CN111099016A

CN111099016A - 仿生扑翼系统以及仿生扑翼机器人

Info

Publication number: CN111099016A
Application number: CN201811249843.XA
Authority: CN
Inventors: 周春琳; 魏彤; 高智俊; 黄豪彩
Original assignee: Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology Development Center
Current assignee: Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology Development Center
Priority date: 2018-10-25
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2020-05-05
Anticipated expiration: 2038-10-25
Also published as: CN111099016B

Abstract

本发明提出一种仿生扑翼系统以及仿生扑翼机器人，该仿生扑翼系统包括主动件，以及连接于所述主动件上并相对所述主动件摆动的摆动组件，所述摆动组件包括顺次连接的一级摆动组件、二级摆动组件以及次级摆动组件，其中，所述一级摆动组件和所述二级摆动组件均连接于所述主动件，所述次级摆动组件包括至少一节连接杆和至少一节输入杆；该仿生扑翼机器人为基于上述仿生扑翼系统。该发明的扑翼结构可产生如鸟类翅膀的柔顺摆动，从而得到较大升力，结构简单，灵活性高。

Description

仿生扑翼系统以及仿生扑翼机器人

技术领域

本发明属于仿生机器人领域，尤其涉及一种仿生扑翼机器人领域。

背景技术

从仿生的角度，扑翼运动是鸟类非常普遍的飞行方式，飞行不受地形限制，具有高机动性和高灵活性的特点，在侦查、探测等方面有很大应用前景。

但是目前，仿生扑翼机器人的扑翼运动都有一个普遍的问题，翅膀尺度较小，升力不够大，而当翅膀尺度增大时，空气阻力增大，会导致翅膀发生形变，甚至产生高阶模态的振动，会破坏翅膀的上下摆动产生其他方向的摆动，极大的减小升力。

同时，扑翼运动的驱动大多数采用多电机控制，虽然可以更精细地控制控制翅膀的运动，产生柔顺的扑翼运动，减小形变和振动，但是电机重量大，损失了很大一部分升力。

综上所述，目前难以制作大尺寸仿生扑翼机器人，并大多采用多电机控制，导致整机重量较大影响灵活性和机动性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种仿生扑翼系统以及仿生扑翼机器人，该发明的扑翼结构可产生如鸟类翅膀的柔顺摆动，从而得到较大升力，结构简单，灵活性高。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种仿生扑翼系统，包括主动件，以及连接于所述主动件上并相对所述主动件摆动的摆动组件，所述摆动组件包括顺次连接的一级摆动组件、二级摆动组件以及次级摆动组件，其中，所述一级摆动组件和所述二级摆动组件均连接于所述主动件，所述次级摆动组件包括至少一节连接杆和至少一节输入杆。

作为本发明的进一步优化，所述次级摆动组件为自所述主动件向外部顺次连接的多节，其中，所述次级摆动组件中多节输入杆为顺次连接，以使上一节输入杆为下一节输入杆提供动力；所述次级摆动组件中同节输入杆与该节连接杆连接，以使该节连接杆绕该节输入杆摆动；所述次级摆动组件中多节连接杆顺次连接，以使下一节连接杆绕上一节连接杆转动。

作为本发明的进一步优化，所述一级摆动组件包括第一输入杆，以及通过滑动副连接于所述第一输入杆的第一连接杆，以使第一连接杆在第一输入杆的作用下摆动。

作为本发明的进一步优化，所述二级摆动组件包括第二输入杆，以及连接于所述第二输入杆末端的第二连接杆，其中，所述第二连接杆连接于所述第一连接杆的末端，所述第二连接杆在第二输入杆的作用力下绕所述第一连接杆的末端摆动。

作为本发明的进一步优化，所述次级摆动组件中的第一节输入杆连接所述二级摆动组件中的第二输入杆；所述次级摆动组件中的第一节连接杆连接所述二级摆动组件中的第二连接杆，以使所述次级摆动组件中第一节连接杆在第一节输入杆的作用下绕所述第二输入杆摆动。

