专利名称：一种人工肌肉与电磁混合驱动的仿蝇机器人的制作方法
技术领域：
本发明属于微型机器人技术领域，特别是涉及一种人工肌肉与电磁混合驱动的仿 蝇机器人。
背景技术：
微型飞行机器人(MAV)具有体积小、重量轻、成本低、飞行灵活等特点，在国防和 民用领域应用潜力巨大。仿生学和空气动力学的最新研究表明，当翼展小于15cm时，扑翼 飞行比固定翼和旋翼飞行更具有优势。扑翼MAV具有仿生飞行方式，可微化程度高、隐蔽性 好、飞行机动性高，其扑翼系统集举升、悬停和推进功能于一体，能以更小的能量进行更长 距离的飞行，非常适合在长时间无能源补充及相对远距离条件下执行任务，被认为是最有 发展前景的微型飞行器，但随着MAV尺寸的缩小，常规的驱动方式和传动机构不再适用现 有的采用压电陶瓷驱动微型飞行机器人取得了初步成功，但是它存在驱动电压高，产生的 位移小等缺点，制约了其在微型飞行机器人上的进一步应用。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种人工肌肉与电磁混合驱动的仿蝇机器 人。它是采用IPMC转向驱动器、电磁驱动器混合驱动及柔性机构传动，实现了机器人的飞 行及转向功能。本发明的技术方案如下本发明采用两种方案一种是两翅膀共用一组电磁驱动器和柔性传动机构包括电 磁驱动器、两个IPMC转向驱动器、第一柔性传动机构、第一支架和两个第一翅膀，电磁驱动 器的主体端固定在第一支架上，输出端与安装在第一支架上的第一柔性传动机构连接，第 一柔性传动机构的两连接板上分别安装有转向驱动器，第一柔性传动机构及转向驱动器分 别与第一翅膀连接，电磁驱动器和转向驱动器分别与电源连接。所述的IPMC转向驱动器一端带有第一开口槽，另一端为柱型结构。所述的第一柔性传动机构包括底板及底板两端对称连接的侧板、连接板、支承板， 所述侧板由带有两个第一柔性铰链的连接节构成，其与底板及连接板间为固定连接，在连 接板下方固定有带一第二柔性铰链的支承板，连接板上开有第二开口槽，第二开口槽的宽 度大于转向驱动器的宽度，在第二开口槽开口端通过第三柔性铰链分别连接有用于连接翅 膀的第一、第二连接块。所述的第一支架包括框架及安装在框架上的角型支柱，在角型支柱 上平行于框架且相对框架的端面上开有与电磁驱动器主体相配合的凹槽，在与角型支柱平 行的框架两边框上对称开有槽孔，该槽孔大小与第一柔性传动机构支承板相配合。所述的 第一翅膀是在翅翼连接端设有与第一柔性传动机构的第一、第二连接块相连接的第三、第 四连接块，所述第三、第四连接块间通过转动轴连接，该转动轴与转向驱动器第一开口槽相 配合。另一种是每个翅膀均有一组电磁驱动器和柔性传动机构，包括第二支架及对称设
3置在支架两侧的电磁驱动器、IPMC转向驱动器、第二柔性传动机构和第二翅膀，电磁驱动器 与第二柔性传动机构一侧相连，并列设置在第二支架上，在第二柔性传动机构另一侧分别 连接电磁驱动器及第二翅膀。所述的第二柔性传动机构包括支柱、卡环及与各部分相连的连接端，其支柱为“L” 型结构，在其短柱端设有与电磁驱动器相配合的卡环，在与短柱端相垂直的短柱侧为与支 架相配合的第一连接端，在支柱的长柱上设有与转动驱动器第一开口槽相配合的第四连接 端，在其长柱端连接有与翅膀相配合的第三连接端，在第三连接端上通过连接柱连接有与 电磁驱动器输出端固定连接的第二连接端，在支柱短柱与第一连接端、长柱与第三连接端 及连接柱与第二、第三连接端间均为柔性铰链。所述的第二支架为“工”字型结构，其槽口 与转向驱动器的支柱端及第二柔性传动机构的第一连接端相配合。所述第二翅膀的翅翼连 接端为一连接块。本发明的有益效果为1、本发明采用电磁驱动器与人工肌肉(IPMC转向驱动器)混合驱动的方式，分别 实现两翅膀的振动和各自转角的调整，以电磁驱动器驱动两翅膀高频振动飞行，以IPMC驱 动翅膀的转动，使得飞行器具有转向功能，解决了目前应用单一智能材料驱动，电压和振动 频率不能同时满足仿蝇机器人驱动要求的难题，实现具有三自由度飞行功能的高机动性的 扑翼微型机器人。2、本发明采用了直线电磁驱动器和IPMC转向驱动器，使得飞行器既具有昆虫尺 寸，又能实现仿蝇飞行和转向，驱动电压低，控制简单。而电磁驱动方式相对于压电陶瓷相 比，驱动电压低(可达IV)，并且容易实现较大输出位移。3、本发明采用两种方案一种是两翅膀共用一组电磁驱动器和柔性传动机构；一 种是每个翅膀均有一组电磁驱动器和柔性传动机构。两种方案均能实现飞行机器人的飞行 及转向功能。
