本发明涉及飞行器技术领域，更具体地，涉及一种扑翼飞行机器人驱动器及扑翼飞行机器人。
背景技术
扑翼飞行机器人(flapping-wingaerialvehicles)作为一种新兴的仿生飞行机器人，它是一种通过模仿昆虫以及鸟类的飞行方式而制造的仿生机器人，具有效率高、质量轻、机动性强、能耗低等显著优点，在国防军事以及民用领域都具有广阔的应用前景。
扑翼飞行机器人存在机身尺寸小，载荷低等不利限制，现有的扑翼飞行机器人多采用曲柄摇杆机构、压电材料、电磁和化学肌肉等作为驱动方式。其中曲柄摇杆机构能够较好模拟昆虫或鸟类的翼面挥拍运动同时具有结构相对简单能源利用效率高等优点，可以使扑翼飞行机器人获得较高的前飞速度。曲柄摇杆机构可分为单曲柄摇杆和双曲柄摇杆，单曲柄摇杆采用最简单的非对称挥拍运动，这种因机构固有特性导致的非对称性会致使拍翼两侧始终存在一个相位差，导致运动过程中左右翼面的挥拍运动不对称，影响扑翼微飞行机器人的稳定性因而实用性具有一定限制。双曲柄摇杆驱动器虽可实现对称扑动，但其存在结构难以紧凑，摩擦较大等问题。因此，需要提出一种新的扑翼驱动机构，解决现有技术中扑翼驱动机构的相关问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种扑翼飞行机器人驱动器及扑翼飞行机器人。
本发明提供了一种扑翼飞行机器人驱动器，包括底座，还包括：
齿轮组，设置于所述底座的上层；
两组扑翼连杆，设置于所述设置于所述齿轮组的上层，两组所述扑翼连杆铰接于扑翼铰链点；
直线约束机构，限制所述扑翼铰链点于竖直方向运动；
驱动连杆，一端与所述齿轮组铰接，另一端与所述扑翼铰链点铰接；所述驱动连杆驱动所述扑翼铰链点延竖直方向往复运动时，两组所述扑翼连杆进行拍打运动，并且拍打角度相位差为零。
进一步来说，所述的扑翼飞行机器人驱动器中，
所述直线约束机构包括：
第一长杆，第二长杆，第一短杆和第二短杆；
所述第二长杆与所述底座固定；
其中所述第一长杆的第一端和所述第二长杆的第一端通过所述第一短杆铰接，所述第一长杆的中点通过所述第二短杆与所述第二长杆的第二端铰接，所述第一长杆的第二端与所述扑翼铰链点连接。
进一步来说，所述的扑翼飞行机器人驱动器中，
所述第一短杆和第二短杆的长度相等，为所述第一长杆长度的二分之一。
进一步来说，所述的扑翼飞行机器人驱动器中，还包括驱动电机；
所述齿轮组包括：
与所述驱动电机的输出轴连接的一级减速小齿轮；
与所述底座铰接的一级减速大齿轮，与所述一级减速小齿轮啮合；
二级减速小齿轮，与所述一级减速大齿轮共轴设置；
与所述底座铰接的二级减速大齿轮，与所述二级减速小齿轮啮合；
所述驱动连杆的一端与所述二级减速大齿轮铰接。
进一步来说，所述的扑翼飞行机器人驱动器中，
每组所述扑翼连杆包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆与所述底座铰接，每组所述扑翼连杆的所述第一连杆和所述第二连杆铰接，两组所述扑翼连杆的两个所述第二连杆铰接于所述扑翼铰链点。
本发明提供了一种扑翼飞行机器人，包括根据以上任意一项所述的扑翼飞行机器人驱动器。
进一步来说，所述的扑翼飞行机器人中，
还包括：机翼，与所述扑翼飞行机器人驱动器的扑翼连杆连接；
所述机翼包括机翼骨架和机翼覆膜，所述机翼骨架的材质为碳纤维，所述机翼覆膜的材质为氯化聚乙烯。
进一步来说，所述的扑翼飞行机器人中，
所述扑翼飞行机器人还包括：
机身，所述机身包括两个平行设置的碳纤维杆，两个所述碳纤维杆的端部通过一个连接件连接，所述连接件上设置有尾翼安装孔。
进一步来说，所述的扑翼飞行机器人中，
所述扑翼飞行机器人还包括：尾翼；
所述尾翼包括两个尾翼骨架，所述尾翼骨架与所述尾翼安装孔连接；所述尾翼骨架上覆盖有尾翼覆膜，所述尾翼骨架的材质为碳纤维，所述尾翼覆膜的材质为氯化聚乙烯。
进一步来说，所述的扑翼飞行机器人中，
所述尾翼上设置有方向舵和舵面，所述方向舵驱动所述舵面转动。
本发明的有益效果：本发明实施例中的扑翼飞行机器人驱动器，两个输出的扑翼连杆不存在相位滞后，消除了不平衡的转向力矩，提升转向性能，延长机构的寿命周期。改进的连杆机构将铰链点重合，摆动角没有约束，从而使机构能够实现较大的拍动角，提升飞行性能。本发明实施例中扑翼飞行机器人驱动器的机构紧凑，确保了装置的稳定性，重量较轻，提高了拍动运动特性，适合在微型扑翼飞行机器人上使用。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1表示发明实施例中扑翼飞行机器人驱动器的结构示意图；
