CN102424109A

CN102424109A - 一种角度差方式工作的双摆杆扑翼机构

Info

Publication number: CN102424109A
Application number: CN2011104311862A
Authority: CN
Inventors: 魏榛
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2031-12-21
Also published as: CN102424109B

Abstract

本发明涉及扑翼仿生飞行器，具体涉及一种角度差方式工作的双摆杆扑翼机构。它包括一组或一组以上的翼面运动机构和用于安装翼面运动机构的主体框架。每组翼面运动机构由一个主转轴杆、一个辅转轴杆、一个L型翼杆和一个滑槽杆构成。每组翼面运动机构主转轴杆直接与L型翼杆相连，辅转轴杆直接与滑槽杆相连，而L型翼杆与滑槽杆通过滑槽相连，翼面则直接与L型翼杆外伸的一端相连。主体框架由上、下两部分安装板和用于固定安装板位置的支撑板构成。该翼面运动机构依靠转轴杆的角度差能够同时调节扑翼仿生飞行器翼面的挥拍运动和攻角运动，结构简洁合理，利于实现和微型化。可以广泛的应用于各类扑翼仿生微飞行器开发和实验室扑翼飞行研究平台。

Description

一种角度差方式工作的双摆杆扑翼机构

技术领域

本发明属于仿生飞行器，具体涉及一种角度差方式工作的双摆杆扑翼机构。

背景技术

扑翼仿生飞行器依靠模拟昆虫的扑翼运动方式来获得升力。相比于固定翼和旋翼方式，扑翼方式能够获得更佳的升力、机动性和飞行效率。因此在军事和民用领域中，扑翼仿生飞行器都得到了极大的关注，且有不少技术方案被报道。

昆虫飞行的扑翼运动主要由两个基本运动构成：挥拍运动和攻角运动。挥拍运动实现昆虫翼面的大角度拍打；攻角运动即翼面同时发生的翻转运动。单一的挥拍运动或攻角运动都无法使扑翼飞行获得最优的气动性能；只有当挥拍运动和攻角运动恰当配合后，扑翼运动才可能获得最佳的效果。能够模拟扑翼运动的机械机构有很多的实现方式，但这些方式大多都无法同时控制挥拍运动和攻角运动，或者机构过于复杂不易于实现，因此也就无法充分的发挥扑翼方式的高性能。CN101049858中公开了一种微型扑翼飞机机翼的驱动机构，该装置使用涡轮蜗杆减速机构，并用两套曲柄、连杆和摇臂共同构成了对称于涡轮蜗杆的空间四连杆机构。该装置虽容易微型化，但却只能控制扑翼运动中的挥拍运动，所以仍难以获得扑翼飞行的最佳气动性能。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有扑翼机构的不足，提供一种能够同时控制挥拍运动和攻角运动，且容易实现的扑翼机构。

本发明的目的通过以下方式实现。

本发明的角度差方式工作的双摆杆扑翼机构，包括一组或一组以上的翼面运动机构和用于安装翼面运动机构的主体框架，其特征在于，所述的每组翼面运动机构由一个主转轴杆、一个辅转轴杆、一个L型翼杆和一个滑槽杆构成，主、辅两个转轴杆上一端均有垂直于其轴线的开孔，其对向安装于主体框架的两个转轴杆安装孔内且布置为开孔靠近的方向，两个转轴杆轴线重合，在安装孔内只能发生绕轴线的转动， L型翼杆其一端插入主转轴杆上的垂直开孔内且在开孔内只能发生绕开孔轴线的转动，插入开孔之后外伸部分的L型翼杆上开有垂直于其轴线的翼面安装孔，L型翼杆的另一端为光滑杆，光滑段置于靠近主体框架的支撑板一侧，滑槽杆一端插入辅转轴杆上的开孔内且在开孔内只能发生绕开孔轴线的转动，滑槽杆的另一端开有平直的滑槽且滑槽宽度等于L型翼杆的光滑段直径，L型翼杆的光滑段插入滑槽杆的滑槽中并在扑翼机构运动过程中保持滑槽对L型翼杆光滑段的约束；所述的主体框架由上、下两部分安装板和用于固定安装板位置的支撑板构成，在安装板上开有转轴杆安装孔，且上下安装板上的转轴杆安装孔布置为共轴心线。

所述的翼面运动机构可以有一组或一组以上，多组翼面运动机构的布置可以沿圆周排列，也可以在一个平面内排列。每组翼面运动机构中的主、辅两个转轴杆可以采用各自独立驱动的方式，也可以采用统一驱动的方式。