图1为本发明实施例1的整体结构示意图。图2为图1工作状态示意图，其中(a)为翅膀扇动时的示意图，(b)为翅膀转动时 的示意图。图3为本发明电磁驱动器立体结构示意图。图4为图3的剖视示意图。图5为本发明IPMC转向驱动器立体结构示意图。图6为图5弯曲时的截面示意图。图7为图1中柔性传动机构立体示意图。图8为图1中支架立体结构示意图。图9为图8的平面结构示意图。图10为图1中翅膀立体结构示意图。图11为本发明实施例2的整体结构示意图。图12为图11工作状态示意图，其中(C)为翅膀扇动时的示意图，(d)为翅膀转动 时的示意图。
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图13为图11中的支架立体结构示意图。图14为图11中的柔性传动机构立体示意图。图15为图11中的翅膀立体结构示意图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图详细描述本发明。实施例1 如图1所示，本发明包括电磁驱动器3、两个转向驱动器2、第一柔性传 动机构5、第一支架4和两个第一翅膀1，电磁驱动器3的主体端固定在第一支架4上，输出 端13与安装在第一支架4上的第一柔性传动机构5连接，第一柔性传动机构5的两连接板 38上分别安装有转向驱动器2，第一柔性传动机构5及转向驱动器2分别与第一翅膀1连 接，电磁驱动器3和转向驱动器2分别与电源连接。如图3、图4所示，本发明中电磁驱动器采用专利申请号为200910012266. 7的一种 微型电磁驱动器。为直接输出直线位移的直线电磁驱动器。其结构包括主体端导磁体12、 输出端支架13、线圈35和两个磁环34，所述导磁体12为两端面带有孔的筒体，两磁环34 同极相对置于导磁体12内两端，在两磁环34间形成气隙36作为工作区，所述输出端支架 34为在空心圆柱上安装轮毂构成，轮毂端置于两磁环34之间，在轮毂的圆周面上缠绕有线 圈35，线圈35与外部电源连接。安装时，其空心圆柱端伸出导磁体12外，形成用于连接负 载的输出端。如图5、图6所示，本发明中转向驱动器2—端带有第一开口槽11，另一端为柱型9 结构。其材质为ion-exchange polymer metal composite (IPMC)—离子交换丰对月旨金属复 合材料。如图7所示，本例所述的第一柔性传动机构5包括底板21及底板21两端对称连 接的侧板37、连接板38、支承板20，所述侧板37由带有两个第一柔性铰链19的连接节构 成，其与底板21及连接板38间为固定连接，在连接板38下方固定有带第二柔性铰链10的 支承板21，连接板38上开有第二开口槽18，第二开口槽18的宽度大于转向驱动器2的宽 度W，在第二开口槽18开口端通过第三柔性铰链17分别连接有用于连接翅膀的第一连接块 16、第二连接块16，。如图8、图9所示，本例所述的第一支架4包括框架39及安装在框架39上的角型 支柱40，在角型支柱40上平行于框架39且相对框架39的端面上开有与电磁驱动器主体相 配合的凹槽15，在与角型支柱平行的框架39两边框41上对称开有槽孔14，该槽孔14大小 与第一柔性传动机构支承板20相配合。如图10所示，本例所述的第一翅膀1是在翅翼8连接端设有与第一柔性传动机构 5的第一连接块16、第二连接块16’相连接的第三连接块6、第四连接块6’，所述第三、第四 连接块间通过转动轴7连接，该转动轴7与转向驱动器2第一开口槽11相配合，即转动轴 7的外径与转向驱动器2第一开口槽11的高度H相等。