蜻蜓機器人設(shè)計

1、JINGCHU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY工業(yè)機器人課程設(shè)計蜻蜓機器人仿真設(shè)計學(xué) 院_ 機械工程學(xué)院_專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 年級班別 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 張思團 2014年 月 日 目 錄1緒論22蜻蜓機器人簡介2 2.1蜻蜓機器人結(jié)構(gòu)組成4 2.2蜻蜓機器人的設(shè)計原則43蜻蜓機器人的設(shè)計4 3.1對蜻蜓飛行的分析4 3.2機器人的飛行原理5 3.3飛行機構(gòu)設(shè)計64機器人其他模塊選擇8 4.1動力模塊選擇設(shè)計8 4.2機器人外形尺寸設(shè)計8 4.3機器人飛行模塊設(shè)計8 4.4機器人大腦控制模塊9 4.5機器人能量存儲模塊 .9 4.6 信息采集模塊 .95

2、結(jié)論10參考文獻11 1 緒論仿生撲翼飛行器是一種模仿鳥類和昆蟲飛行，基于仿生學(xué)原理設(shè)計制造的新型飛行機器。該類飛行器若研制成功，那么與固定翼和旋翼飛行相比，它便具有獨特的優(yōu)點：如原地或小場地起飛，極好的飛行機動性和空中懸停性能以及飛行費用低廉，它將舉升、懸停和推進功能集于一撲翼系統(tǒng)，可以用很小的能量進行長距離飛行，因此更適合在長時間無能源補充及遠距離條件下執(zhí)行任務(wù)。自然界的飛行生物無一例外地采用撲翼飛行方式，這也給了我們一個啟迪，同時根據(jù)仿生學(xué)和空氣動力學(xué)研究結(jié)果可以預(yù)見，在翼展小于 15cm 時，撲翼飛行比固定翼和旋翼飛行更具有優(yōu)勢，微型仿生撲翼飛行器也必將在該研究領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。雖然仿

3、生撲翼飛行器具有以上優(yōu)點，但是目前材料方面的瓶頸限制了它的發(fā)展，使其無法承擔(dān)高強度的任務(wù)，或無法在惡劣的環(huán)境下工作。該論文為仿生蜻蜓機器人設(shè)計。選用蜻蜓作為撲翼布局仿生對象：1.蜻蜓通過翅膀振動可產(chǎn)生不同于周圍大氣的局部不穩(wěn)定氣流，并利用氣流產(chǎn)生的渦流來使自己上升。通過對渦流控制，蜻蜓能在很小的推力下翱翔，不但可向前飛行，還能急速轉(zhuǎn)向、向后和左右兩側(cè)飛行。2.蜻蜓的飛行行為簡單，僅靠兩對翅膀以不同的頻率、方向不停地拍打。就可以完成各種復(fù)雜的飛行動作。3.蜻蜓的翅膀結(jié)構(gòu)和運動形式較為簡單、翅膀相對剛度較大、振動頻率也是飛行昆蟲中較低的，采用蜻蜓仿生撲翼在材料和制造工藝以及計算機仿生模擬上也較其他

4、的飛行昆蟲容易實現(xiàn)。2 蜻蜓機器人簡介 蜻蜓機器人不僅自重輕，而且還集合了傳感器、制動器、機械零件和開環(huán)及閉環(huán)控制系統(tǒng)等硬件于一身，因此能夠以這種獨特的方式飛行。所有這些零件全都安裝在一個緊湊的空間中，相互精準咬合在一起。 它能夠在空中任何方向顫振翅膀，甚至在空中盤旋，蜻蜓機器人還可通過手機進行控制，并發(fā)送至難以抵達的區(qū)域。2.1蜻蜓機器人的結(jié)構(gòu)組成 機器人雖然是由多種配件構(gòu)成的，但大致組成可分為4種，如下所示：（1）組織部：機器人的外型(身體，手，腿，腳，關(guān)節(jié)等)。（2）傳感器部：識別外部環(huán)境的部分(視覺傳感器、聲音傳感器、嗅覺傳感器、觸覺傳感器等)。（3）控制部：判斷識別到信息和抑制動作的

