CN105857599A - 一种翼面积可变的扑翼升力生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种翼面积可变的扑翼升力生成装置。主要包括外啮合齿轮、内啮合齿圈、副连杆、副机翼骨架、弦连杆、导向套管、主机翼骨架、主连杆、导杆和曲柄；内啮合齿圈和外啮合齿轮组成齿轮传动机构；主机翼骨架、副机翼骨架、主连杆、副连杆、导杆、弦连杆和导向套管组成机翼扑动机构；其中主机翼骨架和副机翼骨架构成机翼骨架；在电机的驱动下，主机翼骨架和副机翼骨架上下扑动生成升力。本发明结构简单，单个驱动机构即可实现机翼的扑动和翼面积的变化；主机翼骨架和副机翼骨架的夹角变化范围较大，机翼上挥时迎风面积和阻力较小，下扑时迎风面积增加，生成升力大，转向灵活，气动效率和飞行效率高，可用作飞行器的升力生成装置。

Description

一种翼面积可变的扑翼升力生成装置

技术领域

本发明属于扑翼飞行器技术领域，尤其涉及一种仿鸟可改变翼面迎风面积的扑翼升力生成装置。

背景技术

由于鸟类扑动的复杂性，仿鸟扑翼的升力生成装置已经成为非常重要的研究课题。现有的大部分扑翼飞行器的升力生成装置，只能实现机翼的简单上下扑动，如单曲柄双摇杆机构的扑翼装置，升力小、气动效率和飞行效率低。公知的双节主翼仿生扑翼机有一对双节扑翼上下扑动产生升力，齿轮驱动连杆带动双节机翼同时实现拍动和翼展面积的改变，上扑时阻力小，下扑时翼展面积变大，升力大。但是其传动机构较复杂，翅膀中间关节的弯曲度数小，翼展面积变化小，飞行效率较低。

另一种可改变翼面积的微型扑翼飞行器机翼驱动机构可以同时实现机翼挥动与翼面积变形的复杂运动，提高了气动效率和飞行效率，但是扑翼往复运动角度不大，传动结构十分复杂，无法调节升力的方向，不能大型化。

发明内容

为了克服现有传统扑翼飞行器升力生成装置的不足，本发明提供一种结构简单翼面积可变的扑翼升力生成装置。

本发明所提供的一种翼面积可变的扑翼升力生成装置包括电机、机架和传动机构；

所述传动机构包括齿轮传动机构和机翼扑动机构；

所述齿轮传动机构包括外啮合齿轮1和内啮合齿圈2；

所述机翼扑动机构包括主机翼骨架7、副机翼骨架4、主连杆8、副连杆3、导杆9、弦连杆5和导向套管6；其中主机翼骨架7和副机翼骨架4构成机翼骨架；主机翼骨架7、副机翼骨架4、主连杆8、副连杆3、导杆9和弦连杆5位于齿轮传动机构轴向一侧的同一平面内，连接形成机翼扑动横截面；

在电机的带动下，外啮合齿轮1绕内啮合齿圈2的轴线顺时针公转，同时外啮合齿轮1以自身轴线为旋转中心逆时针自转；同时，驱动导杆9和弦连杆5分别通过主连杆8带动主机翼骨架7、副连杆3带动副机翼骨架4实现所述机翼骨架的上下扑动。

进一步限定的技术方案如下：

所述电机的输出轴固定连接着曲柄10的一端，电机的输出轴轴线与内啮合齿圈2的旋转中心线共线，曲柄10的另一端与外啮合齿轮1的旋转中心通过滑动轴承相连，使外啮合齿轮1在电机的驱动下以内啮合齿圈2的轴线为转动中心公转；所述内啮合齿圈2固定在机架上；所述主机翼骨架7和副机翼骨架4均为杆状，主机翼骨架7的一端和副机翼骨架4的一端通过铰链连接组成机翼骨架；主机翼骨架7的另一端和机架的铰接中心轴线、主连杆8和导杆9的铰接中心轴线、导杆9和弦连杆5的铰接中心轴线以及内啮合齿圈2的中心线相互平行且共面；在内啮合齿圈2约束条件下，外啮合齿轮1在公转的同时以自身的旋转中心自转。

