阅读说明：本技术 一种具有可偏转驱动机构的仿生扑翼飞行机器人 (Bionic flapping wing flying robot with deflectable driving mechanism ) 是由 贺威 王久斌 付强 穆新星 孙长银 于 2019-09-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种具有可偏转驱动机构的仿生扑翼飞行机器人,包括：驱动机构、偏转机构、尾翼控制机构、机体、飞控板、翅膀及尾翼；驱动机构用于驱动翅膀高频扑动产生主动力；尾翼控制机构用于控制尾翼的左右偏转以及上下翘动的角度；偏转机构用于使驱动机构绕扑翼飞行机器人的中心轴线左右摆动,从而带动翅膀偏转,进而改变扑翼气动力的方向。本发明的具有可偏转驱动机构的仿生扑翼飞行机器人的可控量包括扑翼频率、扑翼所产生气动力的方向、尾翼左右偏转以及上下翘动的角度,与飞控板结合实现了直飞、盘旋、转向的飞行姿态,并具备姿态自稳功能,增加了电机驱动的扑翼飞行机器人的可控量,能够实现更加平稳的飞行以及灵活的姿态控制。(The invention provides a bionic flapping wing flying robot with a deflection driving mechanism, which comprises: the flight control device comprises a driving mechanism, a deflection mechanism, a tail wing control mechanism, a machine body, a flight control plate, wings and a tail wing; the driving mechanism is used for driving the wings to flap at high frequency to generate main power; the tail wing control mechanism is used for controlling the left-right deflection and the up-down tilting angle of the tail wing; the deflection mechanism is used for enabling the driving mechanism to swing left and right around the central axis of the flapping wing flying robot, so that the wings are driven to deflect, and the direction of the flapping wing pneumatic force is changed. The controllable quantity of the bionic flapping wing flying robot with the deflectable driving mechanism comprises flapping wing frequency, the direction of pneumatic force generated by flapping wings, the left and right deflection of the tail wing and the up and down tilting angle, the flying control plate is combined to realize the flying postures of direct flying, hovering and steering, the bionic flapping wing flying robot has the posture self-stabilizing function, the controllable quantity of the motor-driven flapping wing flying robot is increased, and more stable flying and flexible posture control can be realized.)

一种具有可偏转驱动机构的仿生扑翼飞行机器人

技术领域

本发明涉及仿生扑翼飞行机器人技术领域，特别是指一种电机驱动的具有可偏转驱动机构的仿生扑翼飞行机器人。

背景技术

扑翼飞行机器人(Flapping-wing aerial vehicles,FWAV)是一种新兴的仿生飞行器，可以像鸟类或昆虫一样通过扑动翅膀产生飞行的推力和升力，可以通过尾翼的摆动来控制飞行方向。相比于固定翼飞机的飞行模式，自然界中鸟类和昆虫普遍使用的振翅飞行方式不仅效率更高，而且凭借翅膀和尾巴的结合还可以实现更高的飞行机动性，如急转弯、悬停，甚至倒飞等。基于仿生学原理设计实现的扑翼飞行机器人利用驱动结构及翅膀、尾翼的控制机构便可以实现较好地飞行。

传统的通过电机-齿轮组方式驱动的扑翼飞行机器人有振翅频率高、动力足、飞行速度快等优点，但是由于固定的驱动结构的限制，翅膀部分的可控量较少。大多数扑翼飞行机器人只能通过调节电机转速改变振翅频率从而改变升力的大小，但是却改变不了扑翼所产生的气动力的方向，因此，现有的扑翼飞行机器人整体稳定性较差。

另一方面，尾翼控制是扑翼飞行机器人飞行姿态控制的重要部分，现有的扑翼飞行机器人尾翼角度控制大多通过有旋转舵机臂的舵机或者小的电磁舵来实现，存在质量偏大或者输出角度不稳定，易受风力影响的问题，因此，现有的扑翼飞行机器人的尾翼角度缺乏精准、稳定、有效的控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有可偏转驱动机构的仿生扑翼飞行机器人，一方面针对现有的扑翼飞行机器人只能通过调节电机转速改变振翅频率从而改变升力的大小，但是却改变不了扑翼所产生的气动力的方向，整体稳定性较差的问题；以电机-齿轮组为驱动机构提供主动力，用直线舵机来控制整个驱动机构绕扑翼飞行机器人的中心轴线左右摆动，从而使驱动机构带动翅膀所产生的气动力方向可以调节，并通过飞控板结合角度传感器反馈的翻滚角信息实时调节扑翼所产生的气动力方向使扑翼飞行机器人飞行得更加平稳；

