CN104554721A - 一种扑翼微型飞行器的可自动折叠和展开扑翼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扑翼微型飞行器的可自动折叠和展开扑翼，是由一个动力装置、两根液压管、若干折痕、若干支撑杆、翼膜和两个折叠装置组成；其采用液压原理实现扑翼的折叠和展开。该扑翼由两根液压管和若干支撑杆形成仿生扑翼的翅脉，在仿生翅脉上粘合翼膜形成翼面。该扑翼通过微流泵向不同液腔内泵入液体产生压力，以驱动扑翼的折叠和展开。发明不仅有助于减小微型扑翼飞行器在不飞行时的横向尺寸，减小携带、运输以及存放时所需的空间，降低运输要求，便于保护飞行器扑翼，使之免受损伤，而且还有助于更换损坏后的扑翼，提高微型飞行器的使用寿命。

Description

一种扑翼微型飞行器的可自动折叠和展开扑翼

技术领域

本发明涉及一种扑翼飞行器的可折叠和展开扑翼，特别涉及一种仿生扑翼微型飞行器的可自动折叠和展开扑翼。

背景技术

自1992年美国科学家提出微型飞行器概念以后，鉴于其在军事和民用领域的巨大应用价值，国内外许多科研人员相继展开了对微型飞行器相关领域的研究。经过20多年的发展，微型飞行器形成了固定翼式、旋翼式和扑翼式三种主要类型。由于扑翼微型飞行器在较小的尺度和重量下仍然可以产生足够的升力和推力，目前已成为微型飞行器领域的研究热点之一。

为使扑翼微型飞行器在较小的尺寸和重量下，具有良好的气动性能，其扑翼大多采用膜结构。为提供足够的升力和推力，扑翼飞行器的膜结构扑翼必须达到一定的展弦比。因此这些扑翼的面积往往比较大，强度低，容易损伤，对携带条件要求很高，不方便携带。现今针对仿生扑翼微型飞行器的扑翼研究主要集中在对昆虫后翅翅脉分布上，而对扑翼的具体结构研究较少，涉及到扑翼式微型飞行器可折叠扑翼的相关专利也较少。

金龟子的翅分为后翅和鞘翅。后翅薄而易损伤，鞘翅厚而坚固，后翅要比鞘翅大很多。在金龟子飞行时，后翅展开并扑动产生升力和推力，不飞行时后翅折叠置于鞘翅之下，受到鞘翅的保护。

本发明通过观察金龟子后翅的展开与折叠过程，提出一种基于液压原理的扑翼微型飞行器可折叠/展开翼。该扑翼在满足飞行要求的情况下，可实现折叠和展开，有效降低了携带运输的难度。

发明内容

本发明的目的是为了在不减小扑翼微型飞行器的翼展情况下，缩小扑翼微型飞行器不飞行时的横向尺寸，减小扑翼面积，保护飞行器的扑翼，降低微型飞行器的携带困难，而提供一种扑翼微型飞行器的可自动折叠和展开扑翼。

本发明是由一个动力装置、第一液压管、第二液压管、若干折痕、第一支撑杆、第二支撑杆、第三支撑杆、第四支撑杆、第五支撑杆、第六支撑杆、翼膜和两个折叠装置组成；第一液压管、第二液压管和第六支撑杆呈放射状分布于动力装置周围，第一支撑杆、第二支撑杆、第三支撑杆、第四支撑杆、第五支撑杆和第六支撑杆末端悬置；

所述的动力装置包括有两个液腔、一个双向微流泵、若干无弹性软管、翼柄、两个弹性件、中空链接件、普通铰链、两个微传感器、一个微控制器和进行能量传输和信息传递的接口，翼柄为动力装置的主体结构，翼柄上安装双向微流泵、普通铰链和中空链接件，弹性件的一端与翼柄固连，翼柄上开设有两个液腔，液腔内置有微传感器，翼柄上装有无弹性软管形成液压管路，液压管路连接着微流泵、液腔、第一液压管、第二液压管和支撑杆，翼柄上还安装有微控制器和进行能量传输与信息交换的接口。