所述内啮合齿圈2和外啮合齿轮1的模数相等，齿数比为2：1。

所述主连杆8的一端活动铰接着主机翼骨架7的中部，主连杆8的另一端活动铰接着导杆9的一端，导杆9的另一端活动铰接着弦连杆5的一端；所述副连杆3的一端活动铰接着副机翼骨架4的中部，副连杆3的另一端活动铰接着弦连杆5的另一端；导向套管6固定在机架上，且套设在导杆9上，对导杆9起限位作用；

导杆9和弦连杆5的活动铰接端固定连接着内啮合齿圈2的轴向一侧。

通过改变主机翼骨架7的另一端和机架活动铰接的位置，实现改变所述机翼扑动横截面的面积的大小，最终改变主机翼骨架7和副机翼骨架4生成升力方向和大小。

所述导杆9的长度大于内啮合齿圈2的外径。

所述主机翼骨架7和副机翼骨架4的铰接端之间的夹角为90°～180°。

本发明的科学原理：电机经减速后将动力通过曲柄10传递给外啮合齿轮1，外啮合齿轮1通过导杆9、主连杆8和副连杆3分别将动力传递给主机翼骨架7和副机翼骨架4，带动主机翼骨架7和副机翼骨架4上挥或下扑，在一个扑动周期内，下扑的迎风面积、主机翼骨架7和副机翼骨架4的夹角分别远大于上挥的迎风面积、主机翼骨架7和副机翼骨架4的夹角，符合高升力机制；通过调节主机翼骨架7的另一端与机架的铰接中心到内啮合齿圈2的中心线的距离可改变升力的方向和上挥、下扑迎风面积差，转向更加灵敏。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明结构简单，加工制造成本低，单一的驱动可同时实现机翼上挥、下扑和机翼迎风面积的改变，使扑翼机更加像鸟一样飞行；

2、机翼上挥时，主机翼骨架和副机翼骨架夹角越来越小，迎风面积迅速减小，空气阻力小；机翼下扑时，主机翼骨架和副机翼骨架夹角远大于上挥时的夹角，迎风面积大，产生更大的升力，符合高升力机制，气动效率和飞行效率高。

3、扑翼上挥和下扑的往复运动角度变化较大，微调主机翼骨架和机架活动铰接点距内啮合齿圈中心线的位置可实现扑翼机的转向，机动性较好。

附图说明

图1为本发明一种翼面积可变的扑翼升力生成装置的三维示意图；

图2为图1的左视图；

图3为图1的主视图；

图4为机翼骨架下扑时最大迎风面积状态示意图；

图5为机翼骨架上挥时最小迎风面积状态示意图。

上图中序号：外啮合齿轮1、内啮合齿圈2、副连杆3、副机翼骨架4、弦连杆5、导向套管6、主机翼骨架7、主连杆8、导杆9、曲柄10、主骨架销轴11、弦连杆销轴12。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。但本发明不局限于下述实施例。

参见图1，一种翼面积可变的扑翼升力生成装置包括电机、机架和传动机构；传动机构包括齿轮传动机构和机翼扑动机构；齿轮传动机构包括外啮合齿轮1和内啮合齿圈2，内啮合齿圈2和外啮合齿轮1的模数相等，齿数比为2：1。

机翼扑动机构包括主机翼骨架7、副机翼骨架4、主连杆8、副连杆3、导杆9、弦连杆5和导向套管6；其中主机翼骨架7和副机翼骨架4均为杆状，主机翼骨架7的一端和副机翼骨架4的一端通过铰链连接组成机翼骨架；主机翼骨架7、副机翼骨架4、主连杆8、副连杆3、导杆9和弦连杆5位于齿轮传动机构轴向一侧的同一平面内，连接形成机翼扑动横截面。

