CN108674689A - 串列扑翼实验平台 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种串列扑翼实验平台，包括：串列扑翼机构，包括模型翼和传动机构，传动机构由电机驱动，用于带动模型翼运动，包括通过电机的转动而进行转动的第一转轴、采用过盈配合插入第一转轴的限位孔中进行轴向定位的限位杆、通过电机的转动而进行转动的第二转轴和一端插入第二转轴中且与模型翼连接，另一端插入限位杆的限位槽中，带动模型翼进行扑动和翻转的L型杆；以及支架、底板和吊臂。

Description

串列扑翼实验平台

技术领域

本公开涉及一种串列扑翼实验平台。

背景技术

微型飞行器由于其尺寸较小、灵活性高、应用广泛的优点，在二十世纪九十年代一经提出就受到世界各国研究学者的关注。起初，研究人员试图将相对成熟的传统载人飞行器设计理念和固定翼气动布局直接应用于微型飞行器的研制上，但是由于微型飞行器与传统载人飞行器相比，拥有更小的尺寸和雷诺数，将经典的翼型升力理论运用于微型飞行器，会使其气动效率和稳定性变得很差，难以满足使用要求。由于自然界中与微型飞行器尺寸和雷诺数相似且具有高超飞行能力的昆虫都是以扑翼方式进行飞行，所以研究人员尝试将扑翼飞行方式运用到微型飞行器研制中。串列扑翼的昆虫(如蜻蜓)比单对翅扑翼的昆虫拥有更好的飞行能力，因此人们首先从仿生学的角度模仿蜻蜓研制出了一些串列扑翼微型飞行器(如代尔夫特理工大学研制的DelFly)。

早期的仿生串列扑翼微型飞行器，仅追求“形似”，在外形和扑动方式上模仿扑翼昆虫，在稳定性和操控性等方面与满足应用要求相差甚远。随着研究的深入，研究人员开始将目光转向“神似”，探究昆虫拥有高超飞行能力的内在机理。

起初科学家们进行活体观测，由于昆虫飞行轨迹的不可预见性和不可控制性，仅得到昆虫的飞行和扑翼规律等运动数据，不能对内在机理进行全面分析。由于扑翼具有典型的三维特性，而对扑翼进行三维CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)计算需要消耗巨大的计算资源，同时考虑翅膀柔性后的流固耦合时计算难度增大、准确性降低。因此为了便捷准确地获取扑翼过程中翼型所受的力和力矩及翼型周围的流场信息，研究人员采用模型实验台对扑翼进行深入探究。

在进行模型实验时，受制于驱动机构尺寸的限制，实验台大多数只能驱动单只翅或单对翅进行扑动，无法实现驱动前后串列翅进行单独扑动。因此能够探究串列扑翼气动机理的实验平台目前是一个空白。

发明内容

为了解决至少一个上述技术问题，本公开提出了一种串列扑翼实验平台。

根据本公开的一个方面，一种串列扑翼机构，包括：

模型翼，包括第一模型翼和第二模型翼，用于模仿昆虫翅膀运动；以及

传动机构，包括第一传动机构和第二传动机构，第一传动机构和第二传动机构均由各自的第一电机和第二电机驱动，用于分别带动第一模型翼和第二模型翼运动，

其中，第一传动机构和第二传动机构分别包括：

第一转轴，通过第一电机的转动而进行转动；

限位杆，限位杆的杆部插入第一转轴的限位孔中，并采用过盈配合进行轴向定位；

第二转轴，通过第二电机的转动而进行转动；以及

L型杆，L型杆的一端插入第二转轴中且与模型翼连接，L型杆的另一端插入限位杆的限位槽中，通过第一电机和第二电机的转动，L型杆在限位槽中进行转动和滑动，从而带动模型翼进行扑动和翻转。

根据本公开的至少一个实施方式，

当第一电机和第二电机的转速和相位相同时，模型翼进行扑动运动；

当第一电机和第二电机的转速和相位不同时，模型翼进行扑动和翻转运动。

根据本公开的至少一个实施方式，

第一转轴通过第一连杆组与第一电机的转轴相连，通过第一连杆组将第一电机的转动转化为第一转轴的转动；以及

第二转轴通过第二连杆组与第二电机的转轴相连，通过第二连杆组将第二电机的转动转化为第二转轴的转动。

根据本公开的至少一个实施方式，

第一连杆组包括第一连杆、第二连杆及第三连杆，第一连杆的一端连接第一电机的转轴，第一连杆的另一端连接第二连杆的一端，第二连杆的另一端连接第三连杆的一端，第三连杆的另一端连接第一转轴；

