CN112888628A - 机器鸟 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种利用拍动飞行来上升和推进的机器鸟。除了机载电子装置和电池外，该鸟还具有主体、两个机翼、尾部和具有喙的头部。每个机翼由四个电机单独地控制。一个电机控制拍动，一个电机控制迎角(机翼倾斜)，一个电机控制机翼的变形和折叠的程度，并且一个电机控制机翼的水平运动。尾部由三个伺服电机控制，一个伺服电机用于上下运动，一个伺服电机用于倾斜并且一个伺服电机用于展开尾部羽毛。因此，鸟在其机翼和尾部上总共具有11个自由度。这种设计允许使用进化方法来教导鸟以比以前可能的方式更有效的方式飞行。
Description
技术领域
本发明提供了一种利用拍动飞行来上升和推进的机器鸟。此外，本发明提供了一种机器鸟，在机翼损坏或需要修理的情况下，可以容易地将其拆下或更换。
背景技术
已经开发了几种拍动机翼装置，尤其是由大学，例如代尔夫特理工大学。其他装置处于研发阶段，例如Festo公司和法国智能系统与机器人研究所的罗伯(Robur)的智能鸟(Smart Bird)。这些装置中的大多数都使用简单的自由运行机制来上下移动机翼，有时还会在上下冲程中扭曲机翼。例如智能鸟就是这种情况，其沿着预定的固定图案移动机翼。罗伯鸟可以连续拍动其机翼，而且也可以设置倾斜角度。许多其他拍动机翼装置已经在各个地点建造，大多数都集中在非常小的装置上，如蜂鸟的尺寸，例如参见美国的AeroVironment蜂鸟。这些简单的机构限制了这些装置的效率、功能和可操作性。
Silent Flyer的新颖之处在于鸟状拍动的机翼和尾部的设计，可以将其归类为可控的挠性结构。机翼具有四个自由度，即，分别用于拍动、倾斜、变形和前后移动机翼。这些运动是实时控制的，并且可以在机构极限范围内随意设置。通常，该机构允许上述每种运动的输出高达±90度。机翼是独立控制的并且可以折叠到机器鸟的主体，这在操作场所之间的运输中是有利的。尾部具有三个自由度。Silent Flyer的声音并不比鸟的声音大(在装置的前方的1m处测量为小于70dB)。如果机翼或尾部损坏，则它们可以很容易地就地更换。Silent Flyer由于具有飞鸟的外观而不会引人注目。例如，在警察的监视期间，这将使公众更容易接受。可以使羽毛和主体的颜色和纹理看起来像本地鸟的颜色和纹理。SilentFlyer是防雨的，这对搜救工作和监视都是有利的，因为这些工作必须在各种天气下进行。
目前市场上没有可比的商业产品。上述机翼和尾部设计使我们能够尝试使用进化方法来教导装置飞行。进化方法已用于机器人装置的开发中，例如步行机，但据我们所知，它们尚未应用于拍动飞行器。但是，查尔姆斯理工大学(Chalmers UniversityofTechnology)的实验装置使用进化方法来教导拍动机翼机构以产生上升和前进运动，参见“Creation ofa Learning,Flying Robot by Means ofEvolution”(EvolutionaryRobotics，第1279页)。
US 2014/026382公开了一种用于飞行器的机翼拍动机构，其具有一对相对的机翼结构，所述相对的机翼结构从主框架横向突出，主框架沿着纵向轴线延伸。机翼结构具有三轴肩关节，其中肩关节的近端枢转地连接至主框架的相应侧。机翼拍动机构使用一组并置且相互连接的扭力感应管，它们同轴地设置在相应的一组并置且相互连接的扭力响应管的内部，其中交替的枢转运动在扭力感应管之间传递，而与扭力感应管和扭力响应管的空间取向无关。
WO 2008/125868公开了一种用于飞机的机翼结构，其包括可枢转地安装在舷内端处的舷内翼梁和舷外翼梁，舷外翼梁在一端可枢转地联接至舷外翼梁的舷外端。多个细长的重叠的机翼元件或小翼在一端附接到从每个翼梁向后延伸的相应翼梁。提供了用于使舷内翼梁相对于机身旋转和/或用于使舷外翼梁相对于舷内翼梁旋转的装置，以及用于使机翼元件在所述舷内翼梁和舷外翼梁的整个旋转位置范围内大致对准在一起的装置。
发明内容
本发明涉及一种利用拍动飞行来上升和推进的机器鸟，除了机载电子装置和电池外，该机器鸟具有主体、两个机翼、尾部和具有喙的头部。每个机翼由四个电机单独地控制。一个电机控制拍动，一个电机控制机翼倾斜(迎角)，一个电机控制机翼的变形和折叠的程度，一个电机控制机翼的水平运动。尾部由三个伺服电机控制，一个伺服电机用于上下运动，一个伺服电机用于倾斜，以及一个伺服电机用于展开尾部羽毛。因此，鸟在其机翼和尾部中总共具有11个自由度。这种设计使用进化方法来教导鸟以比以前可能的方式更有效的方式飞行的关键。机翼在外观和动作上都非常类似真鸟的翅膀。机翼可以上下移动、改变倾斜、来回移动和移入和移出以将机翼变形和折叠到鸟的主体。所有这些运动都可以设置在机械学(mechanics)极限内的任意角度。尾部可以上下移动、倾斜，并且羽毛可以展开和折叠。这些机翼和尾部的运动由高速伺服电机控制，而高速伺服电机又由单独的定位控制器控制，这些控制器读取电机轴的位置，从而读取机翼和尾部的位置。
