CN107651169B - 一种基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥设计,用以解决现有头锥设计下机构繁琐、变形复杂，以及展开的可靠性低的问题。本头锥设计有五个相邻的环节，各环节之间由相应的变形机构和连接结构相连接。变形机构由两大部分构成：平行菱形伸缩机构和可变长杆弯曲机构，平行菱形伸缩机构采用双排杆件。其中，平行菱形伸缩机构与可变长杆弯曲机构通过活动板连接。此装置的具体位置可以在驱动源的作用下被唯一确定，且机构简单、变形容易，展开的可靠性高，方便的实现了头锥的弯曲与伸缩运动，在变体飞行器设计与航空航天领域有着重要的参考意义。

Description

一种基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥装置

技术领域

本发明涉及变体飞行器设计和航空航天技术领域，特别是涉及一种基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥装置。

背景技术

随着经济和社会的发展，飞行器的应用越来越普及。变体飞行器是指在飞行过程中可以改变飞行形状的飞行器，最初源于仿生学设计领域。由于飞行器在国防军事领域有着至关重要的作用，变体飞行器得到了很好的研究和发展，现有的变体飞行器主要设计方案为可变展长翼飞行器、可变后掠翼飞行器、变弦长翼飞行器、扭转翼飞行器、展向弯曲翼飞行器和变化翼型飞行器。然而，现有技术中的变体飞行器方案设计大多都针对飞行器的机翼变化，针对头锥变化的变体设计方案少之又少，且现有技术中已有的头锥设计均存在有机构繁琐、变形复杂，以及展开的可靠性低的问题或缺陷。

因此，急需一种基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥装置可以克服或至少减轻现有技术的上述缺陷。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的上述技术问题，结合对于蜜蜂腹部变形的研究，提出一种基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥装置。该装置包含多节表面头锥环节、变形机构和连接结构，能够实现变体飞行器飞行过程中头锥的伸缩与弯曲运动，具有机构简单、变形容易以及展开的可靠性高的优点。

为实现上述目的，本发明提供一种基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥装置，其包括：表面头锥环节、平行菱形伸缩机构、可变长杆弯曲机构和连接结构；

所述表面头锥环节共分为五节，五节所述表面头锥环节均为仿蜜蜂腹部的表面头锥环节；第一节表面头锥环节作为前方，其直径最大；第五节表面头锥环节作为后方，其同时作为锥顶外壳，以形成所述飞行器头锥装置的锥顶；第二节表面头锥环节、第三节表面头锥环节和第四节表面头锥环节沿自前向后的方向顺序布置，所述自前向后方向顺序布置的五节所述表面头锥环节各自的直径依次递减；相邻的各所述表面头锥环节之间均由平行菱形伸缩机构、可变长杆弯曲机构和连接结构相互连接，组成所述飞行器头锥整体；

所述平行菱形伸缩机构包括2组双排的杆件和液压装置连接机构，所述平行菱形伸缩机构一端连接上一节所述表面头锥环节上一体成形的固定板，另一端连接活动板；2组双排的所述杆件呈菱形形状设置，通过2组双排的所述杆件带动活动板相对上一节所述表面头锥环节发生平行移动；所述液压装置连接机构采用液压驱动，用于带动2组双排的所述杆件的伸缩；

所述可变长杆弯曲机构包括气动装置连接机构、2组弯曲机构的铰接架和销轴，所述可变长杆弯曲机构一端连接所述活动板，另一端连接下一节所述表面头锥环节上一体成形的固定板；通过2组弯曲机构的铰接架和销轴使得活动板和下一节表面头锥环节发生相对转动；所述气动装置连接机构采用气动驱动，用于带动活动板和下一节表面头锥环节发生相对转动；

所述连接结构包括防压溃板、铰接架和销轴，所述铰接架连接所述防压溃板，所述防压溃板连接所述固定板，所述固定板与上一节所述表面头锥环节一体成形，所述平行菱形伸缩机构的一端通过所述销轴可枢转的连接所述铰接架。

优选地，各所述表面头锥环节呈薄壁圆筒状，所述平行菱形伸缩机构位于上一节所述表面头锥环节的内部，通过所述连接结构与上一节所述表面头锥环节上一体成形的固定板的内侧圆表面连接；所述可变长杆弯曲机构位于下一节所述表面头锥环节的外部，通过螺钉固结在下一节所述表面头锥环节上一体成形的固定板的外侧圆表面连接；各节所述表面头锥环节内侧圆表面与外侧圆表面均打有相应孔洞，用于与所述平行菱形伸缩机构、所述可变长杆弯曲机构和所述连接结构连接。

