CN105151298B - 一种可实现俯仰和偏航独立调控的尾翼调节机构与扑翼机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现俯仰和偏航独立调控的尾翼调节机构与扑翼机，其中调节机构包括机架以及尾翼，尾翼包括水平翼片与竖直翼片，水平翼片通过一水平轴往复转动以实现俯仰调控，竖直翼片通过一竖直轴往复转动以实现偏航调控，还包括第一驱动组件与第二驱动组件，其中，水平轴与竖直轴为两处独立运动的结构，第一驱动组件用于驱动水平翼片或竖直翼片中的一个发生相应的调控运动，第二驱动组件用于驱动水平翼片或竖直翼片中的另一个发生相应的调控运动。本发明可以实现俯仰和偏航调节的完全解耦，将尾翼的偏航调节与俯仰调节分成两个互不关联的步骤，有效的避免了二者之间的相互干扰，有助于提高控制精度，降低控制难度。

Description

一种可实现俯仰和偏航独立调控的尾翼调节机构与扑翼机

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种飞行器的尾翼调节机构，本发明还涉及一种扑翼机。

背景技术

扑翼飞行器双翼与尾翼的设计都是在对自然界中鸟类的扑动规律进行模仿，不同于鸟类在扑动时完全依靠双翼来同时产生升力与推力，以及同时实现转向、机动和调整姿态等的功能，人造的扑翼飞行器出于简化结构、提高系统的稳定性、以及减小控制难度等目的，都只分配给扑动机构以产生升力和推力这两种最基本的功能，而将转向和机动的功能全部交由尾翼来实现。也就是说，尾翼在现有的扑翼飞行器中担负着提供飞行时所需的全部偏航力矩和俯仰力矩的作用。

在现有的尾翼设计中，常见的有如下两种形式：

1、使用一个平面作为尾翼面。此种结构需要尾翼面同时进行俯仰和滚转两种运动，气流对于尾翼面所产生的气动合力相对于扑翼飞行器的重心所产生的合力矩在水平方向和竖直方向的分量即是所产生的俯仰力矩和偏航力矩。这种布局形式虽然结构简单，但是要求俯仰力矩和偏航力矩必须要同时产生，难以进行精确控制。

2、使用两个平面作为尾翼面。在使用两个面作为尾翼布局形式的设计中，具体的分为V尾和水平-垂直尾翼的两种形式。其中，V尾的控制方式以及调整原理与单平面尾翼类似，故其也具有俯仰力矩与偏航力矩之间存在耦合关系的缺点。

而对于水平-垂直尾翼，其产生俯仰力矩和偏航力矩的主要原理是水平舵面和垂直舵面作为“挡风面”，在来流的作用下会产生分别垂直于相应舵面的气动力，这些气动力分别取合力并且相对于机体重心取矩后即可得到相应的力矩。当需要进行转向动作时，只需驱动尾翼绕沿竖直方向的轴在水平面内摆动即可；当需要进行俯仰调节（抬头或者是俯冲）时，只需驱动尾翼绕沿水平方向的轴在竖直平面内摆动）；而当需要同时进行转向动作和俯仰动作时，则可以同时进行两种调节运动，使尾翼做两种调节的合成运动。

然而，在传统的水平-垂直尾翼的结构中，为了简化设计，大部分都采用球副或者是万向联轴节等作为尾翼摆动时的连接关节。在这种情况下，如果仅依靠一个关节来实现尾翼的转动，就需要确保驱动尾翼的两个电机协调运动，然而在实际上电机之间的运动量很难进行合理分配，究其原因，一方面是其中的计算规则复杂，而另一方面运动量的大小还会与调节机构的尺寸、精度等有很大的关系，其也间接地增加了控制的成本和难度。

上述问题的实质是由于尾翼在做俯仰和偏航调节运动时这两种分量的控制之间存在耦合作用，而之所以会存在耦合，其最根本的原因就在于尾翼与机身相连接的关节是球副或者是万向联轴节。尾翼在做机动调节时实际上所需要的运动是绕着两个相互垂直方向上轴的转动，球副与万向联轴节都可以提供两个自由度方向上的转动（其中球副是三个自由度的，应用时只取其中两个；万向联轴节是两个自由度的，应用时刚好可以满足要求）。但是，这两种关节存在一个共同点——其所提供的两个转动副的转轴是相交的：球副的球心是其所提供的两个转轴的交点，万向联轴节中间十字架的中心也是其所提供的两个转轴的交点。因为两个轴相交，当外力驱动关节绕着某个转轴转动时，同时也必定存在有绕另一个轴转动的趋势，这种趋势在没有外界阻尼或者是限位的情况下就会造成关节发生不必要的偏转。从而降低控制精度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种可实现俯仰和偏航独立调控的尾翼调节机构，可以实现俯仰和偏航调节的完全解耦，将尾翼的偏航调节与俯仰调节分成两个互不关联的步骤，有效的避免了二者之间的相互干扰，有助于提高控制精度，降低控制难度。

