CN109080829A

CN109080829A - 一种基于柔性铰链的微型扑翼飞行器

Info

Publication number: CN109080829A
Application number: CN201811197632.6A
Authority: CN
Inventors: 李仕博; 丛歆雨; 杨博; 章锐; 杨钰; 王姝歆
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2018-10-15
Filing date: 2018-10-15
Publication date: 2018-12-25

Abstract

一种基于柔性铰链的微型扑翼飞行器，其特征是它包括机身（1）和电机（10），电机（10）固联在机身（1）上，电机轴（11）和一号齿轮（4）同轴枢装；二号大齿轮（6）和二号小齿轮（7）同轴并固联；一号齿轮（4）和二号大齿轮（6）啮合，二号小齿轮（7）和三号齿轮（8）啮合，三号齿轮（8）和四号齿轮（9）啮合，两个连杆（12分别同轴枢装在三号齿轮（8）和四号齿轮（9）上，摇杆（13）既和机身（1）枢装也和连杆（12）枢装；两个摇杆（13）的外端分别和柔性铰链（14）的一端相连；而翅膀（2）和柔性铰链（14）的另一端相连。本发明结构简单，重量轻，制造方便，通过柔性铰链的被动变形使翅膀能有效的翻转，解决了微型扑翼飞行器在低雷诺数下飞行的难题。

Description

一种基于柔性铰链的微型扑翼飞行器

技术领域

本发明属于一种飞行技术，尤其是一种仿生飞行技术，具体地说是一种一种基于柔性铰链的微型扑翼飞行器。

背景技术

仿昆虫微型飞行器是一种新概念微型飞行器，通常具有尺寸小，隐蔽性好和行动灵活等优点，仿生学和空气动力学研究结果表明,对于翼展小于 15cm 的微型飞行器,扑翼飞行比固定翼和旋翼飞行更具优势。在国内，仿昆虫微型飞行器的研究近几年才成为热点。

目前，虽然微型飞行器具有独特的优势，但大部分研究仍处于实验室研究阶段，还没有实现真正的独立飞行，主要原因是小尺寸的飞行器在低雷诺数下难以产生足够的升力和推进力。当飞行器扑翼至最低点时，漩涡脱落，升力降低，飞行器难以获得持续、足够的升力。空气动力学研究表明，昆虫能在低雷诺数下飞行，是因为“clap-fling”机制（Weis Fogh提出）、“延缓时速效应”和“尾流捕获效应”。根据库塔茹科夫斯基定理，针对从左至右的空气来流（相当于飞行器从右往左飞行），当扑翼至最低点时，翅膀周围需增加一个顺时针的环量以维持升力。而获得这个环流可以通过翅膀前缘向上翻转获得。但以往的微型扑翼机要么使用多连杆机械控制翅膀的翻转，这样既繁杂又笨重；要么增加多个舵机驱动翻转，这样既耗能又增大了体积。

发明内容

本发明的目的是针对现有的仿昆虫微型飞行器为在扑翼处于最低点获得足够的升力嘏使用多连杆机械控制或多舵机驱动翅膀翻转而造成结构复杂和体积大，机身笨重的问题，设计一种利用柔性铰链的被动变形使翅膀能有效的翻转，制作方便的同时又减轻了质量的微型扑翼飞行器，。

本发明的技术方案是：

一种基于柔性铰链的微型扑翼飞行器，其特征是它包括机身1和电机10，电机10固联在机身1上，电机轴11和一号齿轮4同轴枢装，电机10的能量通过电机轴11输出，并带动一号齿轮4转动；二号齿轮5由二号大齿轮6和二号小齿轮7组成，二号大齿轮6和二号小齿轮7同轴并固联；一号齿轮4和二号大齿轮6啮合，一号齿轮4转动带动二号大齿轮6和二号小齿轮7同角速度转动；二号小齿轮7和三号齿轮8啮合，二号小齿轮7转动带动三号齿轮8同角速度转动；三号齿轮8和四号齿轮9啮合，三号齿轮转动8带动四号齿轮9同角速度转动；三号齿轮8和四号齿轮9都安装在机身1上，在扑翼过程中各只有一个相对自由度；两个连杆12分别同轴枢装在三号齿轮8和四号齿轮9上，摇杆13既和机身1枢装，也和连杆12枢装；当三号齿轮8和四号齿轮9转动时，两个连杆12也跟着运动，进而带动摇杆13摆动，从而实现扑翼过程；两个摇杆13的外端分别和柔性铰链14的一端相连；而翅膀2和柔性铰链14的另一端相连；翅脉3分布于翅膀2中，起维持翅膀2外形的作用。

所述的翅膀2的材料为聚酯薄膜，翅脉3的材料为碳纤维。

所述的柔性铰链14由柔性介质15和刚性介质16组成；柔性介质15的两端与刚性介质16连接，一个刚性介质16与翅膀2相连，另一个刚性介质16与摇杆13相连。

所述的柔性介质15的材料为聚酰亚胺，刚性介质16的材料为碳纤维。

本发明的有益效果：

本发明结构简单，重量轻，制造方便，通过柔性铰链的被动变形使翅膀能有效的翻转，解决了微型扑翼飞行器在低雷诺数下飞行的难题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的传动结构示意图。

