CN105151278A - 一种适用于无人机的舵面差分驱动机构 - Google Patents
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Abstract
一种适用于无人机的舵面差分驱动机构，包括：共用模块、左副翼驱动机构模块和右副翼驱动机构模块；电动舵机(2)驱动双输出舵机连杆(4)转动，通过左侧连杆(61)及右侧连杆(62)、左侧舵轴连杆(81)及右侧舵轴连杆(82)的运动，带动左副翼舵轴(111)、右副翼舵轴(112)反方向旋转，使得左副翼(121)、右副翼(122)反向偏转。本发明采用双RSSR空间四连杆组合机构实现了对左副翼、右副翼的差分驱动，解决了左副翼、右副翼运动的同步问题，实现了左副翼、右副翼的等速传动，同时降低了对加工精度及工装的要求，节约制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种舵面差分驱动机构。
背景技术
无人机左、右副翼对称布置于左、右机翼后缘，用于调节无人机飞行姿态，当左、右副翼中立时，无人机平飞；当左、右副翼反向偏转(差动)时，无人机滚转。驱动机构作为副翼的机械传动装置，一方面连接动力源电动舵机，另一方面连接执行构件副翼舵面，将电动舵机的旋转运动转换为副翼绕舵轴的偏转运动。根据无人机飞行姿态控制需求，左、右副翼仅用于控制飞行器滚转，驱动机构需对左、右副翼进行差分驱动，即左、右副翼反向等速偏转，且左、右副翼驱动机构共用同一动力源，并要求左、右副翼运动过程中具有良好的同步性；同时受制于电动舵机输出转角与副翼偏转角的限制，要求驱动机构具有传动比为1的线性等速传动特性。
目前无人机副翼驱动机构多采用两套平面连杆机构分别单独驱动左、右副翼运动，两套机构采用相同构型与原理，相互独立互不干扰，通过控制左、右驱动电机反向运动实现左、右副翼的差分运动。这个驱动方式机构形式较为简单，但是存在左、右副翼运动不同步的问题，左、右副翼可能出现运动相对滞后或是同一时刻偏转角度不一致的问题，同时两套机构的控制系统也更为复杂，成本也更高。
在差分驱动方面应用较多的是齿轮传动，采用齿轮传递可保证左右机构运动的同步性，同时效率也较高，但是要求较高的制造和安装精度，应用成本较高，且不适宜远距离两轴间的传动。
在空间机构的应用方面，葛明在文献《RSSR空间连杆四轴联动电动舵机研究》中提出了一种基于滚珠丝杠与空间连杆相结合的四轴联动副翼驱动方案，传动装置一级减速为滚珠丝杠，二级为四RSSR(R表示旋转副，S表示球副)空间连杆组合机构，由于采用两级传递，效率较低，且实现的是四个导弹控制舵的同向偏转，没有达到差分驱动的目的。
邵立明、宋笔峰、杨淑利等在文献《一种微型扑翼飞机机翼的驱动机构》中发明了一种采用涡轮蜗杆机构减速，两套对称布置于涡轮蜗杆机构的空间四连杆机构的驱动装置，实现扑翼飞机机翼的上下扑动。同样由于采用两级传递，传递效率不高，且实现的是机翼的上下扑动，与无人机副翼绕轴旋转的目的相差较远。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于无人机的舵面差分驱动机构，采用双RSSR空间四连杆组合机构实现了对左副翼、右副翼舵面的差分驱动，解决了左副翼、右副翼运动的同步问题，实现了左副翼、右副翼的等速传动，同时降低了对加工精度及工装的要求，节约制造成本。
本发明所采用的技术方案是：一种适用于无人机的舵面差分驱动机构，包括：共用模块、左副翼驱动机构模块和右副翼驱动机构模块；共用模块包括机翼主梁、电动舵机、舵机座、双输出舵机连杆；电动舵机通过舵机座固定于机翼主梁上；双输出舵机连杆为杆状，中心有通孔，两侧分别有安装孔，双输出舵机连杆在中心位置与电动舵机的输出轴相连且固定安装在舵机座和机翼主梁的上方；左副翼驱动机构模块包括左侧连杆、左侧舵轴连杆、左侧轴承座、左副翼舵轴及活动连接装置；右副翼驱动机构模块包括右侧连杆、右侧舵轴连杆、右侧轴承座、右副翼舵轴及活动连接装置；双输出舵机连杆一端通过活动连接装置与左侧连杆连接，另一端通过活动连接装置与右侧连杆连接；左侧连杆未与双输出舵机连杆连接的一端通过活动连接装置与左侧舵轴连杆连接，左侧连杆