CN104477383A - 一种三维扑动的扑翼驱动机构 - Google Patents

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Abstract

一种三维扑动的扑翼驱动机构，包括机架、电机、减速齿轮组、联动导杆、球铰座连杆、摇臂，电机及减速齿轮组直接安装在机架上，联动导杆上表面为一个斜平面，与摇臂中部铰接；机架顶部固连球铰链；所述摇臂一端也固连球铰链；球铰座连杆两端固连球铰座，一端连接机架上的球铰链，另一端连接摇臂上的球铰链。本发明结构简单、重量轻，摇臂能在机构尺寸很小的情况下实现对称的三维扑动，从而使得扑翼产生更大的气动力，具有更好的气动效率，可以应用在扑翼飞行器上获得更好的飞行性能。

Description

一种三维扑动的扑翼驱动机构
技术领域
本发明涉及一种扑翼驱动机构，尤其是一种三维扑动的扑翼驱动机构。该机构可用于微型扑翼飞行器。
背景技术
近年来，微型飞行器随着MEMS技术的迅速发展逐渐成为了一个新的研究热点。在微型尺度下，扑翼飞行方式兼顾微型固定翼飞行器的高速巡航和旋翼飞行器的悬停能力，因而受到日益增长的关注。其中具有代表性的有荷兰Delft大学研制的“Delfly”系列和美国AeroVrionment公司与加州大学合作研制的“Microbat” ，但这些扑翼飞行器距离实用化尚有一定距离。
自然界中，飞行动物往往通过三维复杂扑动来实现高效飞行。通过简单结构形式实现三维扑动的高效扑翼驱动机构是扑翼飞行器实用化的关键技术。目前扑翼飞行器的机构主要有以下几种技术途径：
中国专利授权公告号CN102211666A，授权公告日2011年10月12日，发明名称为一种微型扑翼飞行器，该发明公开了一种采用锥齿轮传动和曲柄-连杆机构的扑翼驱动机构及扑翼飞行器，这种设计结构较为简单，但不足之处是机械效率和扑翼的气动效率都较低。
中国专利授权公告号CN102826222A，授权公告日2012年12月19日，发明名称为一种仿昆虫飞行器的扑翼机构，该发明公开了一种具有两自由度的扑翼机构，通过平面“8”字轨迹生成机构以及曲柄滑块机构，模拟了昆虫的飞行运动。其不足之处是，构成比较复杂，难以小型化，在微型扑翼飞行器上应用受限；在频率较高的扑动运动中，交变载荷较大，稳定性和可靠性差。
综上所述，现有扑翼驱动机构主要问题在于结构复杂重量大，难以小型化甚至微型化，机械效率和气动效率低，稳定性和可靠性差等。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明旨在通过结构简单可靠的机构实现三维复杂扑动，使扑翼飞行器在付出很小的重量和尺寸代价情况下实现仿生程度更高的飞行模式，提高飞行效率和能量效率。
本发明的技术方案是
一种三维扑动的扑翼驱动机构，包括机架、电机、减速齿轮组、联动导杆、球铰座连杆、摇臂，其特殊之处在于：
所述电机及减速齿轮组直接安装在机架上，所述联动导杆上表面为一个斜平面，与摇臂中部铰接；
所述机架顶部固连球铰链；所述摇臂一端也固连球铰链；
所述球铰座连杆两端固连球铰座，一端连接机架上的球铰链，另一端连接摇臂上的球铰链。
上述机架底部有1个主动齿轮轴孔和一对相互平行的从动齿轮轴孔，分别是第一从动齿轮轴孔、第一从动齿轮轴孔；机架顶部平面有一对螺纹孔，分别是第一螺纹孔、第二螺纹孔，用于固连球铰链。
上述电机及减速齿轮组直接安装在机架上，减速齿轮组包括1个主动齿轮和2个从动齿轮，分别是第一从动齿轮、第二从动齿轮，第一从动齿轮、第二从动齿轮在机架上对称布置，其中主动齿轮与电机的输出轴固连，再与第二从动齿轮啮合，第二从动齿轮还与第一从动齿轮啮合。
