CN103612754A - 双关节仿生扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

双关节仿生扑翼飞行器，属于航空航天领域。其包括机身、扑翼驱动装置、主翼、副翼、主翼关节、副翼关节、尾翼驱动装置、尾翼，其特征在于：机身包括机身横梁和机身骨架，两相同的机身骨架并排固接在机身横梁上，机身横梁穿过机身骨架的中心。扑翼驱动装置固接在机身骨架上，主翼通过主翼关节与机身骨架相连，主翼可以主翼关节为转轴，绕机身骨架作相对转动。副翼通过副翼关节与主翼相连，副翼可以主副翼关节为转轴，绕主翼作相对转动。尾翼驱动装置5固接在机身横梁的后端，尾翼与尾翼驱动装置连接。本发明可以保证左右扑翼机构的完全对称，提高了飞行的稳定性。

Description

双关节仿生扑翼飞行器

技术领域

本发明涉及一种具有双关节的仿生扑翼飞行器，其主翼与副翼通过连杆传动来实现高仿生度的扑翼动作，副翼的扑动是确定的、有规律的，属于航空航天领域。

背景技术

扑翼飞行是自然界中动物飞行最优的方式之一。扑翼飞行器与固定翼和螺旋桨飞行器相比具有高气动效率、大载重、易起降等优点，可以运用在载人交通、无人机等方面。

考虑到扑翼飞行器潜在的使用价值和技术推动作用，日、美等发达国家都给予高度重视。加之固定翼和旋翼飞行器在现今执行任务时和运用中所遇到的不足，为了适应任务的复杂性和环境的多样性,集举升、悬停和推进功能于一体，具有更大的机动灵活性、更好的避障能力和低廉的飞行费用的仿生扑翼飞行器就受到了国内外众多科学家的关注与探讨。

国际上对扑翼飞行器的研究已经很多，他们几乎都是研究的是单关节扑翼的飞行器。这类飞行器要实现载人几乎是不可能的，因为这种单关节扑翼受到各种限制，导致翼展在2米以下，而且负重能力差。自然界中，大翼展的鸟类也几乎都是多关节的。未来要实现扑翼载人，多关节、大翼展的仿生扑翼飞行器是最为可行的选择之一。

专利号为200910017614.X的专利中介绍了一种双向同步自动翻转扑翼机，其副翼的扑动是依靠气流对其作用力实现被动翻转的，而且扑动无规律、不可控，左右扑翼不对称，很难实现实际飞行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有双关节的仿生扑翼飞行器，其主翼与副翼通过机构联动来实现高仿生度的扑翼动作，副翼的扑动是确定的、有规律的，左右扑翼的机构是完全对称的，真正地实现了鸟类的扑翼动作的仿生。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案:该双关节仿生扑翼飞行器包括机身、扑翼驱动装置、主翼、副翼、主翼关节、副翼关节、尾翼驱动装置、尾翼，其特征在于：机身包括机身横梁11和机身骨架15，两相同的机身骨架15并排固接在机身横梁11上，机身横梁11穿过机身骨架15的中心。扑翼驱动装置10固接在机身骨架15上，主翼通过主翼关节12与机身骨架15相连，主翼可以主翼关节12为转轴，绕机身骨架15作相对转动。副翼通过副翼关节8与主翼相连，副翼可以主副翼关节8为转轴，绕主翼作相对转动。尾翼驱动装置5固接在机身横梁11的后端，尾翼与尾翼驱动装置连接。

扑翼驱动装置10包括无刷电机16、齿轮17、曲柄18、连杆19、齿轮轴20、滚珠轴承21、销轴22，无刷电机16固定在机身骨架15上，无刷电机的输出轴与一个齿轮17同轴心连接，齿轮轴20固接在两个机身骨架15上，两个同样的齿轮17通过滚珠轴承21连接在齿轮轴20的前端，并通过啮合传动，两个曲柄18分别与齿轮17固接在一起，无相对运动，两个连杆19通过销轴22分别与曲柄18连接，连杆19可以销轴22为转轴，与曲柄18作相对转动。

