CN109911196A - 一种减阻可折叠扑翼微飞行器 - Google Patents
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Abstract
一种减阻可折叠扑翼微飞行器属微型飞行器设计及制造技术领域，本发明中右机翼与左机翼为关于机身a‑‑a中轴线的对称结构，右机翼中摆杆Ⅰ的h孔与机头装置中螺栓组Ⅰ活动连接,右机翼中摆杆Ⅰ的i孔与机头装置中螺栓组Ⅱ活动连接；左机翼中摆杆Ⅰ的h孔与机头装置中螺栓组Ⅰ活动连接,左机翼中摆杆Ⅰ的i孔与机头装置中螺栓组Ⅱ活动连接；尾翼装置的垂直尾翼与机身板已设计为一个整体，并且其上的l1、l2、l3位置分别与机头装置中前板、中板、后板的上下凹槽粘接；机头装置的机身外壳与垂直尾翼粘接；本发明的可折叠扑翼在飞行结束后收拢折叠，能减少机翼暴露的面积，便于运输和储存。
Description
技术领域
本发明属于微型飞行器设计及制造技术领域，具体的说是一种可折叠扑翼微飞行器的减阻整机设计。
背景技术
像昆虫一样超低空飞行，灵活的完成多项侦查搜索任务是现在和未来的微飞行器发展的方向。目前研究的扑翼飞行器中，大多数机翼均无法折叠靠拢于机身，在飞行结束后的携带运输过程中，裸露的机翼均成为悬臂梁结构，极易与其他物体接触产生弯曲变形，严重影响整机的装配性能，从而使得其在空中的飞行姿态大打折扣。
自然界中的鞘翅目昆虫(甲虫)在不飞行时可将其膜质后翅折叠收拢于鞘翅之下，在需要飞行时才将后翅展开。其后翅所具有的可折叠特性使其同时具备了优异的飞行能力和良好的环境适应性。这正好可以应用于目前扑翼MAV亟待解决的机翼易损问题。
发明内容
本发明在鞘翅目昆虫飞行的启发下，设计出一种可折叠扑翼微飞行器，其目的是使机翼可控制的智能展开与折叠。
本发明由右机翼A、机头装置B、左机翼C和尾翼装置D组成。其中：所述的右机翼A与左机翼C为关于机身a--a中轴线的对称结构；右机翼A中摆杆Ⅰ5的h孔与机头装置B中螺栓组Ⅰ9活动连接，右机翼A中摆杆Ⅰ5的i孔与机头装置B中螺栓组Ⅱ23活动连接；左机翼C中摆杆Ⅰ的h孔与机头装置B中螺栓组Ⅰ9活动连接，左机翼C中摆杆Ⅰ的i孔与机头装置B中螺栓组Ⅱ23活动连接；尾翼装置D的垂直尾翼30尾翼装置(D)的垂直尾翼(30)固接于机身外壳(29)尾部。
所述的右机翼A和左机翼C为关于微飞行器中心线a-a的对称结构，其结构相同，方向相反，均由摆杆Ⅲ1、机翼膜2、支撑杆3、摆杆Ⅱ4、摆杆Ⅰ5、舵机摇臂6、舵机7、AP杆8组成，其中：摆杆Ⅲ1上设有a孔和b孔；支撑杆3上设有c孔和d孔；摆杆Ⅱ4上设有e孔和f孔；摆杆Ⅰ5上设有带孔耳对g、h孔和i孔；摆杆Ⅲ1的a孔经销轴与支撑杆3的c孔活动连接；摆杆Ⅲ1的b孔经销轴与摆杆Ⅱ4的e孔活动连接；支撑杆3的下端d孔经销轴与摆杆Ⅰ5的g孔活动连接；舵机摇臂6位于舵机7的前端，并与舵机7活动连接；舵机7的前下部与摆杆Ⅰ5的后面中部固接，舵机摇臂6外端与摆杆Ⅱ4的f孔粘接；AP杆8的前端与摆杆Ⅱ4的近内端固接；机翼膜2粘接于AP杆8、摆杆Ⅱ4和摆杆Ⅲ1的上面。
