CN105691614B - 一种双驱类扑翼飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双驱类扑翼飞行器，属于飞行器技术领域。该飞行器由机架、机身、四个转翼、转动箱、主电机、控制舵机等组成。机架和机身固定，转翼与转动箱的输出轴固定联接，主电机通过一级齿轮传动驱动转动箱和转翼相对于机架转动，产生飞行器所需的推力。舵机通过二级锥齿轮传动改变转翼的初始方位，从而改变推力的方向。该双驱类扑翼飞行器机身两侧的推力大小和方向可以独立灵活调节，机动性能强，有利于复杂空间的飞行和起降控制。主传动和机动性控制机构简单、结构紧凑、可靠性高。
Description
技术领域
本发明属于飞行器技术领域，具体涉及一种活动翼近似单向扑动的双驱类扑翼飞行器。
背景技术
类扑翼飞行器是通过活动翼主动运动能像昆虫一样产生升力和机动性控制的飞行器，它比固定翼飞机具有更强的机动性，起飞和降落不需要跑道，可以垂直起降、低速飞行或悬停，适应在复杂的空间中飞行。一般的旋翼直升机和固定翼垂直起降飞机，虽然具有类扑翼飞行器的功能，但它们的机械结构和控制机构复杂，造价高。公知的扑翼飞行器(CN201380963Y)有一对扑翼上、下拍动产生升力，同时扑翼可变换运动姿态以改变升力方向，扑翼上方设有一个螺旋桨以提高升力，因此，其控制系统既要控制螺旋桨的转动，又要控制扑翼的拍动，飞行器控制机构较复杂。
公知的类扑翼飞行器(CN102582832B)在机体两侧设有四个半转翼，主动力由锥齿轮传动分配给机体两侧的半转翼产生推进力。两个控制电机分别通过销齿轮-凸轮机构改变半转翼的初始方位，从而改变推进力的方向。因此，其机体两侧的推进力大小不可调节，不利于飞行方向的控制。同时，销齿轮-凸轮机构径向尺寸大，啮合要求高，使该飞行器存在结构不紧凑，造价高，可利用空间小的问题。
公知的一种仿鸟扑翼机构(CN104192307A)在机架两侧设有两个半转翼，两个半转翼反向同步转动产生推进力。两个控制电机分别通过锥齿轮传动改变半转翼的初始方位来改变推进力的方向，克服了类扑翼飞行器的不足。然而，该机构采用平衡块来部分抵消半转翼转动时产生离心力，机构的动平衡性能较差，且平衡块增加了机构的自重。
发明内容
为了克服现有飞行器结构和控制机构复杂、机动性不良、可利用空间小、造价高等不足，本发明提供了一种双驱类扑翼飞行器，以期该飞行器具有传动机构简单、控制机构占用空间小，机身两侧的气动力大小和方向都可灵活调节等特点，能实现垂直升降、水平前进与后退、水平左、右横移、空中悬停、灵活转向等功能。
本发明所提供的一种双驱类扑翼飞行器包括：
机架8、机身5、右转动箱6、左转动箱13、轴A 21、轴B 38、轴C 23、轴D 33、翼A 1、翼B 2、翼C 3、翼D 4、左电机18、右电机17、左舵机9、右舵机10、左齿轮7、右齿轮12、左小齿轮20、右小齿轮15；所述机架8和机身5固定联接形成左右对称的机体；左转动箱6和右转动箱13结构相同，对称设置在机体的两侧，分别用轴承支撑在所述机架8上，可绕同一轴线相对于机体转动；所述轴A 21和轴C 23是所述左转动箱6的两个输出轴，对称设置在左转动箱6的两端，轴线平行于左转动箱6的回转轴线；轴B 38和轴D 33是所述右转动箱13的两个输出轴，对称设置在右转动箱13的两端，轴线平行于右转动箱13的回转轴线；翼A 1、翼B 2、翼C3、翼D 4(统称为转翼)分别与轴A 21、轴B 38、轴C 23、轴D 33(统称为翼轴)固连，翼A 1和翼C 3的相位差为90°，翼B 2和翼D 4的相位差也为90°；所述左齿轮7与左转动箱6的箱体固定联接，左齿轮7的轴线与左转动箱6的回转轴线重合；右齿轮12与右转动箱13的箱体固定联接，右齿轮12的轴线与右转动箱12的回转轴线重合；所述左电机18和右电机17对称固定于机架8的两侧，分别位于左转动箱6和右转动箱13的支撑轴承下方，左电机18和右电机17的轴线重合且平行于所述左转动箱6和右转动箱13的回转轴线，左电机18的轴端与左小齿轮20固定联接，右电机17的轴端与右小齿轮15固定联接，左小齿轮20与左齿轮7啮合，右小齿轮15与右齿轮12啮合；左舵机9和右舵机10与机架8固定联接，左舵机9的输出轴与所述左转动箱6的回转轴线重合，并与左转动箱6的控制输入轴联接，形成翼A 1和翼C 3的初始方位控制；右舵机10输出轴与所述右转动箱13的回转轴线重合，并与右转动箱13的控制输入轴联接，形成翼B 2和翼D 4的初始方位控制。
