CN109334975B - 可变形机翼的三铰仿生变体机构及其设计方法 - Google Patents

可变形机翼的三铰仿生变体机构及其设计方法 Download PDF

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Abstract

可变形机翼的三铰仿生变体机构，包括臂部旋臂、肘部旋臂、腕部旋臂，其中臂部旋臂的起始端通过臂部旋转铰连接机身，臂部旋臂的末端通过肘部旋转铰连接肘部旋臂的起始端，肘部旋臂的末端通过腕部旋转铰连接腕部旋臂的起始端；臂部旋臂相对机身做扭转角ω1、后掠角ψ1和上反角
Figure DEST_PATH_FDA0002547331850000011
运动，肘部旋臂相对臂部旋臂做后掠角ψ2运动，腕部旋臂相对肘部旋臂扭转角ω3、后掠角ψ3和上反角
Figure DEST_PATH_FDA0002547331850000012
运动；臂部旋转铰和腕部旋转铰是三自由度旋转铰，肘部旋转铰是单自由度旋转铰。本发明还包括可变形机翼的三铰仿生变体机构的设计方法。

Description

可变形机翼的三铰仿生变体机构及其设计方法
技术领域
本发明涉及飞行器机翼结构及其设计方法。
背景技术
自然界中的鸟类能够灵活利用空气中的能量，花费较小的生物能量进行长时间的盘旋飞行；亦可以变换为攻击姿态，实现高速冲刺等。其依靠的是自身独特的骨骼和肌肉系统完成多关节联动的多自由度动作，实现翅膀的变体飞行，具有极高的灵活性和机动性。
借鉴鸟类的生理构造，进行变体机翼的仿生设计将会是实现人类飞行器变体飞行的有效手段。
为解决机翼变体问题，提出了一种仿生变体机构。变形机翼的仿生变体机构将使机翼具有类似鸟类大幅度改变机翼平面形状、上反角、后掠角、扭转角分布等能力。
与自然界中鸟类相比，现有飞行器具有飞行包线小、机动性能低和环境适应能力差等问题。
发明内容
本发明要克服现有技术的上述确定，提供可变形机翼的三铰仿生变体机构及其设计方法。
自然界中，鸟类在空中的飞行方式千变万化，然而其动作实现是肌肉控制下的骨骼运动，为此可基于鸟类肌肉和骨骼的结构和动作变化，提出变体的新方案
为此，本发明提出了一种新的解决方案：包括对自然界中的飞行生物飞行时翅膀动作的研究，仿生出一根臂部旋臂、两根肘部旋臂、一根腕部旋臂，此外还包括臂部旋转铰、肘部旋转铰、腕部旋转铰和作动装置。臂部旋臂，与机身相连，用于绕机身上一个旋转铰定点转动；两个肘部旋臂共同组成肘部平面，肘部旋臂与臂部旋臂相连，用于绕肘部旋转铰转动；一个腕部旋臂与肘部旋臂，用于绕腕部旋臂上一个旋转铰定点转动。
其中，一根臂部旋臂通过对鸟类一根肱骨的测绘获得。
其中，两根肘部旋臂通过对鸟类尺骨和桡骨的测绘获得，两根肘部旋臂在两端固定，形成稳定的肘部平面以提供位于机翼中部的大面积蒙皮的承力机构。
其中，一根腕部旋臂通过对鸟类一根掌骨的测绘获得。
其中，臂部旋转铰连接机身和臂部旋臂，通过作动装置的控制实现臂部旋臂的转动。
其中，肘部旋转铰连接臂部旋臂和肘部旋臂，通过作动器实现肘部旋臂相对于臂部旋臂的转动。
其中，腕部旋转铰连接腕部旋臂和肘部旋臂，通过作动器实现腕部旋臂相对于肘部旋臂的转动。
可变形机翼的三铰仿生变体机构，其特征在于：包括臂部旋臂2、肘部旋臂3、腕部旋臂4，其中臂部旋臂2起始端通过臂部旋转铰5连接机身1，臂部旋臂2的末端通过肘部旋转铰6连接肘部旋臂3的起始端，肘部旋臂3的末端通过腕部旋转铰7连接腕部旋臂4的起始端；
