CN104276283B - 一种仿大型鸟类低频扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿大型鸟类低频扑翼飞行器，包括机架(1)、齿轮曲柄摇杆机构(2)、左扑翼系统(3)及右扑翼系统(4)，所述左扑翼系统(3)、右扑翼系统(4)分别位于机架(1)两侧，并通过机架(1)与齿轮曲柄摇杆机构(2)连接。本发明先通过两组大小齿轮形成的两级齿轮减速传动，再通过曲柄摇杆机构分别驱动左右扑翼，从而实现了低频扑动。与现有技术相比，本发明通过左右扑翼的特殊设计，在扑动过程中实现扑翼旋转和下折，更好地仿生了大型鸟类的飞行过程，有利于提升扑动过程中的升力和推力。

Description

一种仿大型鸟类低频扑翼飞行器

技术领域

本发明涉及一种扑翼飞行器，尤其是涉及一种仿大型鸟类低频扑翼飞行器。

背景技术

扑翼的飞行方式广泛存在于自然界飞行生物的飞行之中，扑翼飞行囊括了固定翼飞行和旋翼飞行的优点，可以快速的起飞、加速和悬停，具有高度机动性和灵活性。飞行生物的飞行方式大致可以分为三类：低频率的扑动飞行，如许多大型鸟类(鹰、鹫、大雁、海鸥、天鹅等)，翼展较长较大，扑动频率较低，从零到数十赫兹不等，采用低频率的扑动和滑翔相结合的扑动形式；中频的扑动飞行，主要为体形中等的鸟类(如燕子、麻雀、鸽子等)，翅膀不太大，扑动频率相对较高，极少采用滑翔方式；高频的扑动飞行，这种飞行方式是采用频率极高、翅膀的运动规律复杂的扑翼形式，如蜂鸟及体形更小的鸟类和大多数昆虫，扑动频率约为60～80赫兹，能够在空中实现前进、后退、悬停和其它一些高难度的机动飞行。

仿大型鸟类扑翼飞行器由于翼展较长、扑动频率较低等特点，比较适合的外形大小是1米至2米，属于超小型飞行器范畴。该种飞行器最常采用的动力为微小型直流电动机，关键之处在于扑动机构和两个扑翼的仿生设计。

目前，针对仿大型鸟类低频扑翼飞行器的设计，基本上采用齿轮传动加一维刚性翼方案，离真正的大型鸟类的飞行还有很大差距。如何实现如大型鸟类一样逼真的扑翼飞行效果，是该类型飞行器设计的难点。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种仿生大型鸟类飞行效果的低频扑翼飞行器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种仿大型鸟类低频扑翼飞行器，包括机架、齿轮曲柄摇杆机构、左扑翼系统及右扑翼系统，所述机架包括T型前支架、T型后支架、主梁及支撑底板，所述主梁分别与T型前支架、T型后支架固定连接，所述支撑底板分别与T型前支架、T型后支架固定连接，所述左扑翼系统、右扑翼系统分别位于机架两侧，并通过机架与齿轮曲柄摇杆机构连接。

所述齿轮曲柄摇杆机构包括大齿轮a、小齿轮a、大齿轮b、小齿轮b、连杆、左扇形齿轮、右扇形齿轮、销轴a、销轴b、销轴c、销轴d、电池及电机，

所述电池与电机固定在机架上，电池与电机连接，

所述小齿轮a与电机连接，并与大齿轮a啮合传动，

所述销轴c以旋转副的形式穿过T型前支架，一端与大齿轮a固定连接，另一端与小齿轮b固定连接，

所述小齿轮b与大齿轮b啮合传动，所述大齿轮b通过销轴a与T型前支架以旋转副连接，

所述连杆一端通过销轴b与大齿轮b以旋转副连接，另一端通过销轴d与左扇形齿轮以旋转副连接，

所述左扇形齿轮与T型前支架左端以旋转副连接，所述左扇形齿轮与右扇形齿轮啮合传动，所述右扇形齿轮与T型前支架右端以旋转副连接，所述左扇形齿轮与右扇形齿轮参数完全一致，使左右扑翼的扑动一致。

