CN105217031A - 一种基于风扇驱动的微扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于风扇驱动的微扑翼飞行器，将风扇驱动器和铰链连杆机构结合，风扇驱动器安装在铰链连杆机构内,且与铰链连杆机构内侧端面固连,两侧的铰链连杆机构对称布置，驱动连杆固定在风扇驱动器的自由端上，推杆与驱动连杆连接；控制杆一端与推杆连接，另一端与翅翼前缘固连，且控制杆与风扇驱动器侧面的铰链连杆机构连接；扭转控制杆与风扇驱动器侧面的铰链连杆机构连接，扭转控制杆一端与粘贴在推杆端部的耐磨垫块接触，扭转控制杆另一端与翅翼后缘连接；将风扇驱动机构在加载交变电压下的上下振动传递与放大，通过柔性铰链的作用驱动翅翼实现上下拍动与扭转。微扑翼飞行器结构简单、加工方便，且驱动控制简单。

Description

一种基于风扇驱动的微扑翼飞行器

技术领域

本发明涉及一种扑翼仿生飞行器，具体地说，涉及一种基于风扇驱动的微扑翼飞行器，属于扑翼仿生飞行器领域。

背景技术

微扑翼飞行器模仿生物飞行方式，利用翅翼拍打产生的非定常流场实现飞行。其翅翼拍动频率非常高，微扑翼飞行器要实现同生物类似的高效飞行，它的驱动机构非常重要。

美国加利福尼亚理工学院提出一种由微电机和精密机构组成的微扑翼飞行器驱动机构；英国剑桥大学与美国乔治亚理工学院合作研发的一种基于往复式化学肌肉的微扑翼飞行器驱动机构；南京航空航天大学及科研机构设计的微扑翼飞行器驱动机构等，大多是由微电机、齿轮减速机构和曲柄摇杆机构组成；上述驱动机构结构复杂，驱动机构本身的质量较大，使得驱动器本身的输出功率很大，增加了系统本身的复杂程度和功率密度。美国加州大学伯克利分校利用压电陶瓷驱动器和柔性铰链连杆机构研制了一种微扑翼飞行器驱动机构，这种驱动机构的不足是，所采用的压电陶瓷脆性大、诱导应变小、韧性差，限制了驱动机构的应用。

从微扑翼飞行器微小型化发展方向来看，压电类型驱动器和柔性铰链连杆机构是构成微扑翼飞行器驱动机构的理想要素。针对现有技术中的结构复杂，重量大，需要的驱动器本身的输入功率比较大，驱动器的重量和驱动器的选择的难度增加，驱动器本身韧性较弱的缺点，本发明提出一种结构简单、质量轻的MFC(Macro-FiberComposites—大纤维复合材料)风扇驱动的微扑翼飞行器，通过MFC风扇驱动器驱动柔性铰链连杆放大机构，实现翅翼的拍动与扭转；克服了现有技术的构件复杂，重量大，韧性不好，需要较大的输入功率的问题。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种基于风扇驱动的微扑翼飞行器；采用驱动器驱动控制,将风扇驱动机构在加载交变电压下的上下振动传递与放大，通过柔性铰链的作用驱动翅翼实现上下拍动与扭转。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括风扇驱动器、铰链连杆机构、右翅翼膜、左翅翼膜、翅翼前缘、翅翼后缘、驱动连杆、推杆、控制杆、扭转控制杆、耐磨垫块、驱动器、驱动风扇，风扇驱动器位于铰链连杆机构内侧中心部位，铰链连杆机构对称平行安装，风扇驱动器一端固定在铰链连杆机构内侧底端面上，另一端为自由端；驱动连杆固定在风扇驱动器自由端上，两个推杆一端分别与驱动连杆连接，推杆另一端有连接板，两个控制杆一端分别与推杆端部的连接板连接，另一端分别与两翅翼前缘固连，两个耐磨垫块分别固定粘贴在推杆端部的连接板上位于控制杆的侧面，两个扭转控制杆一端分别与粘贴在推杆端部连接板上的耐磨垫块接触，另一端分别与两翅翼后缘连接，控制杆和扭转控制杆分别与铰链连杆机构连接，实现两侧翅翼的拍动与扭转；所述风扇驱动器由驱动器和驱动风扇组成，驱动器与驱动风扇通过高强度胶固定粘接；所述驱动风扇采用纤维复合材料；所述驱动器由压电陶瓷和纤维条交叉堆叠而成，通过给电极施加交变电压，驱动器上的压电陶瓷受到交变电压的作用，产生压电效应使驱动器伸长或缩短，并使驱动风扇自由端产生向上或向下的变形。

