CN105691615B - 一种翅翼可主动变形的多自由度微型扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种翅翼可主动变形的多自由度微型扑翼飞行器，属于微型仿生飞行器。传动装置固定架、电子控制模块和尾翼固定在机架体上，直流电机安装在传动装置固定架上，调节转向风扇固定于尾翼的垂直翼上，在传动装置固定架上固定有扑翼扭摆机构，扑翼扭摆机构的端部与扑翼柔性主翅翼固定连接，在扑翼柔性主翅翼的后缘端有连接一组预弯曲的弹性翅羽框架，该预弯曲的弹性翅羽框架上表面贴有太阳能薄片的翅羽压电薄膜。优点在于：扭转动作是通过采用偏心球结构与曲柄摇杆机构的复合运动来实现的，飞行过程中扭转角的大小随着所处不同的位置也会发生相应的变化，具有较高的流畅性，使飞行更加稳定，实用性更强。

Description

一种翅翼可主动变形的多自由度微型扑翼飞行器

技术领域

本发明属于微型仿生飞行器，尤其是涉及一种基于翅翼可主动变形的多自由度微型扑翼飞行器。

背景技术

自古以来，人类一直从未停止探索过鸟类的飞行，从古希腊的阿尔希塔斯所制造的机械鸽、澳大利亚的飞去来器，到中国的孔明灯和风筝都与飞行有着密切的关系。扑翼式飞行器是一种模仿鸟类和昆虫飞行、基于仿生学原理设计制造的新型飞行器。它和固定翼式和旋翼式飞行器相比较，具有很大的优点：如可以在低雷诺数下悬停或前进，有较强的机动性能，良好的将旋翼和固定翼式飞行器所具有的优点集中在一起，同时在相同特征尺寸的情况下，扑翼式飞行器具有更高的飞行效率。

在现有的扑翼的飞行器中，其飞行驱动机构的设计大多是在二维空间中简单地进行上下扑动，按照此方式运动的飞行器，一部分飞行效果虽然理想，但其灵活度还是相对较低，且具有较大的不稳定性，飞行的效率低，消耗的能量也比较大。在真实的鸟类飞行过程中，翅膀的扑动在三维空间中进行复杂的上下扑动和扭转运动。现已有研究表明，飞行器在运动过程中，翅翼在上下扑动的同时再辅以扭转运动，其效率比单纯的上下扑动要大很多，因此基于翅翼可主动变形的多自由度微型扑翼飞行器亟待人们去研究和探索。

目前，通过查阅资料国内外已有一些飞行器的扑翼驱动机构，扑翼飞行器按照扭摆飞行动作的方式，主要可以分成三类：一是多动力源驱动方式，即机构通过两种或以上的驱动电机，分别来控制扑翼的上下扑动和扭转摆动，该机构的优点是操作灵活多样，控制简单，飞行方式更易实现稳定化，但是多动力源驱动方式不仅加大了其本身的重量，而且耗电量也会严重的加大，导致飞行效率大大降低；二是多连杆复合运动驱动，即机构通过多连杆在空间中的组合实现扑翼的扭摆动作，该机构的优点是质量轻便，易实现微小化，但三维复合的连杆结构算法复杂，在多自由度调节和变化时容易产生干涉，这种局限性限制了其本身的灵活性，可操作性大大降低；三是带有滑槽与凸轮类的结合，该结构的扑翼动作时通过凸轮在滑槽的定向移动，来实现扭转的动作，该机构的优点是可以精确控制扑翼翅翼的运动路线，但在运动中产生较大的摩擦，导致飞行效率下降。本设计扭转动作是通过采用偏心球结构与曲柄摇杆机构的复合运动来实现的，该机构扑翼的动作调节相对简便，通过改变偏心球的偏心距来调节上下扑动角度大小，通过改变曲柄摇杆的长度来调节扭转运动。该机构在运动过程中由于球副间相对滑动，也会产生一定的摩擦，但相对第三种机构摩擦要小很多，而且飞行过程中扭转角的大小随着所处不同的位置也会发生相应的变化，具有较高的流畅性，综上所述该机构的飞行效率较高，飞行更加稳定，实用性更强。

