CN105151300B - 一种可实现差幅扑动的扑翼机构与扑翼机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现差幅扑动的扑翼机构与扑翼机，其中扑翼机构包括机架；分列于机架两侧的扑翼摇杆，扑翼摇杆以与机架的连接处作为支点形成摇杆机构；两处的连杆，连杆的一端作为连接端与同侧扑翼摇杆的动力臂铰接，另一端作为动力端，其可在外力的作用下带动对应的扑翼摇杆发生绕支点的往复转动；驱动组件，驱动组件用于驱动连杆的动力端；连杆动力端与同侧支点之间的距离可以调节，以使摇杆具有第一状态与第二状态，当其处于第一状态时，两侧的扑翼摇杆在同一扑动行程内的扑动幅度相等；当其处于第二状态时，两侧的扑翼摇杆在同一扑动行程内的扑动幅度不相等。本发明可以实现扑翼机以更快的速度和更小的转弯半径实现转向动作。

Description

一种可实现差幅扑动的扑翼机构与扑翼机

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种扑翼机构，本发明还涉及一种扑翼机。

背景技术

在目前对于仿鸟扑翼飞行器的设计中，一般是依靠翅膀扑动产生飞行时所需的升力和推力，而尾翼则负责提供转向与机动时所需的俯仰和偏航力矩。对于当前研究得最为广泛的单自由度平面扑动扑翼飞行器，其翅膀仅用于实现扑动动作，尾翼则完成俯仰和偏航调节作用。然而自然界中的鸟类在飞行时的机动与转向调节作用并不只是依靠尾翼来完成，事实上双翼发挥的作用要更大。大部分鸟类的尾巴对于机体的功能是用于平衡与调整其在飞行时的姿态，而双翼在扑动时一方面会产生飞行时所需的升力与推力，另一方面则也能够产生其在转向与机动动作时所需的俯仰、偏航和滚转力矩。

鸟类之所以能够通过一次扑动就同时产生飞行时所需的所有升力、推力和调整力矩，其最主要的原因在于鸟类的翅膀可以实现非对称扑动。鸟类翅膀由于其结构的特殊性，单侧翅膀可以实现的动作除了上下往复扑动、翅膀的外段相对于内段折叠收拢以及翅膀后缘相对于翅膀前缘扭转等以外，最重要的是两侧翅膀可以完全独立地完成这些动作——不同步、不同幅度。这种扑动规律可以类比为人类在走路时两只手的动作，我们可以根据所需要完成的动作来分别独立地控制和调整两只手各自的运动方式。

在传统的扑翼机设计中，完全对称布置的扑动机构由于在任意扑动时刻两侧翅膀上所产生的力都是对称且一致的，因此其无法产生滚转力矩。此时的扑翼机的机动与转向操作都必须依赖于尾翼的调节作用（尾翼部分通过摆动产生必要的偏航和俯仰力矩）。但是由于尾翼部分所产生的滚转和偏航力矩有限，同时仅仅依靠尾翼的动作来实现机动也会使得机体在改变飞行方向的同时发生较大的侧滑，因此现有的扑翼机在完成转向与俯仰动作时往往会形成较大的转弯半径。

此外，对称布局的平面扑动机构还存在着对环境的适应性差、机动性能差等缺点。当外界气流不稳定、飞行条件很差时，机身很容易发生偏转、滚动或者晃动，此时完全对称且固定布置的平面扑动结构将无法通过主动地调整扑动模式来抵消或者是减轻恶劣环境的影响。

当然，在目前也存在着一些做平面扑动的扑翼飞行器被设计成左右两侧翅膀均能够完全独立控制的布局形式——两侧翼可以完全独立地控制和调节其扑动的频率、幅度和翅膀静止时的位置，但是这种方式需要通过增加额外驱动电机的数量、增加机体的自由度来实现。这样做一方面会增加结构的复杂性、控制的难度以及降低系统的稳定性，与此同时，因为差幅扑动时的理论依据是左右两侧翼在扑动时所产生的整体滚转力矩效果（即左右两侧翼上产生的气动力差值的大小对于重心的合力矩值），而在要求提高滚转性能时往往并不会要求单侧翼需要具备完全静止而只是依靠另一侧翼的扑动的能力。因此，这种能够完全独立控制双侧翼的设计对于改善扑翼飞行器在实际飞行过程中性能方面的整体优越性其实并不大。