主翼包括主翼杆13、主翼联动杆26、主翼骨架9、主翼加强杆6、机翼蒙皮14，主翼杆13的机身端平行固接有两个主翼杆连接件24，主翼杆连接件24的一端通过销轴22和连杆19连接。主翼杆13的副翼端平行固接有两个主翼联动杆连接件27，有三个主翼骨架9等间距地固接在主翼杆13上，主翼骨架9的上下表面蒙有机翼蒙皮14，主翼加强杆6穿过三个主翼骨架9并与主翼杆13和主翼骨架9固接在一起，主翼加强杆6的机身端固接有主翼加强杆连接件25。主翼通过主翼杆连接件24和主翼加强杆连接件25固接在主翼转轴23上，主翼转轴23连接在机身骨架15上。主翼联动杆26的两端分别固接有两个主翼联动杆连接件27。

副翼包括有副翼杆7、副翼骨架1、机翼蒙皮14，主翼杆13和主翼联动杆26的副翼端上的两对主翼联动杆连接件27分别通过副翼关节销轴29与两个副翼杆连接件28相连接，两副翼杆28之间固接有副翼杆7，副翼杆7上等间距地固接着4个副翼骨架1，副翼骨架1上蒙有机翼蒙皮14，使得副翼截面形状为凹凸型。

尾翼驱动舵装置包括有舵机固定件30、舵机31、臂32、球关节连杆33、十字联轴节34、尾翼连接件35，两个舵机31水平放置，并通过舵机固定件30与机身横梁11固接在一起，两个舵臂32分别与两个舵机31连接，舵臂32在舵机驱动下，可以与舵机31作相对转动。两个球形关节连杆33的两端分别与舵臂32和尾翼连接件35连接，尾翼关节35通过十字联轴节34与机身横梁11连接，尾翼关节35可以与机身横梁11作水平和竖直两个自由度的相对转动运动。

尾翼包括有尾翼垂直舵3、尾翼水平舵4，尾翼垂直舵3垂直固接在尾翼水平舵4上，尾翼水平舵4固接在尾翼连接件35上。

本发明工作时电源及控制模块2驱动无刷电机16逆时针转动，无刷电机16通过齿轮轴20将扭矩传递给右侧的齿轮17，使得右侧的齿轮17逆时针转动，左右两侧的两个齿轮17通过啮合，实现对称旋转运动。右侧的曲柄18在右侧的齿轮17的带动下驱动连杆19上下运动，连杆19驱动主翼杆18绕着主翼关节12摆动，实现主翼的上下扑动。连杆19同时还驱动主翼联动杆26相对主翼杆18平行移动，主翼杆18和主翼联动杆26共同驱动副翼杆7，使得副翼杆7绕着副翼关节8上下摆动，从而实现副翼的上下扑动。主翼和副翼的上下扑动的共同作用效果实现了与鸟类相似的扑翼动作。通过电源及控制模块2还驱动着尾翼驱动装置中的舵机31。两个舵机31同时向后摆动，尾翼随之相对机身向下运动，扑翼机向下俯冲，两个舵机31同时向前摆动，尾翼随之相对机身向上运动，扑翼机向上仰，左右舵机31一前一后摆动，尾翼随之相对机身左右运动，扑翼机左右转向。飞行过程中改变扑翼的频率还可以使得扑翼机爬升或下降。

本发明采取以上技术方案的有益效果是：左右扑翼动作通过齿轮啮合传动，这种传动方式可以保证左右扑翼机构的完全对称，提高了飞行的稳定性。扑翼为双关节、两段式扑翼，副翼的扑动通过主翼联动杆的传动，实现了副翼与主翼的联动，这种扑动方式更加具有仿生性，而且副翼的扑动确定的、有规律的。尾翼的动作通过两个舵机的联动实现，使得尾翼的动作更加灵活，更像鸟类的尾翼，操控更加方便；可以运用在双关节、大翼展的仿生飞行器的设计制造上。