所述的机头装置B由螺栓组Ⅰ9、二级轴10、齿轮Ⅴ11、三级轴Ⅰ12、齿轮Ⅵ13、前板14、齿轮Ⅶ15、三级轴Ⅱ16、左连杆17、中板18、齿轮Ⅰ19、无刷电机20、后板21、齿轮Ⅱ22、螺栓组Ⅱ23、支撑板24、右连杆25、齿轮Ⅲ26、一级轴27、齿轮Ⅳ28组成，其中：前板14上设有上下凹槽、j孔、k孔、m孔、n孔、p孔、q孔和r孔；中板18上设有上下凹槽、j孔、k孔、q孔和r孔；后板21上设有上下凹槽、j孔和r孔；前板14，中板18与后板21为减速器的机架固定板，平行排列，均与机身固连；无刷电机20通过螺栓与后板21固连；齿轮Ⅰ19固定安装于无刷电机20上；
一级轴27、二级轴10、三级轴Ⅰ12、三级轴Ⅱ16均为平行排布，一级轴27上前后固定安装着齿轮Ⅲ26和齿轮Ⅱ22；且一级轴27安装于前板14、中板18和后板21的j孔上；二级轴10上前后固定安装着齿轮Ⅴ11和齿轮Ⅳ28；且二级轴10安装于前板14、中板18和后板21的r孔上；三级轴Ⅰ12上固定安装着齿轮Ⅵ13；且三级轴Ⅰ12安装于前板14、中板18的q孔上；三级轴Ⅱ16上固定安装着齿轮Ⅶ15；且三级轴Ⅱ16安装于前板14、中板18的k孔上；齿轮Ⅰ19与齿轮Ⅱ22啮合；齿轮Ⅲ26与齿轮Ⅳ28啮合；齿轮Ⅴ11和齿轮Ⅵ13啮合；齿轮Ⅵ13和齿轮Ⅶ15啮合。
支撑板24通过螺栓组Ⅱ23固连于前板14上；右连杆25的下端与齿轮Ⅵ13齿面上的孔活动连接，右连杆25的上端与摆杆Ⅰ5的第二孔对活动连接；左连杆17的下端与齿轮Ⅶ15齿面上的孔活动连接，左连杆17的上端与左摆杆Ⅰ的孔活动连接。
所述的尾翼装置D由机身外壳29、垂直尾翼30、升降舵31、方向舵32、水平尾翼33组成，其中：
升降舵31通过合页与水平尾翼33后端活动连接；方向舵32通过合页与垂直尾翼30后端活动连接；
水平尾翼33固接于垂直尾翼30下端；机身外壳29固接于垂直尾翼30前端的圆弧处。
所述的齿轮模数均为0.5，齿轮Ⅰ19的齿轮齿数为10，齿轮Ⅱ22的齿轮齿数为54，齿轮Ⅲ26的齿轮齿数为16，齿轮Ⅳ28的齿轮齿数为50，齿轮Ⅴ11的齿轮齿数为16，齿轮Ⅵ13与齿轮Ⅶ15的齿轮齿数为30。
所述的垂直尾翼30，水平尾翼33，前板14，中板18，后板21，一级轴27，二级轴10，三级轴Ⅰ12，三级轴Ⅱ16，支撑板24，左连杆17，右连杆25，摆杆Ⅰ5，摆杆Ⅱ4，摆杆Ⅲ1，支撑杆3的材料均为碳纤维；齿轮组的材料为POM塑料；机翼膜2材料为聚氯乙烯薄膜；方向舵32，升降舵31以及机身外壳29的材料为KT板。
