CN109823532B - 一种可实现机翼被动折叠与扭转的机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹性被动折叠扭转翼，包括主翼和副翼，所述副翼弹性连接所述主翼，所述副翼在运动时扑打动作滞后于所述主翼的扑打运动；在扑打运动中，所述主翼和副翼发生形变，改变机翼攻角，进而实现机翼在扑打过程中的被动扭转。本发明通过控制单一自由度“扑打”，在不增加机械机构和控制系统复杂度的前提下,实现“扑打‑折叠‑扭转”的协同运动，有效提升了气动效率，使飞行器在仿生学上更接近真实鸟类飞行。

Description

一种可实现机翼被动折叠与扭转的机构

技术领域

本发明属于飞行机械领域，具体涉及一种可实现机翼被动折叠与扭转的机构。

背景技术

扑翼飞行器的设计灵感来源于自然界中鸟类的优良飞行特性，相比于传统固定翼飞行器和旋翼飞行器，扑翼飞行器具有机动灵活、低能耗及隐身性能好的独特优势。

相关文献指出，扭转是绕翅膀中线的角度运动，它可以倾斜翅膀以改变其攻角大小；折叠是翅膀沿翼展方向的伸展与弯曲，它可以折叠翅膀以减小上扑时的空气阻力。折叠和扭转运动对中小型飞鸟具有重要作用，其中鸟类飞行所需的升力和推力主要由下拍运动产生。下拍运动中，为了得到最大升力，主副翼间的折叠并不明显，而上拍运动是用来实现下拍运动的回程过程，会产生负升力，因此鸟类上拍运动中，主副翼间会有明显的折叠，以有效减小空气阻力。与折叠相似，下拍运动时，翼肋的扭转并不明显，而上拍时为了减小负升力，翼肋会迅速扭转。折叠运动能够有效减少翼上拍过程中的空气阻力，扭转运动能够有效改善扑翼运动的气动效率。

发明人认为，现有扑翼飞行器设计中，机翼的折叠和扭转运动大多使用主动驱动方式，不仅增加了扑翼机构和控制系统的复杂度，还降低了飞行器的能源使用效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在问题，提供一种可实现机翼被动折叠与扭转的机构。

本发明解决这一问题所采用的技术方案是：

一种弹性被动折叠扭转翼，包括主翼和副翼，所述副翼弹性连接所述主翼，所述副翼在运动时扑打动作滞后于所述主翼的扑打运动；在扑打运动中，所述主翼和副翼发生形变，改变机翼攻角，进而实现机翼在扑打过程中的被动扭转。通过控制单一自由度“扑打”，在不增加机械机构和控制系统复杂度的前提下,实现“扑打-折叠-扭转”的协同运动，有效提升了气动效率，使飞行器在仿生学上更接近真实鸟类飞行。

进一步的，所述主翼包括主翼杆，所述主翼杆的末端通过轴承与套筒支架相连接，套筒支架连接第一套筒，第一套筒连接副翼，套筒支架还安装有第二套筒，第二套筒连接翼肋，第一套筒与第二套筒均通过弹性件与套筒支架连接。所述的弹性件可以根据需要更换。

进一步的，所述套筒支架与主翼杆相连接处设有安装孔，当需要配合不同直径的主翼杆时，扩大或缩小安装孔的大小。

进一步的，所述套筒支架沿翼展方向和翼肋方向，底部均开有槽口，用来放置第一套筒或第二套筒；所述套筒支架顶部设有凹槽，以限制套筒的最大上位移。

进一步的，槽口两侧设有两个固定孔，用来放置限制套筒位移的固定螺栓。

进一步的，槽口顶部设有台状突起，台状突起开有多个圆孔，以用于在台状突起内部放置弹性件；

进一步的，所述圆孔两侧均设有弹性件固定杆支架，弹性件固定杆支架设有用于固定弹性件上端的固定杆；弹性件下端固定于套筒两侧的弹性件放置杆。

进一步的，所述套筒的主体呈圆柱状，套筒侧面设有扇形槽，扇形槽的槽壁侧面均设有弹性件放置杆，以用于固定弹性件下端。

进一步的，所述套筒第一端呈半球状，防止套筒在套筒支架内旋转时发生卡住现象；所述套筒第二端开孔，用于安放副翼或翼肋。

进一步的，所述副翼包括副翼杆和翼肋杆，所述副翼杆和翼肋杆整体呈锥形，副翼杆和翼肋杆起始端至末端直径减小，所述副翼杆和翼肋杆分别连接于所述第二套筒和第一套筒，在保证碳杆不易折断的同时，有效增加了弹性力。