上述联动导杆分别与第一从动齿轮、第二从动齿轮共轴，且与第一从动齿轮、第二从动齿轮固连，联动导杆上表面为一个斜平面，与摇臂中部铰接；
上述斜平面与机架底面夹角范围为20°～70°。
上述摇臂中部分别与固连于联动导杆斜面的摇臂轴铰接，一端开有螺钉孔，用以固连球铰链；另一端开有盲孔，与扑翼翼梁插接。
上述的三维扑动的扑翼驱动机构，其特殊之处在于：该机构具有左右对称的联动导杆、球铰座连杆和摇臂。
联动导杆分别与第一从动齿轮、第二从动齿轮中心轴共轴，且与第一从动齿轮、第二从动齿轮固连，联动导杆上表面为一个斜平面，并与摇臂中部铰接；通过调节斜平面的角度，就可以获得不同的扑动幅度，斜平面与机架底面适合的夹角范围为20°～70°。
机架可整体成型制作而成，也可由多个零件装配而成。依整体成型方法制作的机架精度高，结构重量轻；而通过装配方式制作机架比较简单，便于实施。
本发明的优点在于：
本发明通过摇臂与固连在第一从动齿轮、第二从动齿轮上的联动导杆的铰接，以及摇臂、机架与球铰座连杆的球铰连接，将电机的旋转运动经过齿轮减速后转换成了联动导杆的转动，与联动导杆固连的摇臂轴与斜平面相互垂直，随联动导杆的转动，摇臂轴的运动具有三维的位移变化，由此带动摇臂完成三维扑动运动，其中摇臂的扑动幅度与联动导杆的斜平面与机架底面的夹角相同（因此夹角角度大小应当考虑适合扑动的幅度，合适范围为20°～70°），前后扫掠的最大距离则由摇臂到与之相连一端的球铰的距离决定。转换过程没有附加任何多余的曲柄摇杆机构或曲柄滑块机构，减小了传动零件数和结构重量，增加了传动可靠性和传动效率，从而提高扑动机构的机械效率，同时易于小型化和微型化。
本发明结构简单、重量轻，摇臂能在机构尺寸很小的情况下实现对称的三维扑动，从而使得扑翼产生更大的气动力，具有更好的气动效率，可以应用在扑翼飞行器上获得更好的飞行性能。
附图说明
附图1为本发明轴侧示意图
附图2为本发明机架示意图
附图3为本发明齿轮组装配位置示意图
附图4为本发明实施例扑翼扑动时的主动扭转示意图
附图标号：1-机架，1A-主动齿轮轴孔，1B第一从动齿轮轴孔，1B’-第二从动齿轮轴孔，1C第一螺丝孔，1C’-第二螺丝孔，2-电机，3-减速齿轮组，4-联动导杆，5-摇臂，6-球铰座连杆， 7-主动齿轮,8-第一从动齿轮，9-第二从动齿轮。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但以下内容不用于限定本发明的保护范围。
实施例
参见图1～图3，本实施例提供了一种扑翼驱动机构，包括包括机架1、电机2、减速齿轮组3、联动导杆4、摇臂5、球铰座连杆6。
机架1，底部有1个主动齿轮轴孔1A和一对相互平行的从动齿轮轴孔，分别是第一从动齿轮轴孔1B、第二从动齿轮轴孔1B’，顶部平面有一对螺丝孔，分别是第一螺丝孔1C、第二螺丝孔1C’，用于固连球铰链；
电机2及减速齿轮组3直接安装在机架1上面，减速齿轮组包括主动齿轮7和两个从动齿轮，分别是第一从动齿轮8、第二从动齿轮9，且第一从动齿轮8、第二从动齿轮9在机架1上成对称分布，其中主动齿轮7与电机2输出轴固连，再与第二从动齿轮9啮合，第二从动齿轮9还与第一从动齿轮8啮合；
联动导杆4分别与第一从动齿轮8、第二从动齿轮9中心轴共轴，且与第一从动齿轮8、第二从动齿轮9固连，联动导杆4上表面为一个斜平面，并与摇臂6中部铰接，斜面角度为30°。
