(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 ■ (10)授权公告号CN103112513B (45)授权公告日2015.06.10 (21)申请号201310016198.8 (22)申请日2013.01.16 (73)专利权人北京航空航天大学 地址100191北京市海淀区学院路37号 (72)发明人陈殿生尹军茂陈科位赵锴 (74)专利代理机构北京永创新实专利事务所 11121 代理人周长琪 (51)1nt.Cl. B62D57/02(2006.01) 审查员周晓龙 权利要求书2页说明书5页附图4页 (54)发明名称 一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人 (57)摘要 本发明公开了一种具有姿态调整功能的仿蝗 虫机器人，包括机身以及机身上安装的仿生折叠 翼、可变姿态尾部和控制部分：上述仿生折叠翼 安装在机身两侧，采用半柔性伸缩式骨架与柔性 薄膜翼面，可收回、打开，且分别通过机身两侧的 驱动器独立控制拍翼功能。可变姿态尾部通过驱 动器实现相对于机身的上、下、左、右的摆动，且具 有可调整配重。分别使用独立的四连杆机构驱动： 本发明中控制部分用于实时获取机器人姿态，通 过上位机进行处理：且根据当前时刻机器人姿态 通过对各个驱动器进行驱动控制，从而对仿生折 叠翼与尾部进行控制，进而实现机器人姿态控制。 本发明的优点为：可实现空中非完整约束和无约 束状态下的姿态自调整，满足空中姿态调整需求
CN103112513B 权利要求书 1/2页 1.一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人，其特征在于：包括机身以及机身上安装的 仿生折叠翼、可变姿态尾部与控制部分： 其中，机身左右两侧分别安装有一套由前翼板、后翼板、折叠翼板以及翼面构成的仿生 折叠翼：两套仿生折叠翼均通过连接合页与机身相连：所述连接合页中的叶片A与矩形框 架顶面固连，叶片B用来连接前翼板、后翼板与折叠翼板，具体为：前翼板一端与叶片B间 通过第一连接轴轴接，后翼板一端与叶片间通过第二连接轴轴接：叶片B上沿连接合页轴 向开有滑道：折叠翼板的滑动端与滑道滑动连接，连接端通过第三连接轴轴接在前翼板上： 所述翼面固定在前翼板与后翼板上：当折叠翼板的滑动端位于滑道前端时，翼面处于展开 状态：折叠翼板的滑动端位于滑道后端时，翼面处于收回状态： 所述可变姿态尾部包括横摆关节、纵摆关节、尾杆与配重，通过尾部安装架安装在机身 上：所述尾部安装架由两根电机安装杆与一根连杆构成：两电机安装杆分别与机身后端两 侧面轴接，两电机安装杆间通过连杆相连：可变姿态尾部中，纵摆关节为杆状，一端活动套 接在连杆中心位置：横摆关节活动套接在纵摆关节上：尾杆前端固定在横摆关节上，且与 纵摆关节垂直设置：尾杆后端套接有配重： 所述控制部分均安装在机身上，包括驱动部分、微控制器、姿态传感器、无线数传模块 与电源模块：而驱动部分由第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器与第四驱动器构成：其 中，第一驱动器与第二驱动器的输出轴朝向机身前方，且分别与双摇杆机构A、双摇杆机构 B一端固连，双摇杆机构A与双摇杆机构B另一端分别通过连接件A与机身左右两侧仿生 折叠翼中的叶片B铰接：第三驱动器的输出轴朝向机身左侧或右侧，与双摇杆机构C一端 相连，双摇杆机构C的另一端与尾部安装架中连杆固连：第四驱动器的输出轴朝向机身下 方，与一个摇杆的固定端固连，摇杆的固定端还与横摆关节固连：摇杆的连接端通过连接件 B固定在尾杆上： 所述微控制器通过连接线与无线模块、姿态传感器、电源模块相连：其中，无线模块用 来接收上位机发送的控制指令，并发送到微控制器：微控制器根据接收到的控制指令控制 第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器与第四驱动器的运动：姿态传感器用来感知机身的姿 态，并将获取的姿态信息发送到微控制器中，从而微控制器通过无线模块将获取的姿态信 息传回上位机。 2.