由图1可见，主连杆8的一端活动铰接着主机翼骨架7的中部，主连杆8的另一端活动铰接着导杆9的一端，导杆9的另一端活动铰接着弦连杆5的一端；副连杆3的一端活动铰接着副机翼骨架4的中部，副连杆3的另一端活动铰接着弦连杆5的另一端；导向套管6固定在机架上，且套设在导杆9上，对导杆9起限位作用。导杆9和弦连杆5的活动铰接端固定连接着内啮合齿圈2的轴向一侧，导杆9的长度大于内啮合齿圈2的外径。

参见图2，主机翼骨架7的另一端和机架的铰接中心轴线、主连杆8和导杆9的铰接中心轴线、导杆9和弦连杆5的铰接中心轴线以及内啮合齿圈2的中心线相互平行且共面；在内啮合齿圈2约束条件下，外啮合齿轮1在公转的同时以自身的旋转中心自转。

在电机的带动下，外啮合齿轮1绕内啮合齿圈2的轴线顺时针公转，同时外啮合齿轮1以自身轴线为旋转中心逆时针自转；在导向套管6的共同约束下，导杆9只能在竖直方向上下移动，运动轨迹为内啮合齿圈2竖直方向的分度圆直径，导杆9通过主连杆8带动主机翼骨架7上下拍动；弦连杆5的两端铰接中心线的连线为外啮合齿轮1的一条弦，弦连杆5和副连杆3的铰接中心线的运动轨迹也是内啮合齿圈2的一条直径，副连杆3往复运动驱动副机翼骨架4上下拍动。

参见图4，主机翼骨架7和副机翼骨架4的铰接端之间的夹角为180°，此时导杆9与弦连杆5的铰接中心线与内啮合齿圈2的中心线重合，副连杆3和弦连杆5的铰接中心位于导杆9与弦连杆5的铰接中心线的右上方。

参见图5，主机翼骨架7和副机翼骨架4的铰接端之间的夹角远小于180°，此时导杆9与弦连杆5的铰接中心线与内啮合齿圈2的中心线重合，副连杆3和弦连杆5的铰接中心位于导杆9与弦连杆5的铰接中心线的左下方。

参见图4和图5，导杆9、主连杆8和主机翼骨架7位于相同的位置，而副连杆3和弦连杆5的铰接中心分别位于导杆9与弦连杆5的铰接中心线的右上方和左下方，使图4中副机翼骨架和主机翼骨架的铰接夹角远大于图5所示，也即是下扑时的翼面积远大于上挥时的翼面积。

初始时导杆9位于内啮合齿圈2的正上方，参见图3，内啮合齿圈2的分度圆与弦连杆销轴12中心线垂直相交，弦连杆销轴12的轴线在距主骨架销轴11距离最近的位置，在主连杆8和副连杆3的共同约束下，主机翼骨架7和副机翼骨架4的夹角较小，当电机开始运转时，导杆9竖直向下运动，主连杆8带动主机翼骨架7下扑，副连杆3沿着内啮合齿圈2的直径运动，带动副机翼骨架4下扑，主机翼骨架7和副机翼骨架4的夹角逐渐变大，始终小于等于180°，参见图4，此时翼面积大，生成升力大；当电机顺时针转动180°以后，导杆9竖直向上运动，驱动主机翼骨架7上挥，同时副机翼骨架4上挥，参见图5，主机翼骨架7和副机翼骨架4上挥时的铰接夹角逐渐变小，翼面积变小，且上挥时的空气阻力系数小，大大提高了气动效率和飞行效率。

主机翼骨架7的另一端和机架活动铰接，通过改变主机翼骨架7的另一端和机架活动铰接的位置，实现改变机翼扑动横截面的面积的大小，最终改变主机翼骨架7和副机翼骨架4生成升力方向和大小。假如铰接点竖直向下平移，则主机翼骨架7和副机翼骨架4夹角的最小值变小，上挥和下扑的迎风面积差变大，升力的方向随之变化，转向灵活。