上升和推进是通过机翼和尾部的运动的组合来实现的。机器鸟的典型向前推进是由机翼通过机翼的向下冲程与机翼的向下倾斜和向前水平运动相组合而生成的。在向下冲程的底部处，机翼在向上冲程期间向上倾斜并水平向后移动。机翼的迎角相对于机翼的向前运动为正。机翼冲程的极限可以设置为机械学允许范围内的任何向上和向下的值。尾部通过上下移动、倾斜和展开羽毛来辅助控制机器鸟。由于其没有使用螺旋桨，因此机器鸟在操作时较安静。机器鸟由计算机系统、软件、导航系统(包括GPS、陀螺仪、罗盘和姿态传感器)进行机载控制。机载通信系统用于接收来自地面控制站的命令并用于将数据和信息发送到地面控制站。机器鸟由诸如电池的能源供电。机翼由人造羽毛制成，人造羽毛可以在3D打印机上用塑料打印，也可以用塑料或具有类似特性的材料注射成型。机翼运动由机载计算机运行控制软件控制，该软件连续地将关于机翼运动的数据发送到到伺服电机定位控制器，其进而控制配备有轴角编码器的精密伺服电机。机翼独立地控制，因为每个机翼都有独立的电机。机翼独立地变形，即它们的尺寸可以设置为从完全展开到折叠到机器鸟的主体的任何值。因此，机翼可以在三维空间中以与机械臂类似的方式自由移动。机翼的运动对于使人造鸟能够以高效方式飞行和操控是必不可少的并且它允许使用进化方法来生成飞行模式，即用于教导人造鸟飞行。此外，本发明的机翼设计允许人造鸟在没有跑道的情况下从静止起飞并着陆。由于机翼可以向尾部朝后运动以及折叠，因此如果飞行器或其主要部件是防水的话，则可以指示“鸟”以类似于某些海鸟(例如塘鹅(Gannet))的方式下潜。
本文公开的发明与现有技术的机翼设计和飞行器的不同之处在于，独特的小翼设计包括两个板，其中在折叠和伸展机翼期间，每个小翼可以部分地滑入和滑出相邻的小翼。此外，本机翼的设计保持了由于机翼的设计而形成的机翼的翼型形状，使得无论机翼的水平位置或机翼的变形程度如何，二级羽毛都将沿着气流的方向定向。这意味着，由于旋转的可能性，机翼的所有不同位置都是可能的，因此，二级小翼(二级羽毛)通过杆或横梁被保持沿着气流方向。尽管WO 2008/125868在小翼之间具有中间羽毛以在伸展期间覆盖每个小翼之间的间隙，但是其中的机翼设计不能在拍动运动期间始终保持小翼的方向沿着气流的方向。本发明的飞行器被设计成模块化结构，这意味着所有的主要部件都是可更换的，以便进行维护、修理或改变装置的外观。
机器鸟的电子系统由计算机、软件、姿态传感器、导航系统、通信系统、能源、多个伺服电机和相应的伺服电机定位控制器、一个或更多个摄像头以及其他传感器(例如环境传感器)组成。
在一方面，飞行器包括：a)主体，其进一步包括用于移动飞行器的可移动部件的控制器和电机；b)相对的机翼，所述机翼枢转地联接并被独立控制，以从主体伸展，每个机翼还包括三个主要部分，所述主要部分为：i)对应于翅膀的肱骨的最内侧部分，ii)对应于翅膀的桡骨和尺骨的中间部分；以及iii)对应于鸟翅膀的掌骨、基底指骨和末端指骨的最外侧部分。每个机翼还包括由机翼的三个主要部分支撑的一级羽毛、二级羽毛和三级(第三)羽毛。飞行器还包括c)头部，和d)尾部，其具有在倾斜接头上的尾部羽毛，倾斜接头用以使尾部上下移动，使尾部倾斜并且展开尾部羽毛。机器鸟的每个机翼连接到四个电机并由四个电机单独地控制，其中：i)第一电机控制机翼的拍动；ii)第二电机控制迎角(机翼倾斜)；iii)第三电机控制机翼的变形和折叠程度；iv)第四电机控制机翼的水平运动。此外，一级羽毛和二级羽毛都由上板和下板制成，上板和下板使机翼具有翼型横断面，并且其中杆或横梁控制二级羽毛的方向，从而保持二级羽毛与机器鸟的主体几乎平行并且沿着气流的方向。尾部由三个电机控制，其中；i)一个电机控制上下运动，ii)一个电机控制倾斜；iii)一个电机控制尾部羽毛的展开。此外，无论折叠程度如何，致动器、杆或横杆都保持二级羽毛与主体成直线。
每个机翼由以下三个主要部分组成：a)与机翼的上臂或肱骨相对应的最内侧部分，b)与前臂或桡骨和尺骨相对应的中间部分，以及c)与鸟翅膀的指部或手相对应的最外侧部分。因此，这种设计模仿了鸟翅膀的骨骼结构。机翼这些部分的每个部分均具有类似于鸟翅膀的羽毛的小翼。机翼的三个主要部分由空心玻璃纤维棒支撑，以增加强度。一个或更多个伺服电机附接到鸟的“上臂”。在本文所示的实施方式中，使用了两个电机。一个电机控制机翼的变形和折叠，而另一电机控制机翼的水平位置，即，前后运动并参与折叠机翼。用于每个机翼的一个或更多个电机(例如，两个电机)位于机器鸟的主体内。这些电机中的一个控制机翼的拍动或机翼冲程，而另一电机控制迎角，即，机翼的倾斜。机翼的上下冲程可以设置为彼此不同的值。因此，上冲程可以设置为例如向上60度，且下冲程可以设置为例如-10度，其中0度表示水平。所有机翼和尾部的运动都由机载计算机和软件系统实时控制。用于教导机器鸟飞行的进化方法不断修改并设置用于机翼和尾部运动的值。
机翼和羽毛系统以这样的方式设计：无论机翼的水平位置如何，二级羽毛都与机器鸟的主体对齐并且在气流的方向上。
