CN105329443A - 一种扑动-扭转耦合运动扑翼飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种扑动-扭转耦合运动扑翼飞行器。其技术方案是：所述扑翼飞行器由机身(1)、驱动机构(3)、两个机翼(4)、尾翼机构(5)和控制系统组成。电动机(22)通过齿轮将运动传递给第一转轴(25)，安装在第一转轴(25)两端的曲柄(26)通过两个连杆(27)带动两个机翼(4)实现机翼的扑动运动。安装在第一转轴(25)中部的小皮带轮(28)通过皮带与大皮带轮(31)连接，大皮带轮(31)的转动通过第二连杆(17)、摇杆(18)和两个机翼(4)实现机翼的扭转运动。发射机(41)将遥控信号传输给接收机(6)，控制电动机(22)以实现机翼的扑动和扭转，控制尾翼舵机(38)实现飞行器的转向。本发明具有结构简单、驱动原动件少、能实现扑动-扭转耦合的扑翼运动、飞行灵活和产生的有效升力大的特点。

Description

一种扑动-扭转耦合运动扑翼飞行器
技术领域
本发明属于扑翼飞行器技术领域。尤其涉及一种扑动-扭转耦合运动的扑翼飞行器。
背景技术
扑翼飞行具有很好的机动性和灵活性。相比于固定翼飞行，在低雷诺数下，能够充分利用非定常空气动力特性获取高升力，具有很高的飞行稳定性。多自由度扑翼运动相比单自由度扑翼运动能够更好地实现飞行生物的姿态，飞行灵活，并且在运动的过程中能够更好地控制飞行方式。
目前，研究的扑翼飞行器大多为单自由度机构，实现的运行形式简单，飞行灵活性和稳定性无法与飞行生物相比，而已有的多自由度扑翼飞行器结构复杂，驱动原动件多，控制系统复杂，难以微型化。
一种微型仿蜻蜓双扑翼飞行器（CN102211665A）采用单自由度扑翼运动，虽然有前后两对扑翼但由于向上和向下的扑动是对称的，产生的升力和阻力相等且抵消，不能产生有效的升力。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种结构简单、能够实现扑动和扭转两个自由度运动、飞行灵活和有效升力大的扑动-扭转耦合运动扑翼飞行器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述扑翼飞行器由机身、驱动机构、两个机翼、尾翼机构和控制系统组成。设机身头部为前方，面对机身头部的左侧为左方，前后方向为纵向，左右方向为横向。
机身是由机身头部、机身中部和机身尾部依次连接而成。
机身中部的结构是：左侧的竖直框架和右侧的竖直框架通过四个横向水平杆件连接为一个箱形框架，两侧的竖直框架对称设置。竖直框架的靠近底部处对称地设有纵向水平梁，两个纵向水平梁的中部对称地设有第一轴承座。两侧的竖直框架的上水平杆件下平面的靠近前端处对称地设有第三轴承座（8），右侧竖直框架的上水平杆件下平面的靠近后端处设有第二轴承座；两侧的竖直框架底部靠近前端处沿横向设有电机固定架，两侧的竖直框架的前部上角处对称地设有电池固定架。
机身头部由两个相同的弧形构件构成，弧形构件对称地固定在机身中部的前端两侧。
机身尾部是由纵向水平杆和纵向固定杆构成。纵向水平杆的前端固定在机身中部后端的横向上水平杆的中间位置处，纵向固定杆的前端固定在机身中部后端的横向下水平杆的中间位置处，纵向固定杆的后端与纵向水平杆的中部固定连接，纵向水平杆和纵向固定杆与对应的横向上水平杆和横向下水平杆相互垂直；纵向水平杆件由后向前依次设有销孔和螺纹孔。
驱动机构包括电动机、小齿轮、大齿轮、小皮带轮、第一转轴、两个曲柄、两个连杆、第二转轴、大皮带轮、第二连杆、摇杆、第三转轴和两个机翼安装架。
