CN109592031A - 单侧单节点的仿生扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单侧单节点的仿生扑翼飞行器，该单侧单节点的仿生扑翼飞行器包括：机翼本体以及在机翼本体两侧镜像对称设置的两个机翼折叠结构，每一机翼折叠结构包括：第一臂、第二臂、关节结构、支撑杆、驱动机构以及驱动定位件；第一臂的第一端以及支撑杆的第一端分别对应连接机翼本体的机头部以及机尾部固定，第一臂的第二端、支撑杆的第二端、第二臂的第一端连接关节结构；第一臂、支撑杆以及机翼本体形成角度不变的三角形结构；驱动机构设置在机翼本体上，驱动机构的输出端通过驱动定位件连接第二臂，并通过驱动定位件带动第二臂以关节结构为中心朝第一方向旋转以达到机翼展开状态，朝第二方向旋转以达到机翼收拢状态。本发明能实现机翼的主动式折叠及飞行。

Description

单侧单节点的仿生扑翼飞行器

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种单侧单节点的仿生扑翼飞行器。

背景技术

2009年，韩国建国大学的Muhammad等根据英国埃克塞特大学的Haas等提出的四平面理论，利用形状记忆合金丝作为驱动器，成功实现了仿生可折叠翼的自动折叠展开动作。根据四平面理论，Muhammad等人制作出了一个仿生可折叠翼模型，该翅膀模型翼展7.5cm，重1.5g，翅膜厚1000μm，由5个平面组成，其中四个平面构成翅膀的翼面，另一个平面作为附加平面用于固定辅助设备。Muhammad等人在设计翅膀形状和结构的时候参考了金龟子独角仙的后翅，他们大体保留了独角仙翅膀的外形和翅脉布局，只是为了能够实现折叠在细节上进行了一定的修改。整个翅膀的折叠率(折叠前后翼面面积之比)为1.82，略小真实翅膀的折叠率2.32。2015年，斯坦福大学的Stowers等人仿照鸟类和蝙蝠的翅膀形态设计了一种利用离心加速度使机翼展开的仿生可折叠翼。该翅膀的支撑结构由前缘翅脉和支撑翅脉组成，支撑翅脉由直径0.28mm的圆形碳纤维棒制成，前缘翅脉又分为腕羽(arm wing)和大飞羽(hand wing)两段，其中腕羽由1mm直径的D型碳纤维棒制成，大飞羽由0.8mm直径的D型碳纤维棒制成。腕羽和大飞羽之间通过一个未触发的关节结构连接。该翅膀的翅膜由5μm的聚酯箔制成，并用胶粘固在支撑结构上。2016年布朗大学工程学院的M.Di Luca等人根据鸟类的羽毛结构及其变形规律设计出了仿生可折叠变形翼。这种可折叠机翼的有点在于：首先，它的外部机翼是柔性的，在碰到障碍物时不会因为发生机翼损坏；其次，机翼可以通过主动变形调整机翼大小飞过狭小空间；另外，通过收缩单侧机翼还可以对飞行器进行翻转控制。基于四杆机构的仿生可折叠翼是由HoChiMinh City University of Technology(HCMUT)的Truong Q-T等人设的。该仿生翅膀翼展8.46cm，重0.46g。它的翅脉结构由一系列连杆组成，这些连杆由环氧树脂板切割而成，并被分成两层。处于上面一层的连杆构成翅脉的主要支撑部分，处于下面一层的翅脉作为附加连杆，用于带动翅膀折叠。翅膜由7μm厚的聚丙烯薄膜制成。该翅膀最大优势在于结构简单，缺点在于需要依靠外力推动连杆结构才能实现折叠，当外力消失后翅膀将保持这一状态，无法对翅膀的形态进行折叠和调整，因此若翅膀在扑动中形态发生变化后无法及时修正。

