本發(fā)明屬于仿生撲翼機(jī)器人相關(guān)，更具體地，涉及一種具備弦向雙模態(tài)的水空兩棲仿生撲翼機(jī)器人。

背景技術(shù)：

1、仿生撲翼機(jī)器人的靈感來源在于模仿自然界生物通過撲動(dòng)翅膀的方式來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能，相比于傳統(tǒng)的人造螺旋槳等驅(qū)動(dòng)形式，撲翼具有更高的運(yùn)動(dòng)效率、更低的環(huán)境噪聲和更為安全的操作模式。仿生撲翼機(jī)器人在水上環(huán)境表現(xiàn)為模仿鳥類的翅膀?qū)崿F(xiàn)飛行，而在水下環(huán)境，則表現(xiàn)為模仿以蝠鲼為代表的胸鰭式推進(jìn)魚類來進(jìn)行游動(dòng)。然而，現(xiàn)有的仿生撲翼機(jī)器人僅面向單一生物進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，導(dǎo)致面向空中飛行的水上撲翼機(jī)器人難以在水下游動(dòng)，而面向水下游動(dòng)的撲翼機(jī)器人無法在空中飛行。其應(yīng)用場(chǎng)景僅能適應(yīng)單一介質(zhì)環(huán)境，而無法滿足水空兩棲跨介質(zhì)場(chǎng)景的撲翼運(yùn)動(dòng)需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種具備弦向雙模態(tài)的水空兩棲仿生撲翼機(jī)器人，通過設(shè)計(jì)弦向雙模態(tài)撲翼來模仿鳥類羽毛和蝠鲼鰭骨在運(yùn)動(dòng)過程中的行為差異，為仿生撲翼機(jī)構(gòu)賦予更多的運(yùn)動(dòng)模態(tài)和功能，拓展了仿生撲翼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)景，由此解決現(xiàn)有的仿生撲翼機(jī)器人無法滿足水空兩棲跨介質(zhì)場(chǎng)景的撲翼運(yùn)動(dòng)需求的技術(shù)問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種具備弦向雙模態(tài)的水空兩棲仿生撲翼機(jī)器人，包括主機(jī)身1、弦向雙模態(tài)撲翼2、尾翼3、跨介質(zhì)機(jī)構(gòu)4、控制單元5和柔性蒙皮6；

3、其中，所述主機(jī)身1包括主骨架1-1、撲動(dòng)齒輪組1-2、撲動(dòng)電機(jī)1-3、撲動(dòng)連桿1-4和尾翼固定桿1-5；所述主骨架1-1為機(jī)器人的核心承重結(jié)構(gòu)，用于安裝主機(jī)身1的其余各部件；所述撲動(dòng)齒輪組1-2安裝在所述主骨架1-1的內(nèi)部，在所述撲動(dòng)電機(jī)1-3的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)所述撲動(dòng)連桿1-4往復(fù)撲動(dòng)；所述尾翼固定桿1-5安裝在所述主骨架1-1的后端；

4、所述弦向雙模態(tài)撲翼2安裝在所述主機(jī)身1的左右兩側(cè)，并與所述撲動(dòng)連桿1-4相連；所述柔性蒙皮6粘覆于所述弦向雙模態(tài)撲翼2的上方；所述尾翼3安裝在所述尾翼固定桿1-5上；所述跨介質(zhì)機(jī)構(gòu)4安裝在所述主骨架1-1的前端；所述控制單元5固定在所述主骨架1-1上，通過信號(hào)線與各部件相連；

5、優(yōu)選地，所述弦向雙模態(tài)撲翼2包括撲動(dòng)機(jī)構(gòu)2-1、弦向雙模態(tài)關(guān)節(jié)2-2和模態(tài)切換機(jī)構(gòu)2-3；所述撲動(dòng)機(jī)構(gòu)2-1鉸接在所述主骨架1-1的左右兩側(cè)，在所述撲動(dòng)連桿1-4的驅(qū)動(dòng)下往復(fù)撲動(dòng)；所述弦向雙模態(tài)關(guān)節(jié)2-2安裝在所述撲動(dòng)機(jī)構(gòu)2-1上，跟隨撲動(dòng)機(jī)構(gòu)2-1運(yùn)動(dòng)；所述模態(tài)切換機(jī)構(gòu)2-3固定在所述主骨架1-1上，在運(yùn)動(dòng)過程中控制所述弦向雙模態(tài)關(guān)節(jié)2-2的運(yùn)動(dòng)模態(tài)；

