CN109592032B - 单侧多节点的仿生扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单侧多节点的仿生扑翼飞行器，该单侧多节点的仿生扑翼飞行器包括：机翼本体以及两个机翼折叠结构，每一机翼折叠结构包括：第一连杆、第一关节结构、第一臂、第二臂、第三臂、第二关节结构、第三关节结构、第二连杆、驱动机构以及驱动定位件；第一连杆的第一端连接机翼本体，第二端连接第二臂的第一端；第一臂连接机翼本体，第二端连接第一关节结构；第一臂、第二臂、第三臂以及第二连杆形成四连杆机构；驱动机构设置在机翼本体上，输出端通过驱动定位件连接第三臂，并通过驱动定位件带动第三臂以第二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

单侧多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，特别涉及一种单侧多节点的仿生扑翼飞行器。

背景技术

1609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180μm，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。1612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。1613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。

现有的单侧多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：161310344964.7)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多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多节点的仿生扑翼飞行器，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：第一连杆、第一关节结构、第一臂、第二臂、第三臂、第二关节结构、第三关节结构、第二连杆、驱动机构以及驱动定位件；所述第一连杆的第一端连接机翼本体，所述第一连杆的第二端通过所述第一关节结构连接所述第二臂的第一端；所述第一臂的第一端通过所述第三关节结构连接所述机翼本体，所述第一臂的第二端连接所述第一关节结构；所述第一臂、第二臂、第三臂以及第二连杆形成四连杆机构；所述第二臂与所述第三臂的第一端通过所述第二关节结构连接；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三臂，并通过所述驱动定位件带动所述第三臂以所述第二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三臂的第二端；所述弹性连接件的第一端连接所述第三臂的第二端，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三臂的第二端，所述弹簧的第二端连接所述机翼本体，所述驱动定位件还包括导线杆，所述导线杆的第一端连接所述第三臂以及第二连杆；所述导线杆的第二端连接所述第二连接线；所述第三臂的旋转带动所述导线杆转动，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，所述驱动定位件为所述第一连杆；所述舵机的输出端连接所述第一连杆；所述舵机旋转带动所述第一连杆转动，进而通过所述第一连杆带动所述第二臂及所述第三臂以所述第二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，每一机翼折叠结构还包括第一连接件及安装架，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。

进一步地，所述安装架安装在所述机翼本体的机尾部。

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第二关节结构；每一机翼折叠结构还包括柔性材料形成的机翼面，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三臂同步旋转。

本发明的单侧多节点的仿生扑翼飞行器，每一侧机翼折叠结构的采用三个关节折叠机构的设计方法，机翼骨架在电机的驱动下通过第一关节结构、第二关节结构及第三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多节点的仿生扑翼飞行器的结构图；

图2为图1所示结构图中机翼折叠结构的放大图；

图3为本发明第二实施例提供的单侧多节点的仿生扑翼飞行器的结构图。

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多节点的仿生扑翼飞行器，两个单侧多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主要是基于电机拉线式驱动方式的折叠机翼，拉线驱动折叠机翼折叠时使用有刷电机拉动、展开时通过弹簧自动恢复；而图3是基于连杆舵机驱动方式的折叠机翼，舵机驱动折叠机翼折叠和展开都是通过舵机驱动连杆来实现。具体参见图1及图3，本发明各实施例提供的单侧多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：第一连杆8、第一关节结构15、第一臂2、第二臂7、第三臂5、第二关节结构13、第三关节结构14、第二连杆4、驱动机构以及驱动定位件；

所述第一连杆8的第一端连接机翼本体，所述第一连杆8的第二端通过所述第一关节结构15连接所述第二臂7的第一端；所述第一臂2的第一端通过所述第三关节结构14连接所述机翼本体，所述第一臂2的第二端连接所述第一关节结构15；所述第一臂2、第二臂7、第三臂5以及第二连杆4形成四连杆机构；所述第二臂7与所述第三臂5的第一端通过所述第二关节结构13连接；

