CN109533323A - 一种具有单自由度可折叠翼的微型扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有单自由度可折叠翼的微型扑翼飞行器，包括单自由度可折叠翼，齿轮传动系统和电机驱动模块；电机驱动模块和齿轮传动系统安装在飞行器机架上，通过传动轴进行连接；可折叠翼和齿轮传动系统之间通过曲柄摇杆机构连接，实现两个折叠翼的同步扑翼运动。本发明基于折纸理论设计的折叠翼，使折叠翼具有更大的折叠率，在非工作时可以将折叠翼收拢以减少存放空间，并且该折叠翼仅具有单个自由度，通过一卷尺弹簧就可以实现折叠翼的自动展开与锁定，使得折叠可靠性得到显著提高。

Description

一种具有单自由度可折叠翼的微型扑翼飞行器

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，特别是涉及一种具有单自由度可折叠翼的微型扑翼飞行器。

背景技术

微型飞行器一般是指翼展长度在15cm以内，重量不超过100g，飞行速度为10-20m/s，留空时间20-60min；它应具有实时成像，导航和通讯传输能力，在军事侦察，跟踪拍摄，获取敌情等军事领域，以及灾后救援，勘探检测，航空拍摄等民用领域都具有巨大的应用前景。

目前，已有的扑翼微型飞行器有很多种：美国加州大学伯克利分校从1998年开始研究一种微机械飞行昆虫MFI，通过模仿绿头苍蝇，制作一种能实现自主飞行和复杂运动的微型飞行昆虫，其翼展25mm，翅膀拍打频率150Hz，质量100mg，利用压电陶瓷PZT驱动。韩国建国大学的Muhammad等根据四平面理论，利用形状记忆合金丝作为驱动器，实现了仿生可折叠翼的折叠展开动作，但是该方法设计的折叠翼折叠效果并不理想，翅膀折叠率也不高。Truong等人基于四杆机构设计了仿生可折叠翼，利用连杆实现翅脉的主要支撑，由聚丙烯薄膜制作翅膜，结构简单，但是对翅膀形态进行折叠和调整比较困难。斯坦福大学的Stowers等人仿照鸟类和蝙蝠的翅膀形态设计一种利用离心加速度使机翼展开的仿生可折叠翼，该方法无需其他辅助装置，仅凭翅膀自身产生的惯性力实现翅膀的折叠展开，结构简单并能实现自我调节，但是由于借助惯性力作用，整体翅膀尺寸较大，无法微型化。

具有折叠翼的扑翼飞行器希望在飞行器非工作时间将翅膀折叠起来，以减少微型飞行器的存放空间，在工作时，希望折叠翼展开后并能自锁，以此实现在扑翼拍动过程中翅膀保持正常的运动形态。因此，设计结构简单、具有较大折叠率和自锁功能的可折叠昆虫翅膀成为微型扑翼飞行器折叠翼的研究难点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种具有单自由度可折叠翼的微型扑翼飞行器，解决现有折叠翼有折叠率低、无法自主展开以及展开后无法进行自锁的问题。采用卷尺弹簧进行展开驱动自锁，结构简单容易实现，使得折叠可靠性得到显著提升。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种具有单自由度可折叠翼的微型扑翼飞行器，包括：

一对由驱动系统同步控制拍打的单自由度折叠翼，每只所述折叠翼包括可多次折叠的折叠翼框架以及借助与折叠翼框架连接的固定杆固定在所述折叠翼框架上的折叠翼膜片，所述折叠翼框架采用两单顶点四折痕组合的折叠结构，包括六个预制成型的框架，其中第一框架与第三框架，第二框架与第四框架，第三框架与第四框架,第三框架与第五框架,第五框架与第六框架以及第四框架与第六框架均为铰接连接，所述第一框架与第二框架之间采用卷尺弹簧驱动器进行单自由度驱动折叠翼进行展开运动，以实现折叠翼的自主展开和展开后的自锁。

每个所述折叠翼框架通过连接的折叠翼连接板与驱动系统传动连接，其中，所述的折叠翼连接板与折叠翼固定摇杆相连接，所述折叠翼固定摇杆与驱动系统传动连接。

所述的驱动系统包括驱动电机以及与所述驱动电机传动连接的齿轮传动系统，所述齿轮传动系统包括曲柄摇杆机构及二级齿轮减速机构；所述二级齿轮减速机构的输入端与驱动电机传动轴连接、输出端与所述曲柄摇杆机构的输入端的摇杆齿轮连接；两个折叠翼固定摇杆通过摇杆传动轴套连接摇杆传动轴，两个摇杆齿轮通过啮合实现同步运动，将转动传递到连杆后再传递到折叠翼固定摇杆，使得折叠翼固定摇杆能够实现一定角度的拍动运动，进而带动折叠翼实现空间拍动运动。

