一种仿生蜜蜂的制作方法

本发明属于机器人领域，涉及一种基于压电陶瓷驱动的仿生蜜蜂。

背景技术：

近年来国内外越来越多的研究者仿生机器人的研究价值和可行性，仿生机器人的技术逐渐走向成熟。仿生蜜蜂能够实现原地的起飞和悬停功能，适应在一定时间内没有任何补给以及远距离进行执行任务，在民用和军用有着广泛的应用前景。传统的仿生机器人利用微型电机作为动力源，结构复杂而且功耗大。而压电陶瓷作为一种能够将电能和机械能相互转化的一种陶瓷材料，具有正压电效应和逆压电效应以逐渐应用到仿生机器人技术领域中。

技术实现要素：

本发明提供了一种功耗小、应用前景广的仿生蜜蜂。

本发明采用的技术方案是：

一种仿生蜜蜂，其特征在于：包括一作为躯体的碳纤维框架，所述碳纤维框架两侧设有多对对称设置的腿部爬行机构，所述碳纤维框架前侧设有嘴部夹持装置，所述碳纤维框架中部设有飞行机构，所述碳纤维框架的内部设有飞行稳定系统和控制系统；

所述腿部爬行机构包括铰接在碳纤维框架侧面上的上腿部和铰接在上腿部上的下腿部，所述上腿部的下方连接有一垂直设置的驱动腿部前后运动的第一压电陶瓷驱动器贴附的传动机构，所述下腿部的内侧连接有一水平设置的驱动腿部上下运动的第二压电陶瓷驱动器贴附的传动机构，所述第一压电陶瓷驱动器贴附的传动机构与第二压电陶瓷驱动器贴附的传动机构之间通过连接块固定连接，并且均与输出控制信号给其的控制系统连接；

所述飞行机构包括两机翼，每个所述机翼均通过连杆机构与驱动其拍动的第三压电陶瓷驱动器贴附的传动机构连接，所述第三压电陶瓷驱动器贴附的传动机构安装于碳纤维框架内，并且与输出控制信号给其的控制系统连接；

所述飞行稳定系统包括分别用于给出绕X、Y以及Z轴的飞行偏移量的三个微型压电陀螺仪，所述微型压电陀螺仪与根据其输出的飞行偏移量来更改机翼拍动状态的控制系统连接；

所述嘴部夹持装置包括构成钳子结构的两瓣嘴部，每瓣所述嘴部均铰接在碳纤维框架的前表面上，并且其尖端部与碳纤维框架的前表面之间均设有驱动尖端部靠拢或分开的第四压电陶瓷驱动器贴附的传动机构，所述第四压电陶瓷驱动器贴附的传动机构与输出控制信号给其的控制系统连接；

所述控制系统通过信号接收发器与地面控制器连接。本发明的仿生蜜蜂爬行、起飞、夹持物体都通过压电陶瓷驱动器来实现，同时利用微型压电陀螺仪对机翼飞行状态进行调整来保持稳定的飞行状态，实现功耗小的目的，适应在一定时间内没有任何补给以及远距离进行执行任务，在民用和军用有着广泛的应用前景。

进一步，所述控制系统包括一微型计算机、单片机处理电路、数据采集电路、信号控制电路，所述微型计算机与单片机处理电路通过数据发送电路连接，所述数据采集电路、信号控制电路均与单片机处理电路连接，所述单片机处理电路与电源电路连接，所述数据采集电路分别与信号接收发器、微型压电陀螺仪以及微型摄像头连接，所述信号控制电路分别与各压电陶瓷驱动器连接。

进一步，所述压电陶瓷驱动器的中间部分是弹性层，弹性层的上下两部分是压电陶瓷片。当施加电压时，上层压电陶瓷片在向上电场方向作用下会收缩，中间弹性层不变形，这样能产生向上的弯矩；同时下层压电陶瓷片在向下电场方向作用下会伸长，弹性层不变形，也能产生向上的弯矩。两片压电片同时作用能加强弯矩的作用。同理，当需要产生向下的弯矩时，只需要改变外部电场的方向就可以了。