折叠装置是由第一液压管和第二液压管的末端扇形腔、第一支撑杆和第三支撑杆的前端、薄膜、销轴、扭力弹簧、刚性板和无弹性索构成，第一液压管的前端与动力装置连接，第一液压管的前端管壁通过中空链接件与部动力装置的翼柄链接，第一液压管内部液腔通过无弹性软管与动力装置中的液压管路连通；在第一液压管的外侧有圆弧状突起，用于和从动力装置中伸出的圆弧状无弹性软管的末端粘合；第一液压管的外壁上还连接有弹性件，该弹性件另一端固定在动力装置的翼柄上。

第一液压管的末端连接折叠装置，第一液压管的末端膨胀形成扇形腔，腔壁上开有小孔。在扇形腔内有刚性板和薄膜，薄膜为袋状，其形状和扇形腔一致，薄膜的袋口部分粘接在扇形腔的入口处形成密闭液腔，薄膜的其他部分与扇形腔分离；刚性板粘固在薄膜上，第一液压管末端通过销轴与第一支撑杆的前端铰接，销轴上安装有扭力弹簧，扭力弹簧的一只扭臂与第一液压管固连，扭力弹簧的另一只扭臂与第一支撑杆固连，无弹性索穿过第一液压管腔壁上的小孔，无弹性索的一端与刚性板紧固在一起，无弹性索的另一端与第一支撑杆的前端紧固连接。

第二液压管的管壁与动力装置的翼柄固连在一起，第二液压管内部通过无弹性软管与动力装置中的液压管路连通；第二液压管的末端与第一液压管相同，第二液压管通过折叠装置与第三支撑杆的前端连接。

第二支撑杆前端固连在第一支撑杆上，第四支撑杆和第五支撑杆前端固连在第二液压管上。

第六支撑杆前端通过普通铰链链接在动力装置的翼柄上；第六支撑杆的外侧有圆弧状突起，与从动力装置中伸出的无弹性软管的圆弧状末端粘固在一起；第六支撑杆的外壁上还连接有弹性件，该弹性件另一端固定在动力装置的翼柄上。

翼膜粘接在第一液压管、第二液压管、第一支撑杆、第二支撑杆、第三支撑杆、第四支撑杆、第五支撑杆和第六支撑杆上形成翼面，翼面具有折痕。

在展开与折叠过程中翼面上形成的折痕有以下几处：动力装置与第五支撑杆的末端形成的直线；两个折叠装置之间形成的直线；动力装置到两个折叠装置连线的中点形成的直线；折叠装置与第四支撑杆的末端形成的直线；折叠装置与支第二撑杆的末端形成的直线。

本发明的有益效果：

1、扑翼的折叠和展开由其自身的机构完成，实现了扑翼折叠/展开运动和微型飞行器的正常飞行运动的分离，相比于其他折叠翼可大大简化微型飞行器运动机构的复杂性。

2、扑翼在飞行时保持展开状态，获得最佳气动性能；在不飞行时，扑翼保持完全折叠状态，具有很小的横向尺寸和翼面，便于保护微型飞行器的翼面，使扑翼不容易受损伤。同时，折叠后的扑翼有利于节省空间，便于携带和存储。

3、扑翼的采用封装式结构，将驱动系统和执行机构集于一身，与飞行器机身之间通过接口连接，仅需进行能量和信息的传递，便于拆解和装配，能够实现快速组装和更换。有助于提高部件的通用性和互换性，便于及时更换损伤件，最大化发挥零部件的价值,提高微型飞行器的使用寿命。

4、扑翼与飞行器机身之间通过数据接口进行信息交换，便于微型飞行器机身随时掌握扑翼的状态，并进行相应调整，有助于保持飞行器的飞行性能。

5、采用液压驱动，便于将驱动系统和执行机构封装于扑翼内部，扑翼的气动性能不会因为驱动系统和执行机构而受到影响。

附图说明

图1为本发明的完全展开状态示意图。

图2为本发明的第一次折叠/展开后状态示意图。

图3为本发明的完全折叠后状态示意图。

图4为本发明的部件A放大示意图；

图5为图4中的C处放大示意图。

图6为图4中的D处放大示意图。

图7为本发明的中空链接件放大示意图。

图8为本发明的折叠装置放大示意图。

具体实施方式

请参阅图1、图2和图3所示，本发明是由一个动力装置A、第一液压管1、第二液压管2、若干折痕3、第一支撑杆4、第二支撑杆6、第三支撑杆7、第四支撑杆8、第五支撑杆9、第六支撑杆10、翼膜5和两个折叠装置B组成；第一液压管1、第二液压管2和第六支撑杆10呈放射状分布于动力装置A周围，第一支撑杆4、第二支撑杆6、第三支撑杆7、第四支撑杆8、第五支撑杆9和第六支撑杆10末端悬置；

