CN109573018B - 一种仿飞鼠滑翔机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种仿飞鼠滑翔机器人，包括主体框架与肢体。主体框架上设置有翼膜，主体框架尾部安装有尾膜，通过尾膜驱动机构驱动上下摆动。肢体安装于主体框架前部两侧与后部两侧，末端分别与翼膜前后部分两侧相连，分别通过肢体驱动机构驱动肢体上下摆动。同时还设计有两套锁紧机构分别限制前部两个肢体驱动机构的运动。本发明运用飞鼠仿生原型运动机理，滑翔的稳定性强。

Description

一种仿飞鼠滑翔机器人

技术领域

本发明涉及一种滑翔机器人，尤其涉及一种运用飞鼠仿生原型运动机理的滑翔机器人。

背景技术

对于爬壁机器人研究来说，如果能够实现滑翔回收，不但能够增强抗跌落能力，还将极大提高移动效率。实现滑翔需要解决的问题包括：轻量化的滑翔结构和运动方案；机器人滑翔过程中的稳定性和可操作性；滑翔姿态调整方法。目前尚没有较理想的攀爬和滑翔双模态爬壁机器人面世，而生物界却给本研究提供了多种参考模板。飞鼠是通过四肢的关节调整来带动翼膜改变形状，配合尾部运动驾驭气动力。相比于其他松鼠而言，飞鼠的前臂较长从而保证其有较大的翼膜面积和展弦比；相比于具有扑翼飞行能力的动物，飞鼠的翼面载荷较大，具有较好的滑翔效果。

现有技术CN2016103877902中记载了一种具有尾翼的扁平式四足滑翔机器人，该装置包括身躯模块、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。由于该装置的结构限制，具体存在以下技术问题：

(1)支撑和固定整个装置的身躯模块为长方体结构，在滑翔的过程中提供的升力有限，驱动力不足，且该结构重力较大，影响滑翔效果；

(2)柔性翼膜的结构是根据四个肢体的长度来决定，属于类长方形结构，长方形的翼膜在滑翔的过程中会导致较大的诱导阻力；

(3)通常滑翔机器人在模拟实验时，需要单独对翼尾模块进行模拟实验，由于该装置肢体与舵机直连，在对尾部调节的实验中肢体受空气阻力难免会存在上下波动，影响实验效果；并且当滑翔机器人落地时，会存在较大的冲击。

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飞鼠滑翔机器人，包括主体框架与肢体。

所述主体框架主体框架由三个翼型主板构成，三个翼型主板间相互平行，垂直水平面；且均采用NACA6412翼型。主体框架置有翼膜，翼膜为椭圆形薄膜，附着在翼膜框架上，翼膜框架采用碳纤维杆制造，围成椭圆形结构。主体框架尾部安装有尾膜，通过尾膜驱动机构驱动上下摆动。

所述肢体安装于主体框架前部两侧与后部两侧，末端分别与翼膜前后部分两侧相连，分别通过肢体驱动机构驱动肢体上下摆动。

本发明仿飞鼠滑翔机器人，还包括两套锁紧机构，安装于主体框架前部设置的加强板上；通过锁紧螺钉穿过加强板后与前部驱动舵机输出轴上的转盘上开设的连接孔螺纹连接。由此，在进行肢体与尾膜协调运动模拟实验时，转动锁紧螺钉，使锁紧螺钉端部脱离前部驱动舵机上的转盘，进一步将锁紧螺钉卸下，此时取消对左前肢与右前肢的运动限制；在单独对尾膜进行模拟实验时，将锁紧螺钉穿过加强板后，端部与前部驱动舵机的转盘上的连接孔螺纹连接，并拧紧，此时通过锁紧螺钉限制转盘的转动，进而防止与转盘连接的肢体上下摆动。

本发明仿飞鼠滑翔机器人的优点在于：

1、本发明仿飞鼠滑翔机器人，运用飞鼠仿生原型运动机理，滑翔的稳定性强。

2、本发明仿飞鼠滑翔机器人，采用NACA6412翼型主板，提供较大升阻比，主板上开有多个窗口，保证刚性结构的前提下降低装置的重力；

3、本发明仿飞鼠滑翔机器人，采用椭圆形翼膜结构，根据空气动力学原理，椭圆形翼面布置，可以产生小的诱导阻力；

4、本发明仿飞鼠滑翔机器人，在传动机构上设置锁紧机构，保证在进行翼尾模拟实验时，可对肢体稳定固定，并且锁紧机构连接加强板，在滑翔机器人落地时，可有效将冲击力传递到主体框架上，保证舵机的安全。