作为本发明的进一步优化，所述主动件包括驱动件，连接于所述驱动件的凸轮，以及连接于所述凸轮上且可在垂直方向上往复运动的滑块，所述滑块连接于所述一级摆动组件。

作为本发明的进一步优化，所述驱动件为电机。

一种仿生扑翼机器人，包括本体，以及安装于所述本体上的仿生扑翼系统，所述仿生扑翼系统为上述任一实施例所述的仿生扑翼系统。

作为本发明的进一步优化，所述仿生扑翼系统包括有多组，且对称安装于所述本体两侧。

作为本发明的进一步优化，进一步包括包覆于仿生扑翼机器人外部的外皮。

作为本发明的进一步优化，所述外皮为弹性材质。

作为本发明的进一步优化，所述弹性材质为硅橡胶。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：本发明的仿生扑翼系统以及仿生扑翼机器人，其采用多级摆动组件，实现了分节设置，实现了各级之间的滞后摆动，从而把每级摆动组件的最大速度出现时间错开，通过错峰显著降低了扑翼系统远端的阻力，并且大大降低了升力的损失；从而实现了大尺寸结构，以及摆动速度的提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明仿生扑翼系统的三级示意图；

图2为本发明仿生扑翼系统的三级示意图；

图3为本发明仿生扑翼系统的结构示意图；

图4为本发明仿生扑翼系统的第一状态示意图；

图5为本发明仿生扑翼系统的第二状态示意图；

图6为本发明仿生扑翼系统的第三状态示意图。

图7为本发明仿生扑翼系统的第四状态示意图。

以上各图中：1、凸轮；2、滑块；3、第一输入杆；4、第一连接杆；5、第二输入杆；6、第二连接杆；7、第一节输入杆；8、第一节连接杆；9、第二节输入杆；10、第二节连接杆。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图7所示，本发明提供了一种仿生扑翼系统，该仿生扑翼系统包括主动件，以及连接于所述主动件上并相对所述主动件摆动的摆动组件，所述摆动组件包括顺次连接的一级摆动组件、二级摆动组件以及次级摆动组件，其中，所述一级摆动组件和所述二级摆动组件均连接于所述主动件，所述次级摆动组件包括至少一节连接杆和至少一节输入杆。

本发明的仿生扑翼系统，通过上述技术方案采用的多级摆动组件，实现了分节设置，实现了各级之间的滞后摆动，从而把每级摆动组件的最大速度出现时间错开，通过错峰显著降低了扑翼系统远端的阻力，并且大大降低了升力的损失；从而实现了大尺寸结构，或实现了摆动速度的提高。

其中，上述中，所述主动件包括驱动件，连接于所述驱动件的凸轮1，以及连接于所述凸轮1上且可在垂直方向上往复运动的滑块2，所述滑块2连接于所述一级摆动组件。所述滑块2通过结构设置为仅能进行垂直于凸轮的运动。优选的，所述驱动件为电机。结合图4-图7所示，本发明的扑翼结构，只需要一个电机，即可完成扑翼的上下摆动运动，大大的节约了成本，减轻了扑翼结构的重量。

进一步说明，上述中，所述一级摆动组件包括第一输入杆3，以及通过滑动副连接于所述第一输入杆3的第一连接杆4，以使第一连接杆4在第一输入杆 3的作用下摆动。所述二级摆动组件包括第二输入杆5，以及连接于所述第二输入杆5末端的第二连接杆6，其中，所述第二连接杆6连接于所述第一连接杆4 的末端，所述第二连接杆6在第二输入杆5的作用力下绕所述第一连接杆4的末端摆动。

