CN107200129A - 一种耦合驱动仿生扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耦合驱动仿生扑翼飞行器，包括机身支架、支撑盘、控制器、两个翅翼、以及曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构，支撑盘水平的固定在机身支架上，支撑盘中间设有竖直的滑槽和安装在滑槽内的水平轴，水平轴两端分别与两个翅翼的端部通过万向联轴器相连，两个翅翼还通过翅翼支撑架以转动副为铰接点安装在支撑盘边缘处；所述曲柄滑块机构通过电机驱动带动水平轴在滑槽内上下运动，所述曲柄摇杆机构带动水平轴来回转动，水平轴的上下运动和来回转动通过万向联轴器和翅翼支撑架耦合转换为翅翼的上下扑动和小幅度来回旋转，从而达到真正的仿鸟类翅膀飞行方式来带动飞行器起飞。本装置真实的模仿鸟类翅膀运动方式，能进行多飞行姿态调整。

Description

一种耦合驱动仿生扑翼飞行器

技术领域

本发明涉及扑翼飞行器装置领域，尤其涉及一种仿生飞行器，具体涉及一种耦合驱动仿生扑翼飞行器。

背景技术

随着飞行器的发展，扑翼飞行方式的优越性越来越得到人们的重视，自然界飞行扑翼飞行生物翅翼运动方式的研究以及微机电系统设计的进展促使仿生扑翼飞行器得到快速发展，同时带来能够满足合理飞行方式的仿生扑翼飞行器机构设计的需求。

现有的扑翼飞行装置普遍存在如下缺点：1，驱动机构只能实现对称的上下扑动而不能实现上下扑动与扭转的非对称耦合运动，与实际自然界生物扑翼运动方式不符；2，控制机构灵敏度不够；3，缺乏合理的重心微调和合理的变形功能。

发明内容

为解决以上问题，本发明的目的是提供仿生扑翼飞行器驱动及控制机构(装置)，该仿生扑翼飞行器驱动及控制装置能够实现扑动及扭转运动的非对称耦合运动方式，电磁控制重心的方式使得方向控制灵敏度更佳，同时增加了机构初始状态的重心微调装置和翅翼收拢展开功能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种耦合驱动仿生扑翼飞行器，其特征在于：包括机身支架、支撑盘、控制器、两个翅翼、以及耦合机构，所述支撑盘固定在机身支架上，支撑盘中间设有竖直的滑槽，所述耦合机构包括水平轴、曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构，所述水平轴安装在支撑盘上的滑槽内，且水平轴可在滑槽自由的转动和上下运动，水平轴两端分别与两个翅翼的端部通过万向联轴器相连，两个翅翼还通过翅翼支撑架安装在支撑盘边缘处，所述翅翼支撑架包括横轴和支撑杆，所述横轴与支撑杆通过转动副相连，两个翅翼分别横穿相应的横轴，翅翼与横轴也通过转动副相连；所述曲柄滑块机构包括第一摇杆、第二摇杆和扑动电机，所述第一摇杆一端与扑动电机的转轴固定相连，另一端与第二摇杆的一端铰接，第二摇杆的另一端与水平轴铰接相连；所述曲柄摇杆机构包括第三摇杆、第四摇杆、第五摇杆和扭转电机，所述第三摇杆一端与扭转电机的转轴固定相连，另一端与第四摇杆一端铰接相连，第四摇杆的另一端与第五摇杆的一端铰接相连，第五摇杆的另一端与水平轴固定相连；所述控制器通过控制扑动电机和扭转电机的转速来控制飞行器的飞行。

作为改进，所述机身支架上还设有尾翼和调整方向的尾舵，所述尾舵前端部通过竖直方向的转动副安装在机身支架尾部，尾舵前端上设有一个铁磁体杆，尾舵两侧的机身支架上分别设有一个与铁磁体杆位置对应的第一电磁铁，所述第一电磁铁通过控制器控制，尾舵前端的铁磁体杆两侧分别设有一个机身支架相连的第一弹性体，所述第一弹性体保证尾舵处于与机身支架平行的初始位置。

