本實用新型屬于機器人領域，涉及一種基于壓電陶瓷驅(qū)動的仿生蜜蜂。

背景技術：

近年來國內(nèi)外越來越多的研究者仿生機器人的研究價值和可行性，仿生機器人的技術逐漸走向成熟。仿生蜜蜂能夠?qū)崿F(xiàn)原地的起飛和懸停功能，適應在一定時間內(nèi)沒有任何補給以及遠距離進行執(zhí)行任務，在民用和軍用有著廣泛的應用前景。傳統(tǒng)的仿生機器人利用微型電機作為動力源，結構復雜而且功耗大。而壓電陶瓷作為一種能夠?qū)㈦娔芎蜋C械能相互轉化的一種陶瓷材料，具有正壓電效應和逆壓電效應以逐漸應用到仿生機器人技術領域中。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型提供了一種功耗小、應用前景廣的仿生蜜蜂。

本實用新型采用的技術方案是：

一種仿生蜜蜂，其特征在于：包括一作為軀體的碳纖維框架，所述碳纖維框架兩側設有多對對稱設置的腿部爬行機構，所述碳纖維框架前側設有嘴部夾持裝置，所述碳纖維框架中部設有飛行機構，所述碳纖維框架的內(nèi)部設有飛行穩(wěn)定系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；

所述腿部爬行機構包括鉸接在碳纖維框架側面上的上腿部和鉸接在上腿部上的下腿部，所述上腿部的下方連接有一垂直設置的驅(qū)動腿部前后運動的第一壓電陶瓷驅(qū)動器貼附的傳動機構，所述下腿部的內(nèi)側連接有一水平設置的驅(qū)動腿部上下運動的第二壓電陶瓷驅(qū)動器貼附的傳動機構，所述第一壓電陶瓷驅(qū)動器貼附的傳動機構與第二壓電陶瓷驅(qū)動器貼附的傳動機構之間通過連接塊固定連接，并且均與輸出控制信號給其的控制系統(tǒng)連接；

所述飛行機構包括兩機翼，每個所述機翼均通過連桿機構與驅(qū)動其拍動的第三壓電陶瓷驅(qū)動器貼附的傳動機構連接，所述第三壓電陶瓷驅(qū)動器貼附的傳動機構安裝于碳纖維框架內(nèi)，并且與輸出控制信號給其的控制系統(tǒng)連接；

所述飛行穩(wěn)定系統(tǒng)包括分別用于給出繞X、Y以及Z軸的飛行偏移量的三個微型壓電陀螺儀，所述微型壓電陀螺儀與根據(jù)其輸出的飛行偏移量來更改機翼拍動狀態(tài)的控制系統(tǒng)連接；

所述嘴部夾持裝置包括構成鉗子結構的兩瓣嘴部，每瓣所述嘴部均鉸接在碳纖維框架的前表面上，并且其尖端部與碳纖維框架的前表面之間均設有驅(qū)動尖端部靠攏或分開的第四壓電陶瓷驅(qū)動器貼附的傳動機構，所述第四壓電陶瓷驅(qū)動器貼附的傳動機構與輸出控制信號給其的控制系統(tǒng)連接；

所述控制系統(tǒng)通過信號接收發(fā)器與地面控制器連接。本實用新型的仿生蜜蜂爬行、起飛、夾持物體都通過壓電陶瓷驅(qū)動器來實現(xiàn)，同時利用微型壓電陀螺儀對機翼飛行狀態(tài)進行調(diào)整來保持穩(wěn)定的飛行狀態(tài)，實現(xiàn)功耗小的目的，適應在一定時間內(nèi)沒有任何補給以及遠距離進行執(zhí)行任務，在民用和軍用有著廣泛的應用前景。