另一方面针对现有的扑翼飞行机器人的尾翼角度缺乏精准、稳定及有效控制的问题，利用微型数字直线舵机设计实现了双自由度的尾翼控制机构，其优点是质量小，适合小型的扑翼飞行机器人使用，而且直线舵机固有的卡位优势可以让尾翼角度在外界风力的作用下也能保持输出稳定。

基于上述，本发明提供的具有可偏转驱动机构的仿生扑翼飞行机器人包括：驱动机构、偏转机构、尾翼控制机构、机体、翅膀及尾翼；其中，

所述偏转机构和所述尾翼控制机构均设置在所述机体上；所述驱动机构与所述翅膀传动连接，以驱动所述翅膀实现上下往复运动；所述尾翼控制机构与所述尾翼传动连接，以控制所述尾翼的角度；

所述偏转机构包括：活动连接件、第一控制杆、第一舵机固定架及第一直线舵机；其中，所述活动连接件一端与机体固连，另一端与驱动机构旋转连接；所述第一舵机固定架与机体固定，所述第一直线舵机安装在第一舵机固定架上，所述第一直线舵机的舵机臂通过所述第一控制杆与驱动机构连接，以使所述驱动机构在第一直线舵机的驱动下绕活动连接件的中心轴线左右摆动。

进一步地，所述驱动机构上设置有螺杆连接孔，所述偏转机构还包括第一螺杆，所述第一螺杆穿过所述活动连接件与螺杆连接孔固联，以实现所述活动连接件与驱动机构的旋转连接。

进一步地，所述驱动机构上还设置有控制杆固定孔，所述偏转机构还包括第一卡槽，所述第一卡槽固定在所述第一直线舵机的舵机臂上，所述第一控制杆一端与所述第一卡槽插接，另一端与所述控制杆固定孔插接，以实现与所述驱动机构的固连。

进一步地，所述驱动机构包括：齿轮架、齿轮组、电机、马达齿轮、两条驱动臂及两条摆臂；其中，

所述螺杆连接孔和所述控制杆固定孔均设置在所述齿轮架上，所述齿轮架通过所述螺杆连接孔与所述活动连接件旋转连接；同时，所述齿轮架通过所述控制杆固定孔与所述第一控制杆固连；

所述齿轮组及电机均安装在所述齿轮架上，所述马达齿轮安装在所述电机的转轴上，并与所述齿轮组咬合，所述齿轮组通过两条驱动臂与两条摆臂传动连接，所述驱动臂一端与所述齿轮组传动连接，另一端与所述摆臂的臂身旋转连接，所述摆臂一端与所述齿轮架旋转连接，另一端与所述翅膀插接。

进一步地，所述齿轮组包括：一级减速齿轮、二级减速齿轮、三级减速齿轮及两个四级减速输出齿轮；

其中，所述一级减速齿轮、二级减速齿轮、三级减速齿轮及两个四级减速输出齿轮均安装在齿轮架中部，并依次咬合，所述马达齿轮与一级减速齿轮咬合，所述驱动臂一端与四级减速输出齿轮的齿面上的安装孔旋转连接，另一端与所述摆臂的臂身旋转连接，所述摆臂与齿轮架上部的安装孔旋转连接，以使两个四级减速输出齿轮通过两个驱动臂带动两个摆臂实现上下往复运动。

进一步地，所述尾翼控制机构包括尾翼左右偏移控制机构和尾翼上下翘动控制机构；

其中，所述尾翼左右偏移控制机构包括：第二舵机安装座、第二直线舵机及第二控制杆；所述第二舵机安装座一端与所述机体固连，另一端与所述尾翼上下翘动控制机构旋转连接，所述第二直线舵机安装在所述第二舵机安装座上，所述第二直线舵机的舵机臂通过所述第二控制杆与所述尾翼上下翘动控制机构连接，以使所述尾翼上下翘动控制机构在所述第二直线舵机的驱动下绕所述第二舵机安装座的中心轴线左右摆动。