机翼通过单个螺钉和两个或更多个电连接器固定到机器鸟的主体，一个或多个电连接器用于位于机翼中的每个电机。因此，在机翼损坏的情况下，可以很容易地将其移除或更换。
本发明与机器鸟类的模型不同，并且在以下方面进行了改进：i)羽毛具有上板和下板，上板和下板形成与鸟的翅膀的形状相似的形状的横截面，其中小翼的布置提供了形成机翼的横截面的机翼的形状，机翼的横截面的形状类似于具有前缘和尾缘的翼型横断面的鸟的翅膀的形状。此外，该横截面可更改为与许多NACA机翼轮廓相似的形状；ii)机翼和羽毛设计允许机翼折叠，以在从完全伸展的机翼到折叠的机翼一直维持二级羽毛和第三羽毛在气流的方向上对齐(这在图3和图4中示出)；iii)机翼和羽毛系统使二级羽毛保持与机器鸟的主体对齐并沿气流方向，而不论机翼的水平位置如何(这在图4和图6中示出(编号为53、54、55、56的部件)；iv)通过拧松螺钉或以任何方式在肩关节处拆卸，可以容易地移除或更换机翼，并且在损坏或用新的替换的情况下，可以很容易地移除单根羽毛；v)机翼可以通过每个机翼的独立电机而彼此独立地移动；vi)机翼可以在水平面内来回运动，以促进像某些海鸟一样的方式潜入或跳入海中的能力；vii)机翼可以折叠到人造鸟的主体，以方便运输，这是因为机翼和羽毛的设计允许机翼折叠，使得外羽毛在内羽毛下方滑动；viii)头部可以上下和侧向移动，喙可以打开和闭合以抓取小物品；ix)机翼尖端位置可以在占据三维空间中的任意位置，即，除了使机翼倾斜之外，还可以上下或内外、前后移动，这也可以设置为机械学极限内的任意迎角；x)可以实时设置控制机翼运动的电机的速度和加速度，以在各种速度和加速度设置下运行；xi)操作系统实时控制拍动频率和拍动占空比；xii)操作系统可以将机翼停在任何位置以及在机械学极限内的任何位置处开始机翼运动；xiii)机器鸟较安静，不引人注目并且可以伪装成看起来像本地鸟以进行秘密操作。
本发明的目的是克服或改善现有技术的上述缺点，并提供一种改进的和/或替代的和/或另外的呈鸟形的机器鸟或飞行器，其具有像鸟一样飞行的能力。本发明的一个优选目的是提供一种具有羽毛的机器鸟，其具有的形状使得机翼将具有翼型横断面，而与机翼是否完全伸展或折叠到鸟的主体无关。在本发明的一个优选目的中，小翼由上板和下板制成，从而在飞行期间形成机翼的翼型横断面。此外，本发明的一个优选目的是提供一种机器鸟，其中鸟的机翼和尾部的机翼被独立地控制。在本发明的一个优选的目的中，提供了一种用于使本发明的飞行器飞行的方法，其中机翼独立地变形，并且可以在三维空间中自由移动。
通过独立权利要求中限定的特征特别解决了本发明相关的目的。从属权利要求涉及本发明的优选实施方式。下面讨论了另外的和/或替代的方面。
因此，本发明的优选目的中的至少一个是通过一种飞行器来解决的，该飞行器包括主体，该主体进一步包括用于移动飞行器的可移动部件的控制器和电机；相对的机翼，该机翼枢转地联接到主体并从主体延伸，每个机翼还包括三个主要部分，其中主要部分为：i)对应于翅膀的肱骨的最内侧部分，ii)对应于翅膀的桡骨和尺骨的中间部分，以及iii)对应于鸟翅膀的掌骨、基底指骨和末端指骨的最外侧部分。每个机翼还包括由机翼的三个主要部分支撑的一级羽毛、二级羽毛和三级(第三)羽毛。飞行器还包括头部和尾部。飞行器布置成使得每个机翼连接到至少两个电机并由至少两个电机单独地控制，并且该尾部包括在倾斜接头上的尾部羽毛，倾斜接头用以使尾部上下移动，使尾部侧向倾斜并且展开羽毛。
在一个方面，提供了一种用于使本文公开的飞行器飞行的方法，其中，机翼独立地变形，使得机翼可以以类似于机器臂的方式在三维空间中自由移动。
在一个方面，提供了一种用于使本发明的飞行器飞行的方法，所述飞行器包括主体，该主体具有用于移动飞行器的可移动部件的控制器和电机；相对的机翼，该机翼枢转地联接到主体并从主体延伸，每个机翼还包括：i)对应于翅膀的肱骨的最内侧部分，ii)对应于翅膀的桡骨和尺骨的中间部分，以及iii)对应于鸟翅膀的掌骨、基底指骨和末端指骨的最外侧部分。每个机翼还包括由机翼的三个主要部分支撑的一级羽毛、二级羽毛和三级(第三)羽毛，头部和尾部。此外，机翼独立地变形使得机翼可以在三维空间中自由移动，并且尾部包括在倾斜关节上的尾部羽毛，倾斜关节用于使尾部上下移动，使尾部侧向倾斜并展开羽毛。
在一个方面，提供了一种用于使本文公开的飞行器飞行的方法，其中，机翼独立地变形，使得机翼可以在三维空间中自由移动，并且其中，位于每个机翼的上臂中的对应于鸟的翅膀的三级羽毛的电机控制机翼的变形、折叠和来回运动。
在一个方面，提供了一种用于使本文所公开的飞行器飞行的方法，其中，机翼独立地变形，使得机翼可以在三维空间中自由移动，并且其中，飞行器通过使用用于每个机翼的单独电机组来单独地控制每个机翼。
在一个方面，提供了一种用于使本文公开的飞行器飞行的方法，其中，机翼独立地变形，使得机翼可以在三维空间中自由移动，并且其中，不论折叠程度如何，致动器、杆或横梁保持二级羽毛与主体成一直线。
本发明的描述
本文公开的实施方式涉及本发明的方法、装置和系统。
