CN107539474A - 一种四半转翼类扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四半转翼类扑翼飞行器，属于扑翼飞行器技术领域。该扑翼飞行器由机体、四个半转翼、左传动系、右传动系、左控制系和右控制系等组成。机体由机身、前梁和后梁固定而成，四个半转翼对称布置在机身的两侧，分别与左传动系和右传动系的输出端联接，主电机通过一级齿轮传动驱动半转翼相对于机架转动，产生飞行器所需的推力。舵机通过左控制系和右控制系改变半转翼的初始方位，从而改变推力的方向。本发明四半转翼类扑翼飞行器机身两侧的推力大小和方向可以独立灵活调节，机动性能强，有利于复杂空间的飞行和起降控制，同时主传动和机动性控制机构简单、结构紧凑、可靠性高。

Description

一种四半转翼类扑翼飞行器

技术领域

本发明属于扑翼飞行器技术领域，具体涉及一种活动翼近似单向扑动的四半转翼类扑翼飞行器。

背景技术

类扑翼飞行器是通过活动翼主动运动能像昆虫一样产生升力和机动性控制的飞行器，它比固定翼飞机具有更强的机动性，起飞和降落不需要跑道，可以垂直起降、低速飞行或悬停，适应在复杂的空间中飞行。一般的旋翼直升机和固定翼垂直起降飞机，虽然具有类扑翼飞行器的功能，但它们的机械结构和控制机构复杂，造价高。公知的扑翼飞行器(CN201380963Y)有一对扑翼上、下拍动产生升力，同时扑翼可变换运动姿态以改变升力方向，扑翼上方设有一个螺旋桨以提高升力，因此，其控制系统既要控制螺旋桨的转动，又要控制扑翼的拍动，飞行器控制机构较复杂。

公知的类扑翼飞行器(CN102582832B)在机体两侧设有四个半转翼，主动力由锥齿轮传动分配给机体两侧的半转翼产生推进力。两个控制电机分别通过销齿轮-凸轮机构改变半转翼的初始方位，从而改变推进力的方向。因此，其机体两侧的推进力大小不可调节，不利于飞行方向的控制。同时，销齿轮-凸轮机构径向尺寸大，啮合要求高，使该飞行器存在结构不紧凑，造价高，可利用空间小的问题。

公知的一种仿鸟扑翼机构(CN104192307A)在机架两侧设有两个半转翼，两个半转翼反向同步转动产生推进力。两个控制电机分别通过锥齿轮传动改变半转翼的初始方位来改变推进力的方向，克服了类扑翼飞行器的不足。然而，该机构采用平衡块来部分抵消半转翼转动时产生离心力，机构的动平衡性能较差，且平衡块增加了机构的自重。

发明内容

为了克服现有飞行器结构和控制机构复杂、机动性不良、可利用空间小、造价高等不足，本发明提供了一种四半转翼类扑翼飞行器，以期该飞行器具有传动机构简单、控制机构占用空间小，机身两侧的气动力大小和方向都可灵活调节等特点，能实现垂直升降、水平前进与后退、水平左、右横移、空中悬停、灵活转向等功能。

本发明所提供的一种四半转翼类扑翼飞行器包括：

机身5、前梁32、后梁18、翼A 4、翼B 6、翼C 9、翼D 1、左传动系2、右传动系8、左控制系3、右控制系7；所述机身5、前梁32和后梁18固定联接形成左右对称的机体；所述左传动系2和右传动系8对称设置在机体的两侧，分别固定在所述后梁18的两端，左传动系2和右传动系8结构组成相同，统称传动系；所述左控制系3和右控制系7对称布置在机身5前部的两侧，左控制系3和右控制系7结构组成完全相同，统称控制系；所述翼A 4和翼B 6位于机身5前部的两侧，翼A 4和翼B6结构组成完全相同，统称为前半转翼；前半转翼位于传动系和控制系之间，前半转翼的长轴45两端分别与传动系的中曲柄26和控制系的前曲柄38固定连接，长轴45的轴线垂直于中曲柄26和前曲柄38的回转平面，前半转翼的前翼体48的滑槽与控制系的前滑块50接触形成前半转翼的初始方位控制；所述翼C 9、翼D 1对称位于机身5后部的两侧，翼C 9、翼D 1结构相同，统称为后半转翼；后半转翼位于机身5后部，传动系的一侧，后半转翼的短轴11一端与传动系的后曲柄21固定连接，短轴11的轴线垂直于后曲柄21的回转平面，后半转翼的后翼体10的滑槽与传动系的后滑块19接触形成后半转翼的初始方位控制；所述机身5一侧的翼A 4和翼D 1初始安装相位差为90°，机身5另一侧的翼B6和翼C9初始安装相位差也为90°。