所述销轴b固定在大齿轮b上并与其圆心保持一定距离。

所述销轴d与左扇形齿轮的圆心保持一定的距离。

所述左扑翼系统包括左摇杆、左前三角翼、左后三角翼、左扇形翼、小摇杆a、小摇杆b、小摇杆c、小摇杆d、小摇杆e、三角槽块a、三角槽块b、三角槽块c、三角槽块d，

所述左摇杆侧面与左前三角翼固定连接，一端与左扇形齿轮固定连接，另一端与三角槽块a连接，

所述三角槽块a与左前三角翼固定连接，并与小摇杆a以旋转副连接，所述小摇杆a与左后三角翼固定连接，

所述小摇杆e一端与T型后支架左端以旋转副连接，另一端与左前三角翼固定连接，所述三角槽块b与左前三角翼固定连接，并以旋转副与小摇杆b连接，所述小摇杆b与左后三角翼固定连接，

所述三角槽块c与左后三角翼固定连接，并以旋转副与小摇杆c连接，所述小摇杆c与左扇形翼固定连接，

所述三角槽块d与左后三角翼固定连接，并以旋转副与小摇杆d连接，所述小摇杆d与左扇形翼固定连接。

所述三角槽块c和三角槽块d的三角槽角度相等并且大小可以调整。

所述三角槽块a和三角槽块b的三角槽角度相等并且大小可以调整。

所述右扑翼系统包括右摇杆、右前三角翼、右后三角翼、右扇形翼、小摇杆f、小摇杆g、小摇杆h、小摇杆i、小摇杆j、三角槽块f、三角槽块g、三角槽块h、三角槽块i，

所述右摇杆侧面与右前三角翼固定连接，一端与右扇形齿轮固定连接，另一端与三角槽块f连接，

所述三角槽块f与右前三角翼固定连接，并与小摇杆f以旋转副连接，所述小摇杆f与右后三角翼固定连接，

所述小摇杆j一端与T型后支架右端以旋转副连接，另一端与右前三角翼固定连接，所述三角槽块g与右前三角翼固定连接，并以旋转副与小摇杆g连接，所述小摇杆g与右后三角翼固定连接，

所述三角槽块h与右后三角翼固定连接，并以旋转副与小摇杆h连接，所述小摇杆h与右扇形翼固定连接，

所述三角槽块i与右后三角翼固定连接，并以旋转副与小摇杆i连接，所述小摇杆i与右扇形翼固定连接，

所述三角槽块i和三角槽块h的三角槽角度相等并且大小可以调整。

所述三角槽块f和三角槽块g的三角槽角度相等并且大小可以调整。

与现有技术相比，本发明先通过两个大小齿轮组成的两级齿轮减速传动，再通过曲柄摇杆机构分别驱动左右扑翼，从而实现低频扑动。本发明通过左右扇形齿轮啮合传动保证了左右扑翼扑动的完全对称，通过前三角翼、后三角翼以及三角槽块的设计达到上扑过程中由于空气作用使后三角翼和扇形翼能同时向后旋转一定角度的效果，通过后三角翼、扇形翼以及三角槽块的设计达到上扑过程中由于空气作用使扇形翼能向下折一定角度的效果，而下扑过程中前三角翼、后三角翼和扇形翼由于空气作用将成为一平面翼的效果，这种扑动过程中扑翼旋转和下折效果更好地仿生了大型鸟类的飞行过程，有利于提升扑动过程中的升力和推力。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明机架结构示意图。

图3为本发明齿轮曲柄摇杆机构示意图。

图4为本发明左扑翼系统的示意图。

图5为本发明右扑翼系统的示意图。

图6为本发明三角槽块和小摇杆的结构示意图。

图1中，标号表示内容如下：机架1、齿轮曲柄摇杆机构2、左扑翼系统3、右扑翼系统4、左前三角翼32、左后三角翼33、左扇形翼34、右前三角翼42、右后三角翼43、右扇形翼44、方向舵机51、控制模块52、升降舵机53、垂直安定面54、方向舵55、水平安定面56、升降舵57；