5、部分(微型計算機)。（4）驅(qū)動部：讓機器人實際動作的部分(馬達，液壓裝置，空壓裝置等)。機器人的大腦：可以有很多叫法，可以叫做微控制器，微處理器，處理器或者計算器等，不過這都不要緊，通常微處理器是一塊芯片，而其它的是一整套控制器，包括微處理器和一些別的元件。任何一個機器人大腦就必須要有這塊芯片，不然就不能稱為機器人了。傳感器：是機器人和現(xiàn)實世界之間的紐帶。但就目前傳感器技術(shù)而言，我們現(xiàn)在所能選用的傳感器或者說負擔(dān)的起的傳感器不多。根據(jù)傳感器的工作特征，可以分為光學(xué)傳感器（比如紅外傳感器）、聲音傳感器（比如microphone）、力傳感器（比如壓敏傳感器）、位置傳感器（比如陀螺儀）。后面的章節(jié)中

6、，將詳細介紹這一組件。 機器人運動要靠程序來控制，編程語言是一種控制器能夠接受的語言類型，一般有C語言、匯編語言和basic語言，通常能被較高級的控制器直接執(zhí)行，因為在高級控制器里面內(nèi)置了編譯器能夠直接把一些高級語言翻譯成機器碼。2.2蜻蜓機器人的總體設(shè)計方案 蜻蜓機器人翅膀展開后翼幅為63厘米，體長為44厘米，與真正的蜻蜓十分相似，它能朝任意方向飛行，并且能夠做出相當復(fù)雜的飛行動作。飛行角度多： 蜻蜓機器人每只翅膀最高能旋轉(zhuǎn)90度，這樣便于控制它的飛行角度，還可通過單獨振動某個翅膀來實現(xiàn)減速、迅速提速以及急轉(zhuǎn)彎飛行，它甚至還能向后飛行。構(gòu)造合理。蜻蜓機器人獨特的飛行方式與輕質(zhì)構(gòu)造和各種功能整

7、合有關(guān)，如傳感器、促動器以及機械元件，通過開放-封閉式回路控制系統(tǒng)來將它們聯(lián)系在一起，這些元件都全都集中于一個緊湊空間內(nèi)并且相互間搭配十分精確。馬達配置精確：蜻蜓機器人的4個翅膀由9個伺服電機操控，且分別由4個發(fā)動機單獨控制，伺服電機是一種補助馬達間接變速裝置，可控制速度，位置精度非常準確。飛形機構(gòu)：蜻蜓仿生機器人采用撲翼機構(gòu)作為飛行機構(gòu)以代替仿生學(xué)中蜻蜓翅膀部分。主要利用四連桿機構(gòu)，并在原來基礎(chǔ)上進行優(yōu)化改進，設(shè)計出六足爬行機構(gòu)，使蜻蜓機器人擁有陸地爬行能力。高清攝像機：機器人機身前端懸掛有高清攝像頭，結(jié)合蜻蜓的仿生外形以及小巧的體積，可廣泛應(yīng)用于軍事偵察、民用救災(zāi)。熱成像儀：機頭前端的熱成

8、像儀，可應(yīng)用于夜間軍事探查及隱蔽生命體的偵察。能量模塊：機尾表面的太陽能板，能為機器人提供額外的電力，提高作戰(zhàn)半徑及工作時長。氣象資料收集裝置：位于機身兩側(cè)的氣象資料收集單元，可對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、溫度等進行分析并實施傳回。主要運用于氣象科學(xué)研究。氣象分析儀：至于機體前端兩側(cè)的氣體收集器配合機身內(nèi)部的氣體分析儀，可對空氣成分進行分析，應(yīng)用于氣象研究。 3 蜻蜓機器人的設(shè)計3.1蜻蜓機器人的設(shè)計原則 利用仿生學(xué)原理，同時利用芯 片控制電機轉(zhuǎn)動方向，電機通過曲 柄搖桿機構(gòu)和翅膀相連接，控制翅膀飛行； 在蜻蜓頭部裝有可以360度旋 轉(zhuǎn)的攝像頭，加大蜻蜓的“視覺" 范圍，及時而詳細的傳