电动机安装在机身中部的电机固定架上，小齿轮安装在电动机的输出轴，小齿轮与大齿轮啮合。
第一转轴安装在机身中部的第一轴承座上，在第一转轴的两端对称地装有曲柄，两个曲柄之间由左向右依次装有大齿轮和小皮带轮。两个曲柄末端与各自对应的连杆的一端通过球面副连接，两个连杆的另一端设有球面副，球面副的外圈固定有连接机翼的销轴。
第二转轴安装在机身中部的第二轴承座上，第二转轴靠近左端处装有大皮带轮，大皮带轮通过皮带与小皮带轮连接，大皮带轮的侧面靠近边缘处装有连接连杆的销轴。
第三轴承座上装有第三转轴，第三转轴的两端固定有机翼安装架，机翼安装架位于第三轴承座的外侧，机翼安装架为长方体，机翼安装架沿长的方向开有连接机翼的通孔。第三转轴的中部靠近左端处固定有摇杆，摇杆的另一端与第二连杆的一端铰接，第二连杆的另一端与大皮带轮上的连接连杆的销轴铰接。
两个机翼形状相同，均由翼面、凹形构件和连接机翼安装架的销轴构成；翼面的根部与凹形构件的封闭端固定连接，凹形构件的开口端装有连接机翼安装架的销轴，连接机翼安装架的销轴与连接机翼的通孔活动连接；凹形构件封闭端的平面开有销轴通孔，销轴通孔与连杆球面副的外圈固定的连接机翼的销轴固定连接。
尾翼机构由尾翼舵机、舵臂、第三连杆、尾翼和连接机身尾部的销轴组成。
尾翼是由垂尾和平尾组成；垂尾的平面形状为梯形，平尾是由前部的等腰三角形和后部的矩形构成的整体，垂尾垂直地固定在平尾的中间位置处。
尾翼舵机通过螺栓和机身尾部的螺纹孔与机身尾部固定连接，尾翼舵机的输出轴装有舵臂，舵臂与第三连杆的一端铰接，第三连杆的另一端与尾翼铰接；尾翼通过连接机身尾部的销轴和机身尾部的销孔与机身尾部活动连接。
控制系统的结构是：发射机与接收机无线连接，锂电池与接收机的输入端口连接；接收机的输出端口1与电动机连接，接收机的输出端口2与尾翼舵机连接；锂电池安装在电池固定架上，接收机固定在机身尾部的纵向水平杆件的靠近前端处。
所述两侧的竖直框架的结构相同，是由后竖直杆件、纵向上水平杆件、前竖直杆件、纵向下水平杆件和弧形杆件依次连接为封闭式框架。其中：前竖直杆件和后竖直杆件的上端固定有纵向上水平杆件，前竖直杆件的下端固定有纵向下水平杆件，后竖直杆件下端和纵向下水平杆件的后端通过弧形杆件相连。纵向下水平杆件的长度为纵向上水平杆件的0.4~0.6倍，后竖直杆件的长度为前竖直杆件的0.2~0.4倍。
所述纵向固定杆的后端与纵向水平杆的中部固定连接是指纵向固定杆与纵向水平杆在连接处的夹角为25~30°。
所述凹形构件的封闭端宽度为翼面根部宽度的0.6~0.8倍。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明由机身、驱动机构、两个机翼、尾翼机构和控制系统组成，结构简单；由一个电动机实现两个自由度的扑翼运动，驱动原动件少。本发明由于具有扑动和扭转两个自由度的运动，在飞行时能够通过扭转运动改变机翼的迎角，相对于单自由度扑翼飞行器，飞行灵活，产生的有效升力更大。
本发明中的电动机启动时，电动机输出轴上的小齿轮转动，小齿轮与大齿轮啮合，将扭矩传递给第一转轴及安装在第一转轴上的小皮带轮；第一转轴的转动带动安装在第一转轴两端的两个曲柄转动，两个曲柄带动各自的连杆，两个连杆通过球面副外圈的销轴与各自对应的机翼连接；两个曲柄、两个连杆、两个机翼、机身组成空间连杆机构，两个曲柄的转动通过两个连杆使得两个机翼在空间上下扑动，实现机翼的扑动运动。