图2中，标号表示内容如下：T型前支架11、T型后支架12、主梁13、支撑底板14；

图3中，标号表示内容如下：大齿轮a 20、小齿轮a 21、大齿轮b 22、小齿轮b 23、连杆24、左扇形齿轮25、右扇形齿轮26、销轴a 27a、销轴b 27b、销轴c 27c、销轴d 27d、电池28、电机29；

图4中，标号表示内容如下：左摇杆31、左前三角翼32、左后三角翼33、左扇形翼34、小摇杆a 35a、小摇杆b 35b、小摇杆c 35c、小摇杆d 35d、小摇杆e 35e、三角槽块a 36a、三角槽块b 36b、三角槽块c 36c、三角槽块d 36d；

图5中，标号表示内容如下：右摇杆41、右前三角翼42、右后三角翼43、右扇形翼44、小摇杆f 45f、小摇杆g 45g、小摇杆h 45h、小摇杆i 45i、小摇杆j 45j、三角槽块f 46f、三角槽块g 46g、三角槽块h 46h、三角槽块i 46i。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1-2所示，一种仿大型鸟类低频扑翼飞行器，包括机架1、齿轮曲柄摇杆机构2、左扑翼系统3及右扑翼系统4，所述机架包括T型前支架11、T型后支架12、主梁13及支撑底板14，所述主梁13分别与T型前支架11、T型后支架12固定连接，所述支撑底板14分别与T型前支架11、T型后支架12固定连接，所述左扑翼系统3、右扑翼系统4分别位于机架1两侧，并通过机架1与齿轮曲柄摇杆机构2连接。

如图3所示，所述齿轮曲柄摇杆机构2包括大齿轮a 20、小齿轮a 21、大齿轮b 22、小齿轮b 23、连杆24、左扇形齿轮25、右扇形齿轮26、销轴a 27a、销轴b27b、销轴c 27c、销轴d 27d、电池28及电机29，所述电池28与电机29固定在机架1上，电池28与电机29连接，所述小齿轮a 21与电机29连接，并与大齿轮a 20啮合传动，所述销轴c 27c以旋转副的形式穿过T型前支架11，一端与大齿轮a 20固定连接，另一端与小齿轮b 23固定连接，所述小齿轮b 23与大齿轮b 22啮合传动，所述大齿轮b 22通过销轴a 27a与T型前支架11以旋转副连接，所述连杆24一端通过销轴b 27b与大齿轮b 22以旋转副连接，另一端通过销轴d 27d与左扇形齿轮25以旋转副连接，所述左扇形齿轮25与T型前支架11左端以旋转副连接，所述左扇形齿轮25与右扇形齿轮26啮合传动，所述右扇形齿轮26与T型前支架11右端以旋转副连接，所述左扇形齿轮25与右扇形齿轮26参数完全一致，使左右扑翼的扑动一致。所述销轴b 27b固定在大齿轮b 22上并与其圆心保持一定距离。所述销轴d 27d与左扇形齿轮25的圆心保持一定的距离。

如图4、6所示，所述左扑翼系统3包括左摇杆31、左前三角翼32、左后三角翼33、左扇形翼34、小摇杆a 35a、小摇杆b 35b、小摇杆c 35c、小摇杆d 35d、小摇杆e 35e、三角槽块a 36a、三角槽块b 36b、三角槽块c 36c、三角槽块d 36d，所述左摇杆31侧面与左前三角翼32固定连接，一端与左扇形齿轮25固定连接，另一端与三角槽块a 36a连接，所述三角槽块a 36a与左前三角翼32固定连接，并与小摇杆a 35a以旋转副连接，所述小摇杆a 35a与左后三角翼33固定连接，所述小摇杆e 35e一端与T型后支架12左端以旋转副连接，另一端与左前三角翼32固定连接，所述三角槽块b 36b与左前三角翼32固定连接，并以旋转副与小摇杆b 35b连接，所述小摇杆b 35b与左后三角翼33固定连接，所述三角槽块c 36c与左后三角翼33固定连接，并以旋转副与小摇杆c 35c连接，所述小摇杆c 35c与左扇形翼34固定连接，所述三角槽块d 36d与左后三角翼33固定连接，并以旋转副与小摇杆d 35d连接，所述小摇杆d 35d与左扇形翼34固定连接，所述三角槽块c 36c和三角槽块d 36d的三角槽角度相等并且大小可以调整。所述三角槽块a 36a和三角槽块b 36b的三角槽角度相等并且大小可以调整。