9、送視頻資料。3.2機器人的飛行原理 3.2.1對蜻蜓飛行的分析 蜻蜓是無脊椎動物，昆蟲綱，蜻蜓目，差翅亞目昆蟲的通稱。一般體型較大，翅長而窄，膜質(zhì)，網(wǎng)狀翅脈極為清晰。視覺極為靈敏，腹部細長、扁形或呈圓筒形，末端有肛附器。足細而弱，上有鉤刺，可在空中飛行時捕捉害蟲。蜻蜓形態(tài)優(yōu)美被譽為“飛行的寶石”。身上有多處結(jié)構(gòu)能給仿生學(xué)提供研究對象，本部分主要介紹蜻蜓的翅膀結(jié)構(gòu)及其對飛行功能的影響。 蜻蜓是一種飛行能力很強的昆蟲。其長時間的滑翔、懸停、快速前飛及靈活機動的飛行能力，長久以來吸引著流體力學(xué)家的目光。蜻蜓翼拍動改變其周圍空氣流動，進而產(chǎn)生飛行中所需的升力與推力。為了說明蜻蜓的飛行原理，首先要介紹一

10、下蜻蜓的翅膀結(jié)構(gòu)。1、蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)：蜻蜓的翅膀主要由翅脈和翅膜組成，還包括翅痣和關(guān)節(jié)。蜻蜓的翅膀僅占其體重的2%左右，翅膀的前緣和后緣呈流線型，增加了它的靈活性。（1）翅脈 翅脈是翅膀的主要支撐結(jié)構(gòu)。翅脈按縱向結(jié)構(gòu)分布，有剛度較大的前緣脈，亞緣脈以及徑脈，中脈，后肘脈和臀脈，再輔以橫脈，它的前緣脈，亞緣脈和少部分橫脈剛度較大，但有一定的柔韌性，而其余的縱脈和橫脈剛度較低。有非常好的柔韌性。翅脈是管狀結(jié)構(gòu)，既減少了重量又增加了剛度。（2）翅膜 翅膜是翅膀的主要的空氣動力結(jié)構(gòu)，它非常薄，一般只有2.3微米，但可以分為背部層（dorsal layer）、中間層（middle layer）和腹部層（v

11、entral layer）。蜻蜓前翅表面覆蓋了蠟質(zhì)層，包含三種交錯的纖維，這些纖維有兩個功能：一是支撐翅膜，二是承擔(dān)來自臨翅脈的彎矩和扭矩，這層蠟質(zhì)不能被水浸潤，正是蠟質(zhì)的存在，才使蜻蜓翅膀具有自清潔和防雨的功能。（3）翅痣 翅痣是翅膀前端一塊加厚的角質(zhì)區(qū)域（如右上圖所示），翅痣是空腔，里面有液體。這塊芝麻大小的結(jié)構(gòu)極具意義，他消除了飛行過程中翅膀的震顫。一塊翅痣的質(zhì)量雖然只有蜻蜓總體質(zhì)量的0.1%，卻可以提高臨界飛行速度的10%20%。（4）關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)也叫翅節(jié)，在蜻蜓翅膀前緣的中間位置。有一個特殊的節(jié)點，將翅膀的前后兩部分鉸接在一起，其兩邊的結(jié)構(gòu)可以相互轉(zhuǎn)動但不能分離，提高了蜻蜓膜翅的變形能力