在本文中，术语“上臂”和“肱骨”均指本发明的装置的机翼的最内侧部分，并且对应于鸟翅膀的肱骨。机翼的该部分具有在活鸟上附接到其的三级羽毛，但是本发明的装置可以使用布类材料或可以伸展以模仿鸟的第三羽毛的任何此类材料。
在本文中，术语“前臂”以及“桡骨和尺骨”均指本发明的装置的机翼的中间部分，并且对应于鸟翅膀的桡骨和尺骨。机翼的该部分具有在活鸟上附接到其的二级羽毛，但是本发明的装置具有人造二级羽毛或小翼以模仿鸟的第二羽毛或二级羽毛。
在本文中，术语“指部或手”和“掌骨、基底指骨和末端指骨”均指本发明的装置的机翼的最外侧部分，并且对应于鸟翅膀的掌骨、基底指骨和末端指骨。机翼的该部分具有在活鸟上附接到其的一级羽毛，但是本发明的装置具有人造的一级羽毛或小翼，以模仿鸟的一级或二级羽毛。
在本文中，术语“羽毛”和“小翼”均是指人造羽毛，其被单独制成以附接到本发明的飞行器的机翼的主要部分上。羽毛可以通过3D打印，在模具中浇注或其他任何方法来形成，以获取羽毛的上表面和下表面。每根羽毛是由两个板(上板和下板)制成的，当上板和下板附接在一起，并与附接到每个臂部的一排羽毛组合时，其具有翼型的横断面形式。
在本文中，术语“机器鸟”和“飞行器”均指具有鸟的形状和外观的飞行装置或飞行器。这种装置具有主体、机翼、尾部和头部，其具有附接到机翼的人造羽毛。
在本文中，每个电机在飞行时都可以单独且协调地控制，以保持机器鸟飞行并且以特定的速度和方向。这样可以以任何方式进行精确的机翼控制，但更重要的是，可以在拍动进行过程中，尤其是根据每个时刻的机翼位置，在三维空间内控制机翼的运动和尺寸。
在本发明的实施方式中，每个机翼连接到四个电机并由四个电机单独地控制，其中，i)第一电机控制机翼的拍动，ii)第二电机控制迎角(机翼倾斜)，iii)第三电机控制机翼的变形和折叠的程度，以及iv)第四电机控制机翼的水平运动。
在本发明的一个实施方式中，一级羽毛、二级羽毛各自由使机翼具有翼型横断面形状的上板和下板制成，并且其中杆(参见项53、54、55和56)控制着羽毛的方向，以保持二级羽毛平行于机器鸟的主体并沿着气流的方向。
在本发明的实施方式中，每个尾部羽毛由上板和可选地还有下板制成。
在本发明的实施方式中，一级羽毛、二级羽毛、三级羽毛和尾部羽毛各自仅由上板制成，其中，机翼组件的横断面使机翼具有翼型横断面形状。
在本发明的实施方式中，电机由运行控制软件的机载计算机系统控制，该控制软件控制机翼和尾部的运动、通信、传感器等。此外，机载电池和可选的太阳能电池为系统提供电力。
在本发明的一个实施方式中，机翼上的羽毛是人造羽毛，其具有上板和下板，该上板和下板允许它们折叠到相邻的羽毛中并再次从其展开。
在本发明的一个实施方式中，第三羽毛由可伸展的布或人造羽毛制成。
在本发明的一个实施方式中，机翼和羽毛被设计成允许机翼二级羽毛与机器鸟的主体对齐，从而沿着行进方向，其中二级羽毛的上板和下板从完全伸展的机翼到折叠的机翼一直维持其位置。
在本发明的一个实施方式中，尾部由三个电机控制，其中，i)一个电机控制上下运动，ii)一个电机控制倾斜，以及iii)一个电机控制尾部羽毛的展开。
在本发明的实施方式中，电机是伺服电机或其他电机。
在本发明的实施方式中，电机由运行控制软件的机载计算机系统控制，该控制软件至少控制机翼和尾部的运动、通信和传感器。
在本发明的一个实施方式中，机载电池或太阳能电池为系统提供动力。
在本发明的一个实施方式中，伺服电机与用于机翼和尾部控制的定位控制器一起使机翼和尾部以给定的速度和加速度移动到某个给定的位置，该某个给定的位置可以通过机载软件操作系统实时改变。
在本发明的一个实施方式中，控制机翼拍动的第一电机和控制迎角(机翼倾斜)的第二电机单独地控制。
在本发明的一个实施方式中，机翼可以独立地变形，即它们的尺寸可以设置为从完全伸展到折叠到机器鸟的主体的任何值。因此，机翼可以在三维空间中以与机械臂相似的方式自由移动。这种机翼运动对于使人造鸟能够高效飞行和操纵是必要的。
在本发明的一个实施方式中，该设计具有11个自由度(DOF)，并允许使用进化方法来教导人造鸟飞行。
在本发明的一个实施方式中，本发明的机翼设计允许人造鸟在没有跑道的情况下从静止起飞并着陆。
在本发明的一个实施方式中，机翼设计还可以用在通过与拍动不同的其他手段(例如，电机和螺旋桨)提供动力的飞机上。
在本发明的一个实施方式中，机器鸟的软件跟踪机翼和尾部在每个瞬间/时刻的位置。
在本发明的一个实施方式中，机翼拍动和机翼倾斜(机翼迎角)由机器鸟的主体内的用于每个机翼的两个电机控制。
在本发明的一个实施方式中，机器鸟的电机具有轴角编码器，并由伺服电机定位控制器控制，使得它们可以以精确的方式移动，例如，可以使它们移动到指定的位置或角度以及维持该位置以及控制它们的加速度和速度。因此，可以在机构极限内的所需的任何位置开始机翼拍动并在任何位置结束，以及控制电机的速度和加速度。
在本发明的实施方式中，飞行器的电子系统还包括姿态传感器、通信系统、能源、一个或更多个摄像头和其他传感器，例如环境传感器以及导航系统，例如GPS、INS、陀螺仪和罗盘。
在本发明的实施方式中，飞行器还包括一个或更多个计算装置，用于使飞行器学习新的飞行模式。