臂部旋臂2相对机身1做扭转角ω1、后掠角ψ1和上反角
Figure GDA0002547331860000021
运动，肘部旋臂3相对臂部旋臂2做后掠角ψ2运动，腕部旋臂4相对肘部旋臂3扭转角ω3、后掠角ψ3和上反角
Figure GDA0002547331860000022
运动；
臂部旋转铰5和腕部旋转铰7是三自由度旋转铰，肘部旋转铰6是单自由度旋转铰；
所述的肘部旋转铰6包括安装在肘部旋臂起始端连接接头10上的第四电机8，第四电机8的输出轴连接臂部旋臂末端连接接头9，第四电机8控制肘部旋臂起始端连接接头10相对于臂部旋臂末端连接接头9转动，从而完成肘部旋臂3相对臂部旋臂2做后掠角ψ2运动；
所述的臂部旋转铰5包括安装在机身1上的第一电机11，安装在第一连接接头14上的第二电机12、安装在第二连接接头15上的第三电机13；第一电机11的输出端连接第一连接接头14，第二电机12的输出端连接第二连接接头15的起始端，第二连接接头15的末端安装有第三电机13，第三电机13的输出端连接臂部旋臂对接接头16的起始端，臂部旋臂对接接头16的末端连接臂部旋臂2；第一电机11控制第一连接接头14相对于机身1做扭转运动，对应于臂部旋臂2相对机身1做扭转角ω1的运动；第二电机12控制第二连接接头15相对于第一连接接头14做变后掠运动，对应于臂部旋臂2相对于机身1做后掠角ψ1运动；第三电机13控制臂部旋臂对接接头16相对于第二连接接头15做变上反运动，对应于臂部旋臂2相对机身1做上反角
Figure GDA0002547331860000024
运动；
所述的腕部旋转铰7包括安装在肘部旋臂末端连接接头23上的第五电机17，安装在第三连接接头20上的第六电机18、安装在第四连接接头21上的第七电机19；第五电机17的输出端连接第三连接接头20，第六电机18的输出端连接第四连接接头21的起始端，第四连接接头21的末端安装有第七电机19，第七电机19的输出端连接腕部旋臂对接接头22的起始端，腕部旋臂对接接头22的末端连接腕部旋臂4；第五电机17控制第三连接接头20相对于肘部旋臂末端连接接头23做扭转运动，对应于腕部旋臂4相对肘部旋臂3做扭转角ω1的运动；第六电机18控制第四连接接头21相对于第三连接接头20做变后掠运动，对应于腕部旋臂4相对于肘部旋臂3做后掠角ψ1运动；第七电机19控制腕部旋臂对接接头22相对于第四连接接头21做变上反运动，对应于腕部旋臂4相对肘部旋臂3做上反角
Figure GDA0002547331860000023
运动；
可变形机翼的三铰仿生变体机构的设计方法，包括以下步骤：
(1)以鸽子翅膀为母本，拔去覆盖于翅膀上的羽毛，制作出无羽毛的翅膀样本；
(2)对鸟翅膀各关节进行研究，了解关节配置，获得在运动时骨骼的相互牵连和关节转动参数，包括肩关节a、肘关节b和、腕关节c。
其中肩关节a固定于鸟身体部分，以肩关节为铰点前后、上下转动肱骨，测量肱骨可活动的最大圆锥角度范围，包括扭转角ω1、后掠角ψ1和上反角
Figure GDA0002547331860000031
其中肘关节b固定于肱骨，以肘关节b为铰点前后转动尺骨和桡骨，测量可前后移动的角度范围，包括后掠角ψ2。
其中腕关节c固定尺骨和桡骨，以腕关节为铰点前后、左右转动掌骨，测量掌骨可活动的最大圆锥角度范围，包括扭转角ω3、后掠角ψ3和上反角