位于机翼主梁的上方，左副翼舵轴垂直于左侧舵轴连杆；左副翼舵轴穿过左侧轴承座与左侧舵轴连杆相连，左侧轴承座固定于机翼主梁上，支撑左副翼舵轴及左侧舵轴连杆，左副翼舵轴与左副翼连接；右侧连杆未与双输出舵机连杆连接的一端通过活动连接装置与右侧舵轴连杆连接，右侧连杆位于机翼主梁的上方，右副翼舵轴垂直于右侧舵轴连杆；右副翼舵轴穿过右侧轴承座与右侧舵轴连杆相连，右侧轴承座固定于机翼主梁上，支撑右副翼舵轴及右侧舵轴连杆，右副翼舵轴与右副翼连接；电动舵机驱动双输出舵机连杆摆动，双输出舵机连杆通过左侧连杆、左侧舵轴连杆带动左副翼舵轴旋转，使左副翼发生偏转，同时双输出舵机连杆通过右侧连杆、右侧舵轴连杆带动右副翼舵轴反方向旋转，使右副翼相对于左副翼反向偏转。
所述双输出舵机连杆的长度L4、左侧舵轴连杆或右侧舵轴连杆的长度L6满足关系式：L4＝2L6。
所述活动连接装置为球头杆端关节轴承。
所述左侧连杆或右侧连杆两端的球头杆端关节轴承的螺纹方向相反。
所述左侧连杆或右侧连杆两端球头杆端关节轴承的球头球心之间的距离L5、左侧舵轴连杆或右侧舵轴连杆的长度L6满足关系式：L5＝3L6。
所述左副翼驱动机构模块还包括左侧轴承端盖，安装在左侧轴承座与左侧舵轴连杆连接的一端，对左侧轴承座中安装的轴承进行定位。
所述右副翼驱动机构模块还包括右侧轴承端盖，安装在右侧轴承座与右侧舵轴连杆连接的一端，对右侧轴承座中安装的轴承进行定位。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明实现了左副翼、右副翼的差分驱动，电动舵机驱动双输出舵机连杆摆动，带动左侧连杆及右侧连杆同时运动，通过机械传动有效保证了左、右副翼偏转的同步性，使用电动舵机的输出力来平衡作用于副翼上的力和力矩，并使副翼产生相应的舵偏角，从而调节无人机飞行的姿态，有效降低了无人机控制难度，实现左副翼和右副翼的差向转动。
(2)本发明通过合理选配各连杆的长度，保证双输出舵机连杆的长度L4，左侧舵轴连杆或右侧舵轴连杆的长度L6满足L4＝2L6，从而实现了左、右副翼驱动机构在规定舵偏范围内传动比近似为1的线性等速传动，并通过线性传递降低了控制难度，提高了控制精度。
(3)本发明广泛采用标准件球头杆端关节轴承，既降低了运动关节处球副的制造难度，降低了生产成本，又实现了零件的模块化、标准化与可更换性；左侧连杆和右侧连杆采用正反双向螺纹连接，实现连杆长度的连续调节，降低对加工精度及工装的要求，节约了制造成本。
(4)本发明通过将左侧连杆或右侧连杆两端球头杆端关节轴承的球头球心之间的距离L5及左侧舵轴连杆或右侧舵轴连杆的长度L6的长度关系设置为L5＝3L6，在规定舵偏范围内，降低传递误差，使得本舵面差分驱动机构能够达到更优化的控制效果。
附图说明
图1为本发明舵面差分驱动机构的轴侧视图；
图2为本发明舵面差分驱动机构的俯视图；
图3为本发明舵面差分驱动机构运动原理图。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种适用于无人机的舵面差分驱动机构，包括：共用模块、左副翼驱动机构模块和右副翼驱动机构模块三部分；共用模块包括机翼主梁1、电动舵机2、舵机座3、双输出舵机连杆4；左副翼驱动机构模块包括左侧第一球头杆端关节轴承51、左侧连杆61、左侧第二球头杆端关节轴承71、左侧舵轴连杆81、左侧轴承端盖91、左侧轴承座101、左副翼舵轴111；右副翼驱动机构模块包括右侧第一球头杆端关节轴承52、右侧连杆62、右侧第二球头杆端关节轴承72、右侧舵轴连杆82、右侧轴承端盖92、右侧轴承座102、右副翼舵轴112。