第二连杆组包括第四连杆、第五连杆及第六连杆，第四连杆的一端连接第二电机的转轴，第四连杆的另一端连接第五连杆的一端，第五连杆的另一端连接第六连杆的一端，第六连杆的另一端连接第二转轴。

根据本公开的至少一个实施方式，

第一连杆与第三连杆的尺寸相同，第四连杆与第六连杆的尺寸相同。

根据本公开的至少一个实施方式，

该串列扑翼机构还包括六轴力传感器，六轴力传感器设置在L型杆与模型翼之间，用于测量模型翼受到的力与力矩。

根据本公开的至少一个实施方式，

该串列扑翼机构还包括箱体，包括容纳第一传动机构的第一箱体和容纳第二传动机构的第二箱体。

根据本公开的至少一个实施方式，

该串列扑翼机构还包括支撑件，支撑件安装至箱体，从而为第一转轴和第二转轴提供支撑。

根据本公开的至少一个实施方式，

该串列扑翼机构还包括第一轴套和第二轴套，分别将第一转轴和第二转轴分别轴向固定在第一箱体和第二箱体上。

根据本公开的另一方面，一种串列扑翼实验平台，用于在水洞的流场中进行昆虫扑翼实验，包括：如上所述的串列扑翼机构、支架、底板和吊臂，

串列扑翼机构通过支架固定至底板；

底板包括滑槽，支架安装在滑槽上，并且支架能够沿着滑槽在水洞内轴向滑动；

底板与吊臂固定连接，从而通过吊臂将串列扑翼机构安装至水洞的横梁上。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开的至少一个实施方式的串列扑翼机构实验平台结构示意图。

图2是根据本公开的至少一个实施方式的串列扑翼机构局部结构示意图。

图3是根据本公开的至少一个实施方式的串列扑翼机构的侧视图。

图4是根据本公开的至少一个实施方式的串列扑翼机构的正视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

本公开提供了一种测量串列扑翼运动的综合实验平台。该实验平台可以较为准确地测量和分析前后分布的两个串列翼同时进行三自由度扑动所产生的干涉影响，从而使研究人员更好地了解蜻蜓等串列翅扑动昆虫拥有高超飞行能力的气动机理，并能为微型无人机(MAV，Micro Air Vehicle)的设计提供指导。

在本公开的一个可选实施方式中，如图1所示，一种串列扑翼机构包括：用于模仿昆虫翅膀运动的模型翼，以及由电机驱动并且可以带动模型翼运动的传动机构。其中，模型翼包括第一模型翼17-1和第二模型翼17-2，传动机构包括并排配置的第一传动机构和第二传动机构。第一传动机构和第二传动机构均由2个电机驱动：第一电机和第二电机。第一传动机构和第二传动机构分别带动第一模型翼17-1和第二模型翼17-2运动。

第一传动机构和第二传动机构的结构相同，下面以第一传动机构为例，详细说明传动机构及相关模块的构成。

如图2所示，第一传动机构包括：第一转轴10，第一转轴10通过第一电机的转动而进行转动，第一转轴10的两端由第一轴承和第二轴承提供支撑；限位杆15，限位杆15的杆部插入第一转轴10的限位孔中，并采用过盈配合进行轴向定位；第二转轴11，通过第二电机的转动而进行转动，第二转轴11的两端由第三轴承和第四轴承提供支撑；以及L型杆16，L型杆16的一端通过间隙配合的方式插入第二转轴11中且在此端通过连接装置与第一模型翼17-1连接，L型杆16的另一端通过间隙配合的方式插入限位杆15的限位槽中。通过第一电机和第二电机的转动，L型杆16可以在限位槽中自由转动和滑动，从而进一步带动第一模型翼17-1进行扑动和翻转运动。

在本公开的一个可选实施方式中，当第一电机和第二电机的转速和相位相同时，第一模型翼17-1进行扑动运动。当第一电机和第二电机的转速和相位不同时，第一模型翼17-1同时进行扑动和翻转运动。因此，通过改变第一电机和第二电机的运动规律，可以得到第一模型翼17-1所需的扑动，以及扑动和翻转运动。

在本公开的一个可选实施方式中，第一转轴10通过第一连杆组与第一电机的输出轴相连。通过第一连杆组将第一电机的转动转化为第一转轴10的转动。第二转轴11通过第二连杆组与第二电机的输出轴相连，通过第二连杆组将第二电机的转动转化为第二转轴11的转动。

