CN110143278B - 柔性压电纤维驱动的仿生扑翼机器人 - Google Patents

柔性压电纤维驱动的仿生扑翼机器人 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种柔性压电纤维驱动的仿生扑翼机器人，扑翼拍动幅度大、可扭转运动，扑翼机器人飞行动力大、平衡性好。该柔性压电纤维驱动的仿生扑翼机器人，包括机身、驱动‑放大机构和翅翼，翅翼成对安装于机身，机身上的翅翼至少有一对，每个翅翼包括翅肋和翅条，每个驱动‑放大机构对应一个翅翼，驱动‑放大机构位于机身内，驱动‑放大机构包括三级串联杠杆，驱动‑放大机构的第一级杠杆和第二级杠杆的输入端分别设有各自的压电致动器，第一级杠杆的输出端与第二级杠杆铰接、且该铰接点作为第二级杠杆的支点，翅肋作为第三级杠杆。

Description

柔性压电纤维驱动的仿生扑翼机器人
技术领域
本发明涉及一种柔性压电纤维驱动的方式扑翼机器人。
背景技术
扑翼飞行微机器人由于体积小、质量轻、成本低等特点，在国防和民用领域有十分重要而广泛的应用，能完成许多其他机器人所无法执行的任务，如低空侦察、城市作战、电子干扰、通信中继、核/生化探测、精确投放等国防领域及野外作业人员的勘测与通信、自然灾害的监视与支援、环境和污染监测等民用领域。
常规的扑翼机构由于无法实现高频率扑动而使扑翼的气动效率较低，很大程度上制约了扑翼机器人的发展。随着压电材料的发展，采用压电致动器驱动的扑翼机构是实现扑翼高频率扑动的一种有效手段。与其他驱动机构相比，压电致动器具有独特的优点：工作频率范围宽、动态范围大、频响速度快、灵敏度高、温度稳定性好（应用温度范围为-20~150℃）、质量轻、结构简单，既可以粘贴在结构表面，还可以通过一定的工艺措施耦合到结构之中。压电驱动功率小、输出力大，但是位移很小，因此现有技术中压电叠堆驱动的仿生扑翼机器人扑翼拍动的幅度小，很大程度上造成扑翼机器人飞行动力不足。另外，现有的仿生扑翼机器人扑翼不可扭转运动，而且单对翅飞行，这也是导致现有的仿生扑翼机器人飞行动力不足、飞行时间短的原因。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供一种柔性压电纤维驱动的仿生扑翼机器人，扑翼拍动幅度大、可扭转运动，扑翼机器人飞行动力大、平衡性好。
一种柔性压电纤维驱动的仿生扑翼机器人，包括机身、驱动-放大机构和翅翼，翅翼成对安装于机身，机身上的翅翼至少有一对，每个翅翼包括翅肋和翅条，每个驱动-放大机构对应一个翅翼，驱动-放大机构位于机身内，驱动-放大机构包括三级串联杠杆，驱动-放大机构的第一级杠杆和第二级杠杆的输入端分别设有各自的压电致动器，第一级杠杆的输出端与第二级杠杆铰接、且该铰接点作为第二级杠杆的支点，翅肋作为第三级杠杆。优选的，第一级杠杆的输出端与第二级杠杆通过柔性铰链铰接。第二级杠杆的输出端与翅肋的输入端可以通过柔性铰链连接。
驱动-放大机构
驱动-放大机构用于提供翅翼上下挥动的驱动力。
进一步，第一级杠杆的压电致动器和第二级杠杆的压电致动器分别固定于机身，第一级杠杆具有支撑架，支撑架与第一级杠杆之间有柔性铰链、该柔性铰链形成第一级杠杆的支点，翅肋与机身之间有柔性铰链、该柔性铰链形成第三级杠杆的支点。如此，驱动-放大机构无摩擦、无间隙、运动灵敏性高，最大程度减少驱动-放大机构的能量消耗。