如图5、6所示，所述右扑翼系统4包括右摇杆41、右前三角翼42、右后三角翼43、右扇形翼44、小摇杆f 45f、小摇杆g 45g、小摇杆h 45h、小摇杆i 45i、小摇杆j 45j、三角槽块f 46f、三角槽块g 46g、三角槽块h 46h、三角槽块i 46i，所述右摇杆41侧面与右前三角翼42固定连接，一端与右扇形齿轮26固定连接，另一端与三角槽块f 46f连接，所述三角槽块f 46f与右前三角翼42固定连接，并与小摇杆f 45f以旋转副连接，所述小摇杆f 45f与右后三角翼43固定连接，所述小摇杆j 45j一端与T型后支架12右端以旋转副连接，另一端与右前三角翼42固定连接，所述三角槽块g 46g与右前三角翼42固定连接，并以旋转副与小摇杆g 45g连接，所述小摇杆g 45g与右后三角翼43固定连接，所述三角槽块h 46h与右后三角翼43固定连接，并以旋转副与小摇杆h 45h连接，所述小摇杆h 45h与右扇形翼44固定连接，所述三角槽块i 46i与右后三角翼43固定连接，并以旋转副与小摇杆i 45i连接，所述小摇杆i 45i与右扇形翼44固定连接，所述三角槽块i 46i和三角槽块h 46h的三角槽角度相等并且大小可以调整。所述三角槽块f 46f和三角槽块g 46g的三角槽角度相等并且大小可以调整。

本发明的一个优选实施例如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，仿大型鸟类低频扑翼飞行器，主要由机架、齿轮曲柄摇杆机构、左扑翼系统、右扑翼系统和尾翼系统组成。可以构成如下扑翼飞行效果：左右扑翼对称低频扑动；扑动过程中扑翼旋转并下折一定角度的效果；飞行器的转向和俯仰飞行。

具体如下：

左右扑翼对称低频扑动：电机29驱动小齿轮a 21，小齿轮a 21与大齿轮a 20啮合传动，大齿轮a 20通过销轴c 27c带动小齿轮b 23，小齿轮b 23与大齿轮b 22啮合传动，大齿轮b 22通过连杆24带动左扇形齿轮25，左扇形齿轮25驱动左摇杆31扑动；左扇形齿轮25与右扇形齿轮26啮合传动，右扇形齿轮26驱动右摇杆41扑动。其中，小齿轮a 21与大齿轮a 20啮合传动，小齿轮b 23与大齿轮b 22啮合传动，构成两级减速齿轮传动，以达到低频扑动的效果；左扇形齿轮25与右扇形齿轮26啮合传动并且参数完全一致，以实现左右对称扑动。