第一连杆组包括第一连杆4、第二连杆5及第三连杆6。第二连杆组包括第四连杆7、第五连杆8及第六连杆9。如图3(左图)所示，为串列扑翼机构的左侧视图，第一电机通过第一连杆4、第二连杆5和第三连杆6驱动第一转轴10转动。第一连杆4与第一电机的输出轴连接，第三连杆6通过第一轴承与第一转轴10连接。通过第二连杆5的传导，第一电机的转动转化为第一转轴10的转动。同理，如图3(右图)所示，为串列扑翼机构的右侧视图，第二电机通过第四连杆7、第五连杆8和第六连杆9驱动第二转轴11转动。第四连杆7与第二电机的输出轴连接，第六连杆9通过第四轴承与第二转轴11连接。通过第五连杆8的传导，第二电机的转动转化为第二转轴11的转动。

在本公开的一个可选实施方式中，如图4所示，第一连杆4与第三连杆6尺寸相同，因此第一电机的转速与第一转轴10的转速相同。第四连杆7与第六连杆9的尺寸相同，因此第二电机的转速与第二转轴11的转速相同。

在本公开的一个可选实施方式中，如图2所示，串列扑翼机构还包括六轴力传感器。六轴力传感器配置在L型杆和模型翼之间，例如配置在模型翼的翼根处。六轴力传感器可以实时记录模型翼在运动过程中所受的各个分量上的力和力矩。

在本公开的一个可选实施方式中，如图3和4所示，串列扑翼机构还包括：第一箱体18-1，用于容纳第一传动机构。同样的，还包括容纳第二传动机构的第二箱体，第一箱体18-1和第二箱体结构和功能均相同，在本实施方式中仅详细说明第一箱体18-1。在第一箱体18-1的上部配置有电机座3。电机座3与第一电机和第二电机通过电机自身的安装孔进行螺栓连接。第一电机和第二电机上下配置在电机座3内部，以便减小串列扑翼机构在水洞中的轴向长度，缩小前后分布的2个串列模型翼17-1和17-2之间的间距，有利于观察和测量串列扑翼运动过程中的干涉影响。

在本公开的一个可选实施方式中，如图2和4所示，在第一箱体18-1的底部配置有支撑件14，支撑件14为第二轴承和第三轴承提供安装槽，进而可以为第一转轴10和第二转轴11提供支撑。支撑件14的限位孔与第一箱体18-1底部的限位孔使用螺栓连接。同样的，在第二箱体上也配置有相同结构和功能的支撑件。

在本公开的一个可选实施方式中，如图3和4所示，分别安装在第一箱体18-1两边的轴承槽内的第一轴承和第四轴承分别借助第一轴套13-1和第二轴套13-2与第一箱体18-1壁面上的限位孔进行螺栓连接，从而将第一转轴10和第二转轴11轴向固定在第一箱体18-1上。同样的，第二箱体上也配置有相同结构和功能的轴套。

在本公开的一个可选实施方式中，如图1所示，串列扑翼平台，包括：如上所述的串列扑翼机构，2个支架2、吊臂1B和底板1C。吊臂1B左右对称，可通过上部的凸槽吊在水洞的横梁1A上。吊臂1B与底板1C使用螺栓连接。底板1C上配置有两个滑槽，支架2上部的定位孔与底板1C上的两个滑槽用螺栓连接。支架2底部的限位孔与电机座3的滑槽和支撑件14的定位孔使用螺栓连接，使电机座3和支撑件14固定在支架2上。通过2个支架2可以将串列扑翼机构并排固定在底板1C上，从而通过吊臂1B将串列扑翼机构固定在水洞的流场中。并且支架2可以沿着底板1C的滑槽在水洞内轴向滑动，从而通过改变2个支架2之间的轴向距离来调整昆虫前后翅(即第一模型翼17-1和第二模型翼17-2)的轴向距离，进而可以测量前后翅在不同间隙下的干涉效应。

串列扑翼机构可以驱动前后两个串列分布的模型翼进行独立的扑翼运动。也就是说，串列扑翼实验平台可以实现2个模型翼在流场中的扑动和翻转的任意组合，从而模拟昆虫的扑翼规律。

测量串列扑翼运动过程中的干涉影响时，首先通过支架2将串列扑翼机构固定在底板1C上，并通过吊臂1B吊在水洞的横梁1A上，从而将串列扑翼机构固定在水洞提供的拥有稳定流场的水流中。然后通过电机控制系统设置4个电机的运动规律，使2个模型翼通过扑动和翻转的组合模拟昆虫的前飞、悬停和起飞等不同运动状态。同时，利用在2个模型翼的翼根处配置的Nano17六轴力传感器，实时记录2个模型翼所受的各个分量上的力和力矩。在水中加入示踪粒子，并运用DPIV示踪技术获取2个模型翼运动时周围流场的详细信息。通过对上述数据及信息进行采集和分析，可以较为准确地测量昆虫在串列扑翼运动过程中的干涉影响，并分析其气动机理。

