CN109050971A - 一种基于齿轮传动的三自由度扑翼实验台 - Google Patents
一种基于齿轮传动的三自由度扑翼实验台 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于齿轮传动的三自由度扑翼实验台，它包括：机架、扑动机构、扫掠机构、扭转机构、扑翼；扑动机构包括扑动电机、扑动轴、扑翼第一固定架；扑动电机固定在机架上；扑动轴铰接安装在机架上，与机架槽口垂直设置；扑翼第一固定架呈矩形块状，中部设有扑动轴容纳孔；扑动轴安装在扑动轴容纳孔中，且扑动轴与扑翼第一固定架相互固定连接；扫掠机构安装在扑翼第一固定架上；扭转机构铰接安装在扫掠机构的第一铰接孔上；扑翼固定安装在扭转从动锥齿轮上，与第一铰接孔同轴设置。该机构结构紧凑，传动准确、效率高；电机布置形式减小了扭矩和运动惯性；由软件控制电机转速和位移实现三自由度参数可调，可生成任意预设轨迹。
Description
技术领域
本发明属于扑翼飞行器实验设备技术领域，具体涉及一种基于齿轮传动的三自由度扑翼实验台。
背景技术
研究表明，自然界的鸟类和昆虫在飞行中获得较高的气动效率主要是由于其扑动过程中，扑翼除了上下扑动外还有前后扫略运动和绕翼展方向的扭转运动。这种复合运动形式，使鸟类和昆虫能够利用“拍飞（Clap-Fling）”、“延时失速(Delayed Stall)”、“旋转环流（Rotational Circulation）”和“尾流捕获（Wake Capture）”四种高升力机理获得最高的气动效率。这四种高升力机理中，“拍飞”和“延时时速”是扑翼固有的升力机理，而“旋转环流”和“尾流捕获”是扑翼旋转产生的效果。
为揭示昆虫、鸟类翅翼高推升力机制，获得具有理想性能的微型扑翼飞行器，需要设计机构，模拟出昆虫、鸟类运动模式，测试扑翼气动力。然而目前进行扑翼实验研究还存在一些问题：1、扑翼驱动机构实现复杂扑动过程中由于机械误差和采用软连接传动等原因难以准确实现预设扑动规律；2、扑翼驱动机构复杂，难以按照测量要求布置相应传感器进行测量。
于是本文提出了一种基于齿轮传动的三自由度综合扑翼实验台，如图1，它包括机架、驱动电机、传动机构、扑翼和控制系统。机架安装扑动电机、扫掠电机、扑动轴和控制系统，底部安装六分量测力/力矩天平就对实验台的受力/力矩进行测量。它能精确实现扑动、扫掠和扭转三个自由度的任意预设运动规律，可用于复杂扑翼运动规律的风洞实验。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于齿轮传动的三自由度扑翼实验台，设计思路是采用功能分解法将翅翼的八字形扑动轨迹分为上下扑动、前后扫掠、扭转，三种运动，再用串联设计法，以上下扑动为基本运动，将扫掠和扭转附加到扑动机构上；利用锥齿轮传动实现传动方向的改变。
一种基于齿轮传动的三自由度扑翼实验台，它包括：机架、扑动机构、扫掠机构、扭转机构；所述的扑动机构包括扑动电机、扑动轴、扑翼第一固定架；所述的扑动轴交接安装在机架上，与机架的槽口垂直设置；所述的扑动电机固定在机架上；所述的扑动轴上设有第一扑动齿轮，扑动电机的输出轴上设有第二扑动齿轮；所述的第一扑动齿轮与扑动轴相互固定连接；所述的第一扑动齿轮与第二扑动齿轮相互啮合；所述的扑翼第一固定架呈矩形块状，中部设有扑动轴容纳孔；所述的扑动轴安装在扑动轴容纳孔中，且扑动轴与扑翼第一固定架相互固定连接；所述的扫掠机构安装在扑翼第一固定架上；所述的扭转机构铰接安装在扫掠机构的第一铰接孔上；
