CN104483095A - 扑翼模型支撑机构 - Google Patents

Abstract

一种扑翼模型支撑机构，包括：底座，升降板，模型安装板，线性滑轨滑块组合，支杆安装座，沉浮运动机构，俯仰运动机构以及整流罩，整流罩顶部敞开，底部封闭，后部开有可供风洞支杆伸入的空心管，内部包裹沉浮运动机构、俯仰运动机构以及支杆安装座；支杆安装座固定安装在底座上，开孔处可插接风洞支杆；模型安装板位于整流罩上方，其上表面能够安装六分量传感器或扑翼模型，下表面有两个铰接接头，分别为前铰接接头和后铰接接头，前铰接接头用于连接模型安装板，后铰接接头用于连接升降板。本发明用以在风洞中支撑扑翼实验，同时可以准确控制沉浮运动和俯仰运动的幅度和频率。

Description

扑翼模型支撑机构

技术领域

本发明涉及扑翼模型支撑机构，尤其涉及一种扑翼模型的两自由度支撑机构，该机构可用于扑翼飞行器风洞实验。

背景技术

近年来，微型飞行器因为其具有体积小、重量轻、成本低的特点以及广泛的应用前景成为了新的研究热点。而扑翼飞行器更是因为其在微型尺度的独特优势越来越受到关注。国内外多个高校及研究机构针对扑翼飞行展开了多方面的理论和实验研究。其中，扑翼飞行器的风洞实验研究较为突出的有佛罗里达大学，密歇根大学，北京航空航天大学，他们的研究集中在扑翼的流场特性和扑翼产生的力及力矩特性两方面。

但目前有关扑翼的风洞实验研究大多模仿固定翼的风洞实验，并未考虑到扑翼真实飞行状态时具有的周期性俯仰和沉浮运动，如南京航空航天大学的实验扑动机构直接插接在天平支架上，只能够测试单纯扑动状态下扑翼的力及力矩特性（具体内容可以参考昂海松&曾锐&段文博&史志伟，柔性扑翼微型飞行器升力和推力机理的风洞实验和飞行实验，航空动力学报，2007，22（11）：1838-1845），并未能考虑俯仰和沉浮对于测力造成的影响，这使得对扑翼飞行器的分析和设计优化都存在偏差，设计出的扑翼飞行器并未能达到最优的性能。

综上所述，现有扑翼风洞实验的主要问题在于仅仅采用扑动机构测量纯扑动扑翼产生的力和力矩，不能模拟实际飞行时的扑翼状态，扑翼的分析和改进设计都存在很大偏差。

发明内容

本发明提供一种扑翼模型支撑机构，它是利用具有沉浮和俯仰两个自由度的支撑机构用以在风洞中支撑扑翼实验的扑动机构，同时可以准确控制沉浮运动和俯仰运动的幅度和频率，模拟真实扑翼飞行的状态，以便风洞实验获得最接近真实飞行状态扑翼产生的力和力矩数据，为后续的分析和设计改进提供更好参考。

本发明的技术方案是：

一种扑翼模型支撑机构，包括：底座，升降板，模型安装板，线性滑轨滑块组合，支杆安装座，沉浮运动机构，俯仰运动机构以及整流罩，

其特殊之处在于：

所述整流罩顶部敞开，底部封闭，后部开有可供风洞支杆伸入的空心管，内部包裹沉浮运动机构、俯仰运动机构以及支杆安装座；

所述支杆安装座固定安装在底座上，开孔处可插接风洞支杆；

所述模型安装板位于整流罩上方，其上表面能够安装六分量传感器或扑翼模型，下表面有两个铰接接头，分别为前铰接接头和后铰接接头，前铰接接头用于连接模型安装板，后铰接接头用于连接升降板。