在本公开中，串列扑翼综合实验平台主要由2个基于双摆杆的精密驱动机构即串列扑翼机构组成，机构小巧，安装简便，可同时驱动前后分布的2个串列模型翼进行单独的扑翼运动，且可以通过调节电机的运动规律实现2个模型翼的扑动和翻转的任意组合进而模拟昆虫的扑翼规律。同时，该机构上还安装有六轴力传感器，可以对模型翼在扑动过程中的力和力矩进行实时测量，并通过在水中加入示踪粒子，运用DPIV流场显示技术获取模型翼周围流场的信息，从而准确分析串列扑翼运动过程中的气动机理。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种串列扑翼机构，其特征在于，包括：

模型翼，包括第一模型翼和第二模型翼，用于模仿昆虫翅膀运动；以及

传动机构，包括第一传动机构和第二传动机构，所述第一传动机构和所述第二传动机构均由各自的第一电机和第二电机驱动，用于分别带动所述第一模型翼和所述第二模型翼运动，

其中，所述第一传动机构和所述第二传动机构分别包括：

第一转轴，通过所述第一电机的转动而进行转动；

限位杆，所述限位杆的杆部插入所述第一转轴的限位孔中，并采用过盈配合进行轴向定位；

第二转轴，通过所述第二电机的转动而进行转动；以及

L型杆，所述L型杆的一端插入所述第二转轴中且与所述模型翼连接，所述L型杆的另一端插入所述限位杆的限位槽中，通过所述第一电机和所述第二电机的转动，所述L型杆在所述限位槽中进行转动和滑动，从而带动所述模型翼进行扑动和翻转。

2.根据权利要求1所述的扑翼机构，其特征在于，

当所述第一电机和所述第二电机的转速和相位相同时，所述模型翼进行扑动运动；

当所述第一电机和所述第二电机的转速和相位不同时，所述模型翼进行扑动和翻转运动。

3.根据权利要求2所述的扑翼机构，其特征在于，

所述第一转轴通过第一连杆组与所述第一电机的转轴相连，通过所述第一连杆组将所述第一电机的转动转化为第一转轴的转动；以及所述第二转轴通过第二连杆组与所述第二电机的转轴相连，通过所述第二连杆组将所述第二电机的转动转化为第二转轴的转动。

4.根据权利要求3所述的扑翼机构，其特征在于，

所述第一连杆组包括第一连杆、第二连杆及第三连杆，所述第一连杆的一端连接所述第一电机的转轴，所述第一连杆的另一端连接所述第二连杆的一端，所述第二连杆的另一端连接所述第三连杆的一端，所述第三连杆的另一端连接所述第一转轴；

所述第二连杆组包括第四连杆、第五连杆及第六连杆，所述第四连杆的一端连接所述第二电机的转轴，所述第四连杆的另一端连接所述第五连杆的一端，所述第五连杆的另一端连接所述第六连杆的一端，所述第六连杆的另一端连接所述第二转轴。

5.根据权利要求4所述的扑翼机构，其特征在于，所述第一连杆与第三连杆的尺寸相同，所述第四连杆与第六连杆的尺寸相同。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的扑翼机构，其特征在于，还包括六轴力传感器，所述六轴力传感器设置在所述L型杆与所述模型翼之间，用于测量所述模型翼受到的力与力矩。

7.根据权利要求6所述的扑翼机构，其特征在于，还包括箱体，包括容纳所述第一传动机构的第一箱体和容纳所述第二传动机构的第二箱体。

8.根据权利要求7所述的扑翼机构，其特征在于，还包括支撑件，所述支撑件安装至所述箱体，从而为所述第一转轴和第二转轴提供支撑。

9.根据权利要求7或8所述的扑翼机构，其特征在于，还包括第一轴套和第二轴套，分别将所述第一转轴和第二转轴分别轴向固定在所述第一箱体和所述第二箱体上。

10.一种串列扑翼实验平台，用于在水洞的流场中进行昆虫扑翼实验，其特征在于，包括：如权利要求1至9中任一项所述的串列扑翼机构、支架、底板和吊臂，

所述串列扑翼机构通过所述支架固定至所述底板；

所述底板包括滑槽，所述支架安装在所述滑槽上，并且所述支架能够沿着所述滑槽在水洞内轴向滑动；

所述底板与所述吊臂固定连接，从而通过所述吊臂将所述串列扑翼机构安装至水洞的横梁上。