本发明中的小皮带轮随着第一转轴转动，小皮带轮通过皮带，将扭矩传递给大皮带轮，大皮带轮驱动安装在大皮带轮上的第二连杆转动，第二连杆带动摇杆往复摆动，摇杆和第三转轴固定在一起，第三转轴两端固定机翼安装架，两个机翼安装在机翼安装架上，摇杆的往复摆动使得两个机翼绕着机翼中线转动；大皮带轮、第二连杆、摇杆和机翼构成曲柄摇杆机构，实现机翼的扭转运动。
通过上述空间连杆机构实现机翼的扑动运动，曲柄摇杆机构实现机翼的扭转运动，两个运动合成，实现了机翼的扑动-扭转耦合运动。
本发明中的尾翼舵机逆时针转动时，驱动尾翼舵机输出轴上的舵臂逆时针转动，舵臂与第三连杆的一端铰接，第三连杆的另一端与尾翼铰接，尾翼(36)通过连接机身尾部的销轴(37)和机身尾部(14)的销孔(15)与机身尾部(14)活动连接；舵臂的逆时针转动通过第三连杆拉着尾翼向左转动，扑翼飞行器向左转向。反之，同理。
本发明是一种既能扑动又能扭转的具有两个自由度的扑翼飞行器；适用于生化探测与环境监测、灾难搜救、低空侦察、通信中继与信号干扰等民用和国防领域。
因此，本发明具有结构简单、驱动原动件少、能实现扑动-扭转耦合的扑翼运动、飞行灵活和产生的有效升力大的特点。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是图1中机身1的结构示意图；
图3是图2中Ⅰ的放大示意视图；
图4是图2中Ⅱ的放大剖视图；
图5是图1中驱动机构3的一种结构示意图；
图6是图1中机翼4的一种结构放大示意图；
图7是图6的A-A向剖面示意图；
图8是图1中尾翼机构5的放大示意图；
图9是本发明的一种控制系统图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对其保护范围的限制。
实施例1
一种扑动-扭转耦合运动扑翼飞行器。如图1所示，所述扑翼飞行器由机身1、驱动机构3、两个机翼4、尾翼机构5和控制系统组成。设机身头部为前方，面对机身头部的左侧为左方，前后方向为纵向，左右方向为横向。
机身1是由机身头部11、机身中部10和机身尾部14依次连接而成。
机身中部10的结构是：左侧的竖直框架和右侧的竖直框架通过四个横向水平杆件连接为一个箱形框架，两侧的竖直框架对称设置。竖直框架的靠近底部处对称地设有纵向水平梁，两个纵向水平梁的中部对称地设有第一轴承座13。两侧的竖直框架的上水平杆件下平面的靠近前端处对称地设有第三轴承座8，右侧竖直框架的上水平杆件下平面的靠近后端处设有第二轴承座7；两侧的竖直框架底部靠近前端处沿横向设有电机固定架12，两侧的竖直框架的前部上角处对称地设有电池固定架9。
机身头部11由两个相同的弧形构件构成，弧形构件对称地固定在机身中部10的前端两侧。
机身尾部14是由纵向水平杆和纵向固定杆构成。纵向水平杆的前端固定在机身中部10后端的横向上水平杆的中间位置处，纵向固定杆的前端固定在机身中部10后端的横向下水平杆的中间位置处，纵向固定杆的后端与纵向水平杆的中部固定连接，纵向水平杆和纵向固定杆与对应的横向上水平杆和横向下水平杆相互垂直；纵向水平杆件由后向前依次设有销孔15和螺纹孔16。
驱动机构3包括电动机22、小齿轮23、大齿轮24、小皮带轮28、第一转轴25、两个曲柄26、两个连杆27、第二转轴30、大皮带轮31、第二连杆17、摇杆18、第三转轴21和两个机翼安装架20。
电动机22安装在机身中部10的电机固定架12上，小齿轮23安装在电动机22的输出轴，小齿轮23与大齿轮24啮合。
第一转轴25安装在机身中部10的第一轴承座13上，在第一转轴25的两端对称地装有曲柄26，两个曲柄26之间由左向右依次装有大齿轮24和小皮带轮28。两个曲柄26末端与各自对应的连杆27的一端通过球面副连接，两个连杆27的另一端设有球面副，球面副的外圈固定有连接机翼的销轴29。