驱动-放大机构的三级串联杠杆对第一级杠杆的压电致动器和第二级杠杆的压电致动器的驱动位移进行放大，提高翅翼的拍动幅度。驱动-放大机构的第一级杠杆、第二级杠杆和第三级杠杆对第一级杠杆的压电致动器产生的驱动位移进行三级放大；驱动-放大机构的第二级杠杆和第三级杠杆对第二级杠杆的压电致动器产生的驱动位移进行二级放大，所以输出的位移是三级放大和二级放大后的位移叠加，这样，最大限度地提高扑翼及其人翅膀上下拍动的幅度，提高扑翼机器人的飞行动力。
机身
机身用于放置驱动-放大机构。
进一步，机身包括机体和盖板，机体的截面呈U形，机体与三级杠杆和杠杆支点处的柔性铰链通过切割形成。
翅翼
进一步，翅翼还包括柔性蒙皮，柔性蒙皮固定在翅肋和翅条表面。每条翅肋对应有多个翅条，多个翅条的一端固定在翅肋上，翅条与翅肋形成共同支撑柔性蒙皮的面。如此，翅肋、翅条和柔性蒙皮组成的翅翼为柔性翅。柔性翅与刚性翅相比，在飞行时具有更大的气动力。柔性蒙皮由聚丙烯、聚乙烯等具有弹性的材料制备而成。柔性蒙皮固定的方式可以是粘结、钉扎或捆扎。
进一步，当翅翼有两对或多对时，飞行时相邻两对翅翼交替挥动。相邻两对翅翼交替挥动指的是当一对翅翼上挥时，另一对翅翼下拍。两对或多对翅翼交替拍动，提高扑翼机器人的飞行动力和平衡稳定性。
扭转机构
进一步，翅翼上设有扭转机构，扭转机构是固定在翅肋上的柔性压电纤维。柔性压电纤维通电后带动翅肋扭转，从而实现翅翼的整体扭转。当翅翼下拍至最低点和上挥至最高点时，在柔性压电纤维的作用下，翅翼做扭转运动，改变迎角，从而提高翅翼的气动力。优选的，每个翅肋上表面和下表面均排列有多个柔性压电纤维。多个柔性压电纤维共同作用，利用多个柔性压电纤维对扭转角度的叠加效果，增大翅肋的扭转角度。
尾翼
进一步，该仿生扑翼机器人还包括尾翼，尾翼的一端与机身连接，尾翼与机身同轴。尾翼用于放置或容纳连接第一压电驱动器、第二压电驱动器和柔性压电纤维的电缆。尾翼是平板，电缆固定在平板上；或者，尾翼设有容腔，容腔用容纳电缆。
本发明的仿生扑翼机器人的一对翅翼在一个拍动周期内的运动分为四个阶段：（1）在驱动机构的驱动下，翅翼以一定迎角向下拍动；（2）翅翼下拍至最低点时，在扭转机构的作用下翅翼围绕翅肋的轴线扭转，改变迎角并开始上挥；（3）在驱动机构的驱动下，翅翼以一定迎角上挥；（4）翅翼上挥至最高点时，在扭转机构的作用下翅翼围绕翅肋的轴线扭转，改变迎角并开始下拍。如此周而复始。
本发明的有益效果：1、驱动-放大机构产生驱动位移并利用三级串联杠杆对驱动位移进行三级放大和二级放大，最大限度地提高扑翼及其人翅膀上下拍动的幅度，提高扑翼机器人的飞行动力。
2、驱动-放大机构的三级串联杠杆之间、杠杆与支撑架之间利用柔性铰链转动连接，柔性铰链体积小、无需装配，使得驱动-放大机构具有无摩擦、无间隙、运动灵敏性高的优点，最大程度减少驱动-放大机构的能量消耗。
3、翅翼上设有柔性压电纤维作为扭转机构，柔性压电纤维通电变形、带动翅翼发生扭转，从而在翅翼挥动时能够实现迎角的改变，减小扑翼机器人的飞行阻力，提高飞行动力。
