CN112173100A - 一种基于曲柄滑块机构的仿生扑翼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于曲柄滑块机构的仿生扑翼机器人，包括机架、设置于机架首端的扑翼机构和设置于机架尾端的尾翼机构；扑翼机构包括电机、齿轮减速装置、连杆一、滑块一、导向框、套筒、翅膀杆件和翅膀，电机通过齿轮减速装置传递动力给连杆一，连杆一与滑块构成了含偏心距的曲柄滑块机构，滑块一的动作由翅膀杆件传递给翅膀；尾翼机构包括旋转舵机、直线舵机、旋转板、滑块二、连杆二、尾翼固定件和尾翼，旋转舵机通过旋转板实现尾翼的旋转运动，直线舵机驱动滑块二直线运动，经连杆二带动尾翼固定件的转动，实现尾翼的俯仰运动；本发明中的基于曲柄滑块机构的仿生扑翼机器人，扑翼结构简单明了，扑翼飞行过程更加稳定，且仿生性好。

Description

一种基于曲柄滑块机构的仿生扑翼机器人

技术领域

本发明涉及仿生扑翼机器人技术领域，特别是涉及一种基于曲柄滑块机构的仿生扑翼机器人。

背景技术

仿生扑翼机器人是一种基于仿生原理的飞行机器人，其飞行模式是通过模仿鸟类扑动翅膀来实现在空中飞行的一种的飞行方式，相比于传统的固定翼和旋翼飞行，扑翼飞行最大的特点在于只需通过翅膀周期性的扑动即可同时产生飞行所需的推力和升力，并通过翅膀和尾翼的位置偏移来调节机身的运动方向。通过这样的运动方式，仿生扑翼机器人能够完成快速升降、高空盘旋、悬停等高难度飞行动作。仿生扑翼机器人的飞行过程与鸟类类似，具有隐蔽性好，噪声小，机动性好、效率高等特点，因此在基础民用和军事国防上都有着广阔的应用前景。

现有仿生扑翼机器人，有西北工业大学设计发明的“信鸽”机器人，该扑翼机器人主要由扑翼和尾翼两部分组成。扑翼机构由电机经两级齿轮减速，驱动四连杆机构组成的曲柄摇杆机构；摇杆与翅膀相连，在一定角度内往复摆动，以此模仿翅膀的扑动过程。尾翼机构选择了非仿生的V型尾翼，由两个舵机加连杆驱动尾翼的摆动，以此实现对飞行方向的调整。该扑翼机器人可以完成类似于鸟类的飞行运动。

现有的仿生扑翼机器人的扑翼结构较为单一，大部分均采用由四连杆机构形成的曲柄摇杆机构，这种扑翼结构相对复杂，稳定性差，缺乏理论依据。尾翼形状大部分都采用舵机连杆驱动的非仿生V型尾翼或类似飞机的垂直尾翼，仿生性较差，很难实现较好的仿生运动。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于曲柄滑块机构的仿生扑翼机器人，以解决上述现有技术存在的问题，由滑块的上下移动驱动翅膀的扑动，这样的扑翼结构简单明了，扑翼飞行过程更加稳定；尾翼机构采用舵机与直线舵机相结合的方式驱动平板状扇形尾翼俯仰和滚转两个自由度的运动，仿生性更好。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于曲柄滑块机构的仿生扑翼机器人，包括机架、设置于机架首端的扑翼机构和设置于机架尾端的尾翼机构；

所述扑翼机构包括电机、齿轮减速装置、连杆一、滑块一、导向框、套筒、翅膀杆件和翅膀，所述导向框设置于所述机架的首端，所述滑块一滑动连接于所述导向框内，由所述导向框首端的竖向滑轨限位导向，所述电机固定于所述机架上，所述电机的动力通过齿轮减速装置传递给所述连杆一，驱动所述连杆一竖向往复运动，所述连杆一的顶端则与所述滑块一铰接，所述连杆一带动所述滑块一沿着所述导向框竖向运动，所述滑块一的两端分别连接有一套筒，两个套筒中均连接有一所述翅膀杆件，且所述翅膀杆件与所述套筒横向滑动连接，所述翅膀则设置于所述翅膀杆件上；

