一种水面扑翼飞行机器人

1.本发明属于机器人技术领域，尤其是涉及一种水面扑翼飞行机器人。


背景技术：

2.近几年，随着仿生水面运动机器人和仿生扑翼飞行机器人的研究发展，被广泛的应用于水质监测、农田管理、海洋搜救、战场侦察等场景。然而受限于单一的运动形式，这些特种机器人只能在有限的场景下执行任务，大大限制了工作能力。因此将水面运动和扑翼飞行相结合，研制出一种水面扑翼飞行机器人将成为必然的趋势。水面扑翼飞行可以极大扩展机器人的运动空间范围，赋予其极强的机动性和灵活性，搭配相关传感器和自动化设备可以高效的在多介质环境下执行复杂的任务。具有辽阔的应用前景和重要的研究意义。
3.相比于陆地扑翼飞行，水面扑翼飞行机器人与水面之间的作用力模型更为复杂，为高度非线性系统，且水面支撑不同于地面刚性支撑方式，不能为机器人进行扑翼飞行动作时提供稳定的支撑力，机器人的姿态稳定性可能会被破坏甚至于刺破水面而沉没进水中。机器人的质量、扑翼的翼型参数、水面支撑系统的结构和布局都会影响机器人水面扑翼飞行能力，因此需要探究空气
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水面
‑
机器人相互作用机理，并以此为基础对机器人的扑翼和水面支撑系统的结构和运动参数进行优化，提高水面扑翼飞行能力。
4.研究文献发现，目前大量的研究工作致力于足腿的疏水性和简单高效的扑翼驱动机构的设计，如哈佛大学研制的仿水黾跳跃机器人，采用经过疏水性处理的柔性腿，使机器人可以在水面上进行灵活高效的跳跃运动。韩国建国大学采用连杆
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弦驱动的形式实现扑翼驱动机构，使机器人的扑翼飞行能力可以逼近生物原型的水平。目前关于水面扑翼飞行机器人的研究还很少，关于空气
‑
水面
‑
机器人相互作用机理的探究还尚不成熟。水面运动机器人和扑翼飞行机器人只具备在单一环境下运动的能力，关于运动机理的分析也只限于和单一介质的相互作用分析，因此，急需设计一款兼具水面漂浮能力和扑翼飞行运动的仿生机器人。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明旨在提出一种水面扑翼飞行机器人，解决现有的水面运动机器人和扑翼飞行机器人由于运动形式单一，受限于有限的工作场景中并大大限制了应用能力的问题；通过将水黾和蜂鸟的生物特性相结合，可以赋予机器人水面扑翼飞行的能力，从运动形式角度分析，将水面漂浮和扑翼飞行相结合能够极大扩展机器人的近水空间运动范围、增强机动性和灵活性。
6.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
7.一种水面扑翼飞行机器人，包括主体支撑框架、扑翼、驱动系统和水面支撑系统；所述主体支撑框架位于机器人上部，所述驱动系统包括电机、齿轮减速组、曲柄滑块机构和四连杆机构，电机安装于主体支撑框架的下侧，所述齿轮减速组安装于主体支撑框架内部，所述四连杆机构设置两组，曲柄滑块机构和两组四连杆机构均安装在主体支撑框架的上
方，且两组四连杆机构对称设置在曲柄滑块机构的两侧，两组四连杆机构均与曲柄滑块机构的输出端连接，所述扑翼设置两个，且对称布置在主体支撑框架的左右两侧并连接在相应侧的四连杆机构的输出端上，所述水面支撑系统安装在驱动系统的电机的正下方；
