CN102338690B - 一种三自由度扑翼综合实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度扑翼综合实验平台，包括机架、驱动电机、传动机构、扑翼和控制系统。机架下方为盒式结构，安装驱动电机和控制系统，通过立柱支撑的横梁对称的安装两个万向轴承，使一对扑翼具有三个旋转自由度，传动机构将驱动电机的转动传递给扑翼使之实现三自由度复合扑动，并通过传感器对扑翼扑动的力和力矩特性进行测量。本发明能够精确的实现上下扑动、前后扫掠和扭转三个自由度的任意预设扑动规律，并对扑动过程中的力和力矩进行直接实时测量，适合用于复杂扑翼运动规律的风洞实验分析和验证。

Description

一种三自由度扑翼综合实验平台

技术领域

本发明涉及一种扑翼驱动机构，尤其是一种能实现复合扑动并进行测量的扑翼综合实验平台。

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。

为了获得具有理想性能的微型扑翼飞行器，需要分析和实现仿生高升力机制。研究表明，自然界的鸟类和昆虫在飞行中获得较高的气动效率主要是由于其扑翅运动过程中，除了平面上下扑动以外，还附加有绕展向的扭转运动和前后扫掠运动。这种复合运动形式，使鸟类和昆虫能够利用“拍飞(Clap-Fling)”、“延时失速(Delayed Stall)”、“旋转环流(Rotational Circulation)”和“尾流捕获(Wake Capture)”四种产生高升力的机理获得最高的气动效率。这四种高升力机理之中，“拍飞”和“延时失速”是扑动机翼固有的升力机理，而“旋转环流”和“尾流捕获”则是扑翼旋转产生的效果。

为了定量的揭示鸟类和飞行昆虫翅的复合运动过程中的高升力机制，设计具有更高气动效率的扑翼飞行器扑翼及其运动规律，必须利用风洞进行扑翼的气动力实验研究。

目前利用风洞进行扑翼实验研究的过程中主要存在以下问题：1、扑翼驱动机构设计难度大，难以实现比较复杂的复合扑动，或实现复杂复合运动的机构部件多，相互遮挡严重，迎风面积大，在风洞实验过程中干扰扑翼流场，影响模拟质量；2、扑翼驱动机构实现复杂复合扑动过程中由于机械误差和采用软连接传动等原因难以准确实现预设扑动规律；3、扑翼驱动机构结构复杂，难以按照测量要求布置相应传感器进行测量。

发明内容

为了克服现有技术机构复杂和准确度较低的不足，本发明提供一种扑翼综合实验平台，具有三个旋转自由度，能够精确的实现任意复合扑动，并能对扑动过程中的力和力矩进行直接、实时测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括机架、扑翼、传动机构、驱动电机和控制系统。

所述机架左右对称，下部为中空的盒式结构，上部前后固定两根轴线位于对称平面内的立柱，盒式结构上表面在两立柱之间有开口，两立柱等高，其高度使扑翼扑动时不与盒式结构发生运动干涉。两立柱顶端分别与横梁的一端固定。

以扑翼中立位置弦向为X轴，扑翼中立位置展向为Y轴，上下方向为Z轴建立坐标系，坐标原点位于机架对称平面内。由于本发明结构左右镜像对称，为避免冗余，若无特殊说明，以下描述的结构均为左右对称结构的一侧，与可动部件位置相关的描述均为其中立位置。

扑翼由骨架和薄膜蒙皮组成，骨架材料为树脂基碳纤维复合材料，其根部有前后两根相互平行的展向翼梁。扑翼主体为若干翼肋，与两根展向翼梁胶接构成骨架，其上粘贴薄膜蒙皮。两根展向翼梁与传动机构的扑翼连接件上的两盲孔插接。扑翼连接件与一号轴固接，一号轴穿过万向轴承上的一号轴孔与垂直于一号轴轴线的横杆固接，一号轴的轴线平行于Y轴，横杆轴线平行于X轴。这样的连接形式使得横杆绕一号轴的轴线转动时，扑翼连接件可以带动扑翼绕两根展向翼梁中线扭转；而当横杆上下运动时，扑翼连接件可以带动扑翼上下扑动。