所述尾翼机构包括旋转舵机、直线舵机、旋转板、滑块二、连杆二、尾翼固定件和尾翼，所述旋转舵机设置于所述机架上，所述旋转舵机的动力输出轴连接所述旋转板，所述尾翼固定件铰接于所述旋转板的尾端，所述尾翼固定于所述旋转板的尾端，所述直线舵机设置于所述旋转板上，所述直线舵机连接所述滑动块，所述直线舵机能够驱动所述滑块首尾滑动，所述连杆二一端与所述滑块二铰接，所述连杆二另一端与所述尾翼固定件铰接。

优选地，所述齿轮减速装置包括齿轮一、齿轮二和齿轮三，所述齿轮一与所述电机的传动轴传动连接，所述齿轮二包括大齿轮和一体设置于所述大齿轮首端的小齿轮，所述大齿轮的直径大于所述小齿轮的直径，所述齿轮二与大齿轮啮合，所述小齿轮与所述齿轮三啮合，所述连杆一的底端与所述齿轮三的首端端面铰接。

优选地，所述大齿轮与所述小齿轮同轴心。

优选地，所述齿轮三的首端端面上设置有铰接轴，所述连杆一与铰接轴铰接。

优选地，所述翅膀与所述翅膀杆件粘接连接。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本发明提供的基于曲柄滑块机构的仿生扑翼机器人，结构较为简单，扑翼飞行稳定性好，在扑动和尾翼机构上创新，其中扑翼机构采用曲柄滑块机构，由滑块的上下移动驱动翅膀的扑动，这样的扑翼结构简单明了，扑翼飞行过程更加稳定；尾翼机构采用了舵机和直线舵机组合的形式，同样采用以滑块为主动件的曲柄滑块结构完成两个自由度的控制，仿生性更好。

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为本发明中基于曲柄滑块机构的仿生扑翼机器人的立体结构示意图；

图2为本发明中基于曲柄滑块机构的仿生扑翼机器人的立体结构示意图的俯向视图；

图3为本发明中扑翼机构的放大结构示意图；

图4为本发明中尾翼机构的放大结构示意图；

图5为翼部分的偏心曲柄滑块机构原理图；

图中：1-电机、2-齿轮一、3-齿轮二、4-齿轮三、5-连杆一、6-滑块一、7-套筒、8-翅膀杆件、9-旋转舵机、10-直线舵机、11-滑块二、12-连杆二、13-尾翼固定件、14-旋转板、15-机架、16-翅膀、17-尾翼、18-导向框。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于曲柄滑块机构的仿生扑翼机器人，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例中的基于曲柄滑块机构的仿生扑翼机器人，如图1-4所示，包括包括机架15、设置于机架15首端的扑翼机构和设置于机架15尾端的尾翼机构；

扑翼机构包括电机1、齿轮减速装置、连杆一5、滑块一6、导向框18、套筒7、翅膀杆件8和翅膀16，导向框18固定于机架15的首端，滑块一6滑动连接于导向框18内，由导向框18首端的竖向滑轨限位导向，电机1固定于机架15上，电机1的动力通过齿轮减速装置传递给连杆一5，驱动连杆一5竖向往复运动，连杆一5的顶端则与滑块一6铰接，连杆一5带动滑块一6沿着导向框竖向运动，滑块一6的两端分别连接有一套筒7，两个套筒7中均连接有一翅膀杆件8，且翅膀杆件8与套筒7横向滑动连接，翅膀16一端粘接在翅膀杆件8上，另一端粘接在机架15上。

具体地，齿轮减速装置包括齿轮一2、齿轮二3和齿轮三4，电机1为电机1，齿轮一2与电机1的传动轴传动连接，齿轮二3包括大齿轮和一体设置于大齿轮首端的小齿轮，大齿轮的直径大于小齿轮的直径，小齿轮与大齿轮同轴心，齿轮二3与大齿轮啮合，小齿轮与齿轮三4啮合，齿轮三4的首端端面上设置有铰接轴，连杆一5的底端与铰接轴铰接。

尾翼17部分包括旋转舵机9、直线舵机10、旋转板14、滑块二11、连杆二12、尾翼固定件13和尾翼17，旋转舵机9设置于机架15上，旋转舵机9的动力输出轴连接旋转板14，尾翼固定件13铰接于旋转板14的尾端，尾翼17固定于旋转板14的尾端，直线舵机10设置于旋转板14上，直线舵机10连接滑动块，直线舵机10能够驱动滑块首尾滑动，连杆二12一端与滑块二11铰接，连杆二12另一端与尾翼固定件13铰接。

