部与前车轮之间布置有与二者连接的前转向机构，前转向机构与蝴蝶身体腹部之间安装有前弹性支撑装置。

进一步地，所述后轮机构包含结构相同的左轮部分和右轮部分，且左轮部分和右轮部分在同一水平线上；

所述的后轮机构包含后弹性支撑装置、后转向机构、后轮驱动电机和后车轮；蝴蝶身体腹部与后车轮之间布置有与二者连接的后转向机构，后转向机构与蝴蝶身体腹部之间安装有后弹性支撑装置，后转向机构上安装有能驱动后车轮运动的驱动电机。

进一步地，所述夹持机构包含电动推杆、电动伸缩机构、机架、移动杆和对称布置的夹板连杆机构；每个夹板连杆机构包括连接板一、连接板二和夹板，移动杆通过连接片和夹板连接在一起，当上下移动杆移动时实现夹板的夹紧和放松；蝴蝶身体腹部与机架之间布置有与二者连接的电动伸缩机构，机架内布置有移动杆，电动推杆的输出端穿过机架与移动杆连接，移动杆的两端分别套设有能相对移动杆滑动的滑框，滑框前后两侧分别铰接有连接板一和连接板二，连接板二与机架铰接，连接板一与能在机架上水平滑动的夹板铰接，移动杆上下移动时通过夹板连杆机构实现两个夹板的夹紧和放松。

本发明与现有技术相比具有以下技术效果：

1、本发明的一种蝶形仿生多功能机器人，模拟蝴蝶的飞行模式，利用凸轮的旋转反复拉动蝴蝶翅膀的连接杆来使的蝴蝶翅膀对称上下摆动，从而实现蝴蝶的飞行运动，利用超声波传感器来使蝴蝶机器人能够检测障碍并有效避障飞行，利用球形云台摄像机进行拍摄和录像，利用车轮来进行地面移动，利用夹持机构来实现远程获取物体的功能，可实现空中飞行、地面移动、远程监测、抓取等多种功能。

2、本发明根据仿生学原理，采用集成化、模块化的设计方法，通过无线控制模块接受遥控者远程信号传输，中央控制模块接受并处理信号来控制该蝴蝶机器人的运动状态、飞行高度等运动参数，并通过控制涵道尾桨来调节机器人转向，具有操作方便、性能稳定、集成化程度高、控制灵活、通用性好等特点。

附图说明

图1是蝶形仿生多功能机器人的轴测图；

图2是蝶形仿生多功能机器人的侧视图；

图3是蝴蝶翅膀俯视图；

图4是蝶形仿生多功能机器人的俯视图；

图5是凸轮机构、翅膀连接杆和滚子连接杆连接关系的示意图；

图6是蝶形机器人的主剖视图；

图7是前轮机构的示意图；

图8是蝶形机器人的主视图；

图9是后轮机构的示意图；

图10是夹持机构的示意图；

图11是超声波传感器的示意图；

图12是球形云台摄像机的示意图。

图中：1.1、蝴蝶身体，1.2、蝴蝶翅膀，1.3、中央控制模块，1.4、凸轮机构，1.5、超声波传感器，1.6、球形云台摄像机，1.7、前轮机构，1.8、夹持机构，1.9、后轮机构，1.10、涵道尾桨，1.11、无线控制模块，1、蝴蝶头部，2、蝴蝶身体腹部，3、连接座，4、蝴蝶尾部，5、连接轴，6、固定座，7、翅膀薄膜杆，8、翅膀固定杆，9、蝴蝶左翅膀，10、蝴蝶翅膀连接杆，11、蝴蝶右翅膀，12、凸轮，13、双轮滚子，14、滚子连接杆，15、凸轮驱动电机、16、前弹性支撑装置，17、前转向机构，18、前车轮，19、左轮部分，20、右轮部分，21、后弹性支撑装置，22、后转向机构，23、后轮驱动电机，24、后车轮，25、电动推杆，26、电动伸缩机构，27、机架，28、移动杆，29、连接板一，30、连接板二，31、夹板，101、超声波发生器，102、超声波接收器，103、左右驱动电机，104、上下驱动电机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图12所示，一种蝶形仿生多功能机器人，它包括蝴蝶身体1.1、蝴蝶翅膀1.2、凸轮机构1.4、超声波传感器1.5、球形云台摄像机1.6、前轮机构1.7、夹持机构1.8、后轮机构1.9和涵道尾桨1.10；