在本发明的一个实施方式中，机翼拍动的上冲程和下冲程可以例如设置为在机构极限内的任意值。
在本发明的一个实施方式中，机器鸟内的机翼倾斜电机控制相对于飞行方向的迎角。
在本发明的实施方式中，羽毛可以由3D打印机打印，并且可以通过多种方式(例如但不限于改变其长度和形状)制成。
在本发明的实施方式中，可以增加或减小羽毛的尺寸。可以以多种方式改变羽毛的形状，即，可以在不改变机翼结构或其功能设计的情况下更换羽毛。因此，可以通过改变羽毛的颜色、纹理、尺寸和形状来模仿真鸟的外观。如果被损坏，则每根羽毛可以很容易地移除并更换。
本发明的一个目的是通过一种用于使机器鸟飞行的方法来获得的，该方法包括将机翼拍动和机翼倾斜转移到同一轴上。
在本发明的一个实施方式中，倾斜的腕关节使指部在机翼折叠期间能够在中间部的下方折叠。
在本发明的实施方式中，人造羽毛具有上板和下板，上板和下板形成类似于鸟的翅膀的横截面的任意形式或翼型形式的横截面。
在本发明的实施方式中，人造羽毛可以在3D打印机上用塑料打印，或通过传统方法(例如以ABS塑料模制)形成。
在本发明的一个实施方式中，机器鸟使用带有定位控制器的伺服电机来控制机翼和尾部，从而允许机翼和尾部以给定的速度和加速度运动到某个给定的位置，该某个给定的位置可以通过机载软件操作系统实时改变。
在本发明的一个实施方式中，每个机翼具有4个自由度，即，可以上下移动，移入和移除以进行变形，在水平面内来回移动和倾斜。
在本发明的一个实施方式中，每个机翼具有一个或更多个电机，例如两个电机，电机位于机翼的内侧，对应于鸟翅膀的第三羽毛，用以控制机翼的变形、折叠和来回运动。
在本发明的一个实施方式中，机器鸟在主体内具有一个或更多个电机，例如两个电机，其一起工作以使机翼拍动和倾斜，其中倾斜机构不依赖于拍动的程度或机翼的竖直位置。
在本发明的一个实施方式中，尾部包括人造羽毛，该人造羽毛可以使用三个电机来展开和折叠，上下移动和倾斜，每个电机控制相应的运动。
在本发明的一个实施方式中，机器鸟通过对每个机翼使用单独的电机组来单独地控制每个机翼。
在本发明的一个实施方式中，致动器、杆或横梁使二级羽毛保持与主体成一直线，而不论折叠程度如何。
在本发明的一个实施方式中，用于检测风速的传感器可以向操作系统发送信号，以将飞行器侧向飞行到风中。
本文公开的机翼设计还可以用在由与拍动不同的其他手段(例如电机和螺旋桨)提供动力的飞机上。
附图说明
通过以下给出的具体实施方式和附图，将对本发明进行更全面的理解，这些附图仅是为了举例说明而给出的，因此并不构成对本发明的限制，其中：
图1是鸟的概图，示出了两个机翼、身体、头部和尾部。
图2概括显示了机翼的组成。
图3是右机翼从下方观看的视图。
图4是半展开的机翼从下方观看的视图。
图5示出了用于固定和折叠二级羽毛的装置。
图6是右机翼下方的视图，其示出了用于使机翼和羽毛向内和向外移动的致动器。
图7示出了右翼的指部。
图8是从上方观看的一级羽毛的视图。
图9示出了二级羽毛及其下板。
图10是从下方观看的二级羽毛的视图。
图11是二级羽毛的前视图。
图12是从机器鸟的后面观看的右翼的视图。
图13是从下方观看的腕关节的前臂(20)部分的视图。
图14示出了腕关节的指部。
图15示出了从上方观看时附接到鸟的内部框架上的尾部模块。
图16详细示出了鸟的尾部模块。
图17示出了鸟的框架内部的尾部倾斜机构。
图18示出了右翼的由四个电机组成的伺服电机组件。
图19概括示出了机翼拍动电机和机翼倾斜电机。
图20示出了暴露的右机翼的电机。
图21示出了小翼或羽毛的横截面。
具体实施方式
图1是鸟的概图，示出了两个机翼、主体、头部和尾部。该图示出了右翼的一级羽毛(1)，二级羽毛(2)和三级羽毛(第三羽毛)(3)或最内侧羽毛。虽然可以使用3D打印机打印一级羽毛和二级羽毛，但三级羽毛可以由可伸展的布制成。这封闭了(closes)二级羽毛和鸟的主体之间的间隙。主体由两个外壳(14)和(15)组成，它们覆盖内部电子装置和电池。尾部羽毛(13)与机翼一起参与控制鸟的飞行。尾部可以上下移动、倾斜，并且羽毛可以展开和折叠。尾部运动由三个电机控制。头部(16)可以通过两个电机上下移动和侧向移动。头部的下喙(17)可以通过第三电机打开和关闭。旋转关节位于三个机翼部分的交点，即肩关节(28)、肘关节(27)和腕关节(26)。盖子(10)、(11)和(12)形成流线型前缘，并且还保护指部、前臂和上臂的羽毛。如果损坏或必须更换羽毛，则前缘可以滑落。
图1所示机翼的实施方式在前臂上有6根羽毛，在指部上有5根羽毛，在上臂上有类似三级羽毛的布或箔，从而封闭鸟的主体与机翼前臂之间的间隙。可以使用不同数量的羽毛，而无需修改机翼的设计或功能。