现有的单侧单节点的仿生扑翼飞行器变形机翼包括有：专利(水空两栖航行器的仿生变形机翼及其入水控制方法，申请号：201610344964.7)通过两个伸缩机构实现初级羽翼和次级羽翼的折叠。该专利所描述的机翼主要是针对固定翼飞行器的变形机翼。

现有可变形扑翼飞行器的缺点：现有的扑翼飞行器变形机翼有一些机翼被动式折叠变形的并不能实现机翼的主动式折叠。即使有一些主动式的可折叠变形机翼虽然实现变形但是没有能够实现飞行。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种单侧单节点的仿生扑翼飞行器，以实现机翼的主动式折叠及飞行。

具体而言，本发明提供一种单侧单节点的仿生扑翼飞行器，包括：机翼本体以及在所述机翼本体两侧镜像对称设置的两个机翼折叠结构，每一机翼折叠结构包括：第一臂、第二臂、关节结构、支撑杆、驱动机构以及驱动定位件；所述第一臂的第一端以及所述支撑杆的第一端分别对应连接所述机翼本体的机头部以及机尾部固定，所述第一臂的第二端、所述支撑杆的第二端、所述第二臂的第一端连接所述关节结构；所述第一臂、所述支撑杆以及所述机翼本体形成角度不变的三角形结构；所述驱动机构设置在所述机翼本体上，所述驱动机构的输出端通过所述驱动定位件连接所述第二臂，并通过所述驱动定位件带动所述第二臂以所述关节结构为中心朝第一方向旋转以达到机翼展开状态，朝第二方向旋转以达到机翼收拢状态。

进一步地，所述驱动机构包括电机，所述驱动定位件包括绕线轮、第一连接线以及弹性连接件，所述电机的输出轴上安装有所述绕线轮；所述第一连接线的第一端连接所述绕线轮，所述第一连接线的第二端连接所述第二臂的第二端；所述弹性连接件的第一端连接所述第二臂的第二端，所述弹性连接件的第二端连接所述机翼本体；在所述机翼展开状态时，所述弹性连接件为压缩状态；在所述机翼收拢状态时，所述弹性连接件处于拉伸状态。

进一步地，所述弹性连接件包括弹簧和第二连接线，所述弹簧的第一端通过所述第二连接线连接所述第二臂的第二端，所述弹簧的第二端连接所述机翼本体，所述关节结构包括关节连接部以及导杆，所述第一臂的第二端、所述支撑杆的第二端、所述第二臂的第一端、以及所述导杆的第一端连接所述关节连接部；所述导杆的第二端连接所述第二连接线；所述第二臂的旋转带动所述导杆转动，进而通过牵引所述第二连接线改变所述弹簧的伸缩状态。

进一步地，所述电机为有刷电机，和/或，所述第一连接线以及所述第二连接线为尼龙连接线。

进一步地，所述有刷电机安装在所述机翼本体的机尾部。

进一步地，所述驱动机构包括舵机，所述驱动定位件包括第一连杆以及第二连杆；所述舵机的输出端连接所述第一连杆的第一端，所述第一连杆的第二端通过所述第二连杆连接所述第二臂；所述第一连杆与所述第二连杆之间形成预设角度；所述舵机旋转带动所述第一连杆转动，进而通过所述第二连杆带动所述第二臂以所述关节结构为中心朝第一方向旋转。

进一步地，每一机翼折叠结构还包括第一连接件、第二连接件及安装架，所述安装架通过所述第一连接件连接所述机翼本体，所述舵机安装在所述安装架上；所述第二连杆通过所述第二连接件连接所述第二臂。

进一步地，所述安装架通过所述第一连接件连接所述机翼本体的机尾部。

进一步地，所述预设角度为钝角。

进一步地，每一机翼折叠结构还包括多个骨架，每一所述骨架的第一端连接所述关节结构；每一机翼折叠结构还包括柔性材料形成的机翼面，所述第二臂的第二端以及每一所述骨架的第二端均连接所述机翼面；所述每一所述骨架跟随所述第二臂同步旋转。