所述每组翼面运动机构主转轴杆直接与L型翼杆相连，辅转轴杆直接与滑槽杆相连，而 L型翼杆与滑槽杆通过滑槽相连，翼面则直接与L型翼杆外伸的一端相连。

所述每一个转轴杆的运动方式都为小于等于180°幅度的往复摆动，摆动频率为0-100赫兹：每组翼面运动机构的两个转轴杆其摆动的初始角度和“角速度-时间”曲线不同，但摆动频率相同，任意时刻同一组内的两个转轴杆的摆动角度之差不大于保持滑槽杆对L型翼杆光滑段约束时所允许的最大角度差；不同组翼面运动机构之间的转轴杆摆动初始角度和“角速度-时间”曲线可相同也可不同。

本发明的角度差方式工作的双摆杆扑翼机构包括一组或一组以上的翼面运动机构，每组翼面运动机构由主、辅两个转轴杆、一个L型翼杆和一个滑槽杆构成，翼面运动机构能够同时控制扑翼仿生飞行器翼面的挥拍运动和攻角运动。在同一组翼面运动机构内， L型翼杆绕着主转轴杆轴线的摆动即为该组翼面获得的挥拍运动；滑槽杆绕着辅转轴杆轴线的摆动与L型翼杆的摆动具有角度差，此角度差将使仿生翼面绕主转轴杆上开孔的轴线发生转动即为攻角运动。设L型翼杆光滑段的轴线到其相连的主转轴杆轴线的垂直距离为d,同一组翼面运动机构内两个转轴杆上开孔的轴线间垂直距离为w, 当前时刻滑槽杆与L型翼杆的摆动角度差为φ，那么当前时刻该翼面运动机构所获得的攻角α可以由如下公式计算得到：

Figure 2011104311862100002DEST_PATH_IMAGE001

本发明的角度差方式工作的双摆杆扑翼机构，通过控制双摆杆机构在摆动过程中的角度差来实现同时模拟扑翼飞行中的挥拍运动和攻角运动。与现有扑翼机构相比，有如下优点：

(1) 能够同时模拟挥拍运动和攻角运动，发挥扑翼飞行的高性能。

(2) 零部件简洁，机械结构合理而可靠，利于实现和微型化。

(3) 控制灵活，有利于实现不同条件下（如巡航，悬停和机动）的最佳扑翼飞行状态。

本发明的角度差方式工作的双摆杆扑翼机构，由于其可以同时模拟挥拍运动和攻角运动，且结构简单、控制灵活，因此可以广泛的应用于各类扑翼仿生微飞行器开发和实验室扑翼飞行研究平台。

附图说明

图1 是本发明所述的使用一组翼面运动机构的实施例示意图。

图2 是本发明所述的使用两组翼面运动机构镜像对称安装的实施例示意图。

图3 是本发明所述的使用两组或以上翼面运动机构在平面分布的实施例示意图。

图4 是本发明所述的使用两组或以上翼面运动机构沿圆周排列的实施例示意图。

图5是本发明所述的翼面运动机构的角度关系示意图。

具体实施方式

下面通过附图与实施例进一步说明。

参见图1，由轻质材料构成的主转轴杆1和辅转轴杆2一端均有一个垂直于轴线的开孔，其另外一端为细圆截面杆。由轻质材料构成的上安装板5和下安装板6各自开有一个安装孔。两个安装板5，6粘贴（螺栓或铆接等常见的基本固定方法均可）在轻质材料构成的支撑板7上，且固定时保证两个安装板5，6上的安装孔共轴心线。将主转轴杆1的圆截面一侧插入到上安装板5的安装孔内，再使用卡圈(卡簧或销等常见的轴向固定方法均可)固定转轴使得主转轴杆1只能绕安装孔轴线在孔内发生转动；将辅转轴杆2的圆截面一侧插入到下安装板6的安装孔内，再使用卡圈(卡簧或销等常见的轴向固定方法均可)固定转轴使得辅转轴杆2只能绕安装孔轴线在孔内发生转动。两个转轴杆1，2成相对方向插入安装孔内以保证其上的垂直于轴线的开孔为相靠近方式布置。L型翼杆3为弯曲成90°的轻质材料直角杆，其一端上开有垂直于其轴线的一个或多个翼面安装孔用于连接所需翼面，另一端为光滑段。从带有翼面安装孔一侧将L型翼杆3穿入主转轴杆1上的垂直开孔内，调整光滑段到主转轴杆1轴线的间距至合适后，使用卡圈(卡簧或销等常见的轴向固定方法均可)固定L型翼杆3，使其只能在垂直开孔内发生转动。滑槽杆4是由轻质材料构成的组件。滑槽杆4的一端开有平直的滑槽且滑槽宽度等于L型翼杆3的光滑段直径；另一端为圆截面杆。将滑槽杆4的圆截面杆部分插入到辅转轴杆2的垂直开孔内，使用卡圈(卡簧或销等常见的轴向固定方法均可)固定滑槽杆4，使其只能在垂直开孔内发生转动。同时旋动主转轴杆1，辅转轴杆2，L型翼杆3和滑槽杆4，即可将L型翼杆3的光滑段卡入滑槽杆4的滑槽内。此时主转轴杆1的角度即扑翼运动的挥拍角度；受L型翼杆3和滑槽杆4的约束关系影响，主转轴杆1和辅转轴杆2的角度差即能反映为扑翼运动的攻角。

