CN107021223A - 一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器，它包括：机架、尾翼、驱动机构、扑翼和控制装置等；所述的机架呈三角状，前部设有上支撑架，下支撑架；所述的上支撑架、下支撑架的左右两侧对称设有立轴；所述的尾翼设置在机架的后部；所述的驱动机构设置在机架的前部；所述的驱动机构包括上下扑动机构、翅翼扭转机构和前后扫掠机构；所述的上下扑动机构、翅翼扭转机构和前后扫掠机构均设置在机架前部的左右两侧；扑翼安装在上下扑动机构上；本发明可以对扑翼飞行器的扑翼的扑动角、扭转角和扫掠角进行调节，翅翼可以完全模仿鸟类的各种动作，使扑翼适应各种飞行状况，而且调节机构紧凑，稳定性好。
Description
技术领域
本发明属于微型扑翼飞行器技术领域，具体涉及一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器。
背景技术
微型仿生扑翼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。它与固定翼和旋翼飞行相比，它便具有独特的优点：如原地或小场地起飞，极好的飞行机动性和一定的空中悬停性能，它将举升、悬停和推进功能集于一扑翼系统，可以用较小的能量进行长距离飞行。根据仿生学和空气动力学研究结果可以预见，在翼展小于15cm时，扑翼飞行比固定翼和旋翼飞行更具有优势，微型仿生扑翼飞行器也必将在该研究领域占据重要地位。
目前，模仿鸟或昆虫扑动飞行的微型扑翼飞行器虽已获得成功，但是现有的扑翼飞行器大多是上下单自由度扑动，翅翼基本形状不变，翅翼薄膜在惯性力和气动力作用下产生的“被动柔性变形”，上下扑动机构耗能大，气动效率低。在自然界中，飞行生物翅膀在三维空间中进行复杂的飞行路径变换，而且还会根据不同的飞行状况改变翅膀的扑动幅度，在进行推进运动及向下俯冲运动时，还会改变翅膀在运动方向迎角，这样的调整有利于飞行生物针对不同情况进行不同动作变换。
但现有的扑翼飞行器一般是模仿翅膀的上下扑动，这样的扑翼飞行器的飞行效率低，耗能高。不能很好的进行倾斜向上的飞行运动及向下俯冲运动，造成飞行器机动性能差。
发明内容
为了解决现有的扑翼飞行器只能模仿翅膀简单运动，飞行效率低，不能很好的进行倾斜向上的飞行运动及向下俯冲运动，造成飞行器机动性能差的问题，提供了一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器，它可以根据不同的飞行状况改变翅膀的扑动幅度，还会改变翅膀在运动方向的迎角的优点，翅翼动作具有高度仿生的特性。
一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器，它包括：机架、尾翼、驱动机构、扑翼和控制装置等；所述的机架呈三角状，前部设有上支撑架，下支撑架；所述的上支撑架、下支撑架的左右两侧对称设有立轴；所述的尾翼设置在机架的后部；所述的驱动机构设置在机架的前部；所述的驱动机构包括上下扑动机构、翅翼扭转机构和前后扫掠机构；所述的上下扑动机构、翅翼扭转机构和前后扫掠机构均设置在机架前部的左右两侧；扑翼安装在上下扑动机构上；
进一步的，所述的机架呈三角状，前部设有上支撑、下支撑架和立轴；所述的上支撑架、下支撑架的左右两侧对称设有立轴；
进一步的，所述的扫掠驱动电机连接输出齿轮；所述的扫掠摆动框架总体形状呈横放的U形，铰接在两侧立轴上；扫掠摆动框架的上梁设有第一扇形齿轮，下梁设有第二扇形齿轮，左右两侧的第一扇形齿轮相互啮合，绕立轴往复摆动；所述的输出齿轮与第二扇形齿轮相啮合；所述的扫掠摆动框架顶部设有扭转电机安装部和扑动电机安装部；
进一步的，所述的扭转电机固定在扭转电机安装部上；所述的输出微型齿轮与扭转直流电机输出轴固定连接；所述的扭转齿轮框架轴接于扫掠摆动框架；所述的扭转齿轮框架内侧外圈设有外圈扭转齿轮；所述的外圈扭转齿轮与输出微型齿轮相啮合；
进一步的，所述的扑动电机固定安装在扑动电机安装部上，且竖直设置；所述的扑动电机经传动机构把转速传递到输出轴；所述的输出轴与传动机构的输出端齿轮固定连接；所述的输出轴与扭转齿轮框架同轴设置；
进一步的，所述的偏心距直线电机内嵌于扫掠摆动框架中，偏心距直线电机固定有拨杆，拨杆配合于拨叉滑块；所述的拨叉滑块与输出轴同轴设置，可沿着输出轴移动；
进一步的，所述的输出轴呈L形，内部设有通孔，里面装有连接线；所述的连接线一端连接于拨叉滑块，另一端连接于偏心球的内部安装部；
