專利名稱：一種撲翼式仿蠅機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于微型機器人技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種撲翼式仿蠅機器人。
背景技術(shù)：
微型飛行機器人(MAV)具有體積小、重量輕、成本低、飛行靈活等特點，
在國防和民用領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。仿生學(xué)和空氣動力學(xué)的最新研究表明，當(dāng)翼 展小于15cm時，樸翼飛行比固定翼和旋翼飛行更具有優(yōu)勢。撲翼MAV具有仿 生飛行方式，可微化程度高、隱蔽性好、飛行機動性高，其撲翼系統(tǒng)集舉升、 懸停和推進功能于一體，能以更小的能量進行更長距離的飛行，非常適合在長 時間無能源補充及相對遠距離條件下執(zhí)行任務(wù)，被認為是最有發(fā)展前景的微型 飛行器，但隨著MAV尺寸的縮小，常規(guī)的驅(qū)動方式和傳動機構(gòu)不再適用現(xiàn)有的 釆用壓電陶瓷驅(qū)動微型飛行機器人取得了初步成功，但是它存在驅(qū)動電壓高， 產(chǎn)生的位移小等缺點，制約了其在微型飛行機器人上的進一步應(yīng)用。
實用新型內(nèi)容
針對上述存在的技術(shù)問題，本實用新型提供一種撲翼式仿蠅機器人。它是 采用IPMC轉(zhuǎn)向驅(qū)動器、電磁驅(qū)動器混合驅(qū)動及柔性機構(gòu)傳動，實現(xiàn)了機器人的 飛行及轉(zhuǎn)向功能。
本實用新型的技術(shù)方案如下
本實用新型釆用兩種方案 一種是兩翅膀共用一組電磁驅(qū)動器和柔性傳動 機構(gòu)包括電磁驅(qū)動器、兩個IPMC轉(zhuǎn)向驅(qū)動器、第一柔性傳動機構(gòu)、第一支架和 兩個第一翅膀，電磁驅(qū)動器的主體端固定在第一支架上，輸出端與安裝在第一 支架上的第一柔性傳動機構(gòu)連接，第一柔性傳動機構(gòu)的兩連接板上分別安裝有 轉(zhuǎn)向驅(qū)動器，第一柔性傳動機構(gòu)及轉(zhuǎn)向驅(qū)動器分別與第一翅膀連接，電磁驅(qū)動 器和轉(zhuǎn)向驅(qū)動器分別與電源連接。
所述的IPMC轉(zhuǎn)向驅(qū)動器一端帶有第一開口槽，另一端為柱型結(jié)構(gòu)。
所述的第一柔性傳動機構(gòu)包括底板及底板兩端對稱連接的側(cè)板、連接板、 支承板，所述側(cè)板由帶有兩個第一柔性鉸鏈的連接節(jié)構(gòu)成，其與底板及連接板 間為固定連接，在連接板下方固定有帶一第二柔性鉸鏈的支承板，連接板上開 有第二開口槽，第二開口槽的寬度大于轉(zhuǎn)向驅(qū)動器的寬度，在第二開口槽開口 端通過第三柔性鉸鏈分別連接有用于連接翅膀的第一、第二連接塊。所述的第 一支架包括框架及安裝在框架上的角型支柱，在角型支柱上平行于框架且相對 框架的端面上開有與電磁驅(qū)動器主體相配合的凹槽，在與角型支柱平行的框架兩邊框上對稱開有槽孔，該槽孔大小與第一柔性傳動機構(gòu)支承板相配合。所述 的第一翅膀是在翅翼連接端設(shè)有與第一柔性傳動機構(gòu)的第一、第二連接塊相連 接的第三、第四連接塊，所述第三、第四連接塊間通過轉(zhuǎn)動軸連接，該轉(zhuǎn)動軸 與轉(zhuǎn)向驅(qū)動器第一開口槽相配合。
