CN110143280A - 一种基于连杆机构的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的驱动机构 - Google Patents

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Abstract

一种基于连杆机构的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的驱动机构，包括上底座和下底座，上底座上安装有8520空心杯电机、驱动齿轮、双联齿轮和带曲柄齿轮；下底座上安装有第一连杆、Z形左/右连杆、第三连杆和第四连杆，第四连杆的另一端上固定有翅翼前缘主轴。除电机、支撑柱、齿轮、轴承、铜轴套、T形针、齿轮碳杆轴和齿轮钢轴外，其余零件均使用树脂或尼龙材料通过3D打印方式获得，质量非常轻便，为设计质量30g以下且运动灵活的扑翼无人飞行器提供技术基础，具有很高的研究价值和广阔的应用前景。通过二级齿轮减速将电机的高转速转换为驱动扑翼扑动的合适速度，并通过双摇杆机构，来增大扑动幅值，最终可以达到接近145°的扑动幅值。

Description

一种基于连杆机构的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的驱动机构
技术领域
本发明涉及一种仿生飞行器的驱动机构，属于无人飞行器技术领域或机器人领域。
背景技术
近年来，随着电子元器件的小型化以及对无人机应用不断增大的需求，扑翼无人飞行器的研究逐渐引起了越来越多的关注。扑翼无人飞行器可以应用在很多领域，尤其是对于灵活性要求比较高的场合，如远距离军事侦察、恐怖分子监视等，在仿生领域更是具有很重要的科研价值，设计出一款能像鸟或者昆虫一样飞行的飞行器一直是人类的梦想。
在扑翼无人飞行器的设计中，驱动机构的设计是其中最为重要的一环。扑翼无人飞行器的设计很多，尺寸和重量也不一，从只有80mg重的RoboBee[1]到450g重的SmartBird[2]等。但是超小型和超大型的扑翼无人飞行器很难应用于实际场合，而10～30g重的扑翼无人飞行器由于其轻便，且对环境(如风力)有一定的适应性，所以在实际中应用更为广泛，该类扑翼无人飞行器的研究以仿蜂鸟扑翼无人飞行器为主。
在驱动机构的设计方面，主要有2种传动方式：绳传动方式[3-5]和连杆传动方式[6-8]。绳传动方式较容易实现扑动幅值的控制，且可以利用clap and fling效应[9]提高扑动过程中产生的升力，但是绳传动过程中容易对绳进行磨损，对绳有较高要求，而且不易更换；因此，要保证机构具有良好的可更换性，且真正可以应用到实际任务中，采用连杆传动方式是比较好的选择。
国内外研究现状如下所述。国内基于连杆传动方式的仿蜂鸟式扑翼研究已公开专利包括：上海交通大学的仿蜂鸟扑翼微飞行器，其申请号为CN201210282453、公开号为CN102815399A；上海交通大学的锥齿轮四翼式扑翼驱动机构，其申请号为CN201220146189、公开号为CN202717032U；西北工业大学的差动变幅扑翼驱动机构以及驱动方法，其申请号为CN201510745937、公开号为CN105197240A；西北工业大学的一种三维扑动的扑翼驱动机构，其申请号为CN201410716037、公开号为CN104477383A。国外的相似研究列举如下，比利时布鲁塞尔自由大学的AndréPreumont等人采用连杆机构搭建了Colibri样机[7-8]，扑动幅值为120°，总重22g；韩国建国大学的Hoon Cheol Park、Hoang VuPhan等人则采用绳传动机构搭建了KUBeetle样机[4]，总重21g。