请参阅图4、图5和图6所示，所述的动力装置A包括有两个液腔11、一个双向微流泵12、若干无弹性软管13、翼柄14、两个弹性件15、中空链接件16、普通铰链17、两个微传感器23、一个微控制器25和进行能量传输和信息传递的接口24，翼柄14为动力装置A的主体结构，翼柄14上安装双向微流泵12、普通铰链17和中空链接件16，弹性件15的一端与翼柄14固连，翼柄14上开设有两个液腔11，液腔11内置有微传感器23，翼柄14上装有无弹性软管13形成液压管路，液压管路连接着微流泵12、液腔11、第一液压管1、第二液压管2和支撑杆10，翼柄14上还安装有微控制器25和进行能量传输与信息交换的接口24。

请参阅图7和图8所示，折叠装置B是由第一液压管1和第二液压管2的末端扇形腔、第一支撑杆4和第三支撑杆7的前端、薄膜18、销轴19、扭力弹簧20、刚性板22和无弹性索21构成，第一液压管1的前端与动力装置A连接，第一液压管1的前端管壁通过中空链接件16与部动力装置A的翼柄14链接，第一液压管1内部液腔通过无弹性软管13与动力装置A中的液压管路连通；在第一液压管1的外侧有圆弧状突起，用于和从动力装置A中伸出的圆弧状无弹性软管13的末端粘合；第一液压管1的外壁上还连接有弹性件15，该弹性件15另一端固定在动力装置A的翼柄14上。

第一液压管1的末端连接折叠装置B，第一液压管1的末端膨胀形成扇形腔，腔壁上开有小孔。在扇形腔内有刚性板22和薄膜18，薄膜18为袋状，其形状和扇形腔一致，薄膜18的袋口部分粘接在扇形腔的入口处形成密闭液腔，薄膜的其他部分与扇形腔分离；刚性板22粘固在薄膜18上，第一液压管1末端通过销轴19与第一支撑杆4的前端铰接，销轴19上安装有扭力弹簧20，扭力弹簧20的一只扭臂与第一液压管1固连，扭力弹簧20的另一只扭臂与第一支撑杆4固连，无弹性索21穿过第一液压管1腔壁上的小孔，无弹性索21的一端与刚性板22紧固在一起，无弹性索21的另一端与第一支撑杆4的前端紧固连接。

第二液压管2的管壁与动力装置A的翼柄14固连在一起，第二液压管2内部通过无弹性软管13与动力装置A中的液压管路连通；第二液压管2的末端与第一液压管1相同，第二液压管2通过折叠装置B与第三支撑杆7的前端连接。

第二支撑杆6前端固连在第一支撑杆4上，第四支撑杆8和第五支撑杆9前端固连在第二液压管2上。

第六支撑杆10前端通过普通铰链链接在动力装置A的翼柄14上；第六支撑杆10的外侧有圆弧状突起，与从动力装置A中伸出的无弹性软管13的圆弧状末端粘固在一起；第六支撑杆10的外壁上还连接有弹性件15，该弹性件15另一端固定在动力装置A的翼柄14上。

翼膜5粘接在第一液压管1、第二液压管2、第一支撑杆4、第二支撑杆6、第三支撑杆7、第四支撑杆8、第五支撑杆9和第六支撑杆10上形成翼面，翼面具有折痕3。

在展开与折叠过程中翼面上形成的折痕3有以下几处：动力装置A与第五支撑杆9的末端形成的直线；两个折叠装置B之间形成的直线；动力装置A到两个折叠装置B连线的中点形成的直线；折叠装置B与第四支撑杆8的末端形成的直线；折叠装置B与支第二撑杆6的末端形成的直线。