作为改进，所述机身支架尾端上设有滑轨，滑轨内设有两个自由滑动的铁磁体配重，滑轨中间设有可分别与两个铁磁体配重相吸的第二电磁铁，两个铁磁体配重分别与滑轨两端通过第二弹性体相连，所述第二弹性体保证两个铁磁体配重分别处于滑轨两端的初始位置，所述第二电磁铁通过控制器控制。

作为改进，所述机身支架包括支撑环和底座，所述支撑环上设有一个环形滑槽，底座上设有一个放置支撑环的弧形槽，所述弧形槽两端分别设有一个固定孔，通过用螺栓穿过固定孔和环形滑槽将支撑环竖直的安装在底座的弧形槽内，所述支撑盘通过螺栓与支撑环固定相连。

作为改进，所述翅翼支撑架通过底板安装支撑盘上，所述底板一端与支撑盘中间处铰接相连，底板另外一端开有腰孔，支撑盘靠近边缘处设有多个螺孔，用螺栓穿过腰孔将底板相对固定在支撑盘上，通过螺栓选择不同的螺孔来调节两个翅翼之间的夹角。

本发明的优点在于：

1.实现扑动及扭转运动的非对称耦合运动方式；

2.电磁控制重心的方式使得方向控制灵敏度更佳；

3.增加了机构初始状态的重心微调装置和翅翼收拢展开调控功能。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是柄摇杆机构结构示意图。

图3是曲柄滑块机构结构示意图。

图4是耦合去掉支撑盘的耦合机构结构示意图。

图5机身支架结构示意图。

图6机身支架的尾舵部分结构示意图。

图7为支撑盘结构示意图。

1-支撑环，2-翅翼，3-铁磁体配重，4-第二电磁铁，5-尾翼，6-底座，7-支撑盘，8-控制器，9-第三摇杆，10-第四摇杆，11-第五摇杆，12-扭转电机，13-水平轴，14-横轴，15-支撑杆，16-万向联轴器，17-滑槽，18-第一摇杆，19-第二摇杆，20-扑动电机，21-环形滑槽，22-尾舵，23-第一电磁铁，24-底板，25-螺孔，26-销轴，27-铁磁体杆，28-弧形槽，29-固定孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明举例说明，如图1至图7所示，一种耦合驱动仿生扑翼飞行器，包括机身支架、支撑盘7、控制器8、两个翅翼2、以及耦合机构，如图5和图6所示，所述机身支架包括支撑环1和底座6，所述支撑环1上设有一个环形滑槽21，底座6上设有一个放置支撑环1的弧形槽28，所述弧形槽28两端分别设有一个固定孔29，通过用螺栓穿过固定孔29和环形滑槽21将支撑环1竖直的安装在底座6的弧形槽28内，所述支撑盘7通过螺栓与支撑环1固定相连。

如图7所示，所述支撑盘7为一盘状零件，支撑盘7中间设有竖直的滑槽17，支撑盘7边缘处设有多个安装翅翼支撑架的螺孔25，支撑盘每一边多个螺孔25两侧分别设有防止底板24旋转调节过度挡块，如图4所示，所述耦合机构包括水平轴13、曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构，所述水平轴13水平的安装在支撑盘7上的滑槽17内，且水平轴13可在滑槽17自由的转动和上下运动，水平轴13两端分别与两个翅翼2的端部通过万向联轴器16相连，两个翅翼2还通过翅翼支撑架安装在支撑盘7边缘处，所述翅翼支撑架包括横轴14和支撑杆15，所述横轴14与支撑杆15通过转动副相连，即横轴14两端通过轴承安装两个支撑杆15的顶部，两个翅翼2分别横穿相应的横轴14，即翅翼2与横轴14也通过转动副(轴承)相连，这样翅翼2既可以支撑杆15顶部的横轴14为支点上下转动，翅翼2本身也可以自转；如图3所示，所述曲柄滑块机构包括第一摇杆18、第二摇杆19和扑动电机20，所述第一摇杆18一端与扑动电机20的转轴固定相连，第一摇杆18另一端与第二摇杆19的一端铰接，第二摇杆19的另一端与水平轴13铰接相连；如图2所示，所述曲柄摇杆机构包括第三摇杆9、第四摇杆10、第五摇杆11和扭转电机12，所述第三摇杆9一端与扭转电机12的转轴固定相连，另一端与第四摇杆10一端铰接相连，第四摇杆10的另一端与第五摇杆11的一端铰接相连，第五摇杆11的另一端与水平轴13固定相连；所述控制器8通过控制扑动电机20和扭转电机12的转速来控制飞行器的飞行。