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三臂5，并通过所述驱动定位件带动所述第三臂5以所述第二关节结构13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，每一机翼折叠结构设计了3个转动关节，即第一关节结构15、第二关节结构13以及第三关节结构14。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，第三臂5会绕着第二关节结构13转动，随着第三臂5绕着第二关节结构13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2和第三臂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多节点的仿生扑翼飞行器的结构图；图2为图1所示结构图中机翼折叠结构的放大图；图1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所示，所述驱动机构包括电机10，所述驱动定位件包括绕线轮9、第一连接线11以及弹性连接件，所述电机10的输出轴上安装有所述绕线轮9；所述第一连接线11的第一端连接所述绕线轮9，所述第一连接线11的第二端连接所述第三臂5的第二端；所述弹性连接件的第一端连接所述第三臂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3，所述弹簧1的第一端通过所述第二连接线3连接所述第三臂5的第二端，所述弹簧1的第二端连接所述机翼本体，

所述驱动定位件还包括导线杆12，所述导线杆12的第一端连接所述第三臂5以及第二连杆4；所述导线杆12的第二端连接所述第二连接线3；所述第三臂5的旋转带动所述导线杆12转动，进而通过牵引所述第二连接线3改变所述弹簧1的伸缩状态。

具体地，所述电机10为有刷电机，和/或，所述第一连接线11以及所述第二连接线3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。三关节折叠机构各连杆以及各臂的尺寸，只有保证各尺寸合适才能获得较大的尺寸变化率。

每一机翼折叠结构还包括多个骨架6，每一所述骨架6的第一端连接所述第二关节结构13；每一机翼折叠结构还包括柔性材料形成的机翼面，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跟随所述第三臂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3个。

本实施例以左机翼为分析对象，其工作原理为：当有刷电机10带动绕线轮9顺时针旋转时，第一连接线11缠绕在绕线轮9上，缩短的第一连接线11拉动第三臂5绕着第二关节结构13逆时针转动，第三臂5在转动的过程中也推动骨架(趾骨)6一起逆时针转动，由第三臂5、第二臂7、第一臂2和第二连杆4所组成的四连杆机构发生变形，第三臂5与第二臂7之间的夹角和第二臂7与第一臂2之间的夹角都变小，从而使得翼展变小，第二连接线3与弹簧1自由端相连，此时第二连接线3在导线杆12的带动下向左移动并拉动弹簧1向左伸长，在电机停止转动时机翼保持在收拢状态。当有刷电机10带动绕线轮9逆时针旋转时，第一连接线7在绕线轮上放松，此时弹簧1向右恢复，并拉动第二连接线3向右移动，第二连接线3拉动第三臂5绕着第二关节结构13顺时针转动，第三臂5在转动的过程中也拉动趾骨6一起顺时针转动，四连杆机构发生变形，第三臂5与第二臂7之间的夹角和第二臂7与第一臂2之间的夹角都变大，从而使得翼展变大，当电机停止转动时机翼保持在展开状态。

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三个关节折叠机构的设计方法，机翼骨架在电机的驱动下通过第一关节结构、第二关节结构及第三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，当通过拉线式驱动方式驱动时，折叠运动是通过驱动前臂的运动实现三关节机翼的折叠，当拉线绳放松时机翼在线性拉伸弹簧的的作用下恢复原状，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2和第三臂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18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多节点的仿生扑翼飞行器的结构图，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16，所述驱动定位件为所述第一连杆8；所述舵机16的输出端连接所述第一连杆8；所述舵机16旋转带动所述第一连杆8转动，进而通过所述第一连杆8带动所述第二臂7及所述第三臂5以所述第二关节结构13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。

具体地，每一机翼折叠结构还包括第一连接件17及安装架18，所述安装架18通过所述第一连接件17连接所述机翼本体，所述舵机16安装在所述安装架18上。具体地，所述安装架18安装在所述机翼本体的机尾部。