进一步的，所述的扫掠机构包括：扫掠半轴、扫掠支架、扫掠从动锥齿轮、扫掠主动锥齿轮、扫掠驱动齿轮、扫掠电机；所述的扫掠半轴分别铰接安装在扑翼第一固定架的两侧，并且与扑动轴垂直设置；所述的扫掠支架呈C字形，端部固定在扫掠半轴上；所述的扫掠支架的中部设有第一铰接孔；所述的第一铰接孔与扫掠半轴垂直设置；所述的扫掠从动锥齿轮固定安装在扫掠支架下部的扫掠半轴的端部；所述的扫掠主动锥齿轮安装在扑动轴上，扫掠主动锥齿轮与扑翼第一固定架之间设有限位套筒；所述的扫掠主动锥齿轮与扫掠从动锥齿轮相互啮合；所述的扫掠驱动齿轮安装在扑动轴上，与扫掠主动锥齿轮固定连接；所述的扫掠电机固定在机架上；所述的扫掠电机上设有与扫掠驱动齿轮相互啮合的齿轮；
进一步的，所述的扭转机构包括：扭转从动锥齿轮、扭转主动锥齿轮、扭转从动齿轮、扭转主动齿轮、扭转电机；所述的扭转从动锥齿轮铰接安装在扫掠支架上的第一铰接孔中；所述的扭转主动锥齿轮与扭转从动齿轮共同安装在远离扫掠从动锥齿轮一侧的扫掠半轴上；且扭转主动锥齿轮与扭转从动齿轮与扫掠半轴三者固定连接；所述的扭转电机安装在扭转电机固定架上；所述的扭转电机固定架的一端设有固定套筒，且固定套筒的轴线与扭转电机的中轴线垂直设置；所述的固定套筒套设在扑动轴上，与扑翼第一固定架相互固定连接；所述的扭转主动齿轮安装在扭转电机的输出轴上；所述的扭转主动齿轮与扭转从动齿轮相啮合。扑翼固定安装在扭转从动锥齿轮上，与第一铰接孔同轴设置；
进一步的，所述的扑翼还有一系列安装零件，包括扑翼支座、螺栓、推力球轴承、定位套筒、螺母，扑翼固定安装在扑翼支座上；扑翼支座通过螺栓、螺母安装在扭转从动锥齿轮上，与第一铰接孔同轴设置；扑翼与扭转从动锥齿轮之间用推力球轴承和定位套筒连接定位。
本发明提供了一种基于齿轮传动的三自由度扑翼实验台，它包括：机架、扑动机构、扫掠机构、扭转机构、扑翼；扑动机构包括扑动电机、扑动轴、扑翼第一固定架；扑动轴交接安装在机架上，与机架的槽口垂直设置；扑动电机固定在机架上；扑动轴上设有第一扑动齿轮，扑动电机的输出轴上设有第二扑动齿轮；第一扑动齿轮与扑动轴相互固定连接；第一扑动齿轮与第二扑动齿轮相互啮合；扑翼第一固定架呈矩形块状，中部设有扑动轴容纳孔；扑动轴安装在扑动轴容纳孔中，且扑动轴与扑翼第一固定架相互固定连接；扫掠机构安装在扑翼第一固定架上；扭转机构铰接安装在扫掠机构的第一铰接孔上；本发明工作时，由控制人员发出信号，控制电机转动速度和步数，动力经齿轮传递给扑动轴，实现扑动；扫掠电机经调速齿轮、扫掠主、被动锥齿轮、扫掠半轴使扫掠支架绕扫掠半轴中心线往复转动，使铰接在转块15扫掠支架上的扭转被动锥齿轮、固定在扭转被动锥齿轮上的翅膀，绕扫掠半轴中心线往复转动实现扫掠；扭转电机经扭转主、被动齿轮，扭转主、被动锥齿轮，使扭转被动锥齿轮自转，实现翅膀扭转。
附图说明
图1为本发明一种基于齿轮传动的三自由度扑翼实验台结构示意图；
图2为本发明一种基于齿轮传动的三自由度扑翼实验台结构示意图；
图3为本发明一种基于齿轮传动的三自由度扑翼实验台结构的扑动机构示意图；
图4为本发明一种基于齿轮传动的三自由度扑翼实验台结构的扫掠机构示意图；
图5为本发明一种基于齿轮传动的三自由度扑翼实验台结构的扭转机构示意图；
图6为本发明一种基于齿轮传动的三自由度扑翼实验台结构的扑翼安装局部爆炸图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。 应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参见附图1-6，一种基于齿轮传动的三自由度扑翼实验台，它包括：机架1、扑动机构2、扫掠机构3、扭转机构4、扑翼5；
所述的机架1呈U形槽状；
所述的扑动机构2包括扑动电机21、扑动轴22、扑翼第一固定架23；
所述的扑动轴22交接安装在机架1上，与机架1的槽口垂直设置；
所述的扑动电机21固定在机架1上；
所述的扑动轴22上设有第一扑动齿轮221，扑动电机21的输出轴上设有第二扑动齿轮211；
所述的第一扑动齿轮221与扑动轴22相互固定连接；
所述的第一扑动齿轮221与第二扑动齿轮211相互啮合；
