CN108750104A - 一种机翼自适应主动扭转的扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机翼自适应主动扭转的扑翼飞行器，包括：通过电机组件带动主动齿轮组件动作，主动齿轮组通过连接杆带动从动齿轮组件动作，进而通过四连杆机构和后置自适应调节机构分别带动机翼主扑杆和机翼辅扑杆动作。通过主动齿轮组件和从动齿轮组件安装上的相位差，实现机翼主扑杆和机翼辅扑杆运动上的相位差，实现机翼自适应主动扭转，并通过后置自适应调节结构消除机翼面积变化带来的干涉性影响，从而实现机翼的自适应主动扭转。采用本发明的主动扭转扑翼和包含其的飞行器，可以更好的模拟鸟类实际的扑翼动作，在结构简洁的基础上尽可能的提高扑翼飞行的气动效率和机动性，更好的利用了扑翼飞行的非定常空气动力学特性。

Description

一种机翼自适应主动扭转的扑翼飞行器

技术领域

本发明涉及一种机翼自适应主动扭转的扑翼飞行器，属于仿生学扑翼飞行器设计技术领域。

背景技术

人类模仿鸟类飞行的愿望由来已久，最早出现的飞行器就是类似鸟儿飞行的扑翼飞行器。扑翼飞行器仅需机翼按照某种规律扑动就可以产生飞行所需的升力和推力，还可产生适应各种飞行环境的俯仰、偏航和滚转力矩。相较于固定翼与旋翼飞行器，扑翼飞行器具有质量轻、体积小、成本低、飞行效率高及操作性好等优点，可以在某些特殊领域完成探索和侦察任务。

机翼是影响扑翼飞行器升力系统性能的关键因素。目前类鸽子尺寸的扑翼机在设计机翼时，一般只有主动拍动，而无主动扭转。此种方法使得扑翼机存在转弯半径大、机动性差以及运动稳定性差等缺陷。针对此缺陷，本发明设计了一种自适应主动扭转的机翼及包含其的扑翼飞行器。此种双自由度的机翼在原理上更符合非定常空气动力学特性，且主动扭转可以产生额外的翻转气动力，其在运动方向上的分力为飞行提供更高的推进力，从而在飞行过程中更贴近鸟类的实际飞行动作。

北京航空航天大学研制出一款包含主动扭转扑翼的飞行器。主动扭转机翼由扑动驱动装置、扑动部和扭转部顺序连接。通过扭转部的扭梁驱动装置带动扭梁部在预定范围内旋转，实现扑翼外段的主动扭转。这种扑翼方式可以更好的模拟鸟类飞行时的振翅，提高扑翼飞行的效率和机动性。但是此种方式扭转范围小，对环境及姿态的变化适应性差，且对翼型的设计和安装要求较高。

南京航空航天大学昂海松团队所研制的扑翼飞行器采用七杆八铰链机构。此种机构能够实现翼尖8字形运动，且能使扑翼绕展向轴线扭转。该机构由微型直流电动机提供动力，通过减速装置驱动连杆，以二级杆组和五杆机构传递扭矩，连杆与机翼以球销副连接、翼轴与机架以滑球副连接，使得机翼弦向扭转，且翼尖产生8字型或者香蕉型轨迹。但为了符合扑翼规律，该机构对各杆件的杆长要求较高，且轨迹优化过程较为复杂。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种机翼自适应主动扭转的扑翼飞行器，通过主动驱动装置和从动驱动装置安装上的相位差，实现了主动扑翼装置和从动扑翼装置运动上的相位差，并通过后置自适应调节结构消除机翼面积变化带来的干涉性影响，从而实现了机翼的主动扭转，更好的利用了扑翼飞行的非定常空气动力学特性。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种机翼自适应主动扭转的扑翼飞行器，包括以下组成部分：