所述万向轴承包括十字轴承和十字轴承架。十字轴承架由平行于Z轴的三号轴铰接于机架横梁上，并同三号连杆铰接。沿X轴方向的二号轴与十字轴承铰接。十字轴承上有Y轴方向的一号轴孔。

横杆两端连接球铰链，对应机架盒式结构内安装的一号驱动电机和二号驱动电机，两电机枢轴均平行于X轴，分别固接一号曲柄和二号曲柄，两曲柄轴线均平行于Y轴，曲柄端头固接球铰链。两端装有球铰链座的一号连杆和二号连杆穿过盒式结构开口分别连接对应的横杆端头和曲柄端头的球铰链，一号连杆和二号连杆的轴线均平行于Z轴。这样的连接形式使得驱动电机的旋转通过曲柄转化为连杆的上下运动，从而通过球铰链带动上述横杆实现运动：当两个驱动电机同步联动时，产生的效果是使横杆绕万向轴承的二号轴上下往复运动；当两个驱动电机按一定规律差动时，产生的效果是使横杆绕一号轴进行往复旋转运动；显然，通过改变对两个驱动电机的控制规律，也可以实现上述两种运动形式的叠加。

机架横梁与盒式结构上表面之间铰接轴线平行于Z轴的转轴，位于所述三号轴正后方，转轴靠近横梁的一端固接三号曲柄，三号曲柄的端头通过三号连杆与万向轴承铰接，使万向轴承与三号曲柄在水平面内能够同步转动，三号曲柄轴线平行于Y轴，三号连杆轴线平行于X轴。转轴靠近盒式结构的一端固连四号曲柄，四号曲柄轴线平行于三号曲柄，端头与四号连杆铰接。四号连杆另一端与五号曲柄端头铰接，五号曲柄与三号驱动电机的枢轴固连，轴线平行于Y轴。三号驱动电机安装于盒式结构内，位于盒式结构后部，枢轴平行于Z轴伸出盒式结构上方。这种连接形式使得三号驱动电机的转动曲柄—转轴—连杆机构的传递驱动万向轴承绕三号轴转动。

控制系统包括每个驱动电机上安装的角度传感器和控制每个驱动电机的通讯接口，角度传感器的信息传入主控计算机，由控制软件处理后按预设的扑动规律给出对每个驱动电机的控制指令，指令通过通讯接口发送给驱动电机。

还可以在扑翼连接件上加装六分量力/力矩传感器进行扑动力和力矩的测量。

本发明的有益效果是：

本发明的每个驱动电机由控制系统进行协调且独立的反馈控制。当所述控制系统使一号驱动电机和二号驱动电机联动，可实现扑翼上下扑动；使一号驱动电机和二号驱动电机按一定规律差动，可实现扑翼绕展向扭转；使三号驱动电机转动，可实现扑翼前后扫掠；使同侧三个驱动电机按一定规律协调往复运动，即可实现单个扑翼扑动、扭转和扫掠三自由度复合运动；使两侧六个驱动电机协调运动，可实现两扑翼对称扑动或不对称扑动。

本发明所需主体设备全部安装于盒式结构内，利用立柱支撑横梁将扑翼与盒式结构分隔，扑翼附近构件迎风面积小，结构简单，有效的避免了风洞吹风过程中其他结构对扑翼扑动流场的干扰，流场品质好。

本发明采用万向轴承使扑翼具有三个旋转自由度，运动阻力和装配误差都较小。传动部件全部采用曲柄、连杆等硬连接，能够将传动电机的运动实时、精准的传递给扑翼。此外，全部伺服电机由控制系统进行统一的反馈控制，能够准确的控制伺服电机的力矩、速度和位移，从而精确的实现预设的复合运动规律。

本发明在扑翼连接件上加装六分量力/力矩传感器。由于扑翼连接件直接与扑翼插接，所以传感器直接、实时的测量作用于扑翼的力和力矩，有效避免中间传动环节的惯性力和力矩对测量的干扰以及机构装配间隙等延迟环节对数据同时性的影响。据此不仅可以对扑翼扑动过程中气动力和力矩等传统参数的瞬时特性和周期特性进行测量和分析，还能获得扑动过程中压心和焦点的位置等参数，为进一步分析提供依据。