如权利要求1所述一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人，其特征在于：所述两套 仿生折叠翼相对机身对称设计。 3.如权利要求1所述一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人，其特征在于：所述翼面 为由柔性薄膜材料制成。 4.如权利要求1所述一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人，其特征在于：当翼面处 于展开状态时，前翼板轴线与机身轴线垂直。 5.如权利要求1所述一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人，其特征在于：所述翼面 处于收回状态时，前翼板、后翼板的轴线均与机身平行。 6.如权利要求1所述一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人，其特征在于：当所述翼 面处于收回状态，且可变姿态尾部的轴线与机身轴线平行共面时，仿蝗虫姿态调整机器人 的重心位于机身中轴线上，且位于后翼板与机身连接位置处。 7.如权利要求1所述一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人，其特征在于：所述叶片B 2
CN103112513B 权利要求书 2/2页 上，靠近后翼板连接处前方安装有限位块，通过限位块对后翼板向前转动的位移进行限制。 t
CN103112513B 说明书 1/5页 一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人 技术领域 [0001]本发明涉及智能机器人领域，具体来说，是一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器 人，可应用于跳跃机器人，使其在跳跃腾空后自主调整机体姿态并稳定转化为滑翔或扑翼 飞行状态，也可衍化并应用在仿生飞鸟、仿生昆虫等一类仿生扑翼飞行机器人以及滑翔式 小型无人机上。 背景技术 [0002]地面移动机器人在深空探测、军事侦查及反恐防爆等领域具有广阔的应用前景和 重要的战略意义。在这些领域中往往地形环境未知或很复杂，存在各式各样的障碍物或沟 渠，这就要求机器人具有很强的地形适应性和越障能力。为了解决微小型移动机器人的越 障难题，国内外研究人员正在研究探索各种高越障性的机器人，其中跳跃机器人可以越过 数倍甚至数十倍于自身尺寸的障碍物，特别是在星际探索中，由于月球与火星表面重力加 速度低于地球（火星38%，月球17%），弹跳运动能充分利用这个优势，早在1969年美国 就有人研制弹跳机构以用于月球探索。最近由美国波士顿公司研制的Sand Flea是跳跃机 器人投入到实际应用中的代表，该机器人具有强大的跳跃能力（跳跃高度达7.5米），已于 2010年装备美国军方，用于侦察、搜救等方面。由此可见跳跃机器人具有高效的越障能力和 广阔的应用前景。 [0003]在跳跃机器人研究中，很多都是模仿具有跳跃能力的生物。公开号为101716962A 的发明专利《一种仿蝗虫弹跳翻转机器人》，公开号为102092431A的发明专利《一种仿蝗虫 弹射机理的跳跃机器人》以及公开号为202508192U的实用新型专利《一种仿蝗虫的弹跳机 构》中均提出了仿蝗虫跳跃机器人的新颖设计。但是，几乎所有的跳跃机器人都面临空中姿 态翻转或偏转的问题，由此会造成空中飞行姿态不可控，落地易发生冲击和倾覆。尽管目前 一些跳跃机器人具备落地后的姿态恢复能力，但巨大的落地冲击仍会对机器人造成较大损 坏。蝗虫集跳跃、滑翔及飞行能力于一身，一般蝗虫通过跳跃的腾空高度可以达到自身身长 的10倍以上。特别是，蝗虫可以在空中通过自身细长柔软的腹部摆动和双翼的运动快速改 变其姿态，然后通过稳定滑翔增加跳跃距离，落地姿态稳定性好且冲击小。受此启发，研究 仿蝗虫的空中姿态调整技术，为上述问题提供技术支撑。 [0004]现有技术中，对仿生机器人空中姿态控制的研究集中在仿生扑翼飞行器，且都是 基于扑翼气体动力学的姿态控制。而国外一些研究人员，针对猫的跌落姿态调整提出了一 些多自由度变结构机体的机构模型，解释了猫的姿态调整原理：针对蜥蜴、壁虎采用尾巴摆 动控制自身空中姿态的现象，研制了附加尾巴的机器小车，能够实现小车俯冲时的姿态调 节。截至目前，尚未出现采用仿生多自由度可变机体结构和扑翼运动共同调整空中姿态的 设计和研究。 发明内容 [0005]为了解决现有技术问题，本发明在研究并揭示蝗虫空中姿态自调整机理的基础