进一步的，所述的偏心球外圆表面内切于偏心球框架内表面；所述的偏心球框架与扭转齿轮框架铰接；所述的输出轴顶端与偏心球配合，沿着偏心球内部滑槽移动；
进一步的，所述的偏心球内部设有输出轴的安装部形状呈凹槽状；所述的输出轴的顶端设有安装部形状呈凸槽状，安装部可以在安装部内滑动；
进一步的，所述的偏心球有空白处，其截面形状为四分之一圆，空白处厚度为输出轴的直径，输出轴可以在空白处移动；
进一步的，所述的偏心球外部设有滚珠滑槽，滚珠滑槽装配有圆周弹簧；所述的圆周弹簧与压紧滚珠相接触，压紧滚珠同时与输出轴相接触；所述的压紧滚珠的直径大于输出轴的直径，使其沿着滚珠滑槽运动，同时不落入空白处；
进一步的，所述的球心弹簧设置到输出轴与内部安装部之间；
进一步的，所述的控制装置包括锂电池、控制电路板；所述的电池与控制电路板相连接，所述的控制电路板与扭转直流电机、扑动电机、偏心距直线电机、扫掠驱动电机相连接。
本发明提供了一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器，它包括：机架、尾翼、驱动机构、扑翼和控制装置等；所述的机架呈三角状，前部设有上支撑架，下支撑架；所述的上支撑架、下支撑架的左右两侧对称设有立轴；所述的尾翼设置在机架的后部；所述的驱动机构设置在机架的前部；所述的驱动机构包括上下扑动机构、翅翼扭转机构和前后扫掠机构；所述的上下扑动机构、翅翼扭转机构和前后扫掠机构均设置在机架前部的左右两侧；扑翼安装在上下扑动机构上；本发明可以对扑翼飞行器的扑翼的扑动角、扭转角和扫掠角进行调节，翅翼可以完全模仿鸟类的各种动作，使扑翼适应各种飞行状况，而且调节机构紧凑，稳定性好。
附图说明
图1为本发明一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器轴测图；
图2为本发明一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器正视图；
图3为本发明一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器的局部A放大图；
图4为本发明一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器的偏心球调整机构第一状态图；
图5为本发明一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器的偏心球调整机构第二状态图；
图6为本发明一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器的偏心球调整机构第三状态图；
图7为本发明一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器的偏心球调整机构B-B剖视图；
图8为本发明一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器的偏心球调整机构C-C剖视图。
具体实施方式
实施例：一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器
请参见图1-8，一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器，它包括：机架1、前后扫掠机构2、翅翼扭转机构3、上下扑动机构4、扑翼5、尾翼6和控制装置7；
所述的机架1呈三角状；
所述的机架1前部设有上支撑架101，下支撑架102；
所述的上支撑架101、下支撑架102的左右两侧对称设有立轴103；
所述的尾翼6设置在机架的后部；
所述的前后扫掠机构2设置在机架1的前部的左右两侧；
所述的前后扫掠机构2包括扫掠驱动电机201、输出齿轮202、扫掠摆动框架203；
所述的扫掠摆动框架203呈U形，
两个扫掠摆动框架203分别铰接在两侧立轴103上；
所述的扫掠摆动框架203的上梁设有第一扇形齿轮20301，下梁设有第二扇形齿轮20302；
所述的第一扇形齿轮20301、第二扇形齿轮20302的齿轮与立轴103同轴设置；
左右两侧的第一扇形齿轮20301相互啮合；
所述的上支撑架101上设有第一驱动电机312，所述的扫掠驱动电机201上安装有输出齿轮202，输出齿轮202与第一扇形齿轮20301相啮合；