传统的连杆驱动机构虽然由于其机构的鲁棒性更能适应实际任务，但是其运动过程中的扑动幅值一般都比较小，这在一定程度上限制了扑翼无人飞行器所能产生的升力。
发明内容
本发明的目的是解决传统连杆驱动机构存在扑动幅值较小而限制了升力提高的问题，提出一种新型的基于连杆机构的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的驱动机构。本发明在原有连杆驱动机构的基础上进行了机构的合理组合和尺寸的优化设计，使得在满足高速连杆机构传动角大于50°的条件下，仍能达到接近145°的扑动幅值。
本发明的技术方案如下：
基于连杆机构的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的驱动机构，该驱动机构包括上底座和下底座，上下底座之间通过支撑柱用螺栓连接固定在一起；上底座上方通过圆柱孔固定安装有8520空心杯电机，电机的输出轴向下穿过上底座并固定安装有驱动齿轮，驱动齿轮与固定安装在上底座下方的双联齿轮中的大齿轮啮合，双联齿轮中的小齿轮与固定安装在上底座下方的带曲柄齿轮啮合；所述下底座上同时安装有第一连杆、Z形左连杆、Z形右连杆、第三连杆和第四连杆，第一连杆以及Z型右连杆和Z型左连杆的一端通过铰轴铰接在一起，铰轴的另一端与下底座上设置的滑槽配合并进行约束，第一连杆的另一端与上底座上的带曲柄齿轮上的曲柄铰接，使带曲柄齿轮上的曲柄、第一连杆、铰轴以及下底座上的滑槽构成曲柄滑块机构；Z型左连杆和Z型右连杆的中部折角处通过铰轴铰接在下底座上，Z型右连杆或Z型左连杆的末端与第三连杆的一端通过铰轴铰接，第三连杆的另一端与第四连杆的中部通过铰轴铰接，第四连杆的一端通过铰轴铰接在下底座上，第四连杆的另一端上固定有翅翼前缘主轴，Z型右连杆或Z型左连杆、第三连杆和第四连杆共同构成双摇杆机构。
所述双联齿轮通过齿轮碳杆轴安装在上底座下方，为保证同轴度，在上底座上下两侧的齿轮碳杆轴上均使用铜轴套进行约束，并在靠近上底座上方的铜轴套外侧用半球形紧固件(采用过盈配合固定)进行限位。
所述带曲柄齿轮通过齿轮钢轴安装在上底座下方，为保证同轴度，在上底座上下两侧的齿轮钢轴上均使用轴承进行约束，并在靠近上底座上方的轴承外侧用半球形紧固件(采用过盈配合固定)进行限位。
本发明除电机、支撑柱、齿轮、轴承、铜轴套、T形针、齿轮碳杆轴和齿轮钢轴外，其余零件均使用树脂或尼龙材料通过3D打印加工方式获得，质量非常轻便。选用8520空心杯电机，最大程度地提高驱动机构的驱动能力；通过二级减速齿轮组将电机的高转速转换为驱动扑翼无人飞行器扑动的合适速度，选用鲁棒性较高的0.5模齿轮，且在设计各级减速比时，尽可能地减少齿轮的最大齿数以降低齿轮的大小，从而缩小了整个驱动机构的尺寸；曲柄连杆机构将电机的转动转换为T形针的平动，并通过Z形连杆带动翅膀的主轴产生周期扑动，在曲柄滑块机构之后外接一个双摇杆机构来增大扑动幅值；通过改变原有设计的连接方案，将双摇杆机构与曲柄滑块机构反向连接，达到了尽可能大地增大扑动幅值的目的；通过机构尺寸优化设计，在满足高速连杆机构传动角大于50°的条件下，最终仍可以达到接近145°的扑动幅值。
本发明的优点在于，主体零件(除电机、支撑柱、齿轮、轴承、铜轴套、T形针、齿轮碳杆轴和齿轮钢轴外)使用树脂或尼龙材料通过3D打印加工方式获得，质量非常轻便；利用连杆机构和0.5模齿轮尽可能大地增加机构的鲁棒性；将机构底座分拆便于拆装和替换零部件；利用连杆机构和0.5模齿轮尽可能大地增加机构的鲁棒性；采用双摇杆机构并与曲柄滑块机构反向连接以增大扑动幅度；最终在满足高速连杆机构传动角大于50°的条件下，仍能达到接近145°的扑动幅值，有效地提升了扑翼无人飞行器的升力。
附图说明
图1是本发明基于连杆机构的仿蜂鸟扑翼微型飞行器驱动机构的装配示意图。