本发明的舵面差分驱动机构动力源电动舵机2通过舵机座3固定于机翼主梁1上，双输出舵机连杆4为杆状，中心有通孔，两侧分别有安装孔，用于与左侧第一球头杆端关节轴承51及右侧第一球头杆端关节轴承52连接，双输出舵机连杆4在中心位置与电动舵机2的输出轴固定连接，电动舵机2驱动输出轴带动双输出舵机连杆4摆动，双输出舵机连杆4位于机翼主梁1上方；双输出舵机连杆4一端与左副翼驱动机构模块的左侧第一球头杆端关节轴承51连接，另一端与右副翼驱动机构模块的右侧第一球头杆端关节轴承52连接。左副翼驱动机构模块中的左侧连杆61一端通过左侧第一球头杆端关节轴承51与共用模块中的双输出舵机连杆4连接，形成一活动球副，另一端通过左侧第二球头杆端关节轴承71与左侧舵轴连杆81连接，形成另一活动球副，其中，左侧第一球头杆端关节轴承51上的螺纹为左旋螺纹，左侧第二球头杆端关节轴承71上的螺纹为右旋螺纹，左侧连杆61采用正反双向螺纹连接可实现连杆长度的连续调节，降低对加工精度及工装的要求；左侧舵轴连杆81与左副翼舵轴111固连，同时左副翼舵轴111与左副翼121连接；左副翼舵轴111通过左侧轴承座101固定于机翼主梁1上，左侧轴承座101内安装有轴承，一方面保证左副翼舵轴111的旋转，另一方面降低左副翼舵轴111运转过程中的摩擦系数；左侧轴承座101内的轴承则通过左侧轴承端盖91以及左副翼舵轴111实现轴向定位。
右副翼驱动机构模块的各部件形状与左副翼驱动机构模块中对应的各部件相同，且装配连接形式与左副翼驱动机构模块一致，关于无人机航向中截面对称安装在无人机机体内。右副翼驱动机构模块中右侧连杆62一端通过右侧第一球头杆端关节轴承52与共用模块中的双输出舵机连杆4连接，另一端通过右侧第二球头杆端关节轴承72与右侧舵轴连杆82连接，右侧连杆62位于机翼主梁1的上方，右副翼舵轴112垂直于右侧舵轴连杆82；右侧舵轴连杆82穿过右侧轴承座102与右副翼舵轴112相连，右侧轴承座102固定于机翼主梁1上，支撑右副翼舵轴112及右侧舵轴连杆82，右副翼舵轴112与右副翼122连接，右侧轴承座102内安装有轴承，通过右侧轴承端盖92以及右副翼舵轴112实现轴向定位。
左侧第一球头杆端关节轴承51、左侧第二球头杆端关节轴承71、右侧第一球头杆端关节轴承52及右侧第二球头杆端关节轴承72均采用相同的球头杆端关节轴承标准件，降低运动关节球副的制造难度，节约了制造成本。
静止初始状态下，双输出舵机连杆4垂直于左侧第一球头杆端关节轴承51、左侧连杆61及左侧第二球头杆端关节轴承71所形成的直线，该直线平行与机翼主梁1所在的平面且位于机翼主梁1上方；左侧舵轴连杆81垂直于该直线与双输出舵机连杆4组成的平面，左副翼舵轴111垂直于该直线与左侧舵轴连杆81所形成的平面。双输出舵机连杆4垂直于右侧第一球头杆端关节轴承52、右侧连杆62及右侧第二球头杆端关节轴承72所形成的直线，该直线平行与机翼主梁1所在的平面且位于机翼主梁1上方；右侧舵轴连杆82垂直于该直线与双输出舵机连杆4组成的平面，右副翼舵轴112垂直于该直线与右侧舵轴连杆82所形成的平面。
如图3所示为本发明舵面差分驱动机构的运动原理图，本发明的舵面差分驱动机构为双RSSR空间四连杆组合机构，包括4个球副(S)和3个旋转副(R)，在初始位置，整个构型成正交对称布置，相邻连杆两两垂直，通过调整连杆L1、L2、L3的长度可得到不同的传动比。
本发明的实施例中双输出舵机连杆4、左侧舵轴连杆81、右侧舵轴连杆82、左侧连杆61、右侧连杆62的各连杆长度满足L4＝2L6，L5＝3L6，其中，L4为双输出舵机连杆4的长度，L5为左侧第一球头杆端关节轴承51的球头球心至左侧第二球头杆端关节轴承71的球头球心或右侧第一球头杆端关节轴承52的球头球心至右侧第二球头杆端关节轴承72的球头球心的距离，L6为左侧舵轴连杆81及右侧舵轴连杆82的长度。在该杆长条件下，双输出舵机连杆4、左侧舵轴连杆81及右侧舵轴连杆82的长度关系满足L4＝2L6，实现了在规定舵偏范围内传动比近似为1的线性等速传动，本实施例中规定舵偏范围为-25°～+25°。L5的长度能够调整舵面差分驱动机构的传动误差，L5越长，L4、L6越短，传递误差越小。
本发明无人机的舵面差分驱动机构工作过程如下：电动舵机2带动双输出舵机连杆4绕电动舵机2轴线旋转，双输出舵机连杆4带动左侧连杆61和右侧连杆62同时运动；左侧连杆61作空间运动，通过左侧第二球头杆端关节轴承71的活动球副作用将左侧连杆61的空间运动转化为左侧舵轴连杆81的旋转运动，而左侧舵轴连杆81与左副翼舵轴111、左副翼121固连，左侧舵轴连杆81的旋转运动使得左副翼舵轴111转动，进而带动了左副翼121偏转；由于右副翼驱动机构与左副翼驱动机构运动机理一样，且关于无人机航向中截面对称，导致左副翼驱动机构、右副翼驱动机构运动方向相反，右侧连杆62的运动使得右侧舵轴连杆82发生旋转，右侧舵轴连杆82的旋转运动带动右副翼舵轴112反方向转动，进而带动了右副翼122向左副翼121的反方向偏转，从而实现了左副翼121、右副翼122的差分运动。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。
