CN109515746B - 一种三自由度扑翼运动测试实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三自由度扑翼运动测试实验平台，采用整体周转式差动轮系设计，底部由一对电机驱动差动轮系实现扑翼两个自由度的运动，顶部由另一个电机驱动，带动底部实验装置进行整体的周转运动，实现第三个自由度的运动。翅膀与运动轴之间集成了六维力传感器，通过联轴器与实验平台连接。本发明自由度高，可模拟昆虫扑翼更全面的运动形式；且适用性广，仅需更换扑翼结构即可进行多种扑翼的测试；同时通过六维力传感器与扑翼连接，提高测量精度高。

Description

一种三自由度扑翼运动测试实验平台

技术领域

本发明涉及一种三自由度扑翼运动测试实验平台，是一种特别针对防昆虫运动，且可实现三个角度运动的扑翼的实验平台。

背景技术

微型扑翼飞行器气动力测试系统是由沈阳自动化研究所设计的一种专门测试微型扑翼飞行器的升力和推力的测试实验平台。该平台原理图如图1所示，图中简单标了一下，Fx是水平力，代表推力，Fy是竖直力，代表升力，F是两者的合力，G代表重力，通过顶部和尾部的两个力传感器，测量运动状态下的扑翼飞行器的升力和推力，结构简单、灵敏度高。

但是这种测试平台有很多局限性，首先，只能针对完整的扑翼飞行器来测试其气动力状态，无法专门针对扑翼进行气动力测试；其次，其只能测量升力和推力两个方向的力，无法进行更多角度，更多运动状态的力的测量；最后，该平台的扑翼运动自由度单一，自由度较少，不适用于复杂的昆虫扑翼运动研究。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种三自由度扑翼运动测试实验平台，采用特定的联轴器与扑翼模型相连接，专门针对扑翼飞行器的扑翼进行运动测试，不需搭建完整的扑翼飞行器即可得到扑翼相关的各方面参数；且采用六维力传感器进行测量，可以得到多个维度的力和力矩等信息；同时还采用差动轮系，为扑翼测试提供了三个自由度的运动模式。

本发明三自由度扑翼运动测试实验平台,通过俯仰滚转驱动机构驱动一套差动轮系运动，实现安装于差动轮系输出轴上安装的扑翼的俯仰角及滚转角改变；同时，通过偏航驱动机构驱动差动轮系水平方向转动，实现扑翼的偏航方向的改变。具体为：通过一组俯仰滚转驱动机构驱动差动轮系中两侧斜齿轮同向同步转动，带动与两斜齿轮啮合的另一个斜齿轮俯仰角发生变化，进而带动扑翼俯仰角发生改变。通过一组驱动机构驱动差动轮系两侧斜齿轮反向同步转动时，带动与两斜齿轮啮合的另一个斜齿轮滚转角改变，进而带动扑翼滚转角发生改变；不为上述两种情况时，扑翼进行既有俯仰角又有滚转角的耦合运动。

上述扑翼与差动轮系输出轴间通过联轴器安装有六维力传感器，来测量扑翼运动过程中的受力。

本发明的优点在于：

1、本发明三自由度扑翼运动测试实验平台，自由度高，包含三个自由度，可模拟昆虫扑翼更全面的运动形式。

2、本发明三自由度扑翼运动测试实验平台，适用性广，扑翼与实验平台通过联轴器连接，不需要改变实验平台的结构，仅需更换扑翼结构即可进行多种扑翼的测试。

3、本发明三自由度扑翼运动测试实验平台，测量精度高，实验平台通过六维力传感器与扑翼连接，可以精确测量多个维度的受力情况，并生成随时间变化的数据曲线，为扑翼的模拟仿真提供更全面的数据支持。

附图说明

图1为现有微型扑翼飞行器气动力测试系统结构示意图；

图2为本发明三自由度扑翼运动测试实验平台结构示意图；

图3为本发明三自由度扑翼运动测试实验平台结构中差动轮系结构示意图；

图4为本发明三自由度扑翼运动测试实验平台结构中差动轮系安装方式示意图；

图5为本发明三自由度扑翼运动测试实验平台结构中扑翼安装方式示意图。

图中：

1-平台框架 2-差动轮系 3-偏航驱动电机；

4-主动轮A 5-传动轮A 6-传动皮带A ；

7-俯仰滚转驱动电机 8-主动轮B 9-传动轮B ；

10-传动皮带B 11-扑翼 12-六维力传感器；

101-上平台 102-下框架 103转动连接杆；

104-转动轴 201-轮架 202-斜齿轮；

203-左转轴 204-右转轴 205-输出轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明三自由度扑翼运动测试实验平台,包括平台框架1、差动轮系2以及驱动系统，如图2所示。

所述平台框架1包括上平台101、下框架102以及转动连接杆103。其中，上平台101水平设置，转动连接杆103垂直于上平台101设置。转动连接杆103 顶端设计有转动轴104，转动轴104通过一对角接触轴承与上平台101中心位置连接，使转动轴104吊装于上平台101下方。转动连接杆103底端安装有下框架102，下框架102为由L型结构的左半部和右半部构成，左半部与右半部的一端作为固定端，固定于转动连接杆103底端左右对称位置，形成倒U行结构的下框架102。左半部与右半部的另一端作为连接端，用来连接差动轮系2。

所述差动轮系2由轮架201与三个斜齿轮202构成，如图3、图4所示。其中，轮架201为U型框架结构，位于下框架102内。轮架201两侧分别与下框架 102左半部与右半部连接端处通过轴承同轴安装的左转轴203和右转轴204内端通过轴承相连，保持轮架201俯仰角度的旋转特性。

