CN107150804B - 一种翅膀具有三自由度的扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

一种翅膀具有三自由度的扑翼飞行器，属于仿生扑翼飞行器领域。该扑翼飞行器左前部调控机构和右前部调控机构、左后部调控机构和右后部调控机构两两对称分布在机身左右两侧，并都可独立运动。前部调控机构和后部调控机构相互配合下，可以高度模仿鸟类飞行时翅膀扑动、扭转和前后扫掠三种运动，为扑翼飞行器提供足够的推力与升力。该扑翼飞行器机动灵活，飞行效率高，若装备图传等设备将在航拍、地理测量、交通执勤、军事侦查和抢险救灾等领域发挥重大作用。

Description

一种翅膀具有三自由度的扑翼飞行器

技术领域：

本发明属于飞行器技术领域，具体涉及一种仿生扑翼飞行器。

背景技术：

扑翼微型飞行器是模仿鸟类或昆虫的新概念飞行器，相比旋翼和固定翼微型飞行器在升力、速度、微型化、飞行灵活性、视觉隐蔽性等方面有天然优势。在现有的扑翼飞行器中，飞行驱动机构的设计大多是单自由度上下扑动，灵活度相对较低，且具有较大的不稳定性，飞行效率低，耗能较大等问题。在真实的鸟类飞行过程中，翅膀的扑动在三维空间中进行复杂的上下扑动、扭转和前后扫掠运动，扑翼飞行器很难进行完全模拟。

该扑翼飞行器通过对鸟类翅膀运动长期观测，设计出了具有多种自由度的驱动机构，使扑翼飞行器的扑翼可同时进行扑动、扭转和前后扫掠运动，较好模仿了鸟类翅膀的运动，从而具有飞行效率高、操纵灵活的优点。

发明内容：

本发明目的是发明一种高度仿鸟类飞行，机械效率高，飞行灵活自如的仿生扑翼飞行器。

本发明采用如下技术方案：一种翅膀具有三自由度的扑翼飞行器包括左机翼、左机翼支架、左前部调控机构、左旋转关节轴承、机身、右旋转关节轴承、右机翼支架、右机翼、右前部调控机构、驱动系统、右后部调控机构、左后部调控机构。机身为框架结构，采用碳纤维材料，机身由左机架、右机架和横向机架组成，左机架和右机架固连在横向机架上；驱动系统包括无刷电机、第一级减速小齿轮、双联减速齿轮、第二级减速大齿轮、锂电池、电机调速装置和无线电导航控制装置；左机翼支架和右机翼支架形状和结构均相同，分别对称分布于机身两侧，采用碳纤维材料；左机翼支架由左横向机翼支架、左竖向机翼支架组成，右机翼支架由右横向机翼支架、右竖向机翼支架组成；左前部调控机构和右前部调控机构的结构和工作原理均相同，分别对称分布于机身左右两侧，由驱动系统第二级减速大齿轮输出轴带动同步转动；左后部调控机构和右后部调控机构的结构和工作原理均相同，分别对称分布在机身左右两侧。

左前部调控机构包括左滚轮轨道、左滚轮、左滚轮齿轮、左滚轮传动齿轮、左接头、左滚轮舵机接线针脚、左滚轮舵机接线换向滑环、左滚轮舵机、左保持架；右前部调控机构包括右滚轮轨道、右滚轮、右滚轮齿轮、右滚轮传动齿轮、右接头、右滚轮舵机接线针脚、右滚轮舵机接线换向滑环、右滚轮舵机、右保持架；左滚轮轨道与右滚轮轨道通过第二级减速大齿轮输出轴相连，对称分布在机身左右两侧并可保持同步转动；左滚轮舵机和右滚轮舵机可分别单独驱动左前部调控机构和右前部调控机构沿左滚轮轨道、右滚轮轨道滚动；左横向机翼支架和右横向机翼支架末端分别与左接头、右接头固连，左接头、右接头又分别通过安装在左保持架、右保持架内的轴承与左保持架和右保持架相连；

