[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

摘要

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。

主权项

1.一种扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统，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；

所述转台机构包括底座、连接件、伸缩臂一、伸缩臂二、配重一、驱动机构以及固定台，所述连接件设置在所述底座上并与所述驱动机构连接，所述驱动机构带动所述连接件转动；所述伸缩臂一和伸缩臂二分别连接在所述连接件的两侧；所述固定台连接在所述伸缩臂一的端部；所述配重一连接在所述伸缩臂二的端部；

所述二维力传感器包括测试架、位于测试架上的滑竿、位于所述滑竿上的传感器连接件以及连接在传感器连接上的水平拉压力传感器、竖直拉压力传感器；所述水平拉压力传感器设置在所述传感器连接件侧面与测试架滑竿安装板之间；所述竖直拉压力传感器设置在所述感器连接件的上端，在所述竖直拉压力传感器上设置有机器人‑力传感器连接件；

所述的扑翼机器人包括机架、前缘骨架、翅膀、LED灯和色标，所述机架安装在所述机器人‑力传感器连接件上；所述前缘骨架为两个且分别安装在所述机架两边，在每个前缘骨架上安装一个所述翅膀；所述LED灯和所述色标用于翅膀位移、速度和变形的测试；所述LED灯为2P个，安装在两个前缘骨架上；所述色标为2P，安装在两个所述翅膀上下表面靠近后缘边上，P的大小根据测量精度确定；

所述三维视觉系统包括相机一、相机二、相机三和配重二组成；所述相机一安装在所述伸缩臂一上，并面向扑翼机器人的侧面；所述相机二安装在所述固定台上，并面向扑翼机器人的正前方；所述相机三安装在所述固定台上，面向扑翼机器人的正下方。

所述数据采集箱固定在所述连接件上，所述数据采集箱包括中央控制处理器、数据采集卡、无线收发模块和数据存储模块；所述中央控制处理器控制扑翼机器人翅膀扑动角速度ω，转台机构的转动角速度Ψ，以及二维力传感器和三个相机的同步工作；所述数据存储模块用于记录力、视频信息以及时间信息；所述数据采集卡用于二维力传感器数据的采集；所述无线收发模块用于中央控制处理器和PC机的通信；

所述PC机用于操作者设计转台机构和扑翼机器人的控制规律，发送操作者的命令给无线收发模块；PC机还用于接收无线收发模块发来的力和运动信息数据，进行实时信息的图形化显示，平均升力F₁和平均推力F_t模型的实时建立；所述模型表示为：

其中，α是扑翼机器人的迎角，A是扑翼机器人翅膀的面积，λ是展弦比，η表示翅膀的变形情况，v＝ΨR是扑翼机器人相对于空气的运动速度，ω是扑翼机器人翅膀扑动角速度，a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅和b₆是需要拟合得到的系数，R是扑翼机器人在水平面内转动的半径。

2.根据权利要求1所述的扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统，其特征在于：所述转台机构还包括轴承座和推力球轴承；所述轴承座上表面有凹坑，中间有安装孔，固定在所述底座上表面的中间位置；所述的推力球轴承安装在轴承座的凹坑里面；所述伸缩臂一包括伸缩管一固定座、伸缩管一以及伸缩管二，所述伸缩管一固定座连接在所述连接件上，所述伸缩管一一端与所述伸缩管一固定座连接，所述伸缩管一另一端与所述伸缩管二连接，所述固定台固定在所述伸缩管二的另一端。

3.根据权利要求1所述的扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统，其特征在于：所述驱动机构包括法兰轴承、电机座、步进电机、联轴器、主动齿轮和被动齿轮；所述电机座固定在所述底座的底部，所述步进电机固定在所述电机座上，所述联轴器固定在所述步进电机的输出轴上；所述主动齿轮通过联轴器固定在步进电机输出轴上；所述被动齿轮固定在连接件底部凸台穿过底座下部的位置，并与主动齿轮啮合。

4.根据权利要求1所述的扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统，其特征在于：所述伸缩臂二包括伸缩管三固定座及伸缩管三，所述伸缩管三固定座固定在所述连接件上；所述伸缩管三的一端固定在所述伸缩管三固定座上；所述配重一固定在所述伸缩管三的另一端，用于平衡二维力传感器、扑翼机器人和三维视觉系统的重力。

5.根据权利要求1所述的扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统，其特征在于：所述测试架包括固定件、左固定架以及右固定架所述左固定架和右固定架分别固定在所述固定件的两侧；所述滑竿包括左滑竿和右滑竿；所述左滑竿和右滑竿相互平行且水平固定在所述的左固定架和右固定架之间；所述水平拉压力传感器的两端分别水平安装在所述左固定架和传感器连接件上；所述的左滑块和右滑块内孔安装有直线轴承，分别安装在左滑竿和右滑竿上，可以相对于左滑竿和右滑竿滑动。

6.一种基于权利要求1‑5任一所述扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统的检测方法，其特征在于，包括：

S1：操作者在PC机软件界面设定转台机构转动角速度Ψ和扑翼机翅膀扑动角速度ω的上、下限[Φ₁，Φ₂]和[Ω₁，Ω₂]，Ψ和ω的细分数目M和N，二维力传感器和相机的采集频率K₁和K₂，输入扑翼机器人迎角α、翅膀面积A、展弦比λ，初始化循环控制参数i＝1，j＝1；

S2：PC机发送转台机构转动角速度Ψ＝Φ₁+[(Φ₂‑Φ₁)(i‑1)/(M‑1)]和扑翼机翅膀扑动角速度ω＝Ω₁+[(Ω₂‑Ω₁)(j‑1)/(N‑1)]给中央控制处理器；

S3：中央控制处理器控制转台和扑翼机器人运动以设定好的加速度A₁和A₂开始加速，等转台机构和扑翼机速度分别达到Ψ和ω后，中央控制处理器触发二维力传感器和相机采集数据；

S4：中央控制处理器处理相机视频截取的帧图计算扑翼机器人翅膀位置θ、速度ω、加速度σ和变形量[μ₁，μ₂，μ₃，μ₄]，并将这些信息和采集到的扑翼升力和推力等数据发送给PC机，并将这些数据保存进数据存储模块；

S5：PC机软件界面以曲线图形式显示测到的升力F₁、推力Ft，以及扑翼机器人翅膀的位置θ、速度ω、加速度σ和变形信息[μ₁，μ₂，μ₃，μ₄]，驱动扑翼机器人虚拟模型的运动，并将这些数据存进数据库；

S6：操作者通过软件界面观察升力、推力、翅膀位置、速度、加速度和变形信息，PC机软件检测升力和推力是否超过传感器的量程；

S7：若超出二维力传感器检测的量程，PC机发送停止命令给中央控制处理器，控制扑翼机器人减速停止扑动，控制转台机构减速停止转动；若未超出量程，则