附图说明

图1本发明的整体结构示意图

图2本发明的主体结构示意图

图3本发明的扑翼装置机构示意图

图4本发明的副翼关节结构示意图

图5本发明的副翼关节正视图

图6本发明的副翼关节俯视图

图7本发明的扑翼驱动装置正视图

图8本发明的扑翼驱动装置俯视图

图9本发明的尾翼驱动装置结构示意图

图10本发明的机身骨架结构示意图

图11本发明的连杆结构示意图

图12本发明的主翼杆固定件结构示意图

图13本发明的主翼联动杆连接件结构示意图

图14本发明的主翼加强杆连接件结构示意图

图15本发明的副翼杆连接件结构示意图

图16本发明的舵机固定件结构示意图

图17本发明的尾翼连接件结构示意图

图中：1、副翼骨架；2、电源及控制模块；3、尾翼垂直舵；4、尾翼水平舵；5、尾翼驱动装置；6、主翼加强杆；7、副翼杆；8、副翼关节；9、主翼骨架；10、扑翼驱动装置；11、机身横梁；12、主翼关节；13、主翼杆；14、机翼蒙皮；15、机身骨架；16、无刷电机；17、齿轮；18、曲柄；19、连杆；20、齿轮轴；21、滚珠轴承；22、销轴；23、主翼转轴；24、主翼杆连接件；25、主翼加强杆连接件；26、主翼联动杆；27、主翼联动杆连接件；28、副翼杆连接件；29、副翼关节销轴；30、舵机固定件；31、舵机；32、舵臂；33、球关节连杆；34、十字联轴节；35、尾翼连接件。

具体实施方式

结合图1-图17对本发明做进一步说明：

双关节仿生扑翼飞行器包括机身横梁11、扑翼驱动装置10、主翼杆13、副翼杆7、主翼加强杆6、主翼联动杆26、主翼关节12、副翼关节8、机身骨架15、主翼骨架9、副翼骨架1、尾翼驱动装置5、尾翼垂直舵3、尾翼水平舵4、电源及控制模块5。扑翼驱动装置10提供扑翼的动力，并将动力传递给主翼杆13和主翼联动杆26，副翼杆7在主翼联动杆26的作用下，与主翼同步运动，上下运动的特征与鸟类相同，主翼骨架9和副翼骨架1用于保证机翼的截面形状为凹凸状，主翼加强杆6用于保证主翼的结构稳定性，主翼关节12和副翼关节8用于连接机身、主翼和副翼，机身横梁11和机身骨架15用于连接固定各个部件，尾翼驱动装置5驱动尾翼垂直舵3和尾翼水平舵进行摆尾动作，安装时，尾翼水平舵与机身横梁间有5°左右的夹角，使得机翼有一定的攻角。电源及控制模块2提供扑翼飞行器飞行的能源，并对扑翼动作和尾翼的动作进行控制。

扑翼驱动装置10包括无刷电机16、齿轮17、曲柄18、连杆19、齿轮轴20、滚珠轴承21、销轴22。无刷电机16固定在机身骨架15上，无刷电机15的输出轴与一个齿轮17同轴心连接，并将动力传递给齿轮17。两个齿轮轴20左右对称地固接在两个机身骨架15上，机身骨架15前后相隔约0.05米固接在机身横梁11上，机身横梁11的材料为直径0.004米的3K碳纤维圆管，长度约为0.45米，机身骨架15的材料为0.001米厚的3K碳纤维板。两个同样的齿轮17通过滚珠轴承21连接在齿轮轴20的前端，并通过啮合传递动力。为了保证两个齿轮17上的运动，齿轮17的齿宽可以适当的增加。两个曲柄18分别与齿轮17固接在一起，两个连杆19通过销轴22分别与曲柄18连接。

上述扑翼驱动装置10中的齿轮模数为1模，齿数约为50，齿宽0.004米。曲柄转速约为4转/秒，曲柄和齿轮的材料为7075铝合金，表面经硬质氧化处理。曲柄的长度8为0.02米。销轴22的材料为304不锈钢，直径为0.003米。连杆19的材料为0.003米厚的3K平纹碳纤维板，长度约为0.05米。

