CN101734375A - 超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置。仿生飞鸟的拍翅飞行是人类古老飞行梦想之一，一直延续至今。在超小型飞行器方面，扑翼飞行方式有其独到的特点和优点。一种扑翼飞行器能否理想飞行，关键核心是其扑动装置。本发明提供一种可以模拟飞鸟展翅飞行的具有三自由度的扑动装置，采用曲柄齿轮摇杆复合机构，分别可以实现扑翼拍打、扭转和摆动的三自由度飞行运动。本发明结构紧凑，构造精巧，可以应用于各种机器飞鸟和各种超小型仿生扑翼飞行器。

Description

超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置

技术领域

本发明涉及仿生扑翼飞行机器人(俗称机器飞鸟)的扑动系统，尤其涉及一种超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置。

背景技术

扑翼的飞行方式广泛存在于自然界飞行生物的飞行之中，扑翼飞行囊括了固定翼飞行和旋翼飞行的优点，可以快速的起飞、加速和悬停，具有高度机动性和灵活性。飞行生物的飞行方式大致可以分为三类：低频率的扑动飞行，如许多大型鸟类(鹰、鹫、大雁、海鸥、天鹅等)，翼展较长较大，扑动频率较低，从零到数十赫兹不等，采用低频率的扑动和滑翔相结合的扑动形式；中频的扑动飞行，主要为体形中等的鸟类(如燕子、麻雀、鸽子等)，翅膀不太大，扑动频率相对较高，极少采用滑翔方式；高频的扑动飞行，这种飞行方式是采用频率极高、翅膀的运动规律复杂的扑翼形式，如蜂鸟及体形更小的鸟类和大多数昆虫，扑动频率约为60～80赫兹，能够在空中实现前进、后退、悬停和其它一些高难度的机动飞行。

超小型飞行器主要是尺寸大小介于无人飞机(一般10m以内)和微型飞行器(一般10cm以内)之间的一类飞行器，一般指外形尺寸在1m以内。在超小型飞行器方面，和固定翼布局相比，仿生扑翼在气动方面，优势非常明显，但是，仿生扑翼的布局首先给超小型飞行器的结构设计带来了极大的挑战，尤其是在扑翼的结构、材料以及运动机构的微小型化设计方面面临着较多的技术难题。扑动装置是仿生超小型飞行器中的核心组成部分，扑动装置的优劣将对超小型仿生飞行器产生极大的影响。另外，在超小型扑翼飞行器的扑动方式上，比较适合采用低频、中频扑动，也适合采用电机驱动。

自然界中飞鸟在飞行时翅膀的运动是三维的，存在着拍打、摆动和扭转，在设计扑动装置时，必须满足扑翼的这种运动方式。目前，在超小型扑翼飞行器方面，扑动装置采用的是一维的拍打运动，有些采用一维拍打运动结合飞行器尾部舵面控制，都没有实现真正意义上的扑翼三维飞行运动。在拍打运动方面，所采用的机构是曲柄连杆机构或者曲柄滑块机构。曲柄连杆机构存在着左右扑翼运动不严格对称的情况，增加了飞行的不稳定性，且提供的拍打力量不大。曲柄滑块机构高度方向尺寸较大，滑块机构不容易减小重量，也不容易提供较大的拍打力量，不太适合超小型飞行器对尺寸的要求。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，主要是仿生飞鸟的低频、中频扑动飞行，它能够实现仿生飞鸟翅膀的拍打、扭转和摆动的三维飞行运动。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，其特征在于，电机5通过齿轮13、齿轮11、齿轮9、齿轮23、齿轮15、齿轮17、齿轮35啮合传动，经曲柄26摇杆29机构与曲柄33摇杆30机构驱动左右扑翼同步拍打运动；电机12经齿轮14、齿环2啮合传动驱动左右扑翼同步扭转运动；电机4经齿轮20、齿轮21啮合传动驱动左右扑翼协调摆动转向。