作为一种优化，所述左转动箱6和右转动箱13的组成及零件结构完全相同，统称为转动箱；转动箱关于它的回转轴线对称，主要包括空心轴25、箱体36、半球柱34、小锥齿轮轴29、锥齿轮A30、锥齿轮B31、大锥齿轮轴32等；箱体36是规则的六面体，空心轴25固连于箱体36的正面，空心轴的轴线通过六面体的对称中心成为转动箱的回转轴线；两个半球柱34固连于箱体36的两个侧面，两个半球柱34的轴线重合并与空心轴25的轴线垂直且位于同一平面；小锥齿轮轴29通过轴承和轴瓦24支撑在空心轴25的内孔中，小锥齿轮轴29的轴端作为上述控制输入轴与左舵机9或右舵机10通过花键套筒45联接；两个大锥齿轮轴32通过轴承支撑在位于箱体36两侧的半球柱34的内孔中，两个大锥齿轮轴32的大锥齿轮同时与小锥齿轮轴29的小锥齿轮啮合，小锥齿轮与大锥齿轮的齿数比为1:2；大锥齿轮轴32的轴端通过紧定螺钉与锥齿轮A30固定联接，垂直于大锥齿轮轴32的所述翼轴通过两个相同的轴承支撑在半球柱34的球壳部分，翼轴通过紧定螺钉与锥齿轮B 31固定联接，锥齿轮A 30与锥齿轮B31啮合且齿数比为1。
作为一种优化，所述翼A 1，翼B 2，翼C 3，翼D 4结构完全相同，转翼的断面形状可以是平面，也可以是曲面，转翼的外形是关于翼轴对称的或是反对称的。
作为一种优化，所述左齿轮7和右齿轮12结构相同，齿数相等；左小齿轮20和右小齿轮15也结构相同，齿数相等。
作为一种优化，所述轴A 21、轴B 38、轴C 23、轴D 33结构完全相同，采用高强度且轻质材料制造。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、四转翼位于机体两侧，机身可利用空间大；转动箱关于回转轴线对称，动平衡性能好。
2、机体两侧的推力大小可独立调节，推力方向可在360°范围内高速调节，飞行器的机动性能强，有利于在复杂环境下升降和水平飞行的控制。
3、推力方向控制机构位于转动箱的内部，结构紧凑，传动机构简单、可靠性高，制造成本低。
附图说明
图1是本发明双驱类扑翼飞行器的主视图。
图2是本发明双驱类扑翼飞行器的左视装配示意图。
图3是本发明双驱类扑翼飞行器的俯视装配示意图。
图中标号：1.翼A、2.翼B、3.翼C、4.翼D、5.机身、6.左转动箱、7.左齿轮、8.机架、9.左舵机、10.右舵机、11.螺钉A、12.右齿轮、13.右转动箱、14.螺钉B、15.右小齿轮、16.螺钉C、17.右电机、18.左电机、19.紧定螺钉A、20.左小齿轮、21.轴A、22.螺钉D、23.轴C、24.轴瓦、25.空心轴、26.轴承A、27.挡圈A、28.轴承B、29.小锥齿轮轴、30.锥齿轮A、31.锥齿轮B、32.大锥齿轮轴、33.轴D、34.半球柱、35.轴承C、36.箱体、37.轴承D、38.轴B、39.紧定螺钉B、40.轴承E、41.垫片、42.螺钉F、43.螺钉G、44.挡圈B、45.内花键套筒、46.螺钉H
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图1是双驱类扑翼飞行器的主视图。翼A1，翼B2，翼C3，翼D4(统称为转翼)都是矩形的平板。翼A1和翼C3位于机身5的一侧，两者相位差为90°，翼B2和翼D4位于机身5的另一侧，两者的相位差也是90°，机身5的下部设有支撑架，飞行器可平稳地接触地面。
