CN102167159B

CN102167159B - 锥齿轮组扑翼飞行器

Info

Publication number: CN102167159B
Application number: CN 201110081145
Authority: CN
Inventors: 张卫平; 覃毅; 迟鹏程; 孟坤; 陈文元; 李洪谊; 崔峰; 刘武; 吴校生
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; Shenyang Institute of Automation of CAS
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; Shenyang Institute of Automation of CAS
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: CN102167159A

Abstract

一种机械电子技术领域的锥齿轮组扑翼飞行器，包括：扑动机构、主轴和尾翼，主轴分别与扑动机构和尾翼连接。本发明能够使两个翅膀扑动频率不同，能够在飞行过程中高效地调节两个翅膀之间的扑动关系，还能够降低由于两个翅膀扑动力不同所带来的能量损耗，消除两边扑动力不平衡的影响。

Description

锥齿轮组扑翼飞行器

技术领域

本发明涉及的是一种机械电子技术领域的装置，具体是一种锥齿轮组扑翼飞行器。

背景技术

扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的微型飞行器，它是20世纪90年代发展起来的一种新型飞行器。具有体积小、重量轻、成本低和飞行灵活等特点。翅翼扑动频率小，仿昆虫的尺寸较小，翅膀扑动频率高。研究扑翼微飞行器的目标是提高系统的扑动效率，尽可能地缩小扑翼微飞行器的尺寸。

目前，微型飞行器按飞行方式可以分为固定翼、旋翼和扑翼三类。当翼展小于15cm时，扑翼式飞行比固定翼和旋翼飞行更具有优势，它可微化程度高、隐蔽性好且飞行机动性高。国外在扑翼式微飞行器的研究方面已做出了相关成果。

经过对现有技术文献的检索发现，Pornsin-Sirirak，T.N.，Tai，Y.C.& Kennon，M.(2001)Microbat：A Palm-Sized Electrically Powered Ornithopter(一个手掌大小尺寸的电动扑翼飞行器).In Proceedings of NASA/JPL Workshop on Biomorphic Robotics，美国加州理工与加州大学以及航境公司以微电机作为动力源，通过低摩擦轻型传动机构传递能量，研制出携带有一台微型摄像机或声音传感器，并借助无线电遥控飞行的微蝙蝠。但是该飞行器仅仅依靠微电机通过一组直齿轮减速箱提供扑动运动所需的动力，效率比较低，不能像鸟或者昆虫一样随时高效地控制各个翼的扑动速度、扑动幅度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种锥齿轮组扑翼飞行器，该装置能够使两个翅膀扑动频率不同，能够在飞行过程中高效地调节两个翅膀之间的扑动关系，还能够降低由于两个翅膀扑动力不同所带来的能量损耗，消除两边扑动力不平衡的影响。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：扑动机构、主轴和尾翼，其中：主轴分别与扑动机构和尾翼连接。

所述的扑动机构包括：两个翅膀、支架连接件、两个胸腔支架、微电机、电机驱动齿轮组件、锥齿轮组件、两个摇杆组件和两个齿轮轴，其中：两个胸腔支架对称连接于支架连接件的两侧，支架连接件与主轴连接，两个胸腔支架分别与两个翅膀活动连接，两个摇杆组件分别与两个翅膀连接，第一齿轮轴的一端与第一摇杆组件连接，第一胸腔支架、电机驱动齿轮组件和锥齿轮组件通过第一齿轮轴的另一端串联连接，第二齿轮轴的一端与第二摇杆组件连接，锥齿轮组件和第二胸腔支架通过第二齿轮轴的另一端串联连接，微电机设置于两个胸腔支架之间且与两个胸腔支架固定连接，电机驱动齿轮组件与微电机连接。

所述的翅膀包括：翅膀连接件、主脉、次脉和翅膀膜，其中：翅膀连接件分别与胸腔支架和主脉连接，主脉与次脉连接，翅膀膜包覆于主脉和次脉的上下表面。

所述的电机驱动齿轮组件包括：电机驱动直齿轮、从动直齿轮、传动直齿轮、输出直齿轮和传动轴，其中：电机驱动直齿轮与微电机连接，从动直齿轮与电机驱动直齿轮啮合，从动直齿轮、第一胸腔支架和传动直齿轮通过传动轴依次串联连接，输出直齿轮与传动直齿轮啮合，输出直齿轮固定设置于第一齿轮轴上。

所述的锥齿轮组件包括：两个轴向锥齿轮、两个径向锥齿轮和两块固定支架，其中：两块固定支架与电机驱动齿轮组件固定连接，两个径向锥齿轮分别固定设置于两块固定支架上，两个轴向锥齿轮分别固定设置于两个齿轮轴上，两个径向锥齿轮均与两个轴向锥齿轮啮合。

