CN109606675A - 一种基于单曲柄双摇杆机构的微型仿生扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单曲柄双摇杆机构的微型仿生扑翼飞行器，属于机械设计和飞行器技术领域。本发明采有单曲柄双摇杆机构，所述的单曲柄双摇杆机构由单曲柄机构齿轮、左翼摇杆、右翼摇杆、左翼连杆、右翼连杆组成；所述单曲柄机构齿轮固定在机架上并形成转动副；所述左翼连杆和右翼连杆的一端均与单曲柄机构齿轮销钉连接，另一端分别与左翼摇杆和右翼摇杆转动连接，传递动力，所述左翼摇杆和右翼摇杆的第二端点处分别具有延长段，所述延长段与扑翼结构连接，带动扑翼结构扑动。本发明可以基本消除飞行器飞行时不对称，具有切换多种飞行姿态的功能，同时所述飞行器具有结构紧凑、灵活小巧、质轻等特点。

Description

一种基于单曲柄双摇杆机构的微型仿生扑翼飞行器

技术领域

本发明属于机械设计和飞行器技术领域，具体涉及一种基于单曲柄双摇杆机构的微型仿生扑翼飞行器。

背景技术

目前，微型仿生扑翼飞行器因其小巧的体积，高效的飞行机理，广阔的应用空间等优势吸引了广泛的关注。空气动力学研究成果表明，对于主尺寸小于15cm的微型飞行器，扑翼的飞行方式比固定翼和旋翼的飞行方式具有更大的升阻比，更强的抗干扰能力和更灵活的机动性，因此，微型扑翼飞行器在军事、探测等领域将会发挥更重要作用，在微型飞行器发展中将占据主导地位。在目前关于微型仿生扑翼飞行器的研究中，大部分机构的机翼做单自由度扑动，很难同时进行滚转和偏航等动作，并不能实现像昆虫或鸟类那样在扑动的同时进行姿态转换，因此很难实现昆虫或者鸟类的飞行方式，灵巧性能较低。

发明内容

本发明针对现有技术中微型仿生扑翼飞行器在执行飞行运动过程中存在的问题和不足，提出了一种基于单曲柄双摇杆机构的微型仿生扑翼飞行器，该飞行器采有单曲柄双摇杆机构，基本消除飞行时不对称，同时所述飞行器结构紧凑、灵活小巧、质轻，具有切换多种飞行姿态的功能。

本发明提出的一种基于单曲柄双摇杆机构的微型仿生扑翼飞行器，主要包括驱动机构、单曲柄双摇杆机构、扑翼机构和姿态控制机构，所述驱动机构提供驱动力给单曲柄双摇杆机构，使其带动扑翼机构进行扑动；所述的姿态控制机构用于调整飞行器的姿态。

所述的驱动机构由无刷电机、电机齿轮和传动齿轮组成。无刷电机固定安装在机架上，无刷电机的电机轴与电机齿轮固定连接；传动齿轮包括固定连接并且同轴转动的两个齿轮，分别为大齿轮和小齿轮，所述大齿轮与电机齿轮啮合，小齿轮与单曲柄机构齿轮啮合，实现传递动力和减速，最终把动力和转速传递给单曲柄机构齿轮。

所述的单曲柄双摇杆机构由单曲柄机构齿轮、左翼摇杆、右翼摇杆、左翼连杆、右翼连杆组成。所述单曲柄机构齿轮圆心位置具有一个通孔，距离通孔距离L的位置具有一个定位孔，所述通孔配合销钉与机架形成转动副。所述左翼连杆和右翼连杆的第一端均与单曲柄机构齿轮上的定位孔处通过销钉配合形成转动副连接，第二端分别与左翼摇杆和右翼摇杆的第一端点转动连接，传递动力，单曲柄机构齿轮、左翼摇杆、右翼摇杆、左翼连杆、右翼连杆全部由销钉连接，采取过盈配合和间隙配合。所述左翼摇杆和右翼摇杆的第一端点分别与左翼连杆和右翼连杆的第二端转动连接，左翼摇杆和右翼摇杆的第二端点分别与机架之间构成转动副连接，连接位置相对于机架中心左右对称。所述左翼摇杆和右翼摇杆的第二端点处分别具有延长段，所述延长段与扑翼结构连接，带动扑翼结构扑动。

所述的扑翼机构包括扑翼骨架、扑翼连杆和柔性翼组成。所述扑翼骨架用于支撑柔性翼，柔性翼最外侧的扑翼骨架根部嵌入连接扑翼连杆的前端，所述扑翼连杆的末端与支架之间转动连接，扑翼连杆的中间部分与所述延长段转动连接。所述扑翼骨架前端渐变磨薄，有利于增大柔性翼尾端变形，提高升力。柔性翼最内侧的扑翼骨架根部固定在支架上，尖端为自由端，自由端连接直线舵机的输出端。