附图2是双驱类扑翼飞行器的左视装配示意图。机身5和机架8用螺钉A11固定联接形成机体，本发明的双驱类扑翼飞行器结构及组成完全对称于机体的纵向对称面。右电机17用螺钉C 16固连于机架8的右侧，其轴端与右小齿轮15用紧定螺钉A 19固定联接，右齿轮12和右小齿轮15啮合，右转动箱13安装在机架8的右侧，右转动箱13的输出轴与转翼用螺钉B 14固定联接；右舵机10位于机架8的右侧，其输出轴的轴线与右转动箱13的回转轴线重合。左电机18用螺钉C 16固连于机架8的左侧，其轴端与左小齿轮20用紧定螺钉A 19固定联接，左齿轮7和左小齿轮20啮合，左转动箱6安装在机架8的左侧，左转动箱6的输出轴与转翼用螺钉B 14固定联接；左舵机9位于机架8的左侧，其输出轴的轴线与左转动箱6的回转轴线重合。
附图3是双驱半转翼飞行器的俯视装配示意图。左转动箱6和右转动箱13的组成及其零件结构完全相同(统称为转动箱)，对称布置在机体的两侧，转动箱关于它的回转轴线对称；左舵机9和右舵机10位于机体纵向对称面的两侧，用螺钉H46固连于机架8。转动箱主要包括空心轴25、箱体36、半球柱34、小锥齿轮轴29、锥齿轮A30、锥齿轮B31、大锥齿轮轴32等；箱体36是规则的六面体，空心轴25用螺钉G 43固连于箱体36的正面，空心轴25的轴线通过六面体的对称中心成为转动箱的回转轴线，空心轴25由轴承A 26支承在机架8上，并用挡圈B 44进行轴向定位；两个半球柱34用螺钉D 22固连于箱体36的两个侧面，两个半球柱34的轴线重合并与空心轴25的轴线垂直且位于同一平面；小锥齿轮轴29通过轴承B 28和轴瓦24支撑在空心轴25的内孔中，并用挡圈A27定位轴承B，小锥齿轮轴29的轴端作为上述控制输入轴与左舵机9或右舵机10通过花键套筒45联接；两个大锥齿轮轴32分别通过轴承C 35和轴承D 37支承在位于箱体36两侧的半球柱34的内孔中，两个大锥齿轮轴32的大锥齿轮同时与小锥齿轮轴29的小锥齿轮啮合，小锥齿轮与大锥齿轮的齿数比为1:2；大锥齿轮轴32的轴端通过紧定螺钉B 39与锥齿轮A 30固定联接，垂直于大锥齿轮轴32的上述翼轴通过两个相同的轴承E 40支承在半球柱34的球壳部分，翼轴通过紧定螺钉F 42与锥齿轮B31固定联接，翼轴的轴端用垫片41和螺钉F42进行轴向定位，锥齿轮A 30与锥齿轮B 31啮合且齿数比为1。
下面结合具体实施例对本发明作进一步的描述。
左电机18通过一级齿轮传动驱动左转动箱6与翼A1和翼C3的顺时针旋转产生飞行器左侧的推力，同时，右电机17也通过一级齿轮传动驱动右转动箱13和翼B2和翼D4的逆时针旋转产生飞行器右侧的推力，改变电机转速可调节推力大小。由于机体同侧的两个转翼相位差为90°，因此产生的气动推力的叠加效果使推力波动减小。左舵机9通过速比为2的二级锥齿轮传动改变翼A1和翼C3相对于机体的初始方位，从而改变飞行器左侧推力方向，而右舵机10通过同样速比的锥齿轮传动改变翼B2和翼D4相对于机体的初始方位，改变飞行器右侧推力的方向。左、右舵机不工作时，推力方向保持不变。由于调节转翼的初始方位可在转动箱转动的同时实现，且调节过程中，负载和转动惯量小，因此，推力方向调节灵敏，反应快，操作轻便。
由于转翼和转动箱等运动构件的结构对称性，转动件的离心力自平衡，机体两侧的气动力偶矩也相互平衡。因此，机体两侧的转翼只产生方向和大小都能调节的推力。左电机18和右电机17转速相同，机体两侧的推力大小相同，合力作用点位于机体重心的上方，当两侧推力的方向平行向下时，改变推力大小能够实现飞行器的平稳升降。当飞行器平稳上升至一定高度时，左、右舵机工作使机体两侧的推力相对于机体同时向后或向前偏转相同的角度，将产生推动机体向前或向后的分力使飞行器前进或后退。如果机体一侧的推力向前偏转的同时，另一侧推力向后偏转，其垂直分力与重力平衡，而水平分力形成转向力偶矩，使机体产生转向运动。
推力方向不变时，也可以改变推力大小来调整飞行方向。如果推力垂直向下，机体左侧推力减小，机体向左侧倾，导致向左侧方向飞行；反之，机体右侧推力小于左侧推力，机体向右侧倾，飞行器将向右侧方向飞行。
Claims (5)