如图5和图6所示，所述机身支架的底座6上还设有尾翼5和调整方向的尾舵22，所述尾舵22前端部通过竖直方向的转动副安装在机身支架尾部，即尾舵22前端部设有一根竖直的销轴26，该销轴26通过轴承安装在机身支架的底座6上，尾舵22的销轴26上设有一个横向的铁磁体杆27，尾舵22两侧的底座6上分别设有一个与铁磁体杆27位置对应的第一电磁铁23，铁磁体杆27两侧分别设有一个机身支架相连的第一弹性体，所述第一弹性体保证尾舵22处于与机身支架平行的初始位置，利用两个第一电磁铁23的磁吸大小来控制铁磁体杆27摆动幅度，从而控制尾舵22的方向，而第一电磁铁23磁吸大小又通过控制器8控制，来控制尾舵22的方向，从而来调整和控制飞行器的左右方向。

所述机身支架尾端上设有滑轨，滑轨内设有两个自由滑动的铁磁体配重3，滑轨中间设有可分别与两个铁磁体配重3相吸的第二电磁铁4，两个铁磁体配重3分别与滑轨两端通过第二弹性体相连，所述第二弹性体保证两个铁磁体配重3分别处于滑轨两端的初始位置，利用两个第而电磁铁4的磁吸及磁吸大小来控制两个铁磁体配重3在滑轨内相对前后位置，从而调节飞行器的重心，来调整控制飞行器的上下方向，而第二电磁铁4磁吸大小又通过控制器8控制。

所述翅翼支撑架通过底板24安装支撑盘7上，所述底板24一端与支撑盘7中间处铰接相连，底板24另外一端开有腰孔，翅翼支撑架的支撑杆15固定在底板24靠近腰孔的端部，支撑盘7靠近边缘处设有多个螺孔25，用螺栓穿过腰孔将底板24相对固定在支撑盘7上，通过螺栓选择不同的螺孔25来调节两个翅翼之间的夹角。

本发明工作原理及过程，本发明主要是通过耦合机构驱动两个翅翼2小幅度转动和上下扑动，来达到仿生飞行的目的，然后通过尾舵22控制左右飞行方向，通过铁磁体配重3调整飞行器的重心来控制上下飞行方向，耦合机构驱动驱动方式：首先扑动电机20旋转带动与之固定相连的第一摇杆18旋转，第一摇杆18与第二摇杆19组成曲柄结构带动水平轴13在滑槽17内上下运动，水平轴13在滑槽17内上下运动带动翅翼2以支撑杆15为支点上下扑动；与此同时，扭转电机12带动与之相连的第三摇杆9旋转，而第五摇杆11与水平轴13固定相连，第三摇杆9绕扭转电机12转轴转动过程中通过铰接的第四摇杆10带动第五摇杆11小幅度来回上下运动，第五摇杆11小幅度来回上下运动就带动水平轴13小幅度的来回转动，水平轴13小幅度的来回转动通过万向联轴器16带动翅翼2小幅度来回自转，翅翼2的小幅度来回自转和翅翼2以支撑杆15为支点上下扑动相结合就构成仿鸟类翅膀飞行过程；绕扭转电机12和扑动电机20转速相同，即曲柄滑块机构带动翅翼2一个来回的上下运动过程中，曲柄摇杆机构刚好带动翅翼2做一个小幅度的来回旋转运动。