所述二级齿轮减速机构包括第一直齿轮、第二直齿轮，驱动电机传动轴上的电机传动齿轮与第一直齿轮啮合，第二直齿轮与第二直齿轮传动轴连接，第二直齿轮与一侧的摇杆齿轮啮合，两个摇杆齿轮分别与两个连杆通过连杆传动轴连接，进而带动两个折叠翼固定摇杆进行同步运动。

所述摇杆齿轮的传动轴，第二直齿轮传动轴和摇杆传动轴，以及电机传动轴均分别与电机传动固定架上的轴孔间隙配合。

所述驱动电机安装在电机支撑架上，所述电机支撑架连接位于底部的电机控制器安装箱，电机控制器安装箱内有电机的供电电池及电机驱动器，所述的折叠翼固定摇杆的摇杆传动轴支撑架固定在所述电机支撑架的上部。

本发明基于折纸理论设计的折叠翼，使折叠翼具有更大的折叠率，在非工作时可以将折叠翼收拢以减少存放空间，并且该折叠翼仅具有单个自由度，通过一个卷尺弹簧就可以实现折叠翼的自动展开与锁定，使得折叠可靠性得到显著提高。

本发明中，通过使用齿轮传动系统连接电机驱动模块与曲柄摇杆机构，实现一个电机控制两个折叠翼的同步拍动，提升该折叠翼在拍动过程中的稳定性，同时采用微型驱动电机进行驱动，有利于实现较高的扑翼频率，具有结构简单，重量轻，运行稳定传动效率高等优点。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的折叠翼结构示意图。

图3是本发明卷尺弹簧驱动器示意图。

图4是本发明折叠翼角度参数示意图。

图5是本发明的折叠翼整体结构折叠过程示意图。

图6是本发明的折叠翼框架结构折叠过程示意图。

图7是本发明的齿轮传动系统、电机驱动模块及机架示意图。

图8是本发明的齿轮传动系统、电机驱动模块及机架侧视图。

附图标记：

1-折叠翼，2-齿轮传动系统，3-电机驱动模块，1-1折叠翼连接板，1-2折叠翼框架，1-3合页铰链，1-4卷尺弹簧驱动器，1-4-1卷尺弹簧固定块，1-4-2卷尺弹簧，1-4-3卷尺弹簧固定销轴，1-5折叠翼薄膜，1-6折叠翼薄膜固定杆，2-1第二直齿轮，2-2摇杆齿轮，2-3摇杆齿轮传动轴，2-4连杆，2-5摇杆固定销轴，2-6折叠翼固定摇杆，2-7第二直齿轮传动轴，2-8连杆传动轴，2-9摇杆传动轴，2-10第一直齿轮，2-11电机传动齿轮，2-12曲柄连杆固定卡环，2-13电机传动轴固定机架，2-14摇杆传动轴套，3-1电机控制器安装箱，3-2电机电池，3-3电机驱动器，3-4驱动电机，3-5电机传动轴，3-6电机支撑架，3-7电机架翻盖，3-8摇杆传动轴支撑架，4-1第一框架，4-2第二框架，4-3第三框架，4-4第四框架，4-5第五框架，4-6第六框架。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。

如图1所示，本发明的一种具有单自由度可折叠翼的微型扑翼飞行器，包括单自由度折叠翼、齿轮传动系统和电机驱动模块。

本实施例中，两个折叠翼(1)安装在齿轮传动系统2中的曲柄摇杆机构上，并连同电机驱动模块3固定在机架上。如图2所示，其中折叠翼包括折叠翼连接板1-1，折叠翼框架1-2，合页铰链1-3，卷尺弹簧驱动器1-4，折叠翼薄膜1-5和折叠翼薄膜固定杆1-6；折叠翼框架1-2由六个框架构成，第一框架4-1与第三框架4-3，第二框架4-2与第四框架4-4，第三框架4-3与第四框架4-4,第三框架4-3与第五框架4-5,第五框架4-5与第六框架4-6，以及第四框架4-4与第六框架4-6之间均采用合页铰链1-3进行连接，第一框架4-1与第二框架4-2之间采用卷尺弹簧驱动器1-4进行单自由度驱动折叠翼进行展开运动；折叠翼框架1-2上粘附有聚丙烯材料制作的折叠翼薄膜1-5，重量较轻且可以在翅膀扑动过程中提供较大的升力。

