CN106828922A - 一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构，涉及微型飞行器领域；包括机架，拍动驱动机构，两套对称的拍动翼机构和两套对称的拍动控制机构。其中，机架位于整个仿昆虫翅拍动的位置控制机构的中心，机架上安装拍动驱动机构，在机架一端同时安装拍动翼机构以及拍动控制机构，且机架两端的拍动翼机构以及拍动控制机构均对称设置；拍动驱动机构驱动拍动翼机构实现拍动运动，拍动控制机构用于控制拍动翼机构的拍动幅度平均位置。本发明通过使用舵机和曲柄结构实现机构的位置控制，是一种新颖的控制方式；对拍动平面的控制十分方便，且能够准确产生足够的控制力和力矩；结构设计简洁，材料易得，易于加工。

Description

一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构

技术领域

本发明涉及微型飞行器领域，具体来说，是一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构。

背景技术

自二十世纪九十年代以来，随着传统飞行器设计技术的不断成熟和微电子技术的大幅进步，微型飞行器被提出并快速发展。

微型飞行器由于具有体积小、重量轻和机动性强等特征，在国家安全和国民经济建设方面具有广泛的应用前景，适用于复杂环境下的侦查、勘探和协助救援等工作。

同时，随着人们对自然生物飞行的不断探索，仿生学设计被越来越多的应用于微型飞行器领域，开始出现模仿昆虫飞行的拍动翼微型飞行器。

现有拍动翼布局的机构设计，大多数采用四杆机构以实现电机旋转运动转化为拍动运动。四连杆机构制造简单、较容易获得较高的精度，也容易实现复杂的运动规律和轨迹设计。

发明内容

本发明为了解决仿昆虫翅的拍动机构飞行难以控制的问题，提出了一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构，以较简单的机构实现高效的拍动控制，并提供足够的控制力矩。

所述的仿昆虫翅拍动的位置控制机构，包括机架，拍动驱动机构，两套对称的拍动翼机构和两套对称的拍动控制机构。其中，机架位于整个仿昆虫翅拍动的位置控制机构的中心，机架上安装拍动驱动机构，在机架一端同时安装拍动翼机构以及拍动控制机构，且机架两端对称设置。拍动驱动机构驱动拍动翼机构实现拍动运动，拍动控制机构用于控制拍动翼机构的拍动幅度平均位置。

所述的机架整体成型，机架上设定三个较大的柱型空腔，分别位于倒立三角形的三个顶点位置；两端的柱型空腔对称设置；中间位置的柱型空腔正上方中央有一沟槽；机架上同时设有较小的柱形空腔，铰接其余零件。

拍动驱动机构包括电机，齿轮减速机构和连杆传动机构；

电机安装在机架中间位置的柱型空腔内，配合安装。

齿轮减速机构包括三个能自由转动的齿轮，齿轮a、齿轮b和齿轮c；齿轮c固定在电机的转轴上，齿轮a和齿轮b通过较小的柱型空腔垂直固定在机架上；齿轮c啮合齿轮b，齿轮b啮合齿轮a。

连杆传动机构包括五个连杆，两个对称的连杆a、两个对称的连杆b和一个连杆c；

连杆a为近似圆弧型结构，一端与拍动翼机构的摇臂铰接，另一端与连杆b铰接，连杆b上预留有两个安装孔和一个条形沟槽；除去连杆b一端通过安装孔与连杆a相连外，连杆b通过另一个安装孔铰接固定在机架上；两个对称的连杆b上的条形沟槽重叠在一起，与连杆c的一端中间贯通一铆钉固定在机架上的沟槽上；连杆c的另一端铆钉铰接齿轮a；齿轮a转动，带动连杆c在沟槽内上下运动，同时带动连杆b绕固定在机架上的位置带动另一端转动，从而带动连杆a运动，进一步带动摇臂拍动。