本发明的折叠和展开均分两步进行，其完全展开状态如图1所示，半折叠/展开状态如图2所示，完全折叠状态如图3所示。

折叠原理：

在折叠前扑翼呈展开状态，如图1所示。此时液压推动第一液压管1和第六支撑杆10保持展开，弹性件15受力伸长。在折叠装置B中，扭力弹簧20处于自由状态，不产生弹力，薄膜18处于松弛并变形。

当扑翼需要折叠时，与第六支撑杆10和第一液压管1外壁相连部分液压管路内的液压降低，第六支撑杆10和第一液压管1在弹性件15的作用下逐渐绕铰链折叠成半折叠状态，如图2所示。

扑翼继续折叠，第一液压管1和第二液压管2内部管腔的液压逐渐升高液压，液体逐渐充满图8中的扇形腔，推动刚性板22拉动无弹性索21。在拉力作用下，第一支撑杆4和第三支撑杆7克服扭力弹簧20的弹力绕销轴19旋转，扑翼折叠至图3状态。

展开原理：

在展开前，扑翼呈折叠状态，如图3所示。这时弹性件15自由伸长，无弹力，扭力弹簧20在无弹性索21的压力下扭转。

当扑翼需要展开时，扇形腔内的液压逐渐减小，扭力弹簧20在弹性作用下逐渐恢复，翼面展开成半展开状态，如图2所示。

扑翼继续展开，与第六支撑杆10和第一液压管1外壁相连的液压管路内部压力升高，分别推动第一液压管1和第六支撑杆10绕其链接点逆时针和顺时针转动，翼面展开至图1所示，弹性件15受力拉伸。

折叠过程：

在扑翼需要折叠前，微型飞行器通过液腔内的微型传感器所测各液腔内部的压力判断扑翼的当前状态。以完全展开状态为例，此时图5中左边的液腔11内的压力高，双向微流泵12与左边液腔连通端的微流阀保持在关闭状态，液体充满左边液腔11连通着的整个管路，第一液压管1和第六支撑杆10为展开状态，无弹性软管13为正常长度，弹性件15受力拉伸。在折叠装置B中，扭力弹簧20处于自由状态，不产生弹力，薄膜18松弛变形，扇形腔内形成空腔。

当微型飞行器向扑翼发送折叠指令后，扑翼上的微控制器控制双向微流泵12左侧微流阀打开，并将左侧液腔11内的液体泵向右侧液腔11。左侧液腔11及其联通管路中的液压逐渐降低，第六支撑杆10和第一液压管1分别在弹性件15的弹性作用下折叠，无弹性软管13受力变形缩短。最终扑翼折叠至半折叠状态如图2所示，此时第六支撑杆10带动与其相连的部分翼膜5折叠至翼面后部，并形成一条折叠线；第一液压管1折叠至靠近第二液压管2的位置，形成两道折叠线。折叠线的位置参照图1虚线所示。

双向微流泵12继续将液体由左侧液腔11泵入右侧液腔11，右侧扇形腔内液压继续升高推动刚性板22顺时针转动；无弹性索21拉动第一支撑杆4和第三支撑杆7绕销轴19顺时针转动，扭力弹簧20受力产生弹力。最终液体充满扇形腔，翼膜折叠成图3所示完全折叠状态。此时，第一支撑杆4和第二支撑杆6及与其连接的翼膜5位于最内层，第六支撑杆10及其翼膜5位于中间层。相应折叠线可参照图1。

折叠完成，双向微流泵12与右侧液腔11相连通的微流阀关闭，保持扑翼处于完全折叠状态。

展开过程：

扑翼展开过程大致为折叠的逆过程，不再详述。

Claims (2)

1.一种扑翼微型飞行器的可自动折叠和展开扑翼，其特征在于：是由一个动力装置（A）、第一液压管（1）、第二液压管（2）、若干折痕（3）、第一支撑杆（4）、第二支撑杆（6）、第三支撑杆（7）、第四支撑杆（8）、第五支撑杆（9）、第六支撑杆（10）、翼膜（5）和两个折叠装置（B）组成；第一液压管（1）、第二液压管（2）和第六支撑杆（10）呈放射状分布于动力装置（A）周围，第一支撑杆（4）、第二支撑杆（6）、第三支撑杆（7）、第四支撑杆（8）、第五支撑杆（9）和第六支撑杆（10）末端悬置；