所述的输出齿轮202与第二扇形齿轮20302相啮合，绕立轴103往复摆动；
所述的扫掠摆动框架203顶部设有扭转电机安装部20303和扑动电机安装部20304
所述的扭转电机安装部20303为圆形通孔；
所述的翅翼扭转机构3包括：扭转直流电机301、输出微型齿轮302、扭转齿轮框架303；
所述的扭转齿轮框架303铰接在扭转电机安装部20303上；
所述的扭转齿轮框架303的外侧设有轮齿30301；
所述的扭转直流电机301安装在下支撑架102上；
所述的扭转直流电机301的电机轴上设有输出微型齿轮302，与轮齿相啮合；
上下扑动机构4，包括：
扑动电机401、传动机构402、偏心距直线电机403、拨杆404、拨叉滑块405、输出轴406、连接线407、球心弹簧408、圆周弹簧409、压紧滚珠410、偏心球411和偏心球框架412；
所述的扑动电机401固定安装在扑动电机安装部20304上，且竖直设置；
所述的扑动电机401经传动机构402把转速传递到输出轴406；
所述的输出轴406与传动机构402的输出端齿轮固定连接；
所述的输出轴406与扭转齿轮框架303同轴设置；
所述的偏心距直线电机403内嵌于扫掠摆动框架203中，偏心距直线电机403固定有拨杆404，拨杆404配合于拨叉滑块405；
所述的拨叉滑块405与输出轴406同轴设置，可沿着输出轴406移动；
所述的输出轴406呈L形，内部设有通孔40601，里面装有连接线407；
所述的连接线407一端连接于拨叉滑块405，另一端连接于偏心球411的内部安装部41104；
所述的偏心球411外圆表面内切于偏心球框架412内表面；
所述的偏心球框架412与扭转齿轮框架303铰接；
所述的扑翼5设置在偏心球框架412上；
所述的输出轴406顶端与偏心球411配合，沿着偏心球内部滑槽移动；
所述的偏心球411内部设有输出轴406的安装部41102形状呈凹槽状；
所述的输出轴406的顶端设有安装部40602形状呈凸槽状，安装部40602可以在安装部41102内滑动；所述的偏心球411有空白处41103，其截面形状为四分之一圆，空白处厚度为输出轴406的直径，输出轴406可以在空白处41103移动；
所述的偏心球411外部设有滚珠滑槽41101，滚珠滑槽41101装配有圆周弹簧409；
所述的圆周弹簧409与压紧滚珠410相接触，压紧滚珠410同时与输出轴406相接触；
所述的压紧滚珠410的直径大于输出轴406的直径，使其沿着滚珠滑槽41101运动，同时不落入空白处41103；
所述的球心弹簧408设置到输出轴406与内部安装部41104之间；
所述的传动机构402为锥齿传动；
所述的控制装置7包括锂电池、控制电路板；
所述的锂电池与控制电路板相连接，所述的控制电路板与扭转直流电机301、扑动电机401、偏心距直线电机403、扫掠驱动电机201相连接。
使用时，控制装置控制扫掠驱动电机201，扫掠驱动电机201带动第二扇形齿轮20302运动，左右两侧的扫掠摆动框架203绕立轴103旋转，两扑翼5与飞行器中轴线的角度发生变化，扑翼飞行器的扑翼5翼展长度随之调整，扭转直流电机301带动扭转齿轮框架303旋转，扑翼5与竖直方向的角度发生变化，调整飞行器的扑翼5在竖直方向上的有效面积；扑动电机401通过传动机构402带动偏心球411旋转，偏心球411带动偏心球框架412绕铰支座、铰支座旋转，偏心球框架412带动扑翼5进行扑动。
Claims (8)
1.一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器，包括：机架（1）、前后扫掠机构（2）、翅翼扭转机构（3）、上下扑动机构（4）、扑翼（5）、尾翼（6）和控制装置（7）；其特征在于：所述的前后扫掠机构（2）、翅翼扭转机构（3）和上下扑动机构（4）对称设置在机架（1）的前部左右两侧；所述的控制装置（7）固定在机架（1）的内部；所述的尾翼（6）设置在机架（1）的后部。
2.根据权利要求1所述的一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器，机架（1）的结构，包括：上支撑架（101）、下支撑架（102）和立轴（103）；其特征在于：所述的机架（1）呈三角状，前部设有上支撑架（101）、下支撑架（102）和立轴（103）；所述的上支撑架（101）、下支撑架（102）的左右两侧对称设有立轴（103）。