据此，本发明提出了一种结构简单、控制容易而且性能稳定的非对称扑动机构。

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差幅扑动的扑翼机构，可以实现扑翼机以更快的速度和更小的转弯半径实现转向动作，提高扑翼机的机动性能；在外界气流紊乱的条件下可以通过差幅扑动来矫正机身的滚转或者是姿态偏移，增加机体对于环境的适应性，以及飞行时的稳定性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可实现差幅扑动的扑翼机构，包括作为承载结构的机架；

分列于机架两侧的扑翼摇杆，扑翼摇杆以与机架的连接处作为支点形成摇杆机构；

两处的连杆，连杆的一端作为连接端与同侧扑翼摇杆铰接，另一端作为动力端，其可在外力的作用下带动对应的扑翼摇杆发生绕支点的往复转动；

驱动组件，驱动组件用于驱动两侧连杆的动力端同步运动；

其中

两侧连杆的动力端与同侧支点之间的距离可以由相等的第一状态调节为不相等的第二状态，当其处于第一状态时，两侧的扑翼摇杆在同一扑动行程内的扑动幅度相等；当其处于第二状态时，两侧的扑翼摇杆在同一扑动行程内的扑动幅度不相等。

作为上述方案的进一步改进方式，驱动组件包括曲柄滑块机构，滑块与连杆的动力端铰接。

作为上述方案的进一步改进方式，驱动组件包括主动齿轮、从动齿轮、驱动电机、偏心轴、驱动连杆、直线轴承、轴承基座与第一竖直导杆，其中

主动齿轮与驱动电机的驱动轴连接，并与驱动电机固接在机架上，从动齿轮与主动齿轮啮合；

从动齿轮上偏离圆心的位置设有偏心轴，驱动连杆分别与偏心轴、轴承基座铰接，轴承基座可通过直线轴承沿第一竖直导杆上下运动；

两侧连杆的动力端分别与轴承基座铰接。

作为上述方案的进一步改进方式，机架包括相互平行的前立架与后立架，前、后立架之间通过位于其两侧的水平导杆连接为一体，扑翼摇杆上设有安装孔，水平导杆穿设在该安装孔内，二者的结合部位形成的支点。

作为上述方案的进一步改进方式，包括可沿水平方向往复运动的差幅调节框架，从动齿轮、驱动连杆、直线轴承、轴承基座、第一竖直导杆与连杆均安装在其内，其中，从动齿轮在随差幅调节框架运动的过程中始终与主动轮保持啮合。

作为上述方案的进一步改进方式，包括螺母与步进电机，螺母固接于前立架上，步进电机的旋转轴为水平丝杠，丝杠与螺母螺接，步进电机与差幅调节框架固接。

作为上述方案的进一步改进方式，前、后立架上设有水平的导槽，差幅调节框架上设有导向板，该导向板插接在导槽内并可沿其滑动。

作为上述方案的进一步改进方式，包括限位连杆、第二竖直导杆与限位滑块，第二竖直导杆与差幅调节框架固接，限位滑块可相对第二竖直导杆上下移动，限位连杆的首端以及从动齿轮的中心与限位滑块铰接，限位连杆的尾端与驱动电机的旋转轴铰接。

一种扑翼机，包括翅膀，还包括上述的扑动机构，其中，翅膀分别与两侧的扑翼摇杆连接。

本发明的有益效果是：

可以实现扑翼机以更快的速度和更小的转弯半径实现转向动作，提高扑翼机的机动性能；在外界气流紊乱的条件下可以通过差幅扑动来矫正机身的滚转或者是姿态偏移，增加机体对于环境的适应性，以及飞行时的稳定性。

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的整体示意图；

图2是本发明一个实施例的分解示意图；

图3是本发明差幅调节框架未发生偏移时的正视图（隐藏后立架）；

图4是本发明差幅调节框架未发生偏移时的运动简图；

图5是本发明差幅调节框架向右偏移时的正视图（隐藏后立架）；

图6是本发明差幅调节框架向右偏移时的运动简图。

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与图2，示出了本发明一个实施例的整体示意图与分解示意图，其包括作为承载结构的机架1，优选的，机架1包括相互平行的前立架11与后立架12，前、后立架之间通过位于其两侧的水平导杆13连接为一体。

