CN104260885A - 一种适用于微型扑翼飞行器的鱼尾式扑动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于微型扑翼飞行器的鱼尾式扑动机构，机体架前部安装有驱动电机模块、减速齿轮模块、尾柄，驱动电机模块中的驱动电机输出齿轮与减速齿轮模块中的减速齿轮啮合，减速齿轮模块上的曲轴通过球形铰链与尾柄连杆下端连接，尾柄通过球形铰链与尾柄连杆上端连接，尾柄的后端连接柔性铰链的前端，柔性铰链的后端连接鱼尾扑翼面，机体架后部安装有偏航舵机支架和俯仰舵机，俯仰舵机的摇臂连接俯仰舵机连杆的下端，偏航舵机支架连接俯仰舵机连杆的上端，偏航舵机安装在偏航舵机支架上，尾翼面直接安装在偏航舵机输出轴上。本发明主翼面通过模仿鱼类尾部的摆动来为飞行器提供升推力，具有构型新颖、飞行效率高、结构简单等优点。

Description

一种适用于微型扑翼飞行器的鱼尾式扑动机构

技术领域

本发明涉及一种适用于微型扑翼飞行器的鱼尾式扑动机构，属于微型扑翼飞行器技术领域。

背景技术

微型扑翼飞行器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。

昆虫、鸟类等飞行动物和鱼类等水生动物经历了近亿年的进化过程，发展了各具特色的在水中游动和空中飞行的非凡能力，其整体功能趋于优化，为当前的人造飞行器和水下航行器所望尘莫及。例如，处于食物链顶端的海洋水生动物巡游时的流体推进效率可高达80％以上。人们早先用摇橹方式行船，以模仿鱼尾摆规律，自从采用螺旋桨推进后，其效率即下降至40％以下。关于“游动”和“飞行”的研究催生了一门新兴的交叉学科—生物运动力学，它的研究对象是：将鱼、昆虫等生物视为一个个有生命的机器，要研究它们在神经信号控制下，驱动其强劲的推进肌产生收缩动作，形成波状摆动或拍翼运动，将肌肉中蕴含的生化能转化为机械能，从而实现自主游动和自主飞行。该交叉学科需要解决的重大科学问题是：要研究和建立游动和飞行生物作为一类自主运动生命机器的力学设计概念及其运动链的系列理论，包括生物结构、形态和运动模式、生物材料性能、推进机制、能量转换机制及其效率等。由于这类生命机器中运动链的末端表现为执行器官(即往复摆动的鱼体、拍动的昆虫翼等)的运动与周围介质的相互作用，生物外部流体力学自然成为该学科的关键环节。

在鱼类中，按鱼体及其背鳍、腹鳍和尾鳍的波状游动的不同特点，可以把鱼类波状摆动推进方式细分为多种运动模式。如果只顾及鱼体(包括尾鳍)的运动，大体上可划分为鳗鲡模式、鲹科模式和月牙尾推进等三种模式，鳗鲡模式是指整个鱼体从头到尾作波状摆动，而且波幅基木不变或向后略有增加；鲹科模式的游动速度较高，可以认为是在鳗鲡模式基础上的改进，鱼的前体失去柔性，波状摆动仅集中在鱼体后半部或后1/3段，往后摆幅增加很快，与此相应的体形特点是；鱼体后段先收缩，形成尾柄，然后连接尾鳍；月牙尾推进模式的游速更高，在鲹科模式基础上发展了大展弦比、新月形尾鳍，月牙尾的大幅度摆动形成一个高效推进器。从流体理论方面的研究来看，任何处于流场中的物体都会造成尾随其后的旋转涡流，而同其它物体所不同的是：鱼类能够利用其尾鳍的摆动制造涡流，并形成推进其前进的力量——射流。这些喷射出的涡流水柱在鱼类的推进上具有极为重要的作用，鱼类就是通过合理地运用这些射流来达到相当可观的游动效率。

从生物外部流体力学角度来看，鱼类和鸟类是相似的，只是介质不同。目前已经有很多鸟类扑翼研究的成果运用在无人水中航行器上。近年来，也有部分水生生物的研究成果逐渐应用到航空器上，例如德国Festo公司制造的仿生企鹅飞艇和仿生魟鱼飞艇，还有美国海军研究院的扑翼推进MAV，但航空器水生生物仿生技术的研究还处在初期发展阶段。

