CN102285453A - 一种无级调幅扑翼驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无级调幅扑翼驱动机构，该机构由机架、电机、两级行星齿轮机构和连杆摇臂机构组成，第一级行星齿轮完成减速，第二级行星齿轮为偏心轮，通过其上的偏心立柱驱动连杆，带动摇臂上下扑动。两级行星齿轮机构的可动内齿圈可相对机架转动，通过改变内齿圈与偏心立柱的位置关系改变偏心立柱的运动轨迹，从而改变摇臂的扑动幅度。本发明结构紧凑，重量轻，扑动幅度调节范围大，调节过程连续，控制简单，响应迅速，能够针对扑翼飞行器不同飞行状态调节扑动速度和幅度，获得更高的气动效率和能源效率，提升扑翼飞行器多方面性能。

Description

一种无级调幅扑翼驱动机构

技术领域

本发明涉及一种扑翼驱动机构，该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”以及荷兰Delft大学的“Delfly”等，但这些扑翼飞行器由于气动效率和能源效率的欠缺，影响了航时、航程、载荷等飞行性能，距离实用无人机系统的飞行器平台尚有一定的距离。

扑翼飞行器无法提供同鸟类和昆虫相媲美的气动效率和能源效率的重要原因是不具备鸟类和昆虫对于翅扑动的良好调节能力。扑翼飞行器完全靠机翼的扑动产生升力和前飞的推力，机翼扑动还耦合相当部分的阻力，当扑动幅度较小时，升力和推力较小，阻力也较小，扑动幅度较大时，升力和推力增加，阻力也相应增加。鸟类在不同的飞行状态下往往采用不同的扑动幅度，在起飞、降落和大风天气等情况下，通过大幅度扑翅产生较大的气动力，而在平飞过程中只进行较小幅度的扑动以节省能量。鹰、隼等大型鸟类通过停止扑翅进行滑翔，在合适的气流条件下甚至能使滞空时间长达数小时。不同的扑动幅度构成了不同的飞行模式，使鸟类获得了飞行所需气动力的同时最大程度降低能量消耗。

目前扑翼飞行器使用的扑翼驱动机构大多是将电机等旋转动力装置的高速旋转减速转化为扑翼的上下扑动，主要通过齿轮等轮系传动，通过连杆摇臂、曲轴等形式实现旋转运动和上下扑动的转换，这样的机构形式决定了扑翼的扑动幅度一旦确定，就无法再进行改变，无法针对不同的飞行状态调整扑动幅度以提高气动效率。

为了实现扑翼扑动幅度的改变，常规的方法是利用分级调节的机构，幅度改变过程中有一个机构离合的过程，导致扑动不连续，无法在扑翼飞行器飞行过程中完成幅度改变。

发明内容

为了克服现有技术无法在扑翼飞行器飞行过程中完成幅度改变的不足，本发明提供一种无级调幅扑翼驱动机构，通过简单可靠的机构实现无级调节扑翼的扑动幅度，使安装本发明的微型扑翼飞行器在不付出重量和尺寸代价的情况下能够在飞行过程中切换多种不同扑动幅度的飞行模式。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括机架、电机、两级行星齿轮机构和连杆摇臂机构。

所述机架下部为一圆筒，后部端面上设置同心的电机安装孔，机架上部为薄片状支架，支架前端面与所述圆筒前端面平齐，用于安装连杆摇臂机构，支架上开有减轻孔。

所述电机固定于所述电机安装孔，其枢轴上固定两级行星齿轮机构的一级太阳轮。

所述两级行星齿轮机构由一级太阳轮、一级行星轮、行星架、二级行星轮和可动内齿圈组成。所述一级太阳轮与安装于行星架一级行星轮轴上的至少1个一级行星轮啮合，从载荷均匀和齿轮强度的角度考虑，1级行星轮的数量通常为2～3个。所述行星架一级行星轮轴的另一侧有不位于行星架圆心的二级行星轮轴，安装二级行星轮，其分度圆直径是所述可动内齿圈分度圆直径的一半，二级行星轮靠外的端面上有端盘，端盘向外伸出不位于端盘圆心的端盘立柱。

可动内齿圈与所述机架下部的圆筒共轴，机架圆筒筒壁在一侧从水平位置向下开有机架卡槽。所述一级行星齿轮、行星架和二级行星齿轮均位于可动内齿圈的内部，共同构成两级行星齿轮机构，其中一级行星轮和二级行星轮均与可动内齿圈啮合，可动内齿圈有安装于所述机架卡槽内的控制柄，控制柄由伺服电机控制在卡槽内旋转角度，带动可动内齿圈相对机架转动，能从水平位置向下旋转，至少能旋转90°。