8.所述机器人通过水面支撑系统实现水面稳定漂浮，驱动系统的电机转动经过减速齿轮组减速，通过曲柄滑块机构将旋转运动转换成直线往复运动，再通过四连杆机构将直线往复运动转化为往复转动并增大往复转动的幅值，通过四连杆机构的输出端驱动相应侧的扑翼完成飞行动作。
9.进一步的，所述减速齿轮组包括电机齿轮、中间齿轮和输出齿轮，所述电机齿轮固定在电机的输出轴上，所述中间齿轮和输出齿轮均铰接在主体支撑框架上，所述电机齿轮与中间齿轮啮合，所述中间齿轮与输出齿轮啮合；
10.所述曲柄滑块机构包括曲柄和连杆，所述曲柄为设置在输出齿轮上的偏心立柱，曲柄与连杆的一端铰接，连杆的另一端设有滑块铆钉，在主体支撑框架上开一道延长线通过曲柄原点的槽作为滑块铆钉往复运动的轨道；
11.所述四连杆机构包括安装在主体支撑框架上的摇杆臂、连杆和摇杆，摇杆臂的一端通过槽与滑块铆钉连接，摇杆臂的中间段与主体支撑框架铰接，摇杆臂的另一端与连杆的一端铰接，摇杆上下端分别与连杆的另一端及主体支撑框架铰接，摇杆的输出端与相应侧的扑翼相固连；
12.两个四连杆机构的摇杆臂作为一级臂将滑块铆钉的直线往复运动转化往复转动，并且通过连杆驱动相应的摇杆放大往复转动的角度范围。
13.进一步的，所述主体支撑框架包括上机架和下机架，所述上机架与下机架之间通过自攻钉进行固定；四连杆机构的连杆关节处使用铆钉连接，摇杆臂通过弧形槽与曲柄滑块机构的滑块铆钉连接，摇杆与扑翼的长碳杆固定连接；
14.曲柄滑块机构的滑块铆钉的轨道通过输出齿轮的圆心，且在飞行器左右对称平面上，所述曲柄通过铆钉与输出齿轮进行连接，输出齿轮与主体支撑框架之间通过轴承连接，减速齿轮组与主体支撑框架之间通过铆钉连接，并通过轴套进行定位。
15.进一步的，所述水面支撑系统包括支撑底座、四个支撑脚、四个支撑腿和四个连接件，四个支撑脚分成两组，且对称分布在支撑底座的左右两侧，每一个支撑脚通过一个连接件与一个支撑腿连接，四个支撑腿均与支撑底座连接，所述支撑底座与驱动系统中的电机固定。
16.进一步的，两组支撑脚在机器人布置上为左右对称布置，支撑底座设置在机器人的中心线上，且每一个支撑腿与支撑底座的中轴线的夹角均为45
°
。
17.进一步的，所述支撑脚为圆角矩形结构，且支撑脚的长宽比为3:1，前后侧的支撑脚的间距应为50mm
‑
62mm。
18.进一步的，所述扑翼的展弦比为9.5，长度为90mm，所述扑翼包括前缘杆、翼根、翼面和翼骨，所述前缘杆和翼根为碳纤维杆制成，所述翼面由mylar制成，所述翼骨由碳纤维板制成。
19.进一步的，所述水面支撑系统的支撑底座和连接件的材质均为pla，支撑腿的材质为碳纤维杆，支撑脚的材质为泡沫镍，并在支撑脚表面涂疏水性涂料。
20.进一步的，所述主体支撑框架、曲柄滑块机构和四连杆机构材质均为pom，减速齿
轮组的材质也为pom，输出齿轮与上机架连接处的轴承为陶瓷滚动轴承。
21.进一步的，所述电机通过主体支撑框架的下端安装孔安装于主体支撑框架的下侧。
22.相对于现有技术，本发明所述的一种水面扑翼飞行机器人具有以下优势：