本发明的单侧单节点的仿生扑翼飞行器，每一侧机翼折叠结构的采用单关节折叠机构的设计方法，机翼骨架在电机的驱动下通过关节结构进行机翼的折叠运动和展开运动，不仅可以被动折叠还可以主动折叠，实现机翼快速的折叠与展开，而且通过主动折叠还可以实现飞行器姿态的控制。

附图说明

并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例提供的单侧单节点的仿生扑翼飞行器在机翼展开状态时的结构图；

图2为本发明第一实施例提供的单侧单节点的仿生扑翼飞行器在机翼收拢状态时的结构图；

图3为本发明第二实施例提供的单侧单节点的仿生扑翼飞行器在机翼展开状态时的结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明提供了两个实施例单侧单节点的仿生扑翼飞行器，两个单侧单节点的仿生扑翼飞行器实施例的主体结构基本一致，区别在于驱动方式不一样，其中图1及图2主要是基于电机拉线式驱动方式的折叠机翼，而图3是基于连杆舵机驱动方式的折叠机翼。具体参见图1及图3，本发明各实施例提供的单侧单节点的仿生扑翼飞行器的主体结构包括：机翼本体以及在所述机翼本体两侧镜像对称设置的两个机翼折叠结构，每一机翼折叠结构包括：第一臂3、第二臂5、关节结构10、支撑杆11、驱动机构以及驱动定位件；

所述第一臂3的第一端以及所述支撑杆11的第一端分别对应连接所述机翼本体的机头部以及机尾部固定，所述第一臂3的第二端、所述支撑杆11的第二端、所述第二臂5的第一端连接所述关节结构10；所述第一臂3、所述支撑杆11以及所述机翼本体形成角度不变的三角形结构；

所述驱动机构设置在所述机翼本体上，所述驱动机构的输出端通过所述驱动定位件连接所述第二臂5，并通过所述驱动定位件带动所述第二臂5以所述关节结构10为中心朝第一方向旋转以达到机翼展开状态，朝第二方向旋转以达到机翼收拢状态。

考虑到机翼的自身重量对微小型飞行器的飞行性能有很大的影响，在翼展一定的情况下，其重量越轻，越有利于飞行，为了减轻机翼的重量，每一机翼折叠结构只设计了一个转动关节(即关节结构10)。在机翼骨架上安装具有柔软特性的弹性薄膜或弹性布料。这种设计在保证飞行器翼展以及飞行性能的情况下能够最大限度的减轻飞行器的重量，使其能能够获得最大的负载量。在机翼的收拢与展开过程中，所述第一臂3、所述支撑杆11是固定不动的，只有第二臂5会绕着关节结构10转动，所以机翼的面A(由所述第一臂3、所述支撑杆11以及所述机翼本体形成限定的三角形区域)的面积是固定不变的，面B(由第二臂5及多个骨架6形成的区域)的面积在收拢时变小，在展开时变大。随着第二臂5绕着关节结构10转动，机翼的展长也在不断地变化，在两边机翼完全展开时，飞行器翼展长度达到最大,在两边机翼收拢到极限位置时，翼展尺寸为最小。每一机翼折叠结构通过铰链安装在扑翼飞行器的扑动机构上，通过调整第一臂3和第二臂5的长度比例，可以使翼展变形率达到翼展变化率为50％的技术指标，从而在机翼收拢时能够使飞行器穿越水平宽度比其翼展小50％的窗口。

具体地，图1为本发明第一实施例提供的单侧单节点的仿生扑翼飞行器在机翼展开状态时的结构图；图2为本发明第一实施例提供的单侧单节点的仿生扑翼飞行器在机翼收拢状态时的结构图；图1及图2所对应的第一实施例主要是利用了电机结合连接线作为驱动器的方式。