本发明还提供一种扑翼机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可实现俯仰和偏航独立调控的尾翼调节机构，包括机架以及尾翼，尾翼包括水平翼片与竖直翼片，水平翼片通过一水平轴往复转动以实现俯仰调控，竖直翼片通过一竖直轴往复转动以实现偏航调控，还包括第一驱动组件与第二驱动组件，其中，水平轴与竖直轴为两处独立运动的结构，第一驱动组件用于驱动水平翼片或竖直翼片中的一个发生相应的调控运动，第二驱动组件用于驱动水平翼片或竖直翼片中的另一个发生相应的调控运动。

作为上述方案的进一步改进方式，竖直轴安装于机架上，第二驱动组件与竖直轴连接，尾翼通过水平轴与第二驱动组件铰接，其中

在第一驱动组件的驱动下，第二驱动组件可带动尾翼通过竖直轴相对机架转动；

在第二驱动组件的驱动下，尾翼可通过水平轴相对第二驱动组件转动。

作为上述方案的进一步改进方式，第一驱动组件包括第一舵机与偏航调节拉杆，竖直轴上伸出有水平的连杆，偏航调节拉杆的两端分别与第一舵机的摇臂以及连杆连接，且在对应的连接处形成球面副。

作为上述方案的进一步改进方式，偏航调节拉杆的两端安装有球头，其通过球头分别与摇臂、连杆连接。

作为上述方案的进一步改进方式，机架包括三根平行设置的支撑杆，以及固定在支撑杆两端的支撑架，第一舵机通过第一舵机安装座与支撑杆固接。

作为上述方案的进一步改进方式，第二驱动组件包括第二舵机、水平导杆、直线轴承、第一俯仰拉杆与第二俯仰拉杆，直线轴承可沿水平导杆滑动，第一俯仰拉杆的两端分别与第二舵机的摇臂以及直线轴承铰接，第二俯仰拉杆的两端分别与尾翼以及直线轴承铰接。

作为上述方案的进一步改进方式，水平导杆的一端通过导杆安装座与竖直轴固接，二者的轴线相互垂直，第二舵机通过第二舵机安装座与竖直轴固接。

作为上述方案的进一步改进方式，机架的尾端沿竖直方向设有第一轴承座，第二舵机安装座的上方沿水平方向设有第二轴承座，第一轴承座与第二轴承座上均设有滚动轴承。

作为上述方案的进一步改进方式，水平轴安装于机架上，第二驱动组件与水平轴连接，尾翼通过竖直轴与第二驱动组件铰接，其中

在第一驱动组件的驱动下，第二驱动组件可带动尾翼通过水平轴相对机架转动；

在第二驱动组件的驱动下，尾翼可通过竖直轴相对第二驱动组件转动。

一种扑翼机，包括上述的尾翼调节机构。

本发明的有益效果是：

可以实现俯仰和偏航调节的完全解耦，将尾翼的偏航调节与俯仰调节分成两个互不关联的步骤，有效的避免了二者之间的相互干扰，有助于提高控制精度，降低控制难度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一个实施例整体机构示意图；

图2是本发明的一个方向分解示意图；

图3是本发明的另一个方向分解示意图；

图4是本发明偏航调节机构的机构运动简图；

图5是本发明俯仰调节机构的机构运动简图；

图6是本发明的整体机构运动简图；

图7是本发明仅进行俯仰调节运动时的尾翼运动示意图；

图8是本发明仅进行偏航调节运动时的尾翼运动示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/ 或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

