CN109502019A - 一种大型仿生的扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型仿生的扑翼飞行器，包括机架、两个扑动机构、尾翼机构和两个扑翼机构，扑动机构包括驱动齿轮、三角连杆、摇杆一和摇杆二，三角连杆的第一角铰接在驱动齿轮的偏心处，三角连杆的第二角与摇杆一内侧端铰接相连，摇杆一中部通过转动副安装在机架上，摇杆一外侧端与相应的扑翼机构相连，三角连杆第三角与摇杆二内侧端铰接相连，摇杆二外侧端与相应的扑翼机构相连，摇杆二和摇杆一交叉设置，左右两个扑动机构的驱动齿轮相互啮合安装在机架前端，其中左扑动机构或者右扑动机构的驱动齿轮通过电机驱动。本发明仿生程度较高，气动性能和机动性能强，性能好，还能用于军事侦察以及抢险救灾等特殊任务。

Description

一种大型仿生的扑翼飞行器

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，涉及一种扑翼飞行器，具体涉及一种大型仿生的扑翼飞行器。

背景技术

扑翼飞行器，是指像鸟一样通过机翼主动运动产生升力和前行力的飞行器，扑翼飞行器在飞行过程中靠双翼扇动进行飞行。其无论是在军事侦察领域还是民用救灾等领域，它都有十分广阔的应用前景。

扑翼飞行与固定翼和旋翼飞行相比，具有如原地或小场地起飞，良好的飞行机动性和一定的空中悬停性能，长距离飞行能耗较少等特点。目前现有的单自由度扑翼飞行器只能进行单一的上下扑动，飞行方向单一。多自由度的扑翼飞行器能更好模拟生物飞行，实现扑动、扭转、折叠等飞行方式，多自由度扑翼飞行器相较单自由度扑翼飞行器在机动性、气动效率上有巨大优势。

发明内容

本发明提供一种大型仿生扑翼飞行器，以解决目前对大型仿生扑翼飞行器的研究较少的现状，以及对于仿大型生物飞行的姿态，产生高升力与大推力和整机的机动性能的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：

一种大型仿生的扑翼飞行器，包括机架、两个扑动机构、尾翼机构和两个扑翼机构，其特征在于：两个扑动机构左右对称的安装在机架前端，两个扑翼机构左右对称的安装在两个扑动机构上，所述尾翼机构安装在机架尾端；所述扑动机构包括驱动齿轮、三角连杆、摇杆一和摇杆二，三角连杆位于底部的第一角铰接在驱动齿轮的偏心处，三角连杆位于顶部的第二角与摇杆一内侧端铰接相连，摇杆一中部通过转动副安装在机架上，摇杆一外侧端与相应的扑翼机构相连，三角连杆位于外侧的第三角与摇杆二内侧端铰接相连，摇杆二外侧端与相应的扑翼机构相连，且摇杆二外侧端位于摇杆一外侧端上方，摇杆二和摇杆一交叉设置，左右两个扑动机构的驱动齿轮相互啮合安装在机架前端，其中左扑动机构或者右扑动机构的驱动齿轮通过电机驱动。

作为改进，所述摇杆一和摇杆二分别铰接在三角连杆的前后两侧，使得摇杆一和摇杆二呈交叉状安装不相互干扰。

作为改进，所述驱动齿轮为镂空齿轮，驱动齿轮上设有曲柄，曲柄一端与驱动齿轮中心处固定相连，另一端与三角连杆位于底部的第一角铰接相连。

作为改进，左右两边的扑动机构均设有两个驱动齿轮，单边的两个驱动齿轮通过齿轮轴相连形成双联齿轮，左右两边扑动机构的双联齿轮的对应驱动齿轮相互啮合安装，对应的机架单边设有两个三角连杆、两个摇杆一和两个摇杆二，单边的两个摇杆一中部通过固定轴相连后安装在机架上，在机架单边形成稳定的双连杆机构，两个摇杆一可以绕固定轴转动。

作为改进，所述扑翼机构包括扑翼固定板、外翼杆、扑翼舵机、外翼骨架和蒙皮，所述摇杆一外侧端铰接在扑翼固定板下部，摇杆二外侧端铰接在扑翼固定板上部，三角连杆、摇杆一、摇杆二和扑翼固定板形成交叉形的四边形机构，所述扑翼舵机固定安装在扑翼固定板上，外翼杆安装在扑翼固定板外侧，外翼杆与扑翼舵机的输出轴相连，通过扑翼舵机可以驱动外翼杆扭转运动，多个外翼骨架排列形式安装在外翼杆上，所述蒙皮将扑翼固定板和所有外翼骨架包裹起来形成完整的扑翼。