所述的扑翼第一固定架23呈矩形块状，中部设有扑动轴容纳孔231，上、下端面有阶梯沉头盲孔232；
所述的扑动轴22安装在扑动轴容纳孔231中，且扑动轴22与扑翼第一固定架23相互固定连接；
所述的扫掠机构3安装在扑翼第一固定架23上；
所述的扫掠机构3包括：扫掠半轴31、扫掠支架32、扫掠从动锥齿轮33、扫掠主动锥齿轮34、扫掠驱动齿轮35、扫掠电机36；
所述的扫掠半轴31分别铰接安装在扑翼第一固定架13的两侧，并且与扑动轴12垂直设置；
所述的扫掠支架32呈C字形，端部固定在扫掠半轴31上；
所述的扫掠支架32的中部设有第一铰接孔321；
所述的第一铰接孔321与扫掠半轴31垂直设置；
所述的扫掠从动锥齿轮33固定安装在扫掠支架32下部的扫掠半轴31的端部；
所述的扫掠主动锥齿轮34安装在扑动轴22上，扫掠主动锥齿轮34与扑翼第一固定架23之间设有限位套筒；
所述的扫掠主动锥齿轮34与扫掠从动锥齿轮33相互啮合；
所述的扫掠驱动齿轮35安装在扑动轴22上，与扫掠主动锥齿轮34固定连接；
所述的扫掠电机36固定在机架1上；
所述的扫掠电机36上设有与扫掠驱动齿轮35相互啮合的齿轮；
所述的扭转机构4铰接安装在扫掠机构3的第一铰接孔321上；
所述的扭转机构4包括：扭转从动锥齿轮41、扭转主动锥齿轮42、扭转从动齿轮43、扭转主动齿轮44、扭转电机45；
所述的扭转从动锥齿轮41铰接安装在扫掠支架32上的第一铰接孔321中；
所述的扭转主动锥齿轮42与扭转从动齿轮43共同安装在远离扫掠从动锥齿轮33一侧的扫掠半轴31上；
且扭转主动锥齿轮42与扭转从动齿轮43与扫掠半轴31三者固定连接；
所述的扭转电机45安装在扭转电机固定架451上；
所述的扭转电机固定架451的一端设有固定套筒452，且固定套筒的轴线与扭转电机45的中轴线垂直设置；
所述的固定套筒452套设在扑动轴22上，与扑翼第一固定架23相互固定连接；
所述的扭转主动齿轮44安装在扭转电机45的输出轴上；
所述的扭转主动齿轮44与扭转从动齿轮43相啮合；
所述的扑翼5固定安装在扭转从动锥齿轮41上，与第一铰接孔321同轴设置。
使用时，首先将机架1固定，扑动电机21经过第一扑动齿轮211、第二扑动齿轮221带动扑动轴22运动，扑动电机21进行往复转动，带动扑动轴22转动，扑动轴22带动扑翼第一固定架23转动，完成扑翼的上下扑动动作；同时扫掠机构3的扫掠电机36开始工作，扫掠电机36经过扫掠驱动齿轮35驱动扫掠主动锥齿轮34、扫掠从动锥齿轮33旋转，完成扫掠运动；同时扭转机构4开始运动，扭转电机45经过扭转从动齿轮43、扭转主动齿轮44带动扭转主动锥齿轮42旋转，扭转主动锥齿轮42带动扭转从动锥齿轮41旋转，完成扭转运动。
三个自由度运动间有耦合，但可通过控制三个电机的速度和位移得到翅膀的各种复合运动。单纯扑动时，扑动电机以速度V1往复运动，扭转电机不转，扫掠电机按一定速比和扑动电机同步转动即可实现；单纯扫掠时，扫掠电机往复转动，扑动电机固定不动，扭转电机按一定速比和扫掠电机同步转动，即可实现；单纯扭转时，只需扭转电机转动，另外两个电机均固定不动即可。同样的，三个电机在速度和位移上配合可实现任意轨迹的扑动动作。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于齿轮传动的三自由度扑翼实验台，其特征在于：它包括：机架(1)、扑动机构(2)、扫掠机构(3)、扭转机构(4)、扑翼（5）；所述的扑动机构(2)包括扑动电机(21)、扑动轴(22)、扑翼第一固定架(23)；所述的扑动轴(22)交接安装在机架(1)上，与机架(1)的槽口垂直设置；所述的扑动电机(21)固定在机架(1)上，扑动电机的输出轴上设有第二扑动齿轮211；所述的扑动轴(22)上设有第一扑动齿轮(221)，扑动电机(21)的输出轴上设有第二扑动齿轮(211)；所述的第一扑动齿轮(221)与扑动轴(22)相互固定连接；所述的第一扑动齿轮(221)与第二扑动齿轮(211)相互啮合；所述的扑翼第一固定架(23)呈矩形块状，中部设有扑动轴容纳孔(231)，上下端面有阶梯沉头盲孔（232）；所述的扑动轴(22)安装在扑动轴容纳孔(231)中，且扑动轴(22)与扑翼第一固定架(23)相互固定连接；所述的扫掠机构(3)安装在扑翼第一固定架(23)上；所述的扭转机构(4)铰接安装在扫掠机构(3)的第一铰接孔(321)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于齿轮传动的三自由度扑翼实验台，其特征在于：所述的扫掠机构(3)包括：扫掠半轴(31)、扫掠支架(32)、扫掠从动锥齿轮(33)、扫掠主动锥齿轮(34)、扫掠驱动齿轮(35)、扫掠电机(36)、推力球轴承（37）；所述的扫掠半轴(31)铰接安装在扑翼第一固定架(23)下侧的阶梯沉头盲孔（232），并且与扑动轴(12)垂直设置；所述的扫掠支架(32)呈C字形，端部固定在扫掠半轴(31)上；所述的扫掠支架(32)的中部设有第一铰接孔(321)；所述的第一铰接孔(321)与扫掠半轴(31)垂直设置；所述的扫掠从动锥齿轮(33)固定安装在扫掠支架(32)下部的扫掠半轴(31)的端部；所述的扫掠主动锥齿轮(34)安装在扑动轴(22)上，扫掠主动锥齿轮(34)与扑翼第一固定架(23)之间设有限位套筒（未画出）；所述的扫掠主动锥齿轮(34)与扫掠从动锥齿轮(33)相互啮合；所述的扫掠驱动齿轮(35)安装在扑动轴(22)上，与扫掠主动锥齿轮(34)固定连接；所述的扫掠电机(36)固定在机架(1)上；所述的扫掠电机(36)上设有与扫掠驱动齿轮(35)相互啮合的齿轮；所述推力球轴承（37）部分埋在扑翼第一固定架阶梯沉头孔（232）中，与扫掠半轴（31）铰接。
3.根据权利要求2所述的一种基于齿轮传动的三自由度扑翼实验台，其特征在于：所述的扭转机构(4)包括：扭转从动锥齿轮(41)、扭转主动锥齿轮(42)、扭转从动齿轮(43)、扭转主动齿轮(44)、扭转电机(45)、扭转半轴（46）；所述的扭转从动锥齿轮(41)铰接安装在扫掠支架(32)上的第一铰接孔(321)中；所述的扭转主动锥齿轮(42)与扭转从动齿轮(43)共同安装在远离扫掠从动锥齿轮(33)一侧的扫掠半轴(31)上；且扭转主动锥齿轮(42)与扭转从动齿轮(43)与扫掠半轴(31)三者固定连接；所述的扭转电机(45)安装在扭转电机固定架(451)上；所述的扭转电机固定架(451)的一端设有固定套筒(452)，且固定套筒的轴线与扭转电机(45)的中轴线垂直设置；所述的固定套筒(452)套设在扑动轴(22)上，与扑翼第一固定架(23)相互固定连接；所述的扭转主动齿轮(44)安装在扭转电机(45)的输出轴上；所述的扭转主动齿轮(44)与扭转从动齿轮(43)相啮合。
4.根据权利要求1所述一种基于齿轮传动的三自由度扑翼实验台，其特征在于：所述的扑翼(5)还有一系列安装零件，包括扑翼支座（51）、螺栓（52）、推力球轴承（53）、定位套筒（54）、螺母（55），扑翼（5）固定安装在扑翼支座（51）上；扑翼支座（51）通过螺栓（52）、螺母（55）安装在扭转从动锥齿轮(41)上，与第一铰接孔(321)同轴设置；扑翼（5）与扭转从动锥齿轮（41）之间用推力球轴承（53）和定位套筒（54）连接定位。
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2018
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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