第二转轴30安装在机身中部10的第二轴承座7上，第二转轴30靠近左端处装有大皮带轮31，大皮带轮31通过皮带与小皮带轮28连接，大皮带轮31的侧面靠近边缘处装有连接连杆的销轴。
第三轴承座8上装有第三转轴21，第三转轴21的两端固定有机翼安装架20，机翼安装架20位于第三轴承座8的外侧，机翼安装架20为长方体，机翼安装架20沿长的方向开有连接机翼的通孔19。第三转轴21的中部靠近左端处固定有摇杆18，摇杆18的另一端与第二连杆17的一端铰接，第二连杆17的另一端与大皮带轮31上的连接连杆的销轴铰接。
两个机翼4形状相同，均由翼面32、凹形构件34和连接机翼安装架的销轴35构成；翼面32的根部与凹形构件34的封闭端固定连接，凹形构件34的开口端装有连接机翼安装架的销轴35，连接机翼安装架的销轴35与连接机翼的通孔19活动连接；凹形构件34封闭端的平面开有销轴通孔33，销轴通孔33与连杆27球面副的外圈固定的连接机翼的销轴29固定连接。
尾翼机构5由尾翼舵机38、舵臂39、第三连杆40、尾翼36和连接机身尾部的销轴37组成。
尾翼36是由垂尾和平尾组成；垂尾的平面形状为梯形，平尾是由前部的等腰三角形和后部的矩形构成的整体，垂尾垂直地固定在平尾的中间位置处。
尾翼舵机38通过螺栓和机身尾部14的螺纹孔16与机身尾部14固定连接，尾翼舵机38的输出轴装有舵臂39，舵臂39与第三连杆40的一端铰接，第三连杆40的另一端与尾翼36铰接；尾翼36通过连接机身尾部的销轴37和机身尾部14的销孔15与机身尾部14活动连接。
控制系统的结构是：发射机41与接收机6无线连接，锂电池2与接收机6的输入端口连接；接收机6的输出端口1与电动机22连接，接收机6的输出端口2与尾翼舵机38连接；锂电池2安装在电池固定架9上，接收机6固定在机身尾部14的纵向水平杆件的靠近前端处。
所述两侧的竖直框架的结构相同，是由后竖直杆件、纵向上水平杆件、前竖直杆件、纵向下水平杆件和弧形杆件依次连接为封闭式框架。其中：前竖直杆件和后竖直杆件的上端固定有纵向上水平杆件，前竖直杆件的下端固定有纵向下水平杆件，后竖直杆件下端和纵向下水平杆件的后端通过弧形杆件相连。纵向下水平杆件的长度为纵向上水平杆件的0.4~0.5倍，后竖直杆件的长度为前竖直杆件的0.2~0.3倍。
所述纵向固定杆的后端与纵向水平杆的中部固定连接是指纵向固定杆与纵向水平杆在连接处的夹角为25~28°。
所述凹形构件34的封闭端宽度为翼面32根部宽度的0.6~0.7倍。
实施例2
一种扑动-扭转耦合运动扑翼飞行器。除下述技术参数外，其余同实施例1：
纵向下水平杆件的长度为纵向上水平杆件的0.5~0.6倍，后竖直杆件的长度为前竖直杆件的0.3~0.4倍。
所述纵向固定杆的后端与纵向水平杆的中部固定连接是指纵向固定杆与纵向水平杆在连接处的夹角为27~30°。
所述凹形构件34的封闭端宽度为翼面32根部宽度的0.7~0.8倍。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式由机身1、驱动机构3、两个机翼4、尾翼机构5和控制系统组成，结构简单；由一个电动机22实现两个自由度的扑翼运动，驱动原动件少。本具体实施方式由于具有扑动和扭转两个自由度的运动，在飞行时能够通过扭转运动改变机翼的迎角，相对于单自由度扑翼飞行器，飞行灵活，产生的有效升力大。