上述线性滑轨滑块组合包括第一线性滑轨、第一线性滑轨和第一滑块、第二滑块、第三滑块、第四滑块；

所述第一线性滑轨、第二线性滑轨分别固连于底座的两端，第一滑块、第二滑块安装在第一线性滑轨上，第三滑块、第四滑块安装在第二线性滑轨上，并且第一滑块、第二滑块、第三滑块、第四滑块均与升降板固连。

上述沉浮运动机构包括沉浮驱动滑片、行星减速单元、电机、电机支撑架、舵机和舵机支撑架；

所述沉浮运动机构固连在底座上，沉浮驱动滑片固连在升降板上，行星减速单元的运动输出为往复的曲柄直线运动，可驱动沉浮驱动滑片改变第一滑块、第二滑块、第三滑块、第四滑块在第一线性滑轨和第二线性滑轨上的位置，使得升降板相对底座产生竖直方向的位移，实现与其相连的模型安装板的沉浮运动。

上述沉浮运动机构的电机支撑架、电机与行星减速单元固连，且可绕电机输出轴转动，行星减速单元的行星齿轮的齿数与内齿圈的齿数比为1：2，驱动曲柄位于行星齿轮基圆上，电机工作时驱动曲柄在内齿圈上的一条直径上做往复直线运动。

上述沉浮运动机构的沉浮幅度为0～±50cm。

上述俯仰运动机构包括俯仰驱动滑片、行星减速单元、电机、电机支撑架、舵机和舵机支撑架；

所述俯仰运动机构固连在升降板上，其运动输出为往复的曲柄直线运动，可驱动俯仰驱动滑片产生竖直方向分位移，带动联动杆运动，从而使模型安装板相对其后铰链接头产生转动，实现模型安装板的俯仰运动。

上述俯仰运动机构的电机支撑架、电机与行星减速单元固连，且可绕电机输出轴转动，行星减速单元的行星齿轮的齿数与内齿圈的齿数比为1：2，驱动曲柄位于行星齿轮基圆上，电机工作时驱动曲柄在内齿圈上的一条直径上做往复直线运动。

上述的俯仰运动机构的俯仰角幅度为0～±15°。

上述整流罩形状类似一对称翼型，可减小机构进行吹风实验时产生的支架干扰。

一种上述扑翼模型支撑机构的应用，其特殊之处在于：该机构用于支撑扑翼飞行器进行风洞实验。

上述沉浮运动机构中的舵机可以调节与其相连电机支撑架的角度，改变与其固定的电机的角度，从而实时改变沉浮运动驱动曲柄的运动轨迹直径的位置，沉浮运动滑片的竖直方向分位移的幅度也随之改变，继而带动升降板产生的沉浮运动的幅度，使沉浮运动机构具有不同的沉浮幅度（变化范围为0～±50cm）。

上述俯仰运动机构中的舵机可以调节与其相连的电机支撑架的角度，改变与其固定的电机的角度，从而实时改变俯仰运动驱动曲柄的运动轨迹直径的位置，俯仰运动滑片的竖直方向分位移的幅度也随之改变，继而带动模型安装板产生的俯仰运动的角幅度，使俯仰运动机构具有不同的俯仰角幅度（变化范围为0～±15°）。

本发明的优点在于：

本发明基于行星减速器的行星齿轮齿数为内齿圈齿轮齿数的1/2时可使位于行星齿轮基圆上的驱动曲柄做往复直线运动，其直线轨迹为行星减速器内齿圈的某条直径，而通过电机与舵机的特殊连接调节该直径轨迹的位置又可使驱动曲柄在竖直方向具有不同的分位移幅度的原理设计了沉浮运动机构和俯仰运动机构。

又将沉浮运动机构和俯仰运动机构分别安装在固定的底座上和可在固定于底座的线性滑轨滑动的升降板上，再将沉浮运动滑片固定在升降板上，模型安装板铰接在升降板和俯仰运动滑片上，巧妙地组装方式使得支撑扑翼模型的机构集成了沉浮和俯仰两个自由度，且沉浮运动机构和俯仰运动机构可通过调节电机、转速和舵机位置准确控制沉浮运动的振幅（0～±50cm）、频率，俯仰运动的角幅度（0～±15°）、频率参数，模拟实现扑翼飞行器真实的飞行状态。

