一种可实现弹跳起飞的仿生扑翼飞行器及其控制方法

本发明涉及扑翼飞行器领域，尤其涉及一种可实现弹跳起飞的仿生扑翼飞行器及其控制方法。

背景技术：

1、扑翼飞行器具有仿生性高、飞行效率高、机动性能强等优点，可以广泛应用于侦察、搜索等任务环境。但目前的扑翼飞行器载荷能力较低，电池重量受到限制，如果能在电池能量耗尽前降落并补充电量，再自主起飞并继续执行任务，可以极大限度地提高扑翼飞行器的任务半径。而现有的扑翼飞行器只能采用手抛或借助外部辅助设备完成起飞过程，其自主程度和稳定性较差。

2、鸟类在起飞过程中，可以通过腿部的跳跃动作提供大部分起飞所需的初始速度，再承接翅膀的扑动运动完成起飞。如果将弹跳技术与扑翼飞行器结合，可以使扑翼飞行器通过弹跳获得需要的起飞速度，使其具备自主起飞的功能，兼具仿生价值和应用价值。

3、中国专利201410269739.2提出一种仿生扑翼与弹跳多模式运动机器人，其弹跳机构由多个菱形机构串联组成，仿生程度相对较低，且弹跳机构完全伸展后重心距飞行器重心较远，严重影响扑翼飞行的稳定性，可行性不高；中国专利202011433960.9提出一种扑翼飞行器用仿生弹跳装置，其储能机构需要多个电机配合完成，且弹跳过程会带动整个减速机构反转运动，造成大量能量损失，难以满足扑翼飞行器的起飞需求。

技术实现思路

1、本发明提供一种可实现弹跳起飞的仿生扑翼飞行器及其控制方法，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

2、本发明的技术方案为一种可实现弹跳起飞的仿生扑翼飞行器，包括：

3、机架；

4、翅膀组件，所述翅膀组件包括分别安装在所述机架前端两侧的左侧翅膀和右侧翅膀；

5、扑动机构，用于驱动所述翅膀组件运动，所述扑动机构设置在所述机架的前端，所述扑动机构与所述翅膀组件连接；

6、尾翼机构，所述尾翼机构设置在所述机架的末端；

7、仿生弹跳腿，所述仿生弹跳腿设置在所述扑动机构的后侧且与所述机架连接, 所述仿生弹跳腿包括主板、减速机构、储能机构、姿态调节机构和弹跳机构，所述主板与所述机架连接，所述减速机构安装在所述主板上。

8、进一步，所述减速机构包括减速电机、第一编码器、电机齿轮、减速齿轮、不完全齿轮、输出齿轮、中间轴、主轴、减速器左侧板和减速器右侧板；

9、所述第一编码器安装在所述减速电机的尾部，所述电机齿轮安装在所述减速电机的输出轴上，所述减速齿轮与所述电机齿轮啮合，所述减速齿轮和所述不完全齿轮安装在所述中间轴上，所述输出齿轮安装在所述主轴上，所述输出齿轮与所述不完全齿轮的有齿部分啮合，所述中间轴的两端和所述主轴的两端分别通过轴承安装在所述减速器左侧板和所述减速器右侧板上；所述减速器左侧板和所述减速器右侧板固定在所述主板上。

10、进一步，所述储能机构包括仿生股骨、仿生胫骨、上菱边连杆、上菱边连接件、下菱边连杆、下菱边连接件、第一弹簧固定螺栓、第二弹簧固定螺栓和拉伸弹簧；

11、所述仿生股骨包括膝关节连接件和股骨连杆，所述股骨连杆的底部与所述膝关节连接件的顶部凹槽连接，

12、所述仿生胫骨包括胫骨连杆和踝关节连接件，所述胫骨连杆的底部与所述踝关节连接件的顶部凹槽连接，

13、所述股骨连杆的顶部内侧与所述上菱边连杆的第一端通过所述主轴铰接，所述股骨连杆的顶部外侧与髋关节连接件铰接，所述髋关节连接件设置在所述主板前端的底部，所述储能机构通过设置在所述髋关节连接件上的螺栓与所述主板连接,

14、所述膝关节连接件的底部通过第一弹簧固定螺栓与所述胫骨连杆的顶部铰接，所述下菱边连杆的顶部插入所述下菱边连接件内，所述下菱边连杆通过所述第二弹簧固定螺栓与上菱边连杆的第二端铰接，