主翼包括主翼杆13、主翼联动杆26、主翼骨架9、主翼加强杆6、机翼蒙皮14，主翼杆13的机身端平行固接有两个主翼杆连接件24，主翼杆连接件24的一端通过销轴22和连杆19连接，并可以相对转动。主翼杆13的副翼端，平行固接有两个主翼联动杆连接件27，主翼联动杆连接件27与主翼杆连接件24在同一平面内，从而保证主翼与副翼的扑动都在竖直平面内。有三个主翼骨架9等间距地固接在主翼杆13上，主翼骨架9的上下表面蒙有机翼蒙皮14，机翼蒙皮14的材料为0.002米厚的EPS泡沫板，通过速干胶水粘接在主翼骨架9的上下表面上。主翼加强杆6穿过三个主翼骨架9并与主翼杆13和主翼骨架9固接在一起，从而达到加强主翼的目的。主翼加强杆6的机身端固接有主翼加强杆连接件25其材料为3K碳纤维。主翼通过主翼杆连接件24和主翼加强杆连接件25固接在主翼转轴23上，主翼转轴23连接在机身骨架15上，主翼可以与机身骨架15相对转动。主翼联动杆26的两端分别固接有两个主翼联动杆连接件27。

上述主翼杆13和主翼联动杆26长度相等，材料均为0.004米直径的3K碳纤维圆管，长度约为0.3米。主翼杆13和主翼联动杆26两端的距离为0.015米。主翼加强杆6的长度约为0.25米，材料为0.003米直径的3K碳纤维圆管。主翼骨架9的材料为0.001米厚度的3K碳纤维板。主翼转轴23的长度约为0.06米，材料为304不锈钢。

副翼包括有副翼杆7、副翼骨架1、机翼蒙皮14。主翼杆13和主翼联动杆26的副翼端上的两对主翼联动杆连接件27分别通过副翼关节销轴29与两个副翼杆连接件28相连接，两个副翼杆连接件28之间平行排列，之间固接有副翼杆7，副翼杆7上等间距地固接着4个副翼骨架1，副翼骨架1上蒙有机翼蒙皮14，使得副翼截面形状为凹凸型。副翼骨架1具有一定的柔性，机翼蒙皮14也具有一定的柔性，使得机翼在上下扑动过程中副翼能够产生一定的柔性变形，从而产生较大的沿着机翼方向向后的推力。

上述副翼杆7的材料为0.004米直径的3K碳纤维圆管，长度约为0.4米。副翼骨架和副翼杆连接件28的材料均为0.001米厚3K碳纤维板。蒙上机翼蒙皮14后的机翼宽度约为0.2米，最大厚度约为0.03米。副翼关节转轴的材料为304不锈钢，直径为0.003米。

尾翼驱动装置包括有舵机固定件30、舵机31、舵臂32、球关节连杆33、十字联轴节34、尾翼连接件35。两个舵机31通过舵机固定件30与机身横梁11连接，两个舵臂32分别与两个舵机31连接，两个球形关节连杆33的两端分别与舵臂32和尾翼连接件35连接，尾翼关节35通过十字联轴节34与机身横梁11连接，十字联轴节34距离机身骨架15的距离约为0.2米。

上述舵机31的扭矩大小约为0.3牛·米，舵臂32的长度约为0.02米。为了尽可能地增大尾翼的活动范围，球形连杆33的总长度设定为0.05米。为了提高尾翼的稳定性，十字联轴节34的材料选用304不锈钢，尾翼连接件35的材料选用0.002米厚的3K碳纤维板，总长度约为0.03米，总宽度约为0.025米。

尾翼包括有尾翼垂直舵3、尾翼水平舵4，尾翼垂直舵3垂直固接在尾翼水平舵4上，尾翼水平舵4固接在尾翼连接件35上。尾翼水平舵安装后保证与机身的夹角为5°左右。尾翼垂直舵3和尾翼水平舵4的材料均为0.002米厚的EPS泡沫板，其中尾翼水平舵的长度约为0.04米，宽度约为0.035米，尾翼垂直舵3的面积约为尾翼水平舵4的一半。尾翼的这种设计方案可以大大提高尾翼的摆动范围和动作的柔和成度，从而可以更大程度的达到与鸟类相近的飞行效果。

电源及控制模块2中装有控制电路、电机驱动电路、无线传输模块、电源、舵机驱动控制模块。电源及控制模块2固定在机身横梁11上。通过电源及控制模块2可以实现扑翼飞行器的飞行控制。