23.1、本技术的机器人通过水面支撑系统实现水面稳定漂浮，扑翼驱动机构输出高频扑动运动，扑翼则与空气介质作用产生相应的升阻力，使机器人可以克服重力和水面拖拽力并瞬间脱离水面。机器人主体采用高精度3d打印技术制造，使用经过疏水性处理的泡沫镍作为水面支撑系统，12um厚的聚酯薄膜作为扑翼，具有质量轻、适应多介质环境的特点。本发明为可以在多介质环境下运动并保持飞行姿态稳定的水面扑翼飞行机器人。
24.2、本技术中机器人主要零件均采用高精度3d打印加工制造，降低制作时间和成本，采用曲柄摇杆滑块
‑
四连杆形式输出高频扑动运动，结合扑翼产生大升力，极大提高水面扑翼飞行机器人的飞行性能。所述水面支撑系统设置了至少三个均布的平板型支撑脚，为机器人起飞脱离水面提供稳定的支撑力，并进行疏水性处理，提高表面张力，减少起飞过程中水面的拖拽力，提高水面扑翼飞行性能。扑翼运动部分和水面支撑系统相辅相成，扑翼运动部分可以在高频扑动下产生瞬间大升力，其结合经过疏水处理的均布式平板型支撑脚，实现了平稳的水面起飞姿态，从而极大提高了机器人的水面扑翼飞行性能。
25.3、采用聚酯薄膜作为扑翼翼膜，降低机器人质量，提高机器人水面起飞姿态稳定性，四个均匀分布的经过疏水性处理的矩形+圆形组合形状的泡沫镍作为机器人水面支撑脚，减少起飞过程中水面的拖拽力，提高水面扑翼飞行性能。
26.4、本技术中机器人可以在水面和空气介质中实现水面漂浮和扑翼飞行，极大扩展了机器人运动空间范围和工作场景，提高了机动性和灵活性。
27.5、本技术中机器人的扑翼和水面支撑系统采用不同的特征参数，能够实现不同的水面扑翼飞行效果，通过优化扑翼面积、展弦比、锥度比，水面支撑脚形状、尺寸和布局，可以提高脱离水面时间、飞行高度、飞行速度等水面扑翼飞行指标。
28.6、本技术的机器人应用范围广泛，可以适用于复杂的场景，配合相应的传感器和自动化设备可以应用在侦察、搜救、作业管理等领域，可应用于大范围海洋搜救、水空通讯结点和水质农田管理等工作中。
附图说明
29.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
30.图1为本发明实施例所述的一种水面扑翼飞行机器人的立体结构示意图；
31.图2为本发明实施例所述的一种水面扑翼飞行机器人的主视图；
32.图3为本发明实施例所述的一种水面扑翼飞行机器人的俯视图；
33.图4为本发明实施例所述的一种水面扑翼飞行机器人的左视图；
34.图5为本发明实施例所述的一种水面扑翼飞行机器人的驱动系统部分结构图；
35.图6为本发明实施例所述的一种水面扑翼飞行机器人的驱动系统部分输出齿轮部位的结构图；
36.图7为本发明实施例所述的一种水面扑翼飞行机器人的曲柄滑块机构和四连杆机
构连接示意图；
37.图8为本发明实施例所述的一种水面扑翼飞行机器人水面支撑部分结构图；
38.图9为本发明实施例所述的一种水面扑翼飞行机器人扑翼运动过程当中一侧极限位置的示意图。
39.附图标记说明：
[0040]1‑
扑翼，2
‑
驱动系统，3
‑
主体支撑框架，4
‑
水面支撑系统，5
‑
电机，6
‑
摇杆，7
‑
连杆，8
‑
摇杆臂，9
‑
滑块铆钉，10
‑
连杆，11
‑
陶瓷滚动轴承，12
‑
减速齿轮组，13
‑
疏水性支撑脚，14支撑腿，15
‑
支撑底座，16
‑
连接件，17
‑
输出齿轮，18
‑
轨道。
具体实施方式