图2表示发明实施例中扑翼飞行机器人驱动器的底座的结构示意图；
图3表示发明实施例中扑翼飞行机器人驱动器的齿轮组的结构示意图；
图4表示发明实施例中扑翼飞行机器人驱动器的连杆结构的关系示意图；
图5表示发明实施例中扑翼飞行机器人驱动器的直线约束机构的关系示意图；
图6表示发明实施例中包括扑翼飞行机器人驱动器的扑翼飞行机器人的结构示意图；
图7表示发明实施例中扑翼飞行机器人的机翼的结构示意图；
图8表示发明实施例中扑翼飞行机器人的机身的结构示意图；
图9表示发明实施例中扑翼飞行机器人的尾翼的结构示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
参照图1至图5所示，本发明的实施例中提供了一种扑翼飞行机器人驱动器，包括底座100，还包括：
齿轮组200，设置于底座100的上层；
两组扑翼连杆500，设置于所述设置于所述齿轮组的上层，两组所述扑翼连杆铰接于扑翼铰链点400；
直线约束机构300，限制所述扑翼铰链点于竖直方向运动；
驱动连杆600，一端与所述齿轮组200铰接，另一端与所述扑翼铰链点400铰接；驱动连杆600驱动扑翼铰链点400延竖直方向往复运动时，两组扑翼连杆500进行拍打运动，并且拍打角度相位差为零。
扑翼飞行机器人驱动器的功能为将无刷电机的旋转输出转化为驱动扑翼飞行机器人的两组扑翼连杆500的线性输出，用来控制其左右两翼的拍打运动，从而产生升推力来使其完成飞行动作。
具体来说，底座100是整个扑翼飞行机器人驱动器的基础，它的上面留有固定孔与轴孔，用于安装电机、转轴和齿轮组200，并为直线约束机构300(evans机构)提供安装孔等。
其中上方两个连杆通孔1和连杆通孔2为扑翼连杆500的固定轴提供安装位置。中间四个孔电机固定孔3、电机固定孔4、电机固定孔5和电机固定孔6实现对电机的固定。电机轴孔7可以使得驱动电机的轴伸出，齿轮组轴孔8和齿轮组轴孔9用于铰接齿轮。第二长杆304为直线约束机构300(evans机构)提供安装位置。
进一步来说，直线约束机构300(evans机构)包括：
第一长杆301，第二长杆304，第一短杆302和第二短杆303；
其中第二长杆304与底座100上的固定；其中第一长杆301的第一端和第二长杆304的第一端通过第一短杆302铰接，第一长杆301的中点通过第二短杆302与第二长杆304的第二端铰接，第一长杆301的第二端与扑翼铰链点400连接。
进一步来说，所述的扑翼飞行机器人驱动器中，第一短杆302和第二短杆303的长度相等，为第一长杆301长度的二分之一。
evans机构原理如图5所示，是一种机构简单的实现直线运动的机械结构。第一长杆301为ac，第二长杆304为de、第一短杆302为cd以及第二短杆303位be。d、e点固定，a、b、c均为可活动点。其中de杆通过底盘延伸部分形成，且与水平面呈固定夹角β。be、cd、ac作为滑动杆，将运动点a与上述扑翼铰链点400连接，即可实现铰链点在粗实线范围内竖直运动。其满足如下条件：
ab＝bc＝be＝cd＝1/2de,∠β＝30°
其中，扑翼连杆500和驱动连杆600组成的四连杆和evans机构的配合如图4所示，四连杆机构实现将齿轮旋转运动转换为机翼拍打运动，为实现机翼对称拍打，必须保证q点(扑翼铰链点)能够竖直运动，但由于没有约束装置，四连杆机构本身在运动过程中会随着齿轮旋转而产生偏移，无法实现对称扑动。而evans机构能够实现扑翼铰链点在一定范围内的竖直运动，因此将a点与q点连接，实现同步运动。
每组所述扑翼连杆500包括第一连杆501和第二连杆502，第一连杆501与底座100的连杆通孔2铰接，每组所述扑翼连杆500的第一连杆501和第二连杆502铰接，两组扑翼连杆500的两个第二连杆502铰接于扑翼铰链点400。
是在传统普通四连杆的基础上将铰链点重合至q点(扑翼铰链点)，其中连杆的长度满足如下关系式(1)：
s＝lcosα-nsinθ
t＝msinθ
由于真实世界中具有120°拍打角度的鸟类对气动特性有积极影响。我们选择θ＝60°，经实验验证，a＝20°，l＝50，可以实现紧凑的设计并表现较优良的飞行性能。