6、優(yōu)選地，所述撲動(dòng)機(jī)構(gòu)2-1包括翼根固定座2-11、撲動(dòng)桿2-12和翼尖固定座2-13；所述翼根固定座2-11鉸接在所述主骨架1-1的左右兩側(cè)，并與所述撲動(dòng)連桿1-4相連，在所述撲動(dòng)連桿1-4的驅(qū)動(dòng)下往復(fù)撲動(dòng)；所述撲動(dòng)桿2-12固定在所述翼根固定座2-11上。

7、優(yōu)選地，所述弦向雙模態(tài)關(guān)節(jié)2-2包括關(guān)節(jié)固定座2-21、關(guān)節(jié)活動(dòng)座2-22、上沖程扭簧2-23和下沖程扭簧2-24；所述關(guān)節(jié)活動(dòng)座2-22鉸接在所述關(guān)節(jié)固定座2-21上，可相對(duì)所述關(guān)節(jié)固定座2-21發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；所述上沖程扭簧2-23和所述下沖程扭簧2-24均約束在所述關(guān)節(jié)活動(dòng)座2-22和所述關(guān)節(jié)固定座2-21的鉸接軸上；所述上沖程扭簧2-23的一端固定在所述關(guān)節(jié)固定座2-21上，另一端則在所述關(guān)節(jié)活動(dòng)座2-22相對(duì)于所述關(guān)節(jié)固定座2-21向下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)提供扭矩；所述下沖程扭簧2-24的一端固定在所述關(guān)節(jié)固定座2-21上，另一端則在所述關(guān)節(jié)活動(dòng)座2-22相對(duì)于所述關(guān)節(jié)固定座2-21向上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)提供扭矩。

8、優(yōu)選地，所述模態(tài)切換機(jī)構(gòu)2-3包括模態(tài)切換舵機(jī)2-31、模態(tài)切換連桿組2-32、傳動(dòng)繩2-33、鋸齒板2-34和拉簧2-35；所述模態(tài)切換舵機(jī)2-31固定在所述尾翼固定桿1-5上，并作為所述模態(tài)切換連桿組2-32的輸入端控制其運(yùn)動(dòng)；所述模態(tài)切換連桿組2-32的輸出端套在所述撲動(dòng)桿2-12上，并可沿著所述撲動(dòng)桿2-12的軸向滑動(dòng)；所述傳動(dòng)繩2-33一端固定在所述模態(tài)切換連桿組2-32的輸出端，另一端連接在所述鋸齒板2-34上；所述鋸齒板2-34穿過所述關(guān)節(jié)固定座2-21的內(nèi)部，通過所述拉簧2-35連接在所述翼尖固定座2-13上。

9、優(yōu)選地，所述模態(tài)切換連桿組2-32的輸出端向所述撲動(dòng)桿2-12的根部滑動(dòng)時(shí)，拉動(dòng)所述傳動(dòng)繩2-33帶動(dòng)所述鋸齒板2-34滑動(dòng)；所述鋸齒板2-34上帶有多個(gè)凸臺(tái)和凹槽，通過所述傳動(dòng)繩2-33的拉動(dòng)決定是凸臺(tái)還是凹槽位于所述關(guān)節(jié)固定座2-21的內(nèi)部；當(dāng)凸臺(tái)位于所述關(guān)節(jié)固定座2-21的內(nèi)部時(shí)，所述弦向雙模態(tài)關(guān)節(jié)2-2將在撲動(dòng)過程中產(chǎn)生非對(duì)稱的轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡，模仿鳥類羽毛在撲動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為水上模態(tài)；當(dāng)凹槽位于所述關(guān)節(jié)固定座2-21的內(nèi)部時(shí)，所述弦向雙模態(tài)關(guān)節(jié)2將在撲動(dòng)過程中產(chǎn)生類似于蝠鲼鰭骨的對(duì)稱軌跡，為水下模態(tài)。