右前部调控机构具体结构为：右滚轮轨道外部曲面中心通过圆形安装孔与第二级减速大齿轮输出轴固连，内部凹槽轨道曲面与右滚轮相切；右滚轮与右滚轮轨道凹槽上下内壁留有间隙，间隙尺寸为0.1至0.3毫米，右滚轮上下两面可与右滚轮轨道凹槽上下内壁面接触，但摩擦很小；右滚轮轨道从侧面看为一圆弧，圆弧角度为100度，从而也限制了右侧滚轮最大运动范围；右滚轮轨道圆弧的圆心正好位于右旋转关节轴承内圈中心点；右侧滚轮为多层复合滚轮，分为三层，上下两层为滚轮，中间为右滚轮齿轮，三者保持同心并固连在一起；右滚轮传动齿轮安装在右滚轮舵机输出轴上，始终与右滚轮齿轮保持啮合，可将右滚轮舵机扭矩和转动传递给右滚轮齿轮所在的右滚轮，并可将右滚轮锁死；右保持架靠近右滚轮部分有光轴结构，右滚轮可绕该滚轴结构滚动；保持架通过左右及底部薄板结构及螺钉将右滚轮舵机完全固连；右滚轮舵机接线针脚材料为半硬质塑料管，半硬质塑料管内部为右滚轮舵机两根正负供电线和一根信号线；右滚轮舵机正负供电线和信号线在右滚轮舵机接线针脚带动下可与右滚轮舵机同步转动，并保持与右滚轮舵机接线换向滑环的接触；右接头前端通过轴承与保持架相连，可相对保持架转动；右接头后端开有正方形凹槽孔，利用该正方形凹槽孔可与右横向机翼支架固连；右滚轮舵机接线换向滑环固接在右接头上，当右滚轮舵机相对右接头转动时，右滚轮舵机接线针脚内的舵机正负供电线和信号线也可始终与右滚轮舵机接线换向滑环环形滑槽接触，右滚轮舵机接线换向滑环再通过其外边缘接线将正负供电线和信号线通过右横向机翼支架、右旋转关节轴承、横向机架机构连接至机身内部的锂电池和驱动系统；

右前部调控机构工作原理为：当右滚轮轨道在减速大齿轮输出轴带动下转动时，也会带动右滚轮、右滚轮齿轮、右滚轮传动齿轮、右保持架一起转摆，而右横向机翼支架在右接头作用下将转摆运动变为摆动；在右前部调控机构转摆运动同时，右舵机还可驱动右滚轮传动齿轮带动右滚轮齿轮，使右滚轮沿右滚轮轨道滚动。

左前部调控机构具体结构和工作原理与右前部调控机构的相同；左滚轮轨道与右滚轮轨道均与第二级减速大齿轮输出轴相连，从而带动整个机构转动。

左后部调控机构由左后部舵机、左摆杆、左后部旋转关节轴承、左滑杆组成；右后部调控机构由右后部舵机、右摆杆、右后部旋转关节轴承、右滑杆组成。

右后部调控机构具体结构为：右后部舵机固连在右机架外侧壁上；右摆杆的一端固连在右后部舵机输出轴上，在右后部舵机的输出轴带动下可绕输出轴转动；右摆杆的另一端开有盲孔，右后部旋转关节轴承的杆端通过该盲孔结构与右摆杆相连，并可自由转动；右滑杆穿在右后部旋转关节轴承的轴承内圈中，并可相对轴承内圈自由滑动；右滑杆的一端和右竖向机翼支架铰接。

左后部调控机构和右后部调控机构结构和工作原理均相同，分别对称分布在机身左右两侧。

左前部调控机构、右前部调控机构、左后部调控机构、右后部调控机构均具有舵机，可通过无线电导航控制装置独立分开控制。

左横向机翼支架、右横向机翼支架可分别绕左旋转关节轴承、右旋转关节轴承的轴承外圈中心转摆，转摆范围为圆锥形，角度最大为100度；左横向机翼支架、右横向机翼支架上存在圆柱形结构，该圆柱形结构在左旋转关节轴承内圈、右旋转关节轴承内圈被套住，无法进行轴向移动，实现了轴向定位。左横向机翼支架和左竖向机翼支架固连，并保持上下两端面面重合；右横向机翼支架和右竖向机翼支架固连，并保持上下两端面面重合。

