CN102267566B - 一种无级变速扑翼驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无级变速扑翼驱动机构，包含机架、电机、无级变速减速器、齿轮减速器和曲柄摇杆机构，由摩擦轮组和齿轮组完成减速，由曲柄摇杆机构将转动变为摇臂的上下扑动以驱动扑翼。该机构能通过改变摩擦轮的接触位置方便地改变减速比，还具有扑动严格对称，对反向载荷自锁，能够实现扑翼—滑翔飞行模式等优点，适合应用于微型扑翼飞行器本体和相关地面测试试验。

Description

一种无级变速扑翼驱动机构

技术领域

本发明涉及一种扑翼驱动机构，能够应用于微型扑翼飞行器。

背景技术

微型扑翼飞行器是一种模仿鸟类飞行的新概念飞行器，它具有体积小、重量轻、使用灵活、效率高等优势，如果搭载传感器和相关的数据传输和飞行控制系统，形成微型扑翼无人机平台，就会具有广阔的应用前景。围绕这一课题，各国已研制出可控飞行的扑翼飞行器，其中较成功的有美国Aero Vironment公司与加利福尼亚大学合作的“Microbat”、荷兰Delft大学的“Delfly”，还有2011年最新公布的美国Aero Vironment公司的“蜂鸟”以及德国Festo公司的“Smart Bird”等，但这些扑翼飞行器距离实用无人机系统的飞行器平台都有一定的距离。

可见，扑翼飞行器的相关理论和方法还不成熟，扑翼飞行器的设计还处在摸索前进的阶段，设计更改的周期短，幅度大。现有扑翼驱动机构大多通过齿轮减速器、皮带轮减速器等减速器将动力装置输出的旋转运动减速，再通过四连杆机构、曲柄摇臂机构等机构将旋转运动转化为上下扑动运动，这类扑翼驱动机构的固有形式决定了机构一旦制造出来，其减速比就只能进行离散化的调整，而这样的调整还需要通过重新制造和更换扑翼驱动机构中的部分或全部部件才能实现。因此，若出现由于动力装置更换需重新与扑翼驱动机构匹配或扑翼飞行器扑翼气动特性改变对扑动频率和输出功率要求变化等设计更改而导致机构减速比无法满足要求的情况，就要重新设计和制造扑翼驱动机构，增加扑翼飞行器研制时间和成本。

发明内容

为了克服现有技术只能离散化调整减速比，无法适应扑翼驱动机构的更换的不足，本发明提供一种扑翼驱动机构，利用简单可靠的方式连续的改变减速比，并使这种机构同时满足扑翼飞行器的其他要求，能够用于扑翼飞行器及其风洞试验等地面测试环节。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包含机架、电机、无级变速减速器、齿轮减速器和曲柄摇杆机构。所述机架左右对称，机架上有滑槽，电机滑块沿滑槽移动并能够固定在滑槽的任意位置，电机安装在电机滑块上。无级变速减速器包括主动摩擦头、辅助摩擦头、从动摩擦轮、预紧轮和摩擦轮轴，辅助摩擦头安装于机架上且与主动摩擦头对置。从动摩擦轮和预紧轮为直径相同的圆盘，同轴布置于摩擦轮轴孔中安装的摩擦轮轴上，两轮之间紧夹着主动摩擦头和辅助摩擦头。从动摩擦轮与摩擦轮轴固连，预紧轮可绕摩擦轮轴转动并能在轴向移动，主动摩擦头通过电机驱动，以摩擦作用带动从动摩擦轮转动。齿轮减速器的主动齿轮同轴固接于摩擦轮轴，从动齿轮固接于曲柄轴，与主动齿轮啮合。曲柄摇杆机构包括曲柄轴、曲柄、摇臂和摇臂轴，机架顶部有摇臂轴座，摇臂轴座上安装摇臂轴。曲柄轴伸出机架两侧，分别通过两个曲柄连接球铰链，左右对称的两个摇臂根部通过摇臂轴与机架铰接，所述摇臂中部固连球铰链，芯部沿长度方向开孔，与扑翼翼梁插接。两个两端固连球铰座的连杆分别连接同侧曲柄上的球铰链和摇臂上的球铰链。

所述的滑槽长度使主动摩擦头的可变位置范围覆盖从动摩擦轮的半径。

所述滑槽的前部有辅助摩擦头安装孔，与电机滑块的电机安装孔同轴。机架中部有曲柄轴孔和摩擦轮轴孔，摩擦轮轴孔旁有预紧螺丝孔，摩擦轮轴孔和电机枢轴孔在Z方向等高，轴线相互垂直，曲柄轴孔与摩擦轮轴孔的轴线平行，位于摩擦轮轴孔正上方。所述机架对称平面内上下方向为Z轴，左右方向为X轴，Y轴垂直于对称平面，轴系为右手系。

