CN103552689A - 一种可改变翼面积的微型扑翼飞行器机翼驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可改变翼面积的微型扑翼飞行器机翼驱动机构，属于微型扑翼飞行器技术领域。本发明包括机体架、驱动电机、随动齿轮、同步齿轮，以及在机体架两侧对称设置的前曲柄、后曲柄、前连杆、后连杆、固定摇臂、滑块摇臂、肱骨、尺骨、中指骨、小指骨、尺骨肌腱和桡骨，随动齿轮和同步齿轮的模数和齿数均相同，二者反向同步运动，后曲柄和后连杆带动滑块摇臂在上下挥动的同时实现前后移动，进而带动机翼变形。本发明结构简单，成本低廉，能够同时实现机翼挥动与翼面积变形的复杂运动；机翼骨架带动翼膜在上挥时松弛，翼面积变小，下挥时绷紧，翼面积变大，进一步提高了气动效率和飞行效率。

Description

一种可改变翼面积的微型扑翼飞行器机翼驱动机构

技术领域

本发明属于微型扑翼飞行器技术领域，尤其涉及仿蝙蝠可改变翼面积的机翼驱动机构。

背景技术

微型扑翼飞行器(Flapping-Wing Micro Air Vehicle，简称FMAV)是一种模仿动物飞行的新型飞行器。与固定翼和旋翼飞行器相比，扑翼的主要特点是可以将举升、悬停和推进功能集成于一体，无需螺旋桨或喷气装置，可以用很小的能量进行长距离飞行，同时具有很强的机动性和灵活性，更适于执行军事侦察任务。

在解决脊椎动物动力飞行的问题上，蝙蝠和鸟类展示了两种不同的进化路线。蝙蝠和鸟类表现出了在同样低雷诺数下的形态学、运动学上的类似。但是就飞行来讲，鸟类和蝙蝠又有很大不同。蝙蝠在飞行过程中膜翼的变形与其柔韧性及弹性配合得当，能够实现主动的伸缩和折叠。尽管其它鸟类和昆虫在飞行过程中都会有翅膀的翻转和折叠现象但与之相比蝙蝠在飞行过程中翼的活动控制更为自如。

目前微型扑翼飞行器主要是分为仿鸟型、仿昆虫型。国内外关于仿鸟翼扑翼研究主要集中在实物观察和具体样机扑翼在简单挥动下的气动特性上。关于仿昆虫翼扑翼研究主要集中在使用理论分析方法研究昆虫活体样本的升力产生机制及翅型等因素对气动力的影响上。而仿蝙蝠翼扑翼研究由于生物样本观察和风洞试验较少、膜翼折叠变形机构复杂、需要非常规的柔性气动分析等原因使得研究较难进行，样机的设计和研制更是非常少。

现有微型扑翼飞行器机翼多数为固定骨架上粘结柔性薄膜结构，固定骨架在上下挥动过程中，薄膜由于气动力而产生被动变形，机翼整体的翼型虽有改变，但却不能大幅度改变翼面积，因此总的气动效率不高；近年，少数国外研究机构开发了可以在挥动方向折叠一次的扑翼，虽然一定意义上提高了效率，但仍因翼面积不能大幅改变而收效甚微。总的来讲，固定骨架和一次折叠骨架在机翼驱动机构原理上是相对简单的，基本是电机通过齿轮组减速和蜗轮蜗杆减速再通过曲轴连杆带动机翼上下挥动。主动变形骨架的机翼驱动机构在原理上是相对复杂的，因为要同时解决两个垂直方向的活动问题，所以近期国内外相关研究进展缓慢。

发明内容

为了提高微型扑翼飞行器的气动效率，解决现有微型扑翼飞行器翼面积难以较大幅度变化的现状，本发明提出一种相对简单的，可改变翼面积的扑翼飞行器机翼驱动机构。本发明能够使扑翼飞行器完成相对复杂的、理想的运动。