扑翼旋转并下折效果：左摇杆31带动左前三角翼32扑动，左前三角翼32通过三角槽块a 36a、小摇杆a 35a、三角槽块b 36b、小摇杆b 35b带动左后三角翼33扑动，左后三角翼33通过三角槽块c 36c、小摇杆c 35c、三角槽块d 36d、小摇杆d 35d带动左扇形翼34扑动；其中，通过左前三角翼32、左后三角翼33、三角槽块a 36a、三角槽块b 36b的设计达到上扑过程中由于空气作用使左后三角翼33和左扇形翼34能同时向后旋转一定角度的效果，通过左后三角翼33、左扇形翼34、三角槽块c 36c、三角槽块d 36d的设计达到上扑过程中由于空气作用使左扇形翼34能向下折一定角度的效果，而下扑过程中左前三角翼32、左后三角翼33、左扇形翼34由于空气作用将成为一平面翼的效果。右摇杆41带动右前三角翼42扑动，右前三角翼42通过三角槽块f 46f、小摇杆f 45f、三角槽块g 46g、小摇杆g 45g带动右后三角翼43扑动，右后三角翼43通过三角槽块h 46h、小摇杆h 45h、三角槽块i 46i、小摇杆i 45i带动右扇形翼44扑动；其中，通过右前三角翼42、右后三角翼43、三角槽块f 46f、三角槽块g 46g的设计达到上扑过程中由于空气作用使右后三角翼43和右扇形翼44能同时向后旋转一定角度的效果，通过右后三角翼43、右扇形翼44、三角槽块h 46h、三角槽块i 46i的设计达到上扑过程中由于空气作用使右扇形翼44能向下折一定角度的效果，而下扑过程中右前三角翼42、右后三角翼43、右扇形翼44由于空气作用将成为一平面翼的效果。

飞行器的转向和俯仰飞行：本发明尾翼系统包括垂直安立面54、水平安立面56、方向舵55、升降舵57、方向舵机51、升降舵机53及控制模块52，所述垂直安立面54与水平安立面56垂直连接，所述方向舵55与垂直安立面54活动连接，所述升降舵57与水平安立面56活动连接，所述方向舵机51与方向舵55连接，并与控制模块52连接，所述升降舵机53与升降舵57连接，并与控制模块52连接。所述方向舵机51控制方向舵55实现飞行器的转向，通过升降舵机53控制升降舵57实现飞行器的升降。

Claims (9)

1.一种仿大型鸟类低频扑翼飞行器，其特征在于，包括机架(1)、齿轮曲柄摇杆机构(2)、左扑翼系统(3)及右扑翼系统(4)，所述机架(1)包括T型前支架(11)、T型后支架(12)、主梁(13)及支撑底板(14)，所述主梁(13)分别与T型前支架(11)、T型后支架(12)固定连接，所述支撑底板(14)分别与T型前支架(11)、T型后支架(12)固定连接，所述左扑翼系统(3)、右扑翼系统(4)分别位于机架(1)两侧，并通过机架(1)与齿轮曲柄摇杆机构(2)连接；

所述左扑翼系统(3)包括左摇杆(31)、左前三角翼(32)、左后三角翼(33)、左扇形翼(34)、小摇杆a(35a)、小摇杆b(35b)、小摇杆c(35c)、小摇杆d(35d)、小摇杆e(35e)、三角槽块a(36a)、三角槽块b(36b)、三角槽块c(36c)、三角槽块d(36d)，

所述左摇杆(31)侧面与左前三角翼(32)固定连接，一端与左扇形齿轮(25)固定连接，另一端与三角槽块a(36a)连接，

所述三角槽块a(36a)与左前三角翼(32)固定连接，并与小摇杆a(35a)以旋转副连接，所述小摇杆a(35a)与左后三角翼(33)固定连接，

所述小摇杆e(35e)一端与T型后支架(12)左端以旋转副连接，另一端与左前三角翼(32)固定连接，所述三角槽块b(36b)与左前三角翼(32)固定连接，并以旋转副与小摇杆b(35b)连接，所述小摇杆b(35b)与左后三角翼(33)固定连接，

所述三角槽块c(36c)与左后三角翼(33)固定连接，并以旋转副与小摇杆c(35c)连接，所述小摇杆c(35c)与左扇形翼(34)固定连接，

所述三角槽块d(36d)与左后三角翼(33)固定连接，并以旋转副与小摇杆d(35d)连接，所述小摇杆d(35d)与左扇形翼(34)固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种仿大型鸟类低频扑翼飞行器，其特征在于，所述齿轮曲柄摇杆机构(2)包括大齿轮a(20)、小齿轮a(21)、大齿轮b(22)、小齿轮b(23)、连杆(24)、左扇形齿轮(25)、右扇形齿轮(26)、销轴a(27a)、销轴b(27b)、销轴c(27c)、销轴d(27d)、电池(28)及电机(29)，