所述电机安装于电机滑块上的电机安装孔，其枢轴穿过电机枢轴孔连接主动摩擦头，所述主动摩擦头呈圆柱形，圆柱面用于与从动摩擦轮和预紧轮摩擦传动，一侧的端面上开有盲孔，用于与电机枢轴紧配合固定。主动摩擦头与电机的连接方式以及电机与电机滑块的连接方式是为了电机滑块在滑槽上沿X方向调节位置可以改变主动摩擦头X方向的位置。辅助摩擦头的形状和大小与主动摩擦头相同，而没有主动摩擦头上面的盲孔。辅助摩擦头与主动摩擦头同轴布置，通过轴承安装于机架上的辅助摩擦头安装孔。主动摩擦头与辅助摩擦头直径相同，两者均与从动摩擦轮接触。所述从动摩擦轮和预紧轮呈盘状，中心开有用于同摩擦轮轴连接的通孔，两轮直径相同，同轴布置于摩擦轮轴孔中安装的摩擦轮轴上，两轮之间紧夹着主动摩擦头和辅助摩擦头。从动摩擦轮与摩擦轮轴固连，预紧轮可绕摩擦轮轴转动并能在轴向移动，预紧轮的轴向位置通过调节机架上的预紧螺丝调节。所述主动摩擦头、辅助摩擦头、从动摩擦轮、预紧轮和摩擦轮轴共同组成所述无级变速减速器，主动摩擦头通过电机驱动，以摩擦作用带动从动摩擦轮转动，设置与主动摩擦头对置的辅助摩擦头是为了平衡从动摩擦轮高速转动中的载荷，设置预紧轮是为了同从动摩擦轮共同构成对主动摩擦头的紧夹作用，预紧轮的轴向位置可调是为了使这种紧夹作用提供的摩擦力大小适合主动摩擦头以摩擦驱动从动摩擦轮。

所述齿轮减速器主动齿轮在所述从动摩擦轮和预紧轮之间同轴固接于摩擦轮轴，从动齿轮固接于机架曲柄轴孔中安装的曲柄轴，与主动齿轮啮合，从动齿轮的节圆直径大于主动齿轮的节圆直径，构成具有减速作用的齿轮传动。

曲柄轴穿过曲柄轴孔伸出机架两侧，左右对称的固接两个曲柄，曲柄端头连接球铰链，左右对称的两个摇臂根部通过机架摇臂轴孔中安装的摇臂轴与机架铰接。

本发明工作时，电机通过枢轴带动主动摩擦头高速旋转，主动摩擦头通过摩擦带动从动摩擦轮旋转，从而使与主动齿轮啮合的从动齿轮带动曲柄轴旋转，同时完成减速，曲柄轴通过曲柄和连杆带动摇臂上下扑动，驱动其上插接的扑翼。

本发明通过改变主动摩擦头和从动摩擦轮的接触位置改变减速比，能够方便的与电机的转速和所需的摇臂扑动频率匹配，最大程度的减少扑翼驱动机构调整减速比的时间和成本。

本发明的曲柄摇杆机构由一根传动轴驱动，结构左右对称，其左右摇臂的上下扑动也严格对称，这对于保证扑翼飞行器的飞行稳定性非常有益。

本发明的摩擦轮和曲柄摇杆机构共同作用，对于来自摇臂的载荷具有自锁作用，能够在任意位置的锁定，适合扑翼飞行器实现扑翼—滑翔飞行模式。

本发明的有益效果是：由于采用

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1为本发明示意图；

图2为本发明无级变速减速器示意图；

图3为本发明摩擦轮机构俯视图。

图中，1A-预紧螺丝孔，1B、1B’-前片，1C、1C’-后片，1D-后块，1E-前块，1F-套筒，11-摩擦轮轴，12-曲柄轴，13-主动齿轮，14-从动齿轮，2-电机，3-电机滑块，3A-外侧垫片，4A、4A’-摇臂轴，8-主动摩擦头，9-辅助摩擦头，10-从动摩擦轮，11-摩擦轮轴，12-曲柄轴，13-主动齿轮，14-从动齿轮，15-预紧轮，71、72、73-球铰链。