工作原理为：由电机1驱动，电机1的转轴与齿轮一2过盈配合，齿轮一2与齿轮二3中的大齿轮部分啮合，齿轮三4与齿轮二3中的小齿轮部分啮合，从而完成了两级减速。由于电机转速与扑翼频率差距过大，需要经过两级齿轮减速得到合适的扑翼频率，这里选择减速比64。连杆一5一端与齿轮三4首端端面偏离轴心的一侧铰接，另一端与滑块6铰接，构成了含偏心距的曲柄滑块机构(原理图如图5所示)，使得扑翼机器人驱动机构的动力性增强。翅膀16粘接在翅膀杆件8上随之运动，翅膀杆件8可以在套筒7中移动(可以在套筒7上开限位滑槽，翅膀杆件8上设置滑块，滑块沿着滑槽横向移动但也会因为滑槽限位使翅膀杆件8不会脱出套筒)，套筒7与滑块6铰接，将滑块6的上下移动与翅膀的扑动结合在一起，减少了运动杆件过多造成额外的摩擦阻力。

尾翼机构共有两个自由度，分别是俯仰和滚转自由度。其中滚转自由度由舵机9驱动，俯仰自由度有直线舵机10驱动。尾翼固定件13与旋转板14铰接，尾翼17粘接在尾翼固定件13上随之运动。旋转舵机9可以驱动旋转板14转动，实现尾翼的滚转运动。直线舵机10可以驱动滑块二11的直线运动，经由连杆二12带动尾翼固定件13的转动，从而实现尾翼的俯仰运动。滑块二11、连杆二12和尾翼固定件13一起构成了以滑块为主动件的曲柄滑块机构。

本发明中的扑翼机器人共有3个自由度，可实现扑翼飞行及转向偏航等运动，可模仿鸟类飞行的基本运动。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种基于曲柄滑块机构的仿生扑翼机器人，其特征在于：包括机架、设置于机架首端的扑翼机构和设置于机架尾端的尾翼机构；

所述扑翼机构包括电机、齿轮减速装置、连杆一、滑块一、导向框、套筒、翅膀杆件和翅膀，所述导向框设置于所述机架的首端，所述滑块一滑动连接于所述导向框内，由所述导向框首端的竖向滑轨限位导向，所述电机固定于所述机架上，所述电机的动力通过齿轮减速装置传递给所述连杆一，驱动所述连杆一竖向往复运动，所述连杆一的顶端则与所述滑块一铰接，所述连杆一带动所述滑块一沿着所述导向框竖向运动，所述滑块一的两端分别连接有一套筒，两个套筒中均连接有一所述翅膀杆件，且所述翅膀杆件与所述套筒横向滑动连接，所述翅膀则设置于所述翅膀杆件上；

所述尾翼机构包括旋转舵机、直线舵机、旋转板、滑块二、连杆二、尾翼固定件和尾翼，所述旋转舵机设置于所述机架上，所述旋转舵机的动力输出轴连接所述旋转板，所述尾翼固定件铰接于所述旋转板的尾端，所述尾翼固定于所述旋转板的尾端，所述直线舵机设置于所述旋转板上，所述直线舵机连接所述滑动块，所述直线舵机能够驱动所述滑块首尾滑动，所述连杆二一端与所述滑块二铰接，所述连杆二另一端与所述尾翼固定件铰接。

2.根据权利要求1所述的基于曲柄滑块机构的仿生扑翼机器人，其特征在于：所述齿轮减速装置包括齿轮一、齿轮二和齿轮三，所述齿轮一与所述电机的传动轴传动连接，所述齿轮二包括大齿轮和一体设置于所述大齿轮首端的小齿轮，所述大齿轮的直径大于所述小齿轮的直径，所述齿轮二与大齿轮啮合，所述小齿轮与所述齿轮三啮合，所述连杆一的底端与所述齿轮三的首端端面铰接。

3.根据权利要求1所述的基于曲柄滑块机构的仿生扑翼机器人，其特征在于：所述大齿轮与所述小齿轮同轴心。

4.根据权利要求1所述的基于曲柄滑块机构的仿生扑翼机器人，其特征在于：所述齿轮三的首端端面上设置有铰接轴，所述连杆一与铰接轴铰接。

5.根据权利要求1所述的基于曲柄滑块机构的仿生扑翼机器人，其特征在于：所述翅膀与所述翅膀杆件粘接连接。

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