CN102616375B - 锥齿轮四翼式扑翼微型飞行器 - Google Patents

Abstract

一种锥齿轮四翼式扑翼微型飞行器，包括：两对扑动机构、机架和电机驱动组件。扑动机构包含一个主动锥齿轮和两个从动锥齿轮以及四连杆机构，主动锥齿轮固定于机架底部中央，两个从动锥齿轮位于机架前后两侧分别与主动锥齿轮啮合并带动四连杆机构运动，四连杆机构将锥齿轮旋转运动转变成翅杆拍打运动。通过调节从动锥齿轮上两个摇杆的相对位置可以使前后两对翅膀实现同步或异步等多相位差的拍打，能够在飞行过程中高效地调节飞行器的动态平衡，并且为飞行器提供足够大的升力和推进力。整个机构采用常见材料制成，具有结构简单、易加工和易实现微型化。

Description

锥齿轮四翼式扑翼微型飞行器

技术领域

本发明涉及的是一种微型飞行器技术领域的装置，具体是一种锥齿轮四翼式微型扑翼微型飞行器。

背景技术

微型飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的微型飞行器，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、飞行灵活和效率高等特点。现在和未来的微型飞行器设计期望方向要求机器人是小巧的、手提的、可随身携带的，像昆虫、鸟类一样可以超低空飞行，完成侦查和探索任务。

目前，微型扑翼飞行器基本上还处于初级研究阶段，尽管取得了相当的技术成果，积累了一定的研制经验。但是微型扑翼飞行器异与传统飞机，要实现仿生微型飞行器的自主飞行，必须使飞行器的扑翼产生足够的升力来克服其自身的重力及飞行中所产生的惯性力。

经过对现有技术的检索发现，荷兰delft大学以微电机作为动力源，通过两个空间四连杆机构传递运动，研制出了“delfly”系列扑翼飞行器。但是这类仿生扑翼飞行器基本上都是双(两)翼式的，而且仅依靠一组直齿轮减速箱来提供扑动运动所需的动力，效率比较低，不能产生足够的升力和推进力让飞行器飞行。此外，双翼式微飞行器翅膀难以像鸟类或昆虫一样随时高效的控制各个翅翼的扑动速度和扑动幅度，也不能精确的控制飞行轨迹。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种锥齿轮四翼式扑翼微型飞行器。该飞行器通过一个电机驱动两组锥齿轮各带动一个曲柄四连杆使两对翅膀产生稳定的扑动。具有结构简洁、输出功率大和可靠性高等特点。通过调节从动锥齿轮上两个摇杆的相对位置可以使前后两对翅膀实现同步或异步等多相位差的拍打，能够在飞行过程中高效地调节飞行器的动态平衡，并且为飞行器提供足够大的升力和推进力。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：

用于进行拍打运动的两对扑动机构；

用于支撑扑动机构和电机驱动组件的机架；以及

驱动两对扑动机构进行拍打运动的电机驱动组件；

所述的两对扑动机构结构完全相同，每对扑动机构包括：锥齿轮组件、两个翅膀、四连杆机构、一副翅杆、两件轻质弹簧和两个旋转轴承(swivel bearing)。其中锥齿轮组件通过齿轮轴和滚动轴承与机架连接；四连杆机构把锥齿轮旋转运动传递到翅杆上，并转变成上下拍打运动；两个旋转轴承固定于机架上，翅杆分别穿过旋转轴承；在旋转轴承和翅膀连接件之间，各由一个轻质弹簧固定在翅杆上。

所述四连杆机构包括：曲柄摇杆、一级连杆、二级连杆和轴承。其中：曲柄摇杆与从动锥齿轮连接；一级连杆通过两个滚动轴承分别和曲柄摇杆与二级连杆连接；二级连杆直接和翅杆副相连接。翅杆副使两个翅杆同轴嵌套在二级连杆上，并且各自穿过固定在机架上的旋转轴承。所述的四连杆机构在不发生运动干涉的前提下，尽量使相互之间的间隙为最小。

所述的锥齿轮组件包括：一个主动锥齿轮、两个从动锥齿轮、三个齿轮轴和三个滚动轴承。主动锥齿轮通过齿轮轴和一个滚动轴承固定与机架底部，两边各有一个从动锥齿轮通过齿轮轴和滚动轴承固定在机架上并与主动锥齿轮啮合，当电机驱动主动锥齿轮转动时，主动锥齿轮将电机高速旋转运动传递给从动锥齿轮，从而带动从动锥齿轮转动。中间通过四连杆机构把运动输出到翅杆，使翅膀扑动。