具体实施方式

本发明的无级变速扑翼驱动机构，包含机架、电机、无级变速减速器、齿轮减速器和曲柄摇杆机构。

所述机架左右对称，为表述方便，定义机架对称平面内上下方向为Z轴，左右方向为X轴，Y轴垂直于对称平面，轴系为右手系。

机架采用合金钢制成，由七个零件组成，分别为左右对称的前片1B、1B’和后片1C、1C’，位于中部的前块1E和后块1D以及一个套筒1F，七个零件通过螺钉连接组装。后片1C、1C’装有电机滑块3，前块1E上有辅助摩擦头安装孔，与电机滑块3的电机安装孔同轴。前片1B、1B’上有曲柄轴孔和摩擦轮轴孔，摩擦轮轴孔旁有预紧螺丝孔1A，摩擦轮轴孔和电机轴孔在z方向等高，轴线相互垂直，曲柄轴孔与摩擦轮轴孔的轴线平行，位于其正上方，机架顶部有摇臂轴座，轴座上安装摇臂轴4A、4A’。

所述电机2为直流无刷电机，由聚合物锂电池供能。电机2安装于电机滑块3上的电机安装孔，电机滑块可沿后片1C 1C’进行位置调节。具体方式为：电机安装滑块3与两个后片1C、1C’接触位置有卡槽，外侧垫片3A通过螺钉安装于电机安装滑块3，将电机安装滑块3在后片1C、1C’上紧固定位，需要调节位置时，将所述螺钉适当旋松，整个滑块即可在后片1C、1C’形成的轨道上滑动，达到所需位置再次拧紧螺钉即可。所述电机枢轴穿过电机滑块上的电机枢轴孔连接主动摩擦头8，所述主动摩擦头8呈圆柱形，用黄铜制成，圆柱面用于与下述从动摩擦轮10和预紧轮15摩擦传动，一侧的端面上开有盲孔，用于与电机2枢轴紧配合固定。主动摩擦头8与电机2的连接方式以及电机2与电机滑块3的连接方式是为了电机滑块3在后片1C 1C’上沿X方向调节位置可以改变主动摩擦头8X方向的位置。

辅助摩擦头9的形状和大小与主动摩擦头8相同，而没有主动摩擦头8上面的盲孔。辅助摩擦头9与主动摩擦头8同轴布置，通过轴承安装于机架上的辅助摩擦头安装孔，可绕x轴转动，主动摩擦头8与辅助摩擦头9直径相同，两者均与从动摩擦轮10接触。从动摩擦轮10和预紧轮15呈盘状，中心开有用于与摩擦轮轴固定的通孔，两轮同轴布置于摩擦轮轴孔中安装的摩擦轮轴11上，两轮之间紧夹着主动摩擦头8和辅助摩擦头9。从动摩擦轮10与摩擦轮轴11固连，预紧轮15可绕摩擦轮轴11转动并能在轴向移动，预紧轮15的轴向位置通过调节机架预紧螺丝孔1A中的预紧螺丝调节，使从动摩擦轮10和预紧轮15对主动摩擦头8的紧夹作用提供的摩擦力大小适合主动摩擦头8以摩擦驱动从动摩擦轮10。所述主动摩擦头8、辅助摩擦头9、从动摩擦轮10、预紧轮15和摩擦轮轴11共同组成所述无级变速减速器，均由合金钢制成。所述主动摩擦头8和从动摩擦轮10及预紧轮15配合提供的摩擦系数，使得电机滑块3确定的主动摩擦头8的滑动范围内任意位置，主动摩擦头8均可由电机2驱动通过摩擦作用带动从动摩擦轮10转动，摩擦位置的改变调整传动比。

所述齿轮减速器主动齿轮13在所述从动摩擦轮10和预紧轮15之间同轴固接于摩擦轮轴11，从动齿轮14固接于曲柄轴12，与主动齿轮13啮合。

整个扑翼驱动机构的减速比为上述无级变速减速器和齿轮减速器的减速比之积，整个机构的减速比通过电机负载转速和期望扑翼扑动频率确定，两个减速器的减速比分配需考虑结构强度和尺寸大小的因素。这里采用的无刷电机负载转速为30000r/min，扑翼扑动频率为9Hz，机构的减速比约为56，取齿轮减速器的减速比为8，无级变速减速器主动摩擦头位于从动摩擦轮半径一半位置处的减速比为7即可。

曲柄轴12穿过曲柄轴孔伸出机架两侧，左右对称的固接两个曲柄6’(另一曲柄与之关于对称平面镜像对称，未标出)，曲柄6’端头连接球铰链，左右对称的两个摇臂4、4’根部通过机架摇臂轴孔安装的摇臂轴4A、4A’与机架1铰接，所述摇臂4、4’中部固连球铰链71、73，芯部沿长度方向开孔，与扑翼翼梁插接。连杆5、5’两端固连球铰座，两个连杆5、5’分别连接同侧曲柄上的球铰链72和摇臂4、4’上的球铰链71、73。