参照图1至3所示，进一步来说，扑翼飞行机器人驱动器还包括驱动电机；齿轮组包括：与驱动电机的输出轴连接的一级减速小齿轮11；与底座铰接的一级减速大齿轮12，与一级减速小齿轮11啮合；二级减速小齿轮13与一级减速大齿轮12共轴设置；与底座铰接的二级减速大齿轮14，与二级减速小齿轮啮合13；驱动连杆600的一端与二级减速大齿轮14铰接。
齿轮组采用二级减速标准直齿圆柱齿轮，齿轮模数为0.5。一级减速小齿轮11的齿数为10，一级减速大齿轮12的齿数为48，二级减速小齿轮13的齿数为12，二级减速大齿轮14的齿数为78。两级齿轮的配对材料相同，齿宽系数相等，如此设计的传动比可保证齿面接触强度大致相等。
综上，参照图1所示为扑翼飞行机器人驱动器整体示意图，最底层为底座100，底座100的上层配合的齿轮组200。齿轮组200的上层是直线约束机构300(evans机构)，直线约束机构300的运动点与连杆机构的铰链连接点为扑翼铰链点400。最上层为改进的扑翼连杆500和驱动连杆600组成的四连杆。驱动连杆600固定在二级减速大齿轮上，距离轴心位置为的长度d。安装上电机后，机构可实现120°拍打角度，扑翼铰链点400在10mm的行程内作竖直运动，相位差为零。
参照图6至图9所示，本发明提供了一种扑翼飞行机器人，包括根据以上任意一项所述的扑翼飞行机器人驱动器。
该实施例中的扑翼飞行机器人利用evans直线约束机制单曲柄摇杆扑翼飞行机器人驱动器，为一种占用空间小，可靠性高，可实现左右翅膀无相位差、高扑动角的驱动机构。采用改进的四连杆和evans机构的配合，消除曲柄摇杆的相位差，同时减轻机构，提高稳定性和机构的寿命周期。为进一步提升传统扑翼飞行机器人的飞行性能打下了坚实的基础。
参照图7所示，进一步来说，所述的扑翼飞行机器人中，包括：机翼，与扑翼飞行机器人驱动器的扑翼连杆连接；机翼包括机翼骨架和机翼覆膜，所述机翼骨架的材质为碳纤维，所述机翼覆膜的材质为氯化聚乙烯。机翼采用碳纤维材料和氯化聚乙烯(cpe)薄膜制作，具有结构简单，高强度，轻质等优点。其安装于扑翼飞行机器人驱动器的两个输出端，当电机旋转带动扑翼飞行机器人驱动器时扑翼飞行机器人驱动器将电机的旋转运动转化为输出端的扑动运动，带动两侧翅膀实现上下扑动，产生推力和升力。
进一步来说，扑翼飞行机器人还包括：
机身，所述机身包括两个平行设置的碳纤维杆15和碳纤维杆16，两个所述碳纤维杆的端部通过一个连接件连接，所述连接件上设置有尾翼安装孔17和尾翼安装孔18。该机身采用碳纤维材料和3d打印件制作，其作用是为机上设备与装置提供安装位置。其主要结构为平行的两根碳纤维杆15和碳纤维杆16，他们之间使用pla材料的3d打印件进行安装固定，尾翼安装孔17和尾翼安装孔18用于安装尾翼。具有抗弯，牢固，轻质等优点。进一步来说，扑翼飞行机器人还包括：尾翼；尾翼包括两个尾翼骨架19，尾翼骨架19与尾翼安装孔17和尾翼安装孔18连接；所述尾翼骨架19上覆盖有尾翼覆膜，所述尾翼骨架的材质为碳纤维，所述尾翼覆膜的材质为氯化聚乙烯。
如图9所示，尾翼上设置有方向舵22和方向舵23，舵面20和舵面21。方向舵驱动舵面转动。两个舵面相互配合可以调节扑翼飞行机器人的飞行姿态。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“a、b和c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b和c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。在使用类似于“a、b或c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b或c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。本领域技术人员还应理解，实质上任意表示两个或更多可选项目的转折连词和/或短语，无论是在说明书、权利要求书还是附图中，都应被理解为给出了包括这些项目之一、这些项目任一方、或两个项目的可能性。例如，短语“a或b”应当被理解为包括“a”或“b”、或“a和b”的可能性。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。