作为改进，所述外翼骨架为前大后小流线型的支撑板，所述支撑板横向固定安装在外翼杆上。

作为改进，所述支撑板为减轻自重的镂空板，每侧扑翼机构上有3-8个支撑板。

作为改进，所述机架包括前机架和后机架，所述后机架为固定圆盘，前机架和固定圆盘之间通过机身固定杆相连，所述扑动机构安装在前机架左右两侧，尾翼机构安装在后机架上。

作为改进，所述尾翼机构包括尾翼舵机和尾翼，所述尾翼舵机安装在固定圆盘上，所述尾翼为前端小后端大的扇形尾翼或者三角形尾翼，尾翼前端通过连接板与尾翼舵机的输出轴相连。

本发明有益效果是：

本发明优点新颖，采用完全对称的扑翼机构，扑翼机构采用左右以及前后对称，使左右扑动机构进行上下扑动是完全是零相位差，可以使机构平衡，左右升力、阻力相同。本发明左右前后两边扑动结构一致，分别对称布置在机架的左右前后两侧，并固定在机架上。本发明扑翼飞行器的翼尖运动轨迹近似“8”字形，和自然界中大部分鸟类运动模式相似，具有扑动和扭转两个自由度，并且扑动角度大，可以提供是扑翼飞行器飞行的高升力与大推力，改善了飞行器的气动性能，具有气动效率高和机动性能强的优点，本发明仿生程度较高，性能好，还能用于军事侦察以及抢险救灾等特殊任务。

附图说明

图1是本发明扑翼飞行器的整体结构示意图；

图2是本发明扑翼飞行器的机架示意图；

图3是本发明实施例中右扑动机构安装示意图；

图4是本发明右扑动机构和右扑翼机构安装关系正视图；

图5是本发明右扑动机构和右扑翼机构安装关系三维图；

图6是本发明右扑翼机构结构示意图；

图7是本发明尾翼机构示意图。

图中：1-机架，101-前机架，102-固定圆盘，103-机身固定杆，104-固定轴，2-驱动电机，3-右扑动机构，4-右扑翼机构，5-尾翼机构，6-左扑动机构，7-左扑翼机构，301-连杆一，302-连杆二，303-摇杆一，304-摇杆二，305-连杆三，306-曲柄，307-驱动齿轮，308-齿轮轴，401-扑翼固定板，402-扑翼舵机，403-外翼杆，404-外翼骨架，501-尾翼舵机，502-尾翼，503-连接板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护范围。

如图1至图7所示，一种大型仿生的扑翼飞行器，包括机架1、驱动电机2、右扑动机构3、右扑翼机构4、尾翼机构5、左扑动机构6、左扑翼机构7，机架1包括前机架101和后机架，所述后机架为固定圆盘102，前机架101和固定圆盘102之间通过机身固定杆103相连，驱动齿轮307安装在前机架101上，右扑动机构3和左扑动机构6的结构、参数和工作原理都相同，分别对称布置在前机架101的左右两侧，右扑翼机构4与左扑翼机构7构造、参数及材料相同，分别与右扑动机构3和左扑动机构6相连，分别对称分布于机架1左右两侧，在前机架101和后机架之间放置小型无刷电机作为驱动电机2，通过驱动电机2作为驱动机构运转的动力来源，尾翼机构5固连在机架1的固定圆盘102上，尾翼机构5由一个尾翼舵机501与扇形尾翼502组成。

下面以右扑动机构3为例对扑动机构结构进行说明：

如图2至图4所示，右扑动机构3包括驱动齿轮307、曲柄306、连杆一301、连杆二302、连杆三305、摇杆一303和摇杆二304，连杆一301、连杆二302、连杆三305依次首尾相连组成三角连杆，驱动齿轮307安装在前机架101上，曲柄306一端开有一通孔，另一端设有一短轴，曲柄306通过通孔与驱动齿轮307的中心轴固定相连，随着驱动齿轮307的旋转而摆动，连杆一301下端和连杆三305下端通过转动副安装在曲柄306的短轴上，具体可以是轴承安装，也可以是销孔配合，连杆二302两端分别与连杆一301和连杆三305顶部相连组成三角连杆，摇杆一303内侧端铰接在连杆一301顶部，摇杆二304内侧端铰接在连杆三305顶部，其中，摇杆一303中部开一个通孔与机架1上的固定轴104转动相连，摇杆一303的外侧端与扑翼固定板401下端相连，摇杆二304的外侧端与扑翼固定板401的上端相连，两摇杆形成交叉状，摇杆一303和摇杆二304分别铰接在三角连杆前后两侧，互不干涉。