所述的姿态控制机构由三个舵机、碳棒支架和底座构成，所述的碳棒支架的顶端与舵机支架固定连接，底端固定连接在底座上，当舵机支架转动时，碳棒支架和底座随之同步转动。所述的三个舵机分别为一个旋转舵机和两个直线舵机，所述旋转舵机固定在机架上，旋转舵机的输出端固定舵机支架，舵机支架上固定连接所述的两个直线舵机，同时舵机支架与机架转动副连接，所述转动副与旋转舵机的输出端同轴转动；两个直线舵机输出端分别连接两侧柔性翼上最内侧的扑翼骨架的自由端。通过遥控控制两个直线电机的相位，调整柔性翼姿态；通过控制旋转舵机，控制舵机支架和碳棒支架同时相对于机架做小角度转动，实现飞行器多种姿态的切换，为飞行器的滚转、偏航和俯仰运动做好铺垫。

本发明优点在于：

(1)本发明提出的一种微型仿生扑翼飞行器结构紧凑、灵活小巧、质量极轻，能够实现仿生扑翼功能。

(2)本发明提出的一种微型仿生扑翼飞行器采用单曲柄双摇杆机构，通过优化杆长尺寸，确定了柔性翼扑动范围，基本消除了飞行器纵向的不对称性。

(3)本发明提出的一种微型仿生扑翼飞行器采用三个舵机控制姿态，能够实现俯仰、滚转、偏航的多姿态运动模式的切换。

(4)本发明提出的一种微型仿生扑翼飞行器绝大部分零部件采用3D打印技术制成，降低了整机质量，易于优化迭代。

(5)本发明提出的一种微型仿生扑翼飞行器采用了塑料齿轮，减轻重量，降低了成本，易于实物加工装配。

附图说明

图1是本发明提供的微型仿生扑翼飞行器整体结构示意图；

图2是本发明提供的微型仿生扑翼飞行器中驱动机构的结构示意图；

图3是本发明提供的微型仿生扑翼飞行器中单曲柄双摇杆的结构示意图；

图4是本发明提供的微型仿生扑翼飞行器中扑翼机构与姿态控制机构的结构示意图；

图5是扑翼骨架与扑翼连杆的连接示意图；

图6是旋转舵机与直线舵机的连接示意图。

图中：

1-无刷电机； 2-舵机； 3-机架；

4-右翼摇杆； 5-右翼连杆； 6-单曲柄机构齿轮；

7-左翼连杆； 8-左翼摇杆； 9-柔性翼；

10-传动齿轮； 11-电机齿轮； 12-碳棒支架；

13-底座； 14-驱动机构； 15-单曲柄双摇杆机构；

16-扑翼机构； 17-姿态控制机构； 18-扑翼骨架；

19-延长段； 20-扑翼连杆； 21-舵机支架；

201-旋转舵机； 202-直线舵机。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明是一种基于单曲柄双摇杆机构的微型仿生扑翼飞行器，如图1所示，包括驱动机构14、单曲柄双摇杆机构15、扑翼机构16和姿态控制机构17。所述飞行器通过驱动机构14产生驱动力，并传递单曲柄双摇杆机构15，使其带动扑翼机构16进行扑动，同时通过调整姿态控制机构17来调整飞扑翼机构16的姿态，实现对飞行器的姿态控制。

所述的驱动机构14，如图2所示，由无刷电机1、传动齿轮10和电机齿轮11组成。无刷电机1安装在机架3的中心对称线上方位置，使得结构紧凑，通电产生动力；所述的传动齿轮10为双齿轮结构，包括一个大齿轮和一个小齿轮，所述的大齿轮和小齿轮同轴转动并固定连接，其中，所述的大齿轮与电机齿轮11啮合，所述的小齿轮与单曲柄机构齿轮6啮合。所述的无刷电机1的电机轴与电机齿轮11同轴固定连接，无刷电机1驱动电机齿轮11转动的同时带动传动齿轮10转动，进而由于传动齿轮10上大齿轮和小齿轮的固定关系，小齿轮带动单曲柄机构齿轮6转动。所述无刷电机1为直流无刷电机。在所述的无刷电机1的输出端设置有齿轮减速系统。