附图说明

附图1为本发明轴侧视图；

附图2为整流罩安装轴侧视图；

附图3为线性滑轨滑块组合安装轴侧视图；

附图4为模型安装板轴侧视图；

附图5为实施例沉浮运动机构轴侧视图；

附图6为实施例俯仰机构轴侧视图；

附图7为实施例沉浮运动机构行星减速单元零件爆炸图；

附图8为实施例俯仰运动机构行星减速单元零件爆炸图；

附图9为实施例沉浮运动机构驱动曲柄的运动轨迹示意图；

附图10为实施例俯仰运动机构驱动曲柄的运动轨迹示意图。

附图标号说明：

1-底座，2-升降板，3-模型安装板，3A-前铰接接头，3B-后铰接接头，3C-联动杆，4-联动导杆，5-支杆安装座，

6-沉浮运动机构，6A-沉浮驱动滑片，6B-行星减速器，6C-电机，6D-电机支撑架，6E-舵机，6F-舵机支撑架，6B1-行星齿轮，6B2-行星架，6B3-内齿圈，6B4-驱动曲柄，

7-俯仰运动机构，7A-沉浮驱动滑片，7B-行星减速器，7C-电机，7D-电机支撑架，7E-舵机，7F-舵机支撑架，7B1-行星齿轮，7B2-行星架，7B3-内齿圈，7B4-驱动曲柄，

8-整流罩，9-风洞支杆。

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

如图1～10所示，本实施例提供了一种扑翼模型支撑机构，包括：底座1，升降板2，模型安装板3，线性滑轨滑块组合4，支杆安装座5，沉浮运动机构6，俯仰运动机构7以及整流罩8，线性滑轨滑块组合4包括第一线性滑轨4A、第二线性滑轨4B和第一滑块4C、第二滑块4D、第三滑块4E、第四滑块4F，沉浮运动机构6包括沉浮驱动滑片6A、行星减速单元6B、电机6C、电机支撑架6D、舵机6E和舵机支撑架6F，俯仰运动机构7包括俯仰驱动滑片7A、行星减速单元7B、电机7C、电机支撑架7D、舵机7E和舵机支撑架7F；

整流罩8顶部敞开，底部封闭，后部开有可供风洞支杆9伸入的空心管，内部包裹沉浮运动机构6、俯仰运动机构7以及支杆安装座5；

支杆安装座5固定安装在底座1上，开孔处可插接风洞支杆9；

第一线性滑轨4A、第一线性滑轨4B分别固连于底座1的两端，第一滑块 4C、第二滑块4D安装在第一线性滑轨4A上，第三滑块4E、第四滑块4F安装在第二线性滑轨4B上，并且第一滑块4C、第二滑块4D、第三滑块4E、第四滑块4F与升降板2固连；

模型安装板3位于整流罩8上方，其上表面能够安装六分量传感器或扑翼模型，下表面有两个铰接接头，前铰接接头3A用以连接联动杆3C，联动杆3C与俯仰运动滑片7A铰接，后铰接接头3B用以连接升降板2；

沉浮运动机构6固连在底座1上，沉浮驱动滑片6A固连在升降板2上，行星减速单元6B的运动输出为往复的曲柄直线运动，可驱动沉浮驱动滑片6A改变第一滑块4C、第二滑块4D、第三滑块4E、第四滑块4F在第一线性滑轨4A、第二线性滑轨4B上的位置，使得升降板2相对底座1产生竖直方向的位移，实现与其相连的模型安装板3的沉浮运动；