进一步，所述连杆机构包括一水平设置的弯钩结构，所述弯钩结构的两端部上连接有L型的弯折部，弯折部的末端与第三压电陶瓷驱动器连接，所述弯钩结构的弯钩处设有机翼连接块，机翼连接在机翼连接块上。连杆机构是压电陶瓷驱动器运动动作的放大装置。

进一步，所述上腿部是一水平设置的腿部结构，所述下腿部是一竖直设置的腿部结构，其末端是一尖端结构。

进一步，所述嘴部是一弧形结构，使得夹持物体更加稳固。

本发明的有益效果：功耗小、应用前景广。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的腿部爬行机构结构示意图。

图3是本发明的飞行机构结构示意图。

图4是本发明的嘴部夹持装置结构示意图。

图5是本发明的压电陶瓷驱动器的结构示意图。

图6是本发明的电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

参见图1-6，一种仿生蜜蜂，包括一作为躯体的碳纤维框架1，所述碳纤维框架1两侧设有多对对称设置的腿部爬行机构，所述碳纤维框架1前侧设有嘴部夹持装置，所述碳纤维框架1中部设有飞行机构，所述碳纤维框架1的内部设有飞行稳定系统和控制系统；

所述腿部爬行机构包括铰接在碳纤维框架1侧面上的上腿部9和铰接在上腿部9上的下腿部6，所述上腿部9的下方连接有一垂直设置的驱动腿部前后运动的第一压电陶瓷驱动器7.1贴附的传动机构，所述下腿部6的内侧连接有一水平设置的驱动腿部上下运动的第二压电陶瓷驱动器7.2贴附的传动机构，所述第一压电陶瓷驱动器7.1贴附的传动机构与第二压电陶瓷驱动器7.2贴附的传动机构之间通过连接块8固定连接，并且均与输出控制信号给其的控制系统连接；

所述飞行机构包括两机翼10，每个所述机翼10均通过连杆机构11与驱动其拍动的第三压电陶瓷驱动器12贴附的传动机构连接，所述第三压电陶瓷驱动器12贴附的传动机构安装于碳纤维框架1内，并且与输出控制信号给其的控制系统连接；

所述飞行稳定系统包括分别用于给出绕X、Y以及Z轴的飞行偏移量的三个微型压电陀螺仪（图中未显示），所述微型压电陀螺仪与根据其输出的飞行偏移量来更改机翼10拍动状态的控制系统连接；

所述嘴部夹持装置包括构成钳子结构的两瓣嘴部2，每瓣所述嘴部2均铰接在碳纤维框架1的前表面上，并且其尖端部与碳纤维框架1的前表面之间均设有驱动尖端部靠拢或分开的第四压电陶瓷驱动器4贴附的传动机构，所述第四压电陶瓷驱动器4与输出控制信号的控制系统连接；

所述控制系统通过信号接收发器与地面控制器连接。本发明的仿生蜜蜂爬行、起飞、夹持物体都通过压电陶瓷驱动器来实现，同时利用微型压电陀螺仪对机翼飞行状态进行调整来保持稳定的飞行状态，实现功耗小的目的，适应在一定时间内没有任何补给以及远距离进行执行任务，在民用和军用有着广泛的应用前景。

本实施例所述控制系统包括一微型计算机、单片机处理电路、数据采集电路、信号控制电路，所述微型计算机与单片机处理电路通过数据发送电路连接，所述数据采集电路、信号控制电路均与单片机处理电路连接，所述单片机处理电路与电源电路连接，所述数据采集电路分别与信号接收发器、微型压电陀螺仪以及微型摄像头连接，所述信号控制电路分别与各压电陶瓷驱动器连接。