图1示出了机翼是由以下三个主要部分组成：a)对应于鸟的上壁或肱骨的最内侧部分，b)对应于鸟的前臂或桡骨和尺骨(radius and ulna)的中间部分，以及c)对应于鸟翅膀的手或指部(手指(Digits))的最外侧部分。这种设计模仿了鸟(例如，海鸥)的骨骼系统。机翼的每个部分都有与鸟的翅膀的羽毛相对应的小翼(winglets)。机翼的尺寸可以像鸟的翅膀一样进行变化(变形)，并且可以像鸟能够进行的方式一样将它们折叠到机器鸟的主体。小翼或羽毛由塑料制成，并且可以使用3D打印机进行打印。该图示出了一级羽毛(手指或指部)(1)；二级羽毛(2)；上臂(22)；带羽毛(13)的尾部；和电池隔室(30)。该图还示出了：用于伺服电机的定位控制器(32)；主体(24)内部的由机翼拍打电机(33)和机翼倾斜电机(34)组成的伺服电机组件；肩关节(28)；肘关节(27)、腕关节(26)；用于保持一级羽毛(1)的横梁(18)；用于保持二级羽毛(2)的横梁(20)；机翼的用于机翼变形和机翼的往复运动的机翼电机组件、电机(36)和(35)；尾部铰链(61)；头部(16)和电子器件隔室(31)。流线型前缘(未示出)附接到横梁(18)、横梁(20)和机翼的上臂。这些前缘还保护羽毛。
图2示出了羽毛如何折叠在一起。羽毛稍微倾斜，使得外羽毛可以更容易地折叠在下一个内羽毛下面。另外，这种布置在向下冲程中封闭羽毛之间的间隙，而在向上冲程中打开间隙，从而减小了向上移动机翼所需的动力。这与真鸟的翅膀的布置相同。该图示出了一级羽毛的上部(1)和一级羽毛的下部(6)。保持一级羽毛的机翼的指部围绕腕关节(26)旋转。一级杆(37)使指部伸出或缩回，从而使一级羽毛展开或折叠。该图示出了二级羽毛(2)以及一级和二级羽毛的下板(6)。前臂和指部围绕肘关节(27)旋转。
图3示出了从下方观看的半展开的机翼，为清楚起见，其中的大部分一级羽毛都已移除。前缘也已被移除，以示出羽毛如何附接到指部的横梁(18)和机翼前臂的横梁(20)。一级杆(37)根据前臂(20)移入和移出指部的横梁(18)，从而移动其羽毛。一级杆(37)连接到杆支架(57)，杆支架(57)固定到上臂。因此，当杆(37)更靠近横梁(20)或更远离横梁(20)移动时，一级羽毛根据其伸展或折叠时的机翼而折叠或抽出。
图4示出了二级羽毛(2)如何在横梁(20)的上侧和下侧的销钉(21)上固定到横梁(20)并围绕该销钉旋转。羽毛在销钉上卡合(snapped)就位。二级羽毛杆(41)的销钉(42)装在二级羽毛上的孔中，当机翼折叠或展开时杆(41)被拉入或推出时，羽毛围绕该孔旋转。
图5示出了用于将机翼和羽毛移入和移出的致动器。项(53)、(54)、(55)和(56)是用于将二级羽毛移入和移出并且同时无论机翼折叠的程度如何都将二级羽毛保持与鸟的主体几乎平行的杆。杆(53)固定到机翼倾斜电机的蜗轮的轴(79)，并与机翼一起倾斜。杆(54)在与杆(53)的连接处以及在杆(55)和杆(56)的连接处旋转。杆(56)绕肘关节(27)自由旋转。杆(55)在杆(54)的接头处且在羽毛杆(41)的接头处旋转。
图6示出了如何通过将一级羽毛(1)卡合到横梁(18)的上侧和下侧的销钉上而将一级羽毛(1)附接到横梁(18)。当机翼展开或缩回时，羽毛在这些销钉上旋转。同时，一级羽毛杆(38)的销钉(42)沿着羽毛中的沟槽(8)滑动，从而控制一级羽毛的折叠。致动器(39)和(40)控制一级羽毛的展开程度。致动器(39)固定到横梁(20)。致动器(40)在致动器(39)的连接处和在一级羽毛杆(38)的连接处自由旋转。
图7示出了一级羽毛(1)及其下板(6)的细节。羽毛(4)的固定孔卡合到指部的横梁(18)的销钉上。当机翼折叠或抽出时，一级羽毛杆(38)的销钉在羽毛狭槽(8)内滑动，从而使一级羽毛折叠或展开。该图还示出了用于键的狭槽76，以将横梁(39)固定到上臂横梁(20)和旋转接头(43)。
图8示出了二级羽毛(2)及其下板(6)的细节。羽毛(4)的固定孔卡合到机翼的前臂的横梁(20)的销钉上。二级羽毛的羽毛旋转孔(5)与二级羽毛杆(41)的羽毛杆销钉(42)紧密配合，以使二级羽毛在羽毛展开或折叠时在销钉上自由旋转。
图9概括示出了从下面观看的二级羽毛(2)。该图概括示出了下板(6)，该下板(6)在底侧有一个小的支撑羽毛肋，以增加刚度和强度。在上板的底侧上的支撑羽毛肋(7)用于增加刚度和强度。旋转接头用于羽毛(4)。一级羽毛和三级羽毛在其底侧上也有支撑肋。
图10从正面示出了二级羽毛(2)。上板(2)向内倾斜，以方便机翼的折叠。羽毛的下板(6)带有支撑肋。一级羽毛和三级羽毛具有相同的结构。
图11概括了从后方观看的右翼，示出了支撑一级羽毛(未示出)的指部的横梁(18)是如何相对于支撑二级羽毛(未示出)的横梁(20)倾斜的。这种倾斜使一级羽毛在二级羽毛下面折叠。一级杆(37)将横梁(18)拉入和拉出。使腕关节(26)的表面(48)和(45)旋转。
图12从下方示出了横梁(20)的腕部(26)的前臂滑动部(47)，其指示倾斜的滑动表面(48)；腕关节(26)；连接前臂的横梁(20)的配合表面(52)。该图还示出了用于使前臂的横梁(20)变硬的碳纤维管的孔(51)和用于将部件连接到横梁(20)的耳片(50)。滑动部(47)也可以形成带有横梁(20)的单个单元。标有30度和5度的滑动表面(48)可以采用其他值。
图13概括示出了指部的腕关节的滑动部(44)和滑动表面(45)。更多细节也可以参见图13。