所述的电机5经过两条传动链，分别驱动左右扑翼。

所述的电机5经过两条传动链中的一条驱动右扑翼，其传动链是经过齿轮13、齿轮11、齿轮15啮合传动，齿轮15经过轴16与齿轮17固定连接，轴16通过圆柱副与支架8相连，齿轮17与齿轮35啮合传动，齿轮35、销轴32与曲柄33固定连接，齿轮35通过轴18与支架8经圆柱副相连，曲柄33通过轴32与支架24经圆柱副相连，销轴32可在滑槽31内滑动，驱动摇杆30上下拍打运动；所述的电机5经过两条传动链中的另一条驱动左扑翼，其传动链是经过齿轮13、齿轮11啮合传动，齿轮11经过轴10与齿轮9固定连接，轴10通过圆柱副与支架8相连，齿轮9与齿轮23啮合传动，齿轮23、销轴27与曲柄26固定连接，齿轮23通过轴7与支架8经圆柱副相连，曲柄26通过轴27与支架24经圆柱副相连，销轴27可在滑槽28内滑动，驱动摇杆29上下拍打运动。

所述的摇杆30、摇杆29通过轴36与支架8、支架24以圆柱副形式相连，齿轮15、齿轮11与齿轮17、齿轮9、齿轮23、齿轮35位于支架8的两侧，电机5固定在支架8、支架24上。

所述的齿环2与半圆柱环3固定连接，支架8、支架24固定在半圆柱环3上面，半圆柱环与圆柱支架1、圆柱支架6通过圆柱副相连，电机12固定在基座齿轮21上。

所述的圆柱支架1、圆柱支架6与大齿轮21固定连接，大齿轮21与圆柱环38固连，圆柱环38与基座19以圆柱副形式相连，电机4通过支撑37、支撑22与基座19固定。

与现有技术相比，本发明具有最显著特点是采用曲柄齿轮摇杆复合机构，左右扑翼严格对称，具有拍打、扭转和摆动三自由度的扑翼运动方式。目前现有技术采用的是一维的拍打运动，有些采用了拍打运动结合尾部的舵面来控制飞行，这些都没有实现真正意义的扑翼三维运动，而本发明的扑动装置实现了扑翼三自由度运动。另外拍打系统采用曲柄齿轮摇杆复合机构，比现有采用曲柄连杆机构，曲柄滑块机构的扑动装置更具有两翼扑动飞行同步对称性好，扑翼拍打力度大，扑翼拍打运动平稳等优点。

附图说明

图1为本发明超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置前上方结构示意图；

图2为本发明超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置后下方结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明主要由拍打系统、扭转系统和摆动系统组成。

拍打系统，拍打运动是最关键的运动，拍打运动是扑翼飞行器能否飞起来的决定性因素。本发明采用齿轮传动和曲柄摇杆机构相结合，即采用曲柄齿轮摇杆联合机构，左右两边对称布置，齿轮传动采用两级减速传动。齿轮传动实现两个目的，一是改变电机输出的转动方向，以便达到两摇杆的同步反向运动，即实现两翼同步上下运动；二是通过采用两级齿轮减速传动，以提高扭矩，实现增大拍打力度。两翼的主要拍打运动机构就是曲柄齿轮摇杆复合机构，两翼的曲柄齿轮摇杆机构对称布置，为了使两翼产生相同的运动，从而提高扑翼飞行器的飞行稳定性。

扭转系统，主要采用独立电机驱动，设计一个半圆柱环作为拍打系统的支架，支撑整个拍打系统，再设计两个圆柱支架作为半圆柱环支架，以圆柱副形式相连。设计一个齿圈与半圆柱环固连，电机通过与齿圈啮合传动扭转运动。

摆动系统，主要是产生两扑翼的协同摆动。设计一个大齿轮作为整个系统的支撑，支撑整个系统，该齿轮通过圆柱副与基座相连，电机通过齿轮啮合传动，提供摆动的动力。

只要控制系统协调控制好拍打，扭转和摆动的运动时序，就可以实现扑翼飞行器的复杂三维飞行运动。

本发明的一个优选实施例如图1、图2所示，一种超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，主要由拍打系统、扭转系统和摆动系统组成。拍打系统包括支架8、24，摇杆29、30，齿轮23、35，曲柄26、33，销轴27、32，轴7、18、25、34、36，10、16，齿轮9、17、11、15、13，电机5组成。扭转系统包括圆柱支架1、6，半圆柱环3，齿环2，齿轮14，电机12组成。摆动系统包括基座19，圆柱环38，基座齿轮21，齿轮20，支撑22、37，电机4组成。