用于驱动前置扑翼的主动驱动装置，包括提供原动力的电机组件及主动齿轮组件；

用于驱动后置扑翼的从动驱动装置，包括从动齿轮组件；

用于进行拍打运动的主动扑翼装置，包括一对四连杆机构、一对机翼主扑杆和三对旋转轴承；

用于进行拍打运动及产生主动扭转的从动扑翼装置，包括一对四连杆机构、一对机翼辅扑杆；

用于消除扑翼面积变化的后置自适应调节机构，包括一对旋转轴承、两对滑动轴承；

用于进行整体支撑的飞行器机架，采用三段式机构，包括沿纵向依次布置的扑翼机首部、扑翼机中部和扑翼机尾部，每两部分之间通过沿纵向布置的连接杆固定连接，并形成沿纵向方向设置的两个安装位。

进一步的，所述主动齿轮组件设置于机架的前侧安装位中，其包括与电机组件驱动连接的主动齿轮以及顺序传动连接的一级从动齿轮、两个二级从动齿轮，且两个二级从动齿轮对称布置于机架纵轴的两侧，分别驱动对应侧的主动扑翼装置；所述一级从动齿轮包括同轴固联的一个大齿轮与一个小齿轮，且主动齿轮与小齿轮啮合连接，大齿轮同时与两个二级从动齿轮啮合连接。当电机组件驱动主动齿轮转动时，通过啮合的齿轮传动结构将电机的高速旋转动作传递给二级从动齿轮的曲柄上，并且通过四连杆机构将运动输出至机翼主扑杆上，从而形成机翼主扑杆的上下规律性往复扑动。

进一步的，所述从动齿轮组件设置于机架的后侧安装位中，其包括两个联动齿轮，且两个联动齿轮对称布置于机架纵轴的两侧，分别驱动对应侧的从动扑翼装置；所述两个联动齿轮分别与前侧安装位中两个二级从动齿轮相对应，并通过联动杆连接所述二级从动齿轮的轮心与相对应联动齿轮的轮心，实现联动，进而通过四连杆机构将运动输出到从动扑翼装置上，实现翅杆的上下规律性往复扑动。

进一步的，所述四连杆机构包括曲柄、连杆、翅杆，其中，曲柄与对应的二级从动齿轮/联动齿轮为一体结构；连杆始端可转动的连接在对应二级从动齿轮/联动齿轮的安装点上，连杆末端与翅杆始端可转动的连接；翅杆中部与机架上连接杆可转动的连接，且机翼主扑杆/机翼辅扑杆与对应的翅杆末端相接，自机架向外伸展；对应一侧的机翼主扑杆与机翼辅扑杆形成该侧扑翼面的基础框架。

进一步的，所述二级从动齿轮上曲柄的安装位置(即连杆安装点与轮心的连线)与对应联动齿轮上曲柄的安装位置之间存在可调的相位差，且二级从动齿轮上曲柄的安装位置顺时针领先25°-50°。

进一步的，所述主动扑翼装置的四连杆机构中连杆始端、连杆末端及翅杆中部均通过旋转轴承进行转动连接，且从动扑翼装置的四连杆机构中连杆末端采用旋转轴承进行转动连接，连杆始端及翅杆中部均通过后置自适应调节机构的滑动轴承进行转动连接。当主动扑翼装置与从动扑翼装置存在运动上的相位差时，扑翼面的面积发生改变，可通过后置自适应调节机构的纵向运动自动调节。

进一步的，还包括覆盖两侧扑翼面的蒙皮，且蒙皮采用聚酰亚胺材料制成，其具有一定的韧性和较大的疲劳强度；所述蒙皮与两侧的机翼主扑杆以及机翼辅扑杆相固联，用于扑翼运动中产生飞行所需的升力和推力。

进一步的，所述主动驱动装置、从动驱动装置、主动扑翼装置、从动扑翼装置、后置自适应调节机构及机架均采用碳纤维板制成，其轻度、刚度较高，且质量较轻。

有益效果：本发明提供的一种机翼自适应主动扭转的扑翼飞行器，相对于现有技术，具有以下优点：1、结构简单，尺寸合理，适合应用于仿鸽子扑翼飞行器上，机架为三段式相连，每一段均为一体化结构，适合于数控加工；2、主动驱动装置中的二级齿轮与从动驱动装置中的联动齿轮转动相同，且通过联动杆相连传递运动，省去了额外的电源，减轻整体的负载；3、所述齿轮组件、滚动轴承和滑动轴承均采用标准件，从而整体结构的互换性高，易于装配和维修；4、通过调节二级齿轮相对于联动齿轮的初始位置，可以方便的改变主动扑翼装置相对于从动扑翼装置的运动相位差，从而改变机翼的最大扭转角度以适应不同的飞行环境；5、通过后置自适应调节机构可以巧妙的消除机翼主动扭转引起机翼面积的变化，更加真实的模拟了鸟类飞行时翅膀的运动。