[0041]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0042]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0043]
如图1
‑
图9所示，一种水面扑翼飞行机器人，包括主体支撑框架3、扑翼1、驱动系统2和水面支撑系统4；所述主体支撑框架3位于机器人上部，所述驱动系统2包括电机、齿轮减速组、曲柄滑块机构和四连杆机构，电机安装于主体支撑框架3的下侧，所述齿轮减速组安装于主体支撑框架3内部，所述四连杆机构设置两组，曲柄滑块机构和两组四连杆机构均安装在主体支撑框架3的上方，且两组四连杆机构对称设置在曲柄滑块机构的两侧，两组四连杆机构均与曲柄滑块机构的输出端连接，所述扑翼1设置两个，且对称布置在主体支撑框架3的左右两侧并连接在相应侧的四连杆机构的输出端上，所述水面支撑系统4安装在驱动系统2的电机的正下方；
[0044]
所述机器人通过水面支撑系统4实现水面稳定漂浮，驱动系统2的电机转动经过减速齿轮组12减速，通过曲柄滑块机构将旋转运动转换成直线往复运动，再通过四连杆机构将直线往复运动转化为往复转动并增大往复转动的幅值，通过四连杆机构的输出端驱动相应侧的扑翼1高频往复扑动产生升力，实现机器人水面起飞。
[0045]
所述减速齿轮组12由两对减速齿轮构成，齿数比均为9:44，包括电机齿轮、中间齿轮和输出齿轮17，所述电机齿轮固定在电机的输出轴上，所述中间齿轮和输出齿轮17均铰接在主体支撑框架3上，所述电机齿轮与中间齿轮啮合，所述中间齿轮与输出齿轮17啮合；
[0046]
所述曲柄滑块机构包括曲柄、连杆10和滑块，所述曲柄为设置在输出齿轮17上的偏心立柱，曲柄与连杆10的一端铰接，连杆10的另一端设有滑块铆钉9，在主体支撑框架3的上开一道延长线通过曲柄原点的槽作为滑块铆钉9往复运动的轨道18；
[0047]
所述四连杆机构包括安装在主体支撑框架3上的摇杆臂8、连杆7和摇杆6，摇杆臂8的一端通过弧形槽与滑块铆钉9连接，摇杆臂8的中间段与主体支撑框架3铰接，摇杆臂8的另一端与连杆7的一端铰接，摇杆6上下端分别与连杆7的另一端及主体支撑框架3铰接，摇杆6的输出端与相应侧的扑翼相固连；摇杆臂8开弧形槽位置壁厚减薄，左右两侧摇杆臂8一侧削减上方壁厚，一侧削减下方壁厚，保证两侧摇杆8正常工作不发生干涉。
[0048]
两个四连杆机构的摇杆臂8作为一级臂将滑块铆钉9的直线往复运动转化为小角度的往复转动，并且通过连杆7驱动相应的摇杆6放大往复转动的角度范围。一对四连杆机构呈左右对称，滑块铆钉9同时驱动两侧的摇杆臂8，使每一时刻左右两边的运动形态保持
一致，这种结构具有很好的运动对称性，从而保证扑翼1运动时左右两侧的翅膀运动产生的力是左右对称的。
[0049]
所述主体支撑框架3包括上机架和下机架，所述上机架与下机架之间通过自攻钉进行固定；四连杆机构的连杆关节处使用铆钉连接，摇杆臂8通过弧形槽与曲柄滑块机构的滑块铆钉9连接，摇杆6与扑翼1的长碳杆固定连接；
[0050]
曲柄滑块机构的滑块铆钉9的轨道通过输出齿轮的圆心，且在飞行器左右对称平面上，所述曲柄通过铆钉与输出齿轮17进行连接，输出齿轮17与主体支撑框架3之间通过轴承进行连接，减速齿轮组12与主体支撑框架3之间通过铆钉连接，并通过轴套进行定位。
[0051]