CN103112513B 说明书 2/5页 上，提出一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人，可通过仿蝗虫腹部运动的尾部机构和独 立扑动的双翼实现空中非完整约束或无约束状态下的姿态调整和姿态控制。 [0006]一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人，包括机身以及机身上安装的仿生折叠 翼、可变姿态尾部与控制部分。 [0007]其中，机身左右两侧分别安装有一套由前翼板、后翼板、折叠翼板以及翼面构成的 仿生折叠翼：两套仿生折叠翼均通过连接合页与机身相连：所述连接合页中的叶片A与矩 形框架顶面固连，叶片B用来连接前翼板、后翼板与折叠翼板，具体为：前翼板一端与叶片 B间通过第一连接轴轴接，后翼板一端与叶片间通过第二连接轴轴接：叶片B上沿连接合页 轴向开有滑道：折叠翼板的滑动端与滑道滑动连接，连接端通过第三连接轴轴接在前翼板 上：所述翼面固定在前翼板与后翼板上：当折叠翼板的滑动端位于滑道前端时，翼面处于 展开状态：折叠翼板的滑动端位于滑道后端时，翼面处于收回状态。 [0008]所述可变姿态尾部包括横摆关节、纵摆关节、尾杆与配重，通过尾部安装架安装在 机身上：所述尾部安装架由两根电机安装杆与一根连杆构成：两电机安装杆分别与机身后 端面轴接，两电机安装杆间通过连杆相连：可变姿态尾部中，纵摆关节为杆状，一端活动套 接在连杆中心位置：横摆关节活动套接在纵摆关节上：尾杆前端固定在横摆关节上，且与 纵摆关节垂直设置；尾杆后端套接有配重。 [0009]所述控制部分均安装在机身上，包括驱动部分、微控制器、姿态传感器、无线数传 模块与电源模块：而驱动部分由第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器与第四驱动器构成： 其中，第一驱动器与第二驱动器的输出轴朝向机身前方，且分别与双摇杆机构A与双摇杆 机构B一端固连，双摇杆机构A与双摇杆机构B另一端分别通过连接件A与机身左右两侧仿 生折叠翼中的叶片B铰接：第三驱动器的输出轴朝向机身左侧或右侧，与双摇杆机构C一端 相连，双摇杆机构C的另一端与尾部安装架中连杆固连：第四驱动器的输出轴向机身下 方，与一个摇杆的固定端固连，摇杆的固定端还与横摆关节固连：摇杆的连接端通过连接件 B固定在尾杆上。由此通过控制第一驱动器与第二驱动器的输出轴转动，可带动叶片B向上 或向下翻转，实现机身左右两侧仿生折叠翼独立的同步或不同步扑翼运动控制：通过控制 第三驱动器输出轴转动，使双摇杆机构B带动连杆前后摆动，实现尾杆的俯仰运动控制：通 过控制第四驱动器输出轴转动，使摇杆带动横向摆动关节转动，实现尾杆的偏摆运动控制。 [0010]所述微控制器通过连接线与无线模块、姿态传感器、电源模块相连：其中，无线模 块用来接收上位机发送的控制指令，并发送到微控制器：微控制器根据接收到的控制指令 控制第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器与第四驱动器的运动：姿态传感器用来感知机身 的姿态，并将获取的姿态信息发送到微控制器中，从而微控制器通过无线模块将获取的姿 态信息传回上位机。 [0011]本发明的优点在于： [0012]1、本发明仿蝗虫机器人，采用仿蝗虫的姿态调整机理，兼具扑翼方式和尾部机构 两自由度摆动快速调整机体姿态，可以实现空中非完整约束和无约束状态下的姿态自调 整，具有较好的调整效果和快速性； [0013]2、本发明仿蝗虫机器人，提出了仿蝗虫的折叠翼方案，翼面折叠时，可以仅采用尾 部机构摆动实现姿态调整运动，减少翼面气动力影响：翼面展开时，可在尾部不运动时，单 独进行扑翼运动实现飞行或滑翔姿态控制：且扑翼和尾部摆动也可以同时实施：