机构工作时，电机2通过枢轴带动主动摩擦头8高速旋转，主动摩擦头8通过摩擦带动从动摩擦轮10旋转，从而使与主动齿轮13啮合的从动齿轮14带动曲柄轴12旋转，同时完成减速，曲柄轴12通过曲柄6、6’和连杆5、5’带动摇臂4、4’上下扑动，驱动其上插接的扑翼。

Claims (6)

1.一种无级变速扑翼驱动机构，包括机架、电机、无级变速减速器、齿轮减速器和曲柄摇杆机构，其特征在于：机架左右对称，机架上有滑槽，电机滑块沿滑槽移动并能够固定在滑槽的任意位置，电机安装在电机滑块上；无级变速减速器包括主动摩擦头、辅助摩擦头、从动摩擦轮、预紧轮和摩擦轮轴，辅助摩擦头安装于机架上且与主动摩擦头对置，从动摩擦轮和预紧轮为直径相同的圆盘，同轴布置于摩擦轮轴孔中安装的摩擦轮轴上，两轮之间紧夹着主动摩擦头和辅助摩擦头，从动摩擦轮与摩擦轮轴固连，预紧轮可绕摩擦轮轴转动并能在轴向移动，主动摩擦头通过电机驱动，以摩擦作用带动从动摩擦轮转动；齿轮减速器的主动齿轮同轴固接于摩擦轮轴，从动齿轮固接于曲柄摇杆机构的曲柄轴，与主动齿轮啮合；曲柄摇杆机构包括曲柄轴、曲柄、摇臂和摇臂轴，机架顶部有摇臂轴座，摇臂轴座上安装摇臂轴，曲柄轴伸出机架两侧，分别通过两个曲柄连接球铰链，左右对称的两个摇臂根部通过摇臂轴与机架铰接，摇臂中部固连球铰链，芯部沿长度方向开孔，与扑翼翼梁插接，两个两端固连球铰座的连杆分别连接同侧曲柄上的球铰链和摇臂上的球铰链。 

2.根据权利要求1所述的无级变速扑翼驱动机构，其特征在于：所述的滑槽长度使主动摩擦头的可变位置范围覆盖从动摩擦轮的半径。 

3.根据权利要求1所述的无级变速扑翼驱动机构，其特征在于：所述滑槽的前部有辅助摩擦头安装孔，与电机滑块的电机安装孔同轴；机架中部有曲柄轴孔和摩擦轮轴孔，摩擦轮轴孔旁有预紧螺丝孔，摩擦轮轴孔和电机枢轴孔在Z方向等高，轴线相互垂直，曲柄轴孔与摩擦轮轴孔的轴线平行，位于摩擦轮轴孔正上方；所述机架对称平面内上下方向为Z轴，左右方向为X轴，Y轴垂直于对称平面，轴系为右手系。 

4.根据权利要求1所述的无级变速扑翼驱动机构，其特征在于：所述的电机安装于电机滑块上的电机安装孔，其枢轴穿过电机枢轴孔连接主动摩擦头，所述主动摩擦头呈圆柱形，圆柱面用于与从动摩擦轮和预紧轮摩擦传动，一侧的端面上开有盲孔，用于与电机枢轴紧配合固定；辅助摩擦头的形状和大小与主动摩擦头相同，而没有主动摩擦头上面的盲孔；辅助摩擦头与主动摩擦头同轴布置，通过轴承安装于机架上的辅助摩擦头安装孔；主动摩擦头与辅助摩擦头直径相同，两者 均与从动摩擦轮接触；所述从动摩擦轮和预紧轮呈盘状，中心开有用于同摩擦轮轴连接的通孔，两轮直径相同，同轴布置于摩擦轮轴孔中安装的摩擦轮轴上，两轮之间紧夹着主动摩擦头和辅助摩擦头；从动摩擦轮与摩擦轮轴固连，预紧轮可绕摩擦轮轴转动并能在轴向移动，预紧轮的轴向位置通过调节机架上的预紧螺丝调节。

5.根据权利要求1所述的无级变速扑翼驱动机构，其特征在于：所述的齿轮减速器主动齿轮在所述从动摩擦轮和预紧轮之间同轴固接于摩擦轮轴，从动齿轮固接于机架曲柄轴孔中安装的曲柄轴，与主动齿轮啮合，从动齿轮的节圆直径大于主动齿轮的节圆直径，构成具有减速作用的齿轮传动。 

6.根据权利要求1所述的无级变速扑翼驱动机构，其特征在于：所述的曲柄轴穿过曲柄轴孔伸出机架两侧，左右对称的固接两个曲柄，曲柄端头连接球铰链，左右对称的两个摇臂根部通过机架摇臂轴孔中安装的摇臂轴与机架铰接。 

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