所述的单曲柄双摇杆机构15，如图3所示，由右翼摇杆4、右翼连杆5、单曲柄机构齿轮6、左翼连杆7和左翼摇杆8组成。除了单曲柄机构齿轮6以外，其余构件(右翼摇杆4、右翼连杆5、左翼连杆7和左翼摇杆8)均由3D打印制成，轻便小巧，带有多个连接孔，打印精度较高。在所述的单曲柄机构齿轮6的圆心具有通孔，距离通孔L的位置具有一个定位孔，所述通孔配合销钉与机架3之间构成转动副，所述定位孔配合销钉构成转动副连接有右翼连杆5和左翼连杆7的第一端，所述右翼连杆5和左翼连杆7的第一端可以随着单曲柄机构齿轮6的转动而同步运动。当所述单曲柄机构齿轮6转动时，所述定位孔与单曲柄机构齿轮6的通孔之间的距离为L，则单曲柄机构齿轮6充当长度为L的曲柄进行运动，带动所述右翼连杆5和左翼连杆7的第一端在平行于单曲柄机构齿轮6的平面内转动运动。所述右翼连杆5和左翼连杆7的第二端分别与右翼摇杆4、左翼摇杆8的第一端点通过旋转副连接，传递动力。所述右翼摇杆4、左翼摇杆8的第一端点分别与右翼连杆5和左翼连杆7的第二端转动连接，右翼摇杆4、左翼摇杆8的第二端点分别与机架3之间构成转动副连接；所述右翼摇杆4、左翼摇杆8的第二端点处分别具有延长段19，延长段19与扑翼机构16中的两侧的扑翼连杆20转动连接，实现带动柔性翼9在一定范围内扑动。

机架3由3D打印材料打印制成，减轻整体质量，用于连接各个部件并且进行固定，整体呈三角形稳固框架结构。机架3之内有数根加强筋，用于保证机架强度。

所述的传动齿轮10、电机齿轮11和单曲柄机构齿轮6采用尼龙材料。

所述的扑翼机构16，如图4所示，包括柔性翼9、扑翼骨架18和扑翼连杆20组成，所述的姿态控制机构17由一个旋转舵机201和两个直线舵机202构成。所述的柔性翼9使用TPU塑料薄膜材料，粘贴在扑翼骨架18上，所述扑翼骨架18采用碳棒，扑翼骨架18末端渐变磨薄，有利于增大柔性翼9尾端变形，提高升力。

如图5，柔性翼9上最外侧的扑翼骨架18的根部通过过盈配合分别嵌入扑翼连杆20的前端，扑翼连杆20的末端与支架3之间转动连接，扑翼连杆20的中间部分与所述延长段19转动连接。由右翼摇杆4、左翼摇杆8分别带动柔性翼9进行一定范围内的扑动。同时柔性翼最内侧的扑翼骨架18的根部固定在支架3上，尖端为自由端，自由端分别连接两侧的直线舵机2的输出端。

所述的姿态控制机构17由三个舵机2、碳棒支架12和底座13构成，碳棒支架12的顶端固定在舵机支架21上，底端与底座13固定连接，所述碳棒支架12和底座13可以随舵机支架21同步运动。当无人机静置时，由底座13提供支撑。所述的三个舵机2分别为一个旋转舵机201和两个直线舵机202，通过遥控控制三个舵机2的相位，实现飞行器多种姿态的切换，为飞行器的滚转、偏航、俯仰运动做好铺垫。

如图6所示，所述的三个舵机2分别为中间的一个旋转舵机201和两侧的两个直线舵机202，所述的旋转舵机201固定在机架3上，旋转舵机201的输出端固定连接舵机支架21，同时所述舵机支架21与机架3之间转动副连接，并且所述转动副与旋转舵机201的输出端同轴转动；所述的两侧直线舵机202固定在舵机支架21的两侧，两侧直线舵机202的输出端分别连接两侧柔性翼9上最内侧扑翼骨架。同时，舵机支架21与碳棒支架12固定连接，具体为将碳棒支架12过盈配合嵌入舵机支架21。通过遥控控制两侧的直线舵机202的相位，进行对柔性翼9姿态的调整；通过控制中间的旋转舵机201工作，旋转舵机201的输出端带动舵机支架21小角度转动，同时碳棒支架12和底座13均与舵机支架21同步运动，实现飞行器整体多种姿态的切换，进而控制飞行姿态。

本发明中所述的转动副连接，都是通过销钉销孔之间的配合方式实现的，构成转动副的两个构件，一个构件与销钉之间间隙配合，另一个构件与销钉之间过盈配合，实现两个构件之间的相对转动。