参照图1至图3，调节机构包括机架1、尾翼2、第一驱动组件3与第二驱动组件4，尾翼2包括水平翼片21与竖直翼片22，水平翼片21通过一水平轴6往复转动以实现俯仰调控，竖直翼片22通过一竖直轴5往复转动以实现偏航调控，其中，水平轴6与竖直轴5为两处独立运动的结构，优选的，水平轴6与竖直轴5在空间上处于不相交的状态，以使二者之间不存在偶合关系。第一驱动组件3用于驱动水平翼片或竖直翼片中的一个发生相应的调控运动，第二驱动组件4用于驱动水平翼片或竖直翼片中的另一个发生相应的调控运动，二者独立运行，将尾翼的偏航调节与俯仰调节分成两个互不关联的步骤，避免因相互干涉而影响控制精度。

优选的，本发明中的机架1包括三根平行设置的支撑杆11，以及固定在支撑杆11两端的支撑架12，支撑杆11与支撑架12组成稳固的三角形支架。

作为本发明的一个优选实施例，竖直轴5为一竖直的支杆，其安装于机架1上，第二驱动组件4与竖直轴5连接，尾翼2通过水平轴6与第二驱动组件4铰接。当需要进行偏航调节时，第二驱动组件4可在第一驱动组件3的驱动下带动尾翼2通过竖直轴5相对机架1转动（即左右摆动），此时作用在垂直翼片22上的气流会产生水平方向上的气动力分量，该分量对于重心作用会产生一定的偏航力矩，从而可以实现对于扑翼飞行器的转向操作；当需要进行俯仰调控时，尾翼可在第二驱动组件4的驱动下通过水平轴6相对第二驱动组件4转动（即上下摆动），相对于扑翼飞行器的来流会在水平翼片21上产生气动力，该气动力在竖直方向上的分量相对于机身重心的力矩即是调节扑翼机做俯仰运动的俯仰力矩。

具体的，机架1的尾部沿竖直方向设有第一轴承座13，该轴承座的内凹槽内设有微型滚珠轴承，竖直轴5通过该轴承座与机架1连接，并能通过滚珠轴承绕自身轴心旋转。

第一驱动组件3包括第一舵机31与偏航调节拉杆32，第一舵机31通过第一舵机安装座33与支撑杆11固接，以实现舵机与机架1之间的固定。竖直轴5上伸出有水平的连杆51，偏航调节拉杆32的两端分别与第一舵机31的摇臂以及连杆51连接，且在对应的连接处形成球面副，进一步的，偏航调节拉杆32的两端安装有球头34，其通过球头34分别与摇臂、连杆51连接。

参照图4与图5，杆a对应为第一舵机31的摇臂，杆b对应为偏航调节拉杆32，杆c对应为连杆51，关节A对应为由舵机摇臂组成的转动副，关节B对应为球头34与摇臂组成的球副，关节C对应为球头34与连杆51组成的球副，关节D对应为由竖直轴5与第一轴承座13组成的转动副。由运动简图可知，偏航调节机构总体来说是一个空间内的曲柄摇杆机构，当杆a转动时（在本实施例中其在一竖直平面内转动），会带动杆c转动（其轴心方向沿竖直方向）。

参照图1至图3，第二驱动组件4包括第二舵机41、水平导杆42、直线轴承43、第一俯仰拉杆44与第二俯仰拉杆45。优选的，水平导杆42的一端通过导杆安装座46与竖直轴5固接，二者的轴线相互垂直，第二舵机41通过第二舵机安装座47与竖直轴5固接，其他构件分别安装在水平导杆42与第二舵机安装座47上，这样第二驱动组件4整体可随竖直轴5一体转动。

第二舵机安装座47上设有一支撑片49，该支撑片49上设有安装孔，水平轴6（在本实施例中为水平导杆42尾端伸出的水平支杆）穿设在该安装孔内，还包括沿水平方向设置的第二轴承座48，第二轴承座48与尾翼固接，其内装有微型滚珠轴承，滚珠轴承与水平支杆之间形成转动副，这样尾翼便能通过该水平支杆上下摆动。

直线轴承43通过轴承安装座安装在导杆42上并可沿其滑动，第一俯仰拉杆44的两端分别与第二舵机的摇臂以及直线轴承铰接，形成转动副，第二俯仰拉杆45的两端分别与尾翼2以及直线轴承43铰接，形成转动副。

参照图5与图6，其中作为基座的杆c即上述的竖直轴5以及与竖直轴5固接的水平导杆42，也就是说第二驱动组件整体都是与杆c相连。第二驱动组件可以简化为一个偏心的曲柄滑块机构和一个移动摆杆机构，详见下：