另一種是每個翅膀均有一組電磁驅(qū)動器和柔性傳動機構(gòu)，包括第二支架及 對稱設(shè)置在支架兩側(cè)的電磁驅(qū)動器、IPMC轉(zhuǎn)向驅(qū)動器、第二柔性傳動機構(gòu)和第 二翅膀，電磁驅(qū)動器與第二柔性傳動機構(gòu)一側(cè)相連，并列設(shè)置在第二支架上， 在第二柔性傳動機構(gòu)另一側(cè)分別連接電磁驅(qū)動器及第二翅膀。
所述的第二柔性傳動機構(gòu)包括支柱、卡環(huán)及與各部分相連的連接端，其支 柱為"L"型結(jié)構(gòu)，在其短柱端設(shè)有與電磁驅(qū)動器相配合的卡環(huán)，在與短柱端相 垂直的短柱側(cè)為與支架相配合的第一連接端，在支柱的長柱上設(shè)有與轉(zhuǎn)動驅(qū)動 器第一開口槽相配合的第四連接端，在其長柱端連接有與翅膀相配合的第三連 接端，在第三連接端上通過連接柱連接有與電磁驅(qū)動器輸出端固定連接的第二 連接端，在支柱短柱與第一連接端、長柱與第三連接端及連接柱與第二、第三 連接端間均為柔性鉸鏈。所述的第二支架為"工"字型結(jié)構(gòu)，其槽口與轉(zhuǎn)向驅(qū) 動器的支柱端及第二柔性傳動機構(gòu)的第一連接端相配合。所述第二翅膀的翅翼 連接端為一連接塊。
本實用新型的有益效果為
1、 本實用新型采用電磁驅(qū)動器與人工肌肉(IPMC轉(zhuǎn)向驅(qū)動器)混合驅(qū)動的 方式，分別實現(xiàn)兩翅膀的振動和各自轉(zhuǎn)角的調(diào)整，以電磁驅(qū)動器驅(qū)動兩翅膀高 頻振動飛行，以IPMC驅(qū)動翅膀的轉(zhuǎn)動，使得飛行器具有轉(zhuǎn)向功能，解決了目前 應(yīng)用單一智能材料驅(qū)動，電壓和振動頻率不能同時滿足仿蠅機器人驅(qū)動要求的 難題，實現(xiàn)具有三自由度飛行功能的高機動性的撲翼微型機器人。
2、 本實用新型釆用了直線電磁驅(qū)動器和IPMC轉(zhuǎn)向驅(qū)動器，使得飛行器既 具有昆蟲尺寸，又能實現(xiàn)仿蠅飛行和轉(zhuǎn)向，驅(qū)動電壓低，控制簡單。而電磁驅(qū) 動方式相對于壓電陶瓷相比，驅(qū)動電壓低(可達1V)，并且容易實現(xiàn)較大輸出位移。
3、 本實用新型釆用兩種方案 一種是兩翅膀共用一組電磁驅(qū)動器和柔性傳 動機構(gòu)； 一種是每個翅膀均有一組電磁驅(qū)動器和柔性傳動機構(gòu)。兩種方案均能 實現(xiàn)飛行機器人的飛行及轉(zhuǎn)向功能。


圖1為本實用新型實施例1的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1工作狀態(tài)示意圖，其中(a)為翅膀扇動時的示意圖，(b)為翅 膀轉(zhuǎn)動時的示意圖。
圖3為本實用新型電磁驅(qū)動器立體結(jié)構(gòu)示意圖。
5圖4為圖3的剖視示意圖。
圖5為本實用新型IPMC轉(zhuǎn)向驅(qū)動器立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為圖5彎曲時的截面示意圖。
圖7為圖1中柔性傳動機構(gòu)立體示意圖。
圖8為圖1中支架立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9為圖8的平面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖IO為圖1中翅膀立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖11為本實用新型實施例2的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖12為圖11工作狀態(tài)示意圖，其中(c)為翅膀扇動時的示意圖，(d)為
