[发明专利]扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统及方法

说明书

本发明公开了一种扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统及方法，其中检测系统包括转台机构、二维力传感器、扑翼机器人、三维视觉系统、数据采集箱以及PC机；转台机构包括底座、连接件、伸缩臂一、伸缩臂二、配重一、驱动机构以及固定台，连接件设置在所述底座上并与驱动机构连接，驱动机构带动连接件转动；伸缩臂一和伸缩臂二分别连接在连接件的两侧；固定台连接在伸缩臂一的端部；配重一连接在伸缩臂二的端部。本发明方法能够在线实时同步检测扑翼机器人的升力、推力，以及翅膀运动的位移、速度、加速度和变形信息，可为扑翼机器人的翅膀结构设计、材料选型和扑动控制规律优化提供快速检测和验证手段。

技术领域

本发明涉及一种扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统及方法，属于机械学、机器人学、仪器科学、计算机科学、传感器技术、控制技术等的交叉领域。

背景技术

由于地球资源的过度开采，环境污染的进一步加剧，近年来各种极端气候天气较多，旱涝灾害、地震、泥石流、海啸等自然灾害频发；随着城市发展的步伐加快，城市拥挤等现象较多，楼房坍塌、火灾等人为灾害时有报道；目前虽然世界范围内和平为主调，但局部战争不断，特别是城市巷战、丛林战争等较多，战争趋于远程化、信息化和无人化发展；此外，国际反恐形势近年来极其严峻，恐怖组织核生化威胁加剧。以上这些情况往往造成人员受伤和人民生命财产损失等。针对这些危险环境的信息获取是对于进行预防和救援至关重要，此外在发生危险事故后需要进行快速救援。而这些情况下，现场环境恶劣危险，人员进入难度大，因此需要一种灵活快捷的无人设备进入，参与现场环境信息的快速获取并参与救援。

对于以上这些应用场景，传统轮式移动平台往往难以进入完成复杂作业。自然界的生物采用步行、攀爬、飞行等的运动方式可以适应各类复杂环境。采用扑翼式运动具有三维大空间的信息获取能力，具有非常广阔的应用前景。扑翼式机器人模仿鸟类和昆虫的飞行运动功能而研制成的，与固定翼和旋翼飞行器相比，具有快速性、敏捷性、高效性等优点，可以广泛应用于军事、农业、林业等领域，也能满足危险环境下的搜救任务需求。

扑翼运动的前期研究结果表明，鸟类和昆虫低雷诺数，产生高启动效率和高升力推力的机理中，除了翅膀上下扑动外，还伴随有翅膀绕展向的扭转运动，这些运动功能与它们翅膀的柔性、运动驱动结构和感知控制能力密不可分。目前对于飞行器空气动力学的实验研究主要基于风洞实验，而风洞实验成本高、耗时长，给简单的定性和定量试验研究带来不便。发明专利(CN102338690B)提出一种扑翼三自由度转动驱动机构及扑动的力和力矩特性检测系统，适用于复杂扑翼运动规律的风洞实验分析和验证，但不适用于仿生扑翼机器人的升力、推力测量，并且不能同步检测翅膀的运动和变形信息，很难为翅膀形状和结构、翅膀材料、扑动控制等方面的优化改进的提供量化指导。发明专利(CN104198152B)提出一种仿生扑翼飞行器升力测试装置及其测试方法，通过检测角度信息，结合数学模型可以估算出升力的大小，但是该发明方案只能检测到升力信息，而无法检测到推力信息，以及翅膀的运动和变形信息，也不能同步获取翅膀运动规律与变形特定对升力和推力影响的关系，为扑翼机器人的进一步优化提供支撑。发明专利(CN104482967B)提出一种微小型扑翼飞行器的飞行参数测试装置，通过六轴力传感器检测机器人的力和力矩信息，通过激光二维扫描传感器检测翅膀的变形，但是其激光二维扫描传感器需要在翅膀扑动过程中沿着支架导轨移动扫描才能检测到翅膀的二维信息，因此无法获得同一时刻整个翅膀翼面的位置、速度，以及变形信息，并且无法与力和力矩信息同步采集，获得任意时刻整个翅膀的位置、速度，以及变形信息与扑翼机器人的升力和推力信息的对应关系，该专利方案的另一个缺陷是其所需要的场地较大，测试时间长度较短，并且测试时间长度和扑翼机器人水平滑动速度都受到滑台导轨长度的限制。