另外，上述中，所述次级摆动组件可为一节也可为多节，当所述次级摆动组件为自所述主动件向外部顺次连接的多节时，其中，所述次级摆动组件中多节输入杆为顺次连接，以使上一节输入杆为下一节输入杆提供动力；所述次级摆动组件中同节输入杆与该节连接杆连接，以使该节连接杆绕该节输入杆摆动；所述次级摆动组件中多节连接杆顺次连接，以使下一节连接杆绕上一节连接杆转动。具体地，所述次级摆动组件中的第一节输入杆连接所述二级摆动组件中的第二输入杆5；所述次级摆动组件中的第一节连接杆连接所述二级摆动组件中的第二连接杆6，以使所述次级摆动组件中第一节连接杆在第一节输入杆的作用下绕所述第二输入杆摆动。

为了更清楚全面的说明上述技术方案，结合附图具体说明如下：

其中，图3中提供了次级摆动组件中仅具有一节输入杆和一节连接杆的实施例，即该次级摆动组件中包括第一节输入杆7和第一节连接杆8，因此，该种情况下，仿生扑翼系统即具有三级摆动组件，其连接关系与运动传递关系依次为：第一输入杆3连接滑块2，从而在滑块2的作用下具有动力，第一输入杆3 连接第一连接杆4，且第一输入杆3和第一连接杆4之间通过滑动副连接；第二输入杆5直接连接于凸轮1，以具有输入动力，第二输入杆5的末端连接第二连接杆6，以提供给第二连接杆6摆动动力，同时，第二连接杆6连接第一连接杆4的末端，这样，第二连接杆6即在第二输入杆5的作用下绕第一连接杆4末端摆动；次级摆动组件中的第一节输入杆7连接第二输入杆5，第一节输入杆7的末端连接第一节连接杆8，该第一节连接杆8同时连接第二连接杆6的末端，这样，该第一节连接杆8即在第一节输入杆的作用力下，绕第二连接杆6转动。

通过该种分节方式的设置，以上述三级摆动组件为例，举例说明其效果：取450mm长的一体辐条，在1Hz摆动频率，摆角±45度的条件下，最远端线速度为225πmm/s，而如果采用3根150mm的分节式的结构，三级相位差为60度，在同一时刻，此处取在第二级摆动组件水平时，分节的本发明方案中，最远端线速度最大约等于

即约减少了25％，相当于水阻减少了近 50％，通过对比可知，分节结构在同样材质与强度下，其尺寸可以做的更大，从而获得更大的推动力。

如图2所示，该图中提供了次级摆动组件中具有两节连接杆和两节输入杆的实施例。即该次级摆动组件中包括第一节输入杆7和第一节连接杆8的第一节摆动组件，以及包括第二节输入杆9和第二节连接杆10的第二节摆动组件，该种情况下，仿生扑翼系统即具有四级摆动组件，其连接关系与运动传递关系依次为：第一输入杆3连接滑块2，从而在滑块2的作用下具有动力，第一输入杆3连接第一连接杆4，且第一输入杆3和第一连接杆4之间通过滑动副连接；第二输入杆5直接连接于凸轮1，以具有输入动力，第二输入杆5的末端连接第二连接杆6，以提供给第二连接杆6摆动动力，同时，第二连接杆6连接第一连接杆4的末端，这样，第二连接杆6即在第二输入杆5的作用下绕第一连接杆4 末端摆动；次级摆动组件中的第一节输入杆7连接第二输入杆5，第一节输入杆 7的末端连接第一节连接杆8，该第一节连接杆8同时连接第二连接杆6的末端，这样，该第一节连接杆8即在第一节输入杆的作用力下，绕第二连接杆6转动；第二节输入杆9连接第一节输入杆8，以便于动力的传递；第二节连接杆10一方面连接第二输入杆9的末端，另一方面同时连接第一节连接杆8的末端，从而实现了第二连接杆10在第二输入杆9的动力作用下绕第一节连接杆8的末端的摆动。

需要说明的是，上述实施例均仅为举例，其次级摆动组件无论涉及几节输入杆和连接杆，其连接关系均遵从同一原则。同时，通过该多级摆动组件，可根据具体尺寸以及要求而具体选用杆件长度、杆件节数等，更便于选型，同时解决目前无法实现的大尺寸仿生扑翼结构的问题。