Claims (7)
1.一种适用于无人机的舵面差分驱动机构，其特征在于，包括：共用模块、左副翼驱动机构模块和右副翼驱动机构模块；共用模块包括机翼主梁(1)、电动舵机(2)、舵机座(3)、双输出舵机连杆(4)；电动舵机(2)通过舵机座(3)固定于机翼主梁(1)上；双输出舵机连杆(4)为杆状，中心有通孔，两侧分别有安装孔，双输出舵机连杆(4)在中心位置与电动舵机(2)的输出轴相连且固定安装在舵机座(3)和机翼主梁(1)的上方；左副翼驱动机构模块包括左侧连杆(61)、左侧舵轴连杆(81)、左侧轴承座(101)、左副翼舵轴(111)及活动连接装置；右副翼驱动机构模块包括右侧连杆(62)、右侧舵轴连杆(82)、右侧轴承座(102)、右副翼舵轴(112)及活动连接装置；双输出舵机连杆(4)一端通过活动连接装置与左侧连杆(61)连接，另一端通过活动连接装置与右侧连杆(62)连接；左侧连杆(61)未与双输出舵机连杆(4)连接的一端通过活动连接装置与左侧舵轴连杆(81)连接，左侧连杆(61)位于机翼主梁(1)的上方，左副翼舵轴(111)垂直于左侧舵轴连杆(81)；左副翼舵轴(111)穿过左侧轴承座(101)与左侧舵轴连杆(81)相连，左侧轴承座(101)固定于机翼主梁(1)上，支撑左副翼舵轴(111)及左侧舵轴连杆(81)，左副翼舵轴(111)与左副翼(121)连接；右侧连杆(62)未与双输出舵机连杆(4)连接的一端通过活动连接装置与右侧舵轴连杆(82)连接，右侧连杆(62)位于机翼主梁(1)的上方，右副翼舵轴(112)垂直于右侧舵轴连杆(82)；右副翼舵轴(112)穿过右侧轴承座(102)与右侧舵轴连杆(82)相连，右侧轴承座(102)固定于机翼主梁(1)上，支撑右副翼舵轴(112)及右侧舵轴连杆(82)，右副翼舵轴(112)与右副翼(122)连接；电动舵机(2)驱动双输出舵机连杆(4)摆动，双输出舵机连杆(4)通过左侧连杆(61)、左侧舵轴连杆(81)带动左副翼舵轴(111)旋转，使左副翼(121)发生偏转，同时双输出舵机连杆(4)通过右侧连杆(62)、右侧舵轴连杆(82)带动右副翼舵轴(112)反方向旋转，使右副翼(122)相对于左副翼(121)反向偏转。
2.根据权利要求1所述的一种适用于无人机的舵面差分驱动机构，其特征在于：所述双输出舵机连杆(4)的长度L4、左侧舵轴连杆(81)或右侧舵轴连杆(82)的长度L6满足关系式：L4＝2L6。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于无人机的舵面差分驱动机构，其特征在于：所述活动连接装置为球头杆端关节轴承。
4.根据权利要求3所述的一种适用于无人机的舵面差分驱动机构，其特征在于：所述左侧连杆(61)或右侧连杆(62)两端的球头杆端关节轴承的螺纹方向相反。
5.根据权利要求3所述的一种适用于无人机的舵面差分驱动机构，其特征在于：所述左侧连杆(61)或右侧连杆(62)两端球头杆端关节轴承的球头球心之间的距离L5、左侧舵轴连杆(81)或右侧舵轴连杆(82)的长度L6满足关系式：L5＝3L6。
6.根据权利要求1或2所述的一种适用于无人机的舵面差分驱动机构，其特征在于：所述左副翼驱动机构模块还包括左侧轴承端盖(91)，安装在左侧轴承座(101)与左侧舵轴连杆(81)连接的一端，对左侧轴承座(101)中安装的轴承进行定位。
7.根据权利要求1或2所述的一种适用于无人机的舵面差分驱动机构，其特征在于：所述右副翼驱动机构模块还包括右侧轴承端盖(92)，安装在右侧轴承座(102)与右侧舵轴连杆(82)连接的一端，对右侧轴承座(102)中安装的轴承进行定位。
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