左扑动机构6和右扑动机构3的结构完全一样，且右扑动机构3和左扑动机构6的驱动齿轮307啮合安装，其中一个驱动齿轮307与驱动电机2轴连接，通过驱动电机2驱动旋转，通过齿轮啮合带动另一个驱动齿轮307旋转，驱动齿轮307的旋转通过曲柄306带动三角连杆摇动，三角连杆通过摇杆一303和摇杆二304带动扑翼上下扑动。

如图5所示，作为一种改进的实施例，上述右扑动机构3有两个，两个右扑动机构3安装在前机架101的前后两侧，两个右扑动机构3的驱动齿轮307通过齿轮轴308相连形成双联齿轮，然后安装在前机架101上，两个右扑动机构3的摇杆一303中部通过固定轴104相连，然后安装在前机架101上，两个右扑动机构3的摇杆一303外侧端分别与扑翼固定板401前后两侧的底部铰接相连，两个右扑动机构3的摇杆二304外侧端分别与扑翼固定板401前后两侧的顶部铰接相连，两个右扑动机构3按照上述连接方式组成稳定的右扑动机构组，通过右扑动机构组保证右扑翼机构4扑动运行的稳定性；同样，两个左扑动机构6按照上述连接方式组成稳定的左扑动机构组，通过左扑动机构组保证左扑翼机构7扑动运行的稳定性，在此实施例中，两个双联齿轮的对应驱动齿轮307相互啮合安装，其中一个双联齿轮的齿轮轴308与驱动电机2的输出轴轴连接。

下面以右扑翼结构为例说明扑翼机构的结构，左右扑翼机构完全对称相同。

如图6所示，右扑翼机构4包括扑翼固定板401、扑翼舵机402、外翼杆403、外翼骨架404和蒙皮，扑翼固定板401上开有四个通孔分别与四个摇杆(两个摇杆一303加上两个摇杆二304)的一端通孔通过转动副相连相连，扑翼舵机402放置在扑翼固定板401内侧的中部位置，外翼杆403安装在扑翼固定板401外侧，外翼杆403与扑翼舵机402的输出轴相连，通过扑翼舵机402控制外翼杆403的扭转运动，外翼骨架404有多个，多个外翼骨架404排列形式与外翼杆403固连，所述蒙皮将扑翼固定板401和所有外翼骨架404包裹起来形成完整的扑翼，外翼杆403放置在外翼骨架404上更能模仿生物的运动姿态，本实施例中，所述外翼骨架404为前大后小流线型的支撑板，所述支撑板横向固定安装在外翼杆403上，支撑板为减轻自重的镂空板，每侧扑翼机构上有4个，但不限于4个，可以根据需要进行数量调整。

如图7所示，尾翼机构5包括尾翼舵机501和尾翼502，所述尾翼舵机501安装在固定圆盘102上，所述尾翼502为前端小后端大的扇形尾翼或者三角形尾翼，尾翼502前端通过连接板503与尾翼舵机501的输出轴相连，通过尾翼舵机501控制尾翼502进行左右转向产生摇摆运动，可以改变扑翼飞行器飞行方向。

工作时，本发明实施例中的驱动电机2带动驱动齿轮307旋转，驱动齿轮307的旋转通过曲柄306带动三角连杆摇动，由于摇杆一303中部铰接在机架1上，因此三角连杆带动摇杆一303绕其铰接点转动，同时通过三角连杆的连杆二302、摇杆一303、摇杆二304和扑翼固定板401形成交叉形的四边形机构带动扑翼进行上下的扑动运动，扑翼上下扑动过程中，还可以通过扑翼舵机402控制外翼杆403旋转，从而调整扑翼的攻角，达到最佳扑动升力，另外本还可以设置控制系统，比如单片机、MCU或PLC控制器，通过控制系统对驱动电机2、扑翼舵机402和尾翼舵机501自动调整。