Figure GDA0002547331860000032
(3)对步骤(2)中无羽毛样本进行解剖，剥离覆盖于翅膀上的皮肤、肌肉等组织直至翅膀骨骼完全呈现出，对肱骨、尺骨、桡骨和掌骨进行三维扫描测绘，获得其长度、直径和点云的尺寸数据；
(4)结合步骤(2)中的运动参数和步骤(3)中的尺寸参数，构建包括仿生的臂部旋臂、肘部旋臂、腕部旋臂、臂部旋转铰、肘部旋转铰和腕部旋转铰等组成的三铰变体机构。其中，臂部旋臂可以相对机身做扭转角ω1、后掠角ψ1和上反角
Figure GDA0002547331860000036
运动，肘部旋臂可以相对臂部旋臂做后掠角ψ2运动，腕部旋臂可以相对肘部旋臂扭转角ω3、后掠角ψ3和上反角
Figure GDA0002547331860000033
运动。
(5)依据步骤(3)中的肱骨、尺骨、桡骨和掌骨的测绘点云数据，采用3D打印方法加工出仿肱骨、尺骨、桡骨和掌骨结构。电机结合臂部接头实现臂部旋转铰、肘部旋转铰和腕部旋转铰，具体包括：
51.根据扫描的肱骨外形3D打印出臂部旋臂，起始段设置旋转铰连接接头，末端设置有旋转铰连接接头。
52.根据扫描的尺骨和桡骨外形3D打印出的肘部旋臂，起始段设置旋转铰连接接头，末端设置有旋转铰连接接头。
53.根据所扫描的掌骨外形3D打印出腕部旋臂，起始段设置有旋转铰连接接头。
54.制作臂部旋转铰结构，内含：第一电机通过控制臂部相对机身做扭转角ω1运动，第二电机控制臂部旋臂相对机身做上反角
Figure GDA0002547331860000034
运动，第三电机控制臂部旋臂相对机身做后掠角ψ1运动。
55.制作为肘部旋转铰结构，内含：第四电机控制肘部旋臂相对于臂部旋臂的后掠角ψ2运动。
56.制作为腕部旋转铰，内含：第五电机控制腕部旋臂相对肘部旋臂扭转角ω3运动，第六电机控制腕部旋臂相对于肘部旋臂的上反角
Figure GDA0002547331860000035
运动，第七电机控制腕部旋臂相对于肘部旋臂的后掠角ψ3运动。
发明的有益效果为：通过对鸟类翅膀动作的学习和模型，仿生出似鸟类翅膀的多自由度、多关节联动机构，实现了机翼面积、上反角、平面形状、扭转角分布的变化，实现了类似于鸟类翅膀的翱翔姿态、M型攻击姿态、着陆时的深失速姿态的协同变化，驱动装置使得设计机构从一个姿态快速可控地转变为另一个姿态，实现机翼的变体。与现有飞行器机翼变体相比，具有变化参数和机翼可变化形状多，使得飞行器具有宽包线气动性能最优和高机动能力高，可为飞行器设计人员提供了新一代变体飞行器设计方向。
附图说明
图1是鸟类翅膀骨骼和关节分布图。
图2是鸽子骨骼系统示意图。
图3是三铰仿生变体机构原理图
图4是三铰仿生变体机构的结构示意图。
图5是单自由度肘部旋转铰的结构示意图。
图6a是臂部旋转铰的三自由度臂部旋转铰的结构示意图。
图6b是腕部旋转铰的三自由度臂部旋转铰的结构示意图。
图7是平直机翼的三铰姿态示意图。
图8是向上扑翼的三铰姿态示意图。
图9是M形状机翼的三铰姿态示意图。
图10是变体机构带扭转、上反、后掠的组合变形的示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
变体机构设计以具有优秀机动飞行能力的鸽子翅膀为母本，采用解剖方法、测绘方法获得骨骼系统及其主要尺寸，依据主要骨骼功能和主要尺寸设计变体机构，具体步骤如下：
