CN104386252B - 一种微型仿昆虫双扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型仿昆虫双扑翼飞行器，由机架、蜗轮蜗杆传动系统、扑动系统及尾翼系统组成，电机(3)主要通过齿轮a(18)、齿轮b(20)、蜗杆(22)、前蜗轮(8)、后蜗轮(11)、前两头拐角轴(23)、后两头拐角轴(21)驱动左侧前扑翼(6)、左侧后扑翼(5)、右侧前扑翼(9)右侧后扑翼(10)高频扑动。与现有技术相比，本发明结构紧凑、体积小；蜗轮蜗杆传动具有自锁性；通过蜗轮蜗杆传动实现了左侧扑翼和右侧扑翼的扑动完全对称；通过两头拐角轴和圆柱支杆构成的扑动机构结构简单，扑动灵活。

Description

一种微型仿昆虫双扑翼飞行器

技术领域

本发明涉及仿生领域，尤其是涉及一种微型仿昆虫双扑翼飞行器。

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。

微型仿生扑翼飞行器(一般10cm以内)，在应用技术上它超出了传统的飞行器设计和空气动力学的研究范畴，同时开创了微机电系统技术(MEMS)在航空领域的应用。设计和制造具有良好动力学特性的高效微型仿生扑翼飞行器是目前非常富有挑战性的研究难题。

为了使微型扑翼飞行器体积尽可能小，采用仿昆虫高频扑动飞行的设计方案是比较合理的。目前，一般微型仿生扑翼飞行器大部分仅仅依靠一对扑翼产生升力和推力，效率较低、飞行不够灵活，而双扑翼飞行器由于具有两队扑翼，效率较高、可控性强、飞行更为灵活。专利CN100430297C中提出了一种微型单扑翼飞行器，该飞行器的主要特点是采用蜗轮蜗杆传动机构，特点是具有自锁性、传动比高、左右扑翼对称性好。专利CN200942872Y提供了一种仿蜻蜒双扑翼飞行器，但上述专利所提供的仿蜻蜒双扑翼飞行器具有明显的缺点，其前后扑翼系统的左右扑翼扑动完全不对称，左(右)扑翼向上扑动的同时右(左)扑翼却向下扑动，且其前后扑翼系统是完全反向扑动，造成飞行器飞行稳定性较差，甚至不能有效飞行。

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结构紧凑、体积小，左右扑动严格对称，由电机驱动的微型仿昆虫双扑翼飞行器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种微型仿昆虫双扑翼飞行器，由机架、蜗轮蜗杆传动系统、扑动系统及尾翼系统组成，

所述的机架包括主梁，连接在主梁上的数个摇杆支座，

所述的蜗轮蜗杆传动系统包括连接在主梁上的齿轮箱、电机，设置在齿轮箱内的前蜗轮、后蜗轮，分别对称连接在前蜗轮、后蜗轮圆心的前两头拐角轴、后两头拐角轴，所述的前蜗轮、后蜗轮均与蜗杆啮合，所述的电机通过电机轴与齿轮箱内的齿轮连接，并通过与齿轮啮合传动的蜗杆对前蜗轮、后蜗轮进行控制，

所述的传动系统包括以主梁为对称轴的左侧前扑动系统、左侧后扑动系统、右侧前扑动系统、右侧后扑动系统，上述扑动系统均由经销轴与对应摇杆支座活动连接的摇杆以及与摇杆连接的扑翼组成，摇杆设有两个呈平行设置，摇杆通过销轴与摇杆支座以转动副连接，两个摇杆之间经两根平行设置的圆柱支杆连接，所述的前两头拐角轴及后两头拐角轴的端部插设在上述圆柱支杆之间的空隙间，与圆柱支杆构成扑动机构；