所述连杆摇臂机构由连杆和左右对称的摇臂组成。连杆为倒“T”形，横边有滑槽，所述二级行星齿轮外侧端盘上的偏心立柱可在滑槽中滑动，所述连杆竖边安装于机架的限位套筒内，所述限位套筒由机架上部的薄片状支架配合其中部固定的开有上下方向凹槽的限位块构成，限位套筒限制连杆左右偏移的自由度，保证连杆上下运动的稳定性，还限制连杆前后移动的自由度，通过连杆与二级行星齿轮端盘的位置关系限制两级行星齿轮机构的前后位置。所述机架上部的薄片状支架上端左右对称的有摇臂轴孔，摇臂轴向前安装于摇臂轴孔中，一对摇臂在其中部与摇臂轴铰接，从铰接位置开始向靠近机架的一侧开有滑槽。连杆端头有立柱，可在摇臂的滑槽中滑动。所述摇臂外侧有盲孔，与扑翼翼梁插接。摇臂以其与摇臂轴铰接位置为界，内侧横截面小于外侧横截面，使两摇臂内侧轴线距离大于外侧轴线距离，这种外形的目的是在避免左右摇臂发生运动干涉的前提下减小左右摇臂占据的前后方向的尺寸，从而减小整个机构的尺寸。

所述可动内齿圈的控制柄位于水平位置时，所述二级行星轮端盘立柱位于远离所述行星架转轴的水平位置。

所述二级行星齿轮端盘立柱与二级行星齿轮齿顶圆有三种位置关系，立柱横截面与齿顶圆内切、内离或外离，实现不同的运动规律。

若端盘立柱横截面与齿顶圆内切，所述电机驱动整个机构运行时，当所述控制柄位于水平位置，所述二级行星轮端盘立柱在所述连杆滑槽内水平滑动，所述连杆不会上下运动；当所述控制柄带动可动内齿圈转动锐角角度，所述二级行星轮端盘立柱运动轨迹为与水平方向成锐角的直线，所述连杆上下运动，通过其上的立柱在摇臂滑槽中滑动带动所述摇臂上下扑动，控制柄转过角度越大，扑动幅度越大；当所述控制柄带动可动内齿圈转动直角，连杆上下运动幅度最大，行程为可动内齿圈分度圆直径，所述摇臂的扑动幅度也最大。

若端盘立柱横截面与齿顶圆外离或内离，当所述控制柄位于水平位置，所述二级行星轮端盘立柱运动轨迹为对称于水平方向的封闭曲线，所述连杆由电机驱动上下运动，通过其上的立柱在摇臂滑槽中滑动带动所述摇臂上下扑动；随着控制柄转过角度的增加，所述二级行星轮端盘立柱运动轨迹仍为对称的封闭曲线，封闭曲线对称线与水平方向的角度也变大，连杆上下运动的行程变大，摇臂扑动幅度增加；当所述控制柄转动直角，连杆上下运动幅度最大，为可动内齿圈圆心与二级行星齿轮端盘立柱横截面圆心距离的2倍。

本发明的有益效果是：

本发明通过两级行星齿轮机构和连杆摇臂机构结合，实现了将电机的旋转运动减速并转变为摇臂上下扑动。使用控制柄对可动内齿圈的位置进行调整，改变二级行星齿轮上偏心立柱的运动轨迹，调整连杆上下运动的形成，从而改变摇臂扑动幅度。

本发明结构紧凑、重量轻，连杆上下运动的最大行程大于或等于可动内齿圈分度圆直径，能够在整个机构尺寸较小的情况下，实现扑翼较大幅度的扑动，适合用于微型扑翼飞行器。

本发明调节扑翼扑动幅度只需控制柄调节可动内齿圈相对机架的角度，操作简便，能够连续完成，不存在调幅过程中扑动间歇的问题，能够在扑翼飞行器飞行过程中完成调节。扑动幅度可调范围大，能在从静止到最大扑动角度之间的任意位置连续扑动，且调节过程最多只需控制柄旋转90°，控制简单、响应迅速。

本发明摇臂静止的位置取决于控制柄调节到水平位置之前时刻摇臂的位置，若有必要，通过合适的控制，与摇臂插接的扑翼飞行器机翼能够锁定在从上扑极限位置到下扑极限位置的任意位置而不是局限于水平位置，因此能够选择扑翼的滑翔锁定位置，实现气动效率最高的滑翔飞行。

