CN110182362A - 一种太阳能电池板扑翼飞行器的折翼结构 - Google Patents
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Abstract
本发明太阳能电池板扑翼飞行器的折翼结构，机架主体两侧对称设置的翼部骨架，翼部骨架的桡骨、肱骨、趾骨、腿骨通过粘合剂固定连接柔性薄膜太阳能电池板材料的仿蝙蝠翼面，基于太阳能电池板柔性薄膜的光电效应，将翼面上收集的光能转换成电能，给电池充电，续航飞行时间长，翼面与翼部骨架既能折叠又能展开，不仅携带方便，而且能够实现飞行器翅翼结构展开挥动与翼面面积变形的运动，在不增加飞行器重量的基础上满足长时间飞行要求，薄膜太阳能电池板能够反复折弯和展开，翼展面积大，占用空间少，结构简单，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及微型扑翼飞行器技术领域中的一种太阳能电池板扑翼飞行器的折翼结构。
背景技术
扑翼飞行器是一种根据生物飞行原理进行逆向仿生研制的飞行器，与传统固定翼和旋翼飞行器相比具有很强的优越性，可以将举升、悬停、推进系统集于一对翅膀来实现飞行，同时具有较好的机动性和稳定性，在军事和民用领域都有广泛的用途；现有技术中的扑翼飞行器翼面拍动产生的升力有限，自身载荷重量受到限制，飞行器携带的电池能源不能满足长时间飞行要求，续航时间短，在不增加飞行器重量的基础上只能通过吸收并转化太阳能来补给能量。扑翼飞行器主要有仿鸟型和仿昆虫型，仿昆虫扑翼飞行器都是昆虫类大小的微型扑翼飞行器，翼展面积较小，利用太阳能电池板补给能量的作用非常小，而仿鸟型扑翼飞行器翼展面积相对较大，较大的翼展面积可以吸收较多的太阳能来满足续航要求，但是相应地其展开尺寸也较大，占用空间多，携带不方便。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够满足长时间飞行要求，结构简单，携带方便，使用寿命长的太阳能电池板扑翼飞行器的折翼结构。
本发明太阳能电池板扑翼飞行器的折翼结构，其特征在于：包括有机架主体，机架主体内部设置有驱动装置和控制电路模块，机架主体两侧对称设置有翼部骨架，翼部骨架上设置有翼面；翼部骨架包括有位于机架主体底部两侧的腿骨，和位于机架主体中部两侧的翅骨，每侧腿骨包括有铰接连接在机架主体底部的大腿骨，和固定连接在大腿骨下端的小腿骨；每侧翅骨包括铰接连接在机架主体侧边的桡骨，和铰接连接在桡骨上的肱骨，肱骨远端铰接连接有多个趾骨；翼面材料为柔性薄膜太阳能电池板，翼面通过粘合剂固定连接在翼部骨架上，翼面通过连接电路连接至机架主体内部的驱动装置和控制电路模块；
所述肱骨两端与桡骨、趾骨铰接连接处分别设置有微电型电机，肱骨、桡骨具有中空内腔，翼面通过导线沿肱骨、桡骨的中空内腔连接至机架主体内部的驱动装置和控制电路模块；
所述机架主体两侧设置有安装槽，桡骨端部铰接连接在安装槽内，桡骨、肱骨之间旋转角度范围为110°至140°，肱骨与机架主体中心线之间旋转角度范围为45°至75°；
