CN110104175A - 一种共轴反向双扑旋翼机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共轴反向双扑旋翼机构，属于飞行器领域。所述机构包括机翼和传动机构；机翼有两组，每组三片，两组机翼采用共轴反向布置方式；所述传动机构包括套筒、内杆、机翼安装架和机翼连杆；所述机翼安装架和机翼连杆有两组，分别连接两组机翼；所述的内杆位于套筒内，套筒固连于电机本体，内杆与电机输出端连接，电机启动后，套筒和内杆之间进行往复运动，机翼扑动，实现飞行操控。本发明采用叠加与反向布置扑旋翼翼面及连杆机构的方式，将电机动力充分利用到两组翼面上，进而增加了升力；同时，本发明结构紧凑简洁，空间利用率较高，更加有利于飞行器微型化的实现。

Description

一种共轴反向双扑旋翼机构

技术领域

本发明属于扑翼飞行器技术领域，具体是指一种共轴反向双扑旋翼机构。

背景技术

飞行器的微型化是当前世界航空领域研究的重要方向，现今微型飞行器根据不同的飞行方式被划分为：微型固定翼飞行器、微型旋翼飞行器、微型扑翼飞行器。这其中，微型旋翼飞行器方面的研究最为丰富，其相较于固定翼飞行器，最大的优点是可以在较小的空间内完成垂直起降和悬停，比较适合于较复杂的环境中使用。但现有的微型旋翼飞行器都需要电机或油机驱动旋翼主动旋转，需要使用尾桨或增加旋翼数量来抵消单个旋翼对机体产生的扭力，导致结构复杂、质量大且气动效率低。微型扑翼飞行器则是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新型飞行器，能够在低雷诺数下产生相对较大的升力，是较为理想的微型飞行器构型，但是其运动形式较为复杂、微小零件的加工难度较大，且难以进行控制。

在此背景下，一种结合了扑翼和旋翼的新概念飞行器，微型扑旋翼飞行器，进入了人们的视野。微型扑旋翼飞行器通过一定的驱动形式使几片旋向安装的机翼扑动，扑动产生推力让机翼旋转，飞行器所需的升力由机翼的扑动和旋转运动共同提供。由于机翼旋转运动由反对称安装的机翼的扑动运动产生的推力提供，没有常规旋翼的扭矩输出，所以不需要额外的尾桨即额外的能量消耗来抵消旋转力矩。微型扑旋翼飞行器具有垂直起降、悬停以及低速飞行的能力，具有良好的应用前景。

目前存在的扑旋翼，如：公布号为CN105539839 A的中国专利申请在2015年12月30日公开了一种微型机械滑轨式可控扑旋翼飞行器，该文献提出的扑旋翼飞行器的形式，存在着电机动力未充分利用、空间利用率低和升力偏小等问题。而且对于微型扑旋翼飞行器来说，尽可能的充分发挥动力装置的效能，有利于飞行器的微型化。而产生升力与自身重力比例越大，越有利于飞行。

发明内容

本发明针对目前微型扑旋翼飞行器电机动力未充分利用、空间利用率低及升力偏小等问题，提供了一种共轴反向双扑旋翼机构。本发明采用叠加与反向布置扑旋翼翼面的方式，将电机动力充分利用到两组翼面上，进而增加了升力。同时，本发明结构紧凑简洁，空间利用率较高，更加有利于扑旋翼飞行器微型化的实现。

本发明提出的一种共轴反向双扑旋翼机构，主要包括机翼和传动机构。所述机翼有两组，每组三片，两组机翼采用共轴反向布置方式。所述机翼对应安装在机翼安装架上；所述传动机构包括套筒、内杆、机翼安装架和机翼连杆；所述机翼安装架和机翼连杆有两组。传动机构的套筒固连于电机本体，内杆与电机输出端连接，电机启动后，套筒和内杆之间进行往复运动，机翼扑动，实现飞行操控。