本发明的自动收翅展翅过程：
当折叠式飞行器完成飞行，降落过程中，遥控控制系统发出信号，微型直流无刷电机20停止转动，其靠惯性滑落至地面，此位置称为A状态。
收翅过程：初始状态如附图16所示，此时的机翼仍处于完全展开状态，当控制控制系统发出信号后，左右摆杆Ⅰ5上的舵机开始相向旋转，机翼开始折叠，折叠装置采用双曲柄摇杆机构，通过舵机摇臂的带动，使得摆杆Ⅲ1能够顺利折叠收回，减少了机翼在外暴露的长度，折叠后的位置如附图17所示。
展翅过程：初始状态为附图17所示，当飞行器准备再次起飞时，无线控制信号的发出使得位于摆杆Ⅰ5上的两舵机开始相向旋转，机翼开始打开，舵机摇臂6旋转的角度可以通过控制程序调整，来决定机翼完全展开后的姿态。机翼完全展开后，启动油门，无刷电机20开始旋转，经过减速器的多级降速，齿轮Ⅵ13和齿轮Ⅶ15(即扑翼曲柄)开始相向啮合旋转，带动左右连杆17/25转动，从而左右摆杆Ⅰ5在此基础上开始上下运动，最终整个机翼顺利扑动。
由于本发明的创新之处在于飞行器结构本身，故未将飞行器驱动系统，动力源及控制系统包括在本发明之中。
本发明的有益效果在于：
1.本发明的可折叠扑翼在飞行结束后收拢折叠，减少了机翼暴露的面积，便于运输和储存；
2.本发明利用模块化设计思想将扑翼装置系统、折叠装置系统以及电控系统都封装在微飞行器内部，且扑翼装置系统和折叠装置系统相互独立，均通过JST接口与飞控连接，完成信息传递，大大简化了飞行器机体的结构；
3.本发明的安装在两机翼上的控制系统可以与机体之间实现实时信息传输，使飞行器可以根据需要实时调整机翼的展开状态以及尾翼的控制，有利于提高飞行器的操作性。
附图说明
图1为减阻可折叠扑翼微飞行器的轴测图
图2为右机翼与左机翼的轴测图
图3为摆杆Ⅲ的轴测图
图4为支撑杆的轴测图
图5为摆杆Ⅱ的轴测图
图6为摆杆Ⅰ的轴测图
图7为AP杆的轴测图
图8为机头装置的轴测图
图9为机头装置的俯视图
图10为齿轮传动的示意图
图11为前板的零件图
图12为中板的零件图
图13为后板的零件图
图14为尾翼装置的轴测图
图15为机身/垂直尾翼的主视图
图16为扑翼微飞行器完全展开后的状态示意图
图17为扑翼微飞行器折叠后的状态示意图
其中：A.右机翼 B.机头装置. C.左机翼 D.尾翼装置 1.摆杆Ⅲ 2.机翼膜 3.支撑杆 4.摆杆Ⅱ 5.摆杆Ⅰ 6.舵机摇臂 7.舵机 8.AP杆 9.螺栓组Ⅰ 10.二级轴 11.齿轮Ⅴ12.三级轴Ⅰ 13.齿轮Ⅵ 14.前板 15.齿轮Ⅶ 16.三级轴Ⅱ 17.左连杆 18.中板 19.齿轮Ⅰ20.无刷电机 21.后板 22.齿轮Ⅱ 23.螺栓组Ⅱ 24.支撑板 25.右连杆 26.齿轮Ⅲ 27.一级轴 28.齿轮Ⅳ 29.机身外壳 30.垂直尾翼 31.升降舵 32.方向舵 33.水平尾翼.