本实施例所述压电陶瓷驱动器的中间部分是弹性层，弹性层的上下两部分是压电陶瓷片。当施加电压时，上层压电陶瓷片在向上电场方向作用下会收缩，中间弹性层不变形，这样能产生向上的弯矩；同时下层压电陶瓷片在向下电场方向作用下会伸长，弹性层不变形，也能产生向上的弯矩。两片压电片同时作用能加强弯矩的作用。同理，当需要产生向下的弯矩时，只需要改变外部电场的方向就可以了。

本实施例所述连杆机构11包括一水平设置的弯钩结构，所述弯钩结构的两端部上连接有L型的弯折部，弯折部的末端与第三压电陶瓷驱动器12贴附的传动机构连接，所述弯钩结构的弯钩处设有机翼连接块3，机翼10连接在机翼连接块3上。连杆机构11是压电陶瓷驱动器运动动作的放大装置。

本实施例所述上腿部9是一水平设置的腿部结构，所述下腿部6是一竖直设置的腿部结构，其末端是一尖端结构。

本实施例所述嘴部2是一弧形结构，使得夹持物体更加稳固。

本发明通过压电陶瓷驱动器驱动机翼产生高升力，同时采用微型压电陀螺仪的飞行稳定系统、微型摄像头、信号接收发器、地面控制器以及控制系统来操作仿生蜜蜂在空中飞行；通过对腿部的压电陶瓷驱动器的控制可以使仿生蜜蜂在地表面上的行走；而对于仿生蜜蜂的嘴部通过压电陶瓷驱动器来驱动靠拢或分开，实现夹持功能，用于在飞行过程中停留在某一物体上，可以夹住物体进行定位功能。在飞行过程中，利用微型摄像头实时传送的数据，和微型压电陀螺仪对机翼飞行状态的监控的数据，都传送到单片机处理电路中，由单片机处理数据并做出相应的调整，利用单片机控制压电陶瓷驱动器，快速的改变机翼的拍动频率，拍动平均角等的调整范围，使仿生蜜蜂保持稳定的飞行状态。

本发明的工作原理如下：

本发明仿生蜜蜂设有6个腿部爬行机构，对称设置在碳纤维框架的两侧，腿部爬行机构运动原理是在机构通入电压信号时：a)垂直放置的第一压电陶瓷驱动器7.1贴附的传动机构在通入一个周期的电压信号时的变化状态如下：将会向前向后运功。如在电压信号由0到正向峰值时，第一压电陶瓷驱动器7.1伸长带动贴附的传动机构将会向前弯曲运动。当电信号由正峰值到0的过程中，第一压电陶瓷驱动器7.1将会由之前伸长状态变成初始状态。当电信号由0到负峰值时，第一压电陶瓷驱动器7.1缩短带动贴附的传动机构将会向后弯曲运动。当电信号由负峰值到0的变化过程中，第一压电陶瓷驱动器7.1也将会由此时的缩短状态变成初始状态。由此完成了腿部爬行机构一个运动周期中的向前向后摆动。b)对于水平放置的第二压电陶瓷驱动器7.2贴附的传动机构，通入一个周期的电压信号时的变化状态如下：电信号由0到正峰值时，第二压电陶瓷驱动器7.2伸长带动贴附的传动机构将会向上弯曲摆动使腿部爬行机构向上抬起。当电信号由正值电信号变化到负峰值时，第二压电陶瓷驱动器7.2将会由之前的伸长--正常状态变化为缩短状态。由此完成腿部爬行机构的上下运动。当分别对第一压电陶瓷驱动器7.1和第二压电陶瓷驱动器7.2输入电压信号时，腿部爬行机构运动将会呈现出一个组合运动，由设定的各个电信号周期的大小来设定腿部组合运动的频率。组合运动大致描述如下：垂直的第一压电陶瓷驱动器7.1贴附的传动机构向前弯曲运动，带动腿部爬行机构向前运动，与此同时水平第二压电陶瓷驱动器7.2贴附的传动机构也会向上弯曲将腿部爬行机构抬起。之后在垂直放置的第一压电陶瓷驱动器7.1贴附的传动机构向后弯曲，带动腿部爬行机构向后运动，同时水平第二压电陶瓷驱动器7.2贴附的传动机构将会恢复之前的弯曲状态，进行腿部爬行机构的下放。压电陶瓷驱动器的弯曲组合为：第二压电陶瓷驱动器7.2贴附的传动机构向上弯曲---第一压电陶瓷驱动器7.1贴附的传动机构向前弯曲---第二压电陶瓷驱动器7.2贴附的传动机构落下---第一压电陶瓷驱动器7.1贴附的传动机构向后运动。对应的腿部爬行机构的组合运动为：腿部向上---向前---落下----向后。

