CN104570924A - 一种用于微型扑翼实验的驱动装置 - Google Patents

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付鹏
杨文青
王利光
宋笔锋
唐伟
李洋
钟京洋
薛栋
郭汉青
李博扬
王进
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Abstract

一种用于微型扑翼实验的驱动装置，包括电机、机架、输出盘、连杆、摇臂、连接器、角度传感器、支架和扑翼安装座；电机的机壳与机架固连，电机的枢轴与输出盘沿旋转轴线固连，连杆分别与输出盘和摇臂铰接，将电机的转动转换为摇臂的上下扑动；左、右的摇臂之间通过齿轮啮合实现传动，连接器分别与摇臂和角度传感器固连，将摇臂的扑动动作传入角度传感器；支架的一端和机架固连，扑翼安装座与支架的另一端固连，该扑翼安装座与摇臂一起实现与扑翼的连接。本发明能够实现对扑动幅度和扑动频率的精确调节和控制，同时能够实现对机构的扑动角度和输入输出功率的实时测量，有助于进一步提高扑翼的实验能力和实验精度。

Description

一种用于微型扑翼实验的驱动装置
技术领域
本发明涉及一种扑翼驱动机构，特别涉及一种用于微型扑翼实验的驱动装置。
背景技术
微型扑翼飞行器是一种模仿自然界鸟类或昆虫飞行的新型飞行器，具有体积小、重量轻、隐蔽性高、使用灵活等特点，因而具有广阔应用前景。
微型扑翼飞行器虽具有众多独特的优势，但扑翼的空气动力学特性却更为复杂。以自然界的鸟类和昆虫为例，从运动形式来看，在扑动飞行的过程中，鸟类或昆虫能够根据外界环境实时调整自身翼翅的扑动频率和扑动幅度，通过改变翼翅产生的气动力来满足不同的飞行要求，如起飞、转弯、平飞、加速、降落等；从气动机理来看，通过对鸟类和昆虫的观察，人们已经发现了“拍飞（Clap-Fling）”、“延时失速（Delayed Stall）”、“旋转环流（Rotational Circulation）”和“尾流捕获（Wake Capture）”这四种产生大升力的机理。
扑翼气动特性的复杂性激起了众多气动研究人员对它的研究热情。在众多研究手段中，以风洞实验为代表的流体力学实验以其直观、可信度高等优点成为扑翼研究的一种重要方法。现有的扑翼风洞实验机构很少有针对扑翼运动特性和风洞实验要求而进行专门设计的，存在以下问题：第一，无法实现不更换机构器件就调整扑动幅度的功能；第二，缺乏扑动角反馈，对扑动频率的控制精度较差；第三，难以保证扑动角和输入输出功率等测量量的实时性和同步性。这些问题从硬件架构方面制约了扑翼气动研究的精度和普适性。
发明内容
本发明提供了一种用于扑翼实验的驱动装置，该装置能够实现对扑动幅度和扑动频率的精确调节和控制，同时能够实现对机构的扑动角度和输入输出功率的实时测量，有助于进一步提高扑翼的实验能力和实验精度。
本发明的技术解决方案是：
一种用于微型扑翼实验的驱动装置，包括电机、机架、输出盘、连杆、摇臂、连接器、角度传感器、支架和扑翼安装座；
其特殊之处在于：
所述电机的机壳与机架固连，电机的枢轴与输出盘沿旋转轴线固连，连杆分别与输出盘和摇臂铰接，将电机的转动转换为摇臂的上下扑动；左、右的摇臂之间通过齿轮啮合实现传动，连接器分别与摇臂和角度传感器固连，将摇臂的扑动动作传入角度传感器；支架的一端和机架固连，扑翼安装座与支架的另一端固连，该扑翼安装座与摇臂一起实现与扑翼的连接。
上述摇臂的一端为圆心角小于180°的齿轮结构，另一端为柱状方体结构，端面上有一个安装孔，用于与扑翼之间的插接，并且在上下表面集成了一体式的转矩传感器；
上述齿轮结构为一种“双层齿轮”构型，由两层相同规格的齿轮相互交错叠联而成，以增加传动的平稳性；
上述转矩传感器由电阻应变片构成，通过在摇臂的上下表面各贴1片或2片电阻应变片，构成惠斯通半桥或全桥，实现对摇臂的输出转矩的测量。
上述电机为一种伺服电机，通过闭环控制实现对转速的精确控制，并且能够实时反馈其工作电压和电流；
上述输出盘的盘面上安置有多个螺纹连接孔，它们在盘面上由内向外呈螺旋状分布，每个连接孔距盘中心的距离都不同，用于调节驱动机构的扑动幅度；
上述角度传感器是机械式的接触性角度传感器或是电磁式、光电式的非接触性角度传感器。
本发明的优点在于：
本发明采用闭环控制的伺服电机作为驱动电机，能够实现对输出转速的精确控制，从而实现对驱动机构的扑动频率的准确控制，并且由于电机内部自带有无回差的行星齿轮减速器，因而无需额外增加减速器，大大增加了本发明在运行中的可靠性；
本发明采用输出盘代替传统四连杆机构上的曲柄，并在盘面上布置多个与盘中心距离不同的螺纹连接孔，输出盘通过这些螺纹连接孔与连杆铰接，不同的连接孔对应不同的扑动幅度，因而能够在不更换零部件的情况下简单快捷的实现对扑动幅度的调节；
