CN103224025A - 一种单一原动件扑翼飞行机器人空间机构 - Google Patents

一种单一原动件扑翼飞行机器人空间机构 Download PDF

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Abstract

鸟类经过千百万年的进化，拥有非常出色的飞行能力，其翅膀具有极大的机动灵活性，而常规的飞行器大多是固定或旋翼飞行器，在低雷诺数下不能产生足够的升力来维持平衡，当尺寸降低到一定小时，会出现一系列的问题。而鸟类却是低雷诺数下飞行的佼佼者，模仿鸟类的扑翼飞行器必将是未来微型飞行器的必然选择。蝙蝠的飞行方式和常规鸟类的飞行方式是不同的，蝙蝠是靠翅膀的折叠和伸开来调节上下拍动时的翼展面积来提供飞行时的升力。因此本发明一方面模仿蝙蝠的上下拍动，另一方面模仿蝙蝠翅膀的收缩，并且用单一原动件来实现模仿蝙蝠飞行的扑翼飞行器，和其他仿蝙蝠飞行机器人相比，具有重量轻，机动灵活性强等特点。

Description

一种单一原动件扑翼飞行机器人空间机构
技术领域
本专利涉及一种仿生扑翼飞行机器人空间机构，由一个原动件同时驱动翅翼的拍动和伸缩。
技术背景
千万年自然进化使鸟类和蝙蝠具有十分灵巧的飞行能力。现代具有实际应用性能的飞行器多采用固定翼结构或旋转翼结构，其运动灵活性与鸟类或蝙蝠的扑翼飞行具有明显的差距。扑翼飞行器在现代国防、勘探、搜救具有广泛的应用前景，也是发展扑翼飞行空气动力学的必要实验平台。
提高系统的单位质量功率系数是设计扑翼飞行器的关键技术指标之一。本发明提出一种只采用单个原动件驱动的仿蝙蝠扑翼飞行机器人机构，为开发高功率系数扑翼飞行机器人提供了一种新的机构设计方案。
发明内容
扑翼飞行升力产生的原理如下：蝙蝠飞行时，其双翅在垂直面内做往复运动，假设在一个运动周期中，空气阻力系数不变。当机翼向下运动时，其翼面划过的面积为扇形                                                
Figure 886334DEST_PATH_IMAGE001
，机翼向上运动时，在垂直面内划过的面积为
Figure 803474DEST_PATH_IMAGE002
。显然只有当>
Figure 978420DEST_PATH_IMAGE002
时，扑翼飞行器受到的空气阻力所做的功为正功。
从图1可以看出，要使扑翼飞行器实现腾空飞行，飞行器在拍动的前半周期应具有较大的翼展面积，而在拍动的后半周期应具有较小的翼展面积。为实现这一功能目标，本发明提出一种组合了拍动机构和翼展伸缩机构的复合机构设计方案，采用单一原动件实现扑翼飞行机构运动的驱动。
扑翼拍动机构设计方案如下：图2所示为单个机翼拍动机构的设计方案。采用曲柄摇杆四杆机构，其中杆
Figure 979743DEST_PATH_IMAGE003
为曲柄，杆
Figure 802206DEST_PATH_IMAGE004
为连杆，杆
Figure 69239DEST_PATH_IMAGE005
为摇杆。设
Figure 268139DEST_PATH_IMAGE006
表示曲柄的长度，
Figure 937018DEST_PATH_IMAGE008
为摇杆的长度，当摇杆AB转动
Figure 868065DEST_PATH_IMAGE010
(rad)角时，曲柄转动
Figure 622394DEST_PATH_IMAGE012
(rad)角，根据机构的运动传递关系
Figure 359406DEST_PATH_IMAGE014
                                                              (1)
当摇杆AB为原动件，曲柄为执行件时，角度放大系数为
Figure 882791DEST_PATH_IMAGE016
                                                                    (2)
根据式(2)，可以计算该机构转角的输入－输出比，为扑翼运动范围提供设计方法。根据图2所示的机构设计方案，可以设计出图3所示的对称双翼机构。该机构中原动件为曲柄
Figure 499586DEST_PATH_IMAGE018
，摇杆
Figure 741212DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 16335DEST_PATH_IMAGE022
通过弹性连杆
Figure 659806DEST_PATH_IMAGE024
铰接。当曲柄
Figure DEST_PATH_IMAGE025
做圆周运动时，弹性连杆的点做垂直方向的直线运动，使摇杆
Figure 932656DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 661578DEST_PATH_IMAGE022
产生往复运动，从而带动双翼连杆
Figure DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure DEST_PATH_IMAGE031
在垂直面内做往复摆动，产生扑翼飞行时所需的拍动运动。
可展机翼机构设计方案如下：为实现机翼在拍动周期运动中，空气阻力所作的功为正，为飞行器提供升力，需要使机翼的翼展面积可调。图4所示为提出的可展机翼机构。该机构由两级双摇杆机构串连组成。当摇杆
Figure 950780DEST_PATH_IMAGE033
往复运动时，连杆
Figure 448758DEST_PATH_IMAGE035
做平面伸缩运动。当摇杆
Figure 220405DEST_PATH_IMAGE033
绕
Figure 108726DEST_PATH_IMAGE037
点逆时针转动时，机构伸展，当摇杆
Figure 991231DEST_PATH_IMAGE033
绕
Figure 343715DEST_PATH_IMAGE037
点顺时针转动时，机构收缩。当机翼机构整体粘贴弹性薄膜时，显然通过驱动摇杆