综上所述，本发明能够精确实现最多三个旋转自由度的任意对称或非对称的复合扑翼运动规律，并对扑动过程中的气动力和力矩进行实时测量。能够模拟鸟类和昆虫扑翅运动规律，探究其高升力机制，并对设计的扑翼飞行器扑翼运动进行实验，验证其气动参数。

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为本发明左侧结构示意图(右侧与之镜像对称，未画出)；

图2为本发明传动机构示意图；

图3为本发明万向轴承爆炸示意图图；

图中：1-机架，1A-盒式结构，1B 1B’-立柱，1C-横梁，2-扑翼，3-扑翼连接件，4-万向轴承，4A-十字轴承，4B-十字轴承架，10-转轴，11-一号轴，12-二号轴，13-三号轴，14-横杆，71-一号连杆，72-二号连杆，73-三号连杆，74-四号连杆，81-一号驱动电机，82-二号驱动电机，83-三号驱动电机，91-一号曲柄，92-二号曲柄，93-三号曲柄，94-四号曲柄，95-五号曲柄。

具体实施方式

本发明的三自由度扑翼综合实验平台，包含机架、扑翼、传动机构、驱动电机和控制系统。

所述机架1左右对称，下部为盒式结构1A，上部前后固定两根立柱1B、1B’，立柱轴线位于对称平面内，盒式结构1A上表面在两立柱1B 1B’之间有开口，两立柱等高，其高度使扑翼2扑动时不与盒式结构发生运动干涉。两立柱1B 1B’顶端分别与横梁1C的一端固定。

为表述方便，以扑翼2中立位置弦向为X轴，扑翼中立位置展向为Y轴，上下方向为Z轴建立坐标系，坐标原点位于机架1对称平面内。由于本发明结构左右镜像对称，为避免冗余，若无特殊说明，以下描述的结构均为左右对称结构的一侧，与可动部件位置相关的描述均为其中立位置。

扑翼2由树脂基碳纤维复合材料骨架和聚醚薄膜蒙皮组成，其根部有前后两根相互平行的展向翼梁，扑翼主体为若干翼肋，与翼梁胶接构成骨架，其上粘贴薄膜蒙皮。两翼梁与传动机构的扑翼连接件3上的两盲孔插接。扑翼连接件与一号轴11固接，一号轴穿过万向轴承4上的一号轴孔与垂直于一号轴11轴线的横杆14固接，一号轴11的轴线平行于Y轴，横杆14轴线平行于X轴。

横杆14两端连接球铰链，对应机架盒式结构1A内安装的一号驱动电机81和二号驱动电机82，两电机枢轴均平行于X轴，分别固接一号曲柄91和二号曲柄92，两曲柄轴线均平行于Y轴，曲柄端头固接球铰链。两端装有球铰链座的一号连杆71和二号连杆72穿过盒式结构开口分别连接对应的横杆端头和曲柄端头的球铰链，一号连杆71和二号连杆72的轴线均平行于Z轴。

所述万向轴承4由十字轴承4A和十字轴承架4B组成。十字轴承架4B为“L”形，由平行于Z轴的三号轴13铰接于机架横梁上，折角处开有一“U”形槽，用于同三号连杆73铰接。折角下方为一固定叉，由沿X轴方向的二号轴12与十字轴承4A铰接。十字轴承4A上有Y轴方向的一号轴孔。

机架横梁1C与盒式结构1A上表面之间铰接轴线平行于Z轴的转轴10，位于所述万向轴承三号轴13正后方，转轴靠近横梁的一端固接三号曲柄93，三号曲柄的端头通过三号连杆73与万向轴承4铰接，使万向轴承4与三号曲柄93在水平面内能够同步转动，三号曲柄93轴线平行于Y轴，三号连杆73轴线平行于X轴。转轴10靠近盒式结构的一端固连四号曲柄94，四号曲柄94轴线平行于三号曲柄93，端头与四号连杆74铰接。四号连杆74另一端与五号曲柄95端头铰接，五号曲柄95与三号驱动电机83的枢轴固连，轴线平行于Y轴。三号驱动电机83安装于盒式结构后部，枢轴平行于Z轴伸出盒式结构1A上方。

