CN110194266A - 一种单曲柄扑翼飞行器传动机构 - Google Patents
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Abstract
本发明的单曲柄扑翼飞行器传动机构，一对主动曲柄呈V形对称设置，下端固定结合，且结合点铰接连接在飞行器机架上的第一安装点上，一对主动曲柄上端连接有一对长度相等、对称设置的连杆，连杆上端铰接连接在一对旋转杆中部，一对旋转杆下端铰接连接在飞行器机架上的第二安装点上，每侧旋转杆上段与第一安装点之间固定连接有弹簧，模仿现有生物胸腔的内部结构，在结构内部增加弹性元件，利用弹性元件储存和释放能量的作用来缓解传动机构能量损失过多的问题，减少能量浪费，提高续航时间，结构简单，运转过程中能量损耗少。
Description
技术领域
本发明涉及无人机飞行技术中的一种单曲柄扑翼飞行器传动机构。
背景技术
扑翼飞行器是一种根据生物飞行原理仿生研制的飞行器，在传统固定翼和旋翼飞行器基础上，将举升、悬停、推进系统集于一对翅膀实现飞行功能，在飞行过程中具有非常好的机动性和稳定性，无论在民用领域，还是军事方面都有广泛的用途；现有技术中的扑翼飞行器主要为仿鸟型和仿昆虫型，仿昆虫型主要采用压电驱动等新型传动机构实现，而体积稍大的仿鸟型扑翼飞行器则是采用传统的单曲柄或双曲柄机构来实现两侧翅膀的拍动；单曲柄机构虽然空间尺寸小，但是两侧翼面始终存在相位差，会影响控制稳定性；而双摇杆机构的两侧机构之间具有误差，不能保持同步，且体积大，占用空间多，携带不方便；还存在载荷能力小、传动机构能量转换效率不高、携带的电池能源不能满足长久续航需求的缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够模仿现有生物胸腔的内部结构，提高传动机构能量转换效率，减少能源浪费，相位对称度高，稳定性好的单曲柄扑翼飞行器传动机构。
本发明的单曲柄扑翼飞行器传动机构，其特征在于：包括有一对固定连接的主动曲柄，一对主动曲柄呈V形对称设置，下端固定结合，且结合点铰接连接在飞行器机架上的第一安装点上，一对主动曲柄上端连接有一对长度相等、对称设置的连杆，连杆下端铰接连接在主动曲柄上端，连杆上端铰接连接在一对旋转杆中部，一对旋转杆下端铰接连接在飞行器机架上的第二安装点上，一对旋转杆长度相等、沿第二安装点对称设置，每侧旋转杆上段固定连接有弹簧，弹簧上端固定连接至旋转杆，下端固定连接至第一安装点；
所述传动机构在初始状态下一对连杆之间夹角小于一对主动曲柄之间夹角；
所述主动曲柄、连杆、旋转杆材料为碳纤维复合材料；
所述弹簧上端连接在旋转杆上部靠近上端的位置上；
所述弹簧为螺旋弹簧；
主动曲柄长度a、旋转杆长度b、连杆长度c与一对主动曲柄之间夹角β、第一安装点与第二安装点之间距离d、旋转杆上极限位置至下极限位置之间拍动角φ的计算公式为：
；
所述d=39mm，φ=51°，β=30°时，a=7mm，b=38mm，c=16mm。
本发明的单曲柄扑翼飞行器传动机构，通过一对主动曲柄、连杆、旋转杆与弹簧模仿现有生物胸腔的内部结构，在结构内部增加弹性元件，利用弹性元件储存和释放能量的作用来缓解传动机构能量损失过多的问题，减少能量浪费，提高续航时间，结构简单，运转过程中能量损耗少；当a=7mm，b=38mm，c=16mm，d=39mm，φ=51°，β=30°时，本发明的单曲柄弹性扑翼飞行器传动机构相对于不安装弹簧的传统机构，可以有效减少功率峰值40.3%。