俯仰运动机构7固连在升降板2上，其运动输出为往复的曲柄直线运动，可驱动俯仰驱动滑片7A产生竖直方向分位移，带动联动杆3C运动，从而使模型安装板3相对其后铰链接头3B产生转动，实现模型安装板3的俯仰运动。

沉浮运动机构6的电机支撑架6D、电机6C与行星减速单元6B固连，且可绕电机输出轴转动，行星减速单元6B的行星齿轮6B1的齿数为15，内齿圈6B3的齿数为30，齿数比为1：2，驱动曲柄6B4位于行星齿轮6B1基圆上，电机6C工作时驱动曲柄6B4在内齿圈6B3上的一条直径上做往复直线运动。

沉浮运动机构6中的舵机6E可以调节与其相连电机支撑架6D的角度，改变与其固定的电机6C的角度，从而实时改变沉浮运动驱动曲柄6B1的运动轨迹直径的位置，沉浮运动滑片6A的竖直方向分位移的幅度H₁也随之改变，参见图9，继而带动升降板2产生的沉浮运动的幅度，使沉浮运动机构6具有不同的沉浮幅度（变化范围为0～±50cm）。

俯仰运动机构7的电机支撑架7D、电机7C与行星减速单元7B固连，行星减速单元7B的行星齿轮7B1的齿数为8，内齿圈7B3的齿数为16，齿数比为1：2，驱动曲柄7B4位于行星齿轮7B1基圆上，电机7C工作时驱动曲柄7B4在内齿圈7B3上的一条直径上做往复直线运动。

俯仰运动机构7中的舵机7E可以调节与其相连的电机支撑架7D的角度，改变与其固定的电机7C的角度，从而实时改变俯仰运动驱动曲柄7B1的运动轨迹直径的位置，俯仰运动滑片7A的竖直方向分位移的幅度H₂也随之改变，参见图10，继而带动模型安装板3产生的俯仰运动的角幅度，使俯仰运动机构7具有不同的俯仰角幅度（变化范围为0～±15°）。

整流罩8形状类似一对称翼型，可减小机构进行吹风实验时产生的支架干扰。

扑翼模型支撑机构基于行星减速器的行星齿轮齿数为内齿圈齿轮齿数的1/2时可使位于行星齿轮基圆上的驱动曲柄做往复直线运动，其直线轨迹为行星减速器内齿圈的某条直径，而通过电机与舵机的特殊连接调节该直径轨迹的位置又可使驱动曲柄在竖直方向具有不同的分位移幅度的原理设计了沉浮运动机构6和俯仰运动机构7。

又将沉浮运动机构6和俯仰运动机构7 分别安装在固定的底座1上和可在固定于底座1的第一线性滑轨4A、第二线性滑轨4B滑动的升降板2上，再将沉浮运动滑片6A固定在升降板2上，模型安装板3铰接在升降板2和俯仰运动滑片7A上，巧妙地组装方式使得支撑扑翼模型的机构集成了沉浮和俯仰两个自由度，且沉浮运动机构6和俯仰运动机构7可通过调节电机6C、7C转速和舵机6E、7E位置准确控制沉浮运动的振幅（0～±50cm）、频率，俯仰运动的角幅度（0～±15°）、频率参数。

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 (10)

1.一种扑翼模型支撑机构，包括：底座（1），升降板（2），模型安装板（3），线性滑轨滑块组合（4），支杆安装座（5），沉浮运动机构（6），俯仰运动机构（7）以及整流罩（8），

其特征在于：

所述整流罩（8）顶部敞开，底部封闭，后部开有可供风洞支杆（9）伸入的空心管，内部包裹沉浮运动机构（6）、俯仰运动机构（7）以及支杆安装座（5）；

所述支杆安装座（5）固定安装在底座（1）上，开孔处可插接风洞支杆（9）；

所述模型安装板（3）位于整流罩（8）上方，其上表面能够安装六分量传感器或扑翼模型，下表面有两个铰接接头，分别为前铰接接头（3A）和后铰接接头（3B），前铰接接头（3A）用于连接模型安装板（3），后铰接接头（3B）用于连接升降板（2）。