控制系统包括每个驱动电机上安装的角度传感器和控制每个驱动电机的通讯接口，角度传感器的信息传入主控计算机，由控制软件处理后按预设的扑动规律给出对每个驱动电机的控制指令，指令通过通讯接口发送给驱动电机。

本发明的每个驱动电机由控制系统的计算机程序和角度传感器进行协调且独立的反馈控制。当所述控制系统使一号驱动电机和二号驱动电机联动，可实现扑翼上下扑动；使一号驱动电机和二号驱动电机按一定规律差动，可实现扑翼绕展向扭转；使三号驱动电机转动，可实现扑翼前后扫掠；使同侧三个驱动电机按一定规律协调往复运动，即可实现单个扑翼扑动、扭转和扫掠三自由度复合运动；使两侧六个驱动电机协调运动，可实现两扑翼对称扑动或不对称扑动。还可以在扑翼连接件上加装六分量力/力矩传感器进行扑动力和力矩的测量。

Claims (2)

1.一种三自由度扑翼综合实验平台，包括机架、扑翼、传动机构、驱动电机和控制系统，其特征在于：所述机架左右对称，下部为中空的盒式结构，上部前后固定两根轴线位于对称平面内的立柱，盒式结构上表面在两立柱之间有开口，两立柱等高，其高度使扑翼扑动时不与盒式结构发生运动干涉；两立柱顶端分别与横梁的一端固定；以扑翼中立位置弦向为X轴，扑翼中立位置展向为Y轴，上下方向为Z轴建立坐标系，坐标原点位于机架对称平面内；扑翼由骨架和薄膜蒙皮组成，骨架材料为树脂基碳纤维复合材料，其根部有前后两根相互平行的展向翼梁，扑翼主体为若干翼肋，与两根展向翼梁胶接构成骨架，其上粘贴薄膜蒙皮，两根展向翼梁与传动机构的扑翼连接件上的两盲孔插接，扑翼连接件与一号轴固接，一号轴穿过万向轴承上的一号轴孔与垂直于一号轴轴线的横杆固接，一号轴的轴线平行于Y轴，横杆轴线平行于X轴；当横杆绕一号轴的轴线转动时，扑翼连接件带动扑翼绕两根展向翼梁中线扭转，当横杆上下运动时，扑翼连接件带动扑翼上下扑动；所述万向轴承包括十字轴承和十字轴承架，十字轴承架由平行于Z轴的三号轴铰接于机架横梁上，并同三号连杆铰接，沿X轴方向的二号轴与十字轴承铰接，十字轴承上有Y轴方向的一号轴孔；横杆两端连接球铰链，对应机架盒式结构内安装的一号驱动电机和二号驱动电机，两电机枢轴均平行于X轴，分别固接一号曲柄和二号曲柄，两曲柄轴线均平行于Y轴，曲柄端头固接球铰链；两端装有球铰链座的一号连杆和二号连杆穿过盒式结构开口分别连接对应的横杆端头和曲柄端头的球铰链，一号连杆和二号连杆的轴线均平行于Z轴；机架横梁与盒式结构上表面之间铰接轴线平行于Z轴的转轴，位于所述三号轴正后方，转轴靠近横梁的一端固接三号曲柄，三号曲柄的端头通过三号连杆与万向轴承铰接，使万向轴承与三号曲柄在水平面内能够同步转动，三号曲柄轴线平行于Y轴，三号连杆轴线平行于X轴；转轴靠近盒式结构的一端固连四号曲柄，四号曲柄轴线平行于三号曲柄，端头与四号连杆铰接；四号连杆另一端与五号曲柄端头铰接，五号曲柄与三号驱动电机的枢轴固连，轴线平行于Y轴；三号驱动电机安装于盒式结构内，枢轴平行于Z轴伸出盒式结构上方；控制系统包括每个驱动电机上安装的角度传感器和控制每个驱动电机的通讯接口，角度传感器的信息传入主控计算机，由控制软件处理后按预设的扑动规律给出对每个驱动电机的控制指令，指令通过通讯接口发送给驱动电机。

2.根据权利要求1所述的三自由度扑翼综合实验平台，其特征在于：所述的扑翼连接件上加装六分量力/力矩传感器进行扑动力和力矩的测量。

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