所述的尾翼系统包括设置在主梁尾端的垂直安定面、方向舵、水平安定面及升降舵，所述的方向舵及升降舵分别经连接在主梁中部的方向舵机及升降舵机控制。

所述的摇杆支座设有8个，分别是摇杆支座a、摇杆支座b、摇杆支座c、摇杆支座d、摇杆支座e、摇杆支座f、摇杆支座g、摇杆支座h，均布在主梁的两侧，每两个摇杆支座为一组，分别与左侧前扑动系统、左侧后扑动系统、右侧前扑动系统、右侧后扑动系统活动连接。与之相对应有8个摇杆，分别是摇杆a、摇杆b、摇杆c、摇杆d、摇杆e、摇杆f、摇杆g、摇杆h。

摇杆c通过销轴c与摇杆支座c以转动副连接，摇杆d通过销轴d与摇杆支座d以转动副连接，左侧前扑翼6分别与摇杆c和摇杆d固定连接，摇杆c分别与圆柱支杆c和圆柱支杆d固定连接，摇杆d分别与圆柱支杆c和圆柱支杆d固定连接，前两头拐角轴的左端拐角轴与圆柱支杆c和圆柱支杆d构成扑动机构。

摇杆a通过销轴a与摇杆支座a以转动副连接，摇杆b通过销轴b与摇杆支座b以转动副连接，左侧后扑翼分别与摇杆a和摇杆b固定连接，摇杆a分别与圆柱支杆a和圆柱支杆b固定连接，摇杆b分别与圆柱支杆a和圆柱支杆b固定连接，后两头拐角轴的左端拐角轴与圆柱支杆a和圆柱支杆b构成扑动机构。

摇杆e通过销轴e与摇杆支座e以转动副连接，摇杆f通过销轴f与摇杆支座f以转动副连接，右侧前扑翼分别与摇杆e和摇杆f固定连接，摇杆e分别与圆柱支杆e和圆柱支杆f固定连接，摇杆e分别与圆柱支杆e和圆柱支杆f固定连接，前两头拐角轴的右端拐角轴与圆柱支杆e和圆柱支杆f构成扑动机构。

摇杆g通过销轴g与摇杆支座g以转动副连接，摇杆h通过销轴h与摇杆支座h以转动副连接，右侧后扑翼分别与摇杆g和摇杆h固定连接，摇杆g分别与圆柱支杆g和圆柱支杆h固定连接，摇杆h分别与圆柱支杆g和圆柱支杆h固定连接，后两头拐角轴的右端拐角轴与圆柱支杆g和圆柱支杆h构成扑动机构。

电机的电机轴穿过齿轮箱的后立面与齿轮a固定连接，齿轮a与齿轮b啮合传动，蜗杆与齿轮b固定连接，蜗杆分别与齿轮箱的前立面和后立面以转动副连接并与前蜗轮和后蜗轮啮合传动。

所述的前两头拐角轴及后两头拐角轴穿过齿轮箱的左右立面。

所述的前两头拐角轴及后两头拐角轴的两端为对称结构，两端拐角部分与中部的水平轴呈30度夹角，拐角部分长度需满足在整个转动过程中始终保持与圆柱支杆充分接触，控制左侧扑翼与右侧扑翼在扑动时完全对称。

与现有技术相比，本发明结构紧凑、体积小；蜗轮蜗杆传动具有自锁性；通过蜗轮蜗杆传动实现了左侧扑翼和右侧扑翼的扑动完全对称；通过两头拐角轴和圆柱支杆构成的扑动机构结构简单，扑动灵活。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中蜗轮蜗杆传动局部结构示意图；