图2是图1中整个扑翼驱动机构的主视图示意图。
图3是图1中底座分拆后上底座部分装配示意图(俯视角度)。
图4是图1中底座分拆后上底座部分装配示意图(仰视角度)。
图5是图1中底座分拆后下底座部分装配示意图(俯视角度)。
图6是图1中底座分拆后下底座部分装配示意图(仰视角度)。
图7是图1中驱动机构运动原理和尺寸优化示意图。
图中，1为上底座，2为支撑柱，3为8520空心杯电机，4为齿轮碳杆轴，5为半球形紧固件，6为铜轴套，7为齿轮钢轴，8为轴承，9为驱动齿轮，10为双联齿轮，11为带曲柄齿轮，12为下底座，13为第一连杆，14为Z型右连杆，15为T形针(即铰轴)，16为第三连杆，17为第四连杆，18为翅翼前缘主轴，19为Z型左连杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更详细的描述。
如图1和图2所示基于连杆机构的仿蜂鸟扑翼微型飞行器驱动机构，该机构包括上底座1和下底座12，上下底座之间通过支撑柱2用螺栓连接固定在一起，便于拆装和替换连杆等零部件。
如图3和图4所示为底座分拆后的上底座部分装配结构，上底座1用于固定8520空心杯电机3、减速齿轮组(驱动齿轮9，双联齿轮10和带曲柄齿轮11)等部分。
8520空心杯电机3通过上底座1上的圆柱孔与上底座1采用过盈配合固定在上底座1的上方，在圆柱孔底部设计有阻挡平台(图中略)以对电机3进行轴向单方向限位，电机3的输出轴向下穿过上底座1并与驱动齿轮9也采用过盈配合固定。双联齿轮10通过齿轮碳杆轴4安装在上底座1下方，使双联齿轮10中的大齿轮与驱动齿轮9配合(即啮合)，为保证同轴度，在上底座1上下两侧的齿轮碳杆轴4上均使用铜轴套5进行约束，并用铜轴套外侧的半球形紧固件5进行限位，半球形紧固件5与齿轮碳杆轴4也采用过盈配合固定。带曲柄齿轮11通过齿轮钢轴7安装在上底座1下方，并与双联齿轮10中的小齿轮配合，为保证同轴度，在上底座1上下两侧的齿轮钢轴7上均使用轴承8进行约束，并用轴承8外侧的半球形紧固件5进行限位，半球形紧固件5与齿轮钢轴7也采用过盈配合固定。通过设计上底座，使9-11正好可以进行齿轮配合，最终电机3的转速由驱动齿轮9传递到带曲柄齿轮11的曲柄上。
如图5和图6所示底座分拆后下底座部分装配结构，下底座12用来支撑曲柄滑块机构和双摇杆机构等部分。
第一连杆13以及Z型右连杆14和Z型左连杆19(亦称为第二连杆)的一端通过铰轴铰接在一起，铰轴的另一端与下底座12上设置的滑槽配合并进行约束，第一连杆13的另一端与带曲柄齿轮11上的曲柄(类似偏心轴)铰接，使带曲柄齿轮11上的曲柄、第一连杆13、铰轴以及下底座12上的滑槽构成曲柄滑块机构。Z型左连杆19和Z型右连杆14的中部(折角处)通过T形针15铰接在下底座12上，上述被连接零件之间均为面接触；T形针15即为一端有帽的圆柱钢轴，带帽的一端进行轴向限位，在另一端加装半球形紧固件5进行限位，两者之间采用过盈配合。对于双摇杆机构，以右半边机构为例(左半边机构与右半边相同，左右对称)，Z型右连杆14的末端与第三连杆16的一端通过T形针15铰接，第三连杆16的另一端与第四连杆17的中部通过T形针15铰接，第四连杆17的一端通过T形针15铰接在下底座12上，翅翼前缘主轴18固定在第四连杆17的另一端的圆柱孔内构成双摇杆机构。
在曲柄滑块机构的驱动下，第一连杆13末端带动Z型右连杆14绕着T形针15处的铰接点转动，进而带动第三连杆16一起转动；第三连杆16再带动第四连杆17做周期性摇摆运动，最终带动翅翼前缘主轴18做周期性扑翼运动。在曲柄滑块机构和双摇杆机构的装配过程中，铰接点均用T形针15进行连接，并且在T形针15的末端用半球形紧固件5进行限位，两者之间采用过盈配合。