所述的摇杆组件包括：曲柄摇杆、连杆和两个柔性胶套，其中：曲柄摇杆与齿轮轴连接，连杆两端分别通过第一柔性胶套和第二柔性胶套与曲柄摇杆和翅膀连接。

所述的尾翼包括：方向舵、电磁铁驱动器和尾翼膜，其中：方向舵与主轴连接，电磁铁驱动器固定设置于方向舵上，尾翼膜包覆于方向舵和主轴的上下表面。

本发明是采用微电机作为驱动，利用四个锥齿轮实现左右翅膀不同的扑动频率。为了增大微电机的驱动力，为了减小尺寸，电机设置于胸腔支架之间，通过两级的直齿轮组，进而提高扭矩，最末端的直齿轮的旋转，经过四个锥齿轮，带动曲柄的转动，进而带动每个翅膀扑动。在平稳环境中，本发明所需的左右翅膀的扑动力一致，四个锥齿轮没有相对运动，左右的曲柄摇杆转速相同，进而实现左右翅膀的扑动频率相同。在复杂流场环境中或在转向的过程中，本发明所需的左右翅膀的扑动力不同，四个锥齿轮产生被动的相对运动，实现左右的曲柄摇杆有不同的转速，高效的转换左右曲柄摇杆的扭矩，进而实现左右翅膀的扑动频率不同，简单而且方便。

本发明需要设定一个初始的攻角，同时翅膀向下扑动过程中翅脉产生柔性变形，翅膀也能够产生一定的被动扭转，有效攻角在不断的变化，不但能产生向上的升力，还能产生向前的推力。

本发明利用四个锥齿轮使左右翅膀扑动频率不同，有助于提高扑翼飞行器的能量效率和飞行时间，能够降低由于左右翅膀扑动力不同所带来的能量损耗，提高传动效率，消除左右扑动力不平衡的影响，方便改变扑翼微飞行器的飞行方向，适应复杂流场下的飞行，本发明采用微电机，不需要很大的电源电压，易实现自身携带电源且机械结构比较简单，本发明采用电磁驱动器控制方向，更高效，能实现复杂的飞行轨迹。

附图说明

图1为实施例整体轴测图。

图2为实施例整体左视图。

图3为实施例整体俯视图。

图4为实施例扑动机构的轴测图。

图5为实施例翅膀的主视图。

图6为实施例尾翼的主视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本实施例包括：扑动机构1、主轴2和尾翼3，其中：主轴2分别与扑动机构1和尾翼3连接。

所述的扑动机构1包括：两个翅膀4、5、支架连接件6、第一胸腔支架7、第二胸腔支架8、微电机9、电机驱动齿轮组件10、锥齿轮组件11、第一摇杆组件12、第二摇杆组件13、第一齿轮轴14和第二齿轮轴15，其中：两个胸腔支架7、8对称连接于支架连接件6的两侧，支架连接件6与主轴2连接，两个胸腔支架7、8分别与两个翅膀4、5活动连接，两个摇杆组件12、13分别与两个翅膀4、5连接，第一齿轮轴14的一端与第一摇杆组件12连接，第一胸腔支架7、电机驱动齿轮组件10和锥齿轮组件11通过第一齿轮轴14的另一端串联连接，第二齿轮轴15的一端与第二摇杆组件13连接，锥齿轮组件11和第二胸腔支架8通过第二齿轮轴15的另一端串联连接，微电机9设置于两个胸腔支架7、8之间且与两个胸腔支架7、8固定连接，电机驱动齿轮组件10与微电机9连接。

所述的翅膀4、5包括：翅膀连接件16、主脉17、次脉18和翅膀膜19，其中：翅膀连接件16分别与胸腔支架7、8和主脉17连接，主脉17与次脉18连接，翅膀膜19包覆于主脉17和次脉18的上下表面。

所述的电机驱动齿轮组件10包括：电机驱动直齿轮20、从动直齿轮21、传动直齿轮22、输出直齿轮23和传动轴24，其中：电机驱动直齿轮20与微电机9连接，从动直齿轮21与电机驱动直齿轮20啮合，从动直齿轮21、第一胸腔支架7和传动直齿轮22通过传动轴24依次串联连接，输出直齿轮23与传动直齿轮22啮合，输出直齿轮23固定设置于第一齿轮轴14上。