所述电池(28)与电机(29)固定在机架(1)上，电池(28)与电机(29) 连接，

所述小齿轮a(21)与电机(29)连接，并与大齿轮a(20)啮合传动，

所述销轴c(27c)以旋转副的形式穿过T型前支架(11)，一端与大齿轮a(20)固定连接，另一端与小齿轮b(23)固定连接，

所述小齿轮b(23)与大齿轮b(22)啮合传动，所述大齿轮b(22)通过销轴a(27a)与T型前支架(11)以旋转副连接，

所述连杆(24)一端通过销轴b(27b)与大齿轮b(22)以旋转副连接，另一端通过销轴d(27d)与左扇形齿轮(25)以旋转副连接，

所述左扇形齿轮(25)与T型前支架(11)左端以旋转副连接，所述左扇形齿轮(25)与右扇形齿轮(26)啮合传动，所述右扇形齿轮(26)与T型前支架(11)右端以旋转副连接，所述左扇形齿轮(25)与右扇形齿轮(26)参数完全一致，使左右扑翼的扑动一致。

3.根据权利要求2所述的一种仿大型鸟类低频扑翼飞行器，其特征在于，所述销轴b(27b)固定在大齿轮b(22)上并与其圆心保持一定距离。

4.根据权利要求2所述的一种仿大型鸟类低频扑翼飞行器，其特征在于，所述销轴d(27d)与左扇形齿轮(25)的圆心保持一定的距离。

5.根据权利要求1所述的一种仿大型鸟类低频扑翼飞行器，其特征在于，所述三角槽块c(36c)和三角槽块d(36d)的三角槽角度相等并且大小可以调整。

6.根据权利要求1所述的一种仿大型鸟类低频扑翼飞行器，其特征在于，所述三角槽块a(36a)和三角槽块b(36b)的三角槽角度相等并且大小可以调整。

7.根据权利要求1所述的一种仿大型鸟类低频扑翼飞行器，其特征在于，所述右扑翼系统(4)包括右摇杆(41)、右前三角翼(42)、右后三角翼(43)、右扇形翼(44)、小摇杆f(45f)、小摇杆g(45g)、小摇杆h(45h)、小摇杆i(45i)、小摇杆j(45j)、三角槽块f(46f)、三角槽块g(46g)、三角槽块h(46h)、三角槽块i(46i)，

所述右摇杆(41)侧面与右前三角翼(42)固定连接，一端与右扇形齿轮(26)固定连接，另一端与三角槽块f(46f)连接，

所述三角槽块f(46f)与右前三角翼(42)固定连接，并与小摇杆f(45f)以旋转副连接，所述小摇杆f(45f)与右后三角翼(43)固定连接，

所述小摇杆j(45j)一端与T型后支架(12)右端以旋转副连接，另一端与右 前三角翼(42)固定连接，所述三角槽块g(46g)与右前三角翼(42)固定连接，并以旋转副与小摇杆g(45g)连接，所述小摇杆g(45g)与右后三角翼(43)固定连接，

所述三角槽块h(46h)与右后三角翼(43)固定连接，并以旋转副与小摇杆h(45h)连接，所述小摇杆h(45h)与右扇形翼(44)固定连接，

所述三角槽块i(46i)与右后三角翼(43)固定连接，并以旋转副与小摇杆i(45i)连接，所述小摇杆i(45i)与右扇形翼(44)固定连接。

8.根据权利要求7所述的一种仿大型鸟类低频扑翼飞行器，其特征在于，所述三角槽块i(46i)和三角槽块h(46h)的三角槽角度相等并且大小可以调整。

9.根据权利要求7所述的一种仿大型鸟类低频扑翼飞行器，其特征在于，所述三角槽块f(46f)和三角槽块g(46g)的三角槽角度相等并且大小可以调整。