1、曲柄滑块机构。杆c作为该机构的基座以及滑块滑动的导轨，杆d对应为第二舵机摇臂作为曲柄，杆e对应为第一俯仰拉杆44作为连杆，滑块f对应为直线轴承43与相应的轴承安装座。当杆c转动时，就可以带动滑块f在水平方向上滑动。

2、移动摆杆机构。杆c为该机构中的基座部分，滑块f对应为直线轴承43与相应的轴承安装座，作为该机构中的一个移动副，杆g对应为第二俯仰拉杆45作为连杆，杆i对应为第二轴承座48作为摆杆。当滑块f在导杆c上滑动时，会带动连杆g迫使摆杆i绕着转动副J在竖直平面内摆动，该摆动运动即尾翼的俯仰调节运动。

参照图7，随着第二舵机41摇臂的转动，直线轴承43沿着水平导杆42滑动，并通过第二俯仰拉杆45带动尾翼上下摆动，而在这一过程中整个尾部在水平方向相对处于静止状态。参照图8，随着第一舵机31摇臂的转动，偏航调节拉杆32带动竖直轴转动，进而带动固接在竖直轴上的整个尾部左右摆动，在这一过程中整个尾部在竖直方向相对处于静止状态，即本发明中所公开的调节机构可以实现在俯仰和偏航两个方向上调节运动的解耦分离。

作为本发明的另一个实施方式，竖直轴与水平轴的位置相对于第一实施例来说相互调换，即水平轴安装于机架上，第二驱动组件与水平轴连接，尾翼通过竖直轴与第二驱动组件铰接，这样在第一驱动组件的驱动下，第二驱动组件可带动尾翼通过水平轴发生上下摆动；在第二驱动组件的驱动下，尾翼可通过竖直轴发生左右摆动，其具体的构成可在基于第一实施例的基础上进行相应调整，再次就不累述。

本发明还公开了一种扑翼机，包括上述的尾翼调节机构。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种可实现俯仰和偏航独立调控的尾翼调节机构，包括机架、尾翼、水平轴与竖直轴，所述尾翼包括水平翼片与竖直翼片，所述水平轴与竖直轴为两处独立运动的结构，其特征在于：还包括第一驱动组件与第二驱动组件，其中，所述尾翼通过所述水平轴与所述第二驱动组件铰接，所述第二驱动组件通过所述竖直轴与所述机架铰接，在所述第一驱动组件的驱动下，所述第二驱动组件与所述尾翼一体相对所述竖直轴摆动以实现偏航调控，在所述第二驱动组件的驱动下，所述尾翼相对所述水平轴摆动以实现俯仰调控；

所述第一驱动组件包括第一舵机与偏航调节拉杆，所述竖直轴上伸出有水平的连杆，所述竖直轴与所述机架之间通过轴承连接，所述偏航调节拉杆的两端分别与所述第一舵机的摇臂以及连杆连接，且在对应的连接处形成球面副；

所述第二驱动组件包括第二舵机、水平导杆、直线轴承、第一俯仰拉杆与第二俯仰拉杆，所述直线轴承可沿所述水平导杆滑动，所述第一俯仰拉杆的两端分别与所述第二舵机的摇臂以及直线轴承铰接，所述第二俯仰拉杆的两端分别与所述尾翼以及直线轴承铰接。

2.根据权利要求1所述的可实现俯仰和偏航独立调控的尾翼调节机构，其特征在于：所述偏航调节拉杆的两端安装有球头，其通过所述球头分别与摇臂、连杆连接。

3.根据权利要求1所述的可实现俯仰和偏航独立调控的尾翼调节机构，其特征在于：所述机架包括三根平行设置的支撑杆，以及固定在所述支撑杆两端的支撑架，所述第一舵机通过第一舵机安装座与所述支撑杆固接。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的可实现俯仰和偏航独立调控的尾翼调节机构，其特征在于：所述水平导杆的一端通过导杆安装座与所述竖直轴固接，二者的轴线相互垂直，所述第二舵机通过第二舵机安装座与所述竖直轴固接。

5.根据权利要求4所述的可实现俯仰和偏航独立调控的尾翼调节机构，其特征在于：所述机架的尾端沿竖直方向设有第一轴承座，所述第二舵机安装座的上方沿水平方向设有第二轴承座，所述第一轴承座与第二轴承座上均设有滚动轴承。

6.一种扑翼机，其特征在于：包括权利要求1至5中任一项所述的尾翼调节机构。