CN103241379A - 一种实现机翼扑翼及翼面主动扭转的扑翼装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种实现机翼扑翼及翼面主动扭转的扑翼装置属于仿生学扑翼飞行驱动装置领域，包括扑翼摇杆、两个球铰销、机翼扭转连杆、从动锥齿轮、机翼扭转曲柄、右侧扑翼连杆、右侧扑翼曲柄、右侧扑翼直齿轮、左侧扑翼直齿轮、左侧扑翼曲柄、左侧扑翼连杆、减速齿轮、电机输出齿轮、电动机、两个机翼骨架、两个旋转副和两个移动副。采用该扑翼装置的扑翼飞行器不再需要为两侧的机翼安装额外的扭转驱动电机及其配套传动装置就能同时实现翅翼的翼面拍动和扭转飞行，实现了驱动装置总体的设计简单和轻量化，使得扑翼飞行器能够获得更大的升力和推力，还在一定程度上提高了飞行器的机动性。

Description

一种实现机翼扑翼及翼面主动扭转的扑翼装置
技术领域
本发明属于仿生学扑翼飞行驱动装置领域，具体涉及一种实现机翼扑翼及翼面主动扭转的扑翼装置。
背景技术
昆虫类扑翼飞行器属于仿生学扑翼飞行器。昆虫类扑翼方式在自然界中广泛存在，从空气动力学的观点看可以同时获得较高的升力和向前的推力以实现机动飞行。昆虫扑翼方式具体是绕翼根旋转轴的周期拍动，包括绕翼根旋转轴的拍动和绕拍动翼展方向旋转轴的转动，即：翼面拍动和翼面扭转。其中向前下方的拍动称为下拍，向后上方的拍动称为上拍，每个拍动周期分为上拍和下拍两个阶段。其中上拍阶段，开始时翼面攻角为0°，上拍过程中攻角变大，到中间位置时，攻角和速度达到最大值，之后攻角逐渐变小至0°。下拍阶段，开始时机翼攻角为0°，下拍过程中攻角减小到最小值，之后再逐渐增加到0°。昆虫通过这种扑翼方法，以获得较大的升力和推力。
由于昆虫类扑翼运动方式较为复杂，现有的仿生扑翼飞行器多采用单自由度扑翼方式，即：现有扑翼装置仅能实现翼面拍动，而不能同时实现翼面扭转。而若想同时模拟昆虫类扑翼运动中的翼面扭转则往往需要为两侧的机翼安装额外的扭转驱动电机，并要增加传动装置以确保两侧机翼绕翼展方向旋转轴的转动彼此同步以及确保翼面扭转节奏与翼面拍动的节奏匹配。这种方式不仅增加了机械设计的困难，更会极大地提高扑翼装置的总体重量，导致飞行器整体设计失败。
发明内容
为了解决现有扑翼飞行器驱动装置仅能实现翼面拍动，而不能同时实现翼面扭转，若要同时实现则需要为两侧的机翼安装额外的扭转驱动电机，不仅增加了机械设计的困难，更会极大地提高扑翼装置的总体重量，导致飞行器整体设计失败的技术问题，本发明提供一种实现机翼扑翼及翼面主动扭转的扑翼装置。
本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：
一种实现机翼扑翼及翼面主动扭转的扑翼装置，包括扑翼摇杆、两个球铰销、机翼扭转连杆、从动锥齿轮、机翼扭转曲柄、右侧扑翼连杆、右侧扑翼曲柄、右侧扑翼直齿轮、左侧扑翼直齿轮、左侧扑翼曲柄、左侧扑翼连杆、减速齿轮、电机输出齿轮、电动机、两个机翼骨架、两个旋转副和两个移动副；减速齿轮包括大直齿轮、小直齿轮和小直齿锥齿轮，其三者旋转轴相同，小直齿轮固连在大直齿轮前端面，小直齿锥齿轮固连在大直齿轮后端面；扑翼摇杆由结构对称的左侧摇杆和右侧摇杆铰接而成；