附图说明

图1为本发明实施例的整体轴测图；

图2为本发明实施例观察点下方的立体视图；

图3为本发明实施例观察点上方的立体视图；

图4为本发明实施例中后置自适应调节机构的局部视图；

图5为本发明实施例的应用原理示意图。

图中包括：

1、电机组件 2、主动齿轮 3、一级从动齿轮

4、二级从动齿轮 5、扑翼机首部 6、连接杆

7、连杆 8、机翼主扑杆 9、翅杆

10、扑翼机中部 11、机翼辅扑杆 12、扑翼机尾部

13、联动齿轮 14、联动杆 15、旋转轴承

16、曲柄 17、滑动轴承 18、蒙皮

Z、纵轴

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种机翼自适应主动扭转的扑翼飞行器，包括主动驱动装置、从动驱动装置、主动扑翼装置、从动扑翼装置、后置自适应调节机构以及机架；

其中，主动驱动装置及被动驱动装置是扑翼机构运动的驱动源，主动扑翼装置及从动扑翼装置是改变运动形式及直接产生飞行动力的动力源，后置自适应调节机构可用来消除主动扭转而导致扑翼面积变化所造成的干涉性影响，而机架是整个扑翼机的支撑结构。

如图1-2所示，所述主动驱动装置包括：电机组件1、主动齿轮2、一级从动齿轮3、两个二级从动齿轮4以及若干旋转轴承15；其中，电机组件1中的电动机轴与主动齿轮2驱动连接，主动齿轮2、一级从动齿轮3及两个二级从动齿轮4均通过旋转轴承15安装在机架纵轴方向第一个安装位中；两个二级从动齿轮4对称分设在纵轴两侧，分别驱动对应侧的主动扑翼装置；一级从动齿轮3包括同轴固联的一个大齿轮和一个小齿轮，主动齿轮2与小齿轮啮合，大齿轮同时与两个二级从动齿轮4啮合；四连杆机构中的曲柄16与二级从动齿轮4上为一体结构。当电机组件1驱动主动齿轮2转动时，通过啮合的齿轮传动结构将电机组件1的高速旋转动作传递给二级从动齿轮4的曲柄16上，并且通过四连杆机构将运动输出至机翼主扑杆8上，从而形成机翼主扑杆8的上下规律性往复扑动。

所述从动驱动装置包括：两个联动齿轮13；联动齿轮通过联动杆14与对应相同侧的二级从动齿轮4相连，实现联动；两个联动齿轮13分设在纵轴两侧，且分别驱动对应侧的从动扑翼装置。其中，联动齿轮13与二级从动齿轮4具有完全相同的特征尺寸，但在安装时，设置二级从动齿轮4上固联的曲柄16相较于联动齿轮13上固联的曲柄16的安装角度顺时针领先25°-50°。由于二级从动齿轮4与联动齿轮13是通过联动杆固联，则两者运动情况始终保持一致；又因为两曲柄16安装位置存在相位差，导致两曲柄分别驱动的主动扑翼装置及从动扑翼装置存在运动上的相位差。这种相位差即可以实现机翼的主动扭转，并通过所述的后置自适应调节结构来消除此种扭转方式所引起的扑翼面积的变化。

