CN106167095B - 一种具有防错位机构的高频扑翼仿生昆虫飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有防错位机构的高频扑翼仿生昆虫飞行器，其中：机身框架为飞行器其他结构提供基座；空心杯动力马达作为飞行器的动力源；曲柄摇杆传动机构将空心杯动力马达输出轴的转动转化为扑翼的往复拍打运动，以模仿昆虫飞行；防错位机构用于避免曲柄高速运动下可能造成机构的整体错位从而导致机构卡死；减速齿轮组用于将飞行器的动力源输出轴的转速降低，使扑翼拍打动作在一合适范围内；被动扭转机构用于保证扑翼绕翼轴进行一定角度内的旋转以产生向上升力；滚珠轴承组用于减小飞行器的传动摩擦。本发明通过滚珠轴承组为由四连杆机构驱动的飞行器提供一种优化传动方案，达到了大幅度减小传动摩擦，有效将动力转化为飞行器升力的目的。

Description

一种具有防错位机构的高频扑翼仿生昆虫飞行器

技术领域

本发明涉及微加工技术领域，具体地，涉及一种具有防错位机构的高频扑翼仿生昆虫飞行器。

背景技术

微型飞行器的最初设计来源是来自军事方面的需求。为了能更好的把握敌方军情，更隐秘地执行军属侦察任务，需要一种能自由穿梭于战场的轻便、微型的飞行器，它能够进行隐秘摄像、通信，甚至作为爆破武器。

传统的飞行器以固定翼和旋翼为主，但当飞行器整体尺度趋于微小时，传动固定翼和旋翼的升力产生效率明显降低，对新式微型飞行器的需求越来越大。自然界的昆虫具有在微小尺度下依然保有高效飞行效率的特点，因此人们将研究的目光投向了仿生昆虫飞行器，即扑翼飞行器。扑翼飞行器具有许多特有的优点，如起飞所需空间小、飞行性能极佳、具有优异的悬停能力、飞行结构紧凑(集垂直飞行、水平飞行、姿态变换为一体)，且能耗较低。扑翼的飞行方式相比传统的旋翼、固定翼来说，不仅能胜任飞行工作，还进一步提高飞行性能。这使得扑翼飞行器吸引了越来越多的研究人员对其进行拓展。

制造一种全新的扑翼飞行器有着各方面高难度的挑战。这些挑战来自流体力学、空气动力学以及制造工艺等。对一些文献进行检索，普渡大学的Zheng Hu和Xinyan Deng教授于2013年在IEEE上发表了文章“Design and Performance of Insect Inspired HighFrequency Flapping Wing Robots”。文献中提到了由四连杆驱动的扑翼飞行器，包括四连杆传动机构、减速齿轮组以及被动扭转机构，但文献中的具体参数不明确，所述的飞行器没有给出各部分尺寸参数、材质及制造工艺的具体信息；所述飞行器整体的传动效率较低；并且所述飞行器没有包含防四连杆机构错位的结构，在高频运动下容易卡死。

本申请人前期申请的发明专利：申请号201210282453.9，名称：仿蜂鸟扑翼微飞行器，包括：机架、减速齿轮组、电机、传动机构、平行轴结构以及一对翅膀。其中机架上面直接装配减速齿轮组、电机和平行轴结构；传动机构装配在减速齿轮组和平行轴结构之间，用来将减速齿轮组输出的连续转动转化成平行轴的往复转动；一对翅膀装配在平行轴结构上面，从而实现自身的拍打运动，并与其他部分形成一个完整的扑翼微飞行器。但该专利因为缺乏轴承使得传动效率较低，且在高频运动下容易出现机构错位的现象，导致机构卡死。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有防错位机构的高频扑翼仿生昆虫飞行器，通过减速齿轮组、曲柄摇杆传动机构、被动扭转机构、防错位机构以及滚珠轴承组，将极为有限的空心杯动力马达的动力高效地、平稳地转化为扑翼拍打的升力。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种具有防错位机构的高频扑翼仿生昆虫飞行器，包括：机身框架，以及设置于机身框架上的空心杯动力马达、曲柄摇杆传动机构、减速齿轮组、仿生扑翼、被动扭转机构、防错位机构、滚珠轴承组，其中：