水面支撑系统4包括支撑底座15、四个支撑脚13、四个支撑腿14和四个连接件16，四个支撑脚分成两组，且对称分布在支撑底座15的左右两侧，每一个支撑脚13通过一个连接件16与一个支撑腿14连接，四个支撑腿14均与支撑底座15连接，所述支撑底座15与驱动系统2中的电机固定。
[0052]
两组支撑脚13在机器人布置上为左右对称布置，支撑底座15设置在机器人的中心线上，且每一个支撑腿与支撑底座的中轴线的夹角均为45
°
，保证对机器人机体在水面上足够的支撑力，对支撑脚做疏水性处理，减小机器人飞离水面时的拖拽力，同时又保证具有一定的拖拽力从而保证机器人离水姿态的稳定性。
[0053]
支撑脚13为圆角矩形结构，且支撑脚13的长宽比为3:1，以保证同等面积下拖拽力/支撑力之比最小，前后侧的支撑脚的间距应为50mm
‑
62mm。
[0054]
扑翼1的展弦比为9.5，长度为90mm，所述扑翼1包括前缘杆、翼根、翼面和翼骨，所述前缘杆和翼根为碳纤维杆制成，所述翼面由mylar制成，所述翼骨由碳纤维板制成。扑翼1前缘杆固定连接在驱动系统2中四连杆机构的摇杆6上，跟随摇杆6的转动实现高频扑动，翼根固定在主体支撑框架3上，随着扑翼的高频扑动有被动弯曲，前缘杆在扑动过程中也存在被动弯曲，从而使扑翼1在运动过程中获得更大的扑动角度，具有更好的气动升力。
[0055]
水面支撑系统4的支撑底座15和连接件16的材质均为pla，支撑腿14的材质为碳纤维杆，支撑脚13的材质为泡沫镍，并在支撑脚表面要涂以疏水性涂料，以尽可能减轻机器人起飞时水面对其的拖拽力。
[0056]
主体支撑框架3、曲柄滑块机构和四连杆机构材质均为pom，采用3d打印方式制作。减速齿轮组的材质也为pom，输出齿轮17与上机架连接处的轴承为陶瓷滚动轴承11，保证输出齿轮17转动的稳定性，在齿轮组上涂有润滑剂，保证机器人飞行过程中的柔顺行与稳定性。
[0057]
电机通过主体支撑框架3的下端安装孔安装于主体支撑框架3的下侧。支撑底座15底部要开通孔以便于电机线连接电源，同时要保证两对支撑脚13在机器人布置上左右对称，且每一个支撑腿与对称平面在俯视图上的夹角均为45
°
，保证对机器人机体在水面上足够的支撑力，对支撑脚做疏水性处理，减小机器人飞离水面时的拖拽力，同时又保证具有一定的拖拽力从而保证机器人离水姿态的稳定性。
[0058]
本技术的工作过程为：当电机通电工作时，通过二级减速齿轮组12减速，输出齿轮17上的偏心立柱即等效为曲柄滑块中的曲柄，输出齿轮17转动带动曲柄滑块机构中的连杆10，从而带动滑块铆钉9做直线往复运动，滑块铆钉9通过四连杆机构中的摇杆臂8其一侧开的弧形槽带动摇杆臂8做往复摆动，摇杆臂8带动连杆7进而带动摇杆6放大往复摆动的运动
幅度，扑翼1与摇杆6固连，从而带动扑翼1做高频扑动，产生升力抵消水面对水面支撑系统4的拖拽力影响，完成飞行机器人的水面起飞。
[0059]
本技术的机器人通过水面支撑系统实现水面稳定漂浮，驱动系统带动扑翼做高频扑动实现水面起飞。机器人主体采用高精度3d打印技术制造，使用经过疏水性处理的泡沫镍作为水面支撑脚，12um厚的聚酯薄膜作为扑翼，具有质量轻、适应多介质环境的特点。本发明为可以在多介质环境下运动并保持飞行姿态稳定的水面扑翼飞行机器人。
[0060]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。