本发明采用具有“双齿轮”结构的摇臂，使两个摇臂之间的啮合传动更加平稳，而且这种传动能够保证左右摇臂的扑动动作完全对称。
本发明增加了角度传感器和摇臂上的转矩传感器，角度传感器能够实时测量摇臂的运动位置，即能够得到扑翼的实时扑动角度，并通过简单的差分计算便能够得到扑翼的扑动角速度和角加速度；转矩传感器能够测量摇臂的输出转矩，配合角度传感器测得的角速度能够计算出摇臂的输出功率；另外由于电机能够实时反馈其输入电流和电压，因而能够直接测量驱动机构的输入功率；因此，本发明能够实时测量扑翼的扑动角度、角速度和角加速度，同时还能够同步测量机构的输入功率和输出功率。
附图说明
附图1为本发明结构示意图；
附图2为输出盘示意图；
附图3为摇臂示意图；
附图4为角度传感器与摇臂的连接示意图。
附图标号说明：1-电机，2-机架，3-输出盘，3A-螺纹连接孔，3B-盘面，3C-联轴端，4-连杆，5-摇臂，5A-力矩传感器，5B’-扑翼安装孔，5C-铰接孔，5D-连接孔，5E-双层齿轮，6-连接器，7-角度传感器，8-支架，9-扑翼安装座，9A-轴孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
本发明的驱动装置包括电机1、机架2、输出盘3、连杆4、摇臂5、连接器6、角度传感器7、支架8和扑翼安装座9。
所述电机1为一种基于CAN总线的直流伺服电机，能够通过闭环控制实现对转速的精确控制，这在驱动机构上则体现为对扑动频率的精确控制，同时，电机能够实时反馈电机的输入电压和电流，因而可以得到电机的输入功率；另外，电机内部自带无回差的行星齿轮减速器，使得在驱动机构中无需再添加额外的减速装置；电机的机壳与机架2固连，枢轴在穿过机架上的传动轴孔后与输出盘3固连。
输出盘3包括盘面3B和联轴端3C，联轴端3C与电机1的枢轴固连，盘面3B通过螺纹连接孔3A与连杆4铰接；盘面3B上安置有六个螺纹连接孔3A，它们在盘面上由内向外呈螺旋状分布，因而每个连接孔距盘中心的距离都不同，该距离直接决定了驱动机构的扑动幅度，因此每一个螺纹连接孔都对应一种扑动幅度，这样利用同一个驱动机构能够满足扑翼气动性能测试中对多个扑动幅度的要求。
摇臂5是一个集传统摇臂功能和传动功能为一体的零件，由于其构型较为复杂，可以采用3D打印的方法制造。摇臂通过铰接孔5C与固接于机架1上的支撑轴铰接，并通过连接孔5D与连杆4连接。摇臂的一端为柱状方体结构，端面上有一个扑翼安装孔5B’，用于和扑翼的前梁进行插接；摇臂的另一端为圆心角小于180°的齿轮结构5E，用于左右摇臂之间的动力传输，齿轮结构的圆心角大小由驱动机构的最大扑动幅度决定，为了增大齿轮啮合的平稳性，齿轮结构采用“双层齿轮”构型，它由两层相同规格的齿轮相互交错叠联而成。此外，在摇臂的柱状方体端集成了一体式的转矩传感器5A，该传感器由电阻式应变片构成，摇臂的上下表面各贴1片或2片，构成惠斯通半桥或全桥，能够测量摇臂的输出转矩。
角度传感器7固接于支架8上，角度传感器的感应部件与连接器6固连，同时连接器6与摇臂5固连，摇臂5转动时带动连接器6转动，进而将转动动作传入角度传感器，实现对摇臂扑动角度的测量。
所述扑翼安装座9为一左右对称的“工”字形零件，水平安装于支架8的末端，通过两个螺钉与支架固接。机翼安装座9的前后端面的两侧都有沿轴线方向对称分布的轴孔9A，通过一根穿过轴孔的刚性轴使扑翼的后梁末端铰接于机翼安装座9上，从而和摇臂5上的扑翼安装孔5B’相配合，实现扑翼在驱动机构上的安装，并且可根据扑翼的结构尺寸更换相应的扑翼安装座。
本发明在运行过程中，与机架2固接的电机1将枢轴的转动传至输出盘3，输出盘3和摇臂5之间由连杆4相连，两端都为铰接，由于摇臂5铰接于机架上的支撑轴上，因此能够将输出盘的周期性转动转换为摇臂的周期性扑动，进而驱动扑翼，并且扑动的幅度可通过改变连杆4在输出盘3上的螺纹连接孔3A而进行改变，进而能够在不更换零件的条件下简单快捷地改变扑翼的扑动幅度，左右摇臂5之间通过“双层齿轮”的啮合实现传动，使传动更加平稳并且保证了左右摇臂的扑动完全对称。摇臂5通过连接器6将扑动信号传递至角度传感器7，实现对扑动角度的实时测量，并且进行差分处理后还能够得到摇臂的扑动角速度和角加速度；摇臂5上的转矩传感器通过测量应变能够测出摇臂的输出转矩，结合角度传感器测得的扑动角速度，就能够得到摇臂的输出功率。
在实际的实验中，本发明能够根据实验的要求对扑翼的扑动频率和扑动幅度进行精确的控制与调节，在不外加其它传感器的情况下实现对扑翼的瞬时扑动角度和输入输出功率的测量。