发明制造出“像鱼一样在天上游的鸟”要远比发明制造出“像鸟一样在水里飞的鱼”困难。第一个原因是：因为多数鱼类不需要依靠运动产生浮力，而鸟类必须依靠运动才能产生升力，所以鸟类的气动面，无论是运动还是结构，都得复杂的多。第二个原因是：由于气动面要同时产生推力和升力而带来的纵向配平问题，试想升力产生于鸟尾，那么鸟头处必须也有一个升力才能平衡，这也是飞行生物翅膀都长于身体中部两侧的原因。

发明内容

本发明的目的是为了探索不同的微型扑翼飞行器构型，寻找新的扑动方法，克服现有扑翼仿生思路单一的现状，本发明提出一种全新的扑翼飞行器设计，主翼面通过模仿鱼类尾部的摆动来为飞行器提供升推力，具有构型新颖、飞行效率高、结构简单等优点。

一种适用于微型扑翼飞行器的鱼尾式扑动机构，包括机体架、驱动电机模块、减速齿轮模块、尾柄连杆、尾柄、柔性铰链、鱼尾扑翼面、俯仰舵机连杆、偏航舵机、尾翼面、偏航舵机支架、俯仰舵机；

机体架为“U”型结构，机体架前部安装有驱动电机模块、减速齿轮模块、尾柄，驱动电机模块中的驱动电机输出齿轮与减速齿轮模块中的减速齿轮啮合，减速齿轮模块上的曲轴通过球形铰链与尾柄连杆下端连接，尾柄通过球形铰链与尾柄连杆上端连接，尾柄的后端连接柔性铰链的前端，柔性铰链的后端连接鱼尾扑翼面，机体架后部安装有偏航舵机支架和俯仰舵机，俯仰舵机的摇臂连接俯仰舵机连杆的下端，偏航舵机支架连接俯仰舵机连杆的上端，偏航舵机安装在偏航舵机支架上，尾翼面直接安装在偏航舵机输出轴上。

本发明的优点在于：

(1)构思新颖，将鱼类尾部扑动原理首次应用于微型扑翼飞行器上；

(2)相对常规扑翼飞行器，传动系统简单、效率高；

(3)通过被动变形的简单零件实现拟合行波的复杂运动。

附图说明

图1是适用于微型扑翼飞行器的鱼尾式扑动机构示意图；

图2适用于微型扑翼飞行器的鱼尾式扑动机构装配示意图；

图3机体架前部示意图；

图4机体架后部示意图；

图5、图6、图7、图8一周期内不同时刻扑动示意图；

图9俯仰操纵示意图；

图10偏航操纵示意图；

图11主翼及尾翼角度示意图；

图12主翼材料组成示意图。

图中：

1.机体架；     2.驱动电机模块；   3.减速齿轮模块；   4.尾柄连杆；

5.尾柄；       6.柔性铰链；       7.鱼尾扑翼面；     8.俯仰舵机连杆；

9.偏航舵机；   10.尾翼面；        11.偏航舵机支架；  12.俯仰舵机。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

从气动布局上看，如果把“鱼尾”倾斜向前上方安装，那么向下后的推力分解到垂直和水平方向，正好可以抵消前向阻力和重力；从配平上看，如果把“鱼尾”安装到飞行器中部，飞行器尾部再配合以传统的负迎角安装的水平安定面，那么飞行器不但能得到俯仰安定，而且还能使用常规方法来操纵，如图11所示。

根据上述原理，本发明采用的气动布局技术方案是：将机身设计成“U”型结构(从机身左侧看)。“U”型结构的左边上方是主翼面的翼台，用于安装主翼面，主翼面将在“U”型结构的开口中自如活动，“U”型结构的左边下方用于安装驱动机构；“U”型结构的右边上方是尾部翼面的翼台，用于安装尾翼面，“U”型结构的右边下方用于安装操纵机构；“U”型结构的下边用于安装电源和其它设备。这样可以将主翼面移动到传统位置，以便于配平和操纵。

从扑动模式上看，月牙尾模式鱼类游速最快，扑翼外形应尽量接近月牙尾模式的鱼类。此类鱼体的推进行波从刚性鱼头向后到尾鳍方向传播，且行波波幅逐渐增大，在鱼体后颈部位置波幅达到最大值，鱼体波动运动的最大侧向位移出现在尾鳍处，扑翼飞行器的扑动模式要尽量复原这种运动。

根据上述原理，本发明采用的扑动模式技术方案是：由尾柄5、柔性铰链6、鱼尾扑翼面7相互连接共同构成推进体，柔性铰链6、鱼尾扑翼面7均具有较大柔性，依靠整个推进体波动实现推进；通过材料设计实现柔性铰链、鱼尾扑翼面不同位置的柔性，使得在尾柄5的驱动下推进体能够拟合1/2个行波波长。