图14示出了尾部模块如何固定到鸟的内部框架。尾部在尾部铰链(61)上上下移动，以及用于尾部的旋转接头(65)和(66)。
图16概括示出了从上方观看的鸟的尾部模块的细节。该图示出了尾部羽毛(13)和尾部新月部(58)，尾部新月部(58)通过将羽毛卡合到尾部新月部(58)的尾部销钉(59)上而将羽毛保持就位。羽毛位于尾部新月部(58)上的不同高度(60)处以方便折叠羽毛，使得外羽毛折叠在内羽毛上方。羽毛的折叠和展开由伺服电机(81)控制，该伺服电机使用伺服角(85)将尾部滑块(62)推入和拉出。羽毛销钉(64)沿着尾部羽毛的羽毛狭槽(8)滑动，以控制羽毛的展开或折叠程度。尾部通过伺服电机(82)上下倾斜，该伺服电机(82)使伺服角(83)旋转，这又使伺服杆(84)移动，伺服杆(84)推动尾部铰链(61)。该图还示出了用于移动尾部羽毛的杆(63)和80。侧向运动由鸟内部的伺服电机控制。参见图17。
图17示出了位于鸟的主体内部的尾部模块的倾斜机构。伺服电机(86)作用在尾部倾斜角(68)上，从而使尾部模块旋转。伺服电机(86)固定到伺服电机支架(78)，该伺服电机支架进而被固定到鸟的内框架。尾部模块使用销钉(93)卡合到倾斜机构上。
图18概括示出了右机翼的伺服电机组件。左机翼电机组件是右机翼的电机组件的镜像。机翼拍动电机(33)使机翼上下移动到由鸟的操作系统和相应的伺服电机定位控制器设定的任意角度。机翼倾斜电机(34)通过使机翼所附接到的轴(79)旋转来控制机翼的迎角。伺服电机(36)使机翼前后移动，并且还参与折叠机翼。伺服电机(35)伸展并折叠机翼的前臂和指部部分。通过使用伺服电机(36)和伺服电机(35)这两者来折叠或伸展整个机翼。电机壳体(25)附接到鸟内部的框架。当电力未施加到电机时，扭簧(71)将机翼平衡在水平位置。
图19概括示出了机翼拍动电机(33)和机翼倾斜电机(34)的细节。机翼拍动电机(33)具有固定到其轴上的直齿轮(72)。机翼倾斜电机(34)具有固定到其主体的配合的直齿轮(72)，并且因此在机翼上下移动时与机翼拍动电机轴一起旋转。机翼倾斜电机(34)的轴(73)固定到蜗轮(74)，该蜗轮通过移动蜗轮(75)和机翼所附接到的轴(79)来使机翼倾斜。由于机翼倾斜电机与机翼一起移动，因此在机翼拍动期间，机翼倾斜与机翼位置无关。如同机翼倾斜电机不与机翼拍动电机一起旋转一样，在设置机翼倾斜的值时，控制机翼倾斜的软件因此不必考虑机翼的位置。因此，当被命令改变机翼倾斜时，机翼倾斜电机可以更快地操作。电机由定位伺服电机控制器控制，该定位伺服电机控制器感测电机轴的位置并由此感测机翼的位置。
图20示出了暴露的右机翼的电机。为清楚起见，已移除了电机壳体。机翼前后电机(36)的轴附接到蜗杆(74)，该蜗杆(74)使蜗轮(75)转动，蜗轮(75)又使机翼在肩关节处旋转。这使机翼前后移动，而且也参与了机翼的伸展和折叠。机翼折叠电机(35)的轴还附接到蜗杆(74)，该蜗杆(74)又使蜗轮(75)旋转，蜗轮(75)又使肘关节旋转，从而使机翼的前臂或指部折叠或抽出。电机由定位伺服电机控制器控制，该定位伺服电机控制器感测电机轴的位置，并由此感测机翼的位置。
图21示出了单个小翼的横断面以及它如何类似于翼型(airfoil)横断面。实际上，当多个小翼并排布置在本发明的机器鸟的机翼上时，机翼将具有翼型横断面。小翼在机翼上的取向由横梁和杆控制，使得它们沿气流方向定向，或者从前缘到后缘观看时逆着气流定向。
除非上下文中另有说明，否则本文所用的包括权利要求在内的术语的单数形式也应解释为包括复数形式，反之亦然。除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数形式。
在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”、“包含”，“具有”和“含有”及其变型应被理解为是指“包括但不限于”，并且不旨在排除其他部件。
在将这些术语、特征、值和范围等与诸如约、左右、大致、大体上、基本上、至少等术语结合使用的情况下，本发明也涵盖了确切的术语、特征、值和范围等(即，“约3”也应覆盖确切是3或“基本上恒定”也应覆盖确切恒定)。
术语“至少一个”应理解为意指“一个或更多个”，因此包括具有一个或更多个部件的两个实施方式。此外，当特征被称为“所述”和“所述至少一个”时，引用描述具有“至少一个”特征的独立权利要求的从属权利要求具有相同的含义。
可以理解，可以对本发明的前述实施方式做出变型，同时仍落入本发明的范围内。除非另有说明，否则说明书中公开的特征可以由具有相同、等同或相似目的的替代特征来代替。因此，除非另有说明，否则所公开的每个特征都代表一系列等同或相似特征的示例。
示例性语言(例如，“比如”、“诸如”、“例如”)的使用仅旨在更好地说明本发明，而不指示对本发明范围的限制，除非这样声明。除非上下文另外明确指出，否则说明书中描述的任何步骤可以以任何顺序或同时执行。
