1.本发明属于机械设计领域，涉及一种可悬停式微型仿生双扑翼飞行机器人，。
背景技术：2.可悬停式扑翼飞行机器人是基于可悬停飞行鸟类或昆虫的仿生机器人，其具有体积小、伪装性好，机动性高，噪声小，飞行效率高等优点。微型仿生扑翼飞行机器人在多方面展现出了其更优越的性能，因此具有非常广阔的应用前景。目前的微型仿生扑翼飞行机器人机构复杂，整体重量较高，导致机器人的飞行机动性差，飞行效率低下，同时一些机器人机构自由度单一，气动力较差，不能实现复杂的机动飞行。
技术实现要素：3.本发明针对上述机构在执行飞行运动过程中存在的问题和不足，提出了一种可悬停式微型仿生双扑翼飞行机器人，该机器人能够同时实现多种姿态变换与飞行功能，具有结构紧凑、体积小、质量轻、机动灵活等特点。本发明在于针对现有微型仿生扑翼飞行机器人的一些问题与不足进行解决与改进，提出了一种可悬停式微型仿生双扑翼飞行机器人的整体设计方案。
4.本发明可悬停式微型仿生双扑翼飞行机器人，包括主机架两侧安装左侧扑动机构、右侧扑动机构。
5.左侧扑动机构与右侧扑动机构结构相同，均由支撑架和支撑架上安装的空心杯电机、电机齿轮、双联齿轮、偏置齿轮、偏置曲柄、滑动摇杆以及翅根连接件和仿生翼构成；其中空心杯电机输出轴上安装电机齿轮，电机齿轮与双联齿轮的大直径齿轮啮合；双联齿轮的小直径齿轮与两个相互啮合的偏置齿轮中任意一个啮合。
6.所述偏置曲柄为两个，末端分别与两个偏执齿轮同轴固定；两个偏置曲柄的前端同轴设计有滑动轴。两个偏置曲柄的前端上的滑动轴分别穿过两根滑动摇杆轴向上开设的滑槽后，形成滑动副。两根滑动摇杆末端分别安装于机架上形成转动副；两根滑动摇杆前端安装有翅根连接件连接仿生翼。
7.首先由电池向飞控板供电，由飞控板驱动空心杯电机与两个直线舵机运动。在运动过程中，先由空心杯电机产生动力，电机齿轮进行动力输出，接着由双联齿轮将动力传送到偏置齿轮上，驱动偏置齿轮运动，两个偏置齿轮互相啮合相对转动，分别带动固连的偏置曲柄f转动，使滑动摇杆上的滑动轴在滑槽内运动，带动滑动摇杆摆动，最终使滑动摇杆末端的仿生翼随之进行扑动运动。由于两个偏置齿轮互相啮合，转速相同，方向相反，所以两个仿生翼对称运动，两者重合及打开时利用clap
‑
fling机制产生较大气动力。
8.上述左侧扑动机构与右侧扑动机构通过主机架前部左右方向设置的连接轴两端，通过控制机构带动左侧扑动机构与右侧扑动机构绕连接轴轴线进行旋转，实现扑动平面的角度变化，进行偏航与俯仰运动。
9.本发明优点在于：
10.(1)本发明可悬停式微型仿生双扑翼飞行机器人，机构紧凑，体积小巧，结构简单，能够实现仿生扑翼功能；
11.(2)本发明可悬停式微型仿生双扑翼飞行机器人，大部分零部件采用3d打印技术与碳纤维加工制成，提高了机体强度，实现整机轻量化，易于迭代优化；
12.(3)本发明可悬停式微型仿生双扑翼飞行机器人，采用了双对扑翼，利用clap
‑
fling高升力机理，实现高升力飞行与高超机动性；
13.(4)本发明可悬停式微型仿生双扑翼飞行机器人，采用了基于导杆机构的扑动机构，机构运行效率高，结构简单；
14.(5)本发明可悬停式微型仿生双扑翼飞行机器人，采用了主动旋转的控制机构设计，利用直线舵机与曲柄滑块机构设计控制机构4，翅膀扭转角度大，使飞行机动灵活；
附图说明
15.图1是本发明可悬停式微型仿生双扑翼飞行机器人整体结构示意图；
16.图2是本发明可悬停式微型仿生双扑翼飞行机器人中主机架结构示意图；
17.图3是本发明可悬停式微型仿生双扑翼飞行机器人中单侧扑动机构结构示意图；
18.图4是本发明可悬停式微型仿生双扑翼飞行机器人中单侧扑动结构局部放大图；
19.图5是本发明可悬停式微型仿生双扑翼飞行机器人中控制机构结构示意图。
20.图中：
[0021]1‑
主机架
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ2‑
左侧扑动机构
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ3‑
右侧扑动机构
[0022]4‑
控制机构
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ5‑
供电与控制系统