根据上述原理，本发明采用的操纵方案是：机体架1“U”型结构的右边上方安装有俯仰舵机12和俯仰轴，偏航舵机9、尾翼面10、偏航舵机支架11共同构成了尾部结构，俯仰舵机12通过俯仰舵机连杆8可牵拉整个尾部结构绕俯仰轴上下摆动；偏航舵机支架11上固定安装偏航舵机9，尾翼面10固连在偏航舵机9的输出轴上，偏航舵机9可直接左右扭动尾翼面10。

具体的，本发明提出一种适用于微型扑翼飞行器的鱼尾式扑动机构，如图1、图2，包括机体架1、驱动电机模块2、减速齿轮模块3、尾柄连杆4、尾柄5、柔性铰链6、鱼尾扑翼面7、俯仰舵机连杆8、偏航舵机9、尾翼面10、偏航舵机支架11、俯仰舵机12。

机体架1为“U”型结构，如图3所示，机体架1前部安装有驱动电机模块2、减速齿轮模块3、尾柄5，驱动电机模块2中的驱动电机输出齿轮与减速齿轮模块3中的减速齿轮啮合，减速齿轮模块3上的曲轴通过球形铰链与尾柄连杆4下端连接，尾柄5通过球形铰链与尾柄连杆4上端连接，尾柄5的后端连接柔性铰链6的前端，柔性铰链6的后端连接鱼尾扑翼面7；如图4所示，机体架1后部安装有偏航舵机支架11和俯仰舵机12，俯仰舵机12的摇臂连接俯仰舵机连杆8的下端，偏航舵机支架11连接俯仰舵机连杆8的上端，偏航舵机9安装在偏航舵机支架11上，尾翼面10直接安装在偏航舵机9输出轴上。

鱼尾扑翼面7如图12所示，包括碳骨架和翼膜，翼膜固定在碳骨架上，鱼尾扑翼面7为一刚体，而非传统扑翼飞行器的左右两个或四个活动面。鱼尾扑翼面7后半部分有较大柔性，由于气流原因，下扑时后缘向上有较大挠度，上扑时后缘向下有较大挠度，增加了推进效率。

尾柄5的后端连接柔性铰链6的前端，柔性铰链6的后端连接鱼尾扑翼面7，尾柄5、柔性铰链6、鱼尾扑翼面7组成的扑动机构作正弦行波运动(从机身左侧看)。

机体架1设计成“U”型结构(从机身左侧看)。“U”型结构的左边上方是主翼面的翼台，用于安装主翼面，“U”型结构的左边下方用于安装驱动机构；“U”型结构的右边上方是尾部翼面的翼台，用于安装尾翼面，“U”型结构的右边下方用于安装操纵机构；“U”型结构的下边用于安装电源和其它设备。

机体架1后部安装的俯仰舵机12，俯仰舵机12输出轴的转动带动整个扑翼飞行器尾部上下摆动以控制飞行器俯仰。

偏航舵机支架11上安装有偏航舵机9，偏航舵机9输出轴的转动带动整个扑翼飞行器尾部左右扭转以控制飞行器偏航。

实施例：

首先对扑翼飞行器的起飞重量、翼载荷和推重比进行设计；再对总体布局、总体参数、飞发匹配、机翼平面外形、翼型及舵面配置进行设计，形成图纸；最后选择材料和工艺，对飞行器进行加工。

本实施例中机体架1采用碳纤板材加工；机体架1“U”型结构的左边上方打有驱动电机模块2安装孔、减速齿轮模块3安装孔、和尾柄5安装孔，用于驱动电机模块2、减速齿轮模块3和尾柄5的安装；机体架1“U”型结构的右边打有俯仰舵机12安装孔，用于俯仰舵机12安装；机体架1“U”型结构的右边上方突出有俯仰轴，俯仰轴用于和整个尾部结构连接。

驱动电机模块2是由驱动电机和驱动电机输出齿轮组成的独立零件；

减速齿轮模块3是由减速齿轮、减速齿轮轴和曲轴组成的独立零件；其中驱动电机输出齿轮和减速齿轮应能顺利啮合，曲轴外端的球形铰链应能与尾柄连杆4下端自如连接。

尾柄5、柔性铰链6、鱼尾扑翼面7顺序连接成一整体，应保证柔性铰链6、鱼尾扑翼面7的柔性运动不受其它结构阻碍；尾柄5前端的球形铰链应能与尾柄连杆4上端自如连接；尾柄5的上下摆动中心线相对来流方向应有5～10°的迎角α。如图11所示。