两套拍动翼机构分别对称安装在机架两侧，每套拍动翼机构均包括摇臂与拍动翼。拍动翼由主梁，辅梁和膜翼组成；摇臂一端留有柱形空腔，与拍动翼主梁固定连接；中间与连杆a铰接，另一端是转动中心端与拍动控制机构的曲柄铰接。

两套拍动控制机构分别安装于机架两侧，每套均包括舵机，基座和曲柄；舵机固定在机架一侧的柱型空腔内的圆环形基座上；基座与机架固定在一起；舵机输出轴固接曲柄一端，曲柄另一端与摇臂转动中心端铰接。两个舵机分别通过曲柄独立控制摇臂转动中心的位置，进而产生足够的控制力和力矩。

仿昆虫翅拍动的位置控制机构具体实现拍动的过程如下：

通过控制器驱动电机高速转动，经齿轮c、齿轮b与齿轮a组成的齿轮减速机构实现减速，齿轮a的转动带动与其偏心连接的连杆c运动；连杆c的另一端由于机架中间位置的沟槽约束，只能实现上下运动，同时此端与连杆b的一端铰接，而连杆b中间部分铰接在机架上，因此连杆b一端随着连杆c的上下运动，另一端绕固定点转动；连杆b与连杆a铰接，带动连杆a运动。连杆另一端同时铰接摇臂；能够带动摇臂实现拍动翼的上下拍动；

当需要改变拍动翼拍动的平均位置时，操纵者发出无线电控制信号，给予舵机偏转指令。舵机根据偏转指令输出特定的角位移，带动舵机输出轴的曲柄转动特定的角度。由于曲柄的末端与摇臂转动中心端铰接，因此摇臂的转动中心端改变，带动拍动翼进行转动，也就是拍动翼上下拍动过程中同时绕摇臂转动中心端摆动，使得拍动翼往复拍动的平均位置发生改变；拍动翼机构的气动力和气动力矩均发生改变，实现拍动翼机构的位置控制。

当操纵左右两个不同的舵机实现左右两拍动翼以不同的拍动平均位置拍动时，左右两个翼产生竖直方向内的气动力矩，驱动飞行器实现不同的偏航姿态控制。

本发明的优点在于：

1、本发明一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构，使用舵机和曲柄结构实现机构的位置控制，是一种新颖的控制方式。

2、本发明一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构，使用舵机和曲柄结构实现机构的位置控制，对拍动平面的控制十分方便，且能够准确产生足够的控制力和力矩。

3、本发明一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构，结构设计简洁，材料易得，易于加工。

附图说明

图1为本发明一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构整体俯视示意图；

图2为本发明一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构的机架示意图；

图3为本发明一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构的连杆b示意图；

图4为本发明一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构的拍动翼机构示意图；

图5为本发明一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构的拍动驱动机构示意图；

图6为本发明一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构的拍动控制机构示意图；

图7为本发明一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构处于平衡状态的示意图；

图8为本发明一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构实现俯仰运动的示意图；

图9为本发明一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构绕自身轴旋转的示意图；

图10为本发明一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构实现一定半径转弯的示意图。

图中：1-拍动翼；2-摇臂；3-连杆a；4-曲柄；5-舵机；6-连杆b；7-机架；8-连杆c；9-齿轮a；10-齿轮b；11-电机；12-齿轮c；

具体实施例

下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。

一种仿昆虫翅拍动机构，如图1所示，包括机架7、拍动驱动机构、两套对称的拍动翼机构和两套对称的拍动控制机构，其中，机架7位于整个仿昆虫翅拍动的位置控制机构的中心，机架7上安装拍动驱动机构，在机架7一端同时安装拍动翼机构以及拍动控制机构，且机架两端的拍动翼机构以及拍动控制机构均对称设置；拍动驱动机构驱动拍动翼机构实现拍动运动，拍动控制机构用于控制拍动翼机构的拍动幅度平均位置。