Figure 473214DEST_PATH_IMAGE033
可实现翼展面积的调节。
扑翼飞行机器人空间机构如下：图3和图4所示均为平面机构。鸟类的骨骼为空间机构。为通过单一原动件模拟蝙蝠的飞行运动，可采用图5和图6所示的复合机构设计方案。其中可展机翼在水平面内运动，扑动机构在垂直平面内运动。
为使通过单一的原动件来实现机构的复合运动，必须通过一机构将垂直平面内的运动转化为水平面内的周期运动，且两运动必须具有一定的耦合性，即翅膀下拍时翅膀张开，上拍时翅膀收缩，使得在一周期内升力面积最大，阻力面积最小。
为实现这一运动，本发明设计了一种用凸轮机构来实现翅膀的伸缩运动，凸轮机构通过改变外轮廓即可轻的实现从动件的预期运动轨迹。如图6所示，在电机主轴上串联一凸轮
Figure 911149DEST_PATH_IMAGE039
，这样可保证凸轮
Figure 331766DEST_PATH_IMAGE039
和曲柄具有同步的圆周运动，且可以通过调整凸轮
Figure 855468DEST_PATH_IMAGE039
与曲柄
Figure 780699DEST_PATH_IMAGE041
的初始夹角来调整翅膀上下拍动和伸缩运动的耦合情况，凸轮带动推杆
Figure 5007DEST_PATH_IMAGE043
在垂直面内上下移动，推杆
Figure 66504DEST_PATH_IMAGE043
下端和弹簧连接，弹簧力的作用使凸轮回程的时候将推杆和凸轮保持接触。通过该机构，将凸轮
Figure 950332DEST_PATH_IMAGE039
的圆周转动转化为推杆
Figure 978331DEST_PATH_IMAGE046
的往复运动，推杆
Figure 159913DEST_PATH_IMAGE046
上点与翅膀
Figure 187092DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 753203DEST_PATH_IMAGE052
之间用细钢丝连接，通过连杆
Figure 54871DEST_PATH_IMAGE043
的上下移动带动着翅膀的伸开和收缩。
在翅翼上
Figure 602396DEST_PATH_IMAGE053
和
Figure 989515DEST_PATH_IMAGE055
以及
Figure 359317DEST_PATH_IMAGE057
和
Figure 187595DEST_PATH_IMAGE059
之间连接分别接弹簧和
Figure 780437DEST_PATH_IMAGE063
，在翅翼下拍时弹簧不伸开，翅翼展开最大，当翅翼收缩时，
Figure 953929DEST_PATH_IMAGE053
和
Figure 902293DEST_PATH_IMAGE055
之间距离变大，弹簧受拉伸，当凸轮转过一定角度回程时，
Figure 870249DEST_PATH_IMAGE053
和
Figure 153332DEST_PATH_IMAGE055
之间距离变小，由于弹簧力作用将翅翼展开。
扑翼飞行机器人空间三维模型如下：图7、图8、图9、图10、图11、图12为扑翼飞行机器人整体空间三维模型，可展机翼机构2在翅翼转轴17上固定着，可随翅翼转轴的转动而上下拍动，且可展机翼机构可以伸开和收缩，当凸轮13带动着凸轮推杆15向下运动时，钢丝12拉着翅翼上
Figure 864936DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 730124DEST_PATH_IMAGE065
点将翅膀收缩。通过图中的凸轮13和弹簧
Figure 868981DEST_PATH_IMAGE061
、
Figure 390092DEST_PATH_IMAGE063
可实现机翼周期性的伸开和收缩，同时双翼拍动机构带动着机翼上下拍动，实现下拍时翅膀展开最大，上拍时翅膀收缩最小，提供给飞行机器人最大的飞行升力。
附图说明
图1是扑翼飞行升力产生的原理图。
图2是单翼拍动机构图。
图3是对称双翼拍动机构图。
图4是可展机翼机构图。
图5是仿蝙蝠扑翼飞行机器人空间拍动机构。
图6是仿蝙蝠扑翼飞行机器人空间伸缩机构。
图7是仿蝙蝠扑翼飞行机器人整体空间模型图。
所述图7中符号说明：1 直流电机，2 可展机翼机构，3 双翼拍动机构。
图8是仿蝙蝠扑翼飞行机器人局部模型图。
所述图8中符号说明：4 轴承，5 拍动机构被动摇杆，6 拍动机构连杆，7 弹性连杆，8 拍动机构主动摇杆，9 曲柄，10 连杆，11 往复销轴1。
图9是仿蝙蝠扑翼飞行机器人局部模型图。
所述图9中符号说明：12 钢丝，13 凸轮，14 固定钢丝凸台，15 凸轮推杆，16 推杆导向板。
图10是仿蝙蝠扑翼飞行机器人局部模型图。
所述图10中符号说明：17 机翼转动轴，18 往复销轴1导向板。
图11是仿蝙蝠扑翼飞行机器人整体空间模型图。
图12是仿蝙蝠扑翼飞行机器人整体空间模型图。
具体实施方式
直流电机2带动着曲柄9作圆周运动，连杆10带动着销轴11在垂直平面内上下运动，销轴被限制在导向板里，只能沿着导向板里的槽上下运动。
销轴11和弹性连杆7连接在一起，当销轴11沿导向槽上下运动时，带动着弹性连杆7做往复运动。
弹性连杆7带动着双翼拍动机构3绕机翼转动轴17做往复运动，实现机翼的上下拍动。
凸轮13和曲柄9同时在直流电机的带动下做旋转运动，且两者具有相同的转动频率和固定的相位差。当凸轮旋转时，带动着凸轮推杆15上下往复运动，凸轮推杆和翅翼伸缩机构上点、
Figure 625082DEST_PATH_IMAGE052
通过钢丝连接，当凸轮推杆向下移动时，钢丝拉着可展机翼机构收缩，当凸轮推杆向上运动时，可展机翼机构在弹簧的作用下伸展开，通过该机构可以实现翅膀的收缩和伸开。
通过凸轮轮廓的精确设计，可以实现在一个周期内的某些时间翅膀展开最大，其余时间翅膀收缩最小，使得一个周期内下拍时面积最大，上拍时面积最小，获得最大的升力。
在调试拍动机构和伸缩机构的耦合关系时，通过调节凸轮和曲柄之间的夹角来调节两者之间的耦合关系，使得下拍时翅膀伸开，上拍时翅膀收缩。