本发明提供的微型扑翼飞行器机翼驱动机构，包括机体架(1)、驱动电机(2)、随动齿轮(3)、同步齿轮(4)，以及在机体架（1）两侧对称设置的前曲柄(5)、后曲柄(6)、前连杆(7)、后连杆(8)、固定摇臂(9)、滑块摇臂(10)、肱骨(13)、尺骨(14)、中指骨(15)、小指骨(16)、尺骨肌腱(17)和桡骨(18)，机翼在上下挥动的过程中同步完成变形。

本发明通过驱动电机(2)轴上的小齿轮进行动力输出；从原理上讲，无论使用多级齿轮或是蜗轮蜗杆作为动力输出都是相同的，只要提供合适的扭矩和转速即可。本发明驱动部分的重点在随动齿轮(3)和同步齿轮(4)上；常规的扑翼飞行器只有随动齿轮(3)用以通过曲轴和连杆带动机翼上下挥动；而本发明增加了一个与随动齿轮(3)的模数和齿数均相同的同步齿轮(4)，同步齿轮(4)与随动齿轮(3)反向同步运动，并通过增加的后曲柄(6)和后连杆(8)带动机翼在挥动的一个周期内进行面积变化。本发明通过在机体架(1)后方两侧安装一定长度的滑动轴座(12)，来使滑块摇臂(10)在上下挥动的同时实现前后移动，进而带动机翼变形。使用二个相对简单的零件实现了复杂的空间运动。

本发明仿照蝙蝠的骨骼并作一定程度简化，设计了机翼的平面平行四边形机构。机翼的上下挥动主要靠肱骨(13)完成，并且肱骨(13)作为机翼内段前缘的支撑结构。机翼的面积变形主要靠桡骨(18)完成，并且桡骨(18)作为整个机翼的中后部支撑结构。尺骨(14)和中指骨(15)与肱骨(13)、桡骨(18)共同形成变形的平行四边形结构，并且尺骨(14)作为机翼中段前缘的支撑结构，中指骨(15)作为机翼外段前缘的支撑结构。本发明中尺骨肌腱(17)的长度经过反复计算确定，它的运用可使小指骨(16)在机翼变形的整个阶段处于顺气流方向，以方便翼膜(19)的安装和发挥应有的气动效果。本发明中选用了可延展的乳胶薄膜材料以替代常规的塑料薄膜材料，直接粘结在骨架前缘和小指骨(16)上，乳胶薄膜材料可以有效的配合变形并承担相应的气动力。