如图2所示，机架7采用树脂材料或者聚乳酸(pla)，通过3D打印整体成型。机架7上设定有三个较大的柱形空腔，分别位于倒立三角形的三个顶点位置；中间中型空腔用来安装拍动驱动机构中的电机，其直径与电机直径相同，且两者配合安装；中间位置的柱型空腔正上方中央有一沟槽，用来约束拍动驱动机构中的连杆机构运动；两端的柱形空腔对称设置，用来安装拍动控制机构的舵机，其直径与舵机直径相同。机架7上同时设有较小的柱形空腔，均为铰接其余零件用。

拍动驱动机构如图5所示，包括电机11，连杆a3、连杆b6、连杆c8、齿轮a9、齿轮b10和齿轮c12。其中，齿轮a9、齿轮b10和齿轮c12构成了齿轮减速机构；两个对称的连杆a3、两个对称的连杆b6以及连杆c8共同构成了连杆传动机构；

电机11安装在机架7中间位置的柱型空腔内，配合安装。

齿轮减速机构中三个能自由转动的齿轮安装如下：齿轮c12固定在电机11的转轴上，齿轮a9和齿轮b10通过铆钉垂直固定在机架上较小的柱型空腔上；可以自由转动；齿轮c12啮合齿轮b10，齿轮b10啮合齿轮a9。

连杆传动机构具体连接如下：

连杆a3为近似圆弧型结构，一端与拍动翼机构铰接，另一端与连杆b6铰接，如图3所示，连杆b6上预留有两个安装孔和一个条形沟槽；除去连杆b6一端通过安装孔与连杆a3相连外，连杆b6通过中间的另一个安装孔铰接固定在机架7上；两个对称的连杆b6上的条形沟槽重叠在一起，与连杆c8的一端中间贯通一铆钉固定在机架7上的沟槽上；连杆c8的另一端铆钉铰接在齿轮a9的柱形孔上；两个连杆b6本身已与机架7铰接，同时与连杆c8相连端的开孔为沟槽，沟槽两端为半圆形，圆的半径与铆钉直径一致。

齿轮a9转动，带动连杆c8在沟槽内上下运动，同时带动连杆b6绕固定在机架7上的位置带动另一端转动，从而带动连杆a3运动，进一步带动拍动翼机构拍动；实现了电机的转动运动变为拍动翼的往复拍动。

两套拍动翼机构分别对称安装在机架7的两侧，如图4所示，每套拍动翼机构均包括摇臂2与拍动翼1。拍动翼1由主梁，辅梁和膜翼组成；翼梁材料为碳杆，翼膜材料选用厚度约为0.04mm的双向拉伸聚丙烯薄膜、聚酯薄膜或其他薄膜。摇臂2一端留有柱形空腔，与拍动翼1的主梁固定连接；中间与连杆a3铰接，另一端是转动中心端与拍动控制机构的曲柄4铰接。

两套拍动控制机构分别安装于机架7的两侧，每套均包括舵机5，基座和曲柄4；如图6所示，图中只展示一端的拍动控制机构；舵机5被机架7覆盖，只能看到功率输出轴。舵机5固定在机架7一侧的柱型空腔内的圆环形基座上；基座与机架7固定在一起；舵机5输出轴固接曲柄4一端，曲柄4另一端与摇臂2的转动中心端铰接。当曲柄4固定不动时，摇臂2带动拍动翼1拍动产生机构需要的升力和控制力矩；机架7另一端的拍动翼机构与此完全相同。两个舵机5分别通过曲柄4独立控制摇臂2转动中心的位置，改变拍动翼的拍动平均位置，进而产生足够的控制力和力矩。