以上所述，仅是本发明的较为良好的实施例，部分零件的设计可以参照图10～17，但是并非对本发明的其它形式的限制。参照图3的扑翼装置示意图，任何以该机构图为基础设计的实施例都在本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.双关节仿生扑翼飞行器，其包括机身、扑翼驱动装置、主翼、副翼、主翼关节、副翼关节、尾翼驱动装置、尾翼，其特征在于：机身包括机身横梁（11）和机身骨架（15），两相同的机身骨架（15）并排固接在机身横梁（11）上，机身横梁（11）穿过机身骨架（15）的中心。扑翼驱动装置（10）固接在机身骨架（15）上，主翼通过主翼关节（12）与机身骨架（15）相连，主翼可以主翼关节（12）为转轴，绕机身骨架（15）作相对转动；副翼通过副翼关节（8）与主翼相连，副翼可以主副翼关节（8）为转轴，绕主翼作相对转动；尾翼驱动装置（5）固接在机身横梁（11）的后端，尾翼与尾翼驱动装置连接；

扑翼驱动装置（10）包括无刷电机（16）、齿轮（17）、曲柄（18）、连杆（19）、齿轮轴（20）、滚珠轴承（21）、销轴（22），无刷电机（16）固定在机身骨架（15）上，无刷电机的输出轴与一个齿轮（17）同轴心连接，齿轮轴（20）固接在两个机身骨架（15）上，两个同样的齿轮（17）通过滚珠轴承（21）连接在齿轮轴（20）的前端，并通过啮合传动，两个曲柄（18）分别与齿轮（17）固接在一起，无相对运动，两个连杆（19）通过销轴（22）分别与曲柄（18）连接，连杆（19）可以销轴（22）为转轴，与曲柄（18）作相对转动；

主翼包括主翼杆（13）、主翼联动杆（26）、主翼骨架（9）、主翼加强杆（6）、机翼蒙皮（14），主翼杆（13）的机身端平行固接有两个主翼杆连接件（24），主翼杆连接件（24）的一端通过销轴（22）和连杆（19）连接。主翼杆（13）的副翼端平行固接有两个主翼联动杆连接件（27），有三个主翼骨架（9）等间距地固接在主翼杆（13）上，主翼骨架（9）的上下表面蒙有机翼蒙皮（14），主翼加强杆（6）穿过三个主翼骨架（9）并与主翼杆（13）和主翼骨架（9）固接在一起，主翼加强杆（6）的机身端固接有主翼加强杆连接件（25）；主翼通过主翼杆连接件（24）和主翼加强杆连接件（25）固接在主翼转轴（23）上，主翼转轴（23）连接在机身骨架（15）上；主翼联动杆（26）的两端分别固接有两个主翼联动杆连接（27）；

副翼包括有副翼杆（7）、副翼骨架（1）、机翼蒙皮（14），主翼杆（13）和主翼联动杆（26）的副翼端上的两对主翼联动杆连接件（27）分别通过副翼关节销轴（29）与两个副翼杆连接件（28）相连接，两副翼杆（28）之间固接有副翼杆（7），副翼杆（7）上等间距地固接着4个副翼骨架（1），副翼骨架（1）上蒙有机翼蒙皮（14），使得副翼截面形状为凹凸型；

尾翼驱动舵装置包括有舵机固定件（30）、舵机（31）、舵臂（32）、球关节连杆（33）、十字联轴节（34）、尾翼连接件（35），两个舵机（31）水平放置，并通过舵机固定件（30）与机身横梁（11）固接在一起，两个舵臂（32）分别与两个舵机（31）连接，舵臂（32）在舵机驱动下，可以与舵机（31）作相对转动；两个球形关节连杆（33）的两端分别与舵臂（32）和尾翼连接件（35）连接，尾翼关节（35）通过十字联轴节（34）与机身横梁（11）连接，尾翼关节（35）可以与机身横梁（11）作水平和竖直两个自由度的相对转动运动；

尾翼包括有尾翼垂直舵（3）、尾翼水平舵（4），尾翼垂直舵（3）垂直固接在尾翼水平舵（4）上，尾翼水平舵（4固接在尾翼连接件（35）上。

Images