本发明的有益效果为：

1)本发明通过控制单一自由度“扑打”，在不增加机械机构和控制系统复杂度的前提下,实现“扑打-折叠-扭转”的协同运动，有效提升了气动效率，使飞行器在仿生学上更接近真实鸟类飞行。

2)本发明采用模块化设计，可仅通过更换不同长度、弹性系数的弹性件，调节飞行器的副翼最大扑打角与最大扭转角，以此来变换不同场景下的飞行模式，同时也易于更换零部件。

3)套筒前端采用圆弧型设计，有效减少转动时与其他物体接触所产生的摩擦，并且，套筒支架在限制最大扑打角时，其接触面设计为圆弧状，完美啮合圆柱套筒，有效减小套筒的损耗。

4)本发明中的主翼杆采用圆锥形高弹性模量细长杆，在翼根处细长杆直径足够大，保证了足够的强度防止折断，在翼尖处细长杆直径足够小，可以有效增强飞行器机翼的柔性，拍打时，整个翼面会由于弹性力的不均匀分布，及空气阻力的存在，呈现出弧线形翼面，使得整个飞行过程更为流畅。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步了理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为实施例1整体外观示意图，

图2为图1局部放大图，

图3为实施例1套筒支架轴轴测图，

图4为实施例1套筒支架主视图，

图5为实施例1局部装配体示意图，

图6为实施例1套筒示意图，

图7为实施例1上扑动作示意图，

图8为实施例1下扑动作示意图。

其中：1、翼梁套管，2、主翼杆，3、套筒支架，3-1、固定杆支架，3-2、圆孔，3-3、槽口，3-4、固定孔，3-5、套筒啮合区，3-6、轴承配合孔，4、固定杆，5、第一套筒，6、翼肋杆，7、副翼杆，8、第二套筒，8-1、固定孔，8-2、扇形槽，8-3、弹簧放置杆，8-4、安装孔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所述技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要指出的是，以下实施例中的方位用词是根据附图和实际使用习惯进行描述的。

实施例1

本实施例公开了一种弹性被动折叠扭转翼，所述弹性被动折叠扭转翼基于单一驱动源可以实现三自由度(扑打-折叠-扭转)运动。所述弹性被动折叠扭转翼由主翼和副翼组成，其主翼部分相当于鸟类的大臂，起到上下拍打的作用，而副翼部分通过弹簧弹性连接。在机翼上扑过程中，副翼由于弹性连接的设置，在弹力及空气阻力作用下，随着主翼上扑的同时，副翼相对主翼作大幅度的下扑打运动，并且该运动会滞后于主翼的上扑运动；在机翼下拍过程中，同样副翼由于弹性连接的设置，在弹性力及空气阻力作用下，随着主翼下扑的同时，副翼相对主翼作小幅度的向上扑打运动，并且该运动滞后于主翼的下扑运动，但由于机械限位平面的存在，能够限制副翼上扬的幅度。

同样，在扑打过程中，在空气阻力作用下，弹性翼肋机构会发生形变，改变机翼攻角，进而实现机翼在扑打过程中的被动扭转。具体来说，在机翼上扑过程中，翼肋由于弹性连接及空气阻力作用，被动地向下扭转，在机翼下拍过程中，同样翼肋由于弹性连接及空气阻力作用，翼肋被动向上扭转，但由于机械限位面的存在，能够限制翼肋上扬的幅度，既增大了升力，又有效提高了气动效率。

鸟类在扑打过程中，由于鸟翼肋和其翅膀羽毛的柔性特征，使得飞鸟整个翅膀沿翼根到翼尖的翼型剖面的扭转角不尽相同，其大小呈现出逐渐变大的趋势。因此，根据这一仿生特性，将现有的扑翼飞行器大多采用的圆柱形杆，替换为高弹性模量的圆锥形杆。