仿昆虫翅拍动的位置控制机构具体实现拍动的过程如下：

通过控制器驱动电机11高速转动，经齿轮c12、齿轮b10与齿轮a9组成的齿轮减速机构实现减速，齿轮a9的转动带动与其偏心连接的连杆c8运动；连杆c8的另一端由于机架中间位置的沟槽约束，只能实现上下运动，同时此端与连杆b6的一端铰接，而连杆b6中间部分铰接在机架上，因此连杆b6一端绕该点的转动会带动另一端的转动，也就是连杆b6一端随着连杆c8的上下运动，另一端绕固定点转动；连杆b6与连杆a3铰接，带动连杆a3运动。连杆a3另一端同时铰接摇臂2；能够带动摇臂2实现拍动翼1的上下拍动；

当需要改变拍动翼1拍动的平均位置时，操纵者发出无线电控制信号，给予舵机5偏转指令。舵机5根据偏转指令输出特定的角位移，舵机5会输出角位移，带动舵机输出轴的曲柄4转动特定的角度。由于曲柄4的末端与摇臂2转动中心端铰接，因此摇臂2的转动中心端改变，带动拍动翼1进行转动，也就是拍动翼1上下拍动过程中同时绕摇臂2转动中心端摆动，使得拍动翼1往复拍动的平均位置发生改变；产生不同的控制力矩。

摇臂2一端固定在曲柄4上，连杆a3带动摇臂2拍动；拍动翼1固定在摇臂2上与摇臂2一起拍动，拍动翼1机构产生的升力和气动力矩均发生改变，同理另一端的摇臂2与拍动翼1做同样运动；实现拍动翼机构的位置控制。

当操纵左右两个不同的舵机5实现左右两拍动翼1以不同的拍动平均位置拍动时，左右两个拍动翼1产生竖直方向内的气动力矩，驱动飞行器实现不同的偏航姿态控制。

如图7所示，图中当拍动翼处于平均拍动位置时，也就是拍动翼位于拍动幅度平均处，⊙表示拍动翼产生的升力垂直纸面向外，↑表示拍动翼的阻力，升力和阻力作用如图所示，由对称性两个拍动翼的气动力矩相互抵消，合升力与重力相同，此时实现仿昆虫翅拍动位置控制机构的悬停。

当需要改变仿昆虫翅拍动位置时，操纵者发给舵机无线电信号，给予舵机偏转指令。当舵机接收到偏转指令后，舵机输出特定的角位移，带动与舵机输出轴相连的曲柄转动特定的角度。由于曲柄的末端与摇臂根部铰接，且摇臂往复摆动过程中绕摇臂根部(即曲柄末端)摆动，曲柄末端位置的改变使得摇臂往复拍动的平均位置发生改变。摇臂上固定有拍动翼，摇臂往复拍动的平均位置的改变最终转化为拍动翼拍动平均位置的改变。

拍动翼的平均拍动幅度位置如图8所示，此时升力和阻力的大小方向均不发生改变，但升力的作用点相对于重心发生偏移，可以产生俯仰力矩，飞行器此时能够实现自由俯仰运动；当两个舵机反对称偏转相同角度时，拍动翼的平均拍动幅度如图9所示，此时在阻力作用下，飞行器会产生偏航力矩，能够实现绕自身轴旋转；如图10所示，当两个舵机反对称偏转不同角度时，飞行器此时能够产生滚转力矩和偏航力矩，能够实现以某一半径转弯。

Claims (8)

1.一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构，其特征在于，包括机架，拍动驱动机构，两套对称的拍动翼机构和两套对称的拍动控制机构；

其中，机架位于整个仿昆虫翅拍动的位置控制机构的中心，机架上设定三个较大的柱型空腔，分别位于倒立三角形的三个顶点位置；中间中型空腔配合安装拍动驱动机构中的电机，两端的柱型空腔对称设置，用来安装拍动控制机构的舵机；中间位置的柱型空腔正上方中央有一沟槽，用来约束拍动驱动机构中的连杆机构运动；