所述电机输出齿轮与电动机旋转轴固连，减速齿轮上的大直齿轮与电机输出齿轮啮合形成第一齿轮组；右侧扑翼直齿轮与小直齿轮啮合形成第二齿轮组，右侧扑翼直齿轮还与左侧扑翼直齿轮啮合形成第三齿轮组；右侧扑翼曲柄的一端与右侧扑翼直齿轮的旋转轴固连，右侧扑翼曲柄的另一端与右侧扑翼连杆的底端铰接；左侧扑翼曲柄的一端与左侧扑翼直齿轮的旋转轴固连，左侧扑翼曲柄的另一端与左侧扑翼连杆的底端铰接；扑翼摇杆的左、右两侧摇杆分别与两侧机翼骨架固连；左侧扑翼连杆的顶端通过一个旋转副与扑翼摇杆的左侧摇杆的中段铰接，右侧扑翼连杆的顶端通过另一个旋转副与扑翼摇杆的右侧摇杆的中段铰接；
所述从动锥齿轮与小直齿锥齿轮啮合形成第四齿轮组，机翼扭转曲柄的一端与从动锥齿轮的旋转轴固连，机翼扭转曲柄的另一端与机翼扭转连杆的底端铰接，机翼扭转连杆的顶端分别通过其上设有的两个球铰与两个球铰销铰接；两个球铰销分别通过一个移动副与两个机翼骨架的尾端连接。
所述右侧扑翼连杆、右侧扑翼曲柄、右侧扑翼直齿轮和右侧摇杆共同构成了右侧翼面拍动机构，左侧扑翼直齿轮、左侧扑翼曲柄、左侧扑翼连杆和左侧摇杆共同构成了左侧翼面拍动机构，所述右侧翼面拍动机构与左侧翼面拍动机构的结构完全对称；右侧扑翼直齿轮与左侧扑翼直齿轮啮合的传动比为1：1。
本发明的有益效果是：该扑翼装置在通过减速齿轮驱动两侧机翼实现翼面拍动的同时，还通过从动锥齿轮驱动翼面产生与翼面拍动相匹配的翼面扭转运动，从而同时实现机翼扑翼及翼面主动扭转。采用该扑翼装置的扑翼飞行器不再需要为两侧的机翼安装额外的扭转驱动电机及其配套传动装置就能同时实现翅翼的翼面拍动和扭转飞行，实现了驱动装置总体的设计简单和轻量化，使得扑翼飞行器能够获得更大的升力和推力，还在一定程度上提高了飞行器的机动性。
附图说明
图1是本发明实现机翼扑翼及翼面主动扭转的扑翼装置的应用示意图；
图2是本发明实现机翼扑翼及翼面主动扭转的扑翼装置的立体结构图；
图3是图2的主视图；
图4是图2的右视图；
图5是图2的后视图；
图6是图2的左视图；
图7是本发明右侧曲柄摇杆机构急回特性示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图2至图6所示，本发明实现机翼扑翼及翼面主动扭转的扑翼装置包括：扑翼摇杆2、两个球铰销3、机翼扭转连杆4、从动锥齿轮5、机翼扭转曲柄6、右侧扑翼连杆7、右侧扑翼曲柄8、右侧扑翼直齿轮9、左侧扑翼直齿轮10、左侧扑翼曲柄11、左侧扑翼连杆12、减速齿轮13、电机输出齿轮14、电动机15、两个机翼骨架16、两个旋转副17和两个移动副18。减速齿轮13包括大直齿轮13-2、小直齿轮13-1和小直齿锥齿轮13-3，其三者旋转轴相同，小直齿轮13-1固连在大直齿轮13-2前端面，小直齿锥齿轮13-3固连在大直齿轮13-2后端面。扑翼摇杆2由结构对称的左侧摇杆和右侧摇杆铰接而成。
电机输出齿轮14与电动机15旋转轴固连，减速齿轮13上的大直齿轮13-2与电机输出齿轮14啮合形成第一齿轮组。右侧扑翼直齿轮9与小直齿轮13-1啮合形成第二齿轮组，右侧扑翼直齿轮9还与左侧扑翼直齿轮10啮合形成第三齿轮组。右侧扑翼曲柄8的一端与右侧扑翼直齿轮9的旋转轴固连，右侧扑翼曲柄8的另一端与右侧扑翼连杆7的底端铰接。左侧扑翼曲柄11的一端与左侧扑翼直齿轮10的旋转轴固连，左侧扑翼曲柄11的另一端与左侧扑翼连杆12的底端铰接。扑翼摇杆2的左、右两侧摇杆分别与两侧机翼骨架16固连。左侧扑翼连杆12的顶端通过一个旋转副17与扑翼摇杆2的左侧摇杆的中段铰接，右侧扑翼连杆7的顶端通过另一个旋转副17与扑翼摇杆2的右侧摇杆的中段铰接。