所述套筒包括上部、中部和下部三段，上段和下段的横截面为圆环形；中间段为三个辐条，每个辐条的截面为梯形，也称滑槽段，将上下两段连接，套筒为一体成型结构。

所述内杆位于套筒内，内杆长度大于套筒长度，内杆两端伸出。所述内杆中间段设置有三个滑块，也称下部内杆轴承托；下部内杆轴承托用于连接下部内杆轴承，并与套筒中间段的滑槽段配合实现滑动。

所述内杆顶端连接第一组的三个机翼安装架，套筒顶端连接第一组的三个机翼连杆，所述第一组的三个机翼安装架与三个机翼连杆对应铰接。所述内杆的中间段的三个滑块上连接第二组的三个机翼安装架，套筒的底端连接第二组的三个机翼连杆，所述第二组的三个机翼安装架和三个机翼连杆对应铰接。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

(1)本发明实现了扑旋翼飞行器的扑旋翼结构的同轴反向叠加；

(2)本发明设计了一种共轴反向双扑旋翼机构，机构整体结构紧凑、简洁，较之一般扑旋翼机构空间利用率更高，仅垂直高度有所增加；

(3)本发明将扑旋翼飞行器使用的驱动电机的动力得到了充分的利用；

(4)本发明将扑旋翼飞行器产生的升力与自身重量比例增大，更有利于飞行。

附图说明

图1是本发明共轴反向双扑旋翼机构的整体结构示意图；

图2是本发明共轴反向双扑旋翼机构的机翼和传动机构连接布局示意图；

图3是本发明共轴反向双扑旋翼机构的单个机翼结构示意图；

图4是本发明共轴反向双扑旋翼机构的传动机构示意图；

图5A和图5B分别是本发明共轴反向双扑旋翼机构的套筒与内杆的结构示意图。

图中：

1-机翼； 2-传动机构； 3-电机； 4-操纵部分；

101-机翼主梁； 102-机翼辅梁； 103-薄膜；

201-套筒； 202-内杆； 203-机翼安装架；

204-机翼连杆； 205-上部内杆轴承； 206-上部内杆铰链支架；

207-上部套筒轴承； 208-上部套筒铰链支架； 209-下部内杆轴承；

210-下部内杆铰链支架； 211-下部套筒轴承； 212-下部套筒铰链支架；

213-下部内杆轴承托； 214-内杆顶端轴承托。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。

本发明提出了一种共轴反向双扑旋翼机构，该机构结构紧凑简洁，空间利用率较高，更加有利于飞行器微型化的实现。同时，本发明将尽可能的充分发挥动力装置的效能，有利于飞行器的微型化。该套机构所产生升力与自身重力比例较大，有利于扑旋翼飞行器飞行性能的提升。

如图1所示，为本发明提供的一种共轴反向双扑旋翼机构的整体结构示意图，本发明的共轴反向双扑旋翼机构包括：机翼1、传动机构2。所述机翼1有两组，采用共轴反向布置方式。

如图4所示，所述的传动机构2包括套筒201、内杆202、机翼安装架203、机翼连杆204，所述机翼安装架203和机翼连杆204有两组。所述套筒201包括三段，中间段为三个辐条，将上下两段连接，套筒201为一体成型结构。所述的内杆202位于套筒201内，内杆202长度大于套筒201长度，内杆202两端伸出。所述内杆202中间段有三个滑块，也称下部内杆轴承托213，分别与套筒201中间段的三个辐条相配合实现滑动。所述内杆202顶端连接第一组的三个机翼安装架203，套筒201顶端连接第一组的三个机翼连杆204，所述第一组的三个机翼安装架203与三个机翼连杆204对应铰接。所述内杆202的中间段的三个滑块上连接第二组的三个机翼安装架203，套筒201的底端连接第二组的三个机翼连杆204，所述第二组的三个机翼安装架203和三个机翼连杆204对应铰接。