图3所示为卷尺弹簧驱动器结构示意图，该卷尺弹簧驱动器由卷尺弹簧固定块1-4-1，卷尺弹簧1-4-2和卷尺弹簧固定销轴1-4-3构成；所述卷尺弹簧1-4-2通过卷尺弹簧固定销轴1-4-3与卷尺弹簧固定块1-4-1和折叠翼框架1-2连接在一起；所述卷尺弹簧在两个方向上折叠所需力矩大小不同，在水平状态会受到这两个方向的力矩保持稳定，在非工作时通过手动施加大于锁定力矩的力克服弹力使得折叠翼折叠，在工作时通过卷尺弹簧自身的弹力使得折叠翼六个板展开并自锁。

如图4所示，所述折叠翼折叠方式依据折纸理论进行设计，其中为相邻折叠翼折痕之间的夹角，该折叠翼由两个单顶点四折痕公用一条折痕构成，其相应的角度关系满足：α₁+α₄＝π，α₂+α₃＝π，α₅+α₈＝π，α₆+α₇＝π；为了减小折叠过程中的驱动力，实现较大的折叠率，并保证折叠过程更加可靠，本发明优选各个角度小于180度，并且各个角之间相差不太大，该方案可以通过设计各个折叠翼框架的厚度实现折叠翼折叠过程，如图5和图6所示为折叠翼和折叠翼框架的折叠过程，相较于已有的折叠翼具有更大的折叠率且只具有单自由度，结构简单。

如图5和图6所示，齿轮传动系统由二级齿轮减速机构和曲柄连杆机构组成，曲柄连杆机构将连杆2-4通过连杆传动轴2-8和曲柄连杆固定卡环2-12与摇杆齿轮2-2固定，再将折叠翼固定摇杆2-6通过摇杆固定销轴2-5与连杆2-4连接在一起，两个折叠翼固定摇杆通过摇杆传动轴2-9和摇杆传动轴套2-14连接实现同步运动，将折叠翼通过折叠翼连接板1-1固定在曲柄摇杆机构摇杆上，通过曲柄摇杆的运动实现折叠翼的扑动。

其中，二级齿轮减速机构包括第二直齿轮2-1，摇杆齿轮2-2，摇杆齿轮传动轴2-3，第二直齿轮传动轴2-7，第一直齿轮2-10，电机传动齿轮2-11，曲柄连杆固定卡环2-12和电机传动轴固定机架2-13；摇杆齿轮传动轴2-3，第二直齿轮传动轴2-7，摇杆传动轴2-3和电机传动轴3-5均分别于电机传动轴固定机架2-13上的轴孔间隙配合，所有齿轮均与相应的轴过盈配合。电机传动齿轮2-11与第一直齿轮2-10啮合，第二直齿轮2-3与一侧的摇杆齿轮2-2啮合，两个摇杆齿轮2-2相互啮合以保证两个翅膀的同步拍动。

两个摇杆齿轮2-2分别与两个连杆2-4通过连杆传动轴2-8相连接，进而带动两个折叠翼固定摇杆2-6进行同步运动，通过这种方式可以使用一个电机控制两个折叠翼的同步拍动，所述齿轮传动系统2将电机传动轴3-5输出的转动进行减速再进过曲柄摇杆机构传递到折叠翼3上。

本实施例中，电机驱动模块包括电机控制器安装箱3-1，电机电池3-2，电机驱动器3-3，驱动电机3-4，电机传动轴3-5，电机支撑架3-6，电机架翻盖3-7和摇杆传动轴支撑架3-8；电机控制器安装箱3-6安装在电机支撑架3-1上方，再将摇杆传动轴支撑架3-8通过电机架翻盖3-7安装到电机支撑架3-6上方，用来为摇杆传动轴2-9提供支撑。电机电池3-2为小型锂离子电池，在电机控制器安装箱3-1上设置有凹槽，用以安装电机电池3-1和电机驱动器3-3。