拔去覆盖于翅膀上的羽毛，制作出无羽毛的翅膀样本
图1鸟类翅膀骨骼和关节分布图。对鸟翅膀各关节进行研究，了解关节配置，同时研究在运动时骨骼的相互牵连和关节转动范围，包括(1)肩关节(2)肘关节(3)腕关节。
其中肩关节固定鸟身体部分，以肩关节为铰点四周转动肱骨，测量肱骨可活动的最大圆锥角度范围，包括扭转角ω1、后掠角ψ1和上反角
Figure GDA0002547331860000041
其中肘关节固定肱骨，以肘关节为铰点前后转动尺骨和桡骨，测量可前后移动的角度范围，包括后掠角ψ2。
其中腕关节固定尺骨和桡骨，以腕关节为铰点四周转动掌骨，测量掌骨可活动的最大圆锥角度范围，包括扭转角ω3、后掠角ψ3和上反角
Figure GDA0002547331860000042
图2对无羽毛样本进行解剖，剥离覆盖于翅膀上的皮肤、肌肉等组织直至翅膀骨骼完全呈现出，采用三维扫描获得肱骨、尺骨、桡骨和掌骨。
图3为根据翅膀骨骼和关节仿生出的变体机构原理图。包括仿生的臂部旋臂、肘部旋臂、腕部旋臂、臂部旋转铰、肘部旋转铰和腕部旋转铰。臂部旋臂可以相对机身做扭转角ω1、后掠角ψ1和上反角
Figure GDA0002547331860000043
运动，肘部旋臂可以相对臂部旋臂做后掠角ψ2运动，腕部旋臂可以相对肘部旋臂扭转角ω3、后掠角ψ3和上反角
Figure GDA0002547331860000044
运动。
图4为根据翅膀骨骼和关节仿生出的变体机构设计图，包括：臂部旋臂2、肘部旋臂3、腕部旋臂4、臂部旋转铰5、肘部旋转铰6和腕部旋转铰7。其中1为机身。
根据扫描的肱骨外形3D打印出臂部旋臂2，起始段设置旋转铰连接接头，末端设置有旋转铰连接接头。
根据扫描的尺骨和桡骨外形3D打印出的肘部旋臂3，起始段设置旋转铰连接接头，末端设置有旋转铰连接接头。
根据所扫描的掌骨外形3D打印出腕部旋臂4，起始段设置有旋转铰连接接头。
臂部旋转铰5，内含：第一电机通过控制臂部扭转角，第二电机控制臂部旋臂上反角，第三电机控制臂部旋臂后掠角。
肘部旋转铰6，内含：第四电机控制肘部旋臂相对于臂部旋臂的后掠角。
腕部旋转铰7，内含：第五电机控制腕部旋臂扭转角，第六电机控制腕部旋臂相对于肘部旋臂的上反角，第七电机控制腕部旋臂相对于肘部旋臂的后掠角。
图5为肘部单自由度旋转铰，包含：第四电机8，臂部旋臂末端连接接头9，肘部旋臂起始端连接接头10。第四电机8可控制肘部旋臂起始端连接接头10相对于臂部旋臂末端连接接头9转动，从而完成肘部旋臂相对于臂部旋臂的转动。
图6a是臂部三自由度旋转铰，包括旋转矢量方向相互垂直的第一电机11、第二电机12、第三电机13，第一电机11与第二电机12之间的第一连接接头14，第二电机12与第三电机13之间的第二连接接头15，第三电机13与臂部旋臂2之间的第三对接接头16，第一电机11连接机身1。第一电机11控制第一连接接头14相对于机身1做扭转运动，第二电机12控制第二连接接头15相对于第一连接接头14做变后掠运动，第三电机13控制第三对接接头16相对于第二连接接头15做变上反运动。
图6b为腕部三自由度旋转铰，包括旋转矢量方向相互垂直的第五电机17、第六电机18、第七电机19，第五电机17与第六电机18之间的第三连接接头20，第六电机18与第七电机19之间的第四连接接头21，第七电机19与腕部旋臂之间的第三对接接头22，第五电机17连接肘部旋臂末端对接接头23。第五电机17控制第三连接接头20相对于肘部旋臂对接接头23做扭转运动，第六电机18控制第四连接接头21相对于第三连接接头20做变后掠运动，第七电机19控制第三对接接头22相对于第二连接接头21做变上反运动。