翅膀轉(zhuǎn)動時的示意圖。
圖13為圖11中的支架立體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖14為圖11中的柔性傳動機構(gòu)立體示意圖。 圖15為圖11中的翅膀立體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖詳細描述本實用新型。
實施例1:如圖l所示，本實用新型包括電磁驅(qū)動器3、兩個轉(zhuǎn)向驅(qū)動器2、 第一柔性傳動機構(gòu)5、第一支架4和兩個第一翅膀1，電磁驅(qū)動器3的主體端固 定在第一支架4上，輸出端13與安裝在第一支架4上的第一柔性傳動機構(gòu)5連 接，第一柔性傳動機構(gòu)5的兩連接板38上分別安裝有轉(zhuǎn)向驅(qū)動器2，第一柔性 傳動機構(gòu)5及轉(zhuǎn)向驅(qū)動器2分別與第一翅膀1連接，電磁驅(qū)動器3和轉(zhuǎn)向驅(qū)動 器2分別與電源連接。
如圖3、圖4所示，本實用新型中電磁驅(qū)動器釆用專利申請?zhí)枮?200910012266.7的一種微型電磁驅(qū)動器。為直接輸出直線位移的直線電磁驅(qū)動 器。其結(jié)構(gòu)包括主體端導(dǎo)磁體12、輸出端支架13、線圈35和兩個磁環(huán)34,所 述導(dǎo)磁體12為兩端面帶有孔的簡體，兩磁環(huán)34同極相對置于導(dǎo)磁體12內(nèi)兩端， 在兩磁環(huán)34間形成氣隙36作為工作區(qū)，所述輸出端支架34為在空心圓柱上安 裝輪轂構(gòu)成，輪轂端置于兩磁環(huán)34之間，在輪轂的圓周面上纏繞有線圈35,線 圈35與外部電源連接。安裝時，其空心圓柱端伸出導(dǎo)磁體12夕卜，形成用于連 接負載的輸出端。
如圖5、圖6所示，本實用新型中轉(zhuǎn)向驅(qū)動器2 —端帶有第一開口槽11, 另一端為柱型9結(jié)構(gòu)。其材質(zhì)為ion-exchange polymer metal composite (IPMC)
一一離子交換樹脂金屬復(fù)合材料。
如圖7所示，本例所述的第一柔性傳動機構(gòu)5包括底板21及底板21兩端 對稱連接的側(cè)板37、連接板38、支承板20，所述側(cè)板37由帶有兩個第一柔性 鉸鏈19的連接節(jié)構(gòu)成，其與底板21及連接板38間為固定連接，在連接板38 下方固定有帶第二柔性鉸鏈10的支承板21,連接板38上開有第二開口槽18, 第二開口槽18的寬度大于轉(zhuǎn)向驅(qū)動器2的寬度W，在第二開口槽18開口端通過 第三柔性鉸鏈17分別連接有用于連接翅膀的第一連接塊16、第二連接塊16'。
如圖8、圖9所示，本例所述的第一支架4包括框架39及安裝在框架39上的角型支柱40,在角型支柱40上平行于框架39且相對框架39的端面上開有與 電磁驅(qū)動器主體相配合的凹槽15,在與角型支柱平行的框架39兩邊框41上對 稱開有槽孔14,該槽孔14大小與第一柔性傳動機構(gòu)支承板20相配合。
如圖IO所示，本例所述的第一翅膀l是在翅翼8連接端設(shè)有與第一柔性傳 動機構(gòu)5的第一連接塊16、第二連接塊16'相連接的第三連接塊6、第四連接 塊6'，所述第三、第四連接塊間通過轉(zhuǎn)動軸7連接，該轉(zhuǎn)動軸7與轉(zhuǎn)向驅(qū)動器 2第一開口槽ll相配合，即轉(zhuǎn)動軸7的外徑與轉(zhuǎn)向驅(qū)動器2第一開口槽11的高 度H相等。