图3为本发明中左侧前后扑翼传动局部结构示意图；

图4为本发明中右侧前后扑翼传动局部结构示意图。

图中，1为方向舵机、2为升降舵机、3为电机、4为控制模块、5为左侧后扑翼、6为左侧前扑翼、7为电池、8为前蜗轮、9为右侧前扑翼、10为右侧后扑翼、11为后蜗轮、12为齿轮箱、13为主梁、14为垂直安定面、15为方向舵、16为水平安定面、17升降舵、18为齿轮a、19为电机轴、20为齿轮b、21为后两头拐角轴、22为蜗杆、23为前两头拐角轴、24为销轴a、25为摇杆支座a、26为摇杆a、27为圆柱支杆a、28为销轴b、29为圆柱支杆b、30为摇杆支座b、31为摇杆b、32为销轴c、33为摇杆c、34为摇杆支座c、35为圆柱支杆c、36为销轴d、37为圆柱支杆d、38为摇杆支座d、39为摇杆d、40为摇杆e、41为摇杆支座e、42为销轴e、43为圆柱支杆e、44为圆柱支杆f、45为摇杆f、46为摇杆支座f、47为销轴f、48为摇杆g、49为圆柱支杆g、50为摇杆支座g、51为销轴g、52为圆柱支杆h、53为摇杆h、54为摇杆支座h、55为销轴h。

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。

实施例

一种微型仿昆虫双扑翼飞行器，其结构如图1至图4所示，主要由机架、蜗轮蜗杆传动系统、左侧前后扑动系统、右侧前后扑动系统和尾翼系统组成；其中，机架主要由齿轮箱12、主梁13、摇杆支座a25、摇杆支座b30、摇杆支座c34、摇杆支座d38、摇杆支座e41、摇杆支座f46、摇杆支座g50、摇杆支座h54组成；蜗轮蜗杆传动系统主要由齿轮箱12、电机3、电机轴19、齿轮a18、齿轮b20、蜗杆22、前蜗轮8、后蜗轮11、前两头拐角轴23、后两头拐角轴21组成；左侧前扑动系统主要由前两头拐角轴23、与摇杆支座c34、摇杆支座d38分别对应连接的摇杆c33、摇杆d39、圆柱支杆c35、圆柱支杆d37、左侧前扑翼6组成；左侧后扑动系统主要由后两头拐角轴21、与摇杆支座a25、摇杆支座b30分别对应连接的摇杆a26、摇杆b31、圆柱支杆a27、圆柱支杆b29、左侧后扑翼5组成；右侧前扑动系统主要由前两头拐角轴23、与摇杆支座e41、摇杆支座f46分别对应连接的摇杆e40、摇杆f45、圆柱支杆e43、圆柱支杆f44、右侧前扑翼9组成；右侧后扑动系统主要由后两头拐角轴21、与摇杆支座g50、摇杆支座h54对应连接的摇杆g48、摇杆h53、圆柱支杆g49、圆柱支杆h52、右侧后扑翼10组成；尾翼系统主要由方向舵机1、垂直安定面14、方向舵15组成的转向系统和由升降舵机2、水平安定面16、升降舵17组成的升降系统组成，升降舵机2和方向舵机1经控制模块3进行控制。

机架的齿轮箱12分别与主梁13、摇杆支座a25、摇杆支座b30、摇杆支座c34、摇杆支座d38、摇杆支座e41、摇杆支座f46、摇杆支座g50、摇杆支座h54固定连接。主梁13的前端还设置有电池7。电机3的电机轴19穿过齿轮箱12的后立面与齿轮a18固定连接，齿轮a18与齿轮b20啮合传动，蜗杆22与齿轮b20固定连接，蜗杆22分别与齿轮箱12的前立面和后立面以转动副连接，蜗杆22分别与前蜗轮8和后蜗轮11啮合传动，前蜗轮8与前两头拐角轴23固定连接，后蜗轮11与后两头拐角轴21固定连接，前两头拐角轴23穿过齿轮箱12的左立面和右立面以转动副连接，后两头拐角轴21穿过齿轮箱12的左立面和右立面以转动副连接。

摇杆c33通过销轴c32与摇杆支座c34以转动副连接，摇杆d39通过销轴d36与摇杆支座d38以转动副连接，左侧前扑翼6分别与摇杆c33和摇杆d39固定连接，摇杆c33分别与圆柱支杆c35和圆柱支杆d37固定连接，摇杆d39分别与圆柱支杆c35和圆柱支杆d37固定连接，前两头拐角轴23的左端拐角轴与圆柱支杆c35和圆柱支杆d37构成扑动机构。