4、两对或多对翅翼上下交替挥动，使仿生扑翼机器人具有更好的平衡稳定性，并提高扑翼机器人的飞行动力。
5、以柔性翅作为翅翼，比刚性翅提供更大的气动力。
附图说明
图1为本发明的柔性压电纤维驱动的仿生扑翼机器人的整体示意图。
图2为本发明的驱动-放大机构的示意图。
图3为本发明的扭转机构的示意图。
图4为本发明柔性压电纤维的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行一步的详细说明。
一种柔性压电纤维驱动的仿生扑翼机器人，如图1和图2所示，包括机身1、驱动-放大机构2和翅翼3，翅翼3成对安装于机身，机身上的翅翼3有两对，每个翅翼包括翅肋301和翅条302，每个驱动-放大机构2对应一个翅翼3，驱动-放大机构2位于机身1内，驱动-放大机构2包括三级串联杠杆，驱动-放大机构的第一级杠杆201和第二级杠杆202的输入端分别设有各自的压电致动器，第一级杠杆201的输出端与第二级杠杆202通过柔性铰链2021铰接、且该铰接点作为第二级杠杆202的支点，翅肋301作为第三级杠杆。第二级杠杆的输出端与翅肋的输入端通过柔性铰链2022连接。
驱动-放大机构
驱动-放大机构用于提供翅翼上下挥动的驱动力。
如图2所示，第一级杠杆的压电致动器203和第二级杠杆的压电致动器204分别固定于机身1，第一级杠杆具有支撑架205，支撑架205与第一级杠杆201之间有柔性铰链2011、该柔性铰链2011形成第一级杠杆的支点，翅肋301与机身1之间有柔性铰链3011、该柔性铰链3011形成第三级杠杆的支点。如此，驱动-放大机构无摩擦、无间隙、运动灵敏性高，最大程度减少驱动-放大机构的能量消耗。
驱动-放大机构的三级串联杠杆对第一级杠杆的压电致动器和第二级杠杆的压电致动器的驱动位移进行放大，提高翅翼的拍动幅度。驱动-放大机构的第一级杠杆、第二级杠杆和第三级杠杆对第一级杠杆的压电致动器产生的驱动位移进行三级放大；驱动-放大机构的第二级杠杆和第三级杠杆对第二级杠杆的压电致动器产生的驱动位移进行二级放大，所以输出的位移是三级放大和二级放大后的位移叠加，这样，最大限度地提高扑翼及其人翅膀上下拍动的幅度，提高扑翼机器人的飞行动力。
机身
机身用于放置驱动-放大机构。
机身包括机体和盖板，机体的截面呈U形，机体与三级杠杆和杠杆支点处的柔性铰链通过切割形成。
翅翼
翅翼3还包括柔性蒙皮，柔性蒙皮粘结固定在翅肋301和翅条302表面，如图3所示。每条翅肋对应有4个翅条，4个翅条的一端固定在翅肋上，4个翅条与翅肋垂直，翅条与翅肋形成共同支撑柔性蒙皮的面。如此，翅肋、翅条和柔性蒙皮组成的翅翼为柔性翅。柔性翅与刚性翅相比，在飞行时具有更大的气动力。柔性蒙皮由聚丙烯制成。
在一些实施例中，柔性蒙皮可以其他弹性材料，如聚乙烯等制备而成。
在一些实施例中，柔性蒙皮固定的方式可以是钉扎或捆扎。
飞行时两对翅翼交替挥动。两对翅翼交替挥动指的是当一对翅翼上挥时，另一对翅翼下拍。两对翅翼交替拍动，提高翅翼的飞行动力。
在一些实施例中，翅翼有多对，相邻两对翅翼交替挥动。
扭转机构