本例具體連接為第一柔性傳動機構(gòu)5兩側(cè)的支承板20安裝在第一支架4 的槽孔14內(nèi)并固定，電磁驅(qū)動器3的主體端12固定在第一支架4中角型支柱 40的凹槽15內(nèi)，輸出端13與第一柔性傳動機構(gòu)5的底板21連接，轉(zhuǎn)向驅(qū)動器 2靠近第一開口槽11的柱端粘接在第一柔性傳動機構(gòu)5的連接板38第二開口槽 18的封閉端上，使轉(zhuǎn)向驅(qū)動器2在轉(zhuǎn)動時，柱型9端可置于第一柔性傳動機構(gòu) 5連接板8的第二開口槽18內(nèi)，轉(zhuǎn)向驅(qū)動器2的第一開口槽11內(nèi)安裝有翅膀1 的轉(zhuǎn)動軸7連接，使轉(zhuǎn)動軸7能夠沿其軸向自由旋轉(zhuǎn)。翅膀1上的第三連接塊6、 第四連接塊6，分別與第一柔性傳動機構(gòu)5的第一連接塊16、第二連接塊16' 連接。
本例的工作過程
當(dāng)電磁驅(qū)動器3中有電流輸入時，電磁驅(qū)動器3內(nèi)將產(chǎn)生電磁力，帶動輸 出端13伸長或是縮短，帶動第一柔性傳動機構(gòu)5的底板21上下往復(fù)運動，使 第一柔性傳動機構(gòu)5的連接板38繞支承板20的第二柔性鉸鏈10往復(fù)轉(zhuǎn)動，通 過轉(zhuǎn)向驅(qū)動器2及第一柔性傳動機構(gòu)5上的第一、第二連接塊16及16'帶動第 一翅膀l上下扇動，如圖2(a)所示。通過控制電磁驅(qū)動器3驅(qū)動電壓的大小 和頻率來控制其振動振幅和頻率，進而控制飛行機器人第一翅膀1的振動。實
現(xiàn)機器人的飛行。
當(dāng)IPMC轉(zhuǎn)向驅(qū)動器施有電壓時，將在電場作用下產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，如圖3(b) 所示，當(dāng)加相反方向的電壓時，IPMC的偏轉(zhuǎn)方向相反。帶動第一翅膀l及與第 一翅膀1連接的連接塊繞第三柔性鉸鏈17上下擺動，實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向功能。 如圖2 (b)所示，其中的兩個翅膀分別展示出向上轉(zhuǎn)動和向下轉(zhuǎn)動時的情況。
實施例2:本例整體結(jié)構(gòu)如圖11所示，包括第二支架22及對稱設(shè)置在第二 支架22兩側(cè)的電磁驅(qū)動器3、 IPMC轉(zhuǎn)向驅(qū)動器2、第二柔性傳動機構(gòu)25和第二 翅膀26,電磁驅(qū)動器3與第二柔性傳動機構(gòu)25—側(cè)相連，并列設(shè)置在第二支架 22上，在第二柔性傳動機構(gòu)25另 一側(cè)分別連接電磁驅(qū)動器3及第二翅膀26。
本例中的電磁驅(qū)動器3和轉(zhuǎn)向驅(qū)動器2與實施例1中的結(jié)構(gòu)相同，不同的 是所述的第二柔性傳動機構(gòu)25包括"L"型支柱23、卡環(huán)28及與各部分相連 的連接端，在"L"型支柱23的短柱端設(shè)有與電磁驅(qū)動器3相配合的卡環(huán)28， 卡環(huán)28內(nèi)徑與電磁驅(qū)動器3的外徑相同，安裝電磁驅(qū)動器3后固定，在與短柱 端相垂直的短柱側(cè)為與第二支架22相配合的第一連接端27,在"L"型支柱23 的長柱上設(shè)有與轉(zhuǎn)動驅(qū)動器2第一開口槽11相配合的第四連接端29,該第四連接端29為一圓柱，其外徑與第一開口槽11槽口高度相同，間隙配合，使第四