优选地，所述连接机构的铰接架、防压溃板和固定板通过螺栓螺母进行连接；铰接架与平行菱形伸缩机构的2组双排的杆件同时套接于销轴，销轴两端有螺纹利用螺母进行轴向定位；固定板与防压溃板均为圆形，防压溃板的厚度大于固定板的厚度，固定板与防压溃板表面均打有相应孔洞，用于与所述平行菱形伸缩机构、所述可变长杆弯曲机构和所述表面头锥环节连接。

优选地，所述平行菱形伸缩机构分别安装在第一节至第四节所述表面头锥环节上的所述固定板的内侧圆表面，用于连接相邻的两节所述表面头锥环节以实现伸缩功能，所述平行菱形伸缩机构与内侧圆表面的轴线呈对称分布；每两节表面头锥环节之间设置1件所述平行菱形伸缩机构。

优选地，所述平行菱形伸缩机构的液压装置连接机构，由橡胶保护套、螺环、平键、套筒、调整环、液压缸、液压装置固定件和连接轴组成；液压装置固定件依靠螺环实现轴向定位，通过平键连接实现周向定位；套筒依靠轴肩和螺环实现轴向定位，不需要实现周向定位；杆件通过轴肩和螺环定位，且杆件与轴为间隙配合，可实现转动；液压缸通过液压装置固定件驱动连接轴运动，带动2组两排的所述杆件的铰接点同步运动，实现了2组双排的所述杆件的联动运动，实现相邻表面头锥环节的伸缩运动，进而实现各所述表面头锥环节的整体伸缩运动。

优选地，所述可变长杆弯曲机构分别安装在第二节至第五节所述表面头锥环节上的所述固定板的外侧圆表面，用于连接相邻的两节所述表面头锥环节以实现弯曲功能，所述可变长杆弯曲机构与外侧圆表面的轴向呈对称分布；并且每两节表面头锥环节之间各1件所述平行菱形伸缩机构。

优选地，所述可变长杆弯曲机构的气动装置连接机构，由滑块、两部分导轨和气动装置构成，活动板通过铰接架的铰接与下一节所述表面头锥环节上的所述固定板连接，使得活动板和下一节所述表面头锥环节上的所述固定板之间可以发生相对转动；滑块与气动装置一端铰接，气动装置的另一端固定在活动板上，在气动装置伸长的过程中，滑块相对气动装置发生转动，并沿着导轨滑动，两部分导轨通过螺栓与下一节所述表面头锥环节上的所述固定板固结，通过以上的各结构，使得固定板能够绕着连接机构的铰接架旋转，从而实现相邻所述表面头锥环节之间的弯曲运动。

本发明的技术效果为：

本发明提供了一种基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥装置,其功能在于利用蜜蜂腹部弯曲伸长的特性，仿照其基本结构以实现变体飞行器头锥的弯曲与伸长运动，以适应变体飞行器在特殊情况下的变体要求。可用以解决现有头锥设计下机构繁琐、变形复杂，以及展开的可靠性低的问题，具有展开的可靠性高、变形容易和机构简单的优点。

附图说明

图1是本申请的基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥装置的整体结构示意图；

图2是本申请的基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥装置的布置方案左侧示意图；

图3是本申请的基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥装置的变形机构与连接机构整体示意图；

图4是本申请的基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥装置的变形机构与连接机构左侧示意图；

图5是本申请的基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥装置的气动装置连接示意图；

图6是本申请的基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥装置的液压装置连接示意图；

图中标号如下：

1 表面头锥环节，1a 第一节表面头锥环节，1b 第五节表面头锥环节

2 连接结构，2a 固定板，2b 防压溃板，2c 铰接架，2d 销轴，2e 螺栓螺母

3 平行菱形伸缩机构，3a 橡胶保护套，3b 螺环，3c 平键，3d 套筒，3e 调整环，3f杆件，3g 液压装置，3h 液压装置固定件，3i 连接轴

4 可变长杆弯曲机构，4a 铰接架，4b 销轴，4c 活动板，4d 滑块，4e 导轨，4f气动装置

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的一个宽泛实施例中，一种基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥装置，其包括：表面头锥环节、平行菱形伸缩机构、可变长杆弯曲机构和连接结构；