所述传动系包括主电机22、小齿轮23、大齿轮24、后曲柄21、中曲柄26、传动箱20、后滑块19、，主电机22与传动箱20的箱体固定连接，固定于电机22轴上的小齿轮23与大齿轮24啮合，中曲柄26与大齿轮24固定连接后与传动箱的传动轴42一端固定连接，大齿轮24和传动轴42的轴线重合；后曲柄21与传动箱的传动轴42另一端固定连接，后曲柄21和中曲柄26的相位差为180度；后滑块19和后曲柄21都位于传动箱20的同一侧，后滑块19和传动轴42的轴线平行且中心距等于短轴11和长轴45的回转半径，后滑块19与后曲柄21的速比为0.5；所述传动箱20包括箱体40、传动轴42、同步轴17、锥齿轮A44、锥齿轮B14、大锥齿轮16、小锥齿轮39；所述传动轴42通过主轴承43支承在箱体40上，锥齿轮A44与传动轴42固定连接；所述后滑块19的轴与箱体40的孔间隙配合并与大锥齿轮16固定连接；所述同步轴17通过轴瓦A15支承在箱体40中并与小锥齿轮39和锥齿轮B14固定连接，同步轴17和传动轴42的轴线垂直；锥齿轮A44和锥齿轮B14啮合，速比为1；小锥齿轮39和大锥齿轮16啮合，速比为2。

所述控制系包括舵机34、前曲柄38、小轴27、小带轮28、齿形带35、销钉33、前滑块50、销轴51、摇臂29、摆杆30、大带轮31；舵机34固定在前梁32的一端，舵机34的输出轴与摆杆30固定连接；摇臂29的一端空套在小轴37的轴颈上形成转动副，另一端与销轴51固定连接，摆杆端部的销轴与摇臂29的纵向滑槽接触；小轴37的一端与前曲柄38固定连接，另一端通过副轴承36支承在前梁32的端部；小带轮28与小轴37固定连接并保持两者轴线重合，小带轮28位于前曲柄38和摇臂29之间；所述前曲柄38的一端与小轴37固定连接，另一端与长轴45固定连接并设有与长轴45轴线对称的开口槽，不会与前滑块50发生运动干涉；所述大带轮31与前滑块50固定连接，前滑块50端部的长方体对称于大带轮31的轴线；小带轮28和大带轮31通过齿形带35连接保持速比为2；所述销轴51一端与摇臂29固定连接，另一端与前滑块50的轴端内孔间隙配合形成转动副并用销钉33进行轴向定位；所述小轴37、长轴45和销轴51的轴线相互平行，且小轴37与销轴51和长轴45之间的中心距相等，小轴37和传动轴42的轴线重合。

所述前半转翼包括长轴45、前翼体48、轴瓦B49，前翼体48通过轴瓦B49支承在长轴上并由垫圈47和挡圈46进行轴向定位；所述后半转翼包括短轴11、后翼体10、轴瓦B49，后翼体10通过轴瓦B49支承在短轴11上并由挡板12和螺钉13进行轴向定位。

所述前翼体48和后翼体10结构形状相同，外形均是关于其回转轴线对称的；所述前翼体48和后翼体10的翼展宽度相同，前翼体48的弦向长度大于后翼体10的弦向长度。

左传动系2的主电机通过一级齿轮传动及传动轴带动中曲柄和后曲柄驱动翼A4和翼D1的逆时针旋转产生机身5左侧的推力，同时，右传动系8的主电机通过一级齿轮传动及传动轴带动中曲柄和后曲柄驱动翼B6和翼C9的顺时针旋转产生机身5右侧的推力，改变主电机转速可调节推力大小。

由于机体两侧的两个后转翼(翼C9和翼D1)初始相位差为0°(图1所示状态)，因此两个后转翼的气动推力的叠加效果是只产生垂直于机身的升力而无滚转力矩。

由于前转翼和后转翼等运动构件的结构对称性，转动件的离心力自平衡，机体两侧的气动力偶矩也相互平衡。

左控系3的舵机通过摆杆带动摇臂绕固定小轴转动使前滑块相对于机体的位置发生变化，以此改变翼A4相对于机体的初始方位，从而改变机身左侧的翼A4气动推力方向；而右控系7的舵机也通过摆杆带动摇臂绕固定小轴转动使前滑块相对于机体的位置发生变化，以此改变翼B6相对于机体的初始方位，从而改变机身右侧的翼B6气动推力方向。