所述空心杯动力马达固定在机身框架上，作为整个飞行器的动力源；

所述减速齿轮组连接空心杯动力马达的输出轴，用于将空心杯动力马达的输出轴的转速降低，使仿生扑翼最终的拍打频率在所需范围，同时减速齿轮组中的被动齿轮的一部分作为曲柄摇杆传动机构的曲柄；

所述曲柄摇杆传动机构为实现仿生扑翼拍打动作的主体，用于将空心杯动力马达输出轴的转动转化为两只仿生扑翼的往复拍打运动，实现模仿昆虫飞行；

所述仿生扑翼通过翼轴与曲柄摇杆传动机构连接，从而在空心杯动力马达的驱动下反复拍打，驱使飞行器飞行；

所述被动扭转机构由一个扑翼扭转角限位器实现，扑翼扭转角限位器用于保证仿生扑翼拍打时，仿生扑翼绕翼轴进行旋转从而产生竖直向上的升力，驱使飞行器向上飞行；

所述防错位机构针对曲柄摇杆传动机构设置，用于避免当曲柄摇杆传动机构的曲柄过大时，在曲柄高速运动下可能造成曲柄摇杆传动机构的整体错位而导致卡死；

所述滚珠轴承组分布于飞行器的各个转轴，包括减速齿轮组的转轴、曲柄摇杆传动机构的转轴以及翼轴处，用于减小飞行器的传动摩擦。

优选地，所述空心杯动力马达的额定电压4.2V、额定电流1A，给减速齿轮组提供45000r/min～55000r/min的输入转速，用于保证仿生扑翼的拍打频率以维持足够的升力输出。

更优选地，所述空心杯动力马达在保证能提供足够大的输出功率的前提下尽可能减小重量。

优选地，所述减速齿轮组由主动齿轮和被动齿轮组成，其中：主动齿轮连接于空心杯动力马达的输出轴，被动齿轮与主动齿轮啮合配合，空心杯动力马达驱动主动齿轮转动从而带动被动齿轮转动；

在被动齿轮上开有多个圆孔，用于为曲柄摇杆传动机构提供不同的曲柄长度，以随具体飞行状况手动改变曲柄长度，从而改变仿生扑翼的拍打幅度。

更优选地，所述被动齿轮在保证曲柄长度的情况下，通过使用减重孔来减小被动齿轮的重量。

优选地，所述曲柄摇杆传动机构由两个共用一个曲柄的四连杆机构组成，两个四连杆机构均由曲柄、中间连杆、摇杆以及机架组成，其中：曲柄即减速齿轮组中被动齿轮的一部分，即被动齿轮的圆心到被动齿轮上开的圆孔的距离为曲柄；中间连杆连接曲柄和摇杆，摇杆处固定有与仿生扑翼粘接一起的翼轴，并在中间连杆上预留有与滚珠轴承组过盈连接的空间，同时中间连杆的厚度以保证需要的强度。

优选地，所述曲柄摇杆传动机构为一种反对称安装的共用一个曲柄的双四连杆机构，即两个曲柄摇杆机构共用一个曲柄，其中曲柄由减速齿轮组中的被动齿轮的一部分构成，从曲柄的输出端引出两个曲柄摇杆机构，且两个曲柄摇杆机构的安装方向相反，以保证在曲柄转动时两个摇杆输出端的运动关于机身框架中心轴近似镜面对称，从而进一步保证飞行器的两个仿生扑翼产生的升力近似相等。

更优选地，所述曲柄摇杆传动机构中：曲柄作为曲柄摇杆传动机构的输入端，摇杆作为曲柄摇杆传动机构的输出端与仿生扑翼相连接，从而将输入端曲柄的旋转运动转化为输出端摇杆的往复摆动，进而带动仿生扑翼拍打，以机械传动机构再现昆虫飞行时的扑翼拍打运动。

更优选地，所述曲柄设置多个长度，其中曲柄的长度定义为：从减速齿轮组的被动齿轮的中心O到被动齿轮上一点P的直线长度，在P点处预留出插入齿轮中心转轴的连接孔，则O点到P点的长度即为曲柄的长度(该长度通过计算得出)；通过改变曲柄的长度改变四连杆机构的运动特性，即改变摇杆往复运动的最大幅度。