所述的机架结构是一个方形框架式一体化结构，用于支撑扑动机构和电机驱动组件。

所述的翅膀包括：翅膀连接件、主脉、次脉和翅膀膜。其中翅膀整体外形仿造蝙蝠翅膀形状，翅膀连接件与翅杆相连；主脉和次脉附在翅膜上下表面。

所述的电机驱动组件包括：一个电机和电机轴。其中电机垂直悬置并固定与机架上，通过电机轴驱动主动锥齿轮转动。

本发明的工作原理是采用微电机作为驱动，利用两组锥齿轮各带动两侧的曲柄四连杆机构实现两侧翅膀的扑动。为了使机构精简和增大输出力，电机置于机架中间，只通过电机轴带动主动锥齿轮转动，进而增加了输出扭矩。前后两对翅膀只是通过一个连杆共同带动实现扑动的，与常见双连杆带动的扑动是不同的。本发明最不同之处是加了一个不常见构架-旋转轴承，翅杆通过旋转轴承不仅能够实现转动，还可以实现一定程度上的滑移运动，然后通过翅杆上的轻质弹簧可以调节翅杆的滑动位移达到重新定位作用，从而不会使的整个构件处于完全定义中。

本发明飞行时翅膀需要设定一个初始的攻角，在连接翅膀和翅杆时可以人为的设置一定的攻角。而且翅膀在上下扑动过程中，由于柔性变形，翅膀可以产生被动旋转，使得攻角在不断的变化。这不但能够产生足够向上的升力，还能够产生向前的推力，支撑飞行器飞行。

本发明结构紧凑，尺寸合理，适合应用于微型扑翼飞行器上。机架是框架式一体化结构，适合用数控加工，具有加工简单且定位精度高，有利于实现整体微型化；锥齿轮组、滚动轴承和旋转轴承是采用标准构件，这样整个结构互换性高，易装配和维修，也便于大批量生产，降低了成本。

附图说明

图1为实施例整体轴侧图；

图2为实施例整体俯视图；

图3为实施例整体左视图；

图4为实施例扑动机构轴测图；

图5为实施例机架轴测图；

图6为实施例翅膀主视图；

图7为实施例旋转轴承主视图。

具体实施方式

以下对本发明的实施例做详细说明，本实施例在以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。

如图1所示，本实施例包括：扑动机构1和2、电机驱动组件3与机架4。

其中：机架是支撑结构，扑动机构是传递运动和转变运动形式的桥梁，电机驱动组件是驱动源。

如图2-4所示，所述的扑动机构1和2中：四个翅膀5、6、7、8，一个主动锥齿轮9、两个从动锥齿轮组件10、11，两个一级连杆12、13和两个曲柄摇杆14、15，两个二级连杆16、17，四个滚动轴承B1、B2、B3、B4，两副翅杆G1、G2，四个轻质弹簧18、19、20、21，三个齿轮轴22、23、24，四个旋转轴承S1、S2、S3、S4。其中：主动锥齿轮轴通过滚动轴承固定在齿轮轴24上，曲柄摇杆14、15与从动锥齿轮相连接，两个一级连杆11、12与曲柄摇杆14、15相连接，四个滚动轴承B1、B2、B3、B4分别嵌套在一级连杆11、12中，二级连杆16、17与翅杆副G1、G2相连接，四个旋转轴承S1、S2、S3、S4固定在机架上，两副翅杆G1、G2穿过旋转轴承，轻质弹簧18、19、20、21嵌套在翅杆上并位于旋转轴承和翅杆连接件之间。

所述的电机驱动组件3包括：电机3和电机轴B7。其中：电机3以垂直悬置并固定与机架上，通过电机轴与主动锥齿轮9相连接。

所述的两个从动锥齿轮组件包括：两个从动锥齿轮10、11，两个齿轮轴22、23，两个滚动轴承B5、B6，。其中：齿轮轴22、23固定与机架上，通过滚动轴承B5、B6与从动锥齿轮10、11相连接；两个从动齿轮分别位于机架两侧与主动齿轮9啮合。

所述的机架如图5所示，是一个方形框架式一体化结构，采用的是轻木材料制成，用于支撑扑动机构和电机驱动组件。

所述四个翅膀如图6所示，包括：翅膀连接件C1、翅膜C2、主脉C3、次脉C4。其中翅膀连接件可直接与翅杆相连接，既可以传递翅杆的扑打运动，还可以定位轻质弹簧；主次翅脉C3、C4位于翅膜C2上下表面。

所述的两副曲柄四连杆机构12、13、14、15、16、17，主动锥齿轮9、从动锥齿轮10、11和翅膀连接件C1均采用塑料制成。所述的两副翅杆G1、G2和主次翅脉C3、C4采用的是碳纤维材料制成，翅膜C2采用的是聚酰亚胺薄膜制成。