本发明的具体工作过程如下：对折叠状态下的折叠翼人为去除约束，使得卷尺弹簧驱动器1-4在弹簧自身的弹力作用下驱动折叠翼展开至平整状态并自锁；驱动电机3-4与电机驱动器3-3通过导线连接，利用遥控器发出的控制信号，使得驱动电机传动轴3-5以一定速度旋转，通过齿轮传动系统，将电机传动轴3-5的旋转运动传递到摇杆齿轮2-2，摇杆齿轮2-2带动连杆2-4以一定速率做圆周运动，通过连杆2-4带动折叠翼固定摇杆2-6形成折叠翼在空间的拍动运动。

本发明中，使用齿轮传动系统连接电机驱动模块与曲柄摇杆机构，实现一个电机控制两个折叠翼的同步拍动，提升该折叠翼在拍动过程中的稳定性，同时采用微型驱动电机进行驱动，有利于实现较高的扑翼频率，具有结构简单，重量轻，运行稳定传动效率高等优点。

本实施例中的折叠翼框架，齿轮传动系统及电机驱动模块中的支撑构件均为3D打印件，材料为光敏树脂，此加工方法及材料的选择，使得扑翼机构加工简单，结构紧凑，重量较轻，成本较低。所有的传动轴使用碳纤维棒，其具有强度高，质量轻的优点。驱动电机3-4具体为614空心杯电机，电机电池3-2具体为3.7v锂离子聚合物电池。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有单自由度可折叠翼的微型扑翼飞行器，其特征在于，包括一对由驱动系统同步控制拍打的单自由度折叠翼，每只所述折叠翼包括可多次折叠的折叠翼框架以及借助与折叠翼框架连接的固定杆固定在所述折叠翼框架上的折叠翼膜片，所述折叠翼框架采用两单顶点四折痕组合的折叠结构，包括六个预制成型的框架，其中第一框架与第三框架，第二框架与第四框架，第三框架与第四框架,第三框架与第五框架,第五框架与第六框架以及第四框架与第六框架均为铰接连接，所述第一框架与第二框架之间采用卷尺弹簧驱动器进行单自由度驱动折叠翼进行展开运动，以实现折叠翼的自主展开和展开后的自锁。

2.如权利要求1所述具有单自由度可折叠翼的微型扑翼飞行器，其特征在于，每个所述折叠翼框架通过连接的折叠翼连接板与驱动系统传动连接，其中，所述的折叠翼连接板与折叠翼固定摇杆相连接，所述折叠翼固定摇杆与驱动系统传动连接。

3.如权利要求2所述具有单自由度可折叠翼的微型扑翼飞行器，其特征在于，所述的驱动系统包括驱动电机以及与所述驱动电机传动连接的齿轮传动系统，所述齿轮传动系统包括曲柄摇杆机构及二级齿轮减速机构；所述二级齿轮减速机构的输入端与驱动电机传动轴连接、输出端与所述曲柄摇杆机构的输入端的摇杆齿轮连接；两个折叠翼固定摇杆通过摇杆传动轴套连接摇杆传动轴，两个摇杆齿轮通过啮合实现同步运动，将转动传递到连杆后再传递到折叠翼固定摇杆，使得折叠翼固定摇杆能够实现一定角度的拍动运动，进而带动折叠翼实现空间拍动运动。

4.如权利要求3所述具有单自由度可折叠翼的微型扑翼飞行器，其特征在于，所述二级齿轮减速机构包括第一直齿轮、第二直齿轮，驱动电机传动轴上的电机传动齿轮与第一直齿轮啮合，第二直齿轮与第二直齿轮传动轴连接，第二直齿轮与一侧的摇杆齿轮啮合，两个摇杆齿轮分别与两个连杆通过连杆传动轴连接，进而带动两个折叠翼固定摇杆进行同步运动。

5.如权利要求4所述具有单自由度可折叠翼的微型扑翼飞行器，其特征在于，所述摇杆齿轮的传动轴，第二直齿轮传动轴和摇杆传动轴，以及电机传动轴均分别与电机传动固定架上的轴孔间隙配合。

6.根据权利要求5所述具有单自由度可折叠翼的微型扑翼飞行器，其特征在于，所述驱动电机安装在电机支撑架上，所述电机支撑架连接位于底部的电机控制器安装箱，电机控制器安装箱内有电机的供电电池及电机驱动器，所述的折叠翼固定摇杆的摇杆传动轴支撑架固定在所述电机支撑架的上部。

7.根据权利要求6所述具有单自由度可折叠翼的微型扑翼飞行器，其特征在于，所述的供电电池为小型锂离子电池。