进一步地，所述尾翼上下翘动控制机构包括：第三舵机安装座、第三直线舵机、舵机臂连接件、滑接件、第三控制杆、尾翼安装架及尾翼连接架；

其中，所述第三舵机安装座与所述第二控制杆固连，所述尾翼安装架与所述第三舵机安装座固连，所述尾翼连接架与所述尾翼安装架旋转连接；所述第三直线舵机安装在所述第三舵机安装座上，所述舵机臂连接件固定在所述第三直线舵机的舵机臂上，所述滑接件与所述舵机臂连接件旋转连接，所述尾翼连接架前端通过所述第三控制杆与所述滑接件连接，尾端与所述尾翼插接，以使所述尾翼连接架在所述第三直线舵机的控制下实现上下翘动。

进一步地，所述尾翼左右偏移控制机构还包括第二螺杆和第二卡槽；其中，所述第二螺杆穿过所述第二舵机安装座与第三舵机安装座固联，以实现所述第二舵机安装座与第三舵机安装座的旋转连接；所述第二卡槽固定在所述第二舵机的舵机臂上，所述第二控制杆一端与所述第二卡槽插接，另一端与所述第三舵机安装座插接，以实现与所述第三舵机安装座的固连。

进一步地，所述机体由碳纤维杆插接而成；所述活动连接件、第一直线舵机固定架及第二舵机安装座均通过与碳纤维杆插接的方式与机体固连。

进一步地，所述具有可偏转驱动机构的仿生扑翼飞行机器人还包括飞控板和角度传感器；

其中，所述角度传感器用于检测仿生扑翼飞行机器人的飞行姿态，所述飞控板用于接收遥控器指令信号和所述角度传感器检测到的飞行姿态信息，并通过控制程序控制所述驱动机构、偏转机构及尾翼控制机构，实现对仿生扑翼飞行机器人的运动和姿态控制。

本发明利用空心杯直流电机和0.5模齿轮设计了适合50-60cm翼展的小扑翼飞行机器人使用的驱动机构，用于驱动左右两个翅膀高频扑动产生主动力；并在此基础上利用直线舵机设计了偏转机构，用于控制驱动机构绕扑翼飞行机器人的中心轴线左右摆动，从而带动翅膀偏转，改变扑翼气动力的方向，实现了扑翼产生的气动力方向可调节，增强了飞行机器人的灵活性；通过尾翼控制机构控制尾翼左右、上下摆动，实现扑翼飞行机器人飞行方向及俯仰姿态的控制；通过飞控板接收遥控器指令信号和角度传感器信息，与驱动机构及三个直线舵机相连，控制相关机构运动实现对扑翼飞行机器人的运动和姿态控制。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明中的驱动机构具有结构简单、稳定性强、强度高的优点，多级齿轮设计不仅用小尺寸实现了较大减速比，而且用塑料材料加工零件还可以在保证强度的基础上极大地减轻重量，适用于为50cm-60cm小翼展重量60g左右的扑翼飞行机器人提供动力。独特设计的偏转机构可以直接改变驱动机构通过振翅所产生气动力的方向，增加了扑翼飞行机器人的可控量，配合控制电路可以实现对扑翼飞行机器人更好的控制；精密具有双自由度的尾翼控制机构能够保证对尾翼实现左右偏转、上下翘动角度的精确稳定控制，其不仅质量轻，更适合小型扑翼飞行机器人使用，而且可控性好，位置输出控制稳定。

附图说明

图1为本发明的具有可偏转驱动机构的仿生扑翼飞行机器人整体结构图；

图2为本发明的驱动机构示意图；

图3为本发明的驱动机构拆解图；

图4为本发明所用的直线舵机模型示意图，其中(a)为L型直线舵机，(b)为R型直线舵机；

图5为本发明的偏转机构示意图；

图6为本发明的偏转机构拆解图；

图7为本发明的尾翼控制机构示意图；

图8为本发明的尾翼控制机构拆解图。

[附图标记说明]