連接端29能夠沿其軸向自由旋轉(zhuǎn)，在"L"型支柱23的長柱端連接有與翅膀26 相配合的第三連接端31，在第三連接端31上通過連接柱24連接有與電磁驅(qū)動 器3輸出端固定連接的第二連接端32，在"L"型支柱23的短柱與第一連接端 27、長柱與第三連接端31及連接柱24與第二連接端31、第三連接端32間均為 第四彎曲變形節(jié)30。
所述的第二支架22為"工"字型結(jié)構(gòu)，其槽口 44與轉(zhuǎn)向驅(qū)動器2的支柱 端9及第二柔性傳動機構(gòu)25的第一連接端27相配合。本例第二翅膀26的翅翼 連接端為一第五連接塊33。
本例由兩組對稱安裝的電磁驅(qū)動器、轉(zhuǎn)向驅(qū)動器和柔性傳動機構(gòu)來分別驅(qū) 動兩翅膀的飛行及轉(zhuǎn)向，其飛行及轉(zhuǎn)向原理與實施例1相同當(dāng)電磁驅(qū)動器3 中有電流輸入時，電磁驅(qū)動器3內(nèi)將產(chǎn)生電磁力，帶動輸出端13伸長或是縮短， 帶動第二柔性傳動機構(gòu)25的第三連接端32上下往復(fù)運動，使第二柔性傳動機 構(gòu)25的第三連接端32帶動連接柱24及第二連接端31繞第六柔性鉸鏈43上下 往復(fù)轉(zhuǎn)動，從而帶動第二翅膀26上下扇動。實現(xiàn)機器人的飛行，在連接柱24 兩端分別設(shè)第五彎柔性鉸鏈42，如圖14及圖12 (c)所示。
當(dāng)IPMC轉(zhuǎn)向驅(qū)動器2施加電壓時將偏轉(zhuǎn)，如圖6所示，當(dāng)加相反方向的 電壓時，IPMC轉(zhuǎn)動驅(qū)動器的偏轉(zhuǎn)方向相反。IPMC轉(zhuǎn)向驅(qū)動器2帶動第二柔性傳 動機構(gòu)25繞其第四彎曲變形節(jié)30擺動，使第二翅膀26轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn) 向功能。如圖12(d)所示，其中的兩個翅膀分別展示出向上轉(zhuǎn)動和向下轉(zhuǎn)動時 的情況。
權(quán)利要求1、一種撲翼式仿蠅機器人，其特征在于包括電磁驅(qū)動器、兩個IPMC轉(zhuǎn)向驅(qū)動器、第一柔性傳動機構(gòu)、第一支架和兩個第一翅膀，電磁驅(qū)動器的主體端固定在第一支架上，輸出端與安裝在第一支架上的第一柔性傳動機構(gòu)連接，第一柔性傳動機構(gòu)的兩連接板上分別安裝有轉(zhuǎn)向驅(qū)動器，第一柔性傳動機構(gòu)及轉(zhuǎn)向驅(qū)動器分別與第一翅膀連接，電磁驅(qū)動器和轉(zhuǎn)向驅(qū)動器分別與電源連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的撲翼式仿蠅機器人，其特征在于所述的IPMC轉(zhuǎn) 向驅(qū)動器一端帶有第一開口槽，另一端為柱型結(jié)構(gòu)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的撲翼式仿蠅機器人，其特征在于所述的第一柔 性傳動機構(gòu)包括底板及底板兩端對稱連接的側(cè)板、連接板、支承板，所述側(cè)板 由帶有兩個第一柔性鉸鏈的連接節(jié)構(gòu)成，其與底板及連接板間為固定連接，在 連接板下方固定有帶一第二柔性鉸鏈的支承板，連接板上開有第二開口槽，第 二開口槽的寬度大于轉(zhuǎn)向驅(qū)動器的寬度，在第二開口槽開口端通過第三柔性鉸 鏈分別連接有用于連接翅膀的第一、第二連接塊。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的撲翼式仿蠅機器人，其特征在于所述的第一支 架包括框架及安裝在框架上的角型支柱，在角型支柱上平行于框架且相對框架 的端 面上開有與電磁驅(qū)動器主體相配合的凹槽，在與角型支柱平行的框架兩邊 框上對稱開有槽孔，該槽孔大小與第一柔性傳動機構(gòu)支承板相配合。