具体的，所述的传动机构2还包括上部内杆轴承205、上部内杆铰链支架206、上部套筒轴承207、上部套筒铰链支架208、下部内杆轴承209、下部内杆铰链支架210、下部套筒轴承211和下部套筒铰链支架212。所述上部内杆轴承205安装于内杆顶端轴承托214上，上部内杆轴承205通过上部内杆铰链支架206与机翼安装架203铰接；所述的上部套筒轴承207安装于套筒201顶端，上部套筒轴承207连接上部套筒铰链支架208，上部套筒铰链支架208上铰接第一组的三个机翼连杆204。下部套筒轴承211安装于套筒201底端，下部套筒轴承211外部连接下部套筒铰链支架212，下部套筒铰链支架212上铰接第二组的三个机翼连杆204；下部内杆轴承209安装于内杆202中部的下部内杆轴承托213上，下部内杆轴承209通过下部内杆铰链支架210与第二组的三个机翼安装架203铰接。

如图2所示，机翼1总共分为两组，每组三片，如图3所示，以单个机翼结构为例，所述单个机翼1包括机翼主梁101、机翼辅梁102和薄膜103。机翼安装架203两组，每组三个共六个、机翼连杆204两组，每组三个共六个，所述机翼1对应安装在机翼安装架203上。机翼主梁101根部固定于机翼安装架203上，传动机构2竖直位置时，翼面与水平面呈30度攻角；机翼辅梁102有三个，一端固定连接在机翼主梁101上，另一端为自由端。薄膜103裁剪成一定形状，覆盖并粘接在机翼主梁101和机翼辅梁102之上，并粘接，形成翼膜。三根不同长度的机翼辅梁102与机翼主梁101成60度角固定连接在一起；所述机翼辅梁102的长度、位置和数量可以根据设计需要进行调整。

传动机构2的套筒201固连于电机3本体，内杆202与电机3输出端连接，电机3启动后，套筒201和内杆202之间进行往复运动，机翼扑动，实现飞行操控。

如图5A所示，为本发明共轴反向双扑旋翼机构的套筒201，套筒201由3D打印制成，套筒结构上分为三段，分别是为上段、中间段和下段；上段和下段的横截面为圆环形，中间段为三个辐条，每个辐条的截面为梯形，也称滑槽段，滑槽段与内杆202的滑块即下部内杆轴承托213对应，二者可以相对滑动。

如图5B，内杆202由3D打印制成，内杆202整体是一个圆杆结构，中间位置设置三个滑块，也称下部内杆轴承托213，用于连接下部内杆轴承209，并与套筒201上的滑槽段配合滑动；内杆202顶端为一个内杆顶端轴承托214，用于连接上部内杆轴承205；所述下部内杆轴承托213与内杆202底端的距离，要满足大于滑块滑动行程，保证内杆202与套筒201的滑动配合。

内杆202置于在套筒201内，下部内杆轴承托213在套筒201滑槽段内可直滑动，内杆202整体也在套筒201内滑动；

本发明提出的一种共轴反向双扑旋翼机构的设计方法，所述设计方法关键在于套筒201与内杆202的装配方式，以及各零件的安装顺序，所述设计方法具体步骤如下：

步骤一：制作机翼；

机翼1为两组旋向相反的薄膜翼，每组有三个机翼，所有机翼1所使用的零件相同，仅两组机翼1因旋向相反而安装方向相反。每个机翼1包括一根机翼主梁101、三根机翼辅梁102和薄膜103。机翼主梁101和机翼辅梁102均采用碳纤维杆制作，而机翼辅梁102细于机翼主梁101；薄膜103选用的是聚乙烯薄膜；三根机翼辅梁102连接于机翼主梁101中部，与机翼主梁101呈60°角度；薄膜103裁剪成外缘较大根部减小的半水滴状，粘接在机翼主梁101和机翼辅梁102所成平面上。三根机翼辅梁102呈等间距分布，并参照薄膜103形状截取相应长度。

步骤二：制作套筒与内杆；

如图5A和图5B所示，套筒201与内杆202均采用3D打印制作，但鉴于内杆202的下部内杆轴承托213需要套入到套筒201中间的滑槽段，因此套筒201在滑槽段的上边缘或下边缘位置划分为两部分进行3D打印制作，如图5A中直线AB表示的是滑槽段下边缘的位置；内杆202在下部内杆轴承托213的上边缘或下边缘位置划分为两部分进行3D打印制作，如图5B中直线CD表示的是下部内杆轴承托的上边缘位置；具体制作时：