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
如图1所示，本发明所述的减阻可折叠扑翼微飞行器，其特征在于：右机翼A与左机翼C为关于机身a--a中轴线的对称结构；右机翼A中摆杆Ⅰ5的h孔与机头装置B中螺栓组Ⅰ9活动连接，右机翼A中摆杆Ⅰ5的i孔与机头装置B中螺栓组Ⅱ23活动连接；左机翼C中摆杆Ⅰ的h孔与机头装置B中螺栓组Ⅰ9活动连接，左机翼C中摆杆Ⅰ的i孔与机头装置B中螺栓组Ⅱ23活动连接；尾翼装置D的垂直尾翼30固接于机身外壳(29)尾部。
如图2至图7所示，所述的右机翼A和左机翼C为关于微飞行器中心线a-a的对称结构，其结构相同，方向相反，均由摆杆Ⅲ1、机翼膜2、支撑杆3、摆杆Ⅱ4、摆杆Ⅰ5、舵机摇臂6、舵机7、AP杆8组成，其中：摆杆Ⅲ1上设有a孔和b孔；支撑杆3上设有c孔和d孔；摆杆Ⅱ4上设有e孔和f孔；摆杆Ⅰ5上设有带孔耳对g、h孔和i孔；摆杆Ⅲ1的a孔经销轴与支撑杆3的c孔活动连接；摆杆Ⅲ1的b孔经销轴与摆杆Ⅱ4的e孔活动连接；支撑杆3的下端d孔经销轴与摆杆Ⅰ5的g孔活动连接；舵机摇臂6位于舵机7的前端，并与舵机7活动连接；舵机7的前下部与摆杆Ⅰ5的后面中部固接，舵机摇臂6外端与摆杆Ⅱ4的f孔粘接；AP杆8的前端与摆杆Ⅱ4的近内端固接；机翼膜2粘接于AP杆8、摆杆Ⅱ4和摆杆Ⅲ1的上面。
如图8至图13所示，所述的机头装置B由螺栓组Ⅰ9、二级轴10、齿轮Ⅴ11、三级轴Ⅰ12、齿轮Ⅵ13、前板14、齿轮Ⅶ15、三级轴Ⅱ16、左连杆17、中板18、齿轮Ⅰ19、无刷电机20、后板21、齿轮Ⅱ22、螺栓组Ⅱ23、支撑板24、右连杆25、齿轮Ⅲ26、一级轴27、齿轮Ⅳ28组成，其中：前板14上设有上下凹槽、j孔、k孔、m孔、n孔、p孔、q孔和r孔；中板18上设有上下凹槽、j孔、k孔、q孔和r孔；后板21上设有上下凹槽、j孔和r孔；前板14，中板18与后板21为减速器的机架固定板，平行排列，均与机身固连；无刷电机20通过螺栓与后板21固连；齿轮Ⅰ19固定安装于无刷电机20上；一级轴27、二级轴10、三级轴Ⅰ12、三级轴Ⅱ16均为平行排布，一级轴27上前后固定安装着齿轮Ⅲ26和齿轮Ⅱ22；且一级轴27安装于前板14、中板18和后板21的j孔上；二级轴10上前后固定安装着齿轮Ⅴ11和齿轮Ⅳ28；且二级轴10安装于前板14、中板18和后板21的r孔上；三级轴Ⅰ12上固定安装着齿轮Ⅵ13；且三级轴Ⅰ12安装于前板14、中板18的q孔上；三级轴Ⅱ16上固定安装着齿轮Ⅶ15；且三级轴Ⅱ16安装于前板14、中板18的k孔上；齿轮Ⅰ19与齿轮Ⅱ22啮合；齿轮Ⅲ26与齿轮Ⅳ28啮合；齿轮Ⅴ11和齿轮Ⅵ13啮合；齿轮Ⅵ13和齿轮Ⅶ15啮合。
支撑板24通过螺栓组Ⅱ23固连于前板14上；右连杆25的下端与齿轮Ⅵ13齿面上的孔活动连接，右连杆25的上端与摆杆Ⅰ5的第二孔对活动连接；左连杆17的下端与齿轮Ⅶ15齿面上的孔活动连接，左连杆17的上端与左摆杆Ⅰ的孔活动连接。
如图14和图15所示，所述的尾翼装置D由机身外壳29、垂直尾翼30、升降舵31、方向舵32、水平尾翼33组成，其中：升降舵31通过合页与水平尾翼33后端活动连接；方向舵32通过合页与垂直尾翼30后端活动连接；水平尾翼33固接于垂直尾翼30下端；机身外壳29固接于垂直尾翼30前端的圆弧处。