所述的动力装置（A）包括有两个液腔（11）、一个双向微流泵（12）、若干无弹性软管（13）、翼柄（14）、两个弹性件（15）、中空链接件（16）、普通铰链（17）、两个微传感器（23）、一个微控制器（25）和进行能量传输和信息传递的接口（24），翼柄（14）为动力装置（A）的主体结构，翼柄（14）上安装双向微流泵（12）、普通铰链（17）和中空链接件（16），弹性件（15）的一端与翼柄（14）固连，翼柄（14）上开设有两个液腔（11），液腔（11）内置有微传感器（23），翼柄（14）上装有无弹性软管（13）形成液压管路，液压管路连接着微流泵（12）、液腔（11）、第一液压管（1）、第二液压管（2）和支撑杆（10），翼柄（14）上还安装有微控制器（25）和进行能量传输与信息交换的接口（24）；

折叠装置（B）是由第一液压管（1）和第二液压管（2）的末端扇形腔、第一支撑杆（4）和第三支撑杆（7）的前端、薄膜（18）、销轴（19）、扭力弹簧（20）、刚性板（22）和无弹性索（21）构成，第一液压管（1）的前端与动力装置（A）连接，第一液压管（1）的前端管壁通过中空链接件（16）与部动力装置（A）的翼柄（14）链接，第一液压管（1）内部液腔通过无弹性软管（13）与动力装置（A）中的液压管路连通；在第一液压管（1）的外侧有圆弧状突起，用于和从动力装置（A）中伸出的圆弧状无弹性软管（13）的末端粘合；第一液压管（1）的外壁上还连接有弹性件（15），该弹性件（15）另一端固定在动力装置（A）的翼柄（14）上；

第一液压管（1）的末端连接折叠装置（B），第一液压管（1）的末端膨胀形成扇形腔，腔壁上开有小孔；扇形腔内有刚性板（22）和薄膜（18），薄膜（18）为袋状，其形状和扇形腔一致，薄膜（18）的袋口部分粘接在扇形腔的入口处形成密闭液腔，薄膜的其他部分与扇形腔分离；刚性板（22）粘固在薄膜（18）上，第一液压管（1）末端通过销轴（19）与第一支撑杆（4）的前端铰接，销轴（19）上安装有扭力弹簧（20），扭力弹簧（20）的一只扭臂与第一液压管（1）固连，扭力弹簧（20）的另一只扭臂与第一支撑杆（4）固连，无弹性索（21）穿过第一液压管（1）腔壁上的小孔，无弹性索（21）的一端与刚性板（22）紧固在一起，无弹性索（21）的另一端与第一支撑杆（4）的前端紧固连接；

第二液压管（2）的管壁与动力装置（A）的翼柄（14）固连在一起，第二液压管（2）内部通过无弹性软管（13）与动力装置（A）中的液压管路连通；第二液压管（2）的末端与第一液压管（1）相同，第二液压管（2）通过折叠装置（B）与第三支撑杆（7）的前端连接；

第二支撑杆（6）前端固连在第一支撑杆（4）上，第四支撑杆（8）和第五支撑杆（9）前端固连在第二液压管（2）上；

第六支撑杆（10）前端通过普通铰链链接在动力装置（A）的翼柄（14）上；第六支撑杆（10）的外侧有圆弧状突起，与从动力装置（A）中伸出的无弹性软管（13）的圆弧状末端粘固在一起；第六支撑杆（10）的外壁上还连接有弹性件（15），该弹性件（15）另一端固定在动力装置（A）的翼柄（14）上；

翼膜（5）粘接在第一液压管（1）、第二液压管（2）、第一支撑杆（4）、第二支撑杆（6）、第三支撑杆（7）、第四支撑杆（8）、第五支撑杆（9）和第六支撑杆（10）上形成翼面，翼面具有折痕（3）。

2.根据权利要求1所述的一种扑翼微型飞行器的可自动折叠和展开扑翼，其特征在于：所述的折痕（3）有以下几处：动力装置（A）与第五支撑杆（9）的末端形成的直线；两个折叠装置（B）之间形成的直线；动力装置（A）到两个折叠装置（B）连线的中点形成的直线；折叠装置（B）与第四支撑杆（8）的末端形成的直线；折叠装置（B）与支第二撑杆（6）的末端形成的直线。