发明内容

本发明提供一种翅翼可主动变形的多自由度微型扑翼飞行器，目的是增加飞行器机动性的同时还提高了其飞行效率。

本发明采取的技术方案是，包括：扑翼柔性主翅翼、柔性主翅翼固定框、机架体、传动装置固定框、扑翼扭摆机构、扑翼柔性翅翼拉伸机构、一组预弯曲的弹性翅羽框架、调节转向风扇、尾翼、电子控制模块、直流电机及一组贴有太阳能薄片的翅羽压电薄膜，其中，传动装置固定架、电子控制模块和尾翼固定在机架体上，直流电机安装在传动装置固定架上，调节转向风扇固定于尾翼的垂直翼上，在传动装置固定架上固定有扑翼扭摆机构，扑翼扭摆机构的端部与扑翼柔性主翅翼固定连接，在扑翼柔性主翅翼的后缘端有连接一组预弯曲的弹性翅羽框架，该预弯曲的弹性翅羽框架上表面贴有太阳能薄片的翅羽压电薄膜。

本发明所述扑翼扭摆机构的结构是：包括翅翼扭摆架、球形偏心轴、翅翼执行固定架、输出端锥齿、输入端锥齿、圆柱齿轮、过渡轴齿轮、执行端齿轮、执行曲柄、输出摇杆；直流电机驱动输入端锥齿，通过输出端锥齿的传动传递到球形偏心轴，球形偏心轴的球形表面与翅翼扭摆架内侧壁的上下表面相切，翅翼扭摆架的另一端连接翅翼执行固定架，翅翼执行固定架与传动装置侧边固定架连接；圆柱齿轮与输出端锥齿同轴转动，圆柱齿轮通过过渡轴齿轮传到执行端齿轮，执行端齿轮再把转速传递给同轴的执行曲柄，执行曲柄的一侧连接有输出摇杆，输出摇杆的另一端连接执行固定架。

本发明所述扑翼柔性翅翼拉伸机构的结构是：包括牵引线、接线支撑柱、引线管，所述接线支撑柱固定在球形偏心轴的球形一端，接线支撑柱上连有牵引线，引线管粘接于扑翼柔性主翅翼上。

本发明所述引线管为具有自润滑性质的聚醚醚酮材料。

本发明预弯曲的弹性翅羽框架的结构是，带有导引线的主羽翼脉与副羽翼脉固定，经过预弯曲的弹性片的顶端与牵引线连接，其中弹性片镶嵌在主羽翼脉的另一侧。

本发明的优点在于：扭转动作是通过采用偏心球结构与曲柄摇杆机构的复合运动来实现的，该机构扑翼的动作调节相对简便，通过改变偏心球的偏心距来调节上下扑动角度大小，通过改变曲柄摇杆的长度来调节扭转运动。飞行过程中扭转角的大小随着所处不同的位置也会发生相应的变化，具有较高的流畅性，使飞行更加稳定，实用性更强。

本发明以扑翼飞行器翅翼在整体飞行时动作特征为主要研究对象，针对扑翼鸟在飞行时的工作效率，根据鸟类翅翼的形态和飞行特征，设计出的一种可扭摆的扑动翅翼及可自主变形的扑翼翅翼翅羽，通过这样的发明可以使飞行效率更高，实用性更强。已有研究表明，鸟类飞行时以前后扭转和上下扑动的复合而成的运动具有更高的飞行效率。本发明正是利用这一点进行设计，进而提出一种采用偏心球结构与曲柄摇杆机构复合而成的一种新型传动机构，在以此为前提的基础之上，从仿生学的角度出发，继续对扑翼鸟的翅翼进行设计，并设计了一种可以自主变形的扑翼翅羽，通过两者的配合，实现扑翼飞行器的高效飞行。

本发明的实现思路主要是来源于等宽凸轮的往复机构，在此基础上将等宽凸轮换成偏心球，将往复机构外框的一端进行铰接，进而实现扑翼的上下扑动，这种结构的好处首先是在铰接的固定处不限制其自由度，这为实现扑翼翅翼的扭转提供了良好的条件，然后该结构在偏心球的一端连有接线柱，在机构运动的同时也实现了其翅翼翅羽的主动舒展，通过该种机构的结合，更加真实的模拟了鸟类飞行的动作。

本发明主要是根据真实鸟类在运动时翅翼的拍打动作所设计的一种新型扑动机构，该机构能良好的将上下扑动和前后扭转两种动作结合，实现翅翼在三维空间中的扭摆动作，在此机构的基础之上又实现了扑翼翅翼的自主伸展动作，极大限度地模拟了鸟类在飞行时的动作，提高了飞行器的工作效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2a是本发明的扭摆机构轴测图；