如图1及图2所示，所述驱动机构包括电机9，所述驱动定位件包括绕线轮8、第一连接线7以及弹性连接件，所述电机9的输出轴上安装有所述绕线轮8；

所述第一连接线7的第一端连接所述绕线轮8，所述第一连接线7的第二端连接所述第二臂5的第二端；所述弹性连接件的第一端连接所述第二臂5的第二端，所述弹性连接件的第二端连接所述机翼本体；在所述机翼展开状态时，所述弹性连接件为压缩状态；在所述机翼收拢状态时，所述弹性连接件处于拉伸状态。

具体地，所述弹性连接件包括弹簧1和第二连接线2，所述弹簧1的第一端通过所述第二连接线2连接所述第二臂5的第二端，所述弹簧1的第二端连接所述机翼本体，

所述关节结构10包括关节连接部以及导杆4，所述第一臂3的第二端、所述支撑杆11的第二端、所述第二臂5的第一端、以及所述导杆4的第一端连接所述关节连接部；所述导杆4的第二端连接所述第二连接线2；所述第二臂5的旋转带动所述导杆4转动，进而通过牵引所述第二连接线2改变所述弹簧1的伸缩状态。

具体地，所述电机9为有刷电机，和/或，所述第一连接线7以及所述第二连接线2为尼龙连接线。所述有刷电机安装在所述机翼本体的机尾部。需要说明的是，本实施例拉线驱动折叠机构拉线时尼龙线的布线方式必须保证当机翼折叠时尼龙线不会干扰到机翼的展开过程。

每一机翼折叠结构还包括多个骨架6，每一所述骨架6的第一端连接所述关节结构10；每一机翼折叠结构还包括柔性材料形成的机翼面，所述第二臂5的第二端以及每一所述骨架6的第二端均连接所述机翼面；所述每一所述骨架6跟随所述第二臂5同步旋转。具体操作时，每一侧的机翼折叠结构中的骨架可以为4个。

本实施例以右侧的机翼折叠结构为分析对象，其工作原理为：当电机9带动绕线轮8朝逆时针(对应朝第一方向，根据设计需要，可以对该朝第一方向的转向做其它限定)旋转时，第一连接线7随着所述绕线轮8转动缠绕在所述绕线轮8上，缩短的第一连接线7拉动所述第二臂5绕着关节结构10朝顺时针转动，第二臂5在转动的过程中通过弹性布料的挤压推动骨架(趾骨)6一起朝顺时针转动，从而使得翼展变小；第二连接线2与弹簧1的活动端相连，此时第二连接线2在导杆4的带动下向右移动，从而拉动弹簧1向右伸长，当电机9停止转动时机翼保持在收拢状态。当电机9带动绕线轮8朝顺时针(对应为朝第二方向，根据设计需要，该朝第二方向的具体转向可以有其它方式)旋转时，第一连接线7在绕线轮8上松开，此时拉伸弹簧1向左恢复，并拉动第二连接线2向左移动，第二连接线2拉动导杆4和第二臂5绕着关节结构10朝逆时针转动，第二臂5在转动的过程中也拉动骨架6一起朝逆时针转动，从而使得翼展变大，当电机9停止转动时机翼保持在展开状态。在翼展变小与变大的过程中，所述第一臂3、所述支撑杆11是固定不动的。采用拉线驱动方式时，变形机翼的收拢与展开速度与电机9输出轴的旋转速度成正比。

可以理解的是，采用商业化的大容量、小重量的电池提供电源，因此可以达到最大负载量；采用商用无线收发装置与遥控器实现数据的无线交换，可以实现对飞行器控制，采用商用化转速快、质量轻的有刷电机和扭矩大、质量轻舵机进行机翼折叠驱动。