球铰座连杆5两端固连球铰座，一端连接在机架1上的球铰链，另一端连接在摇臂6上的球铰链。
机架1可整体成型制作而成，也可由多个零件装配而成。整体成型可以采用三维打印树脂材料一次成型，依此方法制作的机架精度高，结构重量轻；而通过装配方式制作机架比较简单，便于实施。
该机构具有左右对称的联动导杆4、球铰座连杆5和摇臂6。
摇臂6中部分别与固连于联动导杆4斜面的摇臂轴铰接，一端开有螺丝孔，用以固连球铰链；另一端开有盲孔，与扑翼翼梁插接。
摇臂6通过与固连在第一从动齿轮8、第二从动齿轮9上的联动导杆4的铰接，以及摇臂6、机架1与球铰座连杆5的球铰连接，将电机2的旋转运动经过齿轮减速后转换成了联动导杆4的转动，与联动导杆4固连的摇臂轴与斜平面相互垂直，随联动导杆4的转动，摇臂轴的运动具有三维的位移变化，由此带动摇臂6完成三维扑动运动。
所述的扑翼驱动机构在一定的电机转速下摇臂带动扑翼产生三维扑动运动，在扑动过程中，扑翼具有前后的扫掠运动、上下的扑动运动以及绕翼梁的扭转运动，其中扑翼扑动时的主动扭转，参见图4，图中的线段为垂直于扑翼主梁的翼肋在机构对称面上的投影，不同时刻具有不同的长度和角度表明扑翼运动为三维运动。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种三维扑动的扑翼驱动机构，包括机架（1）、电机（2）、减速齿轮组（3）、联动导杆（4）、球铰座连杆（5）、摇臂（6），其特征在于：
所述电机（2）及减速齿轮组（3）直接安装在机架（1）上，所述联动导杆（4）上表面为一个斜平面，与摇臂（6）中部铰接；
所述机架（1）顶部固连球铰链；所述摇臂（6）一端也固连球铰链；
所述球铰座连杆（5）两端固连球铰座，一端连接机架上的球铰链，另一端连接摇臂（6）上的球铰链。
2.根据权利要求1所述三维扑动的扑翼驱动机构，其特征在于：
所述机架（1）底部有1个主动齿轮轴孔（1A）和一对相互平行的从动齿轮轴孔，分别是第一从动齿轮轴孔（1B）、第二从动齿轮轴孔（1B’）；机架（1）顶部平面有一对螺纹孔，分别是第一螺纹孔（1C）、第二螺纹孔（1C’），用于固连球铰链。
3.根据权利要求1所述三维扑动的扑翼驱动机构，其特征在于：
所述电机（2）及减速齿轮组（3）直接安装在机架（1）上，减速齿轮组包括1个主动齿轮（7）和2个从动齿轮，分别是第一从动齿轮（8）、第二从动齿轮（9），第一从动齿轮（8）、第二从动齿轮（9）在机架上对称布置，其中主动齿轮（7）与电机（2）的输出轴固连，再与第二从动齿轮（9）啮合，第二从动齿轮（9）还与第一从动齿轮（8）啮合。
4.根据权利要求1所述三维扑动的扑翼驱动机构，其特征在于：
所述联动导杆（4）分别与第一从动齿轮（8）、第二从动齿轮（9）共轴，且与第一从动齿轮（8）、第二从动齿轮（9）固连，联动导杆（4）上表面为一个斜平面，与摇臂（6）中部铰接。
5.根据权利要求4所述的三维扑动的扑翼驱动机构，其特征在于：所述斜平面与机架（1）底面夹角范围为20°～70°。
6.根据权利要求1所述的三维扑动的扑翼驱动机构，其特征在于：所述摇臂（6）中部分别与固连于联动导杆（4）斜面的摇臂轴铰接，一端开有螺钉孔，用以固连球铰链；另一端开有盲孔，与扑翼翼梁插接。
7.根据权利要求1～6任一所述的三维扑动的扑翼驱动机构，其特征在于：该机构具有左右对称的联动导杆（4）、球铰座连杆（5）和摇臂（6）。
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