图2b是本发明的扭摆机构俯视图；

图2c是本发明的扭摆机构局部剖视放大图；

图2d是本发明的扭摆机构侧视图；

图3是本发明的扑翼柔性翅翼拉伸机构图；

图4a是本发明的扑翼柔性主翅翼图；

图4b是图4a的A向视图；

图5a是本发明的翅羽轮廓形状图；

图5b是图5a的B-B剖视图；

在图中：1、扑翼柔性主翅翼，2、扑翼柔性主翅翼固定框，3、机架体，4、传动装置固定框，5、扑翼扭摆机构，501、翅翼扭摆架，502、球形偏心轴，503、翅翼执行固定架，504、输出端锥齿，505、输入端锥齿，506、圆柱齿轮，507、过渡轴齿轮，508、执行端齿轮，509、执行曲柄，510、输出摇杆，6、扑翼柔性翅翼拉伸机构，601、牵引线，602、接线支撑柱，603、引线管，7、一组预弯曲的弹性翅羽框架，701、带有导引线的主羽翼脉，702、经过预弯曲的弹性片条703、副羽翼脉，8、调节转向风扇，9、尾翼，10、电子控制模块，11、直流电机，12、一组贴有太阳能薄片的翅羽压电薄膜。

具体实施方式

包括：扑翼柔性主翅翼1、柔性主翅翼固定框2、机架体3、传动装置固定框4、扑翼扭摆机构5、扑翼柔性翅翼拉伸机构6、一组预弯曲的弹性翅羽框架7、调节转向风扇8、尾翼9、电子控制模块10、直流电机11及一组贴有太阳能薄片的翅羽压电薄膜12，其中，传动装置固定架4、电子控制模块10和尾翼9固定在机架体3上，直流电机11安装在传动装置固定架4上，调节转向风扇8固定于尾翼9的垂直翼上，其特征在于：在传动装置固定架4上固定有扑翼扭摆机构5，扑翼扭摆机构5的端部与扑翼柔性主翅翼1固定连接，在扑翼柔性主翅翼1的后缘端有连接一组预弯曲的弹性翅羽框架7，该预弯曲的弹性翅羽框架7上表面贴有太阳能薄片的翅羽压电薄膜12。

本发明所述扑翼扭摆机构5的结构是：包括翅翼扭摆架501、球形偏心轴502、翅翼执行固定架503、输出端锥齿504、输入端锥齿505、圆柱齿轮506、过渡轴齿轮507、执行端齿轮508、执行曲柄509、输出摇杆510；直流电机11驱动输入端锥齿505，通过输出端锥齿504的传动传递到球形偏心轴502，球形偏心轴502的球形表面与翅翼扭摆架501内侧壁的上下表面相切，翅翼扭摆架501的另一端连接翅翼执行固定架503，翅翼执行固定架503与传动装置侧边固定架401连接；圆柱齿轮506与输出端锥齿504同轴转动，圆柱齿轮506通过过渡轴齿轮507传到执行端齿轮508，执行端齿轮508再把转速传递给同轴的执行曲柄509，执行曲柄509的一侧连接有输出摇杆510，输出摇杆510的另一端连接执行固定架503。

本发明所述扑翼柔性翅翼拉伸机构6的结构是：包括牵引线601、接线支撑柱602、引线管603，所述接线支撑柱602固定在球形偏心轴502的球形一端，接线支撑柱602上连有牵引线601，引线管603粘接于扑翼柔性主翅翼1上。

本发明所述引线管603为具有自润滑性质的聚醚醚酮材料。

本发明预弯曲的弹性翅羽框架7的结构是，带有导引线的主羽翼脉701与副羽翼脉703固定，经过预弯曲的弹性片702的顶端与牵引线601连接，其中弹性片702镶嵌在主羽翼脉701的另一侧。