本例具体连接为第一柔性传动机构5两侧的支承板20安装在第一支架4的槽孔 14内并固定，电磁驱动器3的主体端12固定在第一支架4中角型支柱40的凹槽15内，输 出端13与第一柔性传动机构5的底板21连接，转向驱动器2靠近第一开口槽11的柱端粘 接在第一柔性传动机构5的连接板38第二开口槽18的封闭端上，使转向驱动器2在转动时，柱型9端可置于第一柔性传动机构5连接板8的第二开口槽18内，转向驱动器2的第 一开口槽11内安装有翅膀1的转动轴7连接，使转动轴7能够沿其轴向自由旋转。翅膀1 上的第三连接块6、第四连接块6’分别与第一柔性传动机构5的第一连接块16、第二连接 块16’连接。本例的工作过程
当电磁驱动器3中有电流输入时，电磁驱动器3内将产生电磁力，带动输出端13 伸长或是缩短，带动第一柔性传动机构5的底板21上下往复运动，使第一柔性传动机构5 的连接板38绕支承板20的第二柔性铰链10往复转动，通过转向驱动器2及第一柔性传动 机构5上的第一、第二连接块16及16’带动第一翅膀1上下扇动，如图2(a)所示。通过控 制电磁驱动器3驱动电压的大小和频率来控制其振动振幅和频率，进而控制飞行机器人第 一翅膀1的振动。实现机器人的飞行。当IPMC转向驱动器施有电压时，将在电场作用下产生偏转，如图3(b)所示，当加 相反方向的电压时，IPMC的偏转方向相反。带动第一翅膀1及与第一翅膀1连接的连接块 绕第三柔性铰链17上下摆动，实现机器人的转向功能。如图2(b)所示，其中的两个翅膀分 别展示出向上转动和向下转动时的情况。实施例2 本例整体结构如图11所示，包括第二支架22及对称设置在第二支架22 两侧的电磁驱动器3、IPMC转向驱动器2、第二柔性传动机构25和第二翅膀26，电磁驱动器 3与第二柔性传动机构25 —侧相连，并列设置在第二支架22上，在第二柔性传动机构25另 一侧分别连接电磁驱动器3及第二翅膀26。本例中的电磁驱动器3和转向驱动器2与实施例1中的结构相同，不同的是所述 的第二柔性传动机构25包括“L”型支柱23、卡环28及与各部分相连的连接端，在“L”型支 柱23的短柱端设有与电磁驱动器3相配合的卡环28，卡环28内径与电磁驱动器3的外径 相同，安装电磁驱动器3后固定，在与短柱端相垂直的短柱侧为与第二支架22相配合的第 一连接端27，在“L”型支柱23的长柱上设有与转动驱动器2第一开口槽11相配合的第四 连接端29，该第四连接端29为一圆柱，其外径与第一开口槽11槽口高度相同，间隙配合，使 第四连接端29能够沿其轴向自由旋转，在“L”型支柱23的长柱端连接有与翅膀26相配合 的第三连接端31，在第三连接端31上通过连接柱24连接有与电磁驱动器3输出端固定连 接的第二连接端32，在“L”型支柱23的短柱与第一连接端27、长柱与第三连接端31及连 接柱24与第二连接端31、第三连接端32间均为第四弯曲变形节30。所述的第二支架22为“工”字型结构，其槽口 44与转向驱动器2的支柱端9及第 二柔性传动机构25的第一连接端27相配合。本例第二翅膀26的翅翼连接端为一第五连 接块33。本例由两组对称安装的电磁驱动器、转向驱动器和柔性传动机构来分别驱动两翅 膀的飞行及转向，其飞行及转向原理与实施例1相同当电磁驱动器3中有电流输入时，电 磁驱动器3内将产生电磁力，带动输出端13伸长或是缩短，带动第二柔性传动机构25的第 三连接端32上下往复运动，使第二柔性传动机构25的第三连接端32带动连接柱24及第 二连接端31绕第六柔性铰链43上下往复转动，从而带动第二翅膀26上下扇动。实现机器 人的飞行，在连接柱24两端分别设第五弯柔性铰链42，如图14及图12(c)所示。当IPMC转向驱动器2施加电压时将偏转，如图6所示，当加相反方向的电压时，
6IPMC转动驱动器的偏转方向相反。IPMC转向驱动器2带动第二柔性传动机构25绕其第四 弯曲变形节30摆动，使第二翅膀26转动，实现机器人的转向功能。如图12(d)所示，其中 的两个翅膀分别展示出向上转动和向下转动时的情况。