附图说明
图1是本发明实施例的单曲柄扑翼飞行器传动机构的结构示意图，图中弧D1E1和弧D2E2分别为旋转杆末端D1、D2拍动过程中的轨迹，虚线O2E1和O2E2分别为旋转杆O2D1、O2D2拍动过程中下极限位置，实线O2D1和O2D2分别为旋转杆拍动过程中上极限位置，两极限位置之间的夹角φ为拍动角；
图中O1A1、O1A2为曲柄，长度为a；A1B1、A2B2为连杆，长度为b；
O2B1、O2B2为摇杆，长度为c；O1O2之间的距离为d。
具体实施方式
如图所示，一种单曲柄扑翼飞行器传动机构，总体结构依次为第一安装点O1、第二安装点O2、曲柄一O1A1、曲柄二O1A2、连杆一A1B1、连杆二A2B2、旋转杆一O2D1、旋转杆二O2D2、螺旋弹簧一O1C1和螺旋弹簧二O1C2，首先在飞行器机架上的第一安装点O1上铰接连接一对主动曲柄，分别为曲柄一O1A1、曲柄二O1A2，曲柄一O1A1、曲柄二O1A2铰接连接在第一安装点O1上，曲柄一O1A1、曲柄二O1A2下端焊接固定连接一起，通过固定连接点铰接连接在第一安装点O1上；旋转杆一O2D1、旋转杆二O2D2分别铰接连接在第二安装点O2上，连杆一与连杆二一端分别与曲柄一和曲柄二一端部连接，连杆一与连杆二另一端分别与旋转杆一O2D1、旋转杆二O2D2的中部铰接连接。
固定连接的曲柄一和曲柄二与第一安装点O1之间形成转动副一，旋转杆一O2D1、旋转杆二O2D2与第二安装点O2之间形成转动副二，曲柄一与连杆一之间形成转动副三，曲柄二与连杆二之间形成转动副四，连杆一和旋转杆一之间形成转动副五，连杆二和旋转杆二之间形成转动副六。
旋转杆一与第一安装点O1之间、旋转杆二与第二安装点O2之间分别用螺旋弹簧一和螺旋弹簧二连接，螺旋弹簧在旋转杆一O2D1、旋转杆二O2D2上的连接点分别为C1和C2，连接点C1和C2分别在旋转杆一O2D1上的B1 点到D1点之间、旋转杆二O2D2上的B2 点到D2点之间；
曲柄一O1A1、曲柄二O1A2、连杆一A1B1、连杆二A2B2、旋转杆一O2D1、旋转杆二O2D2的材料均采用碳纤维复合材料，重量轻，有利于减小负荷。
传动机构在初始状态下预装时，一对连杆之间夹角小于一对主动曲柄之间夹角，弹簧上端连接在旋转杆上部靠近上端的位置上，结构稳定可靠。
固定连接的曲柄一和曲柄二之间的夹角为β，曲柄一与曲柄二长度相等为a，摇杆一与摇杆二长度相等为b，连杆O2B1与连杆O2B2长度相等为c，机架一与机架二之间的距离为d，弧D1E1和弧D2E2分别为摇杆末端D1、D2拍动过程中的轨迹，虚线O2E1和O2E2分别为摇杆O2D1、O2D2拍动过程中下极限位置，实线O2D1和O2D2分别为摇杆拍动过程中上极限位置，两极限位置之间的夹角φ为拍动角该单曲柄双摇杆机构各杆长满足以下条件：
本发明的单曲柄扑翼飞行器传动机构，通过一对主动曲柄、连杆、旋转杆与弹簧模仿现有生物胸腔的内部结构，在结构内部增加弹性元件，利用弹性元件储存和释放能量的作用来缓解传动机构能量损失过多的问题，减少能量浪费，提高续航时间，结构简单，运转过程中能量损耗少；当a=7mm，b=38mm，c=16mm，d=39mm，φ=51°，β=30°时，本发明的单曲柄弹性扑翼飞行器传动机构相对于不安装弹簧的传统机构，可以有效减少功率峰值40.3%。
具体设计思路：