凸轮机构1.4固定在蝴蝶身体1.1上方，超声波传感器1.5固定在蝴蝶头部1前方，球形云台摄像机1.6安装在蝴蝶头部1下方，蝴蝶身体腹部2下方还固接有夹持物体的夹持机构1.8，前轮机构1.7和后轮机构1.9分别固定在蝴蝶身体腹部2下方以支撑机器人滑行，涵道尾桨1.10固定在蝴蝶尾部4中心，中央控制模块1.3嵌入在蝴蝶身体1.1内部，无线控制模块1.11固定在蝴蝶尾部4下方接收遥控器信号，发送给中央控制模块1.3，中央控制模块1.3控制凸轮机构1.4、超声波传感器1.5、球形云台摄像机1.6、夹持机构1.8、后轮机构1.9和涵道尾桨1.10做相应动作；

所述的蝴蝶翅膀1.2包括用于固接薄膜的翅膀薄膜杆7和搭载薄膜的翅膀固定杆8，翅膀薄膜杆7和翅膀固定杆8分别与翅膀框架1.12连接，翅膀固定杆8上装有固定座6使蝴蝶翅膀1.2与凸轮机构1.4连接；翅膀薄膜杆7用于连接上下两部分的薄膜，薄膜一侧转动固定在翅膀薄膜杆7上，薄膜另一侧放置在翅膀固定杆8下方，随着翅膀的摆动，薄膜上下运动，翅膀固定杆8用来稳定翅膀框架1.12，并且装有固定座6使蝴蝶翅膀1.2与凸轮机构1.4连接；翅膀薄膜杆7为三角形结构。薄膜向下运动，薄膜另一侧被翅膀固定杆8挡住，能够获得较大的升力，翅膀向上运动时，受到力的作用，薄膜另一侧会向下脱离翅膀固定杆8，这样让风通过的阻力较小。

所述的蝴蝶翅膀1.2分为结构相同的蝴蝶左翅膀9和蝴蝶右翅膀11，所述蝴蝶左翅膀9和蝴蝶右翅膀11分别由蝴蝶翅膀1.2上的连接轴5和蝴蝶身体1.1两侧的连接座3进行连接并且转动；

所述的蝴蝶翅膀1.2通过翅膀连接杆10与凸轮机构1.4连接，所述的凸轮机构1.4是一个内置双层凹槽的凸轮12，双轮滚子13的两个滚子分别固定在双层凹槽的上下槽面轨道中，并且双轮滚子13与翅膀连接杆10通过滚子连接杆14互相铰接而连接；

所述翅膀连接杆10一端固定在固定杆8上的固定座6上，另一端固定在滚子连接杆14上，凸轮12通过凸轮驱动电机15驱动做旋转运动使得双轮滚子13在上下槽面轨道运动驱动蝴蝶翅膀1.2做两边对称的上下往复运动。

上述中方案中，中央控制模块1.3选用arduino模块，无线控制模块就用RF无线模块SHY-J6122TR-315，其中包括发射模块和接受模块。无线控制模块1.11接受遥控器的信号，发送给中央处理模块，然后中央控制模块再控制各个动力模块(超声波传感器、球形云台摄像机、后轮机构、凸轮机构和涵道尾桨)做相应运动，如控制该蝴蝶机器人的运动的飞行高度、转向、测距、拍摄图片、摄像、抓取物体、地面移动等多种功能。凸轮为椭圆或近似椭圆设置，翅膀连接杆10为伸缩式结构。

如图1和图11所示，其中，所述的超声波传感器1.5的超声波发生器101发射超声波，超声波接收器102接受反射回来的超声波。如图12所示，所述的球形云台摄像机1.6由左右驱动电机103控制左右旋转范围为180°，由上下驱动电机104控制上下旋转范围为90°。如此设置，拍摄方位视角广，适合大范围使用。利用超声波传感器实现远距离探测。

参见图7所示，所述前轮机构1.7包含前弹性支撑装置16、前转向机构17和前车轮18；蝴蝶身体腹部2与前车轮18之间布置有与二者连接的前转向机构17，前转向机构17与蝴蝶身体腹部2之间安装有前弹性支撑装置16。所述的前车轮由前弹性支撑装置16支撑，起到缓冲的作用，并且前车轮可以独立转向。

如图9所示，所述后轮机构1.9包含结构相同的左轮部分19和右轮部分20，且左轮部分19和右轮部分20在同一水平线上；

所述的后轮机构1.9包含后弹性支撑装置21、后转向机构22、后轮驱动电机23和后车轮24；蝴蝶身体腹部2与后车轮24之间布置有与二者连接的后转向机构22，后转向机构22与蝴蝶身体腹部2之间安装有后弹性支撑装置16，后转向机构22上安装有能驱动后车轮24运动的后轮驱动电机23。在着落地面后，利用后轮机构1.9作为动力，驱动蝴蝶机器人在前轮机构1.7和后轮机构1.9的支撑下通过前车轮和后车轮实现全方位移动。所述的后车轮都可以独自转向，有后弹性支撑装置16支撑，起到减振缓冲作用，后轮机构1.9成对设置，都有独立驱动电机23驱动。