A、驱动机构；B、偏转机构；C、尾翼控制机构；D、机体；E、翅膀；

F、尾翼；1、齿轮架；2、马达齿轮；3、一级减速齿轮；

4、二级减速齿轮；5、三级减速齿轮；6、四级减速输出齿轮；7、驱动臂；

8、摆臂；9、翅膀固定孔；a、舵机安装固定孔；b、舵机臂；c、滑槽；

10、活动连接件；11、控制杆固定孔；12、第一控制杆；

13、第一舵机固定架；14、第一直线舵机；15、第一卡槽；16、碳纤维杆；

17、第一螺杆；18、螺杆连接孔；19、第二舵机安装座；

20、第二直线舵机、21、第二卡槽；22、第二控制杆；

23、第三舵机安装座；24、第三直线舵机；25、舵机臂连接件；

26、滑接件；27、第三控制杆；28、碳纤维连接杆；29、尾翼安装架；

30、尾翼连接架；31、尾翼插孔；32、第二螺杆。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实施例提供一种具有可偏转驱动机构的仿生扑翼飞行机器人，如图1所示，该仿生扑翼飞行机器人包括：驱动机构A、偏转机构B、尾翼控制机构C、机体D、翅膀E及尾翼F；其中，机体D由碳纤维杆插接而成，偏转机构B和尾翼控制机构C均设置在机体D上；驱动机构A与翅膀E传动连接，用于驱动翅膀E实现高频扑动，产生主动力；偏转机构B与驱动机构A传动连接，用于控制驱动机构A在扑翼飞行机器人中心轴线的左右两侧偏移，尾翼控制机构C与尾翼F传动连接，用于控制尾翼F上下翘动及左右偏移的角度；

具体地，上述驱动机构A的结构如图2和图3所示，包括：齿轮架1、电机、马达齿轮2、一级减速齿轮3、二级减速齿轮4、三级减速齿轮5、四级减速输出齿轮6、驱动臂7、摆臂8及翅膀固定孔9。

其中，齿轮架1中部设置有五个固定孔，一级减速齿轮3、二级减速齿轮4、三级减速齿轮5以及两个四级减速输出齿轮6分别相应安装在齿轮架1中部的五个固定孔上并依次咬合，马达齿轮2与一级减速齿轮3咬合，各级减速齿轮相配合，用以降低电机转速，增大输出力矩；齿轮架1上部设置有两个固定孔，分别用来安装两个摆臂8，使左右两个摆臂8可以绕齿轮架1上部的固定孔中心自由摆动；两个驱动臂7一端的孔通过短轴分别与下方相应的四级减速输出齿轮6齿面的安装孔实现旋转连接，两个驱动臂7另一端的孔通过短轴分别与上方对应摆臂8的远端固定孔实现旋转连接，从而使得两个四级减速输出齿轮6可以通过两个驱动臂7带动两个摆臂8实现上下往复运动。摆臂8的外端设置有翅膀固定孔9，用于插接翅膀E，带动翅膀E扑动。

上述偏转机构B如图5和图6所示，包括：活动连接件10、控制杆固定孔11、第一控制杆12、第一舵机固定架13、第一直线舵机14、第一卡槽15、碳纤维杆16、第一螺杆17及螺杆连接孔18。

其中，第一螺杆17穿过活动连接件10与齿轮架1上的螺杆连接孔18固联，从而实现活动连接件10与齿轮架1间的旋转连接；活动连接件10、第一舵机固定架13以及下方插件通过碳纤维杆16插接，组成扑翼飞行机器人机体结构，在机体结构固定不动时，整个驱动机构A可以绕偏转轴心偏转；第一直线舵机14安装在第一舵机固定架13上，第一卡槽15固定在第一直线舵机14的舵机臂上，第一控制杆12一端穿过第一卡槽15上的方形通孔与第一卡槽15连接，另一端***到齿轮架1上的控制杆固定孔11中使之与齿轮架1固联，这样当第一直线舵机14的舵机臂往复运动时，便可以通过第一控制杆12带动整个驱动机构A偏转，进而带动翅膀E绕第一螺杆17左右偏转。

上述尾翼控制机构C如图7和图8所示，其包括尾翼左右偏移控制机构和尾翼上下翘动控制机构两部分，分别用于控制尾翼F的左右偏移和上下翘动；

其中，尾翼左右偏移控制机构包括：第二舵机安装座19、第二直线舵机20、第二卡槽21、第二控制杆22及第二螺杆32；尾翼上下翘动控制机构包括：第三舵机安装座23、第三直线舵机24、舵机臂连接件25、滑接件26、第三控制杆27、碳纤维连接杆28、尾翼安装架29、尾翼连接架30及尾翼插孔31；