左、右舵机不工作时，由于机体两侧的两个前转翼(翼A4和翼B6)结构对称，初始相位差为0°(图1所示状态)，因此两个前转翼的气动推力的叠加效果也是只产生垂直于机身的升力而无滚转力矩。左、右舵机工作时，机体两侧的两个前转翼气动力的叠加效果既有垂直于机身的升力大小变化也有滚转力矩大小和方向的变化，与后转翼的升力共同作用，可以控制机身的俯仰和横滚。因此，机身水平时，同步调节前转翼初始方位，机体两侧的推力大小相同，合力作用点位于机体重心的上方，改变推力大小能够实现飞行器的平稳升降。当飞行器平稳上升至一定高度时，左、右舵机工作使机体两侧的前转翼升力减小或增加将产生推动机体向前或向后的分力使飞行器前进或后退。非同步调节前转翼初始方位时，可改变机体两侧的推力大小、机体的俯仰力矩和滚转力矩，从而实现飞行器侧向运动和转向运动。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、四半转翼位于机体两侧，机身可利用空间大；机身两侧的半转翼运动质量和回转速度相同，翼展方向的惯性力相互平衡；同时，机身同侧的两个半转翼重力部分静平衡，动平衡性能较好。

2、机体两侧的气动力合力大小可独立调节，合力方向可在一定范围内高速调节，飞行器的机动性能较强，有利于在复杂环境下升降和水平飞行的控制。

3、机动性控制机构位于机体前部，传动机构简单，有利于发挥柔性后半转翼的推进作用。

附图说明

图1是四半转翼类扑翼飞行器的主视图。

图2是四半转翼类扑翼飞行器的俯视装配示意图。

图3是四半转翼类扑翼飞行器的传动系放大图。

图4是四半转翼类扑翼飞行器的控制系放大图。

图5是四半转翼类扑翼飞行器的前半转翼左视放大图。

图中：1.翼D、2.左传动系、3.左控制系、4.翼A、5.机身、6.翼B、7.右控制系、8.右传动系、9.翼C、10.后翼体、11.短轴、12.挡板、13.螺钉A、14.锥齿轮B、15.轴瓦A、16.大锥齿轮、17.同步轴、18.后梁、19.后滑块、20.传动箱、21.后曲柄、22.主电机、23.小齿轮、24.大齿轮、25.螺钉B、26.中曲柄、27.螺钉C、28.小带轮、29.摇臂、30.摆杆、31.大带轮、32.前梁、33.销钉、34.舵机、35.齿形带、36.副轴承、37.小轴、38.前曲柄、39.小锥齿轮、40.箱体、41.螺钉D、42.传动轴、43.主轴承、44.锥齿轮A、45.长轴、46.挡圈、47.垫圈、48.前翼体、49.轴瓦B、50.前滑块、51.销轴

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

附图1是四半转翼类扑翼飞行器的主视图。结构相同的翼A4和翼B6，对称位于机身5的两侧，初始相位相同；结构相同的翼C9和翼D1，也对称位于机身5的两侧，初始相位相同；翼A4、翼B6、翼C9和翼D1都是形状为矩形的薄片。翼A4和翼D1位于机身5的一侧，两者初始相位差为90°，翼B6和翼C9位于机身5的另一侧，两者的初始相位差也是90°；结构组成相同的左传动系2和右传动系8位于机身5的两侧，称为传动系；左传动系2驱动机身5左侧的翼D1和翼A4逆时针转动产生机身5左侧的推力，同时，右传动系8驱动机身5右侧的翼C9和翼B6顺时针转动产生机身5右侧的推力，改变左传动系2和右传动系8的主电机转速可调节推力大小。

结构组成相同的左控系3和右控系7也位于机身5的两侧，称为控制系；左控系3改变翼A4相对于机体的初始方位，从而改变机身左侧的翼A4气动推力方向；而右控系7改变翼B6相对于机体的初始方位，从而改变机身右侧的翼B6气动推力方向。机身5的下部设有支撑架，飞行器可平稳地接触地面。

附图2是四半转翼类扑翼飞行器的俯视装配示意图。机身5与前梁32和后梁18固定联接形成机体，机身的尾部设有尾翼以保持飞行的稳定性。

位于机身5的两侧的左传动系2和右传动系8通过同步轴17保持机身两侧的所有半转翼(翼A4、翼B6、翼C9和翼D1)转速相同。

结构相同的翼A4和翼B6位于机身5的前部，称为前半转翼。前半转翼的长轴45两端分别与传动系的中曲柄26和控制系的前曲柄38固定连接实现前半转翼的转动，前半转翼的前翼体48的滑槽与控制系的前滑块50接触形成前半转翼的初始方位控制。