所述肱骨远端同时铰接连接有第一趾骨、第二趾骨、第三趾骨、第四趾骨、第五趾骨，每个趾骨能够由微型电机驱动独立旋转；
所述第一趾骨与第五趾骨位于同一直线上，并能够由微型电机驱动同时旋转；所述第三趾骨具有三折弯关节，第四趾骨具有双折弯关节；所述第二趾骨也为直线型；
所述第一趾骨与第五趾骨为整体结构；
所述第一趾骨、第二趾骨、第三趾骨、第四趾骨、第五趾骨材料为碳纤维复合材料，肱骨两端的铰接连接结构材料也为碳纤维复合材料；
所述第一趾骨、第二趾骨、第三趾骨、第四趾骨、第五趾骨也具有中空内腔，第一趾骨、第二趾骨、第三趾骨、第四趾骨、第五趾骨也通过导线沿第一趾骨、第二趾骨、第三趾骨、第四趾骨、第五趾骨的中空内腔连接至机架主体内部的驱动装置和控制电路模块；
所述柔性薄膜太阳能电池板表面涂覆有石墨烯涂层。
本发明太阳能电池板扑翼飞行器的折翼结构，机架主体两侧对称设置的翼部骨架，翼部骨架的桡骨、肱骨、趾骨、腿骨通过粘合剂固定连接柔性薄膜太阳能电池板材料的仿蝙蝠翼面，基于太阳能电池板柔性薄膜的光电效应，将翼面上收集的光能转换成电能，给电池充电，续航飞行时间长，翼面与翼部骨架既能折叠又能展开，不仅携带方便，而且能够实现飞行器翅翼结构展开挥动与翼面面积变形的运动，在不增加飞行器重量的基础上满足长时间飞行要求，薄膜太阳能电池板能够反复折弯和展开，翼展面积大，占用空间少，结构简单，使用寿命长。
附图说明
图1是本发明实施例太阳能电池板扑翼飞行器的折翼结构立体示意图；
图2是本发明实施例太阳能电池板扑翼飞行器的折翼结构平面示意图。
具体实施方式
如图所示，一种太阳能电池板扑翼飞行器的折翼结构，机架主体1采用现有技术中已知的扑翼飞行器通用结构，无须特殊设计，在机架主体1的内部设置有驱动装置和控制电路模块；主要技术方案是在机架主体1的两侧对称设置翼部骨架，通过翼部骨架上固定安装翼面，翼面材料选择柔性薄膜太阳能电池板，柔性薄膜太阳能电池板，通过粘合剂固定连接在翼部骨架上，并通过连接电路连接至机架主体内部的驱动装置和控制电路模块，基于太阳能电池板柔性薄膜的光电效应，将翼面上收集的光能转换成电能，给驱动装置和控制电路模块的电池充电，续航飞行时间长，在不增加飞行器重量的基础上满足长时间飞行要求，柔性薄膜太阳能电池板具有一定的伸缩和延展性，能够反复折弯和展开，结构简单，使用寿命长。
翼部骨架包括位于机架主体底部两侧的腿骨，和位于机架主体中部两侧的翅骨，每侧腿骨包括有铰接连接在机架主体底部的大腿骨9，和固定连接在大腿骨下端的小腿骨10；每侧翅骨包括铰接连接在机架主体侧边的桡骨2，和铰接连接在桡骨上的肱骨3，肱骨3远端铰接连接有多个趾骨；桡骨、肱骨、趾骨、腿骨通过粘合剂固定连接柔性薄膜太阳能电池板材料的仿蝙蝠翼面，既能折叠又能展开，不仅携带方便，而且能够实现飞行器翅翼结构展开挥动与翼面面积变形的运动，翼展面积大，占用空间少。
进一步地，肱骨3两端与桡骨2、趾骨铰接连接处分别设置微电型电机，肱骨、桡骨具有中空内腔，翼面通过导线沿肱骨、桡骨的中空内腔连接至机架主体内部的驱动装置和控制电路模块；