本实施例的具体技术方案是：

一种弹性被动折叠扭转翼，包括主翼和副翼，所述主翼包括主翼杆2，所述主翼杆2的末端通过轴承与套筒支架3相连接，套筒支架3连接第一套筒5，第一套筒5连接副翼，套筒支架3还安装有第二套筒8，第二套筒8连接翼肋，第一套筒5与第二套筒8均通过弹簧与套筒支架3连接；在本实施例中，所述主翼杆2还套接于翼梁套管1中；所述第一套筒5用于套接翼肋杆6，所述第二套筒8用于套接副翼杆7。

所述套筒支架3与主翼杆2相连接处设有安装孔8-4，当需要配合不同直径的主翼杆2时，扩大或缩小安装孔8-4的大小，可以通过更换套筒支架3来实现，也可以通过在安装孔8-4安装辅助装置来实现。

所述套筒支架3沿翼展方向和翼肋方向，底部均开有槽口3-3，用来放置第一套筒5或第二套筒8；所述套筒支架3顶部设有凹槽，以限制套筒的最大位移。

槽口3-3两侧设有两个固定孔3-4，用来放置限制套筒位移的固定螺栓。

槽口3-3顶部设有台状突起，台状突起开有多个圆孔3-2，以用于在台状突起内部放置弹簧；

所述圆孔3-2两侧均设有固定杆支架3-1，固定杆支架3-1设有用于固定弹簧上端的固定杆4；弹簧下端固定于套筒两侧的弹簧放置杆8-3。

所述套筒的主体呈圆柱状，套筒侧面设有扇形槽8-2，扇形槽8-2的槽壁侧面均设有弹簧放置杆8-3，以用于固定弹簧下端。

所述套筒第一端呈半球状；所述套筒第二端设有安装孔8-4。

所述副翼包括副翼杆7和翼肋杆6，所述副翼杆7和翼肋杆6整体呈锥形，副翼杆7和翼肋杆6起始端至末端直径减小，所述副翼杆7和翼肋杆6分别连接于所述第二套筒8和第一套筒5。

在本实施例中，副翼杆7和翼肋杆6均采用圆锥杆，以翼肋杆6为例，圆锥杆的膨大端(起始端)设置在翼肋根部，锥形端(末端)设置在翼肋末端处。根据胡克定律：ΔF＝kΔx，即弹性构件弹力的改变量和弹性构件形变量成正比；此外，材料一定时，杆端横截面积越细，弯曲越明显，因此翼尖处Δx大于翼根处Δx，从而锥形端的弹性力大于膨大端。机翼做扑打运动时，在空气阻力的作用下，整个翼面由于弹性力的不均匀分布，会呈现出弧线形翼面，从而使机翼整个翼面同时实现不同的扭转角度：翼尖处扭转角最大，翼根处扭转角最小。以上的特征在提高扑翼飞行器的气动特性方面具有重要意义。

所述套筒支架3内设有套筒啮合区3-5，套筒啮合区3-5内设有用于啮合所述套筒末端第一齿轮结构的第二齿轮结构，因此套筒只能在一定角度内旋转。

本实施例至少具有以下有益之处：

(1)本发明通过控制单一自由度“扑打”，在不增加机械机构和控制系统复杂度的前提下,实现“扑打-折叠-扭转”的协同运动，有效提升了气动效率，使飞行器在仿生学上更接近真实鸟类飞行。

(2)本发明采用模块化设计，可仅通过更换不同长度、弹性系数的弹簧，调节飞行器的副翼最大扑打角与最大扭转角，以此来变换不同场景下的飞行模式，同时也易于更换零部件。

(3)套筒前端采用圆弧型设计，有效减少转动时与其他物体接触所产生的摩擦，并且，套筒支架3在限制最大扑打角时，其接触面设计为圆弧状，完美啮合圆柱套筒，有效减小套筒的损耗。

(3)本发明采用圆锥形高弹性模量细长杆，在翼根处细长杆直径足够大，保证了足够的强度防止折断，在翼尖处细长杆直径足够小，可以有效增强飞行器机翼的柔性，拍打时，整个翼面会由于弹性力的不均匀分布，及空气阻力的存在，呈现出弧线形翼面，使得整个飞行过程更为流畅。

实施例2

实施例2公开了实施例1所述的弹性被动折叠扭转翼的制作方法，以针对现有扑翼机的改装为例：

-将原有机翼拆卸，翼梁处改为翼梁套管1安装，翼梁套管1末端插入主翼杆2，主翼杆2末端插入至轴承内，轴承外圈与套筒支架3的轴承配合孔3-6同心放置，主翼杆2末端与套筒支架3内表面对齐。完成翼梁套管1与主翼杆2的安装。

-将弹簧一端套入至第二套筒8的弹簧放置杆8-3，另一端通过扇形槽8-2，套入固定杆4。将固定杆4套接于固定杆支架3-1之内，由于固定杆4仅受弹力作用，因此只需用黏性胶水将弹簧固定杆4与固定杆支架3-1连接即可。重复此步骤将第二套筒8的两个弹簧全部安装完毕。

-在套筒支架3的固定孔3-4内插入螺栓，通过第二套筒8的固定孔8-1直至另一侧穿出，用螺母完成第二套筒8的固定，此时第二套筒8只能实现旋转运动，且由于套筒支架3的套筒啮合区3-5，因此只能在一定角度内旋转。重复此步骤将翼肋套筒安装完成。

-在第二套筒8的安装孔8-4内插入锥形碳杆，锥形碳杆与安装孔8-4之间采取过盈配合，防止锥型碳杆掉落。重复此步骤将翼肋套筒内插入锥型碳杆，至此，整个安装结束。

当飞行器向上扑翼时，由于副翼具有的惯性力大，会产生滞后现象，会滞后于主翼向上的运动，即实现了折叠功能，在滞后一定程度后由于弹簧的存在，副翼跟随主翼上升。当飞行器向下扑翼时，通过套筒支架3的套筒啮合区3-5的存在，有效限制了折叠的最大角度。上下扑翼的同时，由于翼肋处的弹簧与套筒啮合区3-5的存在，会产生机翼扭转现象。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种弹性被动折叠扭转翼，其特征在于，包括主翼和副翼，所述副翼弹性连接所述主翼，所述副翼在运动时扑打动作滞后于所述主翼的扑打运动；在扑打运动中，所述主翼和副翼发生形变，改变机翼攻角，进而实现机翼在扑打过程中的被动扭转；

所述主翼包括主翼杆，所述主翼杆的末端通过轴承与套筒支架相连接，套筒支架连接相对于套筒支架旋转的第一套筒，第一套筒连接副翼，套筒支架还安装有相对于套筒支架旋转的第二套筒，第二套筒连接翼肋，第一套筒与第二套筒均通过弹性件与套筒支架连接；

所述套筒的主体呈圆柱状，套筒侧面设有扇形槽，扇形槽的槽壁侧面均设有弹性件放置杆，以用于固定弹性件下端；所述套筒第一端呈半球状；所述套筒第二端开孔；

所述套筒支架顶部设有凹槽，以限制套筒的最大上位移。

2.如权利要求1所述的弹性被动折叠扭转翼，其特征在于，所述套筒支架与主翼杆相连接处设有安装孔。

3.如权利要求1所述的弹性被动折叠扭转翼，其特征在于，所述套筒支架沿翼展方向和翼肋方向的底部均开有槽口，用来放置第一套筒和第二套筒。

4.如权利要求3所述的弹性被动折叠扭转翼，其特征在于，槽口两侧设有两个固定孔，固定孔内能够旋进固定螺栓。

5.如权利要求3所述的弹性被动折叠扭转翼，其特征在于，槽口顶部设有台状突起，台状突起开有多个圆孔，以用于在台状突起内部放置弹性件。

6.如权利要求5所述的弹性被动折叠扭转翼，其特征在于，所述圆孔两侧均设有弹性件固定杆支架，弹性件固定杆支架设有用于固定弹性件上端的固定杆；弹性件下端固定于套筒两侧的弹性件放置杆。

7.如权利要求1所述的弹性被动折叠扭转翼，其特征在于，所述副翼包括副翼杆和翼肋杆，所述副翼杆和翼肋杆整体呈锥形，副翼杆和翼肋杆起始端至末端直径减小。

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