12、。這種關(guān)節(jié)的結(jié)合方式在一定程度上起到了緩沖載荷、保護翅面的作用。同時關(guān)節(jié)處還相當于一個減震器，緩解高速拍翼時產(chǎn)生的震動。 選用蜻蜓作為撲翼布局仿生對象：（1）蜻蜓通過翅膀振動可產(chǎn)生不同于周圍大氣的局部不穩(wěn)定氣流，并利用氣流產(chǎn)生的渦流來使自己上升。通過對渦流控制，蜻蜓能在很小的推力下翱翔，不但可向前飛行，還能急速轉(zhuǎn)向、向后和左右兩側(cè)飛行。（2）蜻蜓的飛行行為簡單，僅靠兩對翅膀以不同的頻率、方向不停地拍打。就可以完成各種復(fù)雜的飛行動作。（3）蜻蜓的翅膀結(jié)構(gòu)和運動形式較為簡單、翅膀相對剛度較大、振動頻率也是飛行昆蟲中較低的，采用蜻蜓仿生撲翼在材料和制造工藝以及計算機仿生模擬上也較其他的飛行昆蟲容易實

13、現(xiàn)。3.2.2蜻蜓機器人的飛行原理 蜻蜒等昆蟲能夠在強風(fēng)和復(fù)雜環(huán)境下懸?；蚍€(wěn)定飛行，主要原因是它們的翅膀以及身體可根據(jù)外界條件的改變，產(chǎn)生自適應(yīng)變形。 基于蜻蜓翅膀獨特的網(wǎng)狀翅脈結(jié)構(gòu)特征與功能，以及高效節(jié)能的拍翼飛行方式，可以仿生柔性機翼模型，它們由多層復(fù)合材料薄板和管狀的梁組成，且在管狀梁中充填電致硬化液體，在機翼的前緣設(shè)置類似于翅痣的制振、消震裝置，在翅膀前緣靠近中部位置，設(shè)置可活動鉸。分析蜻蜒作撲翼飛行時這種網(wǎng)狀翅脈結(jié)構(gòu)、翅痣、可活動關(guān)節(jié)以及翅膀中的充液對蜻蜓作高機動飛行時的飛行姿態(tài)控制和翅膀顫震的制振作用，從而用于指導(dǎo)新型智能飛行器作撲翼飛行的柔性機翼仿生設(shè)計。3.3.3飛行機構(gòu)設(shè)計

14、國內(nèi)外對仿生撲翼飛行機器人的研究現(xiàn)狀表明 , 除了MEMS 技術(shù)加工的撲翼機構(gòu)之外 , 樣機都是采用平面撲翼機構(gòu) , 且大都以連桿機構(gòu)居多。通過連桿機構(gòu)的運動來實現(xiàn)仿生翼的撲動 , 為確保撲翼機構(gòu)的可靠性 , 其撲翼機構(gòu)的設(shè)計將受到機構(gòu)的外型構(gòu)造及運動方式的限制 , 即撲翼機構(gòu)外型構(gòu)造要左右對稱 , 左、 右翅膀桿要對稱并同步撲翼動作。因此 , 基于連桿的撲翼機構(gòu)的設(shè)計應(yīng)保證 :(1) 撲翼機構(gòu)的自由度為一 ;(2) 需要有一桿件作為固定機架 ;(3) 需要有一桿件作為輸入桿 ;(4) 需要有不同的兩個桿件作為左、 右翅膀桿 ;(5) 需使左、 右翅膀桿和機架連接 , 能產(chǎn)生左、 右對稱的撲翼

15、動作 , 即要求左、 右翅膀桿撲動動作要同步 ;(6) 機架有多接頭來連接其他桿件 ;(7) 輸入桿可為曲柄或者滑塊 , 且輸入桿和機架只能以轉(zhuǎn)動副或移動副連接 ;(8) 左、 右翅膀桿件都為搖桿 , 必須都與機架連接 , 且接頭只有轉(zhuǎn)動副 , 以保證翅 膀桿在撲動過程中長度不變 ;(9) 左、 右翅膀桿的運動要有急回特性, 使仿生翼具有更好的氣動性能 , 來獲得有效升力 ;(10) 要有盡可能少的桿件 , 以保證撲翼機構(gòu)的緊湊、輕巧。 平面撲翼機構(gòu)采用的連桿機構(gòu)有四桿五接頭、 五桿七接頭、 六桿七接頭、 七桿九接頭等機構(gòu)形式。關(guān)于四桿五接頭等類型桿件 , 在文獻 9 中雖已詳細進行了拓撲設(shè)計