当需要调整左右方向时通过控制器8控制第一电磁铁23来控制尾舵22与底座6的夹角大小来改变飞行器的左右方向，另外通过控制器8控制第二电磁铁4来控制铁磁体配置在滑轨上的位置，可以调整整个飞行器的重心，控制飞行的上下方向，从而配合尾舵22调整飞行器的飞行姿态，另外松开机身支架的支撑环1上穿过环形滑槽21的固定螺栓，支撑环1可相对于底座6旋转，可以改变支撑盘7相对于底座6的水平度，从而可调整飞行器的俯仰角和重心。

Claims (5)

1.一种耦合驱动仿生扑翼飞行器，其特征在于：包括机身支架、支撑盘、控制器、两个翅翼、以及耦合机构，所述支撑盘固定在机身支架上，支撑盘中间设有竖直的滑槽，所述耦合机构包括水平轴、曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构，所述水平轴安装在支撑盘上的滑槽内，且水平轴可在滑槽自由的转动和上下运动，水平轴两端分别与两个翅翼的端部通过万向联轴器相连，两个翅翼还通过翅翼支撑架安装在支撑盘边缘处，所述翅翼支撑架包括横轴和支撑杆，所述横轴与支撑杆通过转动副相连，两个翅翼分别横穿相应的横轴，翅翼与横轴也通过转动副相连；所述曲柄滑块机构包括第一摇杆、第二摇杆和扑动电机，所述第一摇杆一端与扑动电机的转轴固定相连，另一端与第二摇杆的一端铰接，第二摇杆的另一端与水平轴铰接相连；所述曲柄摇杆机构包括第三摇杆、第四摇杆、第五摇杆和扭转电机，所述第三摇杆一端与扭转电机的转轴固定相连，另一端与第四摇杆一端铰接相连，第四摇杆的另一端与第五摇杆的一端铰接相连，第五摇杆的另一端与水平轴固定相连；所述控制器通过控制扑动电机和扭转电机的转速来控制飞行器的飞行。

2.根据权利要求1所述一种耦合驱动仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述机身支架上还设有尾翼和调整方向的尾舵，所述尾舵前端部通过竖直方向的转动副安装在机身支架尾部，尾舵前端上设有一个铁磁体杆，尾舵两侧的机身支架上分别设有一个与铁磁体杆位置对应的第一电磁铁，所述第一电磁铁通过控制器控制，尾舵前端的铁磁体杆两侧分别设有一个机身支架相连的第一弹性体，所述第一弹性体保证尾舵处于与机身支架平行的初始位置。

3.根据权利要求2所述一种耦合驱动仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述机身支架尾端上设有滑轨，滑轨内设有两个自由滑动的铁磁体配重，滑轨中间设有可分别与两个铁磁体配重相吸的第二电磁铁，两个铁磁体配重分别与滑轨两端通过第二弹性体相连，所述第二弹性体保证两个铁磁体配重分别处于滑轨两端的初始位置，所述第二电磁铁通过控制器控制。

4.根据权利要求1至3任意一项所述一种耦合驱动仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述机身支架包括支撑环和底座，所述支撑环上设有一个环形滑槽，底座上设有一个放置支撑环的弧形槽，所述弧形槽两端分别设有一个固定孔，通过用螺栓穿过固定孔和环形滑槽将支撑环竖直的安装在底座的弧形槽内，所述支撑盘通过螺栓与支撑环固定相连。

5.根据权利要求4所述一种耦合驱动仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述翅翼支撑架通过底板安装支撑盘上，所述底板一端与支撑盘中间处铰接相连，底板另外一端开有腰孔，支撑盘靠近边缘处设有多个螺孔，用螺栓穿过腰孔将底板相对固定在支撑盘上，通过螺栓选择不同的螺孔来调节两个翅翼之间的夹角。