更优选地，所述曲柄设置4个不同的长度，从而使得摇杆往复运动幅度分别为100°、110°、120°、130°。

优选地，所述仿生扑翼与翼轴粘接，翼轴与曲柄摇杆传动机构的摇杆通过滚动轴承组连接。

优选地，所述仿生扑翼模仿蝉翼的形状，并采用聚脂薄膜和碳纤维材料由真空袋包装工艺和激光切割工艺制成，其中：

所述仿生扑翼的迎风面材料为聚脂薄膜，聚脂薄膜具有一定的韧性，以保证仿生扑翼在高频拍打过程中不会由于刚度太大(太脆)而撕裂；

更优选地，所述仿生扑翼的边框由碳纤维材料制成，为仿生扑翼提供拍打时所需的强度，保证仿生扑翼不会过度形变。

优选地，所述被动扭转机构包括一个扑翼扭转角限位器和一个限位圆柱，其中：限位圆柱设置于摇杆上；扑翼扭转角限位器与翼轴的末端过盈连接，并与仿生扑翼一同转动，扑翼扭转角限位器在转动过程中与限位圆柱发生机械碰撞时达到仿生扑翼的最大扭转角，最大扭转角为45°。

优选地，所述防错位机构由两个小凸台组成，其中一个小凸台设置于机身框架上，另一个设置于曲柄摇杆传动机构的摇杆上；

当曲柄摇杆传动机构的的摇杆运动到与机架近乎平行的位置时，可能由于曲柄摇杆传动机构运动时的高频振动导致摇杆的运动方向变得完全相反，以至两侧的仿生扑翼位置不再对称，曲柄摇杆传动机构错位卡死，防错位机构的两个小凸台在摇杆即将越过机架水平线时起到机械碰撞的限位作用。

优选地，所述滚珠轴承组的轴承采用微型钢制滚珠轴承，用于减小曲柄摇杆传动机构、被动扭转机构以及减速齿轮组内的转轴的旋转运动的摩擦，从而提高整体的传动效率，减轻动力源的负担。

优选地，所述飞行器的所有转轴，包括减速齿轮组内的转轴、曲柄摇杆传动机构的转轴以及翼轴，均采用钢制转轴，以保证足够的强度。

优选地，所述机身框架采用3D打印制作，其形状以保证承载飞行器的其他结构；同时，在机身框架上预留包括减速齿轮组被动齿轮转轴和曲柄摇杆机构的摇杆转轴的轴承安装空间。

优选地，所述飞行器的其他形状定制部件，包括扑翼扭转角限位器、减速齿轮组的被动齿轮以及曲柄摇杆传动机构的摇杆和中间连杆，均采用3D打印制作，一方面降低成本，另一方面3D打印的材料密度小，降低飞行器的整体重量。

本发明中，所述空心杯动力马达的输出轴与减速齿轮组的主动齿轮配合；减速齿轮组的被动齿轮上开有数个圆孔，用于固定曲柄摇杆传动机构的转轴，圆孔到被动齿轮中心的距离为曲柄摇杆机构的曲柄。所述曲柄摇杆传动机构的摇杆通过转轴与机身框架相连接，与仿生扑翼粘接的翼轴通过轴承与摇杆相连，另一侧通过扑翼扭转角限位器进行角度限位，同时可以对翼轴的轴向位置进行固定；

当空心杯马达运转时，其输出轴带动减速齿轮组的主动齿轮，进而带动被动齿轮，即曲柄摇杆传动机构的曲柄进行旋转；两侧的仿生扑翼拍打运动系统实际上对应共用一个曲柄的两个曲柄摇杆机构，曲柄摇杆机构的安装方式相反；在曲柄进行旋转运动的同时带动两个曲柄摇杆机构运动，摇杆的往复运动即为翼轴的往复运动，最终使得飞行器完成扑翼的拍打运动。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明通过减速齿轮组、曲柄摇杆传动机构、被动扭转机构以及滚珠轴承组多个机构的组合，提供了一种具有防错位机构的高频扑翼仿生昆虫飞行器设计方案，能在高频运动的情况下保持飞行器的稳定性，同时将有限的空心杯动力马达的动力高效率地转化为仿生扑翼拍打的升力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的整体结构简图；