所述的滚动轴承和旋转轴承均采用的是标准件。旋转轴承如图7所示，外环固定与机架上，内环嵌套与翅杆上，并且可以随着翅膀的扑打发生旋转。翅杆在内环中可以发生轻微滑移，类似于一个球形铰链。轻质弹簧则可以调节翅杆的滑动位移使之重新定位。

本装置的翅膀结构仿照蝙蝠的双翅结构，易于提高扑翼飞行器的升力和推力。本装置采用一个电机同时驱动两副锥齿轮曲柄四连杆结构，控制两对翅膀发生上下扑动。在飞行过程中，可以很好的控制拍打频率和前后两副翅膀的扑动相位差，以最大可能满足飞行的升力要求。本装置的结构组件较简单，采用了一部分标准构件，其余部件形状规格也较简单，材料采用的是轻木、塑料、碳纤维和聚酰亚胺薄膜等材料，加工容易，便于采用数控微加工批量生产，有利于结构整体微型化。此外，本装置采用的微电机作为驱动源，不需要很高的电源电压，这便于机构自身携带电源。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种锥齿轮四翼式扑翼微型飞行器，包括：

用于进行拍打运动的两对扑动机构；

用于支撑扑动机构和电机驱动组件的机架；以及

驱动两对扑动机构进行拍打运动的电机驱动组件；其特征在于：

所述的两对扑动机构结构完全相同，每对扑动机构包括：锥齿轮组件、两个翅膀、四连杆机构、一副翅杆、两件轻质弹簧和两个旋转轴承；其中锥齿轮组件通过齿轮轴和滚动轴承与机架连接；四连杆机构把锥齿轮旋转运动传递到翅杆上，并转变成上下拍打运动；两个旋转轴承固定于机架上，翅杆分别穿过旋转轴承；在旋转轴承和翅膀连接件之间，各由一个轻质弹簧固定在翅杆上；

所述四连杆机构包括：曲柄摇杆、一级连杆、二级连杆和轴承；其中：曲柄摇杆与从动锥齿轮连接；一级连杆通过两个滚动轴承分别和曲柄摇杆与二级连杆连接；二级连杆直接和翅杆副相连接，翅杆副使两个翅杆同轴嵌套在二级连杆上，并且各自穿过固定在机架上的旋转轴承。

2.根据权利要求1所述的锥齿轮四翼式扑翼微型飞行器，其特征在于：所述的锥齿轮组件包括：一个主动锥齿轮、两个从动锥齿轮、三个齿轮轴和三个滚动轴承；主动锥齿轮通过齿轮轴和一个滚动轴承固定与机架底部，两边各有一个从动锥齿轮通过齿轮轴和滚动轴承固定在机架上并与主动锥齿轮啮合，当电机驱动主动锥齿轮转动时，主动锥齿轮将电机高速旋转运动传递给从动锥齿轮，从而带动从动锥齿轮转动，中间通过四连杆机构把运动输出到翅杆，使翅膀扑动。

3.根据权利要求1所述的锥齿轮四翼式扑翼微型飞行器，其特征在于：所述的旋转轴承外圈固定于机架上，内圈随着翅杆可以旋转，翅杆还可以发生轻微的滑移运动，从而使得翅杆产生上下的扑动运动。

4.根据权利要求1所述的锥齿轮四翼式扑翼微型飞行器，其特征在于：所述的翅膀包括：翅膀连接件、主脉、次脉和翅膀膜，其中翅膀整体外形仿造蝙蝠翅膀形状，翅膀连接件与翅杆相连；主脉和次脉附在翅膜上下表面。

5.根据权利要求4所述的锥齿轮四翼式扑翼微型飞行器，其特征在于：所述翅杆和翅膀主次翅脉采用碳纤维材料制成。

6.根据权利要求4所述的锥齿轮四翼式扑翼微型飞行器，其特征在于：所述翅膜采用聚酰亚胺材料制成。

7.根据权利要求4所述的锥齿轮四翼式扑翼微型飞行器，其特征在于：所述翅膀连接件采用塑料制成。

8.根据权利要求1所述的锥齿轮四翼式扑翼微型飞行器，其特征在于：所述的电机驱动组件包括：一个电机和电机轴，其中电机垂直悬置并固定与机架上，通过电机轴驱动主动锥齿轮转动。

9.根据权利要求1-8任一项所述的锥齿轮四翼式扑翼微型飞行器，其特征在于：所述的机架是一个方形框架式一体化结构，采用轻木材料制成。

10.根据权利要求2-8任一项所述的锥齿轮四翼式扑翼微型飞行器，其特征在于：所述主、从动锥齿轮、四连杆机构采用塑料制成。