机架1的两侧分列有扑翼摇杆2与连杆5，扑翼摇杆2的长度相等，二者分别以其与机架1的连接处作为支点形成摇杆机构。连杆5的一端作为连接端与同侧扑翼摇杆2铰接，另一端作为动力端，其可在外力的作用下带动对应的扑翼摇杆发生绕支点的往复转动。还包括驱动组件，其用于驱动两侧连杆的动力端同步运动，完成摇杆2的扑动行程。

两侧连杆的动力端与同侧支点之间的距离可以从相等的第一状态调节为不相等的第二状态，这样当摇杆2处于第一状态时（即正常的扑动状态），两侧连杆的动力端与相应支点之间的距离相等，则同一扑动行程内摇杆的扑动幅度相等；当其处于第二状态时（即差速扑动状态），此时两侧连杆的动力端与相应支点之间的距离不相等，导致在同一扑动行程内的一侧摇杆的扑动幅度要大于另一侧，从而产生足够的翻转力矩。

具体的，扑翼摇杆2上设有安装孔21，前、后立架之间的水平导杆13穿设在该安装孔，二者的结合部位形成上述的支点。

本发明中的驱动组件优选采用曲柄滑块机构，滑块与连杆动力端连接，便于摇杆的同步转动与移动。

具体的，驱动组件包括主动齿轮31、从动齿轮32、驱动电机33、偏心轴34、驱动连杆35、直线轴承36、第一竖直导杆37和轴承基座38，其中主动齿轮31为小齿轮，其与驱动电机33的驱动轴连接，并与驱动电机33固接在机架1上。从动齿轮32为与主动齿轮31啮合的大齿轮，其上偏离圆心的位置设有偏心轴34，以形成曲柄滑块机构中的曲柄部分。直线轴承36可沿第一竖直导杆37上下移动，轴承基座38固接在直线轴承36上，二者共同组成曲柄滑块机构中的滑块部分，驱动连杆35分别与偏心轴34、轴承基座38铰接，同时轴承基座38还分别与两侧连杆的动力端铰接，这样当从动齿轮32旋转时，偏心轴34随之旋转，通过驱动连杆35驱动直线轴承36上下移动，进而带动摇杆2完成扑动行程。

为了保证曲柄滑块机构不因摇杆的左右移动而失效，本发明还设有差幅调节框架4，差幅调节框架4优选为一立方体框架，其设于前、后支架之间，可沿水平方向往复运动。从动齿轮32、驱动连杆35、直线轴承36、第一竖直导杆37、连杆5与轴承基座38均安装在框架4，与框架4同步左右移动，从而有效的保证了机构的完整性。

为了保证从动齿轮32在随差幅调节框架运动的过程中始终与主动轮保持啮合，其运动轨迹应该为与主动齿轮31同心的弧线。为实现这一目的，本发明设有限位连杆41、第二竖直导杆42与限位滑块43，第二竖直导杆42与差幅调节框架4固接，限位滑块43可相对第二竖直导杆42上下移动，限位连杆41的首端以及从动齿轮32的中心与限位滑块43铰接，限位连杆41的尾端与驱动电机33的旋转轴铰接，这样无论从动齿轮32如何运动，其与主动齿轮31之间的距离由限位连杆41限定为一定值，从而有效的保证了齿轮间的传动。

具体的，限位滑块43上伸出有水平的轴肩，该轴肩穿过限位连杆41首端的过孔后再与从动齿轮32中心的轴孔连接，以保证从动齿轮32、限位连杆41与限位滑块43之间可以自由转动。

差幅调节框架4的运动优选通过螺母44与步进电机45完成，其中螺母44固接于前立架11上，步进电机45的旋转轴为水平丝杠，丝杠与螺母44螺接，步进电机45与差幅调节框架4固接。

此外，前、后立架上还设有水平的导槽14，差幅调节框架上4设有导向板46，该导向板46插接在导槽14内并可沿其滑动，对差幅调节框架上4的运动进行导向。

参照图3与图4，示出了差幅调节框架未发生偏移时的正视图与运动简图，其中，杆a所对应为从动齿轮32，杆b对应为驱动连杆35，杆h对应为第一竖直导杆37，滑块c对应为直线轴承36与轴承基座38，杆d、f对应为两侧的连杆5，杆e、g对应为两侧的摇杆2。当摇杆2为发生偏移时，杆h位于机体的中心，随着杆a持续的整周转动，杆e和杆g将分别绕着转动副H和J往复摆动。此时由于左右的摇杆完全对称，所以左右双翼做的扑动幅度也完全相同，扑动时的相位也始终能保持一致。