16、 , 但其中多數(shù)機構(gòu)都不能完全滿足以上提到的十點要求。例如圖 4a 、4b 所示的兩種非同步撲翼機構(gòu)。 圖 4 非同步撲翼機構(gòu) 鑒于樣機要求符合結(jié)構(gòu)緊湊、 重量輕等原則 , 所以在設(shè)計中要采用盡可能少的桿件 , 同時要完全滿足以上十點設(shè)計條件。在此基礎(chǔ)上 , 下面例舉幾種基于連桿的撲翼機構(gòu)設(shè)計方案 , 如圖 5a 、 5b 所示。 圖 5 滿足設(shè)計條件的撲翼機構(gòu)撲翼機構(gòu)主要是將往復(fù)運動和旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成撲翼運動 , 輸入構(gòu)件的特點決定了采取何種輸入方式來產(chǎn)生對稱同步的撲翼運動。如圖 5a 所示 , 當撲翼機構(gòu)的輸入件是桿件時 , 可以用具有回轉(zhuǎn)運動特性的機構(gòu)來驅(qū)動 , 比如齒輪。如圖 5b 所示

17、 , 而當輸入件是滑塊時 , 則是通過往復(fù)移動來驅(qū)動。要實現(xiàn)撲翼運動須要將一些具有往復(fù)運動特性的機件應(yīng)用于該機構(gòu)中 , 如圖 6a 、 6b 、 6c 所示 , 即為三種結(jié)構(gòu)相對簡單緊湊的往復(fù)運動機構(gòu)。圖 6a 是往復(fù)移動從動件凸輪機構(gòu) , 圖 6b 是移動導(dǎo)桿機構(gòu) , 圖 6c 是最常見的曲柄滑塊機構(gòu)。圖 6 往復(fù)運動機構(gòu) 由于機構(gòu)的動力為伺服電動機，輸入為旋轉(zhuǎn)運動 , 故選擇通過齒輪轉(zhuǎn)動來驅(qū)動座位蜻蜓機器人的翅膀運動機構(gòu)。 4 機器人其他模塊選擇4.1動力模塊選擇設(shè)計 動力模塊主要集中在胸腔中的兩側(cè)，以便更好地為飛行模塊提供更好的動力和控制其頻率。其中安裝了9個微型的伺服電動機，第一臺伺服

18、電動機安裝在主體架構(gòu)底部，負責(zé)調(diào)節(jié)翅膀的振動頻率每分鐘振翅次數(shù)在900到1200次之間，頻率在15到20赫茲之間。4個關(guān)節(jié)均安裝一臺伺服電動機，獨立控制翅膀的振幅，幅度在80到130度之間。每個翅膀最大可旋轉(zhuǎn)90度，用以控制沖角，使蜻蜓機器人前進、后退或者側(cè)向移動。4.2機器人外形尺寸設(shè)計蜻蜓機器人翼展達63厘米，體長達到44厘米，重量為175克，個頭比實際的蜻蜓稍大。它與真實蜻蜓的相似之處在于，能夠以任何方向飛行，并執(zhí)行最復(fù)雜的飛行策略，且敏捷性很好。4.3機器人飛行模塊設(shè)計 飛行模塊主要是有兩對由金屬混合太陽能電池板構(gòu)成的蜻蜓機器人翅膀，分別安裝在蜻蜓機器人軀干的兩側(cè)，翅膀骨架采用炭纖維，