附图说明

图1为本发明仿飞鼠滑翔机器人整体框架结构示意图；

图2为本发明仿飞鼠滑翔机器人安装翼膜与尾膜后的整体俯视图；

图3为本发明仿飞鼠滑翔机器人的中主体框架结构示意图；

图4为本发明仿飞鼠滑翔机器人的中左部与右部翼型主板结构示意图；

图5为本发明仿飞鼠滑翔机器人的中肋板结构示意图；

图6为本发明仿飞鼠滑翔机器人的中部翼型主板结构示意图；

图7为本发明仿飞鼠滑翔机器人的肢体连接方式示意图；

图8为本发明仿飞鼠滑翔机器人的锁紧机构结构示意图；

图9为本发明仿飞鼠滑翔机器人的加强板结构示意图。

1-主体框架 2-肢体 3-肢体驱动机构

4-尾膜驱动机构 5-锁紧机构 6-翼膜

7-尾膜 101-翼型主板 102-肋板

103-连接杆 101a-肋板接缝 102a-肋板插头

102b-肋板插缝 101b-加强板接缝 301-转盘

401-尾膜驱动舵机 402-舵机安装台 403-尾膜支撑框架

501-加强板 502-锁定螺钉 503-定位螺钉

501a-加强板插头 501b-加强板插缝

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。

本发明仿飞鼠滑翔机器人，包括主体框架1、肢体2、肢体驱动机构3、尾膜驱动机构4、锁紧机构5以及翼膜6与尾膜7，如图1、图2所示。

所述主体框架1由翼型主板101、肋板102、与连接杆103组成，如图3所示。其中，翼型主板101为三个，具体选择为NACA6412翼型主板，如图4所示，其外形结构为流线型，上部的曲面长度大于下部的曲面长度，并且左端为半圆形，右端为锥形。翼型主板101上开有多个窗口，保证刚性结构的前提下降低机器人的重力。

上述结构的三个翼型主板101由左至右等间隔设置，且三者间相互平行，垂直水平面。相邻两个翼型主板101的外缘间还通过沿翼型主板101周向等间隔设计连接孔，相对应的连接孔间插接连接杆103，通过连接杆103使三个翼型主板101姿态保持的同时，使整体结构具有一定刚度。肋板102为两块，分别位于主体框架1前后位置，且垂直于水平面。前后两块肋板102安装方式相同，在肋板102两侧边上开有肋板插头102a，同时在肋板102中部开有贯通底边的肋板插缝102b，分别如图5、图6所示，通过肋板102中部插缝与中部的翼型主板101边缘位置设计的肋板接缝101a间配合插接，同时肋板102两侧边上的肋板插头102a分别与左右翼型主板101上设计的插口配合插接，实现肋板102与翼型主板101间的插接固定。

所述肢体驱动机构3用于驱动肢体2的运动，为4个舵机。其中2个舵机作为前肢驱动舵机输出轴朝向前方，分别位于左部的翼型主板101与中部的翼型主板101之间，以及右部的翼型主板101与中部的翼型主板101，并固定安装于前部的肋板102上。另两个舵机作为后肢驱动舵机输出轴朝向后方，分别位于左部的翼型主板101与中部的翼型主板101之间，以及右部翼型主板101与中部翼型主板101之间，并固定安装于后部的肋板102上。

所述肢体2包括左前肢、右前肢、左后肢与右后肢，均为杆状结构。其中左前肢与右前肢分别位于主体框架1的前部左右两侧，与前部的肋板102上两个前肢驱动舵机相连。左后肢与右后肢分别位于主体框架1的后部左右两侧，与后部的肋板102上两个后肢驱动舵机相连。上述左前肢与左后肢的一端作为输入端，穿过左部翼型主板101前后方开设的缺口后，通过两个固定螺栓分别固定于左侧的前肢驱动舵机与后肢驱动舵机输出轴上自带的连接转盘301上，连接位置位于连接盘周向上相对的位置。同样，右前肢与右后肢的一端作为输入端，穿过右部的翼型主板101前后方开设的缺口后，通过两个固定螺栓固定于右侧的前肢驱动舵机与后肢驱动舵机输出轴的连接转盘上，连接位置位于连接盘周向上相对的位置，如图7所示。由此，通过前肢驱动舵机与后肢驱动舵机输出轴的正转或反转，可带动肢体2上下摆动。上述左前肢、右前肢、左后肢与右后肢的另一端作为输出端与翼膜6连接。

所述翼膜6与尾膜7共同配合实现机器人滑翔调姿功能。其中，翼膜6为椭圆形薄膜，附着在翼膜框架上，该翼膜框架采用直径为1mm的碳纤维杆制造，围成椭圆形结构，滑行的过程中便于减小诱导阻力。翼膜6置于主体框架1上方，通过翼膜框架两侧前部对称位置分别与左前肢、右前肢输出端连接固定，后部对称位置分别与左后肢与右后肢输出端连接固定。通过左前肢、右前肢、左后肢与右后肢的上下摆动，可改变翼膜2形状实现滑翔运动的姿态的调整。上述翼膜2形状参数与运动姿态的关系通过实验测得，滑翔控制的理想状态是能够进入稳定的滑翔阶段，在该阶段滑翔速度恒定，方向不变，滑翔机器人的气动力和重力平衡。