偏航舵机支架11上打有偏航舵机9安装孔用于偏航舵机9安装；俯仰舵机连杆8的一端连接俯仰舵机12的输出摇臂，另一端连接到偏航舵机支架11的球型铰链上，俯仰舵机12的输出摇臂转动应有足够的行程以通过俯仰舵机连杆8牵拉飞行器尾部能做±15°的上下摆动，俯仰舵机12的中立位置应使尾翼面10停留在安装角(β)－10°的中立位置，如图11所示；尾翼面10是直接固定在偏航舵机9输出轴上的，偏航舵机9应有足够的行程保证尾翼面10能进行±30°的偏转。

装配时：

驱动电机模块2和减速齿轮模块3用螺钉固定在机体架1上；尾柄5上的摆动轴直接插入机体架1相应孔中；尾柄连杆4的两端分别压入减速齿轮模块3和尾柄5的相应球型铰链中；尾柄5和柔性铰链6胶结，柔性铰链6和鱼尾扑翼面7胶结；偏航舵机9用螺钉固定在偏航舵机支架11上；尾翼面10直接压入偏航舵机9输出轴上；俯仰舵机12用螺钉固定在机体架1上；偏航舵机支架11通过轴承连接到机体架1俯仰轴上；俯仰舵机连杆8的一端插入俯仰舵机12输出摇臂上，俯仰舵机连杆8的另一端压入偏航舵机支架11上响应球型铰链里。

一周期内不同时刻扑动时：

如图5至图8为飞行器一周期内不同时刻扑动示意图，时刻0，鱼尾扑翼面下扑到水平，时刻1/8，鱼尾扑翼面开始上扑，时刻1/4，鱼尾扑翼面上扑到最大角度，时刻3/8，鱼尾扑翼面逐渐减小上扑角度，时刻1/2，鱼尾扑翼面上扑到水平，时刻5/8，鱼尾扑翼面开始下扑，时刻3/4，鱼尾扑翼面下扑到最大角度，时刻7/8，鱼尾扑翼面逐渐减小下扑角度。

飞行时，如图9、10所示：

迎风，手握机体架1，通过遥控器控制驱动电机模块2加速，当鱼尾扑翼面7开始上下快速摆动时，手抛起飞。

通过遥控器控制俯仰舵机12逆时针(从机身左侧看)旋转一定角度，尾翼面10上打，飞行器上仰；通过遥控器控制俯仰舵机12顺时针(从机身左侧看)旋转一定角度，尾翼面10下打，飞行器下俯。

通过遥控器控制偏航舵机9顺时针(从机身前部看)旋转一定角度，尾翼面10左打，飞行器左偏航；通过遥控器控制偏航舵机9逆时针(从机身前部看)旋转一定角度，尾翼面10右打，飞行器右偏航。

将飞行器转到迎风方向，减小驱动电机模块2转速，逐步降低高度，同时逐步使飞行器姿态上仰，飞行器降落。

Claims (4)

1.一种适用于微型扑翼飞行器的鱼尾式扑动机构，包括机体架、驱动电机模块、减速齿轮模块、尾柄连杆、尾柄、柔性铰链、鱼尾扑翼面、俯仰舵机连杆、偏航舵机、尾翼面、偏航舵机支架、俯仰舵机；

机体架为“U”型结构，机体架前部安装有驱动电机模块、减速齿轮模块、尾柄，驱动电机模块中的驱动电机输出齿轮与减速齿轮模块中的减速齿轮啮合，减速齿轮模块上的曲轴通过球形铰链与尾柄连杆下端连接，尾柄通过球形铰链与尾柄连杆上端连接，尾柄的后端连接柔性铰链的前端，柔性铰链的后端连接鱼尾扑翼面，机体架后部安装有偏航舵机支架和俯仰舵机，俯仰舵机的摇臂连接俯仰舵机连杆的下端，偏航舵机支架连接俯仰舵机连杆的上端，偏航舵机安装在偏航舵机支架上，尾翼面直接安装在偏航舵机输出轴上。

2.根据权利要求1所述的一种适用于微型扑翼飞行器的鱼尾式扑动机构，所述的鱼尾扑翼面包括碳骨架和翼膜，翼膜固定在碳骨架上，鱼尾扑翼面为一刚体。

3.根据权利要求1所述的一种适用于微型扑翼飞行器的鱼尾式扑动机构，所述的俯仰舵机的输出轴转动，带动整个扑翼飞行器尾部上下摆动，以控制飞行器俯仰。

4.根据权利要求1所述的一种适用于微型扑翼飞行器的鱼尾式扑动机构，所述的偏航舵机的输出轴的转动，带动整个扑翼飞行器尾部左右扭转，以控制飞行器偏航。