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的撲翼式仿蠅機器人，其特征在于所述的第一翅 膀是在超翼連接端設(shè)有與第一柔性傳動機構(gòu)的第一、第二連接塊相連接的第 三、第四連接塊，所述第三、第四連接塊間通過轉(zhuǎn)動軸連接，該轉(zhuǎn)動軸與轉(zhuǎn)向 驅(qū)動器第一開口槽相配合。
6、 一種撲翼式仿蠅機器人，其特征在于包括第二支架及對稱設(shè)置在支 架兩側(cè)的電磁驅(qū)動器、IPMC轉(zhuǎn)向驅(qū)動器、第二柔性傳動機構(gòu)和第二翅膀，電磁 驅(qū)動器與第二柔性傳動機構(gòu)一側(cè)相連，并列設(shè)置在第二支架上，在第二柔性傳 動機構(gòu)另 一側(cè)分別連接電磁驅(qū)動器及第二翅膀。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的撲翼式仿蠅機器人，其特征在于所述的第二 柔性傳動機構(gòu)包括支柱、卡環(huán)及與各部分相連的連接端，其支柱為"L"型結(jié) 構(gòu)，在其短柱端設(shè)有與電磁驅(qū)動器相配合的卡環(huán)，在與短柱端相垂直的短柱側(cè) 為與支架相配合的第一連接端，在支柱的長柱上設(shè)有與轉(zhuǎn)動驅(qū)動器第一開口槽 相配合的第四連接端，在其長柱端連接有與翅膀相配合的第三連接端，在第三 連接端上通過連接柱連接有與電磁驅(qū)動器輸出端固定連接的第二連接端，在支 柱短柱與第一連接端、長柱與第三連接端及連接柱與第二、第三連接端間均為 柔性鉸鏈。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的撲翼式仿蠅機器人，其特征在于所述的第二支 架為"工"字型結(jié)構(gòu)，其槽口與轉(zhuǎn)向驅(qū)動器的支柱端及第二柔性傳動機構(gòu)的第一連接端相配合。
9、根據(jù)權(quán)利要求6所述的撲翼式仿蠅機器人，其特征在于所述第二翅膀 的翅翼連接端為一連接塊。
專利摘要一種撲翼式仿蠅機器人，屬于微型機器人技術(shù)領(lǐng)域。包括電磁驅(qū)動器、兩個IPMC轉(zhuǎn)向驅(qū)動器、第一柔性傳動機構(gòu)、第一支架和兩個第一翅膀，電磁驅(qū)動器的主體端固定在第一支架上，輸出端與安裝在第一支架上的第一柔性傳動機構(gòu)連接，第一柔性傳動機構(gòu)的兩連接板上分別安裝有轉(zhuǎn)向驅(qū)動器，第一柔性傳動機構(gòu)及轉(zhuǎn)向驅(qū)動器分別與第一翅膀連接，電磁驅(qū)動器和轉(zhuǎn)向驅(qū)動器分別與電源連接。本實用新型采用混合驅(qū)動的方式，分別實現(xiàn)兩翅膀的振動和各自轉(zhuǎn)角的調(diào)整，使得飛行器具有轉(zhuǎn)向功能，實現(xiàn)具有三自由度飛行功能的高機動性的撲翼微型機器人。驅(qū)動電壓低，控制簡單，且容易實現(xiàn)較大輸出位移。
文檔編號A63H27/28GK201415756SQ200920015028
公開日2010年3月3日 申請日期2009年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月2日
發(fā)明者劉意楊, 宋小康, 李洪誼, 剛 蘇 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所