左滚轮舵机接线换向滑环和右滚轮舵机接线换向滑环具有三层环状滑槽结构，滑槽表面材料为导电性良好的纯铜。左滚轮舵机、右滚轮舵机的两根正负供电线和一根信号线可分别与左滚轮舵机接线换向滑环、右滚轮舵机接线换向滑环三层环形滑槽接触，通过左滚轮舵机接线换向滑环、右滚轮舵机接线换向滑环外边缘接线将实现电信号的交流。该结构有效避免了左滚轮舵机、右滚轮舵机在运动过程中正负供电线和信号线缠绕问题。

从该飞行器的左侧往右看，左机翼1和右机翼8的转动方向相同，都是作逆时针旋转。

右前部调控机构和右后部调控机构配合原理：第二级减速大齿轮输出轴传递至左前部调控机构和右前部调控机构；由于右滚轮轨道圆弧的圆心正好位于右旋转关节轴承内圈几何中心，而右横向机翼支架固连在右旋转关节轴承内圈中心点；右滚轮在右滚轮舵机驱动下远离右滚轮轨道中心位置，并由右滚轮舵机锁定在该位置；右横向机翼支架和右前部调控机构的轴线在一条直线上，所以右横向机翼支架和右前部调控机构共同围绕右旋转关节轴承内圈中心点作转摆运动，从而带动右机翼上下扑动和转动；右后部调控机构在右竖向机翼支架配合下，使右机翼完成前后扫掠动作；通过右后部调控机构和右前部调控机构相配合，右机翼形成具有三个自由度的上下扑动、转动，前后扫掠三种形式运动，产生足够的升力与推力提供扑翼飞行器飞行；当右前部调控机构的右滚轮被带动至到最高点时，即下扑开始位置，右后部舵机也将右摆杆抬升至最高位置，即右竖向机翼支架整体被提升至最高位置；此时右机翼前高后低，形成正攻角；随后，右滚轮轨道转动的同时带动右滚轮转动，右后部舵机也带动右摆杆向下转动；右竖向机翼支架在右前部调控机构带动向前运动，与右竖向机翼支架铰接的右滑杆同时在右后部旋转关节轴承内圈内向前滑动；从而，右机翼维持正攻角，运动趋势为向右前方下扑与扫掠，此时右机翼产生较大升力和部分阻力；当右滚轮即将转动至轨道最低位置，右后部舵机带动右摆杆开始向上摆动；随后右滚轮转动至轨道最低位置，接着开始转动上升，此时右后部舵机带动的右摆杆也在向上转动阶段；从而，右机翼形成并维持负攻角，运动趋势为向左后方上扑与扫掠，产生了较大推力和部分负升力；随后右摆杆和右滚轮先后到达最高位置并开始下一个周期运动；在一个连续运动周期内，右机翼产生的升力远大于负升力，产生的推力远大于阻力，该周期内的综合作用力可提供扑翼飞行器飞行时足够的升力与推力。