图2为本发明一实施例的曲柄摇杆传动机构俯视图；

图3为本发明一实施例的被动扭转机构示意图；

图4为本发明一实施例的防错位机构正视图；

图5为本发明一实施例在不包含防错位机构的情况下机构错位示意图；

图6为本发明一实施例的曲柄摇杆传动机构的示意图，两套曲柄摇杆机构共用一个曲柄；

图中：中间连杆1、滚珠轴承组2、被动齿轮3、主动齿轮4、翼轴摇杆5、轴承槽6、翼轴7、机身8、空心杯动力马达9、轴套10、扑翼扭转角限位器11、限位圆柱12、翅膀13、摇杆凸台14、机身凸台15、摇杆转轴16、被动齿轮转轴17，机架18、曲柄19。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种具有防错位机构的高频扑翼仿生昆虫飞行器，包括：机身8，空心杯动力马达9，曲柄摇杆传动机构，由被动齿轮3、主动齿轮4组成的减速齿轮组，翅膀13，由扑翼扭转角限位器11、限位圆柱12组成的被动扭转机构，防错位机构，以及滚珠轴承组2；其中：

机身8为飞行器的其他结构提供基座；

空心杯动力马达9作为整个飞行器的动力源安装在机身8上，额定电压4.2V、额定电流1A，用于给减速齿轮组提供45000r/min～50000r/min的转速，以保证翅膀13的拍打频率以维持足够的升力输出；

减速齿轮组连接空心杯动力马达9的输出轴，用于将飞行器的动力源即空心杯动力马达9的输出轴的转速降低，使最终翅膀13的拍打动作在一个合适的范围内，同时减速齿轮组的被动齿轮3的一部分将作为曲柄摇杆传动机构的曲柄19；

曲柄摇杆传动机构是实现飞行器的翅膀13拍打动作的主体，其通过翼轴7与翅膀13连接，从而将空心杯动力马达9输出轴的转动转化为两只翅膀13的往复拍打运动，达到模仿昆虫飞行的目的；

翅膀13采用真空袋工艺并模仿蝉翼的形状制作，材料是碳纤维和聚脂薄膜；

被动扭转机构由一个扑翼扭转角限位器11和限位圆柱12实现，扑翼扭转角限位器11用于翅膀13拍打时保证翅膀13绕翼轴7进行一定角度内的旋转，从而产生向上的升力；

所述防错位机构针对曲柄摇杆传动机构设置，用于避免当曲柄摇杆传动机构的曲柄19过大时，在曲柄19高速运动下可能造成曲柄摇杆传动机构的整体错位而导致卡死；

滚珠轴承组2分布于飞行器的各个转轴，包括减速齿轮组的被动齿轮转轴17、曲柄摇杆传动机构的摇杆转轴16以及与翼轴7处，为减速齿轮组、曲柄摇杆传动机构以及被动扭转机构的传动减小摩擦。

作为一优选实施方式，所述机身8采用3D打印制作，其形状以保证能承载其他结构的前提下尽可能减小体积为佳，另外机身8上需要为各处转轴(包括减速齿轮组的被动齿轮转轴17和摇杆转轴16)的轴承预留空间。