图3是本发明的扑翼结构示意图。

图4是本发明的扑翼飞行器下扑到最低点过程中柔性铰链变形示意图。

图5是本发明的扑翼飞行器收最低点上提过程中柔性铰链变形示意图。

图中：1-机身；2-翅膀；3-翅脉；4-一号齿轮；5-二号齿轮；6-二号大齿轮；7-二号小齿轮8-三号齿轮9-四号齿轮；10-电机；11-电机轴；12-连杆；13-摇杆；14-柔性铰链；15-柔性介质；16-刚性介质；17-翅膀前缘；18-翅膀后缘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-5所示。

一种基于柔性铰链的微型扑翼飞行器，它包括机身1和电机10，电机10固联在机身1上，如图1所示，整个扑翼过程中电机10和机身1相对位置不发生变化；电机轴11和一号齿轮4同轴枢装（如图2），电机10的能量通过电机轴11输出，并带动一号齿轮4转动；二号齿轮5由二号大齿轮6和二号小齿轮7组成，二号大齿轮6和二号小齿轮7同轴并固联；一号齿轮4和二号大齿轮6啮合，一号齿轮4转动带动二号大齿轮6和二号小齿轮7同角速度转动；二号小齿轮7和三号齿轮8啮合，二号小齿轮7转动带动三号齿轮8同角速度转动；三号齿轮8和四号齿轮9啮合，三号齿轮转动8带动四号齿轮9同角速度转动；三号齿轮8和四号齿轮9都安装在机身1上，在扑翼过程中各只有一个相对自由度；两个连杆12分别同轴枢装在三号齿轮8和四号齿轮9上，摇杆13既和机身1枢装，也和连杆12枢装；当三号齿轮8和四号齿轮9转动时，两个连杆12也跟着运动，进而带动摇杆13摆动，从而实现扑翼过程；两个摇杆13的外端分别和柔性铰链14的一端相连；而翅膀2和柔性铰链14的另一端相连；翅脉3分布于翅膀2中，起维持翅膀2外形的作用。翅膀2的材料为聚酯薄膜，翅脉3的材料为碳纤维。如图3所示，柔性铰链14由柔性介质15和刚性介质16组成；所述的柔性介质15的材料为聚酰亚胺，刚性介质16的材料为碳纤维。柔性介质15的两端与刚性介质16连接，一个刚性介质16与翅膀2相连，另一个刚性介质16与摇杆13相连。柔性铰链14的作用是：根据库塔茹科夫斯基定理，针对从左至右的空气来流相当于飞行器从右往左飞行，当扑翼至最低点如图4时，翅膀周围需增加一个顺时针的环量以维持升力。当连杆12由最低点时并向上进行上提运动的一个时间微段内（见图5），翅膀2由于惯性仍向下运动。此时柔性铰链14中的柔性介质15变形，翅膀前缘17向下运动减速，翅膀后缘18向下运动速度几乎不变，这样便形成了顺时针翻转，进而激励了一个顺时针的环流，从而维持了扑翼最低点时的升力。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种基于柔性铰链的微型扑翼飞行器，其特征是它包括机身（1）和电机（10），电机（10）固联在机身（1）上，电机轴（11）和一号齿轮（4）同轴枢装，电机（10）的能量通过电机轴（11）输出，并带动一号齿轮（4）转动；二号齿轮（5）由二号大齿轮（6）和二号小齿轮（7）组成，二号大齿轮（6）和二号小齿轮（7）同轴并固联；一号齿轮（4）和二号大齿轮（6）啮合，一号齿轮（4）转动带动二号大齿轮（6）和二号小齿轮（7）同角速度转动；二号小齿轮（7）和三号齿轮（8）啮合，二号小齿轮（7）转动带动三号齿轮（8）同角速度转动；三号齿轮（8）和四号齿轮（9）啮合，三号齿轮转动（8）带动四号齿轮（9）同角速度转动；三号齿轮（8）和四号齿轮（9）都安装在机身（1）上，在扑翼过程中各只有一个相对自由度；两个连杆（12分别同轴枢装在三号齿轮（8）和四号齿轮（9）上，摇杆（13）既和机身（1）枢装，也和连杆（12）枢装；当三号齿轮（8）和四号齿轮（9）转动时，两个连杆（12）也跟着运动，进而带动摇杆（13）摆动，从而实现扑翼过程；两个摇杆（13）的外端分别和柔性铰链（14）的一端相连；而翅膀（2）和柔性铰链（14）的另一端相连；翅脉（3）分布于翅膀（2）中，起维持翅膀（2）外形的作用。

2.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的微型扑翼飞行器，其特征是所述的翅膀（2）的材料为聚酯薄膜，翅脉（3）的材料为碳纤维。

3.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的微型扑翼飞行器，其特征是所述的柔性铰链（14）由柔性介质（15）和刚性介质（16）组成；柔性介质（15）的两端与刚性介质（16）连接，一个刚性介质（16）与翅膀（2）相连，另一个刚性介质（16）与摇杆（13）相连。

4.根据权利要求3所述的基于柔性铰链的微型扑翼飞行器，其特征是所述的柔性介质（15）的材料为聚酰亚胺，刚性介质（16）的材料为碳纤维。