本具体实施方式中的电动机22启动时，电动机输出轴上的小齿轮23转动，小齿轮23与大齿轮24啮合，将扭矩传递给第一转轴25及安装在第一转轴25上的小皮带轮28；第一转轴25的转动带动安装在第一转轴25两端的两个曲柄26转动，两个曲柄26带动各自的连杆27，两个连杆27通过球面副外圈的销轴29与各自对应的机翼4连接；两个曲柄26、两个连杆27、两个机翼4、机身1组成空间连杆机构，两个曲柄26的转动通过两个连杆27使得两个机翼4在空间上下扑动，实现机翼的扑动运动。
本具体实施方式中的小皮带轮28随着第一转轴25转动，小皮带轮28通过皮带，将扭矩传递给大皮带轮31，大皮带轮31驱动安装在大皮带轮31上的第二连杆17转动，第二连杆17带动摇杆18往复摆动，摇杆18和第三转轴21固定在一起，第三转轴21两端固定机翼安装架20，两个机翼4安装在机翼安装架20上，摇杆18的往复摆动使得两个机翼4绕着机翼中线转动；大皮带轮31、第二连杆17、摇杆18和机翼4构成曲柄摇杆机构，实现机翼的扭转运动。
通过上述空间连杆机构实现机翼的扑动运动，曲柄摇杆机构实现机翼的扭转运动，两个运动合成，实现了机翼的扑动-扭转耦合运动。
本具体实施方式中的尾翼舵机38逆时针转动时，驱动尾翼舵机输出轴上的舵臂39逆时针转动，舵臂39与第三连杆40的一端铰接，第三连杆40的另一端与尾翼36铰接，尾翼36通过连接机身尾部的销轴37和机身尾部14的销孔15与机身尾部14活动连接；，舵臂39的逆时针转动通过第三连杆40拉着尾翼36向左转动，扑翼飞行器向左转向。反之，同理。
本具体实施方式是一种既能扑动又能扭转的具有两个自由度的扑翼飞行器；适用于生化探测与环境监测、灾难搜救、低空侦察、通信中继与信号干扰等民用和国防领域。
因此，本具体实施方式具有结构简单、驱动原动件少、能实现扑动-扭转耦合的扑翼运动、飞行灵活和产生的有效升力大的特点。

Claims (4)

1.一种扑动-扭转耦合运动扑翼飞行器，其特征在于所述扑翼飞行器由机身(1)、驱动机构(3)、两个机翼(4)、尾翼机构(5)和控制系统组成；设机身头部为前方，面对机身头部的左侧为左方，前后方向为纵向，左右方向为横向；
机身(1)是由机身头部(11)、机身中部(10)和机身尾部(14)依次连接而成；
机身中部(10)的结构是：左侧的竖直框架和右侧的竖直框架通过四个横向水平杆件连接为一个箱形框架，两侧的竖直框架对称设置；竖直框架的靠近底部处对称地设有纵向水平梁，两个纵向水平梁的中部对称地设有第一轴承座(13)；两侧的竖直框架的上水平杆件下平面的靠近前端处对称地设有第三轴承座（8），右侧竖直框架的上水平杆件下平面的靠近后端处设有第二轴承座(7)；两侧的竖直框架底部靠近前端处沿横向设有电机固定架(12)，两侧的竖直框架的前部上角处对称地设有电池固定架(9)；
机身头部(11)由两个相同的弧形构件构成，弧形构件对称地固定在机身中部(10)的前端两侧；
机身尾部(14)是由纵向水平杆和纵向固定杆构成；纵向水平杆的前端固定在机身中部(10)后端的横向上水平杆的中间位置处，纵向固定杆的前端固定在机身中部(10)后端的横向下水平杆的中间位置处，纵向固定杆的后端与纵向水平杆的中部固定连接，纵向水平杆和纵向固定杆与对应的横向上水平杆和横向下水平杆相互垂直；纵向水平杆件由后向前依次设有销孔(15)和螺纹孔(16)；
驱动机构(3)包括电动机(22)、小齿轮(23)、大齿轮(24)、小皮带轮(28)、第一转轴(25)、两个曲柄(26)、两个连杆(27)、第二转轴(30)、大皮带轮(31)、第二连杆(17)、摇杆(18)、第三转轴(21)和两个机翼安装架(20)；
电动机(22)安装在机身中部(10)的电机固定架(12)上，小齿轮(23)安装在电动机(22)的输出轴，小齿轮(23)与大齿轮(24)啮合；