参照图5与图6，示出了差幅调节框架向右侧偏移时的正视图与运动简图，可见杆h与转动副H、J之间的水平距离会发生改变，此时系统将会演化成两个不相对称的滑动摆杆机构，从而导致杆e与杆g所能够摆动的最大幅度出现差别。

差幅调节框架向左侧偏移时的各机构的运动情况与向右偏移时类似，在此就不一一赘述。

本发明还公开了一种扑翼机，包括翅膀与上述的扑动机构，其中，翅膀分别与两侧的扑翼摇杆连接。

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 (9)

1.一种可实现差幅扑动的扑翼机构，其特征在于：包括作为承载结构的机架；

分列于所述机架两侧的扑翼摇杆，所述扑翼摇杆以与所述机架的连接处作为支点形成摇杆机构；

两处的连杆，所述连杆的一端作为连接端与同侧扑翼摇杆铰接，另一端作为动力端，其可在外力的作用下带动对应的扑翼摇杆发生绕所述支点的往复转动；

驱动组件，所述驱动组件用于驱动两侧所述连杆的动力端同步运动；

其中

两侧所述连杆的动力端与同侧支点之间的距离可以由相等的第一状态调节为不相等的第二状态，当其处于第一状态时，两侧的扑翼摇杆在同一扑动行程内的扑动幅度相等；当其处于第二状态时，两侧的扑翼摇杆在同一扑动行程内的扑动幅度不相等。

2.根据权利要求1所述的可实现差幅扑动的扑翼机构，其特征在于：所述驱动组件包括曲柄滑块机构，所述滑块与所述连杆的动力端铰接。

3.根据权利要求2所述的可实现差幅扑动的扑翼机构，其特征在于：所述驱动组件包括主动齿轮、从动齿轮、驱动电机、偏心轴、驱动连杆、直线轴承、轴承基座与第一竖直导杆，其中

所述主动齿轮与驱动电机的驱动轴连接，并与所述驱动电机固接在所述机架上，所述从动齿轮与主动齿轮啮合；

所述从动齿轮上偏离圆心的位置设有所述偏心轴，所述驱动连杆分别与所述偏心轴、轴承基座铰接，所述轴承基座可通过所述直线轴承沿第一竖直导杆上下运动；

两侧所述连杆的动力端分别与所述轴承基座铰接。

4.根据权利要求3所述的可实现差幅扑动的扑翼机构，其特征在于：所述机架包括相互平行的前立架与后立架，所述前、后立架之间通过位于其两侧的水平导杆连接为一体，所述扑翼摇杆上设有安装孔，所述水平导杆穿设在该安装孔内，二者的结合部位形成所述的支点。

5.根据权利要求4所述的可实现差幅扑动的扑翼机构，其特征在于：包括可沿水平方向往复运动的差幅调节框架，所述从动齿轮、驱动连杆、直线轴承、轴承基座、第一竖直导杆与连杆均安装在其内，其中，所述从动齿轮在随差幅调节框架运动的过程中始终与主动轮保持啮合。

6.根据权利要求5所述的可实现差幅扑动的扑翼机构，其特征在于：包括螺母与步进电机，所述螺母固接于所述前立架上，所述步进电机的旋转轴为水平丝杠，所述丝杠与所述螺母螺接，所述步进电机与所述差幅调节框架固接。

7.根据权利要求5所述的可实现差幅扑动的扑翼机构，其特征在于：所述前、后立架上设有水平的导槽，所述差幅调节框架上设有导向板，该导向板插接在所述导槽内并可沿其滑动。

8.根据权利要求5所述的可实现差幅扑动的扑翼机构，其特征在于：包括限位连杆、第二竖直导杆与限位滑块，所述第二竖直导杆与所述差幅调节框架固接，所述限位滑块可相对所述第二竖直导杆上下移动，所述限位连杆的首端以及从动齿轮的中心与所述限位滑块铰接，所述限位连杆的尾端与所述驱动电机的旋转轴铰接。

9.一种扑翼机，包括翅膀，其特征在于：还包括权利要求1至8中任一项所述的扑翼机构，其中，所述翅膀分别与两侧的扑翼摇杆连接。