15、所述下菱边连杆的底部插入所述下菱边连接件的顶部凹槽，所述下菱边连杆的底部与所述弹跳机构的腓骨连杆顶部铰接，所述下菱边连接件的底部与所述胫骨连杆的中部铰接，

16、所述拉伸弹簧的两端分别固定在所述第一弹簧固定螺栓所述第二弹簧固定螺栓上。

17、进一步，所述髋关节连接件、所述膝关节连接件、所述上菱边连接件和所述下菱边连接件上均安装有用于减小变形过程中连杆之间的摩擦阻力的轴承。

18、进一步，所述股骨连杆的顶部设置有第一槽口，所述上菱边连杆的顶部穿过所述第一槽口铰接在主轴上；

19、所述下菱边连杆顶部设置有第二槽口，所述上菱边连杆的底部穿过所述第二槽口铰接在所述第二弹簧固定螺栓上；

20、所述下菱边连杆底部设置有第三槽口，所述腓骨连杆顶部穿过所述第三槽口与所述下菱边连接件铰接。

21、进一步，所述弹跳机构包括腓骨连杆、踝关节连接件、跖骨连杆、跗跖骨连杆和支撑爪；

22、所述跖骨连杆的顶部与所述腓骨连杆的底部铰接，所述跖骨连杆的中部与所述踝关节连接件的中部铰接，所述跖骨连杆的底部可在设置在所述支撑爪上的滑槽中运动，

23、所述跗跖骨连杆的顶部与所述踝关节连接件的底部铰接，所述跗跖骨连杆的底部与所述支撑爪铰接；

24、所述跖骨连杆顶部设置有第四开槽，所述腓骨连杆底部穿过所述第四槽口与所述跖骨连杆铰接。

25、进一步，所述姿态调节机构包括髋关节角度调节机构和跗跖关节角度调节机构；

26、所述髋关节角度调节机构包括螺杆电机、螺杆滑块、螺杆固定座和移动连杆，

27、所述螺杆电机安装在所述主板上，所述螺杆滑块安装在所述螺杆电机的螺纹杆上，所述螺杆滑块插入所述主板上的滑槽中，所述移动连杆的顶部与所述螺杆滑块铰接，所述移动连杆的底部与上菱边连杆的中部铰接，

28、所述螺杆电机的尾部安装有第二编码器，

29、所述跗跖关节角度调节机构包括凸轮电机、凸轮和支撑爪，

30、所述凸轮电机与所述支撑爪通过螺栓连接，所述凸轮电机的旋转轴末端通过扁位与所述凸轮连接，所述凸轮与跖骨连杆下表面贴合，

31、所述凸轮电机的尾部安装有第三编码器。

32、进一步，还包括柔性拉线、卷轮和定轮，

33、柔性拉线的两端分别与所述减速机构与所述储能机构连接，所述减速机构与所述储能机构通过柔性拉线传递拉力，

34、所述卷轮通过扁位安装在主轴的一侧，所述柔性拉线的第一端缠绕在所述卷轮上，所述柔性拉线的第二端固定在所述定轮上。

35、进一步，所述储能机构、所述弹跳机构和所述姿态调节机构设有一对，所述储能机构、所述弹跳机构和所述姿态调节机构对称安装在所述主板的两侧。

36、进一步，本发明还提出一种可实现弹跳起飞的仿生扑翼飞行器的控制方法，应用在所述的可实现弹跳起飞的仿生扑翼飞行器上，所述的方法包括弹跳起飞操作，所述弹跳起飞操作包括以下步骤：

37、s100、仿生弹跳腿处于伸展状态并站立在地面上，接收弹跳起飞的控制信号后，减速电机转动至预设的角度，带动卷轮旋转，使柔性拉线缠绕收短，带动弹跳机构压缩变形，储能机构中的拉伸弹簧伸长，完成能量储存；

38、s200、仿生弹跳腿处于压缩状态并站立在地面上，基于起飞前的地面情况和障碍情况对仿生弹跳腿的初始姿态进行调整，改变弹跳的初始速度大小与方向，螺杆电机旋转使螺杆滑块在主板的滑槽中移动到预设的位置，同时使移动连杆转动，带动股骨连杆和上菱边连杆绕髋关节连接件作定轴转动，使仿生弹跳腿的初始髋关节角度在0°至30°的范围内调整，凸轮电机旋转改变凸轮与跖骨连杆的接触位置，使跖骨连杆的末端在支撑爪的滑槽中移动，使仿生弹跳腿的初始跗跖关节在0°至45°的范围内调整；

39、s300、收到起跳的控制信号后，减速电机逆时针旋转至预设的角度，使不完全齿轮的缺齿部分与输出齿轮脱离啮合；失去齿轮的锁紧力后，拉伸弹簧迅速收缩，带动弹跳机构变形伸展，地面对支撑爪的反作用力通过仿生弹跳腿作用于扑翼飞行器，使扑翼飞行器获得起飞所需的初始速度；

40、s400、检测扑翼飞行器的姿态与速度信息后，控制扑动机构和尾翼机构工作，实现稳定起飞；

41、所述的方法还包括降落操作，所述弹跳降落操作包括以下步骤：

42、s500、扑翼飞行器收到降落的控制信号后，控制扑翼飞行器降低飞行高度，即将着陆时，控制螺杆电机与凸轮电机旋转，改变髋关节角度与跗跖关节角度，以调整弹跳腿与地面的相对位置，通过储能机构吸收着陆过程中的冲击力缓冲减震，实现平稳降落。

43、本发明的有益效果是：

44、所述的可实现弹跳起飞的仿生扑翼飞行器针对扑翼飞行器自主起飞能力差的问题，以鸟类腿部结构作为仿生对象，参考鸟类起飞过程的腿部运动模式，提供一套兼具仿生性与实用性的扑翼飞行器弹跳起飞实现方案及机械结构。