本实施例的扑翼飞行器主要用于在飞行中可穿越一个宽度比其翼展小的窗口、飞行器在停止飞行时翅膀可收拢便于携带和储存。本实施从鸟类翅膀的折叠收拢中受到启示，对鸟类翅膀的腕部运动进行仿生设计：每一侧机翼折叠结构的采用单关节折叠机构的设计方法，机翼骨架在电机的驱动下通过关节结构进行机翼的折叠运动和展开运动，不仅可以被动折叠还可以主动折叠，实现机翼快速的折叠与展开，而且通过主动折叠还可以实现飞行器姿态的控制。此外，通过调整第一臂3和第二臂5的长度比例，机翼翼展折叠率可以达到50％，相比现有的扑翼飞行器变形机翼的翼展变化率较小，有明显改善，而且可以连续折叠100次以上。本实施例提供的扑翼飞行器思路新颖、采用仿生的设计方法，将仿生技术、机器人技术、等融入到扑翼飞行器机翼设计领域，具有良好的市场前景和可观的经济效益。

图3为本发明第二实施例提供的单侧单节点的仿生扑翼飞行器在机翼展开状态时的结构图，其为采用连杆舵机驱动方式的单关节变形机翼机构，如图3所示，所述驱动机构包括舵机12，所述驱动定位件包括第一连杆13以及第二连杆14；所述舵机12的输出端连接所述第一连杆13的第一端，所述第一连杆13的第二端通过所述第二连杆14连接所述第二臂5；所述第一连杆13与所述第二连杆14之间形成预设角度，该预设角度可以为钝角；所述舵机12旋转带动所述第一连杆13转动，进而通过所述第二连杆14带动所述第二臂5以所述关节结构10为中心朝第一方向旋转。

具体地，每一机翼折叠结构还包括第一连接件15、第二连接件16及安装架17，所述安装架17通过所述第一连接件15连接所述机翼本体，所述舵机12安装在所述安装架17上；所述第二连杆14通过所述第二连接件16连接所述第二臂5。具体地，所述安装架17通过所述第一连接件15连接所述机翼本体的机尾部。

同样以右机翼为飞行对象，本实施例的工作原理为：当舵机12带动第一连杆13朝顺时针转动时，第二连杆14通过第二连接件16带动第一臂3绕着关节结构10朝顺时针转动，第一臂3同时也推动骨架6一起绕着关节结构10朝顺时针转动，从而使得翼展变小。当舵机12带动第一连杆13朝逆时针转动时，第二连杆14通过第二连接件16带动第一臂3绕着关节结构10朝逆时针转动，第一臂3同时也拉动骨架6一起绕着关节结构10朝逆时针转动，从而使得翼展变大。在翼展变小与变大的过程中，所述第一臂3、所述支撑杆11是固定不动的，当舵机12停止转动时，第一臂3保持不动，从而使得机翼能保持在当时的状态。

需要说明的是，连杆舵机驱动折叠机构中连杆的长度必须适合才能够最大折叠率。图1及图2所示实施例除了驱动器以外的解释说明均可以应用于本实施例。

本实施例舵机驱动方式单关节变形机翼的机构设计通过每一侧机翼折叠结构的采用单关节折叠机构的设计方法，机翼骨架在电机的驱动下通过关节结构进行机翼的折叠运动和展开运动，不仅可以被动折叠还可以主动折叠，实现机翼快速的折叠与展开，而且通过主动折叠还可以实现飞行器姿态的控制。此外，通过调整第一臂3和第二臂5的长度比例，机翼翼展折叠率可以达到50％，相比现有的扑翼飞行器变形机翼的翼展变化率较小，有明显改善，而且可以连续折叠100次以上。本实施例提供的扑翼飞行器思路新颖、采用仿生的设计方法，将仿生技术、机器人技术、等融入到扑翼飞行器机翼设计领域，具有良好的市场前景和可观的经济效益。

本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例的全部或者部分步骤/单元/模块可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述实施例各单元中对应的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光碟等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单侧单节点的仿生扑翼飞行器，其特征在于，包括：机翼本体以及在所述机翼本体两侧镜像对称设置的两个机翼折叠结构，每一机翼折叠结构包括：第一臂(3)、第二臂(5)、关节结构(10)、支撑杆(11)、驱动机构以及驱动定位件；