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
401
‑
直线舵机
[0023]
402
‑
驱动连杆
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
a
‑
支撑架
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
b
‑
空心杯电机
[0024]
c
‑
电机齿轮
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
d
‑
双联齿轮
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
e
‑
偏置齿轮
[0025]
f
‑
偏置曲柄
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
g
‑
滑动摇杆
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
h
‑
翅根连接件
[0026]
i
‑
仿生翼
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
j
‑
前缘肋条
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
k
‑
根部肋条
[0027]
l
‑
支撑肋
具体实施方式
[0028]
下面将结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。
[0029]
本发明可悬停式微型仿生双扑翼飞行机器人，如图1所示，包括主机架1、左侧扑动机构2、右侧扑动机构3、控制机构4和供电与控制系统5。
[0030]
如图2所示，所述主机架1为镂空框架结构，有效减小机器人整体重量。主机架1中部设计有安装位安装控制机构4，后部设计有安装位安装供电与控制系统5。主机架1前部设计为锥形结构，减小飞行阻力；同时主机架1前部还开有安装孔，安装孔处安装有左右方向设置的连接轴，该连接轴两端分别用于连接左侧扑动机构2与右侧扑动机构3。
[0031]
所述左侧扑动机构2与右侧扑动机构3结构相同，分别以相同方式安装于主机架1左右两侧，用于带动仿生翼i进行扑动运动，利用仿生翼i的柔性变形产生气动力和气动力矩，实现机器人的垂飞与滚转动作。如图3所示，左侧扑动机构2与右侧扑动机构3均由支撑架a、空心杯电机b、电机齿轮c、双联齿轮d、偏置齿轮e、偏置曲柄f、滑动摇杆g、翅根连接件h与仿生翼i构成。
[0032]
如图4所示，其中，支撑架a上开有电机安装槽位，空心杯电机b通过过盈配合固定安装于电机安装槽位内。空心杯电机b的输出轴上安装有电机齿轮c。机架上还安装有两个偏置齿轮e与一个双联齿轮d。两个偏置齿轮e间相互啮合，双联齿轮d中小直径齿轮与其中一个偏置齿轮e啮合，同时双联齿轮d中的大直径齿轮与电机齿轮c啮合；且上述各齿轮之间的啮合需保证平行度，保证运动平稳性和精准性。
[0033]
所述偏置曲柄f为两个，末端为大曲率端，分别同轴固定安装于两个偏执齿轮外侧面，使偏置曲柄f可随偏置齿轮e一同转动。两个偏置曲柄f的前端为小曲率端，小曲率端外端面同轴设计有滑动轴，用于连接滑动摇杆g。
[0034]
所述滑动摇杆g为两根，末端分别通过转轴轴接于机架上设计的两个连接柱端部，形成转动副。两个偏置曲柄f的小曲率端上的滑动轴分别穿过两根滑动摇杆g轴向上开设的滑槽后，形成滑动副，并通过滑动轴端部设计的限位头部限制滑动轴滑动摇杆g与偏置曲柄f间的定位，保证两个滑动摇杆g轴线夹角中分线与两个偏置齿轮e转轴轴线的垂直平分线重合，由此保证两根滑动摇杆g转动角度相同，进而保证两根滑动摇杆g所连接的仿生翼i扑动角度相同；且上述两根滑动摇杆g转动的极限位置为滑动摇杆g轴线与该垂直平分线平行。由此通过电机驱动电机齿轮c转动，即可由双联齿轮d带动两个偏置齿轮e反向转动，进而使两个偏置曲柄f的小曲率端上滑动轴分别沿两根滑动摇杆g上的滑槽滑动，最终带动两根滑动摇杆g绕各自末端转轴轴线相对或相反转动。
[0035]