右翅翼膜和左翅翼膜分别与翅翼前缘、翅翼后缘固连；右翅翼膜、左翅翼膜、翅翼前缘、翅翼后缘及翅翼脉采用纤维复合材料。

有益效果

本发明提出的一种基于风扇驱动的微扑翼飞行器,将风扇驱动器和铰链连杆机构结合为一体，风扇驱动器安装在铰链连杆机构内,风扇驱动器两侧的铰链连杆机构对称布置，风扇驱动器一端与铰链连杆机构内侧端面固连,驱动连杆固定在风扇驱动器的自由端上部；推杆一端与驱动连杆连接，推杆另一端与控制杆一端连接，控制杆另一端与翅翼前缘固连，且控制杆与风扇驱动器侧面的铰链连杆机构连接；扭转控制杆与风扇驱动器侧面的铰链连杆机构连接,扭转控制杆一端与粘贴在推杆端部连接板上的耐磨垫块接触，扭转控制杆另一端与翅翼后缘连接。将风扇驱动器在加载交变电压下的上下振动传递与放大，通过柔性铰链的作用驱动翅翼,实现上下拍动与扭转。

本发明基于风扇驱动的微扑翼飞行器结构简单，质量轻、韧性好，加工制造方便，且采用驱动器驱动控制简单。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种基于风扇驱动的微扑翼飞行器作进一步详细说明。

图1为本发明基于风扇驱动的微扑翼飞行器示意图。

图2为本发明的铰链连杆机构的局部放大图。

图3为本发明的推杆与扭转控制杆之间接触部位示意图。

图4为本发明的驱动器与驱动风扇连接示意图。

图中:

1.风扇驱动器2.铰链连杆机构3.右翅翼膜4.翅翼前缘5.左翅翼膜6.翅翼后缘7.驱动连杆8.推杆9.控制杆10.扭转控制杆11.耐磨垫块12.驱动器13.驱动风扇

具体实施方式

本实施例是一种基于风扇驱动的微扑翼飞行器。

参阅图1～图4,微扑翼飞行器是将风扇驱动器和铰链连杆机构结合形成一体，风扇驱动器两侧的铰链连杆机构2对称布置，结合被动的扭转结构，实现两侧翅翼的拍动与扭转。

本实施例扑翼飞行器由风扇驱动器1、铰链连杆机构2、右翅翼膜3、左翅翼膜5，翅翼前缘4、翅翼后缘6、驱动器12、驱动风扇13、驱动连杆7和两个推杆8、两个控制杆9、两个扭转控制杆10、两个耐磨垫块11组成；风扇驱动器1安装在铰链连杆机构2内,且风扇驱动器1一端与铰链连杆机构2内侧端面固定连接,驱动连杆7固定安装在风扇驱动器1的自由端上部，两个推杆8的一端分别与驱动连杆7连接，两个推杆另一端分别与控制杆9一端连接，两个控制杆9的另一端分别与翅翼前缘4固定连接，且两个控制杆9分别与风扇驱动器1两侧的铰链连杆机构2通过柔性铰链连接；两个扭转控制杆10分别与风扇驱动器1两侧的铰链连杆机构2通过柔性铰链连接,扭转控制杆10一端与粘贴在推杆8端部连接板上的耐磨垫块11接触,扭转控制杆10另一端与翅翼后缘6连接；扭转控制杆10和耐磨垫块11之间在翅翼向下拍动时面接触，当翅翼向上拍动时右扭转控制杆10和耐磨垫块11之间相分离，实现两侧翅翼的拍动与扭转。

微扑翼飞行器的扑翼驱动机构是左右对称的，右翅翼膜3、左翅翼膜5分别与翅翼前缘4、翅翼后缘6固定连接，仿生物蝉的翅膀进行设计，符合实际蝉的翅膀的受力状态；右翅翼膜3和左翅翼膜5分别与翅翼前缘4、翅翼后缘6固定连接；右翅翼膜3、左翅翼膜5、翅翼前缘4、翅翼后缘6及翅翼脉均采用纤维复合材料。风扇驱动器1由驱动器12和驱动风扇13组成，驱动器12和驱动风扇13通过高强度胶固定粘接。驱动风扇13采用纤维复合材料加工,质量轻，韧性好。驱动器12由压电陶瓷和纤维条交叉堆叠而成，其不仅具有很好的压电驱动性能，同时具有较好的各向异性、柔韧性和驱动效率高。通过给电极施加交变电压，驱动器12上的压电陶瓷受到交变电压的作用，产生压电效应,使驱动器12伸长或缩短，使得驱动风扇13的自由端产生向上或向下的变形。

