CN101734375B - 超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置。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。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
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b5通过齿轮c13、齿轮b11、齿轮a9、齿轮f23、齿轮d15、齿轮e17、齿轮g35啮合传动，经曲柄a26摇杆a29机构与曲柄33摇杆b30机构驱动左右扑翼同步拍打运动；电机c12经齿轮h14、齿环2啮合传动驱动左右扑翼同步扭转运动；电机a4经齿轮j20、基座齿轮21啮合传动驱动左右扑翼协调摆动转向。
所述的电机b5经过两条传动链，分别驱动左右扑翼。
所述的电机b5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c13、齿轮d15啮合传动，齿轮d15经过轴c16与齿轮e17固定连接，轴c16通过圆柱副与支架a8相连，齿轮e17与齿轮g35啮合传动，齿轮g35、销轴b32与曲柄33固定连接，齿轮g35通过轴d18与支架a8经圆柱副相连，曲柄33通过轴f34与支架b24相连，销轴b32可在滑槽31内滑动，驱动摇杆b30上下拍打运动；所述的电机b5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c13、齿轮b11啮合传动，齿轮b11经过轴b10与齿轮a9固定连接，轴b10通过圆柱副与支架a8相连，齿轮a9与齿轮f23啮合传动，齿轮f23、销轴a27与曲柄a26固定连接，齿轮f23通过轴a7与支架a8经圆柱副相连，曲柄a26通过轴e25与支架b24相连，销轴a27可在滑槽28内滑动，驱动摇杆a29上下拍打运动。
所述的摇杆b30、摇杆a29通过轴g36与支架a8、支架b24以圆柱副形式相连，齿轮d15、齿轮b11与齿轮e17、齿轮a9、齿轮f23、齿轮g35位于支架a8的两侧，电机b5固定在支架a8、支架b24上。
所述的齿环2与半圆柱环3固定连接，支架a8、支架b24固定在半圆柱环3上面，半圆柱环与圆柱支架a1、圆柱支架b6通过圆柱副相连，电机c12固定在基座齿轮21上。
所述的圆柱支架a1、圆柱支架b6与基座齿轮21固定连接，基座齿轮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a4通过支撑b37、支撑a22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a8、支架b24，摇杆a29、摇杆b30，齿轮f23、齿轮g35，曲柄a26、曲柄b33，销轴a27、销轴b32，轴a7、轴d18、轴e25、轴f34、轴g36，轴b10、轴c16，齿轮a9、齿轮e17、齿轮b11、齿轮d15、齿轮c13，电机b5组成。扭转系统包括圆柱支架a1、圆柱支架b6，半圆柱环3，齿环2，齿轮h14，电机c12组成。摆动系统包括基座19，圆柱环38，基座齿轮21，齿轮j20，支撑a22、支撑b37，电机a4组成。
本发明是由三个电机a4、电机c12、电机b5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b5通过齿轮c13、齿轮b11、齿轮d15啮合传动，齿轮d15经过轴c16与齿轮e17固连，轴c16与支架a8是圆柱副相连，齿轮e17与齿轮g35啮合，齿轮g35通过销轴b32与曲柄33固连，销轴b32在滑槽31内滑动，从而使摇杆b30产生上下拍打运动。电机b5另一条传动链是通过齿轮c13、齿轮b11啮合传动，齿轮b11经过轴b10与齿轮a9固定连接，轴b10与支架a8圆柱副相连，齿轮a9与齿轮f23啮合传动，齿轮f23通过销轴a27与曲柄a26固连，销轴a27在滑槽28内滑动，从而使摇杆a29产生上下拍打运动。
扭转运动，电机c12经过齿轮h14，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在圆柱支架a1、圆柱支架b6内转动，从而带动两扑翼的同步扭转。
摆动运动，电机a4通过齿轮j20与基座齿轮21啮合，电机a4通过支撑a22、支撑b37与基座19固连，基座齿轮21作为整个系统的支架，通过圆柱环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 (1)
1.超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，其特征在于，电机b(5)通过齿轮c(13)、齿轮b(11)、齿轮a(9)、齿轮f(23)、齿轮d(15)、齿轮e(17)、齿轮g(35)啮合传动，经曲柄a(26)摇杆a(29)机构与曲柄b(33)摇杆b(30)机构驱动左右扑翼同步拍打运动；电机c(12)经齿轮h(14)、齿环(2)啮合传动驱动左右扑翼同步扭转运动；电机a(4)经齿轮j(20)、基座齿轮(21)啮合传动驱动左右扑翼协调摆动转向；
所述的电机b(5)经过两条传动链，分别驱动左右扑翼；
所述的电机b(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c(13)、齿轮d(15)啮合传动，齿轮d(15)经过轴c(16)与齿轮e(17)固定连接，轴c(16)通过圆柱副与支架a(8)相连，齿轮e(17)与齿轮g(35)啮合传动，齿轮g(35)、销轴b(32)与曲柄b(33)固定连接，齿轮g(35)通过轴d(18)与支架a(8)经圆柱副相连，曲柄b(33)通过轴f(34)与支架b(24)相连，销轴b(32)可在滑槽(31)内滑动，驱动摇杆b(30)上下拍打运动；所述的电机b(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c(13)、齿轮b(11)啮合传动，齿轮b(11)经过轴b(10)与齿轮a(9)固定连接，轴b(10)通过圆柱副与支架a(8)相连，齿轮a(9)与齿轮f(23)啮合传动，齿轮f(23)、销轴a(27)与曲柄a(26)固定连接，齿轮f(23)通过轴a(7)与支架a(8)经圆柱副相连，曲柄a(26)通过轴e(25)与支架b(24)相连，销轴a(27)可在滑槽(28)内滑动，驱动摇杆a(29)上下拍打运动；
所述的摇杆b(30)、摇杆a(29)通过轴g(36)与支架a(8)、支架b(24)以圆柱副形式相连，齿轮d(15)、齿轮b(11)与齿轮e(17)、齿轮a(9)、齿轮f(23)、齿轮g(35)位于支架a(8)的两侧，电机b(5)固定在支架a(8)、支架b(24)上；
所述的齿环(2)与半圆柱环(3)固定连接，支架a(8)、支架b(24)固定在半圆柱环(3)上面，半圆柱环与圆柱支架a(1)、圆柱支架b(6)通过圆柱副相连，电机c(12)固定在基座齿轮(21)上；
所述的圆柱支架a(1)、圆柱支架b(6)与基座齿轮(21)固定连接，基座齿轮(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a(4)通过支撑b(37)、支撑a(22)与基座(19)固定。
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