Claims (7)

1.一种用于微型扑翼实验的驱动装置，包括电机（1）、机架（2）、输出盘（3）、连杆（4）、摇臂（5）、连接器（6）、角度传感器（7）、支架（8）和扑翼安装座（9）；
其特征在于：
所述电机（1）的机壳与机架（2）固连，电机（1）的枢轴与输出盘（3）沿旋转轴线固连，连杆（4）分别与输出盘（3）和摇臂（5）铰接，将电机的转动转换为摇臂的上下扑动；左、右的摇臂（5）之间通过齿轮啮合实现传动，连接器（6）分别与摇臂（5）和角度传感器（7）固连，将摇臂（5）的扑动动作传入角度传感器（7）；支架（8）的一端和机架（2）固连，扑翼安装座（9）与支架（8）的另一端固连，该扑翼安装座（9）与摇臂（5）一起实现与扑翼的连接。
2.根据权利要求1所述用于微型扑翼实验的驱动装置，其特征在于：所述摇臂（5）的一端为圆心角小于180°的齿轮结构，另一端为柱状方体结构，端面上有一个安装孔，用于与扑翼之间的插接，并且在上下表面集成了一体式的转矩传感器。
3.根据权利要求2中所述用于微型扑翼实验的驱动装置，其特征在于：所述齿轮结构为一种“双层齿轮”构型，由两层相同规格的齿轮相互交错叠联而成，以增加传动的平稳性。
4.根据权利要求2中所述用于微型扑翼实验的驱动装置，其特征在于：所述转矩传感器由电阻应变片构成，通过在摇臂的上下表面分别粘贴1片或2片电阻应变片，构成惠斯通半桥或全桥，实现对摇臂的输出转矩的测量。
5.根据权利要求1～4任一所述用于微型扑翼实验的驱动装置，其特征在于：所述电机（1）为一种伺服电机，通过闭环控制实现对转速的精确控制，并且能够实时反馈其工作电压和电流。
6.根据权利要求5所述用于微型扑翼实验的驱动装置，其特征在于：所述输出盘（3）的盘面上安置有多个螺纹连接孔，它们在盘面上由内向外呈螺旋状分布，每个连接孔距盘中心的距离都不同，用于调节驱动机构的扑动幅度。
7.根据权利要求6中所述用于微型扑翼实验的驱动装置，其特征在于：所述角度传感器（7）是机械式的接触性角度传感器或是电磁式、光电式的非接触性角度传感器。
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