进一步地，机架主体1两侧设置有安装槽，桡骨2端部铰接连接在安装槽内，桡骨2、肱骨3之间旋转角度范围为110°至140°，肱骨3与机架主体1的中心线之间旋转角度范围为45°至75°；肱骨3远端同时铰接连接有第一趾骨4、第二趾骨5、第三趾骨6、第四趾骨7、第五趾骨8，每个趾骨能够由微型电机驱动独立旋转；
在本实施例实际操作中，机架主体由外部的机架壳体11与内部的控制主体12组合构成，控制主体12限位配合安装在机架壳体11内部，并能够在机架壳体11内部旋转，机架壳体相当于“乌龟壳”，控制主体相当于“乌龟壳”内部的“肉”；
使得翼面与翼部骨架具有8个自由度，包括：自由度一，控制主体限位配合安装在机架壳体内部类似于人体的关节，提供肩部的背腹运动或旋转；自由度二，控制主体与肱骨的关节，提供头尾、前后运动；自由度三，肱骨与肘部桡尺骨的关节；自由度四、五、六、七，趾骨处四个关节，允许每个趾骨相对于桡骨单独旋转；自由度八，腿部与臀部身体的关节。
再进一步地，第一趾骨4与第五趾骨8位于同一直线上，并能够由微型电机驱动同时旋转；第一趾骨4与第五趾骨8可以选择整体结构的零部件，也可以由分体式零件固定连接构成，第三趾骨6具有三折弯关节，第四趾骨7具有双折弯关节，第二趾骨5也为直线型，尽量仿真生物飞行原理。
第一趾骨、第二趾骨、第三趾骨、第四趾骨、第五趾骨材料为碳纤维复合材料，肱骨两端的铰接连接结构材料也为碳纤维复合材料，在不增加飞行器的重量基础上，最大限度增加续航时间。
第一趾骨、第二趾骨、第三趾骨、第四趾骨、第五趾骨也具有中空内腔，第一趾骨、第二趾骨、第三趾骨、第四趾骨、第五趾骨也通过导线沿第一趾骨、第二趾骨、第三趾骨、第四趾骨、第五趾骨的中空内腔连接至机架主体内部的驱动装置和控制电路模块，以便控制各趾骨统一旋转运动，或者各趾骨单独旋转运动。
最后，在柔性薄膜太阳能电池板表面涂覆石墨烯涂层，确保太阳能电池板柔性薄膜的光电效应，将翼面上收集的光能转换成电能。
本发明太阳能电池板扑翼飞行器的折翼结构，机架主体两侧对称设置的翼部骨架，翼部骨架的桡骨、肱骨、趾骨、腿骨通过粘合剂固定连接柔性薄膜太阳能电池板材料的仿蝙蝠翼面，基于太阳能电池板柔性薄膜的光电效应，将翼面上收集的光能转换成电能，给电池充电，续航飞行时间长，翼面与翼部骨架既能折叠又能展开，不仅携带方便，而且能够实现飞行器翅翼结构展开挥动与翼面面积变形的运动，在不增加飞行器重量的基础上满足长时间飞行要求，薄膜太阳能电池板能够反复折弯和展开，翼展面积大，占用空间少，结构简单，使用寿命长。
具体设计思路：
本发明属于微型扑翼飞行器技术领域，主要原理基于太阳能电池板柔性薄膜的光电效应，将翼面上收集的光能转换成电能且可以重复折叠和展开的扑翼飞行器翅翼结构。
扑翼飞行器是一种根据生物飞行原理进行逆向仿生研制的飞行器，与传统固定翼和旋翼飞行器相比具有很强的优越性，可以将举升、悬停、推进系统集于一对翅膀来实现飞行，同时具有较好的机动性和稳定性，在军事和民用领域都有广泛的用途。