如图1和图10所示，所述夹持机构1.8包含电动推杆25、电动伸缩机构26、机架27、移动杆28和对称布置的夹板连杆机构；每个夹板连杆机构包括连接板一29、连接板二30和夹板31，移动杆28通过连接板一29和夹板31连接在一起，当移动杆28上下移动时实现夹板31的夹紧和放松。

蝴蝶身体腹部2与机架27之间布置有与二者连接的电动伸缩机构26，机架27内布置有移动杆28，电动推杆25的输出端穿过机架27与移动杆28连接，移动杆28的两端分别套设有能相对移动杆28滑动的滑框，滑框前后两侧分别铰接有连接板一29和连接板二30，连接板二30与机架27铰接，连接板一29与能在机架27上水平滑动的夹板31铰接，移动杆28上下移动时通过夹板连杆机构实现两个夹板31的夹紧和放松。所述的夹持机构1.4由中间的电动推杆25通过直线电机驱动来控制移动杆28上下移动，实现夹板连杆机构在移动杆28水平滑动，同时能往复运动，进而带动两个夹板31放松和夹紧，电动伸缩机构26带动机架27能上下移动，协同电动推杆25及夹板连杆机构实现物体的夹取和释放。

上述中电动伸缩机构26为电动推杆，电动推杆的输出端与蝴蝶身体腹部2连接，电动推杆的固定端与机架27连接。电动伸缩机构26成对设置在机架27上。电动伸缩机构26动作由中央控制模块1.3控制。

所述蝴蝶身体1.1、蝴蝶翅膀1.2、凸轮机构1.4、超声波传感器1.5、前轮机构1.7、夹持机构1.8、后轮机构1.9、涵道尾桨1.10均采用热处理后的30CrMnSiA航空材料。30CrMnSiA有很高的强度和足够的韧性，并且具有良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相当好。

所述的涵道尾桨1.10通过涵道电机来进行正反旋转控制，使蝴蝶机器人进行左转或者右转。实现在空中飞行，提高移动性能，能适应不同空间环境。

工作原理

该蝶形仿生多功能机器人，模拟蝴蝶的飞行模式，利用凸轮12的旋转反复拉动蝴蝶翅膀1.2的翅膀连接杆10来使的蝴蝶翅膀1.2两边对称上下摆动，从而实现蝴蝶机器人的飞行运动，利用超声波传感器1.5来使蝴蝶机器人能够检测障碍并有效避障飞行，利用球形云台摄像机1.6进行拍摄和录像，利用车轮来进行地面移动，利用夹持机构1.8来实现远程获取物体的功能，利用无线控制模块1.11来实现远程操控蝴蝶机器人，涵道尾桨1.1通过中央控制模块1.3来控制电机正反转，从而使蝴蝶机器人进行左转或者右转。多种功能的集成化使得该蝶形机器人拥有飞行稳定、位姿改变、功能多样的特点。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (7)

1.一种蝶形仿生多功能机器人，其特征在于：包括蝴蝶身体（1.1）、蝴蝶翅膀（1.2）、凸轮机构（1.4）、超声波传感器（1.5）、球形云台摄像机（1.6）、前轮机构（1.7）、夹持机构（1.8）、后轮机构（1.9）和涵道尾桨（1.10）；

凸轮机构（1.4）固定在蝴蝶身体（1.1）上方，超声波传感器（1.5）固定在蝴蝶头部（1）前方，球形云台摄像机（1.6）安装在蝴蝶头部（1）下方，蝴蝶身体腹部（2）下方还固接有夹持物体的夹持机构（1.8），前轮机构（1.7）和后轮机构（1.9）分别固定在蝴蝶身体腹部（2）下方以支撑机器人滑行，涵道尾桨（1.10）固定在蝴蝶尾部（4）中心，中央控制模块（1.3） 嵌入在蝴蝶身体（1.1）内部，无线控制模块（1.11）固定在蝴蝶尾部（4）下方接收遥控器信号，发送给中央控制模块（1.3），中央控制模块（1.3）控制凸轮机构（1.4）、超声波传感器（1.5）、球形云台摄像机（1.6）、夹持机构（1.8）、后轮机构（1.9）和涵道尾桨（1.10）做相应动作；