第一转轴(25)安装在机身中部(10)的第一轴承座(13)上，在第一转轴(25)的两端对称地装有曲柄(26)，两个曲柄(26)之间由左向右依次装有大齿轮(24)和小皮带轮(28)；两个曲柄(26)末端与各自对应的连杆(27)的一端通过球面副连接，两个连杆(27)的另一端设有球面副，球面副的外圈固定有连接机翼的销轴(29)；
第二转轴(30)安装在机身中部(10)的第二轴承座(7)上，第二转轴(30)靠近左端处装有大皮带轮(31)，大皮带轮(31)通过皮带与小皮带轮(28)连接，大皮带轮(31)的侧面靠近边缘处装有连接连杆的销轴；
第三轴承座(8)上装有第三转轴(21)，第三转轴(21)的两端固定有机翼安装架(20)，机翼安装架(20)位于第三轴承座(8)的外侧，机翼安装架(20)为长方体，机翼安装架(20)沿长的方向开有连接机翼的通孔(19)；第三转轴(21)的中部靠近左端处固定有摇杆(18)，摇杆(18)的另一端与第二连杆(17)的一端铰接，第二连杆(17)的另一端与大皮带轮(31)上的连接连杆的销轴铰接；
两个机翼(4)形状相同，均由翼面(32)、凹形构件(34)和连接机翼安装架的销轴(35)构成；翼面(32)的根部与凹形构件(34)的封闭端固定连接，凹形构件(34)的开口端装有连接机翼安装架的销轴(35)，连接机翼安装架的销轴(35)与连接机翼的通孔(19)活动连接；凹形构件(34)封闭端的平面开有销轴通孔(33)，销轴通孔(33)与连杆(27)球面副的外圈固定的连接机翼的销轴(29)固定连接；
尾翼机构(5)由尾翼舵机(38)、舵臂(39)、第三连杆(40)、尾翼(36)和连接机身尾部的销轴(37)组成；
尾翼(36)是由垂尾和平尾组成；垂尾的平面形状为梯形，平尾是由前部的等腰三角形和后部的矩形构成的整体，垂尾垂直地固定在平尾的中间位置处；
尾翼舵机(38)通过螺栓和机身尾部(14)的螺纹孔(16)与机身尾部(14)固定连接，尾翼舵机(38)的输出轴装有舵臂(39)，舵臂(39)与第三连杆(40)的一端铰接，第三连杆(40)的另一端与尾翼(36)铰接；尾翼(36)通过连接机身尾部的销轴(37)和机身尾部(14)的销孔(15)与机身尾部(14)活动连接；
控制系统的结构是：发射机(41)与接收机(6)无线连接，锂电池(2)与接收机(6)的输入端口连接；接收机(6)的输出端口1与电动机(22)连接，接收机(6)的输出端口2与尾翼舵机(38)连接；锂电池(2)安装在电池固定架(9)上，接收机(6)固定在机身尾部(14)的纵向水平杆件的靠近前端处。
2.根据权利要求1所述扑动-扭转耦合运动扑翼飞行器，其特征在于所述两侧的竖直框架的结构相同，是由后竖直杆件、纵向上水平杆件、前竖直杆件、纵向下水平杆件和弧形杆件依次连接为封闭式框架；其中：前竖直杆件和后竖直杆件的上端固定有纵向上水平杆件，前竖直杆件的下端固定有纵向下水平杆件，后竖直杆件下端和纵向下水平杆件的后端通过弧形杆件相连；纵向下水平杆件的长度为纵向上水平杆件的0.4~0.6倍，后竖直杆件的长度为前竖直杆件的0.2~0.4倍。
3.根据权利要求1所述扑动-扭转耦合运动扑翼飞行器，其特征在于所述纵向固定杆的后端与纵向水平杆的中部固定连接是指纵向固定杆与纵向水平杆在连接处的夹角为25~30°。
4.根据权利要求1所述扑动-扭转耦合运动扑翼飞行器，其特征在于所述凹形构件(34)的封闭端宽度为翼面(32)根部宽度的0.6~0.8倍。
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