1.一种双驱类扑翼飞行器，其特征在于，该飞行器包括机架(8)、机身(5)、右转动箱(6)、左转动箱(13)、轴A(21)、轴B(38)、轴C(23)、轴D(33)、翼A(1)、翼B(2)、翼C(3)、翼D(4)、左电机(18)、右电机(17)、左舵机(9)、右舵机(10)、左齿轮(7)、右齿轮(12)、左小齿轮(20)以及右小齿轮(15)；所述机架(8)和机身(5)固定联接形成左右对称的机体；所述左转动箱(6)和右转动箱(13)结构相同，对称设置在机体的两侧，分别用轴承支撑在所述机架(8)上，可绕同一轴线相对于机体转动；所述轴A(21)和轴C(23)是左转动箱(6)的两个输出轴，对称设置在左转动箱(6)的两端，轴线平行于左转动箱(6)的回转轴线；轴B(38)和轴D(33)是右转动箱(13)的两个输出轴，对称设置在右转动箱(13)的两端，轴线平行于右转动箱(13)的回转轴线；所述轴A(21)、轴B(38)、轴C(23)、轴D(33)统称为翼轴，所述翼A(1)、翼B(2)、翼C(3)、翼D(4)统称为转翼，一个翼轴和一个转翼固连，翼A(1)和翼C(3)的相位差为90°，翼B(2)和翼D(4)的相位差也为90°；所述左齿轮(7)与左转动箱(6)的箱体固定联接，左齿轮(7)的轴线与左转动箱(6)的回转轴线重合，右齿轮(12)与右转动箱(13)的箱体固定联接，右齿轮(12)的轴线与右转动箱(13)的回转轴线重合；所述左电机(18)和右电机(17)对称固定于机架(8)的两侧，分别位于左转动箱(6)和右转动箱(13)的支撑轴承下方，左电机(18)和右电机(17)的轴线重合且平行于左转动箱(6)和右转动箱(13)的回转轴线，左电机(18)的轴端与左小齿轮(20)固定联接，右电机(17)的轴端与右小齿轮(15)固定联接，左小齿轮(20)与左齿轮(7)啮合，右小齿轮(15)与右齿轮(12)啮合；所述左舵机(9)和右舵机(10)与机架(8)固定联接，左舵机(9)的输出轴与左转动箱(6)的回转轴线重合，并与左转动箱(6)的控制输入轴联接，形成翼A(1)和翼C(3)的初始方位控制；所述右舵机(10)输出轴与右转动箱(13)的回转轴线重合，并与右转动箱(13)的控制输入轴联接，形成翼B(2)和翼D(4)的初始方位控制。
2.如权利要求1所述的一种双驱类扑翼飞行器，其特征在于，所述的左转动箱(6)和右转动箱(13)的组成及零件结构完全相同，统称为转动箱；转动箱关于它的回转轴线对称，主要包括空心轴(25)、箱体(36)、半球柱(34)、小锥齿轮轴(29)、锥齿轮A(30)、锥齿轮B(31)、大锥齿轮轴(32)等；箱体(36)是规则的六面体，空心轴(25)固连于箱体(36)的正面，空心轴的轴线通过六面体的对称中心成为转动箱的回转轴线；两个半球柱(34)固连于箱体(36)的两个侧面，两个半球柱(34)的轴线重合并与空心轴(25)的轴线垂直且位于同一平面；小锥齿轮轴(29)通过轴承和轴瓦(24)支撑在空心轴(25)的内孔中，小锥齿轮轴(29)的轴端作为上述控制输入轴与左舵机(9)或右舵机(10)通过花键套筒(45)联接；两个大锥齿轮轴(32)通过轴承支撑在位于箱体(36)两侧的半球柱(34)的内孔中，两个大锥齿轮轴(32)的大锥齿轮同时与小锥齿轮轴(29)的小锥齿轮啮合，小锥齿轮与大锥齿轮的齿数比为1:2；大锥齿轮轴(32)的轴端通过紧定螺钉与锥齿轮A(30)固定联接，垂直于大锥齿轮轴(32)的所述翼轴通过两个相同的轴承支撑在半球柱(34)的球壳部分，翼轴通过紧定螺钉与锥齿轮B(31)固定联接，锥齿轮A(30)与锥齿轮B(31)啮合且齿数比为1。
3.如权利要求1所述的一种双驱类扑翼飞行器，其特征在于，所述翼A(1)、翼B(2)、翼C(3)、翼D(4)结构完全相同，转翼的断面形状是平面或曲面，转翼的外形是关于翼轴对称的或是反对称的。
4.如权利要求1所述的一种双驱类扑翼飞行器，其特征在于，所述左齿轮(7)和右齿轮(12)结构相同，齿数相等；左小齿轮(20)和右小齿轮(15)结构相同，齿数相等。
5.如权利要求1所述的一种双驱类扑翼飞行器，其特征在于，轴A(21)、轴B(38)、轴C(23)、轴D(33)结构完全相同，采用高强度且轻质材料制造。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |