CN108820206A - 一种鳞片式翼面积可变的扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鳞片式翼面积可变的扑翼飞行器。在该飞行器结构中，两驱动电机分别通过对应的曲柄连杆机构驱动对应的机翼骨架，机翼表面连弦与机翼骨架穿插连接，机翼悬挂叶片连接在机翼表面连弦上，形成鳞片式机翼结构。工作时，驱动电机驱动机翼骨架上下扑动产生升力。本发明的结构简单，鳞片式机翼上下扑动角度范围与水平线成10°~45°，机翼上挥时迎风，机翼悬挂叶片处于自由垂直状态，迎风面积和阻力较小，机翼下扑时受到空气阻力与机翼表面连弦约束，机翼悬挂叶片处于层层相叠犹如鳞片状，使迎风面积与阻力大大增加，产生升力大，气动效率和飞行效率高。此外，本发明的成本低，对动力源的转速要求不高，可用相对廉价低端的电机实现飞行。

Description

一种鳞片式翼面积可变的扑翼飞行器

技术领域

本发明涉及一种鳞片式可改变翼面迎风面积的扑翼飞行器，属于扑翼飞行器技术领域。

背景技术

飞行器的研究源于对鸟类等飞行生物的仿生学，现代飞行器主要基于鸟类的翱翔与昆虫的高频扑翼实现升阻比大于1，从而实现飞行效果。传统的固定翼飞行器，其产生升力的方式来源于机翼上下两侧流体流速不同产生的压强差而产生的升力，而传统的旋翼飞行器则是通过机翼旋转产生向上分力而产生升力。这两种飞行器都要求机翼有相当高的运动速度，对发动机转速的要求都极其苛刻，同时由于产生升力的方式限制，发动机所转化为飞行的效率十分有限且不能接受过大的环境干扰。因此，突破传统飞行器的飞行方式，改善飞行器结构的合理性成为优化飞行效率及成本的关键因素。

扑翼式飞行器与这两种飞行器相比，具有高效率、低噪声、更灵活的特点，可以像鸟一样通过机翼主动运动产生升力和前行力，从而得到广泛的关注。其主要的特征为：(1)机翼主动运动；(2)靠机翼拍打空气的反力作为升力及前行力；(3)通过机翼及尾翼的位置改变进行机动飞行。

目前，国内外所研制的扑翼式飞行器均采用整体机翼结构，通过机翼运动的急回特性以及机翼受力时产生向上的分力来产生升力。这样的飞行方案对整体机翼造型结构，机翼运动频率要求很高，但飞行效率却十分低下，大部分动力消耗于机翼每次摆动克服空气阻力上。

另一种通过双节机翼的仿生扑翼机有一对双节扑翼上下扑动产生升力，上扑时阻力小，下扑时翼展面积增大，升力大，但其传动机构复杂，翅膀中间关节的弯曲度数小，翼展面积变化范围有限，飞行效率低下。

发明内容

为了克服现有扑翼飞行器存在的问题，本发明提出一种结构简单、翼面积变化范围大的扑翼飞行器机翼结构，可实现扑翼飞行器高效率的运动。

本发明的技术方案为：

一种鳞片式翼面积可变的扑翼飞行器，其主要由机体盒、固连在所述机体盒顶部的固定轴、两前后倒置固定于所述机体盒中的驱动装置、与所述驱动装置对应连接的曲柄连杆机构和两个对称连接在所述固定轴上并与所述曲柄连杆机构对应连接的机翼组成；

所述机翼包括：机翼骨架、机翼表面连弦和机翼悬挂叶片；

所述机翼骨架中部镂空，所述机翼表面连弦与所述机翼骨架连接，并呈阵列分布于所述机翼骨架内；

所述机翼骨架安装在所述固定轴上，绕所述固定轴上下摆动；

上下旋转的所述机翼悬挂叶片悬挂在所述机翼表面连弦上，所述机翼悬挂叶片呈阵列分布，所述机翼悬挂叶片的首尾长度大于相邻两所述机翼表面连弦间的间隙宽度，所述机翼悬挂叶片相互堆叠时形成一个不透风的“整体型”机翼表面；

所述曲柄连杆机构与其对应一侧的所述机翼骨架相连接，带动对应的所述机翼骨架作上下扑动；所述机翼骨架上扑时，所述机翼悬挂叶片受自身重力以及向下的空气阻力作用，旋转至自由垂直状态；所述机翼骨架下扑时，所述机翼悬挂叶片受向上的空气阻力作用，向上翻转，并受所述机翼表面连弦限制。