风扇驱动器1和驱动连杆7之间通过高强度胶粘接固定在一起。风扇驱动器1在加载交变电压的作用下,自由端在交变电压的作用下实现上下周期性振动，并带动驱动连杆7上下运动；驱动连杆7的四杆机构将风扇驱动器的自由端较小的振幅通过四杆机构放大，并将振幅通过控制杆9和扭转控制杆10传递到由翅翼前缘4、翅翼后缘6和翅翼膜及翅翼脉组成的翅翼，从而驱动翅翼上下拍动，同时由于推杆8上的耐磨垫块11与扭转控制杆10的接触和分离,实现翅翼的拍动与扭转。

当风扇驱动器1带动驱动连杆7向上运动时，与驱动连杆7通过柔性铰链连接的两个推杆8向上运动，两个推杆8与两个扭转控制杆10通过耐磨垫块11接触，两个推杆8向上同时推动两个控制杆9和两个扭转控制杆10，从而驱动与两个控制杆9和两个扭转控制杆10连接的翅翼前缘4和翅翼后缘6向下拍动，实现翅翼向下的平动。由于各柔性铰链的作用，驱动连杆7、推杆8、控制杆9之间形成一个四杆放大机构，将风扇驱动器1的自由端较小的上下位移,通过四杆放大机构形成一个较大的上下位移；通过计算驱动连杆7、推杆8、控制杆9和柔性铰链的尺寸参数以及材料参数，即可实现翅翼的上下扑动,并且控制翅翼上下扑动的扑动角度，使其和生物蝉的运动相符合。

当风扇驱动器1带动驱动连杆7向下运动时，与驱动连杆7通过柔性铰链连接的两个推杆8向下运动，两个推杆8上固定粘接的耐磨垫块11与两个扭转控制杆10分离，推杆8向下运动带动控制杆9运动，推杆8与扭转控制杆10相分离，从而驱动与控制杆9连接的翅翼前缘4向上拍动，而翅翼后缘6无驱动力，在惯性力和气动力的作用下翅翼弦向产生扭转，实现翅翼的向上拍动与扭转。

Claims (2)

1.一种基于风扇驱动的微扑翼飞行器,其特征在于:包括风扇驱动器、铰链连杆机构、右翅翼膜、左翅翼膜、翅翼前缘、翅翼后缘、驱动连杆、推杆、控制杆、扭转控制杆、耐磨垫块、驱动器、驱动风扇，风扇驱动器位于铰链连杆机构内侧中心部位，铰链连杆机构对称平行安装，风扇驱动器一端固定在铰链连杆机构内侧底端面上，另一端为自由端；驱动连杆固定在风扇驱动器自由端上，两个推杆一端分别与驱动连杆连接，推杆另一端有连接板，两个控制杆一端分别与推杆端部的连接板连接，另一端分别与两翅翼前缘固连，两个耐磨垫块分别固定粘贴在推杆端部的连接板上位于控制杆的侧面，两个扭转控制杆一端分别与粘贴在推杆端部连接板上的耐磨垫块接触，另一端分别与两翅翼后缘连接，控制杆和扭转控制杆分别与铰链连杆机构连接，实现两侧翅翼的拍动与扭转；所述风扇驱动器由驱动器和驱动风扇组成，驱动器与驱动风扇通过高强度胶固定粘接；所述驱动风扇采用纤维复合材料；所述驱动器由压电陶瓷和纤维条交叉堆叠而成，通过给电极施加交变电压，驱动器上的压电陶瓷受到交变电压的作用，产生压电效应使驱动器伸长或缩短，并使驱动风扇自由端产生向上或向下的变形。

2.根据权利要求1所述的基于风扇驱动的微扑翼飞行器,其特征在于:右翅翼膜和左翅翼膜分别与翅翼前缘、翅翼后缘固连；右翅翼膜、左翅翼膜、翅翼前缘、翅翼后缘及翅翼脉采用纤维复合材料。