摇杆a26通过销轴a24与摇杆支座a25以转动副连接，摇杆b31通过销轴b28与摇杆支座b30以转动副连接，左侧后扑翼5分别与摇杆a26和摇杆b31固定连接，摇杆a26分别与圆柱支杆a27和圆柱支杆b29固定连接，摇杆b31分别与圆柱支杆a27和圆柱支杆b29固定连接，后两头拐角轴21的左端拐角轴与圆柱支杆a27和圆柱支杆b29构成扑动机构。

摇杆e40通过销轴e42与摇杆支座e41以转动副连接，摇杆f45通过销轴f47与摇杆支座f46以转动副连接，右侧前扑翼9分别与摇杆e40和摇杆f45固定连接，摇杆e40分别与圆柱支杆e43和圆柱支杆f44固定连接，摇杆e40分别与圆柱支杆e43和圆柱支杆f44固定连接，前两头拐角轴23的右端拐角轴与圆柱支杆e43和圆柱支杆f44构成扑动机构。

摇杆g48通过销轴g51与摇杆支座g50以转动副连接，摇杆h53通过销轴h55与摇杆支座h54以转动副连接，右侧后扑翼10分别与摇杆g48和摇杆h53固定连接，摇杆g48分别与圆柱支杆g49和圆柱支杆h52固定连接，摇杆h53分别与圆柱支杆g49和圆柱支杆h52固定连接，后两头拐角轴21的右端拐角轴与圆柱支杆g49和圆柱支杆h52构成扑动机构。

本发明通过左右两侧构成的前后扑翼分别对称高频扑动和飞行器的转向和俯仰飞行。左右两侧的前后扑翼分别对称高频扑动和飞行器的转向和俯仰飞行如下：

左侧前扑翼高频扑动：电机3通过齿轮a18、齿轮b20、蜗杆22、前蜗轮8、前两头拐角轴23的左端拐角轴、摇杆支座c34、摇杆支座d38、销轴c32、销轴d36、摇杆c33、摇杆d39、圆柱支杆c35、圆柱支杆d37驱动左侧前扑翼6高频扑动。其中，齿轮a18和齿轮b20啮合传动，蜗杆22和前蜗轮8啮合传动，前两头拐角轴23的左端拐角轴与圆柱支杆c35和圆柱支杆d37构成扑动机构。

左侧后扑翼高频扑动：电机3通过齿轮a18、齿轮b20、蜗杆22、后蜗轮11、后两头拐角轴21的左端拐角轴、摇杆支座a25、摇杆支座b30、销轴a24、销轴b28、摇杆a26、摇杆b31、圆柱支杆a27、圆柱支杆b29驱动左侧后扑翼5高频扑动。其中，齿轮a18和齿轮b20啮合传动，蜗杆22和后蜗轮11啮合传动，后两头拐角轴21的左端拐角轴与圆柱支杆a27和圆柱支杆b29构成扑动机构。

右侧前扑翼高频扑动：电机3通过齿轮a18、齿轮b20、蜗杆22、前蜗轮8、前两头拐角轴23的右端拐角轴、摇杆支座e41、摇杆支座f46、销轴e42、销轴f47、摇杆e40、摇杆f45、圆柱支杆e43、圆柱支杆f44驱动右侧前扑翼9高频扑动。其中，齿轮a18和齿轮b20啮合传动，蜗杆22和前蜗轮8啮合传动，前两头拐角轴23的右端拐角轴与圆柱支杆e43和圆柱支杆f44构成扑动机构。