3.根据权利要求1所述的一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器，前后扫掠机构（2）的结构，包括：扫掠驱动电机（201）、输出齿轮（202）和扫掠摆动框架（203）；其特征在于：所述的扫掠驱动电机（201）连接输出齿轮（202）；所述的扫掠摆动框架（203）总体形状呈横放的U形，铰接在两侧立轴（103）上；扫掠摆动框架（203）的上梁设有第一扇形齿轮（20301），下梁设有第二扇形齿轮（20302），左右两侧的第一扇形齿轮（20301）相互啮合，绕立轴（103）往复摆动；所述的输出齿轮（202）与第二扇形齿轮（20302）相啮合；所述的扫掠摆动框架（203）顶部设有扭转电机安装部（20303）和扑动电机安装部（20304）。
4.根据权利要求1所述的一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器，翅翼扭转机构（3），包括：扭转直流电机（301）、输出微型齿轮（302）和扭转齿轮框架（303）；其特征在于：所述的扭转电机（301）固定在扭转电机安装部（20303）上；所述的输出微型齿轮（302）与扭转直流电机（301）输出轴固定连接；所述的扭转齿轮框架（303）轴接于扫掠摆动框架（203）；所述的扭转齿轮框架（303）内侧外圈设有外圈扭转齿轮（30301）；所述的外圈扭转齿轮（30301）与输出微型齿轮（302）相啮合。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器，上下扑动机构（4），包括：扑动电机（401）、传动机构（402）、偏心距直线电机（403）、拨杆（404）、拨叉滑块（405）、输出轴（406）、连接线（407）、球心弹簧（408）、圆周弹簧（409）、压紧滚珠（410）、偏心球（411）和偏心球框架（412）；其特征在于：所述的扑动电机（401）固定安装在扑动电机安装部（20304）上，且竖直设置；所述的扑动电机（401）经传动机构（402）把转速传递到输出轴（406）；所述的输出轴（406）与传动机构（402）的输出端齿轮固定连接；所述的输出轴（406）的端部设有偏心球（411）。
6.根据权利要求5所述的一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器，其特征在于：所述的偏心球（411）内部设有输出轴（406）的安装部（41102）形状呈凹槽状；所述的输出轴（406）的顶端设有安装部（40602）形状呈凸槽状，安装部（40602）可以在安装部（41102）内滑动；所述的偏心球（411）有空白处（41103），其截面形状为四分之一圆，空白处厚度为输出轴（406）的直径，输出轴（406）可以在空白处（41103）移动；所述的输出轴（406）呈L形，内部设有通孔（40601），里面装有连接线（407）；所述的连接线（407）一端连接于拨叉滑块（405），另一端连接于偏心球（411）的内部安装部（41104）；所述的偏心球（411）外圆表面内切于偏心球框架（412）内表面；所述的偏心球框架（412）与扭转齿轮框架（303）铰接；所述的输出轴（406）顶端与偏心球（411）配合，沿着偏心球内部滑槽移动；所述的输出轴（406）与扭转齿轮框架（303）同轴设置。
7.根据权利要求6所述的一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器，其特征在于：所述的偏心距直线电机（403）内嵌于扫掠摆动框架（203）中，偏心距直线电机（403）固定有拨杆（404），拨杆（404）配合于拨叉滑块（405）；所述的拨叉滑块（405）与输出轴（406）同轴设置，可沿着输出轴（406）移动。
8.根据权利要求7所述的一种仿鸟类多自由度扑翼飞行器，其特征在于：所述的偏心球（411）外部设有滚珠滑槽（41101），滚珠滑槽（41101）装配有圆周弹簧（409）；所述的圆周弹簧（409）与压紧滚珠（410）相接触，压紧滚珠（410）同时与输出轴（406）相接触；所述的压紧滚珠（410）的直径大于输出轴（406）的直径，使其沿着滚珠滑槽（41101）运动，同时不落入空白处（41103）；所述的球心弹簧（408）设置到输出轴（406）与内部安装部（41104）之间。
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