所述表面头锥环节共分为五节，五节所述表面头锥环节均为仿蜜蜂腹部的表面头锥环节；第一节表面头锥环节作为前方，其直径最大；第五节表面头锥环节作为后方，其同时作为锥顶外壳，以形成所述飞行器头锥装置的锥顶；第二节表面头锥环节、第三节表面头锥环节和第四节表面头锥环节沿自前向后的方向顺序布置，所述自前向后顺序布置的五节所述表面头锥环节各自的直径依次递减；相邻的各所述表面头锥环节之间均由平行菱形伸缩机构、可变长杆弯曲机构和连接结构相互连接，组成所述飞行器头锥整体；

所述平行菱形伸缩机构包括2组双排的杆件和液压装置连接机构，所述平行菱形伸缩机构一端连接上一节所述表面头锥环节上一体成形的固定板，另一端连接活动板；2组双排的所述杆件呈菱形形状设置，通过2组双排的所述杆件带动活动板相对上一节所述表面头锥环节发生平行移动；所述液压装置连接机构采用液压驱动，用于带动2组双排的所述杆件的伸缩；

所述可变长杆弯曲机构包括气动装置连接机构、2组弯曲机构的铰接架和销轴，所述可变长杆弯曲机构一端连接所述活动板，另一端连接下一节所述表面头锥环节上一体成形的固定板；通过2组弯曲机构的铰接架和销轴使得活动板和下一节表面头锥环节发生相对转动；所述气动装置连接机构采用气动驱动，用于带动活动板和下一节表面头锥环节发生相对转动；

所述连接结构包括防压溃板、铰接架和销轴，所述铰接架连接所述防压溃板，所述防压溃板连接所述固定板，所述固定板与上一节所述表面头锥环节一体成形，所述平行菱形伸缩机构的一端通过所述销轴可枢转的连接所述铰接架。

本发明利用蜜蜂腹部弯曲伸长的特性，仿照其基本结构以实现变体飞行器头锥的弯曲与伸长运动，以适应变体飞行器在特殊情况下的变体要求。可用以解决现有头锥设计下机构繁琐、变形复杂，以及展开的可靠性低的问题，具有展开的可靠性高、变形容易和机构简单的优点。

本发明提供了一种基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥设计，以下结合附图1-6对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

图1是本申请的基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥设计的整体结构示意图。该头锥设计有表面头锥环节1，连接结构2，平行菱形伸缩机构3和可变长杆弯曲机构4。表面头锥环节共分成5节，第一节表面头锥环节1a作为前方，直径最大，自前向后直径递减。平行菱形伸缩机构3共四件，分别安装在第一节至第四节表面头锥环节固定板2a的内侧圆表面。可变长杆弯曲机构4共四件，分别安装在第二节至第五节表面头锥环节固定板2a的外侧圆表面。相邻的表面头锥环节之间通过相应的连接结构2进行连接。

图2是本申请的基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥设计的布置方案左侧示意图。平行菱形伸缩机构3和可变长杆弯曲机构4通过活动板4c进行连接，以实现运动过程中的头锥自适应定位。为减轻整体结构的重量，五节表面头锥环节均为薄壁圆柱，其直径从第一节至第五节递减。头锥整体沿竖直中分面呈轴对称分布。

图3是本申请的基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥设计的变形机构与连接机构整体示意图。防压溃板2b通过铆钉固连在固定板2a上，且防压溃板2b与固定板2a共圆心。杆件3f与铰接架2c通过销轴2d实现可转动连接，同时铰接架2c通过螺栓螺母2e与防压溃板2b实现固连。杆件3f与活动板4c的连接方式和杆件3f与防压溃板2b的连接方式相同。铰接架4a通过销轴4b与下一节表面头锥环节的固定板2a实现可转动连接。

图4是本申请的基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥设计的变形机构与连接机构左侧示意图。为起到防止变形时机构压迫导致头锥环节变形的作用，固定板2a的厚度小于防压溃板2b的厚度，平行菱形伸缩机构3位于防压溃板2b和活动板4c之间，其杆件3f关于上下方向呈对称分布。可变长杆弯曲机构4位于活动板4c的右侧，其两件铰接架4a位于活动板4c上侧，一件气动装置4f位于活动板4c下侧。