表1列举了各作动装置控制的自由度及连接部件
表1各作动装置控制的自由度及连接部件
Figure GDA0002547331860000051
Figure GDA0002547331860000061
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.可变形机翼的三铰仿生变体机构，其特征在于：包括臂部旋臂(2)、肘部旋臂(3)、腕部旋臂(4)，其中臂部旋臂(2)起始端通过臂部旋转铰(5)连接机身(1)，臂部旋臂(2)的末端通过肘部旋转铰(6)连接肘部旋臂(3)的起始端，肘部旋臂(3)的末端通过腕部旋转铰(7)连接腕部旋臂(4)的起始端；
臂部旋臂(2)相对机身(1)做扭转角ω1、后掠角ψ1和上反角
Figure FDA0002547331850000011
运动，肘部旋臂(3)相对臂部旋臂(2)做后掠角ψ2运动，腕部旋臂(4)相对肘部旋臂(3)扭转角ω3、后掠角ψ3和上反角
Figure FDA0002547331850000012
运动；
臂部旋转铰(5)和腕部旋转铰(7)是三自由度旋转铰，肘部旋转铰(6)是单自由度旋转铰；
所述的肘部旋转铰(6)包括安装在肘部旋臂起始端连接接头(10)上的第四电机(8)，第四电机(8)的输出轴连接臂部旋臂末端连接接头(9)，第四电机(8)控制肘部旋臂起始端连接接头(10)相对于臂部旋臂末端连接接头(9)转动，从而完成肘部旋臂(3)相对臂部旋臂(2)做后掠角ψ2运动；
所述的臂部旋转铰(5)包括安装在机身(1)上的第一电机(11)，安装在第一连接接头(14)上的第二电机(12)、安装在第二连接接头(15)上的第三电机(13)；第一电机(11)的输出端连接第一连接接头(14)，第二电机(12)的输出端连接第二连接接头(15)的起始端，第二连接接头(15)的末端安装有第三电机(13)，第三电机(13)的输出端连接臂部旋臂对接接头(16)的起始端，臂部旋臂对接接头(16)的末端连接臂部旋臂(2)；第一电机(11)控制第一连接接头(14)相对于机身(1)做扭转运动，对应于臂部旋臂(2)相对机身(1)做扭转角ω1的运动；第二电机(12)控制第二连接接头(15)相对于第一连接接头(14)做变后掠运动，对应于臂部旋臂(2)相对于机身( 1) 做后掠角ψ1运动；第三电机(13)控制臂部旋臂对接接头(16)相对于第二连接接头(15)做变上反运动，对应于臂部旋臂(2)相对机身(1)做上反角
Figure FDA0002547331850000021
运动；
所述的腕部旋转铰(7)包括安装在肘部旋臂末端连接接头(23)上的第五电机(17)，安装在第三连接接头(20)上的第六电机(18)、安装在第四连接接头(21)上的第七电机(19)；第五电机(17)的输出端连接第三连接接头(20)，第六电机(18)的输出端连接第四连接接头(21)的起始端，第四连接接头(21)的末端安装有第七电机(19)，第七电机(19)的输出端连接腕部旋臂对接接头(22)的起始端，腕部旋臂对接接头(22)的末端连接腕部旋臂(4)；第五电机(17)控制第三连接接头(20)相对于肘部旋臂末端连接接头(23)做扭转运动，对应于腕部旋臂(4)相对肘部旋臂(3)做扭转角ω1的运动；第六电机(18)控制第四连接接头(21)相对于第三连接接头(20)做变后掠运动，对应于腕部旋臂(4)相对于肘部旋臂(3)做后掠角ψ1运动；第七电机(19)控制腕部旋臂对接接头(22)相对于第四连接接头(21)做变上反运动，对应于腕部旋臂(4)相对肘部旋臂(3)做上反角