本发明仿生蜜蜂有6个腿部爬行机构，通过两个腿部爬行机构结合成一个转矩，共可产生3个转矩来实现整个碳纤维框架的转动一定的角度。当仿生蜜蜂要往左转向，f腿往前走一个动作，同时c腿向后走一个动作。两腿一前一后的相互运动产生一个逆时针的转矩；紧接着e腿也往前运动，b腿往后运动，同样能产生一个逆时针的转矩；最后d腿往前运动，a腿往后运动，产生一个逆时针的转矩。3个逆时针的转矩能够使仿生蜜蜂躯体向左偏转一定的角度。当仿生蜜蜂往右转动，其实与往左转动的机理是一样的。只是腿部不同的组合情况来实现不同的转矩，a腿往前走一个运动，d腿往后运动，两腿相互运动能能产生一个顺时针的转矩。紧接着b腿往前运动，e腿往后运动；c腿往前运动，f腿往后运动这样将会产生3个顺时针的转矩能使蜜蜂整个躯体往右偏转一定的角度。

本发明仿生蜜蜂的前后飞行或转弯过程：将前后飞行或转弯命令发送到控制系统中，通过调整机翼的拍动参数令蜜蜂的飞行姿态向预定的系统中的期望值姿态改变，使通过三个微型压电陀螺仪时时比对现有姿态与期望值的差异，并将信息反馈到微型单片机处理电路中，单片机处理电路通过运算处理调整机翼的拍动参数，使飞行达到预设姿态，从而完成飞行动作。

本发明飞行机构包括左机翼10.1和右机翼10.2，左机翼10.1通过左连杆机构11.1与下层第三压电陶瓷驱动器12.2贴附的传动机构连接，右机翼10.2通过右连杆机构11.2与上层第三压电陶瓷驱动器12.1贴附的传动机构连接。具体的工作原理如下：当给上层第三压电陶瓷驱动器12.1通入交流电信号由0到正峰值时，水平放置的上层第三压电陶瓷驱动器12.1伸长带动贴附的传动机构向下弯曲摆动，通过右连杆机构11.2将运动动作传递给右机翼10.2，而使右机翼10.2转动与向下拍动。当电压由正值恢复到0值时，上层第三压电陶瓷驱动器12.1也将慢慢的恢复到变形前的初始状态。此时，动作也会使右机翼10.2恢复到初始状态。当电压信号由0到负峰值时，上层第三压电陶瓷驱动器12.1缩短带动贴附的传动机构将会向上侧弯曲摆动，通过动作放大的右连杆机构11.2将动作传递给右机翼10.2，使右机翼10.2向上拍动与转动。当电信号由负值到0的变化过程中，上层第三压电陶瓷驱动器12.1将恢复到初始状态，从而将动作由动作放大的右连杆机构11.2传递给右机翼10.2，使右机翼将动作恢复到初始状态。至此，一个机翼也将完成一个周期的动作循环，而对于左机翼10.1的运动基本原理与右机翼10.2的运动规律是一样的，即完成当通入电压信号时，使两块第三压电陶瓷驱动器12伸缩带动贴附的传动机构的弯曲摆动方向始终是相同的，这样可以通过连杆机构11动作的放大后，使两机翼10同时向下拍动，向上抬起。达到飞行的目的。当给下层第三压电陶瓷驱动器12.2通入交流电信号由0到正峰值时，水平放置的下层第三压电陶瓷驱动器12.2伸长带动贴附的传动机构向下弯曲摆动，通过左连杆机构11.1将运动动作传递给左机翼10.1，而使左机翼10.1转动与向下拍动。当电压由正值恢复到0值时，下层第三压电陶瓷驱动器12.2也将慢慢的恢复到变形前的初始状态。此时，动作也会使左机翼10.1恢复到初始状态。当电压信号由0到负峰值时，下层第三压电陶瓷驱动器12.2缩短带动贴附的传动机构将会向上侧弯曲摆动，通过动作放大的左连杆机构11.1将动作传递给左机翼10.1，使左机翼10.1向上拍动与转动。当电信号由负值到0的变化过程中，下层第三压电陶瓷驱动器12.2将恢复到初始状态，从而将动作由动作放大的左连杆机构11.1传递给左机翼10.1，使左机翼10.1将动作恢复到初始状态。