2.根据权利要求1所述扑翼模型支撑机构，其特征在于：所述线性滑轨滑块组合（4）包括第一线性滑轨（4A）、第二线性滑轨（4B）和第一滑块（4C）、第二滑块（4D）、第三滑块（4E）、第四滑块（4F）；

所述第一线性滑轨（4A）、第二线性滑轨（4B）分别固连于底座（1）的两端，第一滑块（4C）、第二滑块（4D）安装在第一线性滑轨（4A）上，第三滑块（4E）、第四滑块（4F）安装在第二线性滑轨（4B）上，并且第一滑块（4C）、第二滑块（4D）、第三滑块（4E）、第四滑块（4F）均与升降板（2）固连。

3.根据权利要求1所述扑翼模型支撑机构，其特征在于：所述沉浮运动机构（6）包括沉浮驱动滑片（6A） 、行星减速单元（6B）、电机（6C）、电机支撑架（6D）、舵机（6E）和舵机支撑架（6F）；

所述沉浮运动机构（6）固连在底座（1）上，沉浮驱动滑片（6A）固连在升降板（2）上，行星减速单元（6B）的运动输出为往复的曲柄直线运动，可驱动沉浮驱动滑片（6A）改变第一滑块（4C）、第二滑块（4D）、第三滑块（4E）、第四滑块（4F）在第一线性滑轨（4A）和第二线性滑轨（4B）上的位置，使得升降板（2）相对底座（1）产生竖直方向的位移，实现与其相连的模型安装板（3）的沉浮运动。

4.根据权利要求3所述扑翼模型支撑机构，其特征在于：所述沉浮运动机构（6）的电机支撑架（6D）、电机（6C）与行星减速单元（6B）固连，且可绕电机（6C）输出轴转动，行星减速单元（6B）的行星齿轮（6B1）的齿数与内齿圈（6B3）的齿数比为1：2，驱动曲柄（6B4）位于行星齿轮（6B1）基圆上，电机（6C）工作时驱动曲柄（6B4）在内齿圈（6B3）上的一条直径上做往复直线运动。

5.根据权利要求4所述扑翼模型支撑机构，其特征在于：所述沉浮运动机构（6）的沉浮幅度为0～±50cm。

6.根据权利要求1所述扑翼模型支撑机构，其特征在于：所述俯仰运动机构（7）包括俯仰驱动滑片（7A）、行星减速单元（7B）、电机（7C）、电机支撑架（7D）、舵机（7E）和舵机支撑架（7F）；

所述俯仰运动机构（7）固连在升降板（2）上，其运动输出为往复的曲柄直线运动，可驱动俯仰驱动滑片（7A）产生竖直方向分位移，带动联动杆（3C）运动，从而使模型安装板（3）相对其后铰链接头（3B）产生转动，实现模型安装板（3）的俯仰运动。

7.根据权利要求6所述扑翼模型支撑机构，其特征在于：所述俯仰运动机构（7）的电机支撑架（7D）、电机（7C）与行星减速单元（7B）固连，且可绕电机（7C）输出轴转动，行星减速单元（7B）的行星齿轮（7B1）的齿数与内齿圈（7B3）的齿数比为1：2，驱动曲柄（7B4）位于行星齿轮（7B1）基圆上，电机（7C）工作时驱动曲柄（7B4）在内齿圈（7B3）上的一条直径上做往复直线运动。

8.根据权利要求7所述扑翼模型支撑机构，其特征在于：所述的俯仰运动机构（7）的俯仰角幅度为0～±15°。

9.根据权利要求1～8任一所述扑翼模型支撑机构，其特征在于：所述整流罩（8）形状类似一对称翼型。

10.一种权利要求1所述扑翼模型支撑机构的应用，其特征在于：该机构用于支撑扑翼飞行器进行风洞实验。