将本发明的电机调速器与控制柄伺服电机与扑翼飞行器飞行控制系统整合，同步调节电机转速和控制柄位置，能够针对不同飞行状态实现不同的扑动速度和扑动幅度，使扑翼飞行器具有更高的气动效率和能源效率，有效提高航程、航时和载荷能力。

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为本发明二级齿轮示意图；

图3为本发明两级行星齿轮机构示意图；

图4为一级行星齿轮组爆炸示意图；

图5为可动内齿圈不同位置端盘立柱轨迹示意图；A为二级行星齿轮端盘立柱与齿顶圆内切，控制柄水平位置时端盘立柱运动轨迹图；B为二级行星齿轮端盘立柱与齿顶圆内切，控制柄旋转锐角时端盘立柱运动轨迹；C为二级行星齿轮端盘立柱与齿顶圆内切，控制柄旋转直角时端盘立柱运动轨迹；

图中：

1-机架，2-电机，3-连杆，3A-连杆立柱，3B-连杆滑槽，4、4’-摇臂，4A-盲孔，5-可动内齿圈，6-二级行星齿轮，6A-二级行星齿轮端盘立柱，7-一级行星齿轮，8-太阳轮，9-行星架。

具体实施方式

本发明包括机架、电机、两级行星齿轮机构和连杆摇臂机构。

所述机架为整体结构，由硬质金属材料制成，下部为一圆筒，圆筒直径视两级行星齿轮机构的可动内齿圈尺寸而定，通常不小于电机外径。圆筒后部端面上设置同心的电机安装孔，机架上部为薄片状支架，支架前端面与所述圆筒前端面平齐，用于安装所述连杆摇臂机构，支架上开有减轻孔。支架上方和圆筒后部端面

所述电机为直流无刷电机，由聚合物锂电池供电驱动。电机用螺钉安装于所述机架后侧电机安装孔，其枢轴上固定两级行星齿轮机构的一级太阳轮。

所述两级行星齿轮机构由一级太阳轮、一级行星轮、行星架、二级行星轮和可动内齿圈组成，其中1级太阳轮为金属材料，其余零件均为工程塑料制成。所述一级太阳轮与安装于行星架一级行星轮轴上的至少1个一级行星轮啮合，从载荷均匀和齿轮强度的角度考虑，一级行星轮的数量通常为2～3个。所述行星架一级行星轮轴的另一侧有不位于行星架圆心的二级行星轮轴，安装二级行星轮，其分度圆直径是所述可动内齿圈分度圆直径的一半，二级行星轮靠外的端面上有端盘，端盘向外伸出不位于端盘圆心的端盘立柱。

可动内齿圈与所述机架下部的圆筒共轴，机架圆筒筒壁在一侧从水平位置向下开有机架卡槽。所述一级行星齿轮、行星架和二级行星齿轮均位于可动内齿圈的内部，共同构成两级行星齿轮机构，其中所述一级行星轮和二级行星轮均与可动内齿圈啮合，可动内齿圈有安装于机架卡槽内的控制柄，控制柄由伺服电机控制旋转角度，带动可动内齿圈相对机架转动，能从水平位置向下旋转，至少能旋转90°。

所述连杆摇臂机构由连杆和左右对称的摇臂组成。连杆为倒“T”形，横边有滑槽，所述二级行星齿轮外侧端盘上的偏心立柱可在滑槽中滑动，所述连杆竖边安装于机架的限位套筒内，所述限位套筒由机架上部的薄片状支架配合其中部固定的开有上下方向凹槽的限位块构成，限位套筒限制连杆左右偏移的自由度，保证连杆上下运动的稳定性，还限制连杆前后移动的自由度，通过连杆与二级行星齿轮端盘的位置关系限制两级行星齿轮机构的前后位置。所述机架上部的薄片状支架上端左右对称的有摇臂轴孔，摇臂轴向前安装于摇臂轴孔中，一对摇臂在其中部与摇臂轴铰接，从铰接位置开始向靠近机架的一侧开有滑槽。连杆端头有立柱，可在一对摇臂的滑槽中滑动。所述摇臂外侧有盲孔，与扑翼翼梁插接。摇臂以其与摇臂轴铰接位置为界，内侧横截面小于外侧横截面，使两摇臂内侧轴线距离大于外侧轴线距离，这种外形的目的是在避免左右摇臂发生运动干涉的前提下减小左右摇臂占据的前后方向的尺寸，从而减小整个机构的尺寸。