附图说明

图1是本发明一种翅膀具有三自由度的扑翼飞行器的总体结构立体图；

图2是本发明一种翅膀具有三自由度的扑翼飞行器的俯视图；

图3是本发明一种翅膀具有三自由度的扑翼飞行器的驱动系统结构示意图；

图4是本发明一种翅膀具有三自由度的扑翼飞行器的右前部调控机构示意图；

图5是本发明一种翅膀具有三自由度的扑翼飞行器的右后部调控机构示意图；

图6是本发明一种翅膀具有三自由度的扑翼飞行器的右滚轮舵机接线换向滑环示意图；

具体实施方式

现结合附图及具体实施方式举例对本发明提供的一种多自由度扑翼飞行器加以说明。

如图1至图5所示，本发明提供的一种翅膀具有三自由度的扑翼飞行器，包括左机翼1、左机翼支架2、左前部调控机构3、左旋转关节轴承4、机身5、右旋转关节轴承6、右机翼支架7、右机翼8、右前部调控机构9、驱动系统10、右后部调控机构11、尾翼12、左后部调控机构13；机身5包括右机架501、横向机架502、左机架503；左机翼1和右机翼8形状大小均相同，分别固连在左机翼支架2和右机翼支架7上；左机翼支架2和右机翼支架7形状和结构均相同，分别对称分布于机身5两侧；右机翼支架7由右横向机翼支架701、右竖向机翼支架702组成；右前部调控机构9包括右滚轮轨道901、右滚轮902、右滚轮齿轮903、右滚轮传动齿轮904、右接头905、右滚轮舵机接线针脚906、右滚轮舵机接线换向滑环907、右滚轮舵机908、右保持架909；驱动系统10包括无刷电机1001、第一级减速小齿轮1002、双联减速齿轮1003、第二级减速大齿轮1004、锂电池、电机调速装置和无线电导航控制装置；右后部调控机构11包括右后部舵机1101、右摆杆1102、右后部旋转关节轴承1103、右滑杆1104组成；

下面就该发明一种翅膀具有三自由度的扑翼飞行器的飞行状态对该发明作进一步说明。

起飞：地面遥控器向无线电导航控制装置发射信号，启动无刷电机1001，无刷电机的动力通过第一级减速小齿轮1002、双联减速齿轮1003、第二级减速大齿轮1004、第二级减速大齿轮输出轴传递至左前部调控机构3和右前部调控机构9；左前部调控机构3和右前部调控机构9同时在左后部调控机构13和右后部调控机构11配合下带动左机翼1和右机翼8上下扑动；此时左滚轮和右滚轮902运动至远离左滚轮轨道、右滚轮轨道901中心的位置；当无刷电机1001转速达到一定值时，左机翼1和右机翼8循环运动的一个周期内产生的平均升力和大于机体重力，该扑翼飞行器升空起飞。

前飞：起飞后，左滚轮舵机和右滚轮舵机908同时驱动左滚轮传动齿轮、右滚轮传动齿轮904，使左滚轮和右滚轮902朝远离左滚轮轨道、右滚轮轨道901中心位置方向移动，使得左机翼1和右机翼8在向后掠动阶段产生的负攻角变大，使得一个周期内平均推力变大，同时调整无刷电机1001转速使得竖直方向平均推力和机体重力平衡，该飞行器实现向前平飞。

转弯飞行：在向前飞时，左滚轮舵机驱动左滚轮传动齿轮，带动左滚轮朝靠近左滚轮轨道中心位置的方向移动，从而使得左机翼1负攻角变小，左侧一个周期内平均推力变小与右侧，实现向左转弯飞行；向右转弯飞行控制原理与向左相同。

降落：慢慢降低电机的转速，当无刷电机1001转速低于一定值时，一个周期内平均升力小于机体重力，该扑翼飞行器缓慢降落。

以上说明是在没有气流干扰的工况下作出的，如果有气流干扰的存在，则应根据气流的方向和流速进行修偏。

Claims (6)