图2 是本发明所述的使用两组翼面运动机构镜像对称安装的实施例示意图。1，2，3，4和1^*,2^*,3^*,4^*分别为左右两组翼面运动机构的主转轴杆、辅转轴杆、L型翼杆和滑槽杆。每组翼面运动机构构件之间的连接方式与图1中的单个翼面运动机构的扑翼机构时完全类似。由轻质材料构成的上安装板8和下安装板9均是左右两组翼面运动机构公用的安装板。将两个安装板8，9分别粘贴（螺栓或铆接等常见的基本固定方法均可）轻质材料构成的支撑板10两端，且三个构件布置成左右镜像对称的“工”字型。两个安装板8，9上各自都开有两个翼面安装孔，且上、下两个安装板上左侧的两个安装孔共轴心线，右侧的两个安装孔也共轴心线。

图3是本发明所述的使用两组或以上翼面运动机构在平面分布的实施例示意图。其中每组翼面运动机构构件之间的连接方式与图1中的单个翼面运动机构的扑翼机构时完全类似。所有各组翼面运动机构通过上下安装板固定在共用的平面支撑板11上。每组翼面运动机构在支撑板上的排列可以是等距离间隔的平均排列，不等距离间隔的分布或者多排交错排列的。

图4是本发明所述的使用两组或以上翼面运动机构沿圆周排列的实施例示意图。其中每组翼面运动机构构件之间的连接方式与图1中的单个翼面运动机构的扑翼机构时完全类似。所有各组翼面运动机构通过上下安装板固定在共用的曲面支撑板12上。每组翼面运动机构在支撑板上的排列可以是等角度间隔的平均排列，不等角度间隔的分布或者多排交错排列的。

图5是本发明所述的翼面运动机构的角度关系示意图。13为L型翼杆光滑段的轴线到其相连的主转轴杆轴线的垂直距离，记为d。15为同一组翼面运动机构内两个转轴杆上开孔的轴线间垂直距离，记为w。14为当前时刻滑槽杆与L型翼杆的摆动角度差，记为φ。

Claims

1.一种角度差方式工作的双摆杆扑翼机构，包括一组或一组以上的翼面运动机构和用于安装翼面运动机构的主体框架，其特征在于，所述的每组翼面运动机构由一个主转轴杆、一个辅转轴杆、一个L型翼杆和一个滑槽杆构成，主、辅两个转轴杆上一端均有垂直于其轴线的开孔，其对向安装于主体框架的两个转轴杆安装孔内且布置为开孔靠近的方向，两个转轴杆轴线重合，在安装孔内只能发生绕轴线的转动， L型翼杆其一端插入主转轴杆上的垂直开孔内且在开孔内只能发生绕开孔轴线的转动，插入开孔之后外伸部分的L型翼杆上开有垂直于其轴线的翼面安装孔，L型翼杆的另一端为光滑杆，光滑段置于靠近主体框架的支撑板一侧，滑槽杆一端插入辅转轴杆上的开孔内且在开孔内只能发生绕开孔轴线的转动，滑槽杆的另一端开有平直的滑槽且滑槽宽度等于L型翼杆的光滑段直径，L型翼杆的光滑段插入滑槽杆的滑槽中并在扑翼机构运动过程中保持滑槽对L型翼杆光滑段的约束；所述的主体框架由上、下两部分安装板和用于固定安装板位置的支撑板构成，在安装板上开有转轴杆安装孔，且上下安装板上的转轴杆安装孔布置为共轴心线。

2.如权利要求1所述的一种角度差方式工作的双摆杆扑翼机构，其特征在于翼面运动机构可以有一组或一组以上，多组翼面运动机构的布置可以沿圆周排列，也可以在一个平面内排列；每组翼面运动机构中的主、辅两个转轴杆可以采用各自独立驱动的方式，也可以采用统一驱动的方式。

3.如权利要求1所述的一种角度差方式工作的双摆杆扑翼机构，其特征在于每组翼面运动机构主转轴杆直接与L型翼杆相连，辅转轴杆直接与滑槽杆相连，而 L型翼杆与滑槽杆通过滑槽相连，翼面则直接与L型翼杆外伸的一端相连。

4.如权利要求1所述的一种角度差方式工作的双摆杆扑翼机构，其特征在于每一个转轴杆的运动方式都为小于等于180°幅度的往复摆动，摆动频率为0-100赫兹：每组翼面运动机构的两个转轴杆其摆动的初始角度和“角速度-时间”曲线不同，但摆动频率相同，任意时刻同一组内的两个转轴杆的摆动角度之差不大于保持滑槽杆对L型翼杆光滑段约束时所允许的最大角度差；不同组翼面运动机构之间的转轴杆摆动初始角度和“角速度-时间”曲线可相同也可不同。