10、優(yōu)選地，所述尾翼3包括俯仰翼3-1、偏航翼3-2、俯仰舵機(jī)3-3、偏航舵機(jī)3-4和尾翼舵機(jī)固定座3-5；所述俯仰舵機(jī)3-3驅(qū)動(dòng)所述俯仰翼3-1運(yùn)動(dòng)，并通過所述尾翼舵機(jī)固定座3-5安裝在所述尾翼固定桿1-5上；所述偏航舵機(jī)3-4安裝在所述俯仰翼3-1上，跟隨俯仰翼運(yùn)動(dòng)；所述偏航舵機(jī)3-4與所述偏航翼3-2相連并驅(qū)動(dòng)其相對(duì)于所述俯仰翼3-1發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

11、優(yōu)選地，所述跨介質(zhì)機(jī)構(gòu)4包括跨介質(zhì)電機(jī)4-1、螺旋槳葉4-2和電機(jī)固定座4-3；所述跨介質(zhì)電機(jī)4-1與所述螺旋槳葉4-2連接在一起，并通過所述電機(jī)固定座4-3安裝在所述主骨架1-1的前端；所述跨介質(zhì)電機(jī)4-1驅(qū)動(dòng)所述螺旋槳葉4-2高速轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)器人從水下沖向空中，實(shí)現(xiàn)跨介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，在完全進(jìn)入空中環(huán)境后關(guān)閉所述跨介質(zhì)電機(jī)4-1。

12、優(yōu)選地，一種具備弦向雙模態(tài)的水空兩棲仿生撲翼機(jī)器人在水中通過所述弦向雙模態(tài)撲翼2的水下模態(tài)進(jìn)行游動(dòng)，通過對(duì)稱的弦向軌跡在撲動(dòng)過程中將動(dòng)力集中在推力方向并減小所需功耗；當(dāng)從水中環(huán)境跨入空中環(huán)境時(shí)，所述跨介質(zhì)電機(jī)4-1開啟并帶動(dòng)機(jī)器人沖出水面；當(dāng)機(jī)器人完全進(jìn)入空中時(shí)，關(guān)機(jī)所述跨介質(zhì)電機(jī)4-1并將所述弦向雙模態(tài)撲翼2切換為水上模態(tài)，通過撲動(dòng)產(chǎn)生的非對(duì)稱軌跡實(shí)現(xiàn)空中飛行。

13、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的一種具備弦向雙模態(tài)的水空兩棲仿生撲翼機(jī)器人主要具有以下有益效果：

14、1.本發(fā)明提供的一種具備弦向雙模態(tài)的水空兩棲仿生撲翼機(jī)器人，賦予了撲翼結(jié)構(gòu)水上和水下兩種運(yùn)動(dòng)模態(tài)，模仿了鳥類羽毛和蝠鲼鰭骨的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以適應(yīng)水空兩棲環(huán)境，解決了現(xiàn)有撲翼機(jī)器人僅能在單一介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的技術(shù)難點(diǎn)。

15、2.本發(fā)明提供的一種具備弦向雙模態(tài)的水空兩棲仿生撲翼機(jī)器人，在空中飛行時(shí)，相比于僅依賴碳桿柔性而產(chǎn)生弦向形變的傳統(tǒng)撲翼機(jī)器人，

16、3.本發(fā)明提供的一種具備弦向雙模態(tài)的水空兩棲仿生撲翼機(jī)器人，在水中游動(dòng)時(shí)，本機(jī)器人撲翼的水下模態(tài)可釋放翼面弦向剛度，減小撲動(dòng)過程中的投影面積與撲動(dòng)阻力，使得小型無刷電機(jī)也能驅(qū)動(dòng)大尺寸撲翼在水下?lián)鋭?dòng)。

17、4.本發(fā)明提供的一種具備弦向雙模態(tài)的水空兩棲仿生撲翼機(jī)器人，在水中游動(dòng)時(shí)，還可對(duì)撲動(dòng)過程中的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行重定向，將動(dòng)力更多地沿著推力方向產(chǎn)生，增強(qiáng)撲翼機(jī)器人水下推進(jìn)效率，并減小機(jī)器人在升力方向的振蕩。