尾膜7位于主体框架1后端，外形轮廓为类扇形，由碳纤维外框架支撑并附着其上，由尾膜驱动机构4驱动进行俯仰运动。尾膜驱动机构4包括尾膜驱动舵机401，舵机安装台402与尾膜支撑框架403，如图1所示；其中，舵机安装台402安装于主体框架1后部，两侧固定于左右翼型主板101下缘。尾膜驱动舵机401固定安装于舵机安装台402后侧中部，输出轴左右方向设置。尾膜支撑框架403为U型框架，两端分别固定于尾部驱动舵机401左右两侧的输出轴上；U型框架底部用来安装尾膜7。由此，通过尾膜驱动舵机401的输出轴可以带动尾膜支撑框架403转动，进而实现尾膜7的俯仰运动。由此，通过尾膜7的俯仰运动实现机器人滑翔时的俯仰方向调整，与飞行器的副翼类似，尾膜7向上摆动时，机器人整体可产生上仰的气动力矩；反之，尾膜7向下摆动时，机器人整体下俯。

由于在实际的滑翔试验中，左前肢与右前肢受到的气动力较大，容易引起对应杆的运动，因此本发明中通过在框架结构1前部安装两套锁紧机构5，分别对左前肢与右前肢进行位置限制；左后肢与右后肢在滑翔过程中由于所受气动力较小，舵机自身的保持力矩可维持左后肢与右后置自身位置不变，因此不需要锁紧机构。

所述锁紧机构5包括加强板501与锁定螺钉502，如图8所示。其中，锁定螺钉502安装于加强板501上，加强板501位于前肢驱动舵机前方，垂直于水平面设置，安装方式与肋板102相同。加强板501两侧边上开有加强板插头501a，同时在加强板501中部开有贯通顶边的加强板插缝501b，通过加强板插缝501b与中部的翼型主板101上设计的贯通底面的加强板接缝101b间配合插接，同时加强板501两侧边上的插头501分别与左右翼型主板101上设计的插口配合插接，实现肋板102与翼型主板101间的插接固定。锁紧螺钉502穿过加强板501后与前部驱动舵机输出轴上的转盘301上开设的连接孔螺纹连接。由此，在进行肢体4与尾膜7协调运动模拟实验时，转动锁紧螺钉502，使锁紧螺钉502端部脱离前部驱动舵机上的转盘301，进一步将锁紧螺钉502卸下，此时取消对左前肢与右前肢的运动限制。在单独对尾膜7进行模拟实验时，将锁紧螺钉502穿过加强板501后，端部与前部驱动舵机的转盘301上的连接孔螺纹连接，并拧紧，此时通过锁紧螺钉502限制转盘301的转动，进而防止与转盘301连接的肢体4上下摆动，提高模拟精度。

为了避免因加强板501较薄而减弱对锁紧螺钉502的径向限制，为此在加强板501上通过定位螺钉503固定安装有半圆形法兰凸台504，在锁紧螺钉503穿过加强板501的同时也穿过法兰凸台504。

Claims (6)

1.一种仿飞鼠滑翔机器人，包括主体框架与肢体；其特征在于：主体框架上设置有翼膜，主体框架尾部安装有尾膜，通过尾膜驱动机构驱动上下摆动；肢体安装于主体框架前部两侧与后部两侧，末端分别与翼膜前后部分两侧相连；分别通过肢体驱动机构驱动肢体上下摆动；

还包括锁紧机构；锁紧机构为两套，安装于主体框架前部设置的加强板上；通过锁紧螺钉穿过加强板后与前部驱动舵机输出轴上的转盘上开设的连接孔螺纹连接；在进行肢体与尾膜协调运动模拟实验时，转动锁紧螺钉，使锁紧螺钉端部脱离前部驱动舵机上的转盘，进一步将锁紧螺钉卸下，此时取消对左前肢与右前肢的运动限制；在单独对尾膜进行模拟实验时，将锁紧螺钉穿过加强板后，端部与前部驱动舵机的转盘上的连接孔螺纹连接，并拧紧，此时通过锁紧螺钉限制转盘的转动，进而防止与转盘连接的肢体上下摆动。

2.如权利要求1所述一种仿飞鼠滑翔机器人，其特征在于：主体框架由三个翼型主板构成，三个翼型主板间相互平行，垂直水平面；且均采用NACA6412翼型。

3.如权利要求2所述一种仿飞鼠滑翔机器人，其特征在于：相邻两个翼型主板的外缘间通过沿翼型主板周向等间安装的连接杆相连。

4.如权利要求2所述一种仿飞鼠滑翔机器人，其特征在于：主体框架前后位置安装有肋板；用来安装肢体驱动机构；前后两块肋板采用插接方式安装，在肋板两侧边上开有肋板插头，同时在肋板中部开有贯通底边的肋板插缝，通过肋板中部插缝与中部的翼型主板边缘位置设计的肋板接缝间配合插接，同时肋板两侧边上的肋板插头分别与左右翼型主板上设计的插口配合插接。

5.如权利要求1所述一种仿飞鼠滑翔机器人，其特征在于：翼膜为椭圆形薄膜，附着在翼膜框架上，翼膜框架采用碳纤维杆制造，围成椭圆形结构。

6.如权利要求1所述一种仿飞鼠滑翔机器人，其特征在于：尾膜位于主体框架后端，外形轮廓为类扇形，附着在翼膜框架上；翼膜框架采用碳纤维杆制造，围成类扇形结构。

Images