本发明中机体架(1)采用薄板设计，除驱动电机(2)外，所有机构对称于机体架(1)两侧安装二套。并在机体架(1)其他部位安装遥控器、动力电池等设备以供飞行使用。

本发明的优点在于：

(1)结构简单，成本低廉，通过一套机构同时实现机翼挥动与翼面积变形的复杂运动；

(2)可主动实现机翼骨架的变形，上挥时翼面积变小，下挥时翼面积变大，飞行效率高；

(3)机翼骨架带动翼膜在上挥时松弛，下挥时绷紧，进一步提高了气动效率。

附图说明

图1是可改变翼面积的微型扑翼飞行器机翼驱动机构示意图；

图2固定轴座的结构示意图；

图3滑动轴座的结构示意图；

图4滑块摇臂在滑动轴座的长轴上三个不同位置的活动示意图；

图5机翼骨架安装结构示意图；

图6A和图6B是机翼最大最小面积对比示意图。

图中：

1.机体架；   2.驱动电机； 3.随动齿轮； 4.同步齿轮；  5.前曲柄；    6.后曲柄；

7.前连杆；   8.后连杆；   9.固定摇臂； 10.滑块摇臂； 11.固定轴座； 12.滑动轴座；

13.肱骨；    14.尺骨；    15.中指骨；  16.小指骨；   17.尺骨肌腱； 18.桡骨；

19.翼膜；    20.铝销；    21.长轴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本实施例是一套可改变翼面积的微型扑翼飞行器机翼驱动机构，如图1，包括机体架1、驱动电机2、随动齿轮3、同步齿轮4、前曲柄5、后曲柄6、前连杆7、后连杆8、固定摇臂9、滑块摇臂10、固定轴座11、滑动轴座12、肱骨13、尺骨14、中指骨15、小指骨16、尺骨肌腱17、桡骨18和翼膜19。本机构各零件除机体架1、驱动电机2、随动齿轮3、同步齿轮4、固定轴座11、滑动轴座12和翼膜19外均为二套，对称于机体架1装配。本实施例中机体架1采用碳纤板材加工而成；如图5，机体架1上在肩部101和腰部102位置固连有固定轴座11和滑动轴座12，如图2所示，所述的固定轴座11是设置在机体架1上方并且垂直于机体架1平面的两块相互平行的条状部件，所述条状部件的上表面与机体架1的上表面齐平。在所述每个条状部件两端分别具有销孔，同侧两个销孔内用铝销20连接固定摇臂9。所述滑动轴座12如图3和图4所示，在机体架1上方腰部位置设置两块相互平行的条状部件，机体架1同侧的两个条状部件端部连接一根平行于机体架1所在平面的长轴21，在所述长轴21上套接有滑块摇臂10。固定轴座11和滑动轴座12采用硬铝加工；固定摇臂9通过销接连接在固定轴座11上，可以围绕固定轴座11中的铝销上下转动，固定摇臂9后端安装有球形铰链头，固定摇臂9采用硬铝加工；滑块摇臂10安装在滑动轴座12的长轴21上，长轴与飞行器前进方向平行，滑块摇臂10可以沿长轴滑动也可以围绕长轴21上下转动（图4所示是一个滑块摇臂10在长轴21上三个不同转动位置和滑动位置示意图），滑块摇臂10下端安装有球形铰链头，长轴用碳纤管加工，滑块摇臂10采用硬铝加工。

机体架1上从前到后依次加工有驱动电机2、随动齿轮3和同步齿轮4的三个安装孔，驱动电机2安装在机体架1上的第一个安装孔位置，随动齿轮3和同步齿轮4通过各自齿轮轴和轴承安装在相应第二个和第三个安装孔上。驱动电机2输出轴上的小齿轮201的齿轮轴垂直于机体架1平面，小齿轮201与机体架1侧面的随动齿轮3啮合，随动齿轮3与同步齿轮4啮合。所述随动齿轮3和同步齿轮4的齿轮轴均通过各自安装孔贯穿机体架1两侧。从机体架1左侧观察，如图1所示，驱动电机2顺时针转动，驱动电机2带动随动齿轮3逆时针转动，随动齿轮3带动同步齿轮4顺时针转动。前曲柄5、后曲柄6分别固连在随动齿轮3和同步齿轮4的齿轮轴上，分别与随动齿轮3和同步齿轮4的齿轮轴同步转动。前曲柄5、后曲柄6远离齿轮轴的一端均安装有球形铰链头；前连杆7、后连杆8的两头均有球形铰链座，用前连杆7铰接前曲柄5和固定摇臂9，用后连杆8铰接后曲柄6和滑块摇臂10；前后曲柄和前后连杆均采用尼龙加工。前曲柄5的逆时针转动通过前连杆7带动固定摇臂9上下挥动，后曲柄6的顺时针转动通过后连杆8带动滑块摇臂10前后滑动。由于固定摇臂9、滑块摇臂10及机翼各零件被限制在一个平面内，所以滑块摇臂10在前后滑动的同时也会随固定摇臂9一起上下挥动。随动齿轮3带动前曲柄5旋转一周，前曲柄5通过球形铰链带动前连杆7上下往复运动一次，前连杆7进而通过球形铰链带动固定摇臂9上下挥动一次；同步齿轮4带动后曲柄6旋转一周，后曲柄6通过球形铰链带动后连杆8前后往复运动一次，后连杆8进而通过球形铰链带动滑块摇臂10在挥动的同时前后移动一次。

