CN106945833B - 一种微小型多翼仿生扑翼飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微小型多翼仿生扑翼飞行器，涉及微型飞行器领域；具体包括机架；四个摇臂；电机；2个齿轮a，2个齿轮b，1个齿轮c；四个连杆和四个拍动翼；电机固定在机架中心，齿轮c安装在电机输出轴上，同时啮合2个齿轮b，每个齿轮b各啮合一个齿轮a，每个齿轮a同时将两个连杆的一端铰接在一起，每个连杆的另一端固定连接一个摇臂；同时，每个摇臂的另一端与拍动翼固定连接；摇臂带动拍动翼实现低频往复拍动，并产生竖直方向的气动升力。本发明使用齿轮和连杆机构传动，制造简单，容易获得较高的设计精度；相较于单对扑翼飞行器，多扑翼之间的影响能够增加升力，充分利用昆虫的高升力机制，具有较高的效率。

Description

一种微小型多翼仿生扑翼飞行器
技术领域
本发明涉及微型飞行器领域，具体来说，是一种微小型多翼仿生扑翼飞行器。
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扑翼微型飞行器。
现有扑翼微型飞行器布局的机构设计，大多数采用单对扑翼提供升力和控制力矩，且控制方式比较简单。
发明内容
本发明为了解决微小型飞行器在有限空间内不能提供足够的升力问题，受蜻蜓等多翅昆虫启发提出了一种微小型多翼仿生扑翼飞行器，以简单的机构实现高效的拍动方式，能提供足够的升力和控制力矩，可用于复杂环境的侦查救援等工作。
所述的微小型多翼仿生扑翼飞行器，包括机架、摇臂、拍动驱动机构和拍动翼。
机架整体成型，为左右对称结构；中心是柱型空腔，两侧分别各预留两个安装孔，四个顶角位置分别预留四个安装孔。
摇臂共四个，摇臂的中间位置铰接在机架的四个顶角位置，一端留有柱形空腔，与拍动翼主梁固定连接；实现由摇臂带动拍动翼运动；另一端通过预留孔固定连接拍动驱动机构的输出端。
拍动驱动机构有电机、齿轮减速机构和连杆组成。
电机固定在机架上的中心柱型空腔内；
齿轮减速机构为二级齿轮减速机构，包括2个齿轮a，2个齿轮b和1个齿轮c，齿轮c安装在电机输出轴上，齿轮a和齿轮b分别固定在机架上柱型空腔一侧的安装孔上，两侧的齿轮a和齿轮b分别关于机架对称分布；齿轮c同时啮合2个齿轮b，每个齿轮b各啮合一个齿轮a，五个齿轮把电机输出的高速转动减速。
连杆共有四个，对称分布在机架左右；每个连杆的一端通过安装孔与齿轮a铰接，另一端作为拍动驱动机构的输出端固定连接摇臂。
拍动翼包括主梁、辅梁和翼膜，共有四个，分别连接四个摇臂，对称分布在机架两侧。
本发明的优点在于：
1、本发明一种微小型多翼仿生扑翼飞行器，采用多扑翼方式实现飞行，是一种新的多扑翼布局方式。
2、本发明一种微小型多翼仿生扑翼飞行器，使用齿轮和连杆机构传动，制造简单，容易获得较高的设计精度。
3、本发明一种微小型多翼仿生扑翼飞行器，相较于单对扑翼飞行器，多扑翼之间的影响能够增加升力，充分利用昆虫的高升力机制，具有较高的效率。
附图说明
图1为本发明一种微小型多翼仿生扑翼飞行器的整体结构示意图；
图2为本发明微小型多翼仿生扑翼飞行器的机架结构局部放大图；
图3为本发明微小型多翼仿生扑翼飞行器的的连杆局部放大图；
图4为本发明微小型多翼仿生扑翼飞行器的拍动翼结构局部放大图。
图5为本发明微小型多翼仿生扑翼飞行器的摇臂结构局部放大图。
其中，1-拍动翼，2-摇臂，3-连杆，4-齿轮a，5-齿轮b，6-齿轮c，7-机架；
101-辅梁，102-主梁，103-翼膜；201-预留孔，202-安装孔，203-柱形空腔。
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。
本发明受蜻蜓等多对扑翼昆虫的启发，设计了一种微小型多翼仿生扑翼飞行器；与单对扑翼飞行器相比，在相同的条件下可以提供更大的升力，且由于设计机构的对称性，机构的复杂性并没有明显增加。
所述的微小型多翼仿生扑翼飞行器，如图1所示，包括拍动翼1，摇臂2，连杆3,齿轮a4，齿轮b5，齿轮c6以及机架7；
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；为左右对称结构，机架7上预留一系列安装孔，方便与其他结构相连接。
具体为：机架7的中心位置预留有柱形空腔，其内径与电机直径相同，用于固定安装电机，柱形空腔与电机配合连接，且在电机输出轴上安装齿轮c6。同时，在中心柱型空腔的每侧分别各预留两个安装孔，且两侧的安装孔对称分布，同侧的两个安装孔分别固定铰接齿轮a4和齿轮b5，各齿轮相互啮合，齿轮c6同时啮合2个齿轮b5，每个齿轮b5各啮合一个齿轮a4，五个齿轮构成齿轮减速机构，共同把电机输出的高速转动减速；机架7的四个顶角位置分别各预留一个安装孔，用于安装摇臂2。
摇臂2共四个，如图5所示，结构呈钥匙状，每侧对称安装两个，顶头设有预留孔201，中间设有安装孔202，端部留有柱形空腔203；通过安装孔202将摇臂2铰接在机架7的四个顶角；通过柱形空腔203与拍动翼1的主梁102固定连接；实现由摇臂2带动拍动翼1运动。同时通过预留孔201固定铰接拍动驱动机构的输出端。
拍动驱动机构包括连杆3，齿轮减速机构和电机；
齿轮减速机构选用二级齿轮减速机构。
连杆3共有四个，如图3所示，对称分布在机架1左右；每侧的两个连杆3为一对。连杆3上两端各预留有一个安装孔，每个连杆3的一端通过安装孔与齿轮a4铰接，另一端作为拍动驱动机构的输出端固定连接摇臂2。
如图4所示，拍动翼1包括主梁102、辅梁101和翼膜103。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。通过合理的初始安装，保证四个拍动翼对称分布，由于拍动驱动机构为对称分布的，所以四个拍动翼能够实现同幅度的对称的往复拍动。
本发明一种微小型多翼仿生扑翼飞行器的具体使用过程为：
通过控制器驱动该微小型多翼仿生扑翼飞行器的电机，电机输出高速转动，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的转动带动与其连接的连杆3运动，进而转换为摇臂2的往复摆动。摇臂2上固定有拍动翼1，拍动翼1实现低频往复拍动，并产生竖直方向的气动升力。当气动升力大于重力时，所述的微小型多翼仿生扑翼飞行器垂直起飞。飞行过程中，通过控制器控制电机转速，改变拍动翼1的升力，进而实现垂直起降。