从动锥齿轮5与小直齿锥齿轮13-3啮合形成第四齿轮组，机翼扭转曲柄6的一端与从动锥齿轮5的旋转轴固连，机翼扭转曲柄6的另一端与机翼扭转连杆4的底端铰接，机翼扭转连杆4的顶端分别通过其上设有的两个球铰与两个球铰销3铰接。两个球铰销3分别通过一个移动副18与两个机翼骨架16的尾端连接。右侧扑翼连杆7、右侧扑翼曲柄8、右侧扑翼直齿轮9和右侧摇杆共同构成了右侧翼面拍动机构，左侧扑翼直齿轮10、左侧扑翼曲柄11、左侧扑翼连杆12和左侧摇杆共同构成了左侧翼面拍动机构，所述右侧翼面拍动机构与左侧翼面拍动机构的结构完全对称。右侧扑翼直齿轮9与左侧扑翼直齿轮10啮合的传动比为1：1。
表1给出了啮合的各齿轮组中的主要参数，具体如下：
表一
Figure BDA00003196735400041
Figure BDA00003196735400051
左侧摇杆中段用于与左侧扑翼连杆12铰接的铰点到左侧摇杆与右侧摇杆铰接的铰点的距离为20mm，右侧摇杆与左侧摇杆的长度相同。右侧扑翼曲柄8自身上两端铰点之间距离为7.32mm，左侧扑翼曲柄11与右侧扑翼曲柄8的长度相同。右侧扑翼连杆7自身上两端铰点之间距离为32.7mm，左侧扑翼连杆12与右侧扑翼连杆7的长度相同。机翼扭转曲柄6自身上两端铰点之间距离为4mm。机翼扭转连杆4自身上两端铰点之间距离为20.9mm，其上端两个球铰的铰点间距为2.4mm。
如图1所示，具体应用本发明的实现机翼扑翼及翼面主动扭转的扑翼装置时，将两片轻质薄膜机翼用胶分别粘结在两侧对称的机翼骨架16上构成翼面1，由此形成模拟昆虫类扑翼运动方式的扑翼机。
电动机15启动后，通过啮合的第一齿轮组带动减速齿轮13旋转，减速齿轮13过第二齿轮组带动右侧扑翼直齿轮9旋转，同时减速齿轮13还以相同的角速度通过第四齿轮组带动从动锥齿轮5旋转。右侧扑翼直齿轮9通过第三齿轮组带动左侧扑翼直齿轮10旋转。右侧扑翼直齿轮9和左侧扑翼直齿轮10分别通过右侧扑翼曲柄8和左侧扑翼曲柄11将旋转运动变换为右侧扑翼连杆7和左侧扑翼连杆12的往复运动，进而使得左侧摇杆和右侧摇杆分别通过左侧扑翼连杆12和右侧扑翼连杆7带动各自的翼面做出周期性上下拍动动作。由于右侧翼面拍动机构与左侧翼面拍动机构的结构完全对称并且右侧扑翼直齿轮9与左侧扑翼直齿轮10啮合的传动比为1：1，因此可以确保左右翼面的拍动频率和幅度都完全相同。
如图7所示，由右侧扑翼曲柄8和左侧扑翼曲柄11构成的实现扑翼功能的曲柄摇杆机构具有急回特性，其中右侧扑翼直齿轮9逆时针旋转时，使机翼向上扑翼和向下扑翼的极位夹角θ=5.5°。图中，α1为一个周期内机翼向上扑翼过程中曲柄8转动的行程，α2为一个周期内机翼向下扑翼过程中曲柄8转动的行程，为一个周期内摇杆2转动的行程，ω为曲柄转动角速度。左侧曲柄摇杆机构与右侧对称。从而使扑翼机翼面的向下扑翼动作比向上扑翼动作更快，有利于产生升力和推力。
此外，固连在从动锥齿轮5上的机翼扭转曲柄6将旋转运动变换为机翼扭转连杆4的往复运动，进而使得机翼扭转连杆4的顶端分别通过两个球铰销3和两个移动副17带动机翼骨架16及其固连的翼面1做出周期性扭转动作。其中第四齿轮组的传动比与第二齿轮组的传动比相同，从而保证了扑翼周期与机翼扭转周期相同。