进一步地，所述机翼骨架符合反齐默尔曼布局，其侧面开有细小孔，所述机翼表面连弦自所述细小孔穿插绷紧与所述机翼骨架连接，并形成阵列分布。

进一步地，靠近所述机体盒一端的所述机翼骨架的侧面开的所述细小孔等间距，使得所述机翼表面连弦等间距分布于所述机翼骨架内。

进一步地，所述机翼悬挂叶片为片状七边形结构。

进一步地，所述驱动装置为驱动电机，所述曲柄连杆机构包括：曲柄和连杆；

所述驱动电机与对应的所述曲柄通过铰链固连，所述曲柄与对应的所述连杆通过铰链相连，所述连杆与对应的所述机翼骨架在机翼骨架接近端部处通过铰链相连；

所属机翼骨架、所述连杆和所述曲柄根据运动学知识实现所机翼骨架做偏移水平面设定角度的上下摆动，并满足机构行程速比系数大于1的往复运动。

进一步地，所述设定角度为10°～45°。

进一步地，所述机翼骨架的大小、所述驱动电机的转速与所述扑翼飞行器的整体质量之间满足鸟类飞行的尺度律的关系。

进一步地，所述机体盒、所述固定轴、所述曲柄连杆机构和所述机翼骨架均由具有支撑能力的刚性材料制造。

进一步地，所述机翼表面连弦由具有弯曲绷紧能力的柔性材料制造。

进一步地，所述机翼悬挂叶片由密度小且不易变形材料制造。

本发明的有益效果在于：

本发明的扑翼飞行器结构简单，成本低廉，通过最基本的曲柄连杆运动机构实现机翼的挥动，而机翼自身结构实现摆动过程中的翼面积变化过程；机翼翼面积的变化可主动实现，当机翼上挥时，机翼悬挂叶片由于自身的重力以及向下的空气阻力作用，旋转至自由垂直状态，实现机翼翼面积变小；当机翼下摆时，机翼悬挂叶片受到向上的空气阻力作用，向上翻转，并受机翼表面连弦的位置约束，实现机翼面积变大，因而气动效率和飞行效率更高；此外，本发明对动力源的转速要求不高，可用相对廉价低端的电机进行飞行，实现飞行器的推广普及。

附图说明

图1是本发明的扑翼飞行器的整体结构示意图；

图2是本发明的机翼上挥极限位置机翼扑动机构示意图；

图3是本发明的机翼下摆极限位置机翼扑动机构示意图；

图4是本发明的机翼上挥状态机翼悬挂叶片位置示意图；

图5是本发明的机翼下摆状态机翼悬挂叶片位置示意图；

图6是本发明的机翼悬挂叶片结构示意图；

图7是本发明的机翼最大面积与最小面积对比示意图；

图8为曲柄连杆机构运动原理图；

图9为摇杆两极限位置主动曲柄驱动转过角度与摇杆摆角Ψ₁₂的关系图；

图中标识：1-驱动电机；2-机体盒；3-固定轴；4-曲柄；5-连杆；6-铰链；7-机翼骨架；8-机翼表面连弦；9-机翼悬挂叶片；10-细小孔；

A点和D点为固定点；B₁和C₁为极限位置1时对应的B点和C点位置；B₂和C₂为极限位置2时对应的B点和C点位置；a-曲柄长度(AB)；b-连杆长度(BC)；c-摇杆长度(CD)；d-机架长度(AD)；Ψ₁₂-摇杆c的摆角；-摇杆c由极限位置1到极限位置2时主动曲柄转过的角度；β-摇杆在极限位置2时曲柄与机架间的夹角；maxy_min-最小传动角最大值。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示的鳞片式翼面积可变扑翼飞行器，

固定轴3与机体盒2顶部的孔间隙配合连接，保证固定轴3正常转动；两前后倒置的驱动电机1并排固定在机体盒2内部；驱动电机1与对应的曲柄4固定连接，曲柄4通过铰链6连接对应的连杆5，连杆5通过铰链6与对应的机翼骨架7相连，整体形成关于机体盒2中心线对称的结构。