Claims (5)

1.一种单一原动件扑翼飞行机器人空间机构，主要包括：直流电机1、可展机翼机构2、双翼拍动机构3、弹性连杆7、凸轮13、凸轮推杆15、钢丝12，其特征是：
直流电机1带动着曲柄9作圆周运动；
连杆10带动着销轴11在垂直平面内沿导向板18上下运动；
销轴11带动着弹性连杆7上下运动；
弹性连杆7带动着双翼拍动机构3往复运动，实现机翼的上下拍动；
直流电机1同时带动着凸轮13做圆周运动；
凸轮13带动着凸轮推杆15做往复运动；
固定钢丝凸台14通过钢丝12带动着机翼的伸开和收缩；
最终实现曲柄和凸轮的连续转动，转化为机翼上下拍动、机翼伸开和收缩的往复运动。
2.根据权利要求1所示单一原动件扑翼飞行机器人空间机构，其特征在于：电机通过一曲柄滑块机构带动弹性连杆7上下运动，弹性连杆7带动一双摇杆杆机构，实现机翼的上下拍动，该弹性连杆在运动过程中曲率会发生变化。
3.根据权利要求1所示单一原动件扑翼飞行机器人空间机构，其特征在于：凸轮推杆15通过钢丝带动着可展机翼机构2伸开和收缩。
4.根据权利要求1所示单一原动件扑翼飞行机器人空间机构，其特征在于：凸轮13是作为翅翼伸缩的动力件，控制着机翼伸开和收缩的时间。
5.根据权利要求1所示单一原动件扑翼飞行机器人空间机构，其特征在于：可展机翼机构2是由钢丝带动着伸开和收缩的。
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