图5是本申请的基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥设计的气动装置连接示意图。气动装置4f通过销轴与滑块4d形成可转动连接。滑块4d被嵌于导轨4e中，滑块4d可随着头锥环节之间的转动在导轨4e中上下移动，实现表面头锥环节的锁定。

图6是本申请的基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥设计的液压装置连接示意图。为保证连接轴两端不受损伤，橡胶保护套3a套于连接轴3i上，保护连接轴3i。为保证连接轴受力及变形在安全范围内，套筒3d套在连接轴3i中间，同时利用螺环3b和调整环3e固定。杆件3f套在连接轴3i上，可以发生相对转动。液压缸3g两端与液压装置固定件3h通过螺栓螺母以及平键3c固定，液压装置固定件3h同时套于套筒3d上。

以下具体说明基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥设计的运动形式以及对应的变形过程。

一种基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥设计，其主要的运动形式为模仿蜜蜂腹部运动来实现伸缩与向下弯曲的运动，分别由平行菱形伸缩机构3和可变长杆弯曲机构4实现。

通过平行菱形伸缩机构3，可以实现表面头锥环节1之间的伸缩运动。相邻的两节表面头锥环节的液压装置3g伸缩运动使左右杆件3f之间的距离发生变化，从而通过销轴铰接的两根杆件3f之间长度发生变化，导致防压溃板2b与活动板4c的距离发生变化。在可变长杆弯曲机构4不发生运动的情况下，防压溃板2b与活动板4c之间的距离也发生了变化，最终实现了相邻的两节表面头锥环节1之间的距离变化。于是，通过平行菱形伸缩机构3，最终实现了各相邻头锥环节之间的伸缩运动。整体看来，实现了飞行器头锥的伸缩运动。

通过可变长杆弯曲机构4，可以实现表面头锥环节1之间的弯曲运动。导轨4e与表面头锥环节1固连，当气动装置4f伸缩时，会使表面头锥环节1绕着销轴4b转动，从而活动板4c与最靠近的表面头锥环节1之间出现夹角的变化，即实现了相邻的表面头锥环节的夹角发生变化。于是，通过可变长杆弯曲机构4，最终实现了各相邻表面头锥环节之间的弯曲运动。整体看来，实现了飞行器头锥的弯曲运动。

一种基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥设计，仿照蜜蜂进行伸缩运动和向下弯曲的运动，其包含的机构均为简单机构，且组合形式简单。各个机构之间既能独立运动，又能相互运动，变形方便。对于所要求的具体运动形式，能够通过机构本身的特性，算出具体的位移与姿态，得到液压装置与气动装置的位移量，得出变形运动的驱动方案。一种基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥设计，具有展开的可靠性高、变形容易和机构简单的优点。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥装置，其特征在于包括：表面头锥环节、平行菱形伸缩机构、可变长杆弯曲机构和连接结构；

所述表面头锥环节共分为五节，五节所述表面头锥环节均为仿蜜蜂腹部的表面头锥环节；第一节表面头锥环节作为前方，其直径最大；第五节表面头锥环节作为后方，其同时作为锥顶外壳，以形成所述飞行器头锥装置的锥顶；第二节表面头锥环节、第三节表面头锥环节和第四节表面头锥环节沿自前向后的方向顺序布置，所述自前向后方向顺序布置的五节所述表面头锥环节各自的直径依次递减；相邻的各所述表面头锥环节之间均由平行菱形伸缩机构、可变长杆弯曲机构和连接结构相互连接，组成所述飞行器头锥整体；

所述平行菱形伸缩机构包括2组双排的杆件和液压装置连接机构，所述平行菱形伸缩机构一端连接上一节所述表面头锥环节上一体成形的固定板，另一端连接活动板；2组双排的所述杆件呈菱形形状设置，通过2组双排的所述杆件带动活动板相对上一节所述表面头锥环节发生平行移动；所述液压装置连接机构采用液压驱动，用于带动2组双排的所述杆件的伸缩；

所述可变长杆弯曲机构包括气动装置连接机构、2组弯曲机构的铰接架和销轴，所述可变长杆弯曲机构一端连接所述活动板，另一端连接下一节所述表面头锥环节上一体成形的固定板；通过2组弯曲机构的铰接架和销轴使得活动板和下一节表面头锥环节发生相对转动；所述气动装置连接机构采用气动驱动，用于带动活动板和下一节表面头锥环节发生相对转动；