作为一优选实施方式，所述空心杯动力马达9在保证能提供足够大的输出功率的前提下尽可能减小重量。

作为一优选实施方式，所述曲柄摇杆传动机构由两个共用一个曲柄的四连杆机构组成，每个四连杆机构由曲柄19、中间连杆1、翼轴摇杆5以及机架18组成，其中：

曲柄即减速齿轮组中被动齿轮3的一部分，被动齿轮3的圆心到被动齿轮3上开的圆孔的距离为曲柄；

中间连杆1连接曲柄和翼轴摇杆5，且在中间连杆1上预留出与滚珠轴承组2过盈连接的空间，同时其厚度在保证强度的前提下应尽可能地薄。

作为一优选实施方式，所述曲柄摇杆传动机构是一种反对称安装的共用一个曲柄的双四连杆机构(如图6所示)，其中曲柄是减速齿轮组中的被动齿轮3的一部分，被动齿轮3的绕被动齿轮转轴17旋转带动两个曲柄摇杆机构(即四连杆机构)进行机械运动。同时，由于两个曲柄摇杆机构(即四连杆机构)的安装方式相反，因此翼轴摇杆5输出端的往复摆动时关于机身8中心轴近似镜面对称。在翼轴摇杆5处固定翼轴7并将翼轴7与翅膀13粘接，如此可以实现仿昆虫的翅膀13拍打运动。需注明的是，所述曲柄摇杆传动机构形成的拍打运动并不是完全关于中心线对称，而是有一定的相位差，但在高频振动下，该相位差可以忽略不计。

所述翼轴7是用于仿生扑翼与曲柄摇杆传动机构连接的轴。

作为一优选实施方式，所述曲柄摇杆传动机构的曲柄，即减速齿轮组的被动齿轮3的一部分可设置多个长度；曲柄的长度定义为：从被动齿轮3的中心O到被动齿轮3上一点P的直线长度(P点到O点的距离由计算得出)，在P点处预留出插入被动齿轮3中心被动齿轮转轴17的连接孔，则O点到P点的长度即为曲柄的长度。曲柄摇杆机构的运动特性是由各杆的相对长度决定的，在给定了除曲柄外的其他杆的长度后，选用不同的曲柄长度OP，可以使得翼轴摇杆5的往复运动幅度发生改变，即使得翅膀13来回拍打的幅度发生改变。通过改变曲柄的长度可以改变四连杆机构的运动特性，即改变翼轴摇杆5往复运动的最大幅度。

作为一优选实施方式，所述曲柄可设置4个不同的长度，从而使得翼轴摇杆5往复运动幅度分别为100°、110°、120°、130°。

作为一优选实施方式，所述减速齿轮组中的被动齿轮3在保证曲柄的长度的情况下，尽可能使用减重孔来减小被动齿轮3重量。

作为一优选实施方式，所述翅膀13与翼轴7粘接在一起；所述翅膀13模仿蝉翼的形状，并采用聚脂薄膜和碳纤维材料由真空袋包装工艺和激光切割工艺制成；其中：

翅膀13的迎风面材料是聚脂薄膜，聚脂薄膜具有一定的韧性，能保证在翅膀13高频拍打过程中不会由于刚度太大(太脆)而撕裂；

翅膀13的边框由碳纤维材料制成，为翅膀13提供拍打时所需的强度，保证翅膀13不会过度形变。

作为一优选实施方式，所述飞行器的所有转轴，包括减速齿轮组2的被动齿轮转轴17、曲柄摇杆传动机构的摇杆转轴16以及与翅膀13粘接的翼轴7，均采用钢制转轴，可以保证足够的强度。

作为一优选实施方式，所述飞行器所有转轴处均采用滚珠轴承组2连接。

作为一优选实施方式，所述滚珠轴承组2采用微型钢制滚珠轴承，其优点是重量小，同时采用微型钢制滚珠轴承可极大地降低传动摩擦，使动力能高效率地传递到翅膀13上。

作为一优选实施方式，所述飞行器的其他形状定制部件，包括扑翼扭转角限位器11、减速齿轮组的被动齿轮3，以及曲柄摇杆传动机构的翼轴摇杆5和中间连杆1，均采用3D打印制作，一方面降低成本，另一方面3D打印的材料密度小，可以尽可能降低飞行器的整体重量。

所述空心杯动力马达9的输出轴与减速齿轮组的主动齿轮4配合；减速齿轮组的被动齿轮3上开有数个圆孔，用于固定曲柄摇杆传动机构的摇杆转轴16，圆孔到被动齿轮3中心的距离为曲柄摇杆机构的曲柄。所述曲柄摇杆传动机构的翼轴摇杆5通过摇杆转轴16与机身8相连接，与翅膀13粘接的翼轴7通过轴承与翼轴摇杆5相连，另一侧通过扑翼扭转角限位器11进行角度限位，同时可以对翼轴7的轴向位置进行固定。

