专利名称：铰接式双旋翼飞行机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机器人技术领域的装置，具体地说，是涉及一种铰接式双旋翼飞行机器人。
背景技术：
现有的旋翼飞行机器人大多采用直升机结构，这对其自身尺寸的微型化带来了十分不利的影响。有人直升机的旋翼操纵机构非常复杂，尤其是它的核心部件——自动倾斜器的结构更为复杂。对于一般无人直升机来说，由于载重量有限，结构相对比较简单，在旋翼的操纵机构上做了一定的简化。微小型飞行机器人的载重量很小，甚至需要以克来衡量，仅对它进行进一步的简化和对旋翼操纵机构的简单缩小还是很难完全达到设计目标。由于在设计微小型旋翼飞行机器人的操纵机构时，由微型高速轴承、减速机构等部件组成的传动与旋翼操纵机构的复杂部件在尺寸很小时将大大增加加工难度，导致加工成本大幅度增高，而且极有可能出现某些部位强度不够等问题。尤其是对以悬停和超低速运动(以下简称超低速)为主要工况的作业要求来说，现有成熟技术所暴露的不足则更加明显，这主要体现为在这种状态下用于飞行控制的自动倾斜器的功能/机构复杂度比值大大降低。
经对现有技术的文献检索发现，清华大学吕俊刚等(清华大学学报2002年第42卷第11期，第1484页至1487页，文章的名称“微型无人直升机旋翼操纵机构设计及分析”)提出利用惯性力作用和材料弹性性能的微型无人直升机旋翼操纵机构，它通过电机的瞬间加速，利用旋翼桨叶的惯性力，使弹性连杆变形来达到控制旋翼从而取代自动倾斜器的目的。该结构简单，附加重量轻，解决了由于采用自动倾斜器所带来的不足，但是，存在着实际控制效果依赖于电机特性的不足，每台电机的机械常数和电气常数并不相同，产生的滞后效应具有不一致性，飞行控制存在着不确定因素。同时，所采用的弹性体结构也加剧了这种不确定性。此外，现有的四旋翼均布式两两反转结构的飞行机器人虽然也摆脱了自动倾斜器，但是其存在着尺寸小型化困难以及能耗大等不足。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种铰接式双旋翼飞行机器人，使其通过机身铰接而不需要自动倾斜器，且结构简单，重量轻，降低了成本，而且特别适用于特殊用途的飞行机器人设计。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括左、右旋翼，左、右旋翼驱控器，左、右副翼，虎克铰，虎克铰驱控器，姿态传感器，机体，动力源。左旋翼和左旋翼驱控器直接固定在左副翼上，右旋翼和右旋翼驱控器直接固定在右副翼上，左副翼和右副翼通过虎克铰铰接在一起，其相对间的位置由虎克铰驱控器根据姿态传感器的信号及外部的动作指令，自动生成虎克铰驱动指令并执行。在左副翼和右副翼的下侧安装着机体，姿态传感器安装在机体的中央，动力源安装在机体的下部。
虎克铰驱控器安装在左、右副翼的交界处，其输出端和固定端分别与左副翼和右副翼连接，可使左副翼和右副翼沿其共有轴线实现270°的相对转动。虎克铰驱控器根据安装在机体中心的姿态传感器信号和操作人员的飞行控制指令对左、右副翼之间的夹角进行自动控制，以保持飞行机器人在悬停状态时的悬停稳定，并使得机器人按照指令飞行，以完成各类作业需求。
本发明具有能分别独立控制旋转速度的左、右旋翼和一个位置可控的虎克铰式关节，结构简单，减轻了整体重量；运动无耦合，便于实现自动控制以及提高系统的可靠性，同时，可避免传统直升飞机总变距和周期变距的复杂飞行控制系统，大大降低飞行机器人的制作成本和微型化难度，并可有效降低飞行噪声、延长旋翼桨叶的使用寿命；此外，本发明拆卸容易，组装方便，适合于个人携带。
本发明自动化程度高，结构简单，附加重量轻，可以充分利用旋翼转动所产生的升力，在实现取代自动倾斜器的同时，虎克铰关节和左、右旋翼三个电机的独立控制使得该飞行机器人的运动灵活，本发明尤其适合于狭窄空间和悬停工况的飞行作业，可从根本上改善现有微小型飞行机器人的设计模式。
图1为本发明结构示意图具体实施方式
如图1所示，本发明包括虎克铰驱控器1、虎克铰2、左副翼3、左旋翼驱控器4、左旋翼5、右旋翼6、右旋翼驱控器7、右副翼8、姿态传感器9、机体10及动力源11。连接关系为左旋翼5和左旋翼驱控器4直接固定在左副翼3上，右旋翼6和右旋翼驱控器7直接固定在右副翼8上，左副翼3和右副翼8通过虎克铰2铰接在一起，其相对间的位置由虎克铰驱控器1根据姿态传感器9的信号及外部的动作指令，自动生成虎克铰驱动指令并执行。在左副翼3和右副翼8的下侧安装着机体10，姿态传感器9安装在机体10的中央，动力源11安装在机体10的下部。