進一步，所述控制系統(tǒng)包括一微型計算機、單片機處理電路、數(shù)據(jù)采集電路、信號控制電路，所述微型計算機與單片機處理電路通過數(shù)據(jù)發(fā)送電路連接，所述數(shù)據(jù)采集電路、信號控制電路均與單片機處理電路連接，所述單片機處理電路與電源電路連接，所述數(shù)據(jù)采集電路分別與信號接收發(fā)器、微型壓電陀螺儀以及微型攝像頭連接，所述信號控制電路分別與各壓電陶瓷驅(qū)動器連接。

進一步，所述壓電陶瓷驅(qū)動器的中間部分是彈性層，彈性層的上下兩部分是壓電陶瓷片。當施加電壓時，上層壓電陶瓷片在向上電場方向作用下會收縮，中間彈性層不變形，這樣能產(chǎn)生向上的彎矩；同時下層壓電陶瓷片在向下電場方向作用下會伸長，彈性層不變形，也能產(chǎn)生向上的彎矩。兩片壓電片同時作用能加強彎矩的作用。同理，當需要產(chǎn)生向下的彎矩時，只需要改變外部電場的方向就可以了。

進一步，所述連桿機構包括一水平設置的彎鉤結構，所述彎鉤結構的兩端部上連接有L型的彎折部，彎折部的末端與第三壓電陶瓷驅(qū)動器連接，所述彎鉤結構的彎鉤處設有機翼連接塊，機翼連接在機翼連接塊上。連桿機構是壓電陶瓷驅(qū)動器運動動作的放大裝置。

進一步，所述上腿部是一水平設置的腿部結構，所述下腿部是一豎直設置的腿部結構，其末端是一尖端結構。

進一步，所述嘴部是一弧形結構，使得夾持物體更加穩(wěn)固。

本實用新型的有益效果：功耗小、應用前景廣。

附圖說明

圖1是本實用新型的結構示意圖。

圖2是本實用新型的腿部爬行機構結構示意圖。

圖3是本實用新型的飛行機構結構示意圖。

圖4是本實用新型的嘴部夾持裝置結構示意圖。

圖5是本實用新型的壓電陶瓷驅(qū)動器的結構示意圖。

圖6是本實用新型的電路原理圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例來對本實用新型進行進一步說明，但并不將本實用新型局限于這些具體實施方式。本領域技術人員應該認識到，本實用新型涵蓋了權利要求書范圍內(nèi)所可能包括的所有備選方案、改進方案和等效方案。

參見圖1-6，一種仿生蜜蜂，包括一作為軀體的碳纖維框架1，所述碳纖維框架1兩側設有多對對稱設置的腿部爬行機構，所述碳纖維框架1前側設有嘴部夾持裝置，所述碳纖維框架1中部設有飛行機構，所述碳纖維框架1的內(nèi)部設有飛行穩(wěn)定系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；

所述腿部爬行機構包括鉸接在碳纖維框架1側面上的上腿部9和鉸接在上腿部9上的下腿部6，所述上腿部9的下方連接有一垂直設置的驅(qū)動腿部前后運動的第一壓電陶瓷驅(qū)動器7.1貼附的傳動機構，所述下腿部6的內(nèi)側連接有一水平設置的驅(qū)動腿部上下運動的第二壓電陶瓷驅(qū)動器7.2貼附的傳動機構，所述第一壓電陶瓷驅(qū)動器7.1貼附的傳動機構與第二壓電陶瓷驅(qū)動器7.2貼附的傳動機構之間通過連接塊8固定連接，并且均與輸出控制信號給其的控制系統(tǒng)連接；

所述飛行機構包括兩機翼10，每個所述機翼10均通過連桿機構11與驅(qū)動其拍動的第三壓電陶瓷驅(qū)動器12貼附的傳動機構連接，所述第三壓電陶瓷驅(qū)動器12貼附的傳動機構安裝于碳纖維框架1內(nèi)，并且與輸出控制信號給其的控制系統(tǒng)連接；