当空心杯动力马达9运转时，其输出轴带动减速齿轮组的主动齿轮4，进而带动被动齿轮3，即曲柄摇杆传动机构的曲柄进行旋转；两侧的翅膀13拍打运动系统实际上对应共用一个曲柄的两个曲柄摇杆机构，曲柄摇杆机构的安装方式相反；在曲柄进行旋转运动的同时带动两个曲柄摇杆机构运动，翼轴摇杆5的往复运动即为翼轴7的往复运动，最终使得飞行器完成翅膀13的拍打运动。

进一步的，在部分实施例中，如图1所示，所述翼轴摇杆5上设置有一轴承槽6，用于竖直放置滚珠轴承组2，滚珠轴承组2与翼轴7配合，用于保证翼轴7在旋转过程中不受较大摩擦力的阻碍。

如图1所示，在两个所述中间连杆1连接处设置有一轴套10，轴套10与插入其中心的转轴过盈配合，用于将两个中间连杆1进行限位，防止在被动齿轮3高速转动时中间连杆1从转轴中甩脱。

进一步的，在部分实施例中，如图2所示，为所述飞行器的曲柄摇杆传动机构的俯视简图，所述曲柄摇杆传动机构的机架18(在图2中是指减速齿轮组的被动齿轮3的中心与翼轴摇杆5的转轴中心之距)、翼轴摇杆5及中间连杆1的长度分别为12mm、5mm、12mm，曲柄的长度预设4个值：3.80mm、4.07mm、4.31mm和4.52mm，对应翅膀13拍打幅度分别为100°、110°、120°、130°。若需要其他的拍打幅度，只需要改变曲柄的长度即可。

在部分实施例中，如图3所示，所述被动扭转机构中：限位圆柱12为设置在翼轴摇杆5上的凸台结构，翼轴7与曲柄摇杆传动机构的翼轴摇杆5采用滚珠轴承组2配合，并在翼轴7的末端与扑翼扭转角限位器11过盈连接。在翅膀13拍打的同时，翅膀13在空气阻力的作用下绕翼轴7转动；由于迎风面关于水平面有一定的攻角，因此产生竖直向上的升力，驱使飞行器向上飞行。同时，为了使该攻角不至于过大，当扑翼扭转角限位器11与限位圆柱12发生机械碰撞时会阻止翅膀13进一步的扭转，使攻角能保持在一个较佳的范围内。当扑翼扭转角限位器11与限位圆柱12发生机械碰撞时达到最大扭转角。

作为一优选实施方式，所述扑翼扭转角限位器11与翼轴7的末端过盈连接，翅膀13与翼轴7粘接，翅膀13拍打的同时可以在一定角度内自由绕翼轴7扭转，以形成对飞行有利的攻角。如需要较大的攻角，只需要修改扑翼扭转角限位器11的形状即可。

在部分实施例中，如图4所示，所述的防错位机构的示意图：所述防错位机构由两个小凸台组成，即摇杆凸台14和机身凸台15，其中：机身凸台15设置于机身8上，摇杆凸台14设置于曲柄摇杆传动机构的翼轴摇杆5上；

当曲柄摇杆传动机构的的翼轴摇杆5运动到与机架18近乎平行的位置时，可能由于曲柄摇杆传动机构运动时的高频振动导致翼轴摇杆5的运动方向变得完全相反，以至两侧的翅膀13位置不再对称，曲柄摇杆传动机构错位卡死，防错位机构的摇杆凸台14和机身凸台15在翼轴摇杆5即将越过机架18水平线时起到机械碰撞的限位作用。

本实施例所述防错位机构主要针对曲柄摇杆传动机构设置，当曲柄摇杆传动机构的曲柄过大时，在曲柄高速运动下可能造成曲柄摇杆传动机构的整体错位，从而导致其卡死(如图5所示)，而防错位的两个小凸台可以在翼轴摇杆5即将越过机架水平线时起到机械碰撞的限位作用，阻止翼轴摇杆5转动到机架水平线以下。

本实施例通过合理地选择空心杯动力马达9的功率、减速齿轮组的减速比、曲柄摇杆传动机构的长度参数以及扑翼扭转角限位器11的角度限制最大值，从而使飞行器能获得最佳的飞行性能。其中：