目前扑翼飞行器续航时间短是其不能应用推广的一个主要原因，由于扑翼飞行器翼面拍动产生的升力有限，自身载荷重量受到严格限制，飞行器携带的电池能源不能满足长时间飞行要求，现阶段在不增加飞行器重量的基础上只能通过吸收并转化太阳能来补给能量。扑翼飞行器主要有仿鸟型和仿昆虫型，仿昆虫扑翼飞行器都是昆虫类大小的微型扑翼飞行器，翼展面积较小，利用太阳能电池板补给能量的作用非常小，而仿鸟型扑翼飞行器翼展面积相对较大，较大的翼展面积可以吸收较多的太阳能来满足续航要求，其续航效果较微小型扑翼飞行器显著。
携带方便和隐蔽性好也是扑翼飞行器的一个重要性能指标，对于仿鸟等大型扑翼飞行器来讲，在运输和回收后翼展折叠到较小空间尺寸，具有很强的实用性，运输过程中便于携带，降落后利于隐藏，在飞行过程中充分展开翼面，可以提供充分的升力和电能。
为了提高扑翼飞行器的续航时间，同时解决现有扑翼飞行器空间尺寸大、难携带的现状，本发明提出一种可折叠式扑翼飞行器，通过关节机构实现机翼的折叠和展开，翼面采用柔性薄膜太阳能电池板制作，以能够使扑翼飞行器实现长时间飞行，同时翼面的折叠、展开可满足空间尺寸限制和高升力的要求。
本发明的技术方案是：包括翼面和翼部骨架，翼面形状似蝙蝠，翼部骨架沿中心线对称分布，翼部骨架包括机架主体、铰接连接构、腿骨和翅骨，机架主体为圆弧形中空腔结构，内部装有驱动装置和控制电路模块，翅骨、腿骨连接翼面；翼面采用柔性薄膜太阳能电池板制作，通过粘合剂固定在翼面筋骨上，在所述柔性薄膜太阳能电池板表面涂覆石墨烯层。
展开后的肱骨与桡骨之间呈110°至140°，肱骨与机架主体中心线之间呈45°至75°；
翼面结构包含8个自由度，包括：自由度一，控制主体12与机架壳体11模拟人体的关节，提供肩部的背腹运动或旋转；自由度二，控制主体与肱骨的关节，提供头尾、前后运动；自由度三，肱骨与肘部桡尺骨的关节；自由度四、五、六、七，趾骨处四个关节，允许每个趾骨相对于桡骨单独旋转；自由度八，腿部与臀部身体的关节。
连接肱骨与桡骨的铰链一处装有微型电机一，肱骨与趾骨的铰链二处装有微型电机二，肱骨与桡骨内部为中空结构，装有导线，将翼面发电部分与微型电机、控制电路模块相连接；
趾骨一与趾骨五是整体结构，且呈直线型，趾骨二也是直线型，趾骨三具有三折弯关节，趾骨四具有双折弯关节。
翼面采用柔性薄膜太阳能电池板制作，有一定的伸缩和延展性，能反复折叠和展开，通过粘合剂固定在翼面筋骨上，在所述柔性薄膜太阳能电池板表面涂覆石墨烯层。
翼面筋骨采用碳纤维复合材料制作，筋骨内部贯穿导线，连接处的零部件也采用碳纤维复合材料。
本发明的优点在于：
（1）机械结构简单实用；
（2）直接采用薄膜太阳能电池板作为扑翼飞行器的翅膀翼面，降低扑翼飞行器的自身重量，同时薄膜太阳能电池板可以实现反复折弯和展开；
（3）基于太阳能电池板柔性薄膜的光电效应，将翼面上收集的光能转换成电能，然后给电池充电，使飞行器的续航飞行能力提高，同时翼面筋骨既能折叠又能展开，不仅携带方便，而且能够实现飞行器翅翼结构展开挥动与翼面面积变形的运动。