19、能夠單獨振動每一個翅膀，控制每一個翅膀的振幅、頻率和沖角，每秒振動次數(shù)最高可達20次，材料且輕質(zhì)而又有柔韌性，還可作為為太陽能電池的能量輸送通道。使用太陽能電池板是為了在兼顧飛行需求的同時還能提供一定的續(xù)航能力。此外，翅膀展開后翼幅為63cm，體長為44cm，利用新型的復(fù)合材料和無人駕駛的條件以及其他先進的設(shè)計條件盡可能的減輕飛行器的重量，考慮到飛行器的機動性方面的要求及信息技術(shù)的高度發(fā)展，在未來無人駕駛飛機可以部分代替有人駕駛飛機執(zhí)行任務(wù), 而且也省去了飛行員的重量及操縱系統(tǒng)、生命保障系統(tǒng)等的重量，提高飛行器的靈活性的。通過計算機軟件仿生控制和使用仿生材料可以模擬出類似蜻蜓的飛行方式和性能，

20、使該型撲翼機達到良好的靈活性、加速性、以及正飛、倒飛、向左右飛行、懸停和快速變向飛行的能力。蜻蜓機器人的核心在于撲翼部分，撲翼部分由四片新型復(fù)合材料撲翼葉片、撲翼驅(qū)動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)幾部分組成。撲翼葉片由質(zhì)量輕和高抗疲勞強度特性的薄復(fù)合材料制造、可以滿足模擬蜻蜓翅膀揮動的條件和增加強度、減輕重量的要求。葉片上分布多片傳感器，可以將飛行的數(shù)據(jù)即時傳回飛行控制計算機，比對和調(diào)整撲翼葉片的工作狀態(tài)。撲翼動力驅(qū)動系統(tǒng)也不再采用現(xiàn)在的機械傳動，而是通過一種同樣基于仿生學(xué)中生物力學(xué)原理模擬肌肉組織的電感應(yīng)材料。此種材料是一種高分子化合物，具有同肌肉纖維特點相似的組成，以電能方式提供收縮、舒張需要的

21、能量、并能通過感受輸入電流電壓的變化改變收縮、舒張的強度和程度來驅(qū)動撲翼運動。高性能的計算機可以根據(jù)傳感器傳回的數(shù)據(jù)和控制端輸入的信號來控制驅(qū)動系統(tǒng)表現(xiàn)出相應(yīng)條件下的運動特性。由于撲翼和撲翼動作系統(tǒng)必須是柔性的(滿足模擬肌肉組織收縮條件)因此也帶來飛機結(jié)構(gòu)上相對與傳統(tǒng)意義上的飛機的變化，所以我們在飛行器上也廣泛的采用了力學(xué)、物理學(xué)特性好的復(fù)合材料最大程度上滿足撲翼機的仿生運動要求。重量約為175克，外形與真正的蜻蜓十分相似。機翼的形狀決定著飛行器的飛行性能，在高速時正確的翼型可以產(chǎn)生升力，在低速的時候，正確的翼型可以保證機翼附近的空氣不紊亂，使空氣規(guī)則流動，產(chǎn)生規(guī)則固定的空氣阻力。 圖4-5主翼翼型主翼翼型參考飛機翼型設(shè)計，中間圓孔和方孔是給主翼上桿和下桿的安裝留出的。圖4-6外翼翼型4.4機器人大腦控制模塊 機器人的大腦控制模塊安放在機器人的軀干，包括各種的傳感器?？刂茊卧饕且粋€集成了可編程AMR微控制器、WIFI射頻模塊的集成電路，配置有水平儀、陀螺儀、加速度傳感器、慣性傳感器、位置傳感器、磁力線感應(yīng)器等。使用電腦通過USB向其輸入控制程序，在編寫一個手機APP通過WIFI與其鏈接，向其發(fā)送控制信號，控制其行動。4.5機器人能量存儲模塊機器人采用電力驅(qū)動，在構(gòu)造方面，在蜻蜓的尾部有一個柱狀的物體，可以作