本发明是由三个电机4、12、5独立驱动，通过控制系统协调配合，控制扑动装置产生复杂的三维飞行运动。三自由度的运动如下：

拍打运动，即电机5通过齿轮13、11、15啮合传动，齿轮15经过轴16与齿轮17固连，轴16与支架8是圆柱副相连，齿轮17与齿轮35啮合，齿轮35通过销轴32与曲柄33固连，销轴32在滑槽31内滑动，从而使摇杆30产生上下拍打运动。电机5另一条传动链是通过齿轮13、11啮合传动，齿轮11经过轴10与齿轮9固定连接，轴10与支架8圆柱副相连，齿轮9与齿轮23啮合传动，齿轮23通过销轴27与摇杆26固连，销轴27在滑槽28内滑动，从而使摇杆29产生上下拍打运动。

扭转运动，电机12经过齿轮14，齿环2啮合，齿环2与整个拍打系统支撑半圆柱环3固连，使半圆柱环3在圆柱支座1、6内转动，从而带动两扑翼的同步扭转。

摆动运动，电机4通过齿轮20与基座齿轮21啮合，电机4通过支撑22、37与基座齿轮固连，基座齿轮21作为整个系统的支架，通过圆柱38与底座19圆柱副相连，从而通过齿轮啮合传动就可以实现左右两扑翼协同摆动转向。

Claims (6)

1.超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，其特征在于，电机(5)通过齿轮(13)、齿轮(11)、齿轮(9)、齿轮(23)、齿轮(15)、齿轮(17)、齿轮(35)啮合传动，经曲柄(26)摇杆(29)机构与曲柄(33)摇杆(30)机构驱动左右扑翼同步拍打运动；电机(12)经齿轮(14)、齿环(2)啮合传动驱动左右扑翼同步扭转运动；电机(4)经齿轮(20)、齿轮(21)啮合传动驱动左右扑翼协调摆动转向。

2.根据权利要求1所述的超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，其特征在于，所述的电机(5)经过两条传动链，分别驱动左右扑翼。

3.根据权利要求2所述的超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，其特征在于，所述的电机(5)经过两条传动链中的一条驱动右扑翼，其传动链是经过齿轮(13)、齿轮(11)、齿轮(15)啮合传动，齿轮(15)经过轴(16)与齿轮(17)固定连接，轴(16)通过圆柱副与支架(8)相连，齿轮(17)与齿轮(35)啮合传动，齿轮(35)、销轴(32)与曲柄(33)固定连接，齿轮(35)通过轴(18)与支架(8)经圆柱副相连，曲柄(33)通过轴(32)与支架(24)经圆柱副相连，销轴(32)可在滑槽(31)内滑动，驱动摇杆(30)上下拍打运动；所述的电机(5)经过两条传动链中的另一条驱动左扑翼，其传动链是经过齿轮(13)、齿轮(11)啮合传动，齿轮(11)经过轴(10)与齿轮(9)固定连接，轴(10)通过圆柱副与支架(8)相连，齿轮(9)与齿轮(23)啮合传动，齿轮(23)、销轴(27)与曲柄(26)固定连接，齿轮(23)通过轴(7)与支架(8)经圆柱副相连，曲柄(26)通过轴(27)与支架(24)经圆柱副相连，销轴(27)可在滑槽(28)内滑动，驱动摇杆(29)上下拍打运动。

4.根据权利要求3所述的超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，其特征在于，所述的摇杆(30)、摇杆(29)通过轴(36)与支架(8)、支架(24)以圆柱副形式相连，齿轮(15)、齿轮(11)与齿轮(17)、齿轮(9)、齿轮(23)、齿轮(35)位于支架(8)的两侧，电机(5)固定在支架(8)、支架(24)上。

5.根据权利要求1所述的超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，其特征在于，所述的齿环(2)与半圆柱环(3)固定连接，支架(8)、支架(24)固定在半圆柱环(3)上面，半圆柱环与圆柱支架(1)、圆柱支架(6)通过圆柱副相连，电机(12)固定在基座齿轮(21)上。

6.根据权利要求5所述的超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，其特征在于，所述的圆柱支架(1)、圆柱支架(6)与大齿轮(21)固定连接，大齿轮(21)与圆柱环(38)固连，圆柱环(38)与基座(19)以圆柱副形式相连，电机(4)通过支撑(37)、支撑(22)与基座(19)固定。

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