结构相同的翼C9和翼D1位于机身5后部，称为后半转翼。后半转翼的短轴11一端与传动系的后曲柄21固定连接实现后半转翼的转动，后半转翼的后翼体10的滑槽与传动系的后滑块19接触形成后半转翼的初始方位控制。后翼体10通过轴瓦B49支承在短轴11上并由挡板12和螺钉13进行轴向定位。

所述传动系包括主电机22、小齿轮23、大齿轮24、后曲柄21、中曲柄26、传动箱20、后滑块19，而传动箱20包括箱体40、传动轴42、同步轴17、锥齿轮A44、锥齿轮B14、大锥齿轮16、小锥齿轮39，图3是四半转翼类扑翼飞行器的传动系放大图。主电机22与传动箱20的箱体40固定连接，固定于电机22轴上的小齿轮23与大齿轮24啮合，中曲柄26与大齿轮24固定连接后与传动箱的传动轴42一端固定连接；后曲柄21与传动箱的传动轴42另一端固定连接，后曲柄21和中曲柄26的相位差为180度；所述传动轴42通过主轴承43支承在箱体40上，锥齿轮A44与传动轴42固定连接；后滑块19的轴与箱体40的孔间隙配合并与大锥齿轮16固定连接；同步轴17通过轴瓦A15支承在箱体40中并与小锥齿轮39和锥齿轮B14固定连接；锥齿轮A44和锥齿轮B14的齿数相等；小锥齿轮39和大锥齿轮16齿数比为1/2。

所述控制系包括舵机34、前曲柄38、小轴37、小带轮28、齿形带35、销钉33、前滑块50、销轴51、摇臂29、摆杆30、大带轮31，图4是四半转翼类扑翼飞行器的控制系放大图。小轴37的一端与前曲柄38固定连接，另一端通过副轴承36支承在前梁32的端部；小带轮28与小轴37固定连接，大带轮31与前滑块50固定连接，前滑块50空套在销轴51上并用销钉33进行轴向定位，小带轮28和大带轮31通过齿形带35连接保持速比为2。当舵机34的输出轴使摆杆30摆动时，摆杆端部的销轴与摇臂29的纵向滑槽接触使摇臂29绕小轴37转动，带动与摇臂29固定连接的销轴51运动使前滑块50改变相对于机架的位置，从而实现前半转翼的初始方位调节。

图5是四半转翼类扑翼飞行器的前半转翼左视放大图。前曲柄38的一端与小轴37固定连接，另一端与长轴45固定连接并设有与长轴45轴线对称的开口槽，不会与前滑块50发生运动干涉；前翼体48通过两个相同的轴瓦B49支承在长轴45上并由垫圈47和挡圈46进行轴向定位。前翼体48随长轴45运动同时绕长轴45转动，可定轴转动的滑块50在前翼体48的滑槽中作相对滑动可控制前翼体的方位。

Claims (5)

1.一种四半转翼类扑翼飞行器，其特征在于，该飞行器包括机身[5]、前梁[32]、后梁[18]、翼A[4]、翼B[6]、翼C[9]、翼D[1]、左传动系[2]、右传动系[8]、左控制系[3]、右控制系[7]；所述机身[5]、前梁[32]和后梁[18]固定联接形成左右对称的机体；所述左传动系[2]和右传动系[8]对称设置在机体的两侧，左传动系[2]和右传动系[8]的箱体[40]分别固定在后梁[18]的两端，左传动系[2]和右传动系[8]结构组成相同，统称传动系；所述左控制系[3]和右控制系[7]对称布置在机身[5]前部的两侧，左控制系[3]和右控制系[7]结构组成完全相同，统称控制系；所述翼A[4]和翼B[6]位于机身[5]前部的两侧，翼A[4]和翼B[6]结构组成完全相同，统称为前半转翼；前半转翼位于传动系和控制系之间，前半转翼的长轴[45]两端分别与传动系的中曲柄[26]和控制系的前曲柄[38]固定连接，长轴[45]的轴线垂直于中曲柄[26]和前曲柄[38]的回转平面，前半转翼的前翼体[48]的滑槽与控制系的前滑块[50]接触形成前半转翼的初始方位控制；所述翼C[9]、翼D[1]对称位于机身[5]后部的两侧，翼C[9]、翼D[1]结构相同，统称为后半转翼；后半转翼位于机身[5]后部，传动系的一侧，后半转翼的短轴[11]一端与传动系的后曲柄[21]固定连接，短轴[11]的轴线垂直于后曲柄[21]的回转平面，后半转翼的后翼体[10]的滑槽与传动系的后滑块[19]接触形成后半转翼的初始方位控制；所述机身[5]一侧的翼A[4]和翼D[1]初始安装相位差为90°，机身[5]另一侧的翼B[6]和翼C[9]初始安装相位差也为90°。