同样以左机翼为分析对象，其工作原理为：当舵机16带动第一连杆8逆时针转动时，第一连杆8通过第二臂7带动第三臂5绕着第二关节结构13逆时针转动，第三臂5同时也推动骨架6一起逆时针转动，由第三臂5、第二臂7、第一臂2和第二连杆4所组成的四连杆机构发生变形，第三臂5与第二臂7之间的夹角和第二臂7与第一臂2之间的夹角都变小，从而使得翼展变小。当舵机16带动第一连杆8顺时针转动时，第一连杆8通过第二臂7带动第三臂5绕着第二关节结构13顺时针转动，第三臂5同时也拉动骨架6一起顺时针转动，四连杆机构发生变形，第三臂5与第二臂7之间的夹角和第二臂7与第一臂2之间的夹角都变大，从而使得翼展变大。在翼展变小与变大的过程中，当舵机停止转动时，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。

本实施例基于舵机驱动的三关节变形机翼机构设计，每一侧机翼折叠结构的采用三个关节折叠机构的设计方法，机翼骨架在电机的驱动下通过第一关节结构、第二关节结构及第三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，当通过舵机驱动方式驱动时，折叠运动是通过驱动后臂带动肩关节的运动从而实现折叠机构的折叠运动，当舵机反向转动时舵机带动肩关节反向转动实现折叠机构的展开运动，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2和第三臂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18次以上。

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 (9)

1.一种单侧多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：第一连杆(8)、第一关节结构(15)、第一臂(2)、第二臂(7)、第三臂(5)、第二关节结构(13)、第三关节结构(14)、第二连杆(4)、驱动机构以及驱动定位件；

所述第一连杆(8)的第一端连接机翼本体，所述第一连杆(8)的第二端通过所述第一关节结构(15)连接所述第二臂(7)的第一端；所述第一臂(2)的第一端通过所述第三关节结构(14)连接所述机翼本体，所述第一臂(2)的第二端连接所述第一关节结构(15)；所述第一臂(2)、第二臂(7)、第三臂(5)以及第二连杆(4)形成四连杆机构；所述第二臂(7)与所述第三臂( 5)的第一端通过所述第二关节结构(13)连接；

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三臂(5)，并通过所述驱动定位件带动所述第三臂(5)以所述第二关节结构(13)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所述的单侧多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(10)，所述驱动定位件包括绕线轮(9)、第一连接线(11)以及弹性连接件，所述电机(10)的输出轴上安装有所述绕线轮(9)；

所述第一连接线(11)的第一端连接所述绕线轮(9)，所述第一连接线(11)的第二端连接所述第三臂(5)的第二端；所述弹性连接件的第一端连接所述第三臂(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所述的单侧多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(3)，所述弹簧(1)的第一端通过所述第二连接线(3)连接所述第三臂(5)的第二端，所述弹簧(1)的第二端连接所述机翼本体；

所述驱动定位件还包括导线杆(12)，所述导线杆(12)的第一端连接所述第三臂(5)以及第二连杆(4)；所述导线杆(12)的第二端连接所述第二连接线(3)；所述第三臂(5)的旋转带动所述导线杆(12)转动，进而通过牵引所述第二连接线(3)改变所述弹簧(1)的伸缩状态。

4.根据权利要求3所述的单侧多节点的仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述电机(10)为有刷电机，和/或，所述第一连接线(11)以及所述第二连接线(3)为尼龙连接线。

5.根据权利要求4所述的单侧多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所述的单侧多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(16)，所述驱动定位件为所述第一连杆(8)；

所述舵机(16)的输出端连接所述第一连杆(8)；

所述舵机(16)旋转带动所述第一连杆(8)转动，进而通过所述第一连杆(8)带动所述第二臂(7)及所述第三臂(5)以所述第二关节结构(13)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。

7.根据权利要求6所述的单侧多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(17)及安装架(18)，所述安装架(18)通过所述第一连接件(17)连接所述机翼本体，所述舵机(16)安装在所述安装架(18)上。

8.根据权利要求7所述的单侧多节点的仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述安装架(18)安装在所述机翼本体的机尾部。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的单侧多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)的第一端连接所述第二关节结构(13)；

每一机翼折叠结构还包括柔性材料形成的机翼面，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)跟随所述第三臂(5)同步旋转。

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