所述空心杯动力马达9在市场上的现有产品中转速一般在50000r/min左右，可以考虑减速齿轮组的减速比为5：1；

所述曲柄摇杆传动机构的参数是决定飞行器传动机构运动特性的主体，其中曲柄是在减速齿轮组的被动齿轮3上预留出多个到齿轮中心距离不同的圆孔，以随具体飞行环境改变飞行器的翅膀13拍打幅度；

所述飞行器在拍打翅膀13时的最佳攻角为45°，因此考虑将扑翼扭转角限位器11可控制的最大旋转角设置为45°左右；

所述滚珠轴承组2是本发明的主体内容，它在减小飞行器的传动摩擦方面作出了巨大的贡献。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种具有防错位机构的高频扑翼仿生昆虫飞行器，其特征在于，包括：机身框架，以及设置于机身框架上的空心杯动力马达、曲柄摇杆传动机构、减速齿轮组、仿生扑翼、被动扭转机构、防错位机构、滚珠轴承组，其中：

所述空心杯动力马达固定在机身框架上，作为整个飞行器的动力源；

所述减速齿轮组连接空心杯动力马达的输出轴，用于将空心杯动力马达的输出轴的转速降低，使仿生扑翼最终的拍打频率在所需范围，同时减速齿轮组中的被动齿轮的一部分作为曲柄摇杆传动机构的曲柄；

所述曲柄摇杆传动机构为实现仿生扑翼拍打动作的主体，用于将空心杯动力马达输出轴的转动转化为两只仿生扑翼的往复拍打运动，实现模仿昆虫飞行；

所述仿生扑翼通过翼轴与曲柄摇杆传动机构连接，从而在空心杯动力马达的驱动下反复拍打，驱使飞行器飞行；

所述被动扭转机构由一个扑翼扭转角限位器实现，扑翼扭转角限位器用于保证仿生扑翼拍打时，仿生扑翼绕翼轴进行旋转从而产生竖直向上的升力，驱使飞行器向上飞行；

所述防错位机构针对曲柄摇杆传动机构设置，用于避免当曲柄摇杆传动机构的曲柄过大时，在曲柄高速运动下可能造成曲柄摇杆传动机构的整体错位而导致卡死；

所述滚珠轴承组分布于飞行器的各个转轴，包括减速齿轮组的转轴、曲柄摇杆传动机构的转轴以及翼轴处，用于减小飞行器的传动摩擦。

2.根据权利要求1所述的一种具有防错位机构的高频扑翼仿生昆虫飞行器，其特征在于，所述空心杯动力马达的额定电压4.2V、额定电流1A，给减速齿轮组提供45000r/min～55000r/min的输入转速，用于保证仿生扑翼的拍打频率以维持足够的升力输出。

3.根据权利要求1所述的一种具有防错位机构的高频扑翼仿生昆虫飞行器，其特征在于，所述减速齿轮组由主动齿轮和被动齿轮组成，其中：主动齿轮连接于空心杯动力马达的输出轴，被动齿轮与主动齿轮啮合配合，空心杯动力马达驱动主动齿轮转动从而带动被动齿轮转动；

在被动齿轮上开有多个圆孔，用于为曲柄摇杆传动机构提供不同的曲柄长度，以随具体飞行状况手动改变曲柄长度，从而改变仿生扑翼的拍打幅度。

4.根据权利要求1所述的一种具有防错位机构的高频扑翼仿生昆虫飞行器，其特征在于，所述曲柄摇杆传动机构由两个共用一个曲柄的四连杆机构组成，两个四连杆机构均由曲柄、中间连杆、摇杆以及机架组成，其中：曲柄即减速齿轮组中被动齿轮的一部分，即被动齿轮的圆心到被动齿轮上开的圆孔的距离为曲柄；中间连杆连接曲柄和摇杆，摇杆处固定有与仿生扑翼粘接一起的翼轴，并在中间连杆上预留有与滚珠轴承组过盈连接的空间，同时中间连杆的厚度以保证需要的强度；