本发明同时提供了一种仿生扑翼机器人，其特征在于：包括本体，以及安装于所述本体上的仿生扑翼系统，所述仿生扑翼系统即为上述任一种实施例所述的仿生扑翼系统。因该种仿生扑翼系统在上述已具体描述，在此不再赘述。

进一步，所述仿生扑翼系统包括有多组，且对称安装于所述本体两侧。

另外，为了使该仿生扑翼机器人可在水下运动，优选该仿生扑翼机器人进一步包括包覆于仿生扑翼机器人外部的外皮。优选的，所述外皮为防水的弹性材质。所述弹性材质为硅橡胶。

本发明通过设置分级结构，产生多级近似正弦的运行，相角也依次滞后的摆动，大大的降低了翼尖的阻力。且多级摆动组件随着电机转动而摆动，摆动幅度大的同时摆角柔顺；同时，摆动幅度大可以产生较大的升力，使得仿生扑翼机器人能够快速飞行，而摆角柔顺可以使整个机器人的各个关节受到较小的约束反力，相比于平板式的翅膀更加坚固。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种仿生扑翼系统，其特征在于：包括主动件，以及连接于所述主动件上并相对所述主动件摆动的摆动组件，所述摆动组件包括顺次连接的一级摆动组件、二级摆动组件以及次级摆动组件，其中，所述一级摆动组件和所述二级摆动组件均连接于所述主动件，所述次级摆动组件包括至少一节连接杆和至少一节输入杆。

2.根据权利要求1所述的仿生扑翼系统，其特征在于：所述次级摆动组件为自所述主动件向外部顺次连接的多节，其中，所述次级摆动组件中多节输入杆为顺次连接，以使上一节输入杆为下一节输入杆提供动力；所述次级摆动组件中同节输入杆与该节连接杆连接，以使该节连接杆绕该节输入杆摆动；所述次级摆动组件中多节连接杆顺次连接，以使下一节连接杆绕上一节连接杆转动。

3.根据权利要求2所述的仿生扑翼系统，其特征在于：所述一级摆动组件包括第一输入杆，以及通过滑动副连接于所述第一输入杆的第一连接杆，以使第一连接杆在第一输入杆的作用下摆动。

4.根据权利要求3所述的仿生扑翼系统，其特征在于：所述二级摆动组件包括第二输入杆，以及连接于所述第二输入杆末端的第二连接杆，其中，所述第二连接杆连接于所述第一连接杆的末端，所述第二连接杆在第二输入杆的作用力下绕所述第一连接杆的末端摆动。

5.根据权利要求4所述的仿生扑翼系统，其特征在于：所述次级摆动组件中的第一节输入杆连接所述二级摆动组件中的第二输入杆；所述次级摆动组件中的第一节连接杆连接所述二级摆动组件中的第二连接杆，以使所述次级摆动组件中第一节连接杆在第一节输入杆的作用下绕所述第二输入杆摆动。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的仿生扑翼系统，其特征在于：所述主动件包括驱动件，连接于所述驱动件的凸轮，以及连接于所述凸轮上且可在垂直方向上往复运动的滑块，所述滑块连接于所述一级摆动组件。

7.根据权利要求6所述的仿生扑翼系统，其特征在于：所述驱动件为电机。

8.一种仿生扑翼机器人，其特征在于：包括本体，以及安装于所述本体上的仿生扑翼系统，所述仿生扑翼系统为权利要求1-7中任一项所述的仿生扑翼系统。

9.根据权利要求8所述的仿生扑翼机器人，其特征在于：所述仿生扑翼系统包括有多组，且对称安装于所述本体两侧。

10.根据权利要求8或9所述的仿生扑翼机器人，其特征在于：进一步包括包覆于仿生扑翼机器人外部的外皮。

11.根据权利要求10所述的仿生扑翼机器人，其特征在于：所述外皮为弹性材质。

12.根据权利要求11所述的仿生扑翼机器人，其特征在于：所述弹性材质为硅橡胶。