机翼骨架7端部与机体盒2顶部的固定轴3相连，当驱动电机1输出动力时，曲柄4带动对应的连杆5做上下往复运动，进而连杆5带动对应的机翼骨架7上下挥动；

在给定行程速比系数、机翼摆动角度及摇杆长度情况下，可由运动学推导得到曲柄4连杆5机构各段长度比例，下面给出推导过程，参考图8；

在已知行程速比系数K、摇杆长度l_CD及摆角Ψ₁₂时(图8)，通过解析法设计曲柄摇杆机构：

已知行程速比系数K，故极位夹角θ＝180°(K–1)/(K+1)，

通过和Ψ₁₂,利用图9可得β的值；

通过Ψ₁₂、β和摇杆长度l_CD＝c，利用下列四个关系式可以得出各段长度：

d＝c/Y (1)

式中，a-曲柄长度；b-连杆长度；c-摇杆长度；d-机架长度；Ψ₁₂-摇杆c的摆角；-摇杆c由极限位置1到极限位置2时主动曲柄转过的角度；β-摇杆在极限位置2时曲柄与机架间的夹角；Y-为方便推导设立的中间量。

机械运动机构每一运动时刻均有传动角存在，传动角越大，传动性能越好，当传动角为0时，会出现死点现象。当机构运动到某一位置时，存在最小传动角。此方法做出的曲柄摇杆机构具有最小传动角最大的效果,并且可以通过图9得出最小传动角最大的值maxy_min，一定程度保证机构顺利运转并提高机构传动性。

本实施例设定行程速比系数K＝1.33，机翼骨架上下扑动角度范围与水平线成30°的上下扑动，对应摆角Ψ₁₂为60°。

利用上面的公式(1)至(4)推导，得到曲柄4摇杆5机构满足：固定轴3到驱动电机1中心所在水平面的距离：驱动电机1中心到固定轴3所在垂直面的距离：曲柄4的长度：连杆5的长度：机翼骨架7端部到与其连接的铰链6距离为14.17：7：7：15.73：15。

符合反齐默尔曼布局的机翼骨架7侧面开有细小孔10，其中，机翼骨架7靠近机体盒2一端的侧面所开细小孔10等间距，机翼表面连弦8自细小孔10穿插绷紧并等间距分布于机翼骨架7内；

机翼悬挂叶片9的形状为片状七边形，如图6所示，机翼悬挂叶片9的首尾长度大于相邻两机翼表面连弦8间的间隙宽度，机翼悬挂叶片9尾部有供机翼表面连弦8穿过的小孔，以此分布排列、固定悬挂在机翼表面连弦8上；当每个机翼悬挂叶片9与相邻机翼悬挂叶片9叠加时，投影方向为不透风机翼。

本发明的工作原理在于：

本发明通过驱动电机1驱动对应的曲柄4进行动力输出，由曲柄4通过铰链6带动对应的连杆5上下往复运动一次，进而带动对应的机翼骨架7上下挥动一次，参照图2和图3。

当机翼上挥时，机翼悬挂叶片9由于自身的重力以及向下的空气阻力作用，旋转至自由垂直状态，此时所有机翼悬挂叶片9处于图4中所示的位置，机翼整体受力面积如图7中上图所示达到最小，即阻力最小；

当机翼下摆时，机翼悬挂叶片受到向上的空气阻力作用，开始向上翻转，由于叶片首尾长度大于相邻机翼表面连弦8之间的间隙，当叶片旋转至与机翼骨架7平面平行的位置时，叶片尾部与相邻的机翼表面连弦8相接触，从而受到相邻的机翼表面连弦8的位置约束，无法继续向上翻转；此时所有的机翼悬挂叶片应处于图5中所示的位置，机翼整体受力面积如图7中下图所示达到最大，即阻力最大，此时机翼悬挂叶片9处于层层相叠犹如鳞片状，使迎风面积与阻力大大增加；在机翼骨架7每一个上下扑动周期中产生的升力大于所受到的阻力，从而实现扑翼飞行器的飞行效果。

本实施例中，驱动电机1使用GA12-N20减速马达；机体盒2、固定轴3、曲柄4、连杆5和机翼骨架7使用光敏树脂增材制造技术加工；铰链6使用M2螺栓代替；机翼表面连弦8采用尼龙线制造；机翼悬挂叶片9采用高密度聚乙烯HDPE制造；

机体盒2尺寸为30mm*30mm*15mm，固定轴3横截面直径5mm，长度50mm；

鳞片式翼面积可变的扑翼飞行器主要质量分别为：2个驱动电机1为24g，2个机翼骨架7为150g，机体盒2、固定轴3、曲柄4以及连杆5质量约为30g，电池及电池盒等配件质量约为20g，机翼悬挂叶片9及机翼表面连弦8质量约为30g；因此，本实例中的鳞片式翼面积可变的扑翼飞行器总质量约为254g；为满足鸟类飞行尺度律，取驱动电机转速200r/min，机翼翼展600mm，机翼弦长50mm；