下边结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种翅翼可主动变形的多自由度微型扑翼飞行器，包括：扑翼柔性主翅翼1、扑翼柔性主翅翼固定框2、机架体3、传动装置固定框4、扑翼扭摆机构5、扑翼柔性翅翼拉伸机构6、一组预弯曲的弹性翅羽框架7、调节转向风扇8、尾翼9、电子控制模块10、直流电机11及一组贴有太阳能薄片的翅羽压电薄膜12。其中，机架体3连接传动装置固定架4、电子控制模块10和尾翼9，直流电机11固定在传动装置固定架4上，调节转向风扇8固定于尾翼9的竖直翼上，一组预弯曲的弹性翅羽框架7上表面贴有太阳能薄片的翅羽压电薄膜12。在传动装置固定架4上固定有扑翼扭摆机构5，扑翼扭摆机构5的引出端柔性翅翼伸展机构6与扑翼柔性主翅翼1进行连接固定，而扑翼柔性翅翼拉伸机构6固定在扑翼柔性主翅翼1上，在扑翼柔性主翅翼1的后缘端有连接一组预弯曲的弹性翅羽框架7。其中在电路控制方面，电源采用3.7V锂电池供电，通过电子控制模块驱动直流电机工作，电子控制模块包括无线接收模块、电机驱动模块、整流充电模块。在转向控制方面，通过调节转向风扇8的正反向来实现。

如图2所示，扑翼扭摆机构5的结构，包括：翅翼扭摆架501、球形偏心轴502、翅翼执行固定架503、输出端锥齿504、输入端锥齿505、圆柱齿轮506、过渡轴齿轮507、执行端齿轮508、执行曲柄509、输出摇杆510。该部分有以下两方面机构的复合运动，可以实现机构的扭摆运动。其上下扑动动作的实现，直流电机11驱动输入端锥齿505，通过锥形齿轮的传动传递到球形偏心轴502，球形偏心轴502的球形表面与翅翼扭摆架501内侧壁的上下表面相切，翅翼扭摆架501的另一端连接翅翼执行固定架503，翅翼执行固定架503与传动装置侧边固定架401连接，实现上下扑动动作；其前后扭转动作的实现，圆柱齿轮506与输出端锥齿504同轴转动，圆柱齿轮506通过过渡轴齿轮507传到执行端齿轮508，执行端齿轮508再把转速传递给同轴的执行曲柄509，执行曲柄509的一侧连接有输出摇杆510，输出摇杆510的另一端连接执行固定架503，翅翼执行固定架503与传动装置侧边固定架401连接，实现前后扭转动作。

所述的扑翼扭摆机构5，该机构有上下扑动动作和扭转动作复合而成。对于上下扑动动作的实现，根据机构的几何特征分析得出，扑翼角的大小主要取决于偏心球距主轴线的位置和扑翼柔性主翅翼固定框铰接处距偏心球的距离，在主轴转动时，由于每转一周为扑翼的一个周期，因此在实现扭转动作时，为了保证运动周期的同步性，在中间安装了过渡齿轮，其中在执行端齿轮同轴的曲柄上，曲柄的长度决定了扭转角度的大小，连杆的长度决定了翅翼的初始位置，通过在实际中所需的参数来进行选取。其中由于偏心球和扑翼柔性主翅翼固定框是点面接触，因此在选用材料时偏心球轴采用聚醚醚酮，该材料具有密度小，质量轻，具有良好的力学性能，而且本身还具有润滑作用，该驱动机构设计结构简单，运动灵活，且算法容易调节，容易规划动作路径，有利于在不同环境下的飞行，而且由于翅翼可以进行扭转，低频率下就可产生较大升力，低雷诺数下具有较强的飞行能力，也容易实现无助力的起飞方式；

如图3和图4所示，扑翼柔性翅翼拉伸机构6的结构，包括：球形偏心轴502、牵引线601、接线支撑柱602、引线管603。球形偏心轴502的球形一端固定有接线支撑柱602，接线支撑柱602上连有牵引线601，牵引线601在引线管603里来回拉伸，实现扑翼柔性翅翼伸展动力源的输出。具有润滑性质的聚醚醚酮引线管603粘接与扑翼柔性主翅翼1的下表面，最大限度的减小在传动过程中的摩擦。

所述的扑翼柔性翅翼拉伸机构6，该机构通过球形偏心轴在翅翼扭摆架内侧壁的往复运动，通过牵引线的连接，此时牵引线在引线管的作用下拉动着五种大小不一的经过预弯曲的弹性翅羽框架，在装配各个组件的过程中，首先要保持牵引线处于预紧的状态，其次是使扑翼翅翼在最底端时保持拉力达到最小，以保证在上提阶段扑翼翅翼为逐渐弯曲状态，在下扑阶段扑翼翅翼为伸展弯曲状态，其中在上提到最高位置时弯曲状态达到最大，在下扑到最底端时翅翼翅羽为完全展平状态。对于经过预弯曲的五种大小不一的弹性翅羽框架叠加方式根据仿生学原理，采用层堆式结构，该种堆积方式可以使在扑翼鸟上提阶段气流通过翅羽的间隙，达到降阻的目的，该机构的整体是扑翼翅翼可以自主进行伸展与收缩，通过与前面的扭摆机构配合，良好的提高了飞行器的飞行效率，多任务操作执行能力增强。