所述的蝴蝶翅膀（1.2）包括用于固接薄膜的翅膀薄膜杆（7）和搭载薄膜的翅膀固定杆（8），翅膀薄膜杆（7）和翅膀固定杆（8）分别与翅膀框架（1.12）连接，翅膀固定杆（8）上装有固定座（6）使蝴蝶翅膀（1.2）与凸轮机构（1.4）连接；

所述的蝴蝶翅膀（1.2）分为结构相同的蝴蝶左翅膀（9）和蝴蝶右翅膀（11），所述蝴蝶左翅膀（9）和蝴蝶右翅膀（11）分别由蝴蝶翅膀（1.2）上的连接轴（5）和蝴蝶身体（1.1）两侧的连接座（3）进行连接并且转动；

所述的蝴蝶翅膀（1.2）通过翅膀连接杆（10）与凸轮机构（1.4）连接，所述的凸轮机构（1.4）是一个内置双层凹槽的凸轮（12），双轮滚子（13）的两个滚子分别固定在双层凹槽的上下槽面轨道中，并且双轮滚子（13）与翅膀连接杆（10）通过滚子连接杆（14）互相铰接而连接；所述翅膀连接杆（10）一端固定在翅膀固定杆（8）上的固定座（6）上，另一端固定在滚子连接杆（14）上，凸轮（12）通过凸轮驱动电机（15）驱动做旋转运动使得双轮滚子（13）在上下槽面轨道运动驱动蝴蝶翅膀（1.2）做两边对称的上下往复运动；所述后轮机构（1.9）包含结构相同的左轮部分（19）和右轮部分（20），且左轮部分（19）和右轮部分（20）在同一水平线上，所述的后轮机构（1.9）包含后弹性支撑装置（21）、后转向机构（22）、后轮驱动电机（23）和后车轮（24），蝴蝶身体腹部（2）与后车轮（24）之间布置有与二者连接的后转向机构（22），后转向机构（22）与蝴蝶身体腹部（2）之间安装有后弹性支撑装置（21），后转向机构（22）上安装有能驱动后车轮（24）运动的后轮驱动电机（23），所述蝴蝶身体（1.1）、蝴蝶翅膀（1.2）、凸轮机构（1.4）、超声波传感器（1.5）、前轮机构（1.7）、夹持机构（1.8）、后轮机构（1.9）、涵道尾桨（1.10）均采用热处理后的30CrMnSiA航空材料。

2.根据权利要求1所述蝶形仿生多功能机器人，其特征在于：所述的超声波传感器（1.5）的超声波发生器（101）发射超声波，超声波接收器（102）接受反射回来的超声波。

3.根据权利要求2所述蝶形仿生多功能机器人，其特征在于：所述的球形云台摄像机（1.6）由左右驱动电机（103）控制左右旋转范围为180°，由上下驱动电机（104）控制上下旋转范围为90°。

4.根据权利要求1、2或3所述蝶形仿生多功能机器人，其特征在于：所述前轮机构（1.7）包含前弹性支撑装置（16）、前转向机构（17）和前车轮（18）；蝴蝶身体腹部（2）与前车轮（18）之间布置有与二者连接的前转向机构（17），前转向机构（17）与蝴蝶身体腹部（2）之间安装有前弹性支撑装置（16）。

5.根据权利要求4所述蝶形仿生多功能机器人，其特征在于：所述夹持机构（1.8）包含电动推杆（25）、电动伸缩机构（26）、机架（27）、移动杆（28）和对称布置的夹板连杆机构；每个夹板连杆机构包括连接板一（29）、连接板二（30）和夹板（31），移动杆（28）通过连接板一（29）和夹板（31）连接在一起，当移动杆（28）上下移动时实现夹板（31）的夹紧和放松；蝴蝶身体腹部（2）与机架（27）之间布置有与二者连接的电动伸缩机构（26），机架（27）内布置有移动杆（28），电动推杆（25）的输出端穿过机架（27）与移动杆（28）连接，移动杆（28）的两端分别套设有能相对移动杆（28）滑动的滑框，滑框前后两侧分别铰接有连接板一（29）和连接板二（30），连接板二（30）与机架（27）铰接，连接板一（29）与能在机架（27）上水平滑动的夹板（31）铰接，移动杆（28）上下移动时通过夹板连杆机构实现两个夹板（31）的夹紧和放松。

6.根据权利要求5所述蝶形仿生多功能机器人，其特征在于：电动伸缩机构（26）为电动推杆，电动推杆的输出端与蝴蝶身体腹部（2）连接，电动推杆的固定端与机架（27）连接。

7.根据权利要求6所述蝶形仿生多功能机器人，其特征在于：所述的涵道尾桨（1.10）通过涵道电机来进行正反旋转控制，使蝴蝶机器人进行左转或者右转。

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