所述飛行穩(wěn)定系統(tǒng)包括分別用于給出繞X、Y以及Z軸的飛行偏移量的三個微型壓電陀螺儀（圖中未顯示），所述微型壓電陀螺儀與根據(jù)其輸出的飛行偏移量來更改機翼10拍動狀態(tài)的控制系統(tǒng)連接；

所述嘴部夾持裝置包括構成鉗子結構的兩瓣嘴部2，每瓣所述嘴部2均鉸接在碳纖維框架1的前表面上，并且其尖端部與碳纖維框架1的前表面之間均設有驅(qū)動尖端部靠攏或分開的第四壓電陶瓷驅(qū)動器4貼附的傳動機構，所述第四壓電陶瓷驅(qū)動器4與輸出控制信號的控制系統(tǒng)連接；

所述控制系統(tǒng)通過信號接收發(fā)器與地面控制器連接。本實用新型的仿生蜜蜂爬行、起飛、夾持物體都通過壓電陶瓷驅(qū)動器來實現(xiàn)，同時利用微型壓電陀螺儀對機翼飛行狀態(tài)進行調(diào)整來保持穩(wěn)定的飛行狀態(tài)，實現(xiàn)功耗小的目的，適應在一定時間內(nèi)沒有任何補給以及遠距離進行執(zhí)行任務，在民用和軍用有著廣泛的應用前景。

本實施例所述控制系統(tǒng)包括一微型計算機、單片機處理電路、數(shù)據(jù)采集電路、信號控制電路，所述微型計算機與單片機處理電路通過數(shù)據(jù)發(fā)送電路連接，所述數(shù)據(jù)采集電路、信號控制電路均與單片機處理電路連接，所述單片機處理電路與電源電路連接，所述數(shù)據(jù)采集電路分別與信號接收發(fā)器、微型壓電陀螺儀以及微型攝像頭連接，所述信號控制電路分別與各壓電陶瓷驅(qū)動器連接。

本實施例所述壓電陶瓷驅(qū)動器的中間部分是彈性層，彈性層的上下兩部分是壓電陶瓷片。當施加電壓時，上層壓電陶瓷片在向上電場方向作用下會收縮，中間彈性層不變形，這樣能產(chǎn)生向上的彎矩；同時下層壓電陶瓷片在向下電場方向作用下會伸長，彈性層不變形，也能產(chǎn)生向上的彎矩。兩片壓電片同時作用能加強彎矩的作用。同理，當需要產(chǎn)生向下的彎矩時，只需要改變外部電場的方向就可以了。

本實施例所述連桿機構11包括一水平設置的彎鉤結構，所述彎鉤結構的兩端部上連接有L型的彎折部，彎折部的末端與第三壓電陶瓷驅(qū)動器12貼附的傳動機構連接，所述彎鉤結構的彎鉤處設有機翼連接塊3，機翼10連接在機翼連接塊3上。連桿機構11是壓電陶瓷驅(qū)動器運動動作的放大裝置。

本實施例所述上腿部9是一水平設置的腿部結構，所述下腿部6是一豎直設置的腿部結構，其末端是一尖端結構。

本實施例所述嘴部2是一弧形結構，使得夾持物體更加穩(wěn)固。

本實用新型通過壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動機翼產(chǎn)生高升力，同時采用微型壓電陀螺儀的飛行穩(wěn)定系統(tǒng)、微型攝像頭、信號接收發(fā)器、地面控制器以及控制系統(tǒng)來操作仿生蜜蜂在空中飛行；通過對腿部的壓電陶瓷驅(qū)動器的控制可以使仿生蜜蜂在地表面上的行走；而對于仿生蜜蜂的嘴部通過壓電陶瓷驅(qū)動器來驅(qū)動靠攏或分開，實現(xiàn)夾持功能，用于在飛行過程中停留在某一物體上，可以夾住物體進行定位功能。在飛行過程中，利用微型攝像頭實時傳送的數(shù)據(jù)，和微型壓電陀螺儀對機翼飛行狀態(tài)的監(jiān)控的數(shù)據(jù)，都傳送到單片機處理電路中，由單片機處理數(shù)據(jù)并做出相應的調(diào)整，利用單片機控制壓電陶瓷驅(qū)動器，快速的改變機翼的拍動頻率，拍動平均角等的調(diào)整范圍，使仿生蜜蜂保持穩(wěn)定的飛行狀態(tài)。