先将下部内杆轴承209装到下部内杆轴承托213上，通过下部内杆轴承托213与下部内杆轴承209之间的空隙将内杆202的下部内杆轴承托213装入套筒201的滑槽段，之后将套筒201两部分进行粘接，将内杆202的滑动范围限制在滑槽段长度内；最后将上部内杆轴承托214粘接到内杆202顶端。

步骤三：扑旋翼传动机构装配；

扑旋翼机构装配即将机翼1、传动机构2装配在一起；将上部内杆轴承205安装在内杆顶端轴承托214上，将上部套筒轴承207和下部套筒轴承211分别套入套筒201的相应位置，再将上部内杆铰链支架206粘接到上部内杆轴承205上，将上部套筒铰链支架208粘接到上部套筒轴承207上，将下部内杆铰链支架210粘接到下部内杆轴承209上，将下部套筒铰链支架212粘接到下部套筒轴承211上。上述所有铰链支架(206、208、210和212)均采用3D打印方式制造，使用聚乳酸材料，按照设计图纸加工而成；上部内杆铰链支架206和下部内杆铰链支架210分别与两组机翼安装架203的一端铰接；机翼连杆204一端与上部套筒铰链支架208和下部套筒铰链支架212铰接，另一端与机翼安装架203的另一端铰接；机翼主梁101分两组将根部按相同旋向固定于上下两组共六个机翼安装架203预留位置上，上下两组机翼1旋向相反，机翼1翼面均与水平面呈30°夹角。

步骤四：扑旋翼整机装配；

套筒201与电机3的本体固连，内杆202与电机3的输出端固连，电机启动驱动内杆202相对于套筒201的往复运动，带动机翼扑动。最后再完成与操控部分4的连接，完成扑旋翼整机的装配工作。所述的操纵部分4的连接包括俯仰安定面、偏航安定面、一个大舵面、两个小舵面及三个驱动舵机的制作与安装，根据所属领域内的常规方式安装。

本发明采用了共轴反向的方式，通过一套驱动机构带动两层扑旋翼运动；套筒201与内杆202的独特形式使其可带动两个内杆202、铰链支架完成纵向往复运动，并保持两个套筒铰链支架固定不动。该结构使驱动电机的动力得到了充分的利用。

经实验效果证实，共轴反向双扑旋翼机构的悬停效率提升至少20％，下洗流的流速增加并且更为平顺，环向分力得以大幅度减小。

Claims (7)

1.一种共轴反向双扑旋翼机构，其特征在于，包括：机翼和传动机构；所述机翼有两组，每组三片，两组机翼采用共轴反向布置方式；所述机翼对应安装在传动机构上；所述传动机构包括套筒、内杆、机翼安装架和机翼连杆；所述机翼安装架和机翼连杆有两组，分别用于连接两组机翼；所述内杆位于套筒内，内杆长度大于套筒长度，内杆两端伸出；所述内杆中间段设置有三个滑块，也称下部内杆轴承托；下部内杆轴承托用于连接下部内杆轴承，并与套筒中间段的滑槽段配合实现滑动；所述的传动机构的套筒固连于电机本体，内杆与电机输出端连接，电机启动后，套筒和内杆之间进行往复运动，机翼扑动，实现飞行操控。

2.根据权利要求1所述的共轴反向双扑旋翼机构，其特征在于，所述套筒包括上段、中间段和下段，上段和下段的横截面为圆环形；中间段为三个辐条，每个辐条的截面为梯形，也称滑槽段，将上下两段连接，套筒为一体成型结构。