所述翅根连接件h安装于两根滑动摇杆g的前端，具有与滑动摇杆g同轴设计的翅膀连接筒，用于连接仿生翼i。两根滑动摇杆g上的仿生翼i在滑动摇杆g的转动下实现相对或相反方向扑动。上述仿生翼i具有柔性翼模，扑动过程中会发生柔性变形。翼模的前缘具有前缘肋条j，根部具有根部肋条k，前缘肋条与根部肋条间还安装有多根支撑肋l，用于维持仿生翼i的构型，如图3所示。其中前缘肋条j的根部同轴插接固定于前述翅膀连接筒内，根部肋条k与主机架1间相连。
[0036]
上述结构的左侧扑动机构2与右侧扑动机构3通过在支撑架a上设计的连接筒分别插接于主机架1前部连接轴左右两端，电机输出轴及各个齿轮的转轴轴线均沿前后方向。位于主机架1同侧的仿生翼i的根部肋条k沿前后方向设置，并与主机架1侧部间通过设计加强肋定位。
[0037]
上述左侧扑动机构2与右侧扑动机构3中，偏置齿轮e、偏置曲柄f、滑动摇杆g均有定位安装孔，通过各杆件之间的长度配合以及滑槽长度等关系来满足滑动摇杆摆动角度即翅膀扑动角度的要求。同时支撑架a、翅根连接件h均采用高性能尼龙由3d打印制成，偏置曲柄f、滑动摇杆g采用碳纤维板加工而成，模块紧凑且实现轻量化。
[0038]
所述控制机构4具有两个直线舵机401，分别安装于主机架1左右两侧，过驱动连杆402连接左侧扑动机构2与右侧扑动机构3，实现左侧扑动机构2与右侧扑动机构3绕连接轴轴线转动控制，使仿生翼i扑动平面发生变化，产生俯仰与偏航扭矩，实现两个姿态的运动。上述左侧扑动机构2与右侧扑动机构3的控制方式如下：
[0039]
如图5所示，直线舵机401通过螺栓与主机架1间固定，使舵机臂沿前后方向移动。驱动连杆402沿前后方向设置，末端向上弯折与舵机臂间相连，形成转动副。驱动连杆402前端向外侧弯折后与支撑架a顶部设计的凸耳间相连形成转动副。由此，通过控制直线舵机401的舵机臂进行直线运动，可带动驱动连杆402绕驱动连杆402末端与舵机臂间的转动副
旋转，进一步由驱动连杆402前端带动机架绕连接轴14轴线进行旋转，实现扑动平面的角度变化，进行偏航与俯仰运动。通过这种方式将行程较小的直线运动转化为行程较大的旋转运动，提高了控制范围与控制精度。
[0040]
所述供电与控制系统5用于向左侧扑动机构2、右侧扑动机构3及控制机构4供电，并且获取机器人姿态数据并发送控制信号给左侧扑动机构2、右侧扑动机构3与控制机构4。供电与控制系统5包括电池、电池座与飞控板。其中，电池座与飞控板均固定安装于主机架1上，电池座上固定安装电池，由电池向飞控板供电；飞控板通过接口连接左侧扑动机构2与右侧扑动机构3中的空心杯电机b、以及控制机构4中的两个直线舵机401，通过检测机器人飞行姿态变化，进而控制空心杯电机b转速与直线舵机401运动方向，实现机器人飞行过程中的姿态调控。
[0041]
所述的可悬停式微型仿生双扑翼飞行机器人运动方式如下：
[0042]
首先由电池向飞控板供电，由飞控板驱动空心杯电机b与两个直线舵机401运动。在运动过程中，以单侧的扑动运动过程为例：先由空心杯电机b产生动力，电机齿轮c进行动力输出，接着由双联齿轮d将动力传送到偏置齿轮e上，驱动偏置齿轮e运动，两个偏置齿轮e互相啮合相对转动，分别带动固连的偏置曲柄f转动，使滑动摇杆g上的滑动轴在滑槽内运动，带动滑动摇杆g摆动，最终使滑动摇杆g末端的仿生翼i随之进行扑动运动。由于两个偏置齿轮e互相啮合，转速相同，方向相反，所以两个仿生翼i对称运动，两者重合及打开时利用clap
‑
fling机制产生较大气动力。
[0043]
当左侧扑动机构2与右侧扑动机构3中的空心杯电机b转速不同时，两侧的仿生翼i产生大小不同，方向向上的升力，同时产生围绕质心的滚转扭矩，实现滚转运动；同样以单侧的控制运动过程为例：先由直线舵机401产生动力，舵机臂推动驱动连杆402转动，驱动连杆402另一端带动支撑架a随之围绕连接轴转动，使两个仿生翼i的扑动平面发生变化，产生向前或向后以及向上的气动力，同时产生围绕机器人质心的扭矩，进而实现俯仰和偏航运动。机架两侧仿生翼i的扑动平面可以独立控制，两者同向转动，可以产生同一侧的气动力，该气动力可以分解为向前与向上两个方向；该气动力围绕机体重心形成转矩，为俯仰扭矩，产生俯仰运动；两侧扑动平面反向转动，则产生方向相反的气动力矩，此时为偏航扭矩，产生偏航运动。