本實用新型的工作原理如下：

本實用新型仿生蜜蜂設有6個腿部爬行機構，對稱設置在碳纖維框架的兩側，腿部爬行機構運動原理是在機構通入電壓信號時：a)垂直放置的第一壓電陶瓷驅(qū)動器7.1貼附的傳動機構在通入一個周期的電壓信號時的變化狀態(tài)如下：將會向前向后運功。如在電壓信號由0到正向峰值時，第一壓電陶瓷驅(qū)動器7.1伸長帶動貼附的傳動機構將會向前彎曲運動。當電信號由正峰值到0的過程中，第一壓電陶瓷驅(qū)動器7.1將會由之前伸長狀態(tài)變成初始狀態(tài)。當電信號由0到負峰值時，第一壓電陶瓷驅(qū)動器7.1縮短帶動貼附的傳動機構將會向后彎曲運動。當電信號由負峰值到0的變化過程中，第一壓電陶瓷驅(qū)動器7.1也將會由此時的縮短狀態(tài)變成初始狀態(tài)。由此完成了腿部爬行機構一個運動周期中的向前向后擺動。b)對于水平放置的第二壓電陶瓷驅(qū)動器7.2貼附的傳動機構，通入一個周期的電壓信號時的變化狀態(tài)如下：電信號由0到正峰值時，第二壓電陶瓷驅(qū)動器7.2伸長帶動貼附的傳動機構將會向上彎曲擺動使腿部爬行機構向上抬起。當電信號由正值電信號變化到負峰值時，第二壓電陶瓷驅(qū)動器7.2將會由之前的伸長--正常狀態(tài)變化為縮短狀態(tài)。由此完成腿部爬行機構的上下運動。當分別對第一壓電陶瓷驅(qū)動器7.1和第二壓電陶瓷驅(qū)動器7.2輸入電壓信號時，腿部爬行機構運動將會呈現(xiàn)出一個組合運動，由設定的各個電信號周期的大小來設定腿部組合運動的頻率。組合運動大致描述如下：垂直的第一壓電陶瓷驅(qū)動器7.1貼附的傳動機構向前彎曲運動，帶動腿部爬行機構向前運動，與此同時水平第二壓電陶瓷驅(qū)動器7.2貼附的傳動機構也會向上彎曲將腿部爬行機構抬起。之后在垂直放置的第一壓電陶瓷驅(qū)動器7.1貼附的傳動機構向后彎曲，帶動腿部爬行機構向后運動，同時水平第二壓電陶瓷驅(qū)動器7.2貼附的傳動機構將會恢復之前的彎曲狀態(tài)，進行腿部爬行機構的下放。壓電陶瓷驅(qū)動器的彎曲組合為：第二壓電陶瓷驅(qū)動器7.2貼附的傳動機構向上彎曲---第一壓電陶瓷驅(qū)動器7.1貼附的傳動機構向前彎曲---第二壓電陶瓷驅(qū)動器7.2貼附的傳動機構落下---第一壓電陶瓷驅(qū)動器7.1貼附的傳動機構向后運動。對應的腿部爬行機構的組合運動為：腿部向上---向前---落下----向后。