左旋翼驱控器4和右旋翼驱控器7均为直流电机，都采用PWM方式控制，左旋翼5、右旋翼6分别与左旋翼驱控器4、右旋翼驱控器7的输出端固联。
虎克铰驱控器1安装在左、右副翼3、8的交界处，其输出端和固定端分别与左副翼3和右副翼8连接，可使左副翼3和右副翼8沿其共有轴线实现270°的相对转动。虎克铰2可绕其旋转轴实现270°的转动。本发明通过左旋翼5、右旋翼6的协调动作，实现飞行机器人Yaw方向自由度的姿态控制；通过虎克铰2的角度控制，实现飞行机器人Pitch、Roll方向自由度的姿态控制。
虎克铰驱控器1根据安装在机体10上的姿态传感器9所传回的信号对虎克铰2的角度进行自动控制，以保持飞行机器人在悬停状态时的悬停稳定。同时，它又可以通过无线通讯同外部进行数据交换，根据操作人员的飞行控制指令自动调节虎克铰2的角度，从而保证机器人按照遥控指令飞行，以完成各类作业需求。
工作时，虎克铰2的角度处于预先设置的初始状态，先使左旋翼5和右旋翼6转动，并逐步增大它们的旋转速度，当机体基本离开地面时，虎克铰驱控器1根据姿态传感器9的信号生成驱动指令并驱动虎克铰2转动一定角度、通过对左副翼3和右副翼8之间的角度调节，达到飞行机器人的姿态平衡，继续提高左旋翼5和右旋翼6的回转速度，飞行机器人加速上升，整个过程中虎克铰驱控器1不断根据姿态传感器9的信号调节虎克铰2的角度，使飞行机器人始终维持在稳定状态，并通过左旋翼5和右旋翼6的协调动作，生成外部操作指令所要求的运动轨迹。
权利要求
1.一种铰接式旋翼飞行机器人，包括虎克铰驱控器(1)、虎克铰(2)、左副翼(3)、左旋翼驱控器(4)、左旋翼(5)、右旋翼(6)，右旋翼驱控器(7)，右副翼(8)，姿态传感器(9)、机体(10)及动力源(11)，其特征在于，左旋翼(5)和左旋翼驱控器(4)直接固定在左副翼(3)上，右旋翼(6)和右旋翼驱控器(7)直接固定在右副翼(8)上，左副翼(3)和右副翼(8)通过虎克铰(2)铰接在一起，其相对位置由虎克铰驱控器(1)根据姿态传感器(9)的信息和外部的遥控指令自动生成虎克铰驱动指令来控制，姿态传感器(9)设置在机体(10)上，动力源(11)设在机体(10)的下部。
2.根据权利要求1所述的铰接式双旋翼飞行机器人，其特征是，左旋翼驱控器(4)和右旋翼驱控器(7)均为直流电机，都采用PWM方式控制。
3.根据权利要求1所述的铰接式双旋翼飞行机器人，其特征是，左旋翼(5)、右旋翼(6)分别与左旋翼驱控器(4)、右旋翼驱控器(7)的输出端固联。
4.根据权利要求1所述的铰接式双旋翼飞行机器人，其特征是，虎克铰驱控器(1)设在左、右副翼(3、8)的交界处，其输出端和固定端分别与左副翼(3)和右副翼(8)连接。
5.根据权利要求1所述的铰接式双旋翼飞行机器人，其特征是，虎克铰(2)能绕其旋转轴实现270°的转动，通过对虎克铰(2)的角度控制，实现飞行机器人Pitch、Roll方向自由度的姿态控制。
6.根据权利要求1或者3所述的铰接式双旋翼飞行机器人，其特征是，虎克铰驱控器(1)根据安装在机身(10)上的姿态传感器(9)所传回的信号对虎克铰(2)的角度进行自动控制。
7.根据权利要求1或者3所述的铰接式双旋翼飞行机器人，其特征是，虎克铰驱控器(1)通过无线通讯外界进行数据交换，根据操作人员的飞行控制指令自动调节虎克铰(2)的角度。
全文摘要
一种机器人技术领域的铰接式双旋翼飞行机器人，包括虎克铰驱控器、虎克铰、左副翼、左旋翼驱控器、左旋翼、右旋翼，右旋翼驱控器，右副翼，姿态传感器、机体及动力源，左旋翼和左旋翼驱控器直接固定在左副翼上，右旋翼和右旋翼驱控器直接固定在右副翼上，左副翼和右副翼通过虎克铰铰接在一起，其相对间的位置由虎克铰驱控器根据姿态传感器的信息和外部的遥控指令自动生成虎克铰驱动指令来控制，姿态传感器设置在机体上，动力源设在机体的下部。本发明自动化程度高，结构简单，附加重量轻，可以充分利用旋翼转动所产生的升力，运动灵活，尤其适合于狭窄空间和悬停工况的飞行作业，可从根本上改善现有微小型飞行机器人的设计模式。
文档编号A63H27/127GK1807185SQ20061002408
公开日2006年7月26日 申请日期2006年2月23日 优先权日2006年2月23日
发明者顿向明 申请人:上海交通大学