如图5所示，所述主动扑翼装置包括：曲柄16、连杆7、翅杆9、机翼主扑杆8以及三对旋转轴承15；其中，曲柄16与二级从动齿轮为一体结构，并通过旋转轴承15与连杆7始端相连，连杆7末端通过旋转轴承15与翅杆9始端相连，翅杆9末端与机翼主扑杆8通过嵌套实现固联，在靠近翅杆9始端30mm处通过旋转轴承将翅杆套接在机架的连接杆6上。当电机组件1工作时，通过主动驱动装置，将电机组件1转轴的圆周运动转化为二级从动齿轮4的圆周运动；通过主动扑翼装置，将二级从动齿轮4的圆周运动转化为机翼主扑杆的上下扑翼运动。

如图1、4所示，所述从动扑翼装置包括：曲柄16、连杆7、翅杆9、机翼辅扑杆11。机翼辅扑杆11固联在翅杆9上。二级从动齿轮4将动力通过连接杆6传递到联动齿轮13上，又通过后置自适应调节装置将联动齿轮的圆周运动转化为机翼辅扑杆的上下扑翼运动。

应该强调，机翼主扑杆8与机翼辅扑杆11的上下扑翼运动具有相同的频率和振幅，但运动相位存在一定的差值，使得机翼平面实现主动扭转。另外，此运动的相位差将导致机翼面积时刻变化。通过所述的后置自适应调节机构可以时刻消除机翼面的变化所带来的干涉性影响。

如图2、4所示，所述后置自适应调节机构包括：一对旋转轴承15、两对滑动轴承17。通过滑动轴承17将连杆7始端与曲柄16相连，二者既存在相对转动，又允许纵向方向上的相对移动；通过旋转轴承15将连杆7末端与翅杆9始端相连，二者仅允许相对转动；在距离翅杆9始端30mm处通过滑动轴承17将翅杆9与机架的连接杆6相连，二者既存在相对转动，又允许纵向方向上的相对移动；将翅杆9的末端与机翼辅扑杆11嵌套固联。

这样当联动齿轮13作圆周运动时，后置自适应调节机构将动力传递到机翼辅扑杆上11上，使得机翼辅扑杆11作上下扑翼运动。机翼主扑杆8与机翼辅扑杆22形成一片机翼面的基础框架。当机翼主扑杆与机翼辅扑杆的冲程方向相反时，机翼面积变大，后置自适应调节机构整体沿Z轴正向移动，从而缩小机翼面积；当机翼主扑杆与机翼辅扑杆的冲程方向相同时，机翼面积变小，后置自适应调节机构整体沿Z轴反向移动，从而增大机翼面积。

如图1-3所示，所述机架包括扑翼机首部5、扑翼机中部10以及扑翼机尾部12。三者之间通过连接杆6固联；在扑翼机首部5和扑翼机中部10的连接处设置主动驱动装置和主动扑翼装置的安装位，在扑翼机中部10和扑翼机尾部12的连接处设置从动驱动装置和从动扑翼装置的安装位；三者均为框架式一体化结构，采用的是碳纤维板制成，用于支撑驱动装置以及扑翼装置。

所述蒙皮18与机翼主扑杆和机翼辅扑杆固联，覆盖整个扑翼平面。蒙皮18的位置及形状的变化会带动后置自适应调节结构的纵向移动。所述蒙皮18可以采用聚酰亚胺材料制成，其具有一定的韧性和较大的疲劳强度。

所述主动扑翼装置、从动扑翼装置、主动扑翼装置、从动扑翼装置及后置自适应调节机构均采用碳纤维板制成，其轻度、刚度较高，且质量较轻。

所述的旋转轴承15滑动轴承17均采用的是标准件。采用旋转轴承15相连的两构件之间只允许相对转动；采用滑动轴承17相连的两构件之间既允许相对转动，也允许相对滑动。

采用本发明的机翼自适应主动扭转的扑翼飞行器，可以更好的模鸟类真实的飞行动作，更高效的利用扑翼飞行的非定常空气动力学特性，提高飞行效率和机动性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种机翼自适应主动扭转的扑翼飞行器，其特征在于，包括以下组成部分：