肱骨13与固定摇臂9铰接在一起，并随其作上下挥动；肱骨13、尺骨14、中指骨15、小指骨16、尺骨肌腱17、桡骨18全部铰接在一起，共同构成了平面多连杆机翼结构，所以固定摇臂9将带动整个机翼结构上下挥动；桡骨18与滑块摇臂10铰接在一起，并随其作前后移动，桡骨18的周期性前后移动改变其与肱骨13的角度，肱骨13、尺骨14、中指骨15、桡骨18形成的平行四边形机构将周期性变化，整个翼膜19在上下挥动的同时进行面积变化，如图6A和图6B所示分别为机翼展开最大和最小面积示意图，机翼骨架带动翼膜19在上挥时松弛，翼面积变小，下挥时绷紧，翼面积变大，进一步提高了气动效率和飞行效率。

所述尺骨肌腱17的长度，使小指骨16在机翼变形的整个阶段处于顺气流方向。

本实施例中肱骨13、尺骨14、中指骨15、小指骨16、尺骨肌腱17、桡骨18均采用碳纤板材加工；肱骨13有内、中、外3处销孔，尺骨14有内、中、外3处销孔，中指骨15有内、外2处销孔，小指骨16有前、后2处销孔，尺骨肌腱17有前、后2处销孔，桡骨18有内、中内、中外、外4处销孔，各销孔均用铜销销接。

装配时：

将固定摇臂9和固定轴座11用铝销销接，两侧灌胶固定，保证固定摇臂9可自由转动；将滑块摇臂10和滑动轴座12用碳销销接，两侧灌胶固定，保证滑块摇臂10可自由转动和滑动；将固定轴座11和滑动轴座12胶结在机体架1相应位置。

将驱动电机2用螺钉固定在机体架1上，将随动齿轮3和同步齿轮4的齿轮轴套上轴承，压入机体架1上的相应安装孔；将前曲柄5、后曲柄6和固定摇臂9、滑块摇臂10上的球形铰链头分别压入前连杆7、后连杆8的球形铰链座里。

将肱骨13的中销孔与尺骨14的内销孔对正，将肱骨13的外销孔与桡骨18的中内销孔对正，将尺骨14的中销孔与尺骨肌腱17的前销孔对正，将尺骨14的外销孔与中指骨15的内销孔对正，将中指骨15的外销孔与桡骨18的外销孔对正，将小指骨16的前销孔与桡骨18的中外销孔对正，将小指骨16的后销孔与尺骨肌腱17的后销孔对正，在对正后的各销孔压入铜销，铜销两侧灌胶粘结好。

如图6Ａ所示，将翼膜19在最大展开状态时剪裁好，将机翼骨架放置在翼膜19上，与肱骨13、尺骨14、中指骨15、小指骨16相应位置进行胶结。

将肱骨13、桡骨18的机身端分别与固定摇臂9和滑块摇臂10用铜销销接，两侧灌胶粘结好。

Claims (6)