Claims (4)

1.一种微小型多翼仿生扑翼飞行器，其特征在于，包括机架、四个摇臂、拍动驱动机构和四个拍动翼；拍动驱动机构包括电机、齿轮减速机构和四个连杆；齿轮减速机构包括2个齿轮a，2个齿轮b和1个齿轮c；
所述的摇臂，拍动翼和拍动驱动机构均安装在机架上，具体安装如下：
电机固定在机架上的中心柱型空腔内；齿轮c安装在电机输出轴上，两个齿轮a对称固定在机架两侧，两个齿轮b对称固定在机架两侧，齿轮c同时啮合2个齿轮b，每个齿轮b各啮合一个齿轮a，五个齿轮把电机输出的高速转动减速；每个齿轮a同时将两个连杆的一端铰接在一起，每个连杆的另一端作为拍动驱动机构的输出端固定连接一个摇臂；同时，每个摇臂的另一端与拍动翼固定连接，实现由摇臂带动拍动翼运动；
所述的齿轮减速机构为二级齿轮减速机构；
通过驱动电机，电机输出高速转动，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的转动带动与其连接的连杆运动，进而转换为摇臂的往复摆动；摇臂上固定有拍动翼，拍动翼实现低频往复拍动，并产生竖直方向的气动升力；当气动升力大于重力时，所述的微小型多翼仿生扑翼飞行器垂直起飞；飞行过程中，通过控制电机转速，改变拍动翼的升力，进而实现垂直起降。
2.如权利要求1所述的一种微小型多翼仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述机架采用树脂材料或者聚乳酸，通过3D打印整体成型，为左右对称结构；中心是柱型空腔，两侧分别各预留两个对称分布的安装孔，四个顶角位置分别预留四个安装孔，方便与其他结构相连接。
3.如权利要求1所述的一种微小型多翼仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述的拍动翼包括主梁、辅梁和翼膜，对称分布在机架两侧；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；通过合理的初始安装，保证四个拍动翼对称分布，实现同幅度的对称往复拍动。
4.如权利要求1所述的一种微小型多翼仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述的摇臂结构呈钥匙状，每侧对称安装两个，具体安装过程如下：
每个摇臂通过中间的安装孔铰接在机架的顶角位置上，摇臂一端留有柱形空腔，固定连接拍动翼的主梁；另一端通过预留孔固定连接连杆。
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Assignee: Beijing Hangyuan ruizeng System Technology Co.,Ltd.

Assignor: BEIHANG University

Contract record no.: X2021110000003

Denomination of invention: A micro multi wing Bionic Flapping Wing Aircraft

Granted publication date: 20191022

License type: Common License

Record date: 20210121