由于仿生蜜蜂的飞行时不稳定的，因此需要有维持飞行稳定的系统。本发明的飞行稳定系统有三个微型压电陀螺仪。仿生蜜蜂仅有绕X轴的前后翻转运动时，X轴方位的微型压电陀螺仪给出翻转的偏移量，通过单片机处理电路处理，控制系统会根据之前设好的参数做出机翼10拍动平均角变大缩小的指令，使飞行器恢复稳定状态；仿生蜜蜂仅有绕Y轴的左右旋转运动时，Y轴方位的微型压电陀螺仪给出偏移量，通过单片机处理电路处理，控制系统会根据之前设好的参数做出右机翼10.2下拍时，攻角变小变大，上挥时攻角变大变小，左机翼10.1下拍时攻角变大变小，上挥时攻角变小变大的指令，使飞行器恢复稳定状态；仿生蜜蜂飞行器仅绕Z轴的左右倾斜运动时，Z轴方位的微型压电陀螺仪给出倾斜运动的偏移量，通过单片机处理电路处理，控制系统会根据之前设好的参数做出右机翼10.2的拍动频率升高降低，左机翼10.1的拍动频率降低升高的指令，并使总升力基本保持不变，飞行器恢复稳定状态。在实际中，三个微型压电陀螺仪同时工作，分别将仿生蜜蜂飞行器绕X，Y，Z坐标轴的偏移量传给单片微型计算机，经单片微型计算机处理后，改变机翼10的拍动频率，拍动平均角和拍动攻角变化范围，使仿生蜜蜂维持稳定飞行状态。

本发明的嘴部夹持装置的目的在于夹持物体，其工作原理与腿部爬行机构压电陶瓷工作原理一样。当给予压电陶瓷驱动器电压信号时，左侧第四压电陶瓷驱动器4.1伸长、缩短带动贴附的传动机构向左、右弯曲摆动，带动左嘴部2.1向左、右运动。而右侧第四压电陶瓷驱动器4.2通入电压信号时，4.2变化状态伸长、缩短带动贴附的传动机构将会右、左侧弯曲摆动，带动右、左嘴部2.2向左运动。此时运动组合成夹持物体的钳子。当需要放松物体时，给予两第四压电陶瓷驱动器4以正向的电压信号即可。两第四压电陶瓷驱动器4分别向右，左侧弯曲摆动，使两钳打开即放松物体。当需要夹持物体时，给予第四压电陶瓷驱动器负极电压信号即可。此时压电片的缩短带动贴附的传动机构向需夹持的物体方向的弯曲，即可夹持物体。