通过调整翼面1的初始姿态，使向上扑翼阶段，开始时翼面1攻角为0°，上扑过程中攻角变大，到中间位置时，攻角和速度达到最大值，之后攻角逐渐变小至0°。向下扑翼阶段，开始时机翼攻角为0°，下扑过程中攻角减小到最小值，之后再逐渐增加到0°。
由此，整个扑翼机的翼面1不仅能实现翼面拍动，还能同时实现翼面扭转，较好地模拟昆虫类的扑翼运动，使得应用本发明装置的扑翼机能够获得比单自由度扑翼机更大的升力和推力，在一定程度上提高了扑翼机的机动性。此外，本发明的扑翼装置避免了为两侧的机翼安装额外的扭转驱动电机的驱动方式，极大地减轻扑翼装置的总体重量，为使用此类扑翼装置的扑翼机提供了更多的负重载荷和更广阔的应用空间。

Claims (2)

1.一种实现机翼扑翼及翼面主动扭转的扑翼装置，其特征在于，该扑翼装置包括扑翼摇杆（2）、两个球铰销（3）、机翼扭转连杆（4）、从动锥齿轮（5）、机翼扭转曲柄（6）、右侧扑翼连杆（7）、右侧扑翼曲柄（8）、右侧扑翼直齿轮（9）、左侧扑翼直齿轮（10）、左侧扑翼曲柄（11）、左侧扑翼连杆（12）、减速齿轮（13）、电机输出齿轮（14）、电动机（15）、两个机翼骨架（16）、两个旋转副（17）和两个移动副（18）；减速齿轮（13）包括大直齿轮、小直齿轮和小直齿锥齿轮，其三者旋转轴相同，小直齿轮固连在大直齿轮前端面，小直齿锥齿轮固连在大直齿轮后端面；扑翼摇杆（2）由结构对称的左侧摇杆和右侧摇杆铰接而成；
所述电机输出齿轮（14）与电动机（15）旋转轴固连，减速齿轮（13）上的大直齿轮与电机输出齿轮（14）啮合形成第一齿轮组；右侧扑翼直齿轮（9）与小直齿轮啮合形成第二齿轮组，右侧扑翼直齿轮（9）还与左侧扑翼直齿轮（10）啮合形成第三齿轮组；右侧扑翼曲柄（8）的一端与右侧扑翼直齿轮（9）的旋转轴固连，右侧扑翼曲柄（8）的另一端与右侧扑翼连杆（7）的底端铰接；左侧扑翼曲柄（11）的一端与左侧扑翼直齿轮（10）的旋转轴固连，左侧扑翼曲柄（11）的另一端与左侧扑翼连杆（12）的底端铰接；扑翼摇杆（2）的左、右两侧摇杆分别与两侧机翼骨架固连；左侧扑翼连杆（12）的顶端通过一个旋转副与扑翼摇杆（2）的左侧摇杆的中段铰接，右侧扑翼连杆（7）的顶端通过另一个旋转副与扑翼摇杆（2）的右侧摇杆的中段铰接；
所述从动锥齿轮（5）与小直齿锥齿轮啮合形成第四齿轮组，机翼扭转曲柄（6）的一端与从动锥齿轮（5）的旋转轴固连，机翼扭转曲柄（6）的另一端与机翼扭转连杆（4）的底端铰接，机翼扭转连杆（4）的顶端分别通过其上设有的两个球铰与两个球铰销（3）铰接；两个球铰销（3）分别通过一个移动副与两个机翼骨架（16）的尾端连接。
2.如权利要求1所述的一种实现机翼扑翼及翼面主动扭转的扑翼装置，其特征在于，所述右侧扑翼连杆（7）、右侧扑翼曲柄（8）、右侧扑翼直齿轮（9）和右侧摇杆共同构成了右侧翼面拍动机构，左侧扑翼直齿轮（10）、左侧扑翼曲柄（11）、左侧扑翼连杆（12）和左侧摇杆共同构成了左侧翼面拍动机构，所述右侧翼面拍动机构与左侧翼面拍动机构的结构完全对称；右侧扑翼直齿轮（9）与左侧扑翼直齿轮（10）啮合的传动比为1：1。
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