本實用新型仿生蜜蜂有6個腿部爬行機構，通過兩個腿部爬行機構結合成一個轉矩，共可產(chǎn)生3個轉矩來實現(xiàn)整個碳纖維框架的轉動一定的角度。當仿生蜜蜂要往左轉向，f腿往前走一個動作，同時c腿向后走一個動作。兩腿一前一后的相互運動產(chǎn)生一個逆時針的轉矩；緊接著e腿也往前運動，b腿往后運動，同樣能產(chǎn)生一個逆時針的轉矩；最后d腿往前運動，a腿往后運動，產(chǎn)生一個逆時針的轉矩。3個逆時針的轉矩能夠使仿生蜜蜂軀體向左偏轉一定的角度。當仿生蜜蜂往右轉動，其實與往左轉動的機理是一樣的。只是腿部不同的組合情況來實現(xiàn)不同的轉矩，a腿往前走一個運動，d腿往后運動，兩腿相互運動能能產(chǎn)生一個順時針的轉矩。緊接著b腿往前運動，e腿往后運動；c腿往前運動，f腿往后運動這樣將會產(chǎn)生3個順時針的轉矩能使蜜蜂整個軀體往右偏轉一定的角度。

本實用新型仿生蜜蜂的前后飛行或轉彎過程：將前后飛行或轉彎命令發(fā)送到控制系統(tǒng)中，通過調(diào)整機翼的拍動參數(shù)令蜜蜂的飛行姿態(tài)向預定的系統(tǒng)中的期望值姿態(tài)改變，使通過三個微型壓電陀螺儀時時比對現(xiàn)有姿態(tài)與期望值的差異，并將信息反饋到微型單片機處理電路中，單片機處理電路通過運算處理調(diào)整機翼的拍動參數(shù)，使飛行達到預設姿態(tài)，從而完成飛行動作。

本實用新型飛行機構包括左機翼10.1和右機翼10.2，左機翼10.1通過左連桿機構11.1與下層第三壓電陶瓷驅(qū)動器12.2貼附的傳動機構連接，右機翼10.2通過右連桿機構11.2與上層第三壓電陶瓷驅(qū)動器12.1貼附的傳動機構連接。具體的工作原理如下：當給上層第三壓電陶瓷驅(qū)動器12.1通入交流電信號由0到正峰值時，水平放置的上層第三壓電陶瓷驅(qū)動器12.1伸長帶動貼附的傳動機構向下彎曲擺動，通過右連桿機構11.2將運動動作傳遞給右機翼10.2，而使右機翼10.2轉動與向下拍動。當電壓由正值恢復到0值時，上層第三壓電陶瓷驅(qū)動器12.1也將慢慢的恢復到變形前的初始狀態(tài)。此時，動作也會使右機翼10.2恢復到初始狀態(tài)。當電壓信號由0到負峰值時，上層第三壓電陶瓷驅(qū)動器12.1縮短帶動貼附的傳動機構將會向上側彎曲擺動，通過動作放大的右連桿機構11.2將動作傳遞給右機翼10.2，使右機翼10.2向上拍動與轉動。當電信號由負值到0的變化過程中，上層第三壓電陶瓷驅(qū)動器12.1將恢復到初始狀態(tài)，從而將動作由動作放大的右連桿機構11.2傳遞給右機翼10.2，使右機翼將動作恢復到初始狀態(tài)。至此，一個機翼也將完成一個周期的動作循環(huán)，而對于左機翼10.1的運動基本原理與右機翼10.2的運動規(guī)律是一樣的，即完成當通入電壓信號時，使兩塊第三壓電陶瓷驅(qū)動器12伸縮帶動貼附的傳動機構的彎曲擺動方向始終是相同的，這樣可以通過連桿機構11動作的放大后，使兩機翼10同時向下拍動，向上抬起。達到飛行的目的。當給下層第三壓電陶瓷驅(qū)動器12.2通入交流電信號由0到正峰值時，水平放置的下層第三壓電陶瓷驅(qū)動器12.2伸長帶動貼附的傳動機構向下彎曲擺動，通過左連桿機構11.1將運動動作傳遞給左機翼10.1，而使左機翼10.1轉動與向下拍動。當電壓由正值恢復到0值時，下層第三壓電陶瓷驅(qū)動器12.2也將慢慢的恢復到變形前的初始狀態(tài)。此時，動作也會使左機翼10.1恢復到初始狀態(tài)。當電壓信號由0到負峰值時，下層第三壓電陶瓷驅(qū)動器12.2縮短帶動貼附的傳動機構將會向上側彎曲擺動，通過動作放大的左連桿機構11.1將動作傳遞給左機翼10.1，使左機翼10.1向上拍動與轉動。當電信號由負值到0的變化過程中，下層第三壓電陶瓷驅(qū)動器12.2將恢復到初始狀態(tài)，從而將動作由動作放大的左連桿機構11.1傳遞給左機翼10.1，使左機翼10.1將動作恢復到初始狀態(tài)。