权利要求
一种人工肌肉与电磁混合驱动的仿蝇机器人，其特征在于包括电磁驱动器、两个IPMC转向驱动器、第一柔性传动机构、第一支架和两个第一翅膀，电磁驱动器的主体端固定在第一支架上，输出端与安装在第一支架上的第一柔性传动机构连接，第一柔性传动机构的两连接板上分别安装有转向驱动器，第一柔性传动机构及转向驱动器分别与第一翅膀连接，电磁驱动器和转向驱动器分别与电源连接。
2.根据权利要求1所述的人工肌肉与电磁混合驱动的仿蝇机器人，其特征在于所述 的IPMC转向驱动器一端带有第一开口槽，另一端为柱型结构。
3.根据权利要求1所述的人工肌肉与电磁混合驱动的仿蝇机器人，其特征在于所述 的第一柔性传动机构包括底板及底板两端对称连接的侧板、连接板、支承板，所述侧板由带 有两个第一柔性铰链的连接节构成，其与底板及连接板间为固定连接，在连接板下方固定 有带一第二柔性铰链的支承板，连接板上开有第二开口槽，第二开口槽的宽度大于转向驱 动器的宽度，在第二开口槽开口端通过第三柔性铰链分别连接有用于连接翅膀的第一、第 二连接块。
4.根据权利要求1所述的人工肌肉与电磁混合驱动的仿蝇机器人，其特征在于所述 的第一支架包括框架及安装在框架上的角型支柱，在角型支柱上平行于框架且相对框架的 端面上开有与电磁驱动器主体相配合的凹槽，在与角型支柱平行的框架两边框上对称开有 槽孔，该槽孔大小与第一柔性传动机构支承板相配合。
5.根据权利要求1所述的人工肌肉与电磁混合驱动的仿蝇机器人，其特征在于所述 的第一翅膀是在翅翼连接端设有与第一柔性传动机构的第一、第二连接块相连接的第三、 第四连接块，所述第三、第四连接块间通过转动轴连接，该转动轴与转向驱动器第一开口槽 相配合。
6.一种人工肌肉与电磁混合驱动的仿蝇机器人，其特征在于包括第二支架及对称设 置在支架两侧的电磁驱动器、IPMC转向驱动器、第二柔性传动机构和第二翅膀，电磁驱动器 与第二柔性传动机构一侧相连，并列设置在第二支架上，在第二柔性传动机构另一侧分别 连接电磁驱动器及第二翅膀。
7.根据权利要求6所述的人工肌肉与电磁混合驱动的仿蝇机器人，其特征在于所述 的第二柔性传动机构包括支柱、卡环及与各部分相连的连接端，其支柱为“L”型结构，在其 短柱端设有与电磁驱动器相配合的卡环，在与短柱端相垂直的短柱侧为与支架相配合的第 一连接端，在支柱的长柱上设有与转动驱动器第一开口槽相配合的第四连接端，在其长柱 端连接有与翅膀相配合的第三连接端，在第三连接端上通过连接柱连接有与电磁驱动器输 出端固定连接的第二连接端，在支柱短柱与第一连接端、长柱与第三连接端及连接柱与第 二、第三连接端间均为柔性铰链。
8.根据权利要求6所述的人工肌肉与电磁混合驱动的仿蝇机器人，其特征在于所述 的第二支架为“工”字型结构，其槽口与转向驱动器的支柱端及第二柔性传动机构的第一连 接端相配合。
9.根据权利要求6所述的人工肌肉与电磁混合驱动的仿蝇机器人，其特征在于所述第二翅膀的翅翼连接端为一连接块。
全文摘要
一种人工肌肉与电磁混合驱动的仿蝇机器人，属于微型机器人技术领域。包括电磁驱动器、两个IPMC转向驱动器、第一柔性传动机构、第一支架和两个第一翅膀，电磁驱动器的主体端固定在第一支架上，输出端与安装在第一支架上的第一柔性传动机构连接，第一柔性传动机构的两连接板上分别安装有转向驱动器，第一柔性传动机构及转向驱动器分别与第一翅膀连接，电磁驱动器和转向驱动器分别与电源连接。本发明采用混合驱动的方式，分别实现两翅膀的振动和各自转角的调整，使得飞行器具有转向功能，实现具有三自由度飞行功能的高机动性的扑翼微型机器人。驱动电压低，控制简单，且容易实现较大输出位移。
文档编号B25J7/00GK101934520SQ200910012338
公开日2011年1月5日 申请日期2009年7月2日 优先权日2009年7月2日
发明者刘意杨, 宋小康, 李洪谊, 苏刚 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所