其中，第二螺杆32穿过第二舵机安装座19的通孔与第三舵机安装座23固联，以实现第二舵机安装座19与第三舵机安装座23的旋转连接；机体碳纤维杆16与第二舵机安装座19插接，从而使第三舵机安装座23可以绕第二螺杆32左右偏转；第二直线舵机20安装在第二舵机安装座19上，第二卡槽21固定在第二直线舵机20的舵机臂上，第二控制杆22一端穿过第二卡槽21的方形通孔，另一端***第三舵机安装座23的下部圆孔中，与第三舵机安装座23固连，从而使第三舵机安装座23后面的整个机构，也即尾翼上下翘动控制机构可以在第二直线舵机20的控制下绕第二螺杆32左右偏转；

第三直线舵机24安装在第三舵机安装座23上，舵机臂连接件25固定安装在第三直线舵机24的舵机臂上，滑接件26的圆孔与舵机臂连接件25的圆孔同心连接，从而实现滑接件26与舵机臂连接件25的旋转连接；尾翼安装架29通过碳纤维连接杆28与第三舵机安装座23固联，尾翼连接架30的圆孔与尾翼安装架29的圆孔同心连接，从而实现尾翼连接架30与尾翼安装架29间的旋转连接；第三控制杆27一端穿过滑接件26的通孔，另一端***尾翼连接架30中，从而实现尾翼连接架30与滑接件26之间的连接；使得尾翼连接架30可以在第三直线舵机24的控制下绕尾翼安装架29的圆孔轴心上下翘动，这样便可通过两个直线舵机分别控制尾翼F左右偏转及上下翘动；尾翼连接架30外端的尾翼插孔31通过***碳纤维杆铺设尾翼平面。

上述第一直线舵机14、第二直线舵机20及第三直线舵机24所用的直线舵机如图4所示，其包括四个舵机安装固定孔a、舵机臂b及滑槽c，舵机臂b根据控制信号可在滑槽c中滑动；其中，第一直线舵机14及第二直线舵机20均为如图4中(a)所示的L型直线舵机，第三直线舵机24为如图4中(b)所示的R型直线舵机。

进一步地，本实施例的仿生扑翼飞行机器人还包括飞控板和角度传感器；其中，角度传感器用于检测仿生扑翼飞行机器人的飞行姿态，飞控板用于接收遥控器指令信号和角度传感器检测到的飞行姿态信息，并通过控制程序控制驱动机构A、偏转机构B及尾翼控制机构C，实现对仿生扑翼飞行机器人的运动和姿态控制。

具体地，在本实施例的扑翼飞行机器人的控制方式上，通过水平安装姿态传感器实时检测扑翼飞行机器人滚转角，通过飞控板的控制系统设定滚转角度，采用一定的反馈控制算法通过控制偏转机构B中的第一直线舵机14可以实现扑翼飞行机器人的姿态自稳；通过控制尾翼控制机构C中的第二直线舵机20和第三直线舵机24可以实现对扑翼飞行机器人偏航角及俯仰角的控制。

本发明利用空心杯直流电机和0.5模齿轮设计了适合50-60cm翼展的小扑翼飞行机器人使用的驱动机构，用于驱动左右两个翅膀高频扑动产生主动力；并在此基础上利用直线舵机设计了偏转机构，用于控制驱动机构绕扑翼飞行机器人的中心轴线左右摆动，从而带动翅膀偏转，改变扑翼气动力的方向，实现了扑翼产生的气动力方向可调节，增强了飞行机器人的灵活性；通过尾翼控制机构控制尾翼左右、上下摆动，实现扑翼飞行机器人飞行方向及俯仰姿态的控制；通过飞控板接收遥控器指令信号和角度传感器信息，与驱动机构及三个直线舵机相连，控制相关机构运动实现对扑翼飞行机器人的运动和姿态控制。

其中的驱动机构具有结构简单、稳定性强、强度高的优点，多级齿轮设计不仅用小尺寸实现了较大减速比，而且用塑料材料加工零件还可以在保证强度的基础上极大地减轻重量，适用于为50cm-60cm小翼展重量60g左右的扑翼飞行机器人提供动力。独特设计的偏转机构可以直接改变驱动机构通过振翅所产生气动力的方向，增加了扑翼飞行机器人的可控量，配合控制电路可以实现对扑翼飞行机器人更好的控制；精密具有双自由度的尾翼控制机构能够保证对尾翼实现左右偏转、上下翘动角度的精确稳定控制，其不仅质量轻，更适合小型扑翼飞行机器人使用，而且可控性好，位置输出控制稳定。

此外，需要说明的是，在本文中，诸如第一、第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

而且，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。