2.如权利要求1所述的四半转翼类扑翼飞行器，其特征在于，所述传动系包括主电机[22]、小齿轮[23]、大齿轮[24]、后曲柄[21]、中曲柄[26]、传动箱[20]、后滑块[19]；所述传动箱[20]包括箱体[40]、传动轴[42]、同步轴[17]、锥齿轮A[44]、锥齿轮B[14]、大锥齿轮[16]、小锥齿轮[39]；所述传动轴[42]通过主轴承[43]支承在箱体[40]上，锥齿轮A[44]与传动轴[42]固定连接；所述主电机[22]与传动箱[20]的箱体固定连接，固定于电机[22]轴上的小齿轮[23]与大齿轮[24]啮合，中曲柄[26]与大齿轮[24]固定连接后与传动箱的传动轴[42]一端固定连接，大齿轮[24]和传动轴[42]的轴线重合；所述后曲柄[21]与传动箱的传动轴[42]另一端固定连接，后曲柄[21]和中曲柄[26]的相位差为180度；所述后滑块[19]和后曲柄[21]都位于传动箱[20]的同一侧，后滑块[19]和传动轴[42]的轴线平行且中心距等于短轴[11]和长轴[45]的回转半径，后滑块[19]与后曲柄[21]的速比为0.5；所述后滑块[19]的轴与箱体[40]的孔间隙配合并与大锥齿轮[16]固定连接；所述同步轴[17]通过轴瓦A[15]支承在箱体[40]中并与小锥齿轮[39]和锥齿轮B[14]固定连接，同步轴[17]和传动轴[42]的轴线垂直；所述锥齿轮A[44]和锥齿轮B[14]啮合，速比为1；所述小锥齿轮[39]和大锥齿轮[16]啮合，速比为2。

3.如权利要求1所述的四半转翼类扑翼飞行器，其特征在于，所述控制系包括舵机[34]、前曲柄[38]、小轴[37]、小带轮[28]、齿形带[35]、销钉[33]、前滑块[50]、销轴[51]、摇臂[29]、摆杆[30]、大带轮[31]；所述舵机[34]固定在前梁[32]的一端，舵机[34]的输出轴与摆杆[30]固定连接；所述摇臂[29]的一端空套在小轴[37]的轴颈上形成转动副，另一端与销轴[51]固定连接，摆杆[30]端部的销轴[51]与摇臂[29]的纵向滑槽接触；所述小轴[37]的一端与前曲柄[38]固定连接，另一端通过副轴承[36]支承在前梁[32]的端部；所述小带轮[28]与小轴[37]固定连接并保持两者轴线重合，小带轮[28]位于前曲柄[38]和摇臂[29]之间；所述前曲柄[38]的一端与小轴[37]固定连接，另一端与长轴[45]固定连接并设有与长轴[45]轴线对称的开口槽，不会与前滑块[50]发生运动干涉；所述大带轮[31]与前滑块[50]固定连接，前滑块[50]端部的长方体对称于大带轮[31]的轴线；小带轮28和大带轮31通过齿形带35连接保持速比为2；所述销轴[51]一端与摇臂[29]固定连接，另一端与前滑块[50]的轴端内孔间隙配合形成转动副并用销钉[33]进行轴向定位；所述小轴[37]、长轴[45]和销轴[51]的轴线相互平行，且小轴[37]与销轴[51]和长轴[45]之间的中心距相等，小轴[37]和传动轴[42]的轴线重合。

4.如权利要求1所述的四半转翼类扑翼飞行器，其特征在于，所述前半转翼包括长轴[45]、前翼体[48]、轴瓦B[49]，前翼体[48]通过轴瓦B[49]支承在长轴上并由垫圈[47]和挡圈[46]进行轴向定位；所述后半转翼包括短轴[11]、后翼体[10]、轴瓦B[49]，后翼体[10]通过轴瓦B[49]支承在短轴[11]上并由挡板[12]和螺钉[13]进行轴向定位。

5.如权利要求1所述的四半转翼类扑翼飞行器，其特征在于，所述前翼体[48]和后翼体[10]结构形状相同，所述前翼体[48]和后翼体[10]的翼展宽度相同，前翼体[48]的弦向长度大于后翼体[10]的弦向长度；所述前翼体[48]和后翼体[10]的外形均是关于其回转轴线对称的。