Figure FDA0002547331850000022
运动。
2.如权利要求1所述的可变形机翼的三铰仿生变体机构的设计方法，包括以下步骤：
(1)以鸽子翅膀为母本，拔去覆盖于翅膀上的羽毛，制作出无羽毛的翅膀样本；
(2)对鸟翅膀各关节进行研究，了解关节配置，获得在运动时骨骼的相互牵连和关节转动参数，包括肩关节a、肘关节b和腕关节c；
其中肩关节a固定于鸟身体部分，以肩关节为铰点前后、上下转动肱骨，测量肱骨可活动的最大圆锥角度范围，包括扭转角ω1、后掠角ψ1和上反角
Figure FDA0002547331850000031
其中肘关节b固定于肱骨，以肘关节b为铰点前后转动尺骨和桡骨，测量可前后移动的角度范围，包括后掠角ψ2；
其中腕关节c固定尺骨和桡骨，以腕关节为铰点前后、左右转动掌骨，测量掌骨可活动的最大圆锥角度范围，包括扭转角ω3、后掠角ψ3和上反角
Figure FDA0002547331850000032
(3)对步骤(2)中无羽毛样本进行解剖，剥离覆盖于翅膀上的皮肤、肌肉等组织直至翅膀骨骼完全呈现出，对肱骨、尺骨、桡骨和掌骨进行三维扫描测绘，获得其长度、直径和点云的尺寸数据；
(4)结合步骤(2)中的运动参数和步骤(3)中的尺寸参数，构建包括仿生的臂部旋臂、肘部旋臂、腕部旋臂、臂部旋转铰、肘部旋转铰和腕部旋转铰组成的三铰变体机构；其中，臂部旋臂相对机身做扭转角ω1、后掠角ψ1和上反角
Figure FDA0002547331850000033
运动，肘部旋臂相对臂部旋臂做后掠角ψ2运动，腕部旋臂相对肘部旋臂扭转角ω3、后掠角ψ3和上反角
Figure FDA0002547331850000041
运动；
(5)依据步骤(3)中的肱骨、尺骨、桡骨和掌骨的测绘点云数据，采用3D打印方法加工出仿肱骨、尺骨、桡骨和掌骨结构；电机结合臂部接头实现臂部旋转铰、肘部旋转铰和腕部旋转铰，具体包括：
51.根据扫描的肱骨外形3D打印出臂部旋臂，起始段设置旋转铰连接接头，末端设置有旋转铰连接接头；
52.根据扫描的尺骨和桡骨外形3D打印出的肘部旋臂，起始段设置旋转铰连接接头，末端设置有旋转铰连接接头；
53.根据所扫描的掌骨外形3D打印出腕部旋臂，起始段设置有旋转铰连接接头；
54.制作臂部旋转铰结构，内含：第一电机通过控制臂部相对机身做扭转角ω1运动，第二电机控制臂部旋臂相对机身做上反角
Figure FDA0002547331850000042
运动，第三电机控制臂部旋臂相对机身做后掠角ψ1运动；
55.制作为肘部旋转铰结构，内含：第四电机控制肘部旋臂相对于臂部旋臂的后掠角ψ2运动；
56.制作为腕部旋转铰，内含：第五电机控制腕部旋臂相对肘部旋臂扭转角ω3运动，第六电机控制腕部旋臂相对于肘部旋臂的上反角
Figure FDA0002547331850000043
运动，第七电机控制腕部旋臂相对于肘部旋臂的后掠角ψ3运动。
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