以上所述的控制系统以及动力系统属于现有技术，本发明工作时，控制系统接收到地面人员遥控器发出控制信号，动力系统的无刷小电机开始工作驱动减速齿轮组，将动力传递至左右曲柄306，带动左右曲柄306同步转动，左右扑动机构3也随之而动，带动左右扑翼机构4进行上下扑动动作，利用控制系统调节扑翼机构上的舵机，使扑翼机构进行扭转运动，可以使扑翼机构形成上下扑动和前后扭转的运动轨迹，为飞行器提供推升力。

Claims (9)

1.一种大型仿生的扑翼飞行器，包括机架、两个扑动机构、尾翼机构和两个扑翼机构，其特征在于：两个扑动机构左右对称的安装在机架前端，两个扑翼机构左右对称的安装在两个扑动机构上，所述尾翼机构安装在机架尾端；所述扑动机构包括驱动齿轮、三角连杆、摇杆一和摇杆二，三角连杆位于底部的第一角铰接在驱动齿轮的偏心处，三角连杆位于顶部的第二角与摇杆一内侧端铰接相连，摇杆一中部通过转动副安装在机架上，摇杆一外侧端与相应的扑翼机构相连，三角连杆位于外侧的第三角与摇杆二内侧端铰接相连，摇杆二外侧端与相应的扑翼机构相连，且摇杆二外侧端位于摇杆一外侧端上方，摇杆二和摇杆一交叉设置，左右两个扑动机构的驱动齿轮相互啮合安装在机架前端，其中左扑动机构或者右扑动机构的驱动齿轮通过电机驱动。

2.如权利要求1所述的扑翼飞行器，其特征在于：所述摇杆一和摇杆二分别铰接在三角连杆的前后两侧，使得摇杆一和摇杆二呈交叉状安装不相互干扰。

3.如权利要求2所述的扑翼飞行器，其特征在于：所述驱动齿轮为镂空齿轮，驱动齿轮上设有曲柄，曲柄一端与驱动齿轮中心处固定相连，另一端与三角连杆位于底部的第一角铰接相连。

4.如权利要求3所述的扑翼飞行器，其特征在于：左右两边的扑动机构均设有两个驱动齿轮，单边的两个驱动齿轮通过齿轮轴相连形成双联齿轮，左右两边扑动机构的双联齿轮的对应驱动齿轮相互啮合安装，对应的机架单边设有两个三角连杆、两个摇杆一和两个摇杆二，单边的两个摇杆一中部通过固定轴相连后安装在机架上，在机架单边形成稳定的双连杆机构，两个摇杆一可以绕固定轴转动。

5.如权利要求1至4任意一项所述的扑翼飞行器，其特征在于：所述扑翼机构包括扑翼固定板、外翼杆、扑翼舵机、外翼骨架和蒙皮，所述摇杆一外侧端铰接在扑翼固定板下部，摇杆二外侧端铰接在扑翼固定板上部，三角连杆、摇杆一、摇杆二和扑翼固定板形成交叉形的四边形机构，所述扑翼舵机固定安装在扑翼固定板上，外翼杆安装在扑翼固定板外侧，外翼杆与扑翼舵机的输出轴相连，通过扑翼舵机可以驱动外翼杆扭转运动，多个外翼骨架排列形式安装在外翼杆上，所述蒙皮将扑翼固定板和所有外翼骨架包裹起来形成完整的扑翼。

6.如权利要求5所述的扑翼飞行器，其特征在于：所述外翼骨架为前大后小流线型的支撑板，所述支撑板横向固定安装在外翼杆上。

7.如权利要求6所述的扑翼飞行器，其特征在于：所述支撑板为减轻自重的镂空板，每侧扑翼机构上有3-8个支撑板。

8.如权利要求5所述的扑翼飞行器，其特征在于：所述机架包括前机架和后机架，所述后机架为固定圆盘，前机架和固定圆盘之间通过机身固定杆相连，所述扑动机构安装在前机架左右两侧，尾翼机构安装在后机架上。

9.如权利要求8所述的扑翼飞行器，其特征在于：所述尾翼机构包括尾翼舵机和尾翼，所述尾翼舵机安装在固定圆盘上，所述尾翼为前端小后端大的扇形尾翼或者三角形尾翼，尾翼前端通过连接板与尾翼舵机的输出轴相连。