所述连接结构包括防压溃板、铰接架和销轴，所述铰接架连接所述防压溃板，所述防压溃板连接所述固定板，所述固定板与上一节所述表面头锥环节一体成形，所述平行菱形伸缩机构的一端通过所述销轴可枢转的连接所述铰接架。

2.根据权利要求1所述的基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥装置，其特征在于：各所述表面头锥环节呈薄壁圆筒状，所述平行菱形伸缩机构位于上一节所述表面头锥环节的内部，通过所述连接结构与上一节所述表面头锥环节上一体成形的固定板的内侧圆表面连接；所述可变长杆弯曲机构位于下一节所述表面头锥环节的外部，通过螺钉固结在下一节所述表面头锥环节上一体成形的固定板的外侧圆表面连接；各节所述表面头锥环节内侧圆表面与外侧圆表面均打有相应孔洞，用于与所述平行菱形伸缩机构、所述可变长杆弯曲机构和所述连接结构连接。

3.根据权利要求1所述的基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥装置，其特征在于：所述连接机构的铰接架、防压溃板和固定板通过螺栓螺母进行连接；铰接架与平行菱形伸缩机构的2组双排的杆件同时套接于销轴，销轴两端有螺纹利用螺母进行轴向定位；固定板与防压溃板均为圆形，防压溃板的厚度大于固定板的厚度，固定板与防压溃板表面均打有相应孔洞，用于与所述平行菱形伸缩机构、所述可变长杆弯曲机构和所述表面头锥环节连接。

4.根据权利要求1所述的基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥装置，其特征在于：所述平行菱形伸缩机构分别安装在第一节至第四节所述表面头锥环节上的所述固定板的内侧圆表面，用于连接相邻的两节所述表面头锥环节以实现伸缩功能，所述平行菱形伸缩机构与内侧圆表面的轴线呈对称分布；每两节表面头锥环节之间设置1件所述平行菱形伸缩机构。

5.根据权利要求4所述的基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥装置，其特征在于：所述平行菱形伸缩机构的液压装置连接机构，由橡胶保护套、螺环、平键、套筒、调整环、液压缸、液压装置固定件和连接轴组成；橡胶保护套套于连接轴两端，套筒套在连接轴中间，同时利用螺环和调整环固定；杆件套在连接轴两端，液压缸两端与液压装置固定件通过螺栓螺母以及平键固定，液压装置固定件同时固定于套筒上，液压装置固定件依靠螺环实现轴向定位，通过平键连接实现周向定位；套筒依靠轴肩和螺环实现轴向定位，不需要实现周向定位；杆件通过轴肩和螺环定位，且杆件与轴为间隙配合，可实现转动；液压缸通过液压装置固定件驱动连接轴运动，带动2组两排的所述杆件的铰接点同步运动，实现了2组双排的所述杆件的联动运动，实现相邻表面头锥环节的伸缩运动，进而实现各所述表面头锥环节的整体伸缩运动。

6.根据权利要求1所述的基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥装置，其特征在于：所述可变长杆弯曲机构分别安装在第二节至第五节所述表面头锥环节上的所述固定板的外侧圆表面，用于连接相邻的两节所述表面头锥环节以实现弯曲功能，所述可变长杆弯曲机构与外侧圆表面的轴向呈对称分布；并且每两节表面头锥环节之间各1件所述平行菱形伸缩机构。

7.根据权利要求6所述的基于液压气动驱动的仿生变体飞行器头锥装置，其特征在于：所述可变长杆弯曲机构的气动装置连接机构，由滑块、两部分导轨和气动装置构成，活动板通过铰接架的铰接与下一节所述表面头锥环节上的所述固定板连接，使得活动板和下一节所述表面头锥环节上的所述固定板之间可以发生相对转动；滑块与气动装置一端铰接，气动装置的另一端固定在活动板上，在气动装置伸长的过程中，滑块相对气动装置发生转动，并沿着导轨滑动，两部分导轨通过螺栓与下一节所述表面头锥环节上的所述固定板固结，通过以上的各结构，使得固定板能够绕着连接机构的铰接架旋转，从而实现相邻所述表面头锥环节之间的弯曲运动。

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