本发明的机体盒2采用盒装设计，前后各一套驱动装置，实现负载平衡，其他部位安装遥控器，动力电池等设备以供飞行使用。

应当指出，以上所述仅是本发明的优选实施方式，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 (10)

1.一种鳞片式翼面积可变的扑翼飞行器，主要由机体盒(2)、固连在机体盒(2)顶部的固定轴(3)、两前后倒置固定于机体盒(2)中的驱动装置、与所述驱动装置对应连接的曲柄连杆机构和两个对称连接在固定轴(3)上并与所述曲柄连杆机构对应连接的机翼组成，其特征在于，

所述机翼包括：机翼骨架(7)、机翼表面连弦(8)和机翼悬挂叶片(9)；

机翼骨架(7)中部镂空，与机翼骨架(7)相连接的机翼表面连弦(8)呈阵列分布于机翼骨架(7)内；

机翼骨架(7)安装于固定轴(3)上，绕固定轴(3)上下摆动；

呈阵列分布、上下旋转的机翼悬挂叶片(9)悬挂在机翼表面连弦(8)上，机翼悬挂叶片(9)的首尾长度大于相邻两机翼表面连弦(8)间的间隙宽度，机翼悬挂叶片(9)相互堆叠时形成一个不透风的“整体型”机翼表面；

所述曲柄连杆机构与其对应的机翼骨架(7)相连接，带动对应的机翼骨架(7)作上下扑动；机翼骨架(7)上扑时，机翼悬挂叶片(9)受自身重力以及向下的空气阻力作用，旋转至自由垂直状态；机翼骨架(7)下扑时，机翼悬挂叶片(9)受向上的空气阻力作用，向上翻转，并受机翼表面连弦(8)限制。

2.根据权利要求1所述的一种鳞片式翼面积可变的扑翼飞行器，其特征在于，机翼骨架(7)符合反齐默尔曼布局，机翼骨架(7)的侧面开有细小孔(10)，机翼表面连弦(8)自细小孔(10)穿插绷紧与机翼骨架(7)连接。

3.根据权利要求2所述的一种鳞片式翼面积可变的扑翼飞行器，其特征在于，靠近机体盒(2)一端的机翼骨架(7)的侧面所开细小孔(10)等间距，使机翼表面连弦(8)等间距分布于机翼骨架(7)内。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种鳞片式翼面积可变的扑翼飞行器，其特征在于，机翼悬挂叶片(9)为片状七边形结构。

5.根据权利要求1所述的一种鳞片式翼面积可变的扑翼飞行器，其特征在于，所述驱动装置为驱动电机(1)，所述曲柄连杆机构包括：曲柄(4)和连杆(5)；

驱动电机(1)与对应的曲柄(4)通过铰链(6)固连，曲柄(4)与对应的连杆(5)通过铰链(6)相连，连杆(5)与对应的机翼骨架(7)在机翼骨架(7)接近端部处通过铰链(6)相连；

机翼骨架(7)、连杆(5)和曲柄(4)根据运动学实现机翼骨架(7)做偏移水平面设定角度的上下摆动，并满足机构行程速比系数大于1的往复运动。

6.根据权利要求5所述的一种鳞片式翼面积可变的扑翼飞行器，其特征在于，所述设定角度为10°～45°。

7.根据权利要求5所述的一种鳞片式翼面积可变的扑翼飞行器，其特征在于：机翼骨架(7)的大小、驱动电机(1)的转速与所述扑翼飞行器的整体质量之间满足鸟类飞行的尺度律的关系。

8.根据权利要求1所述的一种鳞片式翼面积可变的扑翼飞行器，其特征在于，机体盒(2)、固定轴(3)、所述曲柄连杆机构和机翼骨架(7)均由具有支撑能力的刚性材料制造。

9.根据权利要求1所述的一种鳞片式翼面积可变的扑翼飞行器，其特征在于，机翼表面连弦(8)由具有弯曲绷紧能力的柔性材料制造。

10.根据权利要求1所述的一种鳞片式翼面积可变的扑翼飞行器，其特征在于，机翼悬挂叶片(9)由密度小且不易变形材料制造。