1.一种可改变翼面积的微型扑翼飞行器机翼驱动机构，其特征在于：包括机体架(1)、驱动电机(2)、随动齿轮(3)、同步齿轮(4)，还包括在机体架(1)两侧对称设置的前曲柄(5)、后曲柄(6)、前连杆(7)、后连杆(8)、固定摇臂(9)、滑块摇臂(10)、肱骨(13)、尺骨(14)、中指骨(15)、小指骨(16)、尺骨肌腱(17)和桡骨(18)；所述机体架(1)为板状结构，驱动电机(2)固定在机体架(1)上，驱动电机(2)输出轴上的小齿轮与随动齿轮(3)啮合，随动齿轮(3)与同步齿轮(4)啮合；机体架(1)上在肩部和腰部位置固连有固定轴座(11)和滑动轴座(12)，固定摇臂(9)通过销接连接在固定轴座(11)上，可以围绕固定轴座(11)中的铝销上下转动，固定摇臂(9)后端安装有球形铰链头，滑块摇臂(10)安装在滑动轴座(12)的长轴上，滑块摇臂(10)可以沿长轴滑动的同时绕长轴上下转动，滑块摇臂(10)下端安装有球形铰链头；前曲柄(5)、后曲柄(6)分别固连在随动齿轮(3)和同步齿轮(4)的齿轮轴上，分别与随动齿轮(3)和同步齿轮(4)同步转动；前曲柄(5)、后曲柄(6)远离齿轮轴的一端均安装有球形铰链头；前连杆(7)、后连杆(8)的两头均有球形铰链座，前连杆(7)铰接前曲柄(5)和固定摇臂(9)，后连杆(8)铰接后曲柄(6)和滑块摇臂(10)；肱骨(13)有内、中、外三处销孔，尺骨(14)有内、中、外三处销孔，中指骨(15)有内、外两处销孔，小指骨(16)有前、后两处销孔，尺骨肌腱(17)有前、后两处销孔，桡骨(18)有内、中内、中外、外四处销孔，肱骨(13)和桡骨(18)的内销孔分别与固定摇臂(9)和滑块摇臂(10)用铜销销接；肱骨(13)的中销孔和外销孔分别销接尺骨(14的内销孔和桡骨(18)的中内销孔；尺骨(14)的外销孔销接中指骨(15)的内销孔，所述尺骨(14)的中销孔上销接尺骨肌腱(17)的前销孔；中指骨(15)的外销孔销接桡骨(18)的外销孔；小指骨(16)的前销孔与桡骨(18)的中外销孔销接，小指骨(16)的后销孔与尺骨肌腱(17)的后销孔销接；所述的肱骨(13)中销孔和外销孔之间段、中指骨(15)内销孔和外销孔之间段、桡骨(18)的中内销孔和外销孔之间段、尺骨这四部分形成平行四边形机构。

2.根据权利要求1所述的一种可改变翼面积的微型扑翼飞行器机翼驱动机构，其特征在于：所述同步齿轮(4)的模数和齿数均与随动齿轮(3)相同，同步齿轮(4)与随动齿轮(3)反向同步运动。

3.根据权利要求1所述的一种可改变翼面积的微型扑翼飞行器机翼驱动机构，其特征在于：所述肱骨（13)、尺骨（14)、中指骨（15)、小指骨（16)、尺骨肌腱（17)、桡骨（18)均采用碳纤板材加工。

4.根据权利要求1所述的一种可改变翼面积的微型扑翼飞行器机翼驱动机构，其特征在于：所述驱动机构还包括翼膜（19），翼膜（19）在机翼最大展开状态时剪裁好，将机翼骨架放置在翼膜（19）上，与肱骨（13）、尺骨（14）、中指骨（15）、小指骨（16）相应位置进行胶结形成；所述翼膜（19）选用可延展的乳胶薄膜材料。

5.根据权利要求1所述的一种可改变翼面积的微型扑翼飞行器机翼驱动机构，其特征在于：所述尺骨肌腱（17）的长度，使小指骨（16）在机翼变形的整个阶段处于顺气流方向。

6.根据权利要求1所述的一种可改变翼面积的微型扑翼飞行器机翼驱动机构，其特征在于：所述随动齿轮（3）带动前曲柄（5）旋转一周，前曲柄（5）通过球形铰链带动前连杆（7）上下往复运动一次，前连杆（7）进而通过球形铰链带动固定摇臂（9）上下挥动一次；同步齿轮（4）带动后曲柄（6）旋转一周，后曲柄（6）通过球形铰链带动后连杆（8）前后往复运动一次，后连杆（8）进而通过球形铰链带动滑块摇臂（10）在挥动的同时前后移动一次。

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