所述可动内齿圈的控制柄位于水平位置时，所述二级行星轮端盘立柱位于远离所述行星架转轴的水平位置。

所述二级行星齿轮端盘立柱与二级行星齿轮齿顶圆有三种位置关系，立柱横截面与齿顶圆内切、内离或外离，实现不同的运动规律。

若端盘立柱横截面与齿顶圆内切，所述电机驱动整个机构运行时，当所述控制柄位于水平位置，所述二级行星轮端盘立柱在所述连杆滑槽内水平滑动，所述连杆不会上下运动；当所述控制柄带动可动内齿圈转动锐角角度，所述二级行星轮端盘立柱运动轨迹为与水平方向成锐角的直线，所述连杆上下运动，通过其上的立柱在摇臂滑槽中滑动带动所述摇臂上下扑动，控制柄转过角度越大，扑动幅度越大；当所述控制柄带动可动内齿圈转动直角，连杆上下运动幅度最大，行程为可动内齿圈分度圆直径，所述摇臂的扑动幅度也最大。

若端盘立柱横截面与齿顶圆外离或内离，当所述控制柄位于水平位置，所述二级行星轮端盘立柱运动轨迹为对称于水平方向的封闭曲线，所述连杆由电机驱动上下运动，通过其上的立柱在摇臂滑槽中滑动带动所述摇臂上下扑动；随着控制柄转过角度的增加，所述二级行星轮端盘立柱运动轨迹仍为对称的封闭曲线，封闭曲线对称线与水平方向的角度也变大，连杆上下运动的行程变大，摇臂扑动幅度增加；当所述控制柄转动直角，连杆上下运动幅度最大，为可动内齿圈圆心与二级行星齿轮端盘立柱横截面圆心距离的2倍。

Claims (4)

1.一种无级调幅扑翼驱动机构，包括机架、电机、两级行星齿轮机构和连杆摇臂机构，其特征在于：

所述机架下部为一圆筒，后部端面上设置同心的电机安装孔，机架上部为薄片状支架，支架前端面与所述圆筒前端面平齐，用于安装连杆摇臂机构；

所述电机固定于电机安装孔，其枢轴上固定两级行星齿轮机构的一级太阳轮；

所述两级行星齿轮机构由一级太阳轮、一级行星轮、行星架、二级行星轮和可动内齿圈组成，一级太阳轮与安装于行星架一级行星轮轴上的至少1个一级行星轮啮合，行星架一级行星轮轴的另一侧有不位于行星架圆心的二级行星轮轴，安装二级行星轮，其分度圆直径是所述可动内齿圈分度圆直径的一半，二级行星轮靠外的端面上有端盘，端盘向外伸出不位于端盘圆心的端盘立柱；可动内齿圈与所述机架下部的圆筒共轴，机架圆筒筒壁在一侧从水平位置向下开有机架卡槽；一级行星齿轮、行星架和二级行星齿轮均位于可动内齿圈的内部，共同构成两级行星齿轮机构，其中一级行星轮和二级行星轮均与可动内齿圈啮合，可动内齿圈有安装于所述机架卡槽内的控制柄，控制柄由伺服电机控制在卡槽内旋转角度，带动可动内齿圈相对机架转动，从水平位置向下至少能旋转90°；

所述连杆摇臂机构由连杆和左右对称的摇臂组成，连杆为倒T形，横边有滑槽，二级行星齿轮外侧端盘上的偏心立柱可在滑槽中滑动，连杆竖边安装于机架的限位套筒内，限位套筒由机架上部的薄片状支架配合其中部固定的开有上下方向凹槽的限位块构成，通过连杆与二级行星齿轮端盘的位置关系限制两级行星齿轮机构的前后位置；所述机架上部的薄片状支架上端左右对称的有摇臂轴孔，摇臂轴向前安装于摇臂轴孔中，一对摇臂在其中部与摇臂轴铰接，从铰接位置开始向靠近机架的一侧开有滑槽；连杆端头有立柱，可在摇臂的滑槽中滑动；摇臂外侧有盲孔，与扑翼翼梁插接；摇臂以其与摇臂轴铰接位置为界，内侧横截面小于外侧横截面，使两摇臂内侧轴线距离大于外侧轴线距离；可动内齿圈的控制柄位于水平位置时，二级行星轮端盘立柱位于远离所述行星架转轴的水平位置。

2.根据利用权利要求1所述的无级调幅扑翼驱动机构，其特征在于：所述的支架上开有减轻孔。

3.根据利用权利要求1所述的无级调幅扑翼驱动机构，其特征在于：所述的一级行星轮的数量为2～3个。

4.根据利用权利要求1所述的无级调幅扑翼驱动机构，其特征在于：所述二级行星齿轮端盘立柱与二级行星齿轮齿顶圆有三种位置关系：立柱横截面与齿顶圆内切、内离或外离。

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