上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源（专利资料）水下仿生（2012）仿乌贼飞行机器人 CN102910289A.pdf_大学文库

CN102910289A 说明书 1/3页仿乌贼飞行机器人技术领域 [0001]本发明属于机器人应用领域，具体涉及到了仿乌贼飞行机器人。背景技术 [0002]机器人技术作为计算机技术、控制理论、人工智能以及传感技术相融合产生的新的技术学科在20世纪末有了迅猛的发展。人类制作的机器人已经从单纯的工业应用向战场侦察、灾难救援和家庭服务等更多元的应用方向发展。机器人本身就是人类为了模仿自然界的生物，用机电一体化技术开发出的为人类的工具，因而对生物体外形和功能的仿生一直是机器人领域的核心追求。 [0003]当今机器人的工作环境早已从地面向空中和水下扩展，一大批空中和水下机器人纷纷涌现。如美国海军研究所研制的龙虾机器人和德国费斯托公司研究的仿海鸥飞行机器人。这些机器人都将生物优异的运动特性成功的用机器人的形式展现出来了。 [0004]但是通过对水中生物仿生的而制成的机器人不一定要在应用于水中，因为水中的机器人对本身密封的要求比较高。换个角度想想其实我们生活的环境就是一个空气的海洋，况且火箭和喷气式飞机已经证明了反冲现象在空气中能实现和水中一样的效果。这一点，费斯托公司给了我们很好的启示。费斯托公司分别研制了能在空中悬浮的仿生企鹅机器人和仿生水母机器人。这两款机器人都是利用充满氦气的气球将本体抬升至空中，然后利用自身所携带的其它动力元件提供驱动力再空中运动。尤其是仿生企鹅机器人有着非常优异的运动性能，所以我所设计的仿乌贼飞行机器人将采用类似的结构形式，即用充满氦气的气球让整个机体浮于空中，然后利用动力元件和机械结构的传递来实现机器人在空中的运动。目前在国内还未见有与仿生乌贼飞行机器人相关的专利。而论文上所报道的仿乌贼的机器人均为水下机器人，没有任何论文将乌贼的运动特性和空中机器人向结合。发明内容 [0005]本发明的内容在于提供一种仿乌贼飞行机器人。该机器人由气筒提供浮力浮于空中。具有微波推动和快速突进两种运动方式。微波推动是靠鳍传动装置提供动力，而快速突进的运动方式则是靠气体喷射装置提供高速气体来提供动力。在执行任务时，机器人可以根据任务内容在两种运动方式之间进行灵活的选择，能够执行侦察、灾难搜救和攻击耳标指引等任务。 [0006]为了实现上述发明目的，一种仿乌贼飞行机器人由气筒、气体喷射装置、鳍传动装置和机架构成。其特征在于气筒整体采用PVC材料，为了加工方便气筒主体可直接设计成椭球状。为了产生足够的浮力使得机器人悬浮在空中，并提高整个机器人运动的稳定性，将两个汽艇左右对称布置在机器人的两侧，气筒内部装有氢气等小密度气体与机器人主体上伸出的支架相连。气筒简位于机器人主体与鳍传动装置之间，这样在保证机器人各部分相互不干涉的情况下，最大限度的增大了汽艇的体积，从而为机器人提供足够的浮力。 [0007]微波推进是仿乌贼飞行机器人的主要运动方式，因而鳍传动装置是仿乌贼飞行机