由于仿生蜜蜂的飛行時不穩(wěn)定的，因此需要有維持飛行穩(wěn)定的系統(tǒng)。本實用新型的飛行穩(wěn)定系統(tǒng)有三個微型壓電陀螺儀。仿生蜜蜂僅有繞X軸的前后翻轉運動時，X軸方位的微型壓電陀螺儀給出翻轉的偏移量，通過單片機處理電路處理，控制系統(tǒng)會根據(jù)之前設好的參數(shù)做出機翼10拍動平均角變大縮小的指令，使飛行器恢復穩(wěn)定狀態(tài)；仿生蜜蜂僅有繞Y軸的左右旋轉運動時，Y軸方位的微型壓電陀螺儀給出偏移量，通過單片機處理電路處理，控制系統(tǒng)會根據(jù)之前設好的參數(shù)做出右機翼10.2下拍時，攻角變小變大，上揮時攻角變大變小，左機翼10.1下拍時攻角變大變小，上揮時攻角變小變大的指令，使飛行器恢復穩(wěn)定狀態(tài)；仿生蜜蜂飛行器僅繞Z軸的左右傾斜運動時，Z軸方位的微型壓電陀螺儀給出傾斜運動的偏移量，通過單片機處理電路處理，控制系統(tǒng)會根據(jù)之前設好的參數(shù)做出右機翼10.2的拍動頻率升高降低，左機翼10.1的拍動頻率降低升高的指令，并使總升力基本保持不變，飛行器恢復穩(wěn)定狀態(tài)。在實際中，三個微型壓電陀螺儀同時工作，分別將仿生蜜蜂飛行器繞X，Y，Z坐標軸的偏移量傳給單片微型計算機，經(jīng)單片微型計算機處理后，改變機翼10的拍動頻率，拍動平均角和拍動攻角變化范圍，使仿生蜜蜂維持穩(wěn)定飛行狀態(tài)。

本實用新型的嘴部夾持裝置的目的在于夾持物體，其工作原理與腿部爬行機構壓電陶瓷工作原理一樣。當給予壓電陶瓷驅(qū)動器電壓信號時，左側第四壓電陶瓷驅(qū)動器4.1伸長、縮短帶動貼附的傳動機構向左、右彎曲擺動，帶動左嘴部2.1向左、右運動。而右側第四壓電陶瓷驅(qū)動器4.2通入電壓信號時，4.2變化狀態(tài)伸長、縮短帶動貼附的傳動機構將會右、左側彎曲擺動，帶動右、左嘴部2.2向左運動。此時運動組合成夾持物體的鉗子。當需要放松物體時，給予兩第四壓電陶瓷驅(qū)動器4以正向的電壓信號即可。兩第四壓電陶瓷驅(qū)動器4分別向右，左側彎曲擺動，使兩鉗打開即放松物體。當需要夾持物體時，給予第四壓電陶瓷驅(qū)動器負極電壓信號即可。此時壓電片的縮短帶動貼附的傳動機構向需夾持的物體方向的彎曲，即可夾持物體。