用于驱动前置扑翼的主动驱动装置，包括提供原动力的电机组件(1)及主动齿轮组件；

用于驱动后置扑翼的从动驱动装置，包括从动齿轮组件；

用于进行拍打运动的主动扑翼装置，包括一对四连杆机构、一对机翼主扑杆(8)和三对旋转轴承(15)；

用于进行拍打运动及产生主动扭转的从动扑翼装置，包括一对四连杆机构、一对机翼辅扑杆(11)；

用于消除扑翼面积变化的后置自适应调节机构，包括一对旋转轴承(15)、两对滑动轴承(17)；

用于进行整体支撑的飞行器机架，采用三段式机构，包括沿纵向依次布置的扑翼机首部(5)、扑翼机中部(10)和扑翼机尾部(12)，每两部分之间通过沿纵向布置的连接杆(6)固定连接，并形成沿纵向方向设置的两个安装位。

2.根据权利要求1所述的一种机翼自适应主动扭转的扑翼飞行器，其特征在于，所述主动齿轮组件设置于机架的前侧安装位中，其包括与电机组件(1)驱动连接的主动齿轮(2)以及顺序传动连接的一级从动齿轮(3)、两个二级从动齿轮(4)，且两个二级从动齿轮(4)对称布置于机架纵轴的两侧，分别驱动对应侧的主动扑翼装置；所述一级从动齿轮(3)包括同轴固联的一个大齿轮与一个小齿轮，且主动齿轮(2)与小齿轮啮合连接，大齿轮同时与两个二级从动齿轮(4)啮合连接。

3.根据权利要求2所述的一种机翼自适应主动扭转的扑翼飞行器，其特征在于，所述从动齿轮组件设置于机架的后侧安装位中，其包括两个联动齿轮(13)，且两个联动齿轮(13)对称布置于机架纵轴的两侧，分别驱动对应侧的从动扑翼装置；所述两个联动齿轮(13)分别与前侧安装位中两个二级从动齿轮(4)相对应，并通过联动杆(14)连接所述二级从动齿轮(4)的轮心与相对应联动齿轮(13)的轮心，实现联动。

4.根据权利要求3所述的一种机翼自适应主动扭转的扑翼飞行器，其特征在于，所述四连杆机构包括曲柄(16)、连杆(7)、翅杆(9)，其中，曲柄(16)与所对应的二级从动齿轮(4)/联动齿轮(13)为一体结构；连杆(7)始端可转动的连接在对应二级从动齿轮(4)/联动齿轮(13)的安装点上，连杆(7)末端与翅杆(9)始端可转动的连接；翅杆(9)中部与机架上连接杆(6)可转动的连接，且机翼主扑杆(8)/机翼辅扑杆(11)与对应的翅杆(9)末端相接，自机架向外伸展；对应一侧的机翼主扑杆(8)与机翼辅扑杆(11)形成一片扑翼面的基础框架。

5.根据权利要求4所述的一种机翼自适应主动扭转的扑翼飞行器，其特征在于，所述二级从动齿轮(4)上曲柄(16)的安装位置与对应联动齿轮(13)上曲柄(16)的安装位置之间存在可调的相位差，且二级从动齿轮(4)上曲柄(16)的安装位置顺时针领先25°-50°。

6.根据权利要求5所述的一种机翼自适应主动扭转的扑翼飞行器，其特征在于，所述主动扑翼装置的四连杆机构中连杆(7)始端、连杆(7)末端及翅杆(9)中部均通过旋转轴承(15)进行转动连接，且从动扑翼装置的四连杆机构中连杆(7)末端采用旋转轴承(15)进行转动连接，连杆(7)始端及翅杆(9)中部均通过后置自适应调节机构的滑动轴承(17)进行转动连接。

7.根据权利要求6所述的一种机翼自适应主动扭转的扑翼飞行器，其特征在于，还包括覆盖整个扑翼面的蒙皮(18)，且蒙皮(18)采用聚酰亚胺材料制成；所述蒙皮(18)与两侧的机翼主扑杆(8)以及机翼辅扑杆(11)相固联，用于扑翼运动中产生飞行所需的升力和推力。

8.根据权利要求1所述的一种机翼自适应主动扭转的扑翼飞行器，其特征在于，所述主动驱动装置、从动驱动装置、主动扑翼装置、从动扑翼装置、后置自适应调节机构及机架均采用碳纤维板制成。