所述的锥齿轮组件11包括：两个轴向锥齿轮25、26、两个径向锥齿轮27、28和两块固定支架29、30，其中：两块固定支架29、30与输出直齿轮23固定连接，两个径向锥齿轮27、28分别固定设置于两块固定支架29、30上，两个轴向锥齿轮25、26分别固定设置于两个齿轮轴14、15上，两个径向锥齿轮27、28均与两个轴向锥齿轮25、26啮合。

所述的摇杆组件14、15包括：曲柄摇杆31、连杆32、第一柔性胶套33和第二柔性胶套34，其中：曲柄摇杆31与齿轮轴14、15连接，连杆32两端分别通过第一柔性胶套33和第二柔性胶套34与曲柄摇杆31和翅膀4、5连接。

所述的尾翼3包括：方向舵35、电磁铁驱动器36和尾翼膜37，其中：方向舵35与主轴2连接，电磁铁驱动器36固定设置于方向舵35上，尾翼膜37包覆于方向舵35和主轴2的上下表面。

所述的两个胸腔支架7、8、支架连接件6和翅膀连接件16均采用轻木材料制成。所述的曲柄摇杆31，电机驱动直齿轮20、从动直齿轮21、传动直齿轮22、输出直齿轮23、两个轴向锥齿轮25、26、两个径向锥齿轮27、28和两个固定支架29、30均采用塑料制成。所述的主轴2、两个齿轮轴14、15、连杆32、主脉17和次脉18均为碳纤维材料制成。

本装置的结构采用四个锥齿轮，能够使两个翅膀4、5扑动频率不同，有助于提高飞行时间，在飞行过程中，能够高效地调节两个翅膀4、5之间的扑动关系，以最大程度满足飞行器的飞行需要，还能够降低由于两个翅膀4、5的扑动力不同所带来的能量损耗，消除扑动力不平衡的影响。本装置使用了微电机9作为驱动，不需要很大的电源电压，易实现自身携带电源且机械结构比较简单。本装置使用的主要结构材料是木材、碳纤维和塑料，加工容易，有利于实现整体微型化。本装置的尾翼3由电磁驱动器控制方向，更高效，能完成复杂的飞行轨迹。

Claims

1.一种锥齿轮组扑翼飞行器，包括：扑动机构、主轴和尾翼，其中：主轴分别与扑动机构和尾翼连接，其特征在于：

所述的扑动机构包括：两个翅膀、支架连接件、两个胸腔支架、微电机、电机驱动齿轮组件、锥齿轮组件、两个摇杆组件和两个齿轮轴，其中：两个胸腔支架对称连接于支架连接件的两侧，支架连接件与主轴连接，两个胸腔支架分别与两个翅膀活动连接，两个摇杆组件分别与两个翅膀连接，第一齿轮轴的一端与第一摇杆组件连接，第一胸腔支架、电机驱动齿轮组件和锥齿轮组件通过第一齿轮轴的另一端串联连接，第二齿轮轴的一端与第二摇杆组件连接，锥齿轮组件和第二胸腔支架通过第二齿轮轴的另一端串联连接，微电机设置于两个胸腔支架之间且与两个胸腔支架固定连接，电机驱动齿轮组件与微电机连接；

2.根据权利要求1所述的锥齿轮组扑翼飞行器，其特征是，所述的翅膀包括：翅膀连接件、主脉、次脉和翅膀膜，其中：翅膀连接件分别与胸腔支架和主脉连接，主脉与次脉连接，翅膀膜包覆于主脉和次脉的上下表面。

3.根据权利要求1所述的锥齿轮组扑翼飞行器，其特征是，所述的电机驱动齿轮组件包括：电机驱动直齿轮、从动直齿轮、传动直齿轮、输出直齿轮和传动轴，其中：电机驱动直齿轮与微电机连接，从动直齿轮与电机驱动直齿轮啮合，从动直齿轮、第一胸腔支架和传动直齿轮通过传动轴依次串联连接，输出直齿轮与传动直齿轮啮合，输出直齿轮固定设置于第一齿轮轴上。

4.根据权利要求1所述的锥齿轮组扑翼飞行器，其特征是，所述的摇杆组件包括：曲柄摇杆、连杆和两个柔性胶套，其中：曲柄摇杆与齿轮轴连接，连杆两端分别通过第一柔性胶套和第二柔性胶套与曲柄摇杆和翅膀连接。

5.根据权利要求1所述的锥齿轮组扑翼飞行器，其特征是，所述的尾翼包括：方向舵、电磁铁驱动器和尾翼膜，其中：方向舵与主轴连接，电磁铁驱动器固定设置于方向舵上，尾翼膜包覆于方向舵和主轴的上下表面。