本发明结构中的零件除电机、支撑柱、齿轮、轴承、铜轴套、T形针、齿轮碳杆轴和齿轮钢轴外，其余零件均使用树脂或尼龙材料通过3D打印加工方式获得，质量非常轻便。选用8520空心杯电机，最大程度地提高驱动机构的驱动能力；通过二级减速齿轮组将电机的高转速转换为驱动扑翼无人飞行器扑动的合适速度，选用鲁棒性较高的0.5模齿轮，且在设计各级减速比时，尽可能地减少齿轮的最大齿数以降低齿轮的大小，从而缩小了整个驱动机构的尺寸；曲柄连杆机构将电机的转动转换为T形针的平动，并通过Z形连杆带动翅膀的主轴产生周期扑动，在曲柄滑块机构之后外接一个双摇杆机构来增大扑动幅值；通过改变原有设计的连接方案，将双摇杆机构与曲柄滑块机构反向连接，达到了尽可能大地增大扑动幅值的目的；通过机构尺寸优化设计，在满足高速连杆机构传动角大于50°的条件下，最终仍可以达到接近145°的扑动幅值。
结合图7，本发明的运动学推导过程如下：整个扑翼机构的运动学可以按照两部分独立地进行，基本参数定义如下：L1为带曲柄齿轮11上曲柄的长度，L2为第一连杆13的长度，L4为Z型右连杆14在T形针15处铰接孔与其末端铰接孔之间的中心距离，L5为第三连杆16的长度，L6为第三连杆16末端铰接孔与下底座12中间外伸部分孔之间的中心距离，L7为翅翼前缘主轴18的末端(机构外侧)到下底座12中间外伸部分孔中心的长度；X1为Z型右连杆14在T形针15处铰接孔与齿轮碳杆轴4沿x方向的中心距离，X2为Z型右连杆14在T形针15处铰接孔与第四连杆17末端铰接孔沿x方向的中心距离；H1为Z型右连杆14在T形针15处铰接轴与齿轮碳杆轴4沿y方向的中心距离，H2为Z型右连杆14在T形针15处铰接孔与第四连杆17末端铰接孔沿y方向的中心距离。
对于曲柄滑块机构，θ为扑翼机构的输入角，为第三连杆16和第四连杆17之间的夹角，α为Z型右连杆14的机构折角，为Z型右连杆14后半段与x轴之间的夹角，也为曲柄连杆机构的输出角和双摇杆机构的输入角。由竖直方向(y轴)位移关系很容易得到如下等式
从而求得
进而可得
对于双摇杆机构，为第三连杆16与x轴之间的夹角，为第四连杆17与x轴之间的夹角，Φ为翅翼前缘主轴18与x轴之间的夹角，也是双摇杆机构的输出角。由x、y方向位移关系，可得
上式两边平方并相加可消掉得到
其中
通过求解可以得到与的关系为
则扑动幅值为由与的相互关系可以得出
对于该四连杆机构而言，Z型右连杆14与第三连杆16之间的传动角设为γ，则
为了保证机构具有良好的传力性能，设计时通常应使γmin≥40°；对于高速和大功率的传动机械，应使γmin≥50°。由于该机构为高速运转机构，因此需满足约束条件γmin≥50°。同时，为使扑翼运动对称中轴线沿x轴方向，引入修正角β以使得最终的输出角度φ关于0°对称，则最终的输出角度为
通过优化设计，该发明使修正角β接近于0°，并在满足高速连杆机构传动角大于50°的条件下，使得扑动幅值约为145°。在尺寸优化过程中，设定L1＝3.5,L2＝12,X1＝8,X2＝8，H2＝15,α＝110°，受整体机构尺寸约束和重量限制，约束条件为：8≤L4≤18,6≤L5≤9，4≤L6≤6,5≤H1≤15，最终得到最优扑动幅值为144.8°。
综上所述，该发明利用连杆机构和0.5模齿轮尽可能增加机构的鲁棒性，将机构底座分拆便于拆装和替换零部件，采用双摇杆机构并与曲柄滑块机构反向连接以增大扑翼幅度，最终在满足高速连杆机构传动角大于50°的条件下，仍能达到接近145°的扑翼幅值，有效地提升了扑翼无人飞行器的升力。
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Claims (9)