翅翼3上设有扭转机构，扭转机构是固定在翅肋上的柔性压电纤维303，如图3和图4所示。柔性压电纤维通电后带动翅肋扭转，从而实现翅翼的整体扭转。当翅翼下拍至最低点和上挥至最高点时，在柔性压电纤维的作用下，翅翼做扭转运动，改变迎角，从而提高翅翼的气动力。每个翅肋上表面和下表面均排列有4个柔性压电纤维303。4个柔性压电纤维共同作用，利用4个柔性压电纤维对扭转角度的叠加效果，增大翅肋的扭转角度。
尾翼
如图1和图4所示，该仿生扑翼机器人还包括尾翼4，尾翼4的一端与机身连接，尾翼与机身同轴。尾翼设有容腔，容腔用容纳连接第一压电驱动器、第二压电驱动器和柔性压电纤维的电缆。
在一些实施例中，尾翼是平板，电缆固定在平板上。
本发明的仿生扑翼机器人的一对翅翼在一个拍动周期内的运动分为四个阶段：（1）在驱动机构的驱动下，翅翼以一定迎角向下拍动；（2）翅翼下拍至最低点时，在扭转机构的作用下翅翼围绕翅肋的轴线扭转，改变迎角并开始上挥；（3）在驱动机构的驱动下，翅翼以一定迎角上挥；（4）翅翼上挥至最高点时，在扭转机构的作用下翅翼围绕翅肋的轴线扭转，改变迎角并开始下拍。如此周而复始。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.一种柔性压电纤维驱动的仿生扑翼机器人，包括机身、驱动-放大机构和翅翼，翅翼成对安装于机身，其特征在于：机身上的翅翼有两对或多对，飞行时相邻两对翅翼交替挥动，每个翅翼包括翅肋和翅条，每个驱动-放大机构对应一个翅翼，驱动-放大机构位于机身内，驱动-放大机构包括三级串联杠杆，驱动-放大机构的第一级杠杆和第二级杠杆的输入端分别设有各自的压电致动器，第一级杠杆的输出端与第二级杠杆铰接、且第一级杠杆与第二级杠杆的铰接点作为第二级杠杆的支点，翅肋作为第三级杠杆；
翅翼上设有扭转机构，当翅翼下拍至最低点和上挥至最高点时，拍在扭转机构的作用下，翅翼做扭转运动，改变迎角；当翅翼下拍至最低点时，在扭转机构的作用下翅翼围绕翅肋的轴线扭转，改变迎角并开始上挥；当翅翼上挥至最高点时，在扭转机构的作用下翅翼围绕翅肋的轴线扭转，改变迎角并开始下拍；
扭转机构是固定在翅肋上的柔性压电纤维；
每个翅肋上表面和下表面均排列有多个柔性压电纤维。
2.如权利要求1所述的柔性压电纤维驱动的仿生扑翼机器人，其特征在于：第一级杠杆的输出端与第二级杠杆通过柔性铰链铰接。
3.如权利要求1所述的柔性压电纤维驱动的仿生扑翼机器人，其特征在于：第一级杠杆的压电致动器和第二级杠杆的压电致动器分别固定于机身，第一级杠杆具有支撑架，支撑架与第一级杠杆之间有柔性铰链、该柔性铰链形成第一级杠杆的支点，翅肋与机身之间有柔性铰链、该柔性铰链形成第三级杠杆的支点。
4.如权利要求1所述的柔性压电纤维驱动的仿生扑翼机器人，其特征在于：机身包括机体和盖板，机体的截面呈U形，机体与三级杠杆和杠杆支点处的柔性铰链通过切割形成。
5.如权利要求1所述的柔性压电纤维驱动的仿生扑翼机器人，其特征在于：翅翼还包括柔性蒙皮，柔性蒙皮固定在翅肋和翅条表面。
6.如权利要求1所述的柔性压电纤维驱动的仿生扑翼机器人，其特征在于：该仿生扑翼机器人还包括尾翼，尾翼用于放置或容纳连接第一压电驱动器、第二压电驱动器和柔性压电纤维的电缆。
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