右侧后扑翼高频扑动：电机3通过齿轮a18、齿轮b20、蜗杆22、后蜗轮11、后两头拐角轴21的右端拐角轴、摇杆支座g50、摇杆支座h54、销轴g51、销轴h55、摇杆g48、摇杆h53、圆柱支杆g49、圆柱支杆h52驱动右侧后扑翼10高频扑动。其中，齿轮a18和齿轮b20啮合传动，蜗杆22和后蜗轮11啮合传动，后两头拐角轴21的右端拐角轴与圆柱支杆g49和圆柱支杆h52构成扑动机构。

飞行器的转向和俯仰飞行：通过方向舵机1控制方向舵15实现飞行器的转向，通过升降舵机2控制升降舵17实现飞行器的升降。

Claims (6)

1.一种微型仿昆虫双扑翼飞行器，其特征在于，该飞行器由机架、蜗轮蜗杆传动系统、扑动系统及尾翼系统组成，

所述的机架包括主梁(13)，连接在主梁(13)上的数个摇杆支座，

所述的蜗轮蜗杆传动系统包括连接在主梁(13)上的齿轮箱(12)、电机(3)，设置在齿轮箱(12)内的前蜗轮(8)、后蜗轮(11)，分别对称连接在前蜗轮(8)、后蜗轮(11)圆心的前两头拐角轴(23)、后两头拐角轴(21)，所述的前蜗轮(8)、后蜗轮(11)均与蜗杆(22)啮合，所述的电机(3)通过电机轴(19)与齿轮箱(12)内的齿轮连接，并通过与齿轮啮合传动的蜗杆(22)对前蜗轮(8)、后蜗轮(11)进行控制，

所述的传动系统包括以主梁为对称轴的左侧前扑动系统、左侧后扑动系统、右侧前扑动系统、右侧后扑动系统，上述扑动系统均由经销轴与对应摇杆支座活动连接的摇杆以及与摇杆连接的扑翼组成，摇杆设有两个呈平行设置，两个摇杆之间经两根平行设置的圆柱支杆连接，所述的前两头拐角轴(23)及后两头拐角轴(21)的端部插设在上述圆柱支杆之间的空隙间，与圆柱支杆构成扑动机构；

所述的尾翼系统包括设置在主梁尾端的垂直安定面(14)、方向舵(15)、水平安定面(16)及升降舵(17)，所述的方向舵(15)及升降舵(17)分别经连接在主梁(13)中部的方向舵机(1)及升降舵机(2)控制。

2.根据权利要求1所述的一种微型仿昆虫双扑翼飞行器，其特征在于，所述的摇杆支座设有8个，均布在主梁(13)的两侧，每两个摇杆支座为一组，分别与左侧前扑动系统、左侧后扑动系统、右侧前扑动系统、右侧后扑动系统活动连接。

3.根据权利要求1所述的一种微型仿昆虫双扑翼飞行器，其特征在于，所述的齿轮设有两个，电机(3)的电机轴(19)穿过齿轮箱(12)的后立面与齿轮a(18)固定连接，齿轮a(18)与齿轮b(20)啮合传动，蜗杆(22)与齿轮b(20)固定连接，蜗杆(22)分别与齿轮箱(12)的前立面和后立面以转动副连接并与前蜗轮(8)和后蜗轮(11)啮合传动。

4.根据权利要求1所述的一种微型仿昆虫双扑翼飞行器，其特征在于，所述的前两头拐角轴(23)及后两头拐角轴(21)穿过齿轮箱(12)的左右立面。

5.根据权利要求1所述的一种微型仿昆虫双扑翼飞行器，其特征在于，所述的前两头拐角轴(23)及后两头拐角轴(21)的两端为对称结构，两端拐角部分与中部的水平轴呈30度夹角，拐角部分长度需满足在整个转动过程中始终保持与圆柱支杆充分接触，控制左侧扑翼与右侧扑翼在扑动时完全对称。

6.根据权利要求2所述的一种微型仿昆虫双扑翼飞行器，其特征在于，所述的摇杆通过销轴与摇杆支座以转动副连接。