所述第一臂(3)的第一端以及所述支撑杆(11)的第一端分别对应连接所述机翼本体的机头部以及机尾部固定，所述第一臂(3)的第二端、所述支撑杆(11)的第二端、所述第二臂(5)的第一端连接所述关节结构(10)；所述第一臂(3)、所述支撑杆(11)以及所述机翼本体形成角度不变的三角形结构；

所述驱动机构设置在所述机翼本体上，所述驱动机构的输出端通过所述驱动定位件连接所述第二臂(5)，并通过所述驱动定位件带动所述第二臂(5)以所述关节结构(10)为中心朝第一方向旋转以达到机翼展开状态，朝第二方向旋转以达到机翼收拢状态。

2.根据权利要求1所述的单侧单节点的仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述驱动机构包括电机(9)，所述驱动定位件包括绕线轮(8)、第一连接线(7)以及弹性连接件，所述电机(9)的输出轴上安装有所述绕线轮(8)；

所述第一连接线(7)的第一端连接所述绕线轮(8)，所述第一连接线(7)的第二端连接所述第二臂(5)的第二端；所述弹性连接件的第一端连接所述第二臂(5)的第二端，所述弹性连接件的第二端连接所述机翼本体；在所述机翼展开状态时，所述弹性连接件为压缩状态；在所述机翼收拢状态时，所述弹性连接件处于拉伸状态。

3.根据权利要求2所述的单侧单节点的仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述弹性连接件包括弹簧(1)和第二连接线(2)，所述弹簧(1)的第一端通过所述第二连接线(2)连接所述第二臂(5)的第二端，所述弹簧(1)的第二端连接所述机翼本体，

所述关节结构(10)包括关节连接部以及导杆(4)，所述第一臂(3)的第二端、所述支撑杆(11)的第二端、所述第二臂(5)的第一端、以及所述导杆(4)的第一端连接所述关节连接部；所述导杆(4)的第二端连接所述第二连接线(2)；所述第二臂(5)的旋转带动所述导杆(4)转动，进而通过牵引所述第二连接线(2)改变所述弹簧(1)的伸缩状态。

4.根据权利要求3所述的单侧单节点的仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述电机(9)为有刷电机，和/或，所述第一连接线(7)以及所述第二连接线(2)为尼龙连接线。

5.根据权利要求4所述的单侧单节点的仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述有刷电机安装在所述机翼本体的机尾部。

6.根据权利要求1所述的单侧单节点的仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述驱动机构包括舵机(12)，所述驱动定位件包括第一连杆(13)以及第二连杆(14)；

所述舵机(12)的输出端连接所述第一连杆(13)的第一端，所述第一连杆(13)的第二端通过所述第二连杆(14)连接所述第二臂(5)；所述第一连杆(13)与所述第二连杆(14)之间形成预设角度；

所述舵机(12)旋转带动所述第一连杆(13)转动，进而通过所述第二连杆(14)带动所述第二臂(5)以所述关节结构(10)为中心朝第一方向旋转。

7.根据权利要求6所述的单侧单节点的仿生扑翼飞行器，其特征在于，每一机翼折叠结构还包括第一连接件(15)、第二连接件(16)及安装架(17)，所述安装架(17)通过所述第一连接件(15)连接所述机翼本体，所述舵机(12)安装在所述安装架(17)上；

所述第二连杆(14)通过所述第二连接件(16)连接所述第二臂(5)。

8.根据权利要求7所述的单侧单节点的仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述安装架(17)通过所述第一连接件(15)连接所述机翼本体的机尾部。

9.根据权利要求8所述的单侧单节点的仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述预设角度为钝角。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的单侧单节点的仿生扑翼飞行器，其特征在于，每一机翼折叠结构还包括多个骨架(6)，每一所述骨架(6)的第一端连接所述关节结构(10)；

每一机翼折叠结构还包括柔性材料形成的机翼面，所述第二臂(5)的第二端以及每一所述骨架(6)的第二端均连接所述机翼面；

所述每一所述骨架(6)跟随所述第二臂(5)同步旋转。