运动过程：

所述的基于单曲柄双摇杆机构的微型仿生扑翼飞行器在运动过程中，所述无刷电机1的输出轴竖直向上直接驱动电机齿轮11转动，输出动力，通过同心轴连接的电机齿轮11及与电机齿轮11相啮合的传动齿轮10，将动力传送到单曲柄双摇杆机构15中的单曲柄机构齿轮6，驱动单曲柄机构齿轮6运动，分别带动右翼连杆5和左翼连杆7的一端运动，经过另一端的右翼摇杆4和左翼摇杆8传递动力，通过扑翼连杆20和扑翼骨架18带动柔性翼9扑动，在扑动频率大于一定值后，通过控制三个舵机2的相位，来进行多种飞行姿态切换，实现对飞行器姿态的控制。

如上所述，参照附图对本发明的示例性具体实施方式进行了详细的说明。应当了解，本发明并非意在使这些具体细节来构成对本发明保护范围的限制。在不背离根据本发明的精神和范围的情况下，可对示例性具体实施方式的结构和特征进行等同或类似的改变，这些改变将也落在本发明所附的权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于单曲柄双摇杆机构的微型仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述飞行器包括驱动机构、单曲柄双摇杆机构、扑翼机构和姿态控制机构，所述驱动机构提供驱动力给单曲柄双摇杆机构，使其带动扑翼机构进行扑动；所述的姿态控制机构用于调整飞行器的姿态；

所述的单曲柄双摇杆机构由单曲柄机构齿轮、左翼摇杆、右翼摇杆、左翼连杆、右翼连杆组成；所述单曲柄机构齿轮的圆心具有一个通孔，距离通孔L的位置具有一个定位孔，所述通孔配合销钉与机架形成转动副；所述左翼连杆和右翼连杆的第一端均与单曲柄机构齿轮上的定位孔处通过销钉配合构成转动副连接，第二端分别与左翼摇杆和右翼摇杆的第一端点转动连接，传递动力；所述左翼摇杆和右翼摇杆的第一端点分别与左翼连杆和右翼连杆的第二端转动连接，左翼摇杆和右翼摇杆的第二端点分别与机架之间构成转动副连接，连接位置相对于机架中心左右对称；所述左翼摇杆和右翼摇杆的第二端点处分别具有延长段，所述延长段与扑翼结构连接，带动扑翼结构扑动。

2.根据权利要求1所述的一种基于单曲柄双摇杆机构的微型仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述的驱动机构由无刷电机、电机齿轮和传动齿轮组成，无刷电机固定安装在机架上，无刷电机的电机轴与电机齿轮固定连接；传动齿轮包括同轴转动并且转动面平行的两个齿轮，分别为大齿轮和小齿轮，所述大齿轮与电机齿轮啮合，小齿轮与单曲柄机构齿轮啮合，实现传递动力和减速，最终把动力和转速传递给单曲柄机构齿轮。

3.根据权利要求1所述的一种基于单曲柄双摇杆机构的微型仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述的扑翼机构包括扑翼骨架、扑翼连杆和柔性翼组成，所述扑翼骨架用于支撑柔性翼，柔性翼最外侧的扑翼骨架根部嵌入连接扑翼连杆的前端，所述扑翼连杆的末端与机架之间转动连接，扑翼连杆的中间部分与所述延长段转动连接，柔性翼最内侧的扑翼骨架根部固定在机架上，尖端为自由端，自由端连接直线舵机的输出端。

4.根据权利要求1所述的一种基于单曲柄双摇杆机构的微型仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述的姿态控制机构由三个舵机、碳棒支架和底座构成，碳棒支架的顶端固定在舵机支架上，底端与底座连接，所述碳棒支架和底座随舵机支架同步运动；所述三个舵机分别为一个旋转舵机和两个直线舵机，所述旋转舵机固定在机架上，旋转舵机的输出端固定舵机支架，舵机支架上固定连接所述的两个直线舵机，同时舵机支架与机架转动副连接，所述转动副与旋转舵机的输出端同轴转动；两个直线舵机输出端分别连接两侧柔性翼上最内侧的扑翼骨架的自由端。

5.根据权利要求1所述的一种基于单曲柄双摇杆机构的微型仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述的机架、右翼摇杆、右翼连杆、左翼连杆和左翼摇杆均由3D打印制成，机架整体呈三角形稳固框架结构。

6.根据权利要求1所述的一种基于单曲柄双摇杆机构的微型仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述的传动齿轮、电机齿轮和单曲柄机构齿轮采用尼龙材料。

7.根据权利要求1所述的一种基于单曲柄双摇杆机构的微型仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述扑翼骨架采用碳棒，扑翼骨架末端渐变磨薄。