扑翼飞行器是一种根据生物飞行原理仿生研制的飞行器，与传统固定翼和旋翼飞行器相比具有无可比拟的优越性，它可以将举升、悬停、推进系统集于一对翅膀来实现飞行，飞行过程中具有非常好的机动性和稳定性，无论在民用领域，还是军事方面都有广泛的用途。
现有扑翼飞行器主要有仿鸟型和仿昆虫型，仿昆虫型主要采用压电驱动等新型传动机构实现，而体积稍大的仿鸟型扑翼飞行器则是采用传统的单曲柄或双曲柄机构来实现两侧翅膀的拍动。单曲柄机构虽然空间尺寸小，但是两侧翼面始终存在相位差，会影响控制的稳定性。而双摇杆机构虽然两侧翼面始终对称，但是结构原因，空间尺寸较大，难以做到小型化。
目前扑翼飞行器由于载荷的限制，携带的电池能源不能满足长久续航的需求，主要是由于传动机构的能量转换效率不高，而自然界生物身体内部由于肌肉组织等存在，能量损失非常少。所以可以模仿现有生物胸腔的内部结构，在结构内部增加弹性元件，利用弹性元件储存和释放能量的作用来缓解传动机构能量损失过多的问题，减少能量浪费，提高续航时间。
为了解决传统扑翼飞行器传动机构空间尺寸大，难以微型化的缺点，同时提高传动机构的能量转换效率，本发明提出一种单曲柄弹性扑翼飞行器传动机构，结构简单，运转过程中能量损耗少。
图1为单曲柄弹性扑翼飞行器传动机构的设计方案简化图，采用的是一对曲柄摇杆机构，其中两个曲柄采用固定焊接的方式使末端固定连接在一起，两曲柄之间在运转过程中始终存在固定夹角β。
O1C1、O1C2之间通过弹簧进行连接，扑翼机构运转过程中，弹簧的刚度和弹簧末端C1、C2的位置需要根据曲柄连杆机构的尺寸和施加在连杆上的载荷进行确定，以达到能量节省最优。
为使扑翼飞行器传动机构两侧摇杆对称性达到最佳效果，曲柄摇杆机构各杆长计算公式如下：
当a=7mm，b=38mm，c=16mm，d=39mm，φ=51°，β=30°时，该单曲柄弹性扑翼飞行器传动机构相对于不安装弹簧的情况，可以有效减少功率峰值40.3%。
Claims (7)
1.一种单曲柄扑翼飞行器传动机构，其特征在于：包括有一对固定连接的主动曲柄，一对主动曲柄呈V形对称设置，下端固定结合，且结合点铰接连接在飞行器机架上的第一安装点上，一对主动曲柄上端连接有一对长度相等、对称设置的连杆，连杆下端铰接连接在主动曲柄上端，连杆上端铰接连接在一对旋转杆中部，一对旋转杆下端铰接连接在飞行器机架上的第二安装点上，一对旋转杆长度相等、沿第二安装点对称设置，每侧旋转杆上段固定连接有弹簧，弹簧上端固定连接至旋转杆，下端固定连接至第一安装点。
2.根据权利要求1所述单曲柄扑翼飞行器传动机构，其特征在于：所述传动机构在初始状态下一对连杆之间夹角小于一对主动曲柄之间夹角。
3.根据权利要求1所述单曲柄扑翼飞行器传动机构，其特征在于：所述主动曲柄、连杆、旋转杆材料为碳纤维复合材料。
4.根据权利要求1所述单曲柄扑翼飞行器传动机构，其特征在于：所述弹簧上端连接在旋转杆上部靠近上端的位置上。
5.根据权利要求1所述单曲柄扑翼飞行器传动机构，其特征在于：所述弹簧为螺旋弹簧。
6.根据权利要求1所述单曲柄扑翼飞行器传动机构，其特征在于：主动曲柄长度a、旋转杆长度b、连杆长度c与一对主动曲柄之间夹角β、第一安装点与第二安装点之间距离d、旋转杆上极限位置至下极限位置之间拍动角φ的计算公式为：
。
7.根据权利要求6所述单曲柄扑翼飞行器传动机构，其特征在于：所述d=39mm，φ=51°，β=30°时，a=7mm，b=38mm，c=16mm。
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