1.一种翅膀具有三自由度的扑翼飞行器，包括左机翼(1)、左机翼支架(2)、左前部调控机构(3)、左旋转关节轴承(4)、机身(5)、右旋转关节轴承(6)、右机翼支架(7)、右机翼(8)、右前部调控机构(9)、驱动系统(10)、右后部调控机构(11)、尾翼(12)、左后部调控机构(13)，其特征在于：机身(5)包括右机架(501)、横向机架(502)、左机架(503)，左机架(503)和右机架(501)固连在横向机架(502)上；驱动系统(10)包括无刷电机(1001)、第一级减速小齿轮(1002)、双联减速齿轮(1003)、第二级减速大齿轮(1004)、锂电池、电机调速装置和无线电导航控制装置；左机翼支架(2)由左横向机翼支架、左竖向机翼支架组成；右机翼支架(7)由右横向机翼支架(701)、右竖向机翼支架(702)组成；左横向机翼支架、右横向机翼支架(701)的根部分别与左前部调控机构(3)和右前部调控机构(9)相连；左横向机翼支架、右横向机翼支架(701)上均有圆柱形突起结构，该圆柱形突起结构穿过左旋转关节轴承(4)和右旋转关节轴承(6)，并分别被套住固定；左竖向机翼支架、右竖向机翼支架(702)在后端通过铰链结构分别和左连接杆、右连接杆(1106)相连；左旋转关节轴承(4)和右旋转关节轴承(6)固连在机身(5)上；左前部调控机构(3)和右前部调控机构(9)结构和工作原理均相同，分别对称分布于机身(5)左右两侧；左前部调控机构(3)包括左滚轮轨道、左滚轮、左滚轮齿轮、左滚轮传动齿轮、左接头、左滚轮舵机接线针脚、左滚轮舵机接线换向滑环、左滚轮舵机、左保持架；右前部调控机构(9)包括右滚轮轨道(901)、右滚轮(902)、右滚轮齿轮(903)、右滚轮传动齿轮(904)、右接头(905)、右滚轮舵机接线针脚(906)、右滚轮舵机接线换向滑环(907)、右滚轮舵机(908)、右保持架(909)；左滚轮轨道与右滚轮轨道(901)通过第二级减速大齿轮输出轴相连，对称分布在机身(5)左右两侧并可保持同步转动；右滚轮(902)连接在右保持架(909)的轴上并与右滚轮轨道(901)相切；右滚轮轨道(901)从侧面看为一圆弧，右滚轮轨道(901)的圆弧的圆心正好位于右旋转关节轴承(6)内圈中心点；右滚轮齿轮(903)固接在右滚轮(902)的两层中间且与右滚轮保持同圆心，右滚轮齿轮(903)与右滚轮传动齿轮(904)参数相同且始终保持啮合，右滚轮传动齿轮(904)安装在右滚轮舵机(908)输出轴上；右接头(905)前端通过轴承与保持架(909)相连，后端固连在右横向机翼支架(701)上；右滚轮舵机接线针脚(906)固接在右滚轮舵机(908)上并始终保持与滚轮舵机接线换向滑环(507)接触；右滚轮舵机接线换向滑环(907)固接在右接头(905)上，右滚轮舵机(908)固接在右保持架(909)上；尾翼(12)包括尾翼翼面(1201)、尾翼支架(1202)，尾翼支架固连在机身(5)上；左后部调控机构(13)和右后部调控机构(11)结构和工作原理均相同，分别对称分布在机身(5)左右两侧；左后部调控机构(13)由左后部舵机、左摆杆、左后部旋转关节轴承、左滑杆组成；右后部调控机构(11)由右后部舵机(1101)、右摆杆(1102)、右后部旋转关节轴承(1103)、右滑杆(1104)组成；右后部舵机(1101)固连在右机架(501)外侧壁上；右摆杆(1102)的一端固连在右后部舵机(1101)输出轴上，在右后部舵机(1101)的输出轴带动下可绕输出轴转动；右摆杆(1102)的另一端开有盲孔，右后部旋转关节轴承(1103)杆端通过盲孔与右摆杆(1102)相连，并可自由转动；右滑杆(1104)穿在右后部旋转关节轴承(1103)的轴承内圈中，并可相对轴承内圈自由滑动；右滑杆(1104)的一端和右竖向机翼支架(702)铰接。

2.根据权利要求1所述的一种翅膀具有三自由度的扑翼飞行器，其特征在于：左前部调控机构(3)、右前部调控机构(9)、左后部调控机构(13)、右后部调控机构(11)均具有舵机，可独立分开控制。

3.根据权利要求1所述的一种翅膀具有三自由度的扑翼飞行器，其特征在于：左横向机翼支架、右横向机翼支架(701)的圆柱形突起结构在左旋转关节轴承(4)、右旋转关节轴承(6)被套住，无法进行轴向移动，实现轴向定位。

4.根据权利要求1或3所述的一种翅膀具有三自由度的扑翼飞行器，其特征在于：左横向机翼支架、右横向机翼支架(701)可分别绕左旋转关节轴承(4)、右旋转关节轴承(6)的轴承内圈几何中心转摆，转摆范围为圆锥形区域。

5.根据权利要求1所述的一种翅膀具有三自由度的扑翼飞行器，其特征在于：左滚轮舵机接线换向滑环和右滚轮舵机接线换向滑环(907)具有三层环状滑槽结构，滑槽表面材料为导电性良好的纯铜。

6.根据权利要求1或5所述的一种翅膀具有三自由度的扑翼飞行器，其特征在于：左滚轮舵机接线换向滑环、右滚轮舵机接线换向滑环(907)可分别相对左保持架、右保持架(909)转动。

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