如图5所示，预弯曲的弹性翅羽框架7的结构，包括：带有导引线的主羽翼脉701、经过预弯曲的弹性片条702、副羽翼脉703、牵引线601。牵引线601与经过预弯曲的弹性片702的顶端相连接，经过预弯曲的弹性片702固定在带有导引线的主羽翼脉701的一侧，经过牵引线601的拉伸，实现扑翼柔性翅翼的伸展动作。

所述的预弯曲的弹性翅羽框架7，该框架中带引导线的主羽翼脉由不同的几种部分组成，当牵引线在拉动主羽翼脉的尖端时使翅羽发生弯曲，对于经过预弯曲的弹性片具有在正常状态下为平直状态，当受到拉力由于预弯曲的作用始终向一个方向发生弯曲，且在弹性片设计时其从主羽翼脉的尖端到主羽翼脉的根部力学敏感系数由大到小。

所述的扑翼柔性主翅翼1，该翅翼的下表面粘接有引线管，翅翼整体具有一定的柔顺性，其中引线管的轮廓形状是依据鸟类的主翼脉进行设计，且引线管采用具有润滑性质的聚醚醚酮材料，最大限度的减小在传动过程中的摩擦。

Claims (5)

1.一种翅翼可主动变形的多自由度微型扑翼飞行器，包括：扑翼柔性主翅翼、柔性主翅翼固定框、机架体、传动装置固定框、扑翼扭摆机构、扑翼柔性翅翼拉伸机构、一组预弯曲的弹性翅羽框架、调节转向风扇、尾翼、电子控制模块、直流电机及一组贴有太阳能薄片的翅羽压电薄膜，其中，传动装置固定架、电子控制模块和尾翼固定在机架体上，直流电机安装在传动装置固定架上，调节转向风扇固定于尾翼的垂直翼上，其特征在于：在传动装置固定架上固定有扑翼扭摆机构，扑翼扭摆机构的端部与扑翼柔性主翅翼固定连接，在扑翼柔性主翅翼的后缘端有连接一组预弯曲的弹性翅羽框架，该预弯曲的弹性翅羽框架上表面贴有太阳能薄片的翅羽压电薄膜。

2.根据权利要求1所述的翅翼可主动变形的多自由度微型扑翼飞行器，其特征在于：所述扑翼扭摆机构的结构是：包括翅翼扭摆架、球形偏心轴、翅翼执行固定架、输出端锥齿、输入端锥齿、圆柱齿轮、过渡轴齿轮、执行端齿轮、执行曲柄、输出摇杆；直流电机驱动输入端锥齿，通过输出端锥齿的传动传递到球形偏心轴，球形偏心轴的球形表面与翅翼扭摆架内侧壁的上下表面相切，翅翼扭摆架的另一端连接翅翼执行固定架，翅翼执行固定架与传动装置侧边固定架连接；圆柱齿轮与输出端锥齿同轴转动，圆柱齿轮通过过渡轴齿轮传到执行端齿轮，执行端齿轮再把转速传递给同轴的执行曲柄，执行曲柄的一侧连接有输出摇杆，输出摇杆的另一端连接执行固定架。

3.根据权利要求1所述的翅翼可主动变形的多自由度微型扑翼飞行器，其特征在于：所述扑翼柔性翅翼拉伸机构的结构是：包括牵引线、接线支撑柱、引线管，所述接线支撑柱固定在球形偏心轴的球形一端，接线支撑柱上连有牵引线，引线管粘接于扑翼柔性主翅翼上。

4.根据权利要求3所述的翅翼可主动变形的多自由度微型扑翼飞行器，其特征在于：所述引线管为具有自润滑性质的聚醚醚酮材料。

5.根据权利要求1所述的翅翼可主动变形的多自由度微型扑翼飞行器，其特征在于：预弯曲的弹性翅羽框架的结构是，带有导引线的主羽翼脉与副羽翼脉固定，经过预弯曲的弹性片的顶端与牵引线连接，其中弹性片镶嵌在主羽翼脉的另一侧。