说明书中公开的所有特征和/或步骤可以以任何组合进行组合，但除了其中至少一些特征和/或步骤是互斥的组合之外。特别地，本发明的优选特征适用于本发明的所有方面，并且可以以任何组合使用。
Claims (25)
1.一种飞行器，包括：
-主体，所述主体进一步包括用于移动所述飞行器的可移动部件的控制器和电机，
-相对的机翼，所述机翼与所述主体枢转地联接并从所述主体延伸，每个机翼还包括三个主要部分，所述主要部分为：
i)对应于翅膀的肱骨的最内侧部分，
ii)对应于翅膀的桡骨和尺骨的中间部分，以及
iii)对应于鸟翅膀的掌骨、基底指骨和末端指骨的最外侧部分，
-每个机翼还包括由所述机翼的所述三个主要部分支撑的一级羽毛、二级羽毛和三级(第三)羽毛，
-头部，
-尾部，
其特征在于，每个机翼连接到至少两个电机并由所述至少两个电机单独地控制，并且
在于，所述尾部包括在倾斜接头上的尾部羽毛，所述倾斜接头用于使所述尾部上下移动，使所述尾部侧向倾斜并且展开所述羽毛。
2.根据权利要求1所述的飞行器，其中，每个机翼连接到四个电机并由所述四个电机单独地控制，其中：
i)第一电机控制所述机翼的拍动，
ii)第二电机控制迎角(机翼倾斜)，
iii)第三电机控制所述机翼的变形和折叠的程度，并且
iv)第四电机控制所述机翼的水平运动。
3.根据权利要求1所述的飞行器，其中，一级羽毛和二级羽毛各自由上板和下板制成，所述上板和下板使所述机翼具有翼型横断面形状，并且其中，杆或横梁控制所述二级羽毛的方向，从而使所述二级羽毛保持平行于气流的方向。
4.根据权利要求1所述的飞行器，其中，所述机翼上的羽毛是人造羽毛，所述人造羽毛具有上板和下板，所述上板和所述下板允许它们折叠到相邻的羽毛中并从其再次展开。
5.根据权利要求1所述的飞行器，其中，所述三级羽毛由能够伸展的布或人造羽毛制成。
6.根据权利要求1所述的飞行器，其中，所述机翼和所述羽毛被设计成允许所述机翼的二级羽毛与鸟的主体对齐并由此处于行进方向上，其中，所述二级羽毛的所述上板和所述下板从完全伸展的机翼到折叠的机翼一直维持其相对于所述行进方向的位置。
7.根据权利要求1所述的飞行器，其中，所述尾部由三个电机控制，其中，i)一个电机控制上下运动，ii)一个电机控制倾斜；并且iii)一个电机控制尾部羽毛的展开。
8.根据权利要求7所述的飞行器，其中，所述电机是伺服电机或其他电机。
9.根据权利要求7所述的飞行器，其中，所述电机由运行控制软件的机载计算机系统控制，所述控制软件至少控制所述机翼和所述尾部的运动、通信和传感器。
10.根据权利要求9所述的飞行器，其中，机载能源对所述系统提供动力，所述机载能源例如是电池或太阳能电池。
11.根据权利要求8所述的飞行器，其中，用于机翼和尾部控制的所述伺服电机和定位控制器允许所述机翼和尾部以给定的速度和加速度移动到能够通过机载软件操作系统实时变化的给定的位置。
12.根据权利要求7所述的飞行器，其中，控制所述机翼的拍动的所述第一电机和控制所述迎角(机翼倾斜)的所述第二电机被单独控制。
13.根据权利要求1所述的飞行器，其中，所述飞行器的电机包括由伺服电机定位控制器读取的轴角编码器。
14.根据权利要求1所述的飞行器，其中，所述飞行器的电子系统还包括姿态传感器、通信系统、能源、一个或多个摄像头和其他传感器，例如环境传感器和诸如GPS、姿态传感器、陀螺仪和罗盘的导航系统。
15.根据权利要求1所述的飞行器，其中，所述飞行器还包括一个或多个计算装置，用于允许所述飞行器学习新的飞行模式。
16.一种用于使根据权利要求1所述的飞行器飞行的方法，其中，所述机翼被独立地控制和变形，使得所述机翼能够在三维空间中自由地移动。
17.根据权利要求16所述的方法，所述飞行器具有11个自由度(DOF)，并且允许使用进化方法来教导所述飞行器飞行。
18.根据权利要求16所述的方法，所述飞行器能够在没有跑道的情况下从静止起飞并着陆。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，用于操作所述飞行器的软件跟踪所述机翼和所述尾部在每个时刻的位置。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，机翼拍动的上冲程和下冲程能够被设置为机构极限内的任意值。
21.根据权利要求16所述的方法，其中，鸟的内部的机翼倾斜电机控制所述机翼相对于飞行方向的迎角。
22.根据权利要求16所述的方法，其中，每个机翼具有4个自由度，用于使每个机翼上下移动、移入和移出以进行变形、在水平平面内来回移动和倾斜。
23.根据权利要求16所述的方法，其中，位于每个机翼的上臂中的对应于鸟的翅膀的第三羽毛的电机控制所述机翼的变形、折叠和来回移动。
24.根据权利要求16所述的方法，其中，所述飞行器通过为每个机翼使用单独的电机组来单独地控制每个机翼。
25.根据权利要求16所述的方法，其中，无论折叠的程度如何，致动器、杆或横梁都保持所述二级羽毛与所述主体成直线。
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