所述曲柄摇杆传动机构为一种反对称安装的共用一个曲柄的双四连杆机构，即两个曲柄摇杆机构共用一个曲柄，其中曲柄由减速齿轮组中的被动齿轮的一部分构成，从曲柄的输出端引出两个曲柄摇杆机构，且两个曲柄摇杆机构的安装方向相反，以保证在曲柄转动时两个摇杆输出端的运动关于机身框架中心轴近似镜面对称，从而进一步保证飞行器的两个仿生扑翼产生的升力近似相等。

5.根据权利要求4所述的一种具有防错位机构的高频扑翼仿生昆虫飞行器，其特征在于，所述曲柄摇杆传动机构中：曲柄作为曲柄摇杆传动机构的输入端，摇杆作为曲柄摇杆传动机构的输出端与仿生扑翼相连接，从而将输入端曲柄的旋转运动转化为输出端摇杆的往复摆动，进而带动仿生扑翼拍打，以机械传动机构再现昆虫飞行时的扑翼拍打运动。

6.根据权利要求1所述的一种具有防错位机构的高频扑翼仿生昆虫飞行器，其特征在于，所述仿生扑翼与翼轴粘接，翼轴与曲柄摇杆传动机构的摇杆通过滚动轴承组连接；所述仿生扑翼模仿蝉翼的形状，并采用聚脂薄膜和碳纤维材料由真空袋包装工艺和激光切割工艺制成；其中：

所述仿生扑翼的迎风面材料为聚脂薄膜，聚脂薄膜具有一定的韧性，从而保证仿生扑翼在高频拍打过程中不会由于刚度太大而撕裂；

所述仿生扑翼的边框由碳纤维材料制成，其仿生扑翼提供拍打时所需的强度，从而保证仿生扑翼不会过度形变。

7.根据权利要求1所述的一种具有防错位机构的高频扑翼仿生昆虫飞行器，其特征在于，所述被动扭转机构包括一个扑翼扭转角限位器和一个限位圆柱，其中：限位圆柱设置于摇杆上；扑翼扭转角限位器与翼轴的末端过盈连接，并与仿生扑翼一同转动，扑翼扭转角限位器在转动过程中与限位圆柱发生机械碰撞时达到仿生扑翼的最大扭转角，最大扭转角为45°。

8.根据权利要求1所述的一种具有防错位机构的高频扑翼仿生昆虫飞行器，其特征在于，所述防错位机构由两个小凸台组成，其中一个小凸台设置于机身框架上，另一个设置于曲柄摇杆传动机构的摇杆上；

当曲柄摇杆传动机构的摇杆运动到与机架近乎平行的位置时，可能由于曲柄摇杆传动机构运动时的高频振动导致摇杆的运动方向变得完全相反，以至两侧的仿生扑翼位置不再对称，曲柄摇杆传动机构错位卡死，防错位机构的两个小凸台在摇杆即将越过机架水平线时起到机械碰撞的限位作用。

9.根据权利要求1所述的一种具有防错位机构的高频扑翼仿生昆虫飞行器，其特征在于，所述滚珠轴承组的轴承采用微型钢制滚珠轴承，用于减小曲柄摇杆传动机构、被动扭转机构以及减速齿轮组内的转轴的旋转运动的摩擦，从而提高整体的传动效率，减轻动力源的负担。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种具有防错位机构的高频扑翼仿生昆虫飞行器，其特征在于，所述空心杯动力马达输出所需转速给减速齿轮组，在经过减速齿轮组的减速后，将动力传动到减速齿轮组的被动齿轮，即曲柄摇杆传动机构的曲柄；曲柄摇杆传动机构将被动齿轮即曲柄的旋转运动转化为摇杆的往复运动，再通过摇杆与仿生扑翼的过盈连接，实现仿生扑翼的往复拍打运动；同时，当仿生扑翼往复拍打时，被动扭转机构保证仿生扑翼绕翼轴进行一定角度内的扭转，从而产生向上的升力；在整个飞行器中，滚珠轴承组分布于飞行器的各个转轴，包括减速齿轮组的转轴、曲柄摇杆传动机构的转轴以及与仿生扑翼粘接的翼轴处，为减速齿轮组、曲柄摇杆传动机构以及被动扭转机构的传动减小摩擦，提高传动效率。