CN102910289A 说明书 2/3页器人的重要组成部分。其特征在于装置由直流电机、1号齿轮、2号齿轮、驱动齿轮对、直连杆、曲连杆、鳍膜等组成。直流电动机与1号齿轮相连，为传动装置提供动力。1号齿轮和2 号齿轮外啮合，将运动进一步传给2号齿轮.2号齿轮和驱动齿轮对的一个齿轮共轴，因而二者具有相同的角速度。驱动齿轮对的两个齿轮外啮合，齿数相同，因而其传动比为1：1。驱动齿轮对的每个齿轮边缘处有一突起轴，分别与两个直杆件相连，再加上两个曲连杆最终形成了四连杆机构，四连杆机构满足杆长条件，且最短杆为驱动连架杆，形成了曲柄摇杆机构。曲连杆是摇杆做为工作杆件，其摆角为20度，满足传动要求。在运动传导至两齿轮处后，由于两个齿轮的传动比为1，且旋转方向相反，分别带动各自的四连杆机构运动，最终两个工作杆件的摆动角的变化规律趋于一致。飞行机器人前后各有一组这样的传动装置，两组传动装置的运动速率一样，只是相位不同。这样能够保证鳍膜能够产生上下摆动，从而推动飞行机器人运动。靠四连杆运动并不能产生我们所需要的推力。煽动一定面积的物体才能产生气流最终产生动力。可以采用了尼龙塑料做成鳍膜，这种膜能够随着杆件运动而扭曲，并具有一定的曲面造型，能在杆件上下摆动时产生向前的推动力，将鳍膜固定到连杆上，直流电机带动四连杆运动，四连杆又带动鳍膜运动，从而产生了向前运动的推力了。 [0008]气体喷射装置是产生快速突进的装置，其特征在于装置由储液容器、导气管、喷气口、舵机等组成。靠瞬间压缩气体产生反冲作用力的方法在小型的飞行机器人上不太容易实现，因为飞行机器人很难提供功率相对较大的装置来用于气体的压缩。 [0009] 考虑泡沫灭火器的原理，利用两种液体混合反应，产生大量的二氧化碳，气体的压强较大，从灭火器的喷嘴喷出，从而利用二氧化碳的化学性质完成灭火。其化学反应方程式如下： [0010]A12(S0)3+6NaHC03==3Na2S04+2A1(0HD)3+6C02↑ [0011]从以上分析可知，可以利用化学的方法来实现产生大量气体并进行喷射，推动飞行机器人前进。储液容器内部被分为两个部分，上半部分盛放A12(SO)3液体，下半部分盛放HCO,液体，两部分靠电磁单向阀相连。当启动气体喷射的命令发出后，单向阀接通，上部的A12(S0)3在重力的作用下通过单向阀进入下半部分与NaHC03发生反应。反应发生后下半部分的气体压力增大，但由于单向阀的作用，气体不能进入上半部分，只能沿着下半部分进入导管。由于下半部分容器的体积较小，使得气体的压强很大，气体经导管由喷气口高速排出，产生推动力。由于鳍传动是对称运动不能完成转向的作用，必要有独立的转向系统才能提高飞行机器人运动的灵活性。转向机构靠舵机完成转向并与气体喷射相结合。喷口周定在舵机上，靠舵机的转动来调节喷口喷射的方向，因为气体喷射的力要远远大于鳍波动的力。由舵盘确定喷气口的方向，在让气体喷出就能完成快速转向的功能。 [0012]本发明的优点在于： [0013](1)本机器人为飞行机器人，整体由小型氦气汽艇提供浮力浮于空中，可以在空中实现悬停、巡航及快速突进等运动。 [0014](2)对乌贼进行功能性仿生，具有鳍动微波推进和气体喷射推进两种不同的推进方式，根据情沉况可以在两种推进方式之间进行转换。 [0015](3)通过改变气体推进排气管的方向，并配合不同程度的气体喷射推进来改变机器人的飞行方向。喷射推进的动力通过化学反应产生

CN102910289A 说明书 3/3页附图说明： [0016]附图1仿飞行机器人整体示意图： [0017]附图2气体喷射装置组成示意图； [0018]附图3鳍传动装置组成示意图； [0019]附图中：1-气筒，2-气体喷射装置，3-机架，4-鳍传动装置，5-储液容器，6-卡箍， 7-导气管，8-喷气口，9-舵机，10-直流电机，11-1号齿轮，12-2号齿轮，13-驱动齿轮对， 14-直连杆，15-曲连杆，16-鳍膜。具体实施方式： [0020]下面结合附图对本发明做进一步说明。 [0021] 从附图1可以看出仿乌贼飞行机器人由气筒1、气体喷射装置2、机架3、鳍传动装置4组成：两个椭球形的气简1在飞行机器人的左右对称布置：气体喷射装置2放置在飞行机器人机架3的上面，而鳍传动装置4则置于机架3的中心部位，整个机器人左右对称。 [0022]附图2所示为气体喷射装置2的组成示意图：储液容器5置于机架3的前端，并通过导气管7与后端的喷气口8相连；喷气口8与舵机9固定，舵机固定在机架3上；舵机 9可以带动喷气口8转动，从而通过改变气体喷射方向来进一步改变飞行机器人的运动方向。 [0023]附图3所示为鳍传动装置4的组成示意图；鳍传动装置4前后对称，现以前端组成做进一步说明：直流电机10与1号齿轮11固定，传动扭矩；2号齿轮与驱动齿轮对13中的一个齿轮同轴固定，直流电机10的扭矩通过1号齿轮和2号齿轮的啮合传至驱动齿轮对 13;驱动齿轮对13的两个齿轮齿数相同，因而通过二者的外啮合作用，两个齿轮能产生转速相同，转向相反的运动；驱动齿轮对13的两个齿轮边缘上分别突起一个轴，通过此轴和直连杆14铰接：曲连杆15中间部分铰接在机架3上，一端与直连杆14相连，另一端上固定鳍膜16：机架3、驱动齿轮对13、直连杆14、曲连杆15组成了四连杆机构，并且驱动齿轮对 13作为曲柄，曲连杆15作为摇杆，这样能够保证鳍膜16两端能够按照一定的运动规律进行运动，产生飞行机器人向前的推动力