三个斜齿轮202位于轮架201内，其中两个斜齿轮202分别设置于轮架201 左右两侧，固定于左转轴203和右转轴204内端；另一斜齿轮202设置于轮架 201底部，固定于插入轮架201底部的输出轴205内端固定。且上述三个斜齿轮 202间相互啮合。如图5所示，所述输出轴205的外端端部通过联轴器与一个六维力传感器12的端部相连，六维力传感器12的另一端通过联轴器连接扑翼，由输出轴205输出扑翼11的运动特性，通过六维力传感器12对扑翼11运动过程中的受力进行测量。

如图1所示，所述驱动系统由两部分构成，分别为偏航驱动系统以及俯仰滚转驱动系统。其中，偏航驱动系统用来驱动转动连接杆103转动；偏航驱动系统包括偏航驱动电机3与由主动轮A4、传动轮A5、传动皮带A6构成的偏航传动机构。俯仰滚转驱动系统具有两套，分别置于转动连接杆103的左右两侧，用来驱动轮架201左右两侧的斜齿轮202转动；俯仰滚转驱动系统包括俯仰滚转驱动电机7与由主动轮B8、传动轮B9、传动皮带B10构成的俯仰传动机构。所述偏航驱动电机3与俯仰滚转驱动电机7均采用直流伺服电机。

上述偏航驱动系统中，偏航驱动电机3固定于上平台101下表面上，输出轴竖直设置，穿过上平台101后与主动轮A4同轴固连。传动轮A5同轴固定于转动连接杆103顶端转动轴104上；主动轮A4与传动轮A5间通过传动皮带A6套接。由此，通过偏航驱动电机3驱动主动轮A4转动，通过传动皮带A6传动，带动传动轮A5转动，进而带动转动连接杆103及差动轮系2整体的水平方向转动，以此实现扑翼11的偏航方向的转动控制。

转动连接杆103的左侧的俯仰滚转驱动系统中，俯仰滚转驱动电机7通过电机支架固定于转动杆上；俯仰滚转驱动电机7输出轴上同轴固定主动轮B8；传动轮B8同轴固定于下框架102左半部连接端处的左转轴203外端；主动轮B8 与传动轮B9间通过传动皮带B10套接。同理，转动连接杆103的右侧的俯仰滚转驱动系统中，俯仰滚转驱动电机7通过电机支架固定于转动杆上；俯仰滚转驱动电机7输出轴上同轴固定主动轮B8；传动轮B8同轴固定于下框架102右半部连接端处的右转轴203外端；主动轮B8与传动轮B9间通过传动皮带B10套接。

由此，当通过两套俯仰滚转驱动系统中俯仰滚转驱动电机7驱动轮架201左右两侧的斜齿轮202同向同步转动时，中间的斜齿轮202不发生转动，此时整个差动系统2的轮架201俯仰角改变，造成斜齿轮202俯仰角改变，进而实现扑翼 11相应的俯仰角发生改变；当通过两套俯仰滚转驱动系统中俯仰滚转驱动电机7 驱动轮架201左右两侧的斜齿轮202反向同步转动时，中间的斜齿轮202不发生俯仰角的改变，仅进行滚转角的改变，进而扑翼11滚转角也随之转动；当两侧斜齿轮202运动不为上述两种情况时，中间的斜齿轮202会带动扑翼进行既有俯仰角又有滚转角的复杂耦合运动。

上述扑翼11的多个维度受力情况，可由六维力传感器12精确测量，并生成随时间变化的数据曲线，为扑翼的模拟仿真提供更全面的数据支持。

Claims (5)

1.一种三自由度扑翼运动测试实验平台,其特征在于：通过俯仰滚转驱动机构驱动一套差动轮系运动，实现安装于差动轮系输出轴上安装的扑翼的俯仰角及滚转角改变；且通过偏航驱动机构驱动差动轮系水平方向转动，实现扑翼的偏航方向的改变；

所述差动轮系由轮架与三个相互啮合的斜齿轮构成；轮架两侧通过转轴安装两个斜齿轮；轮架底部通过输出轴安装另一个斜齿轮；输出轴端部安装扑翼；通过两套俯仰滚转驱动机构驱动两侧斜齿轮同向同步转动，带动相应的俯仰角发生改变；通过两套俯仰滚转驱动机构驱动两侧斜齿轮反向同步转动时，带动扑翼滚转角发生改变；不为上述两种情况时，扑翼进行既有俯仰角又有滚转角的耦合运动。

2.如权利要求1所述一种三自由度扑翼运动测试实验平台,其特征在于：差动轮系安装于一个平台框架上的转动连接杆上，通过驱动机构驱动转动连接杆转动，带动差动轮系水平转动，带动扑翼偏航方向的转动控制。

3.如权利要求1所述一种三自由度扑翼运动测试实验平台,其特征在于：俯仰滚转驱动机构中，由俯仰滚转驱动电机驱动主动轮转动，由皮带传动。

4.如权利要求1所述一种三自由度扑翼运动测试实验平台,其特征在于：通过偏转驱动机构驱动轮架两侧转轴转动，驱动机构中，由俯仰滚转驱动电机驱动主动轮转动，由皮带传动。

5.如权利要求1所述一种三自由度扑翼运动测试实验平台,其特征在于：扑翼与差动轮系输出轴间通过联轴器安装有六维力传感器。

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