Claims (7)

1.一种翼面积可变的扑翼升力生成装置，包括电机、机架和传动机构，其特征在于：所述传动机构包括齿轮传动机构和机翼扑动机构；

所述齿轮传动机构包括外啮合齿轮（1）和内啮合齿圈（2）；

所述机翼扑动机构包括主机翼骨架（7）、副机翼骨架（4）、主连杆（8）、副连杆（3）、导杆（9）、弦连杆（5）和导向套管（6）；其中主机翼骨架（7）和副机翼骨架（4）构成机翼骨架；主机翼骨架（7）、副机翼骨架（4）、主连杆（8）、副连杆（3）、导杆（9）和弦连杆（5）位于齿轮传动机构轴向一侧的同一平面内，连接形成机翼扑动横截面；

在电机的带动下，外啮合齿轮（1）绕内啮合齿圈（2）的轴线顺时针公转，同时外啮合齿轮（1）以自身轴线为旋转中心逆时针自转；同时，驱动导杆（9）和弦连杆（5）分别通过主连杆（8）带动主机翼骨架（7）、副连杆（3）带动副机翼骨架（4）实现所述机翼骨架的上下扑动。

2.根据权利要求1所述的一种翼面积可变的扑翼升力生成装置，其特征在于：所述电机的输出轴固定连接着曲柄（10）的一端，电机的输出轴轴线与内啮合齿圈（2）的旋转中心线共线，曲柄（10）的另一端与外啮合齿轮（1）的旋转中心通过滑动轴承相连，使外啮合齿轮（1）在电机的驱动下以内啮合齿圈（2）的轴线为转动中心公转；所述内啮合齿圈（2）固定在机架上；所述主机翼骨架（7）和副机翼骨架（4）均为杆状，主机翼骨架（7）的一端和副机翼骨架（4）的一端通过铰链连接组成机翼骨架；主机翼骨架（7）的另一端和机架的铰接中心轴线、主连杆（8）和导杆（9）的铰接中心轴线、导杆（9）和弦连杆（5）的铰接中心轴线以及内啮合齿圈（2）的中心线相互平行且共面；在内啮合齿圈（2）约束条件下，外啮合齿轮（1）在公转的同时以自身的旋转中心自转。

3.根据权利要求1所述的一种翼面积可变的扑翼升力生成装置，其特征在于：所述内啮合齿圈（2）与外啮合齿轮（1）的模数相等，齿数比为2：1。

4.根据权利要求2所述的一种翼面积可变的扑翼升力生成装置，其特征在于：所述主连杆（8）的一端活动铰接着主机翼骨架（7）的中部，主连杆（8）的另一端活动铰接着导杆（9）的一端，导杆（9）的另一端活动铰接着弦连杆（5）的一端；所述副连杆（3）的一端活动铰接着副机翼骨架（4）的中部，副连杆（3）的另一端活动铰接着弦连杆（5）的另一端；导向套管（6）固定在机架上，且套设在导杆（9）上，对导杆（9）起限位作用；

导杆（9）和弦连杆（5）的活动铰接端固定连接着内啮合齿圈（2）的轴向一侧。

5.根据权利要求1所述的一种翼面积可变的扑翼升力生成装置，其特征在于：通过改变主机翼骨架（7）的另一端和机架活动铰接的位置，实现改变所述机翼扑动横截面的面积的大小，最终改变主机翼骨架（7）和副机翼骨架（4）生成升力方向和大小。

6.根据权利要求1所述的一种翼面积可变的扑翼升力生成装置，其特征在于：所述导杆（9）的长度大于内啮合齿圈（2）的外径。

7.根据权利要求4所述的一种翼面积可变的扑翼升力生成装置，其特征在于：所述主机翼骨架（7）和副机翼骨架（4）的铰接端之间的夹角为90°～180°。