所述的齿轮模数均为0.5，齿轮Ⅰ19的齿轮齿数为10，齿轮Ⅱ22的齿轮齿数为54，齿轮Ⅲ26的齿轮齿数为16，齿轮Ⅳ28的齿轮齿数为50，齿轮Ⅴ11的齿轮齿数为16，齿轮Ⅵ13与齿轮Ⅶ15的齿轮齿数为30。
所述的垂直尾翼30，水平尾翼33，前板14，中板18，后板21，一级轴27，二级轴10，三级轴Ⅰ12，三级轴Ⅱ16，支撑板24，左连杆17，右连杆25，摆杆Ⅰ5，摆杆Ⅱ4，摆杆Ⅲ1，支撑杆3的材料均为碳纤维；齿轮组的材料为POM塑料；机翼膜2材料为聚氯乙烯薄膜；方向舵32，升降舵31以及机身外壳29的材料为KT板。
当折叠式飞行器完成飞行，降落过程中，遥控控制系统发出信号，微型直流无刷电机20停止转动，其靠惯性滑落至地面，此位置称为A状态。
收翅过程：初始状态如附图16所示，此时的机翼仍处于完全展开状态，当控制控制系统发出信号后，左右摆杆Ⅰ5上的舵机开始相向旋转，机翼开始折叠，折叠装置采用双曲柄摇杆机构，通过舵机摇臂的带动，使得摆杆Ⅲ1能够顺利折叠收回，减少了机翼在外暴露的长度，折叠后的位置如附图17所示。
展翅过程：初始状态为附图17所示，当飞行器准备再次起飞时，无线控制信号的发出使得位于摆杆Ⅰ5上的两舵机开始相向旋转，机翼开始打开，舵机摇臂6旋转的角度可以通过控制程序调整，来决定机翼完全展开后的姿态。机翼完全展开后，启动油门，无刷电机20开始旋转，经过减速器的多级降速，齿轮Ⅵ13和齿轮Ⅶ15(即扑翼曲柄)开始相向啮合旋转，带动左右连杆17/25转动，从而左右摆杆Ⅰ5在此基础上开始上下运动，最终整个机翼顺利扑动。
Claims (4)
1.一种减阻可折叠扑翼微飞行器，其特征在于，由右机翼(A)、机头装置(B)、左机翼(C)和尾翼装置(D)组成，其中：所述的右机翼(A)与左机翼(C)为关于机身a--a中轴线的对称结构；右机翼(A)中摆杆Ⅰ(5)的h孔(h)与机头装置(B)中螺栓组Ⅰ(9)活动连接,右机翼(A)中摆杆Ⅰ(5)的i孔(i)与机头装置(B)中螺栓组Ⅱ(23)活动连接；左机翼(C)中摆杆Ⅰ的h孔(h)与机头装置(B)中螺栓组Ⅰ(9)活动连接,左机翼(C)中摆杆Ⅰ的i孔(i)与机头装置(B)中螺栓组Ⅱ(23)活动连接；尾翼装置(D)的垂直尾翼(30)固接于机身外壳(29)尾部。
2.按权利要求1所述的减阻可折叠扑翼微飞行器，其特征在于：所述的右机翼(A)和左机翼(C)为关于微飞行器中心线a-a的对称结构，其结构相同，方向相反，均由摆杆Ⅲ(1)、机翼膜(2)、支撑杆(3)、摆杆Ⅱ(4)、摆杆Ⅰ(5)、舵机摇臂(6)、舵机(7)、AP杆(8)组成，其中：摆杆Ⅲ(1)上设有a孔(a)和b孔(b)；支撑杆(3)上设有c孔(c)和d孔(d)；摆杆Ⅱ(4)上设有e孔(e)和f孔(f)；摆杆Ⅰ(5)上设有带孔耳对(g)、h孔(h)和i孔(i)；摆杆Ⅲ(1)的a孔(a)经销轴与支撑杆(3)的c孔(c)活动连接；摆杆Ⅲ(1)的b孔(b)经销轴与摆杆Ⅱ(4)的e孔(e)活动连接；支撑杆(3)的下端d孔(d)经销轴与摆杆Ⅰ(5)的g孔(g)活动连接；舵机摇臂(6)位于舵机(7)的前端，并与舵机(7)活动连接；舵机(7)的前下部与摆杆Ⅰ(5)的后面中部固接，舵机摇臂(6)外端与摆杆Ⅱ(4)的f孔(f)粘接；AP杆(8)的前端与摆杆Ⅱ(4)的近内端固接；机翼膜(2)粘接于AP杆(8)、摆杆Ⅱ(4)和摆杆Ⅲ(1)的上面。