3.根据权利要求1所述的共轴反向双扑旋翼机构，其特征在于，所述内杆顶端连接第一组的三个机翼安装架，套筒顶端连接第一组的三个机翼连杆，所述第一组的三个机翼安装架与三个机翼连杆对应铰接；所述内杆的中间段的三个滑块上连接第二组的三个机翼安装架，套筒的底端连接第二组的三个机翼连杆，所述第二组的三个机翼安装架和三个机翼连杆对应铰接。

4.根据权利要求1所述的共轴反向双扑旋翼机构，其特征在于，所述的机翼包括机翼主梁、机翼辅梁和薄膜；所述的机翼主梁根部固定于机翼安装架上，传动机构竖直位置时，翼面与水平面呈30度攻角；机翼辅梁有三个，长度不同，机翼辅梁的一端与机翼主梁成60度角固定连接在一起，另一端为自由端；薄膜粘接在机翼主梁和机翼辅梁所成平面上。

5.根据权利要求1所述的共轴反向双扑旋翼机构，其特征在于，所述传动机构还包括上部内杆轴承、上部内杆铰链支架、上部套筒轴承、上部套筒铰链支架、下部内杆轴承、下部内杆铰链支架、下部套筒轴承和下部套筒铰链支架；所述上部内杆轴承安装于内杆顶端轴承托上，上部内杆轴承通过上部内杆铰链支架与机翼安装架铰接；所述的上部套筒轴承安装于套筒顶端，上部套筒轴承连接上部套筒铰链支架，上部套筒铰链支架上铰接第一组的三个机翼连杆；下部套筒轴承安装于套筒底端，下部套筒轴承外部连接下部套筒铰链支架，下部套筒铰链支架上铰接第二组的三个机翼连杆；下部内杆轴承安装于内杆中部的下部内杆轴承托上，下部内杆轴承通过下部内杆铰链支架与第二组的三个机翼安装架铰接。

6.一种共轴反向双扑旋翼机构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：制作机翼；

机翼为两组旋向相反的薄膜翼，每组有三个机翼，所有机翼所使用的零件相同，仅两组机翼因旋向相反而安装方向相反；每个机翼包括一根机翼主梁、三根机翼辅梁和薄膜，三根机翼辅梁连接于机翼主梁中部，与机翼主梁呈60°角度；薄膜裁剪成半水滴状，粘接在机翼主梁和机翼辅梁所成平面上；三根机翼辅梁呈等间距分布；

步骤二：制作套筒与内杆；

套筒与内杆均采用3D打印制作，所述套筒在滑槽段的上边缘或下边缘位置划分为两部分进行3D打印制作；内杆在下部内杆轴承托的上边缘或下边缘位置划分为两部分进行3D打印制作；

步骤三：扑旋翼传动机构装配；

扑旋翼机构装配即将机翼、传动机构装配在一起；将上部内杆轴承安装在内杆顶端轴承托上，将上部套筒轴承和下部套筒轴承分别套入套筒的相应位置，再将上部内杆铰链支架粘接到上部内杆轴承上，将上部套筒铰链支架粘接到上部套筒轴承上，将下部内杆铰链支架粘接到下部内杆轴承上，将下部套筒铰链支架粘接到下部套筒轴承上；上述所有铰链支架均采用3D打印方式制造；上部内杆铰链支架和下部内杆铰链支架分别与两组机翼安装架的一端铰接；机翼连杆一端与上部套筒铰链支架和下部套筒铰链支架铰接，另一端与机翼安装架的另一端铰接；机翼主梁分两组将根部按相同旋向固定于上下两组共六个机翼安装架预留位置上，上下两组机翼旋向相反，机翼翼面均与水平面呈30°夹角；

步骤四：扑旋翼整机装配；

套筒与电机的本体固连，内杆与电机的输出端固连，电机启动驱动内杆相对于套筒的往复运动，带动机翼扑动；最后再完成与操控部分的连接，完成扑旋翼整机的装配工作。

7.根据权利要求6所述的一种共轴反向双扑旋翼机构的制造方法，其特征在于，机翼主梁和机翼辅梁均采用碳纤维杆制作，而机翼辅梁细于机翼主梁；薄膜选用的是聚乙烯薄膜。