1.基于连杆机构的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的驱动机构，其特征在于：该驱动机构包括上底座和下底座，上下底座之间通过支撑柱用螺栓连接固定在一起；上底座上方通过圆柱孔固定安装有8520空心杯电机，电机的输出轴向下穿过上底座并固定安装有驱动齿轮，驱动齿轮与固定安装在上底座下方的双联齿轮中的大齿轮啮合，双联齿轮中的小齿轮与固定安装在上底座下方的带曲柄齿轮啮合；所述下底座上同时安装有第一连杆、Z形左连杆、Z形右连杆、第三连杆和第四连杆，第一连杆以及Z型右连杆和Z型左连杆的一端通过铰轴铰接在一起，铰轴的另一端与下底座上设置的滑槽配合并进行约束，第一连杆的另一端与上底座上的带曲柄齿轮上的曲柄铰接，使带曲柄齿轮上的曲柄、第一连杆、铰轴以及下底座上的滑槽构成曲柄滑块机构；Z型左连杆和Z型右连杆的中部折角处通过铰轴铰接在下底座上，Z型右连杆或Z型左连杆的末端与第三连杆的一端通过铰轴铰接，第三连杆的另一端与第四连杆的中部通过铰轴铰接，第四连杆的一端通过铰轴铰接在下底座上，第四连杆的另一端上固定有翅翼前缘主轴，Z型右连杆或Z型左连杆、第三连杆和第四连杆共同构成双摇杆机构。
2.根据权利要求1所述的基于连杆机构的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的驱动机构，其特征在于所述电机与上底座上方的圆柱孔，以及电机的输出轴与驱动齿轮采用过盈配合固定。
3.根据权利要求1所述的基于连杆机构的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的驱动机构，其特征在于将所述双联齿轮通过齿轮碳杆轴安装在上底座下方，为保证同轴度，在上底座上下两侧的齿轮碳杆轴上均使用铜轴套进行约束，并在靠近上底座上方的铜轴套外侧用半球形紧固件进行限位。
4.根据权利要求3所述的基于连杆机构的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的驱动机构，其特征在于所述半球形紧固件与齿轮碳杆轴也采用过盈配合固定。
5.根据权利要求1所述的基于连杆机构的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的驱动机构，其特征在于所述带曲柄齿轮通过齿轮钢轴安装在上底座下方，为保证同轴度，在上底座上下两侧的齿轮钢轴上均使用轴承进行约束，并在靠近上底座上方的轴承外侧用半球形紧固件进行限位。
6.根据权利要求5所述的基于连杆机构的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的驱动机构，其特征在于所述半球形紧固件与齿轮钢轴也采用过盈配合固定。
7.根据权利要求1所述的基于连杆机构的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的驱动机构，其特征在于所述Z型左连杆和Z型右连杆的中部折角处与下底座分别通过T形针即一种铰轴铰接在一起。
8.根据权利要求1所述的基于连杆机构的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的驱动机构，其特征在于所述Z型右连杆或Z型左连杆的末端与第三连杆的一端之间、第三连杆的另一端与第四连杆的中部之间以及第四连杆的一端与下底座之间通过T形针即一种铰轴铰接在一起。
9.根据权利要求7或8所述的基于连杆机构的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的驱动机构，其特征在于所述T形针为一端有帽的圆柱钢轴，带帽的一端进行轴向限位，在另一端加装半球形紧固件进行限位，T形针与半球形紧固件两者之间采用过盈配合固定。
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