3.按权利要求1所述的减阻可折叠扑翼微飞行器，其特征在于：所述的机头装置(B)由螺栓组Ⅰ(9)、二级轴(10)、齿轮Ⅴ(11)、三级轴Ⅰ(12)、齿轮Ⅵ(13)、前板(14)、齿轮Ⅶ(15)、三级轴Ⅱ(16)、左连杆(17)、中板(18)、齿轮Ⅰ(19)、无刷电机(20)、后板(21)、齿轮Ⅱ(22)、螺栓组Ⅱ(23)、支撑板(24)、右连杆(25)、齿轮Ⅲ(26)、一级轴(27)、齿轮Ⅳ(28)组成，其中：前板(14)上设有上下凹槽、j孔(j)、k孔(k)、m孔(m)、n孔(n)、p孔(p)、q孔(q)和r孔(r)；中板(18)上设有上下凹槽、j孔(j)、k孔(k)、q孔(q)和r孔(r)；后板(21)上设有上下凹槽、j孔(j)和r孔(r)；前板(14)，中板(18)与后板(21)为减速器的机架固定板，平行排列，均与机身固连；无刷电机(20)通过螺栓与后板(21)固连；齿轮Ⅰ(19)固定安装于无刷电机(20)上；一级轴(27)、二级轴(10)、三级轴Ⅰ(12)、三级轴Ⅱ(16)均为平行排布；一级轴(27)上前后固定安装着齿轮Ⅲ(26)和齿轮Ⅱ(22)，且一级轴(27)安装于前板(14)、中板(18)和后板(21)的j孔(j)上；二级轴(10)上前后固定安装着齿轮Ⅴ(11)和齿轮Ⅳ(28)，且二级轴(10)安装于前板(14)、中板(18)和后板(21)的r孔(r)上；三级轴Ⅰ(12)上固定安装着齿轮Ⅵ(13)，且三级轴Ⅰ(12)安装于前板(14)、中板(18)的q孔(q)上；三级轴Ⅱ(16)上固定安装着齿轮Ⅶ(15)，且三级轴Ⅱ(16)安装于前板(14)、中板(18)的k孔(k)上；齿轮Ⅰ(19)与齿轮Ⅱ(22)啮合；齿轮Ⅲ(26)与齿轮Ⅳ(28)啮合；齿轮Ⅴ(11)和齿轮Ⅵ(13)啮合；齿轮Ⅵ(13)和齿轮Ⅶ(15)啮合；支撑板(24)通过螺栓组Ⅱ(23)固连于前板(14)上；右连杆(25)的下端与齿轮Ⅵ(13)齿面上的孔活动连接，右连杆(25)的上端与摆杆Ⅰ(5)的第二孔对活动连接；左连杆(17)的下端与齿轮Ⅶ(15)齿面上的孔活动连接，左连杆(17)的上端与左摆杆Ⅰ的孔活动连接。
4.按权利要求1所述的减阻可折叠扑翼微飞行器，其特征在于：所述的尾翼装置(D)由机身外壳(29)、垂直尾翼(30)、升降舵(31)、方向舵(32)、水平尾翼(33)组成，其中：升降舵(31)通过合页与水平尾翼(33)后端活动连接；方向舵(32)通过合页与垂直尾翼(30)后端活动连接；水平尾翼(33)固接于垂直尾翼(30)下端；机身外壳(29)固接于垂直尾翼(30)前端的圆弧处。
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| CN109911196B (zh) | 2023-09-15 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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