本发明提供一种可折叠式太阳能电池板扑翼飞行器翅翼结构，属于微型扑翼飞行器技术领域。本发明包括翼面和翅翼构架，翼面形状似蝙蝠，翅翼构架沿中心线对称分布，所述翅翼构架包括机体架、连接体、铰链结构和翼面筋骨，所述机体架为圆弧形中空腔结构，内部装有驱动装置和控制电路模块，连接体包括肱骨和桡骨，两者之间通过铰链一连接，连接体与翼面筋骨通过铰链二相连接，翼面筋骨包括趾骨一、趾骨二、趾骨三、趾骨四、趾骨五、大腿骨、小腿骨。翼面采用柔性薄膜太阳能电池板制作，通过粘合剂固定在翼面筋骨上，在所述柔性薄膜太阳能电池板表面涂覆石墨烯层。本发明基于太阳能电池板柔性薄膜的光电效应，将翼面上收集的光能转换成电能，然后给电池充电，使飞行器的续航飞行能力提高，同时翼面筋骨既能折叠又能展开，不仅携带方便，而且能够实现飞行器翅翼结构展开挥动与翼面面积变形的运动。
Claims (9)
1.一种太阳能电池板扑翼飞行器的折翼结构，其特征在于：包括有机架主体，机架主体内部设置有驱动装置和控制电路模块，机架主体两侧对称设置有翼部骨架，翼部骨架上设置有翼面；翼部骨架包括有位于机架主体底部两侧的腿骨，和位于机架主体中部两侧的翅骨，每侧腿骨包括有铰接连接在机架主体底部的大腿骨，和固定连接在大腿骨下端的小腿骨；每侧翅骨包括铰接连接在机架主体侧边的桡骨，和铰接连接在桡骨上的肱骨，肱骨远端铰接连接有多个趾骨；翼面材料为柔性薄膜太阳能电池板，翼面通过粘合剂固定连接在翼部骨架上，翼面通过连接电路连接至机架主体内部的驱动装置和控制电路模块。
2.根据权利要求1所述太阳能电池板扑翼飞行器的折翼结构，其特征在于：所述肱骨两端与桡骨、趾骨铰接连接处分别设置有微电型电机，肱骨、桡骨具有中空内腔，翼面通过导线沿肱骨、桡骨的中空内腔连接至机架主体内部的驱动装置和控制电路模块。
3.根据权利要求1所述太阳能电池板扑翼飞行器的折翼结构，其特征在于：所述机架主体两侧设置有安装槽，桡骨端部铰接连接在安装槽内，桡骨、肱骨之间旋转角度范围为110°至140°，肱骨与机架主体中心线之间旋转角度范围为45°至75°。
4.根据权利要求2所述太阳能电池板扑翼飞行器的折翼结构，其特征在于：所述肱骨远端同时铰接连接有第一趾骨、第二趾骨、第三趾骨、第四趾骨、第五趾骨，每个趾骨能够由微型电机驱动独立旋转。
5.根据权利要求4所述太阳能电池板扑翼飞行器的折翼结构，其特征在于：所述第一趾骨与第五趾骨位于同一直线上，并能够由微型电机驱动同时旋转；所述第三趾骨具有三折弯关节，第四趾骨具有双折弯关节；所述第二趾骨也为直线型。
6.根据权利要求5所述太阳能电池板扑翼飞行器的折翼结构，其特征在于：所述第一趾骨与第五趾骨为整体结构。
7.根据权利要求4所述太阳能电池板扑翼飞行器的折翼结构，其特征在于：所述第一趾骨、第二趾骨、第三趾骨、第四趾骨、第五趾骨材料为碳纤维复合材料，肱骨两端的铰接连接结构材料也为碳纤维复合材料。
8.根据权利要求5所述太阳能电池板扑翼飞行器的折翼结构，其特征在于：所述第一趾骨、第二趾骨、第三趾骨、第四趾骨、第五趾骨也具有中空内腔，第一趾骨、第二趾骨、第三趾骨、第四趾骨、第五趾骨也通过导线沿第一趾骨、第二趾骨、第三趾骨、第四趾骨、第五趾骨的中空内腔连接至机架主体内部的驱动装置和控制电路模块。
9.根据权利要求1所述太阳能电池板扑翼飞行器的折翼结构，其特征在于：所述柔性薄膜太阳能电池板表面涂覆有石墨烯涂层。
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