拍动驱动机构包括电机，齿轮减速机构和连杆传动机构；

齿轮减速机构包括三个能自由转动的齿轮，齿轮a、齿轮b和齿轮c；齿轮c固定在电机的转轴上，齿轮a和齿轮b垂直固定在机架上；齿轮c啮合齿轮b，齿轮b啮合齿轮a；

连杆传动机构包括五个连杆，两个对称的连杆a、两个对称的连杆b和一个连杆c；

齿轮a铆钉铰接连杆c的一端，连杆c的另一端与机架的沟槽连通；连杆b铰接固定在机架上，同时在连杆b上设有条形沟槽；两个对称的条形沟槽重叠在一起，与连杆c另一端中间贯通一铆钉固定在机架上的沟槽上；每个连杆b同时与一个连杆a相连，每个连杆a均与拍动翼机构铰接；

齿轮a转动，带动连杆c在沟槽内上下运动，同时带动连杆b的条形沟槽端上下运动，连杆b的另一端绕固定在机架上的位置转动，从而带动连杆a运动，进一步带动拍动翼机构拍动；

两套拍动翼机构分别对称安装在机架两侧，每套拍动翼机构均包括摇臂与拍动翼；摇臂一端留有柱形空腔，与拍动翼的主梁固定连接；中间与连杆a铰接，另一端是转动中心端与拍动控制机构的曲柄铰接；

两套拍动控制机构分别安装于机架两侧，每套均包括舵机，基座和曲柄；舵机输出轴固接曲柄一端，曲柄另一端与摇臂转动中心端铰接；两个舵机分别通过曲柄独立控制摇臂转动中心的位置，改变拍动翼的拍动平均位置，进而产生足够的控制力和力矩。

2.如权利要求1所述的一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构，其特征在于，所述的机架采用树脂材料或者聚乳酸，通过3D打印整体成型，左右对称；机架上同时设有较小的柱形空腔，铰接其余零件。

3.如权利要求1所述的一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构，其特征在于，所述的齿轮a和齿轮b通过铆钉垂直固定在机架上较小的柱型空腔上，能自由转动。

4.如权利要求1所述的一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构，其特征在于，所述的连杆a为近似圆弧型结构；连杆b上预留有两个安装孔和一个条形沟槽；除去连杆b一端通过安装孔与连杆a相连外，连杆b通过中间的另一个安装孔铰接固定在机架上；条形沟槽两端为半圆形，圆的半径与铆钉直径一致。

5.如权利要求1所述的一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构，其特征在于，所述的拍动翼由主梁，辅梁和膜翼组成；翼梁材料为碳杆，翼膜材料选用厚度为0.04mm的双向拉伸聚丙烯薄膜、聚酯薄膜或其他薄膜。

6.如权利要求1所述的一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构，其特征在于，所述的舵机固定在机架一侧的柱型空腔内的圆环形基座上；基座与机架固定在一起；当曲柄固定不动时，摇臂带动拍动翼拍动产生机构需要的升力和控制力矩；机架另一端的拍动翼机构与此完全相同。

7.如权利要求1所述的一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构，其特征在于，对所述的拍动翼改变拍动的平均位置过程如下：

操纵者发出无线电控制信号，给予舵机偏转指令，舵机根据偏转指令输出特定的角位移，带动舵机输出轴的曲柄转动特定的角度；由于曲柄的末端与摇臂转动中心端铰接，因此摇臂的转动中心端改变，带动拍动翼进行转动，也就是拍动翼上下拍动过程中同时绕摇臂转动中心端摆动，使得拍动翼往复拍动的平均位置发生改变；拍动翼机构的气动力和气动力矩均发生改变，实现拍动翼机构的位置控制。

8.如权利要求1所述的一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构，其特征在于，操纵所述的左右两个不同的舵机，让左右两个拍动翼以不同的拍动平均位置拍动时，左右两个拍动翼产生竖直方向内的不同气动力矩，驱动飞行器实现不同的偏航姿态控制。