CN110481774A - 一种基于主副翼模式的扑翼结构及扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于主副翼模式的扑翼结构，主副翼机构包括连杆、上、下主翼主杆、肘连接节、副翼主杆和若干主、副翼型骨架；连杆的近身枢接点枢接驱动机构对应的曲柄，其次近身枢接点枢接上主翼主杆的近身枢接点，其远身枢接点枢接下主翼主杆的近身枢接点；上主翼主杆的次近身枢接点枢接机身，其远身枢接点枢接肘连接节的上枢接点；下主翼主杆的远身枢接点枢接肘连接节的下枢接点，副翼主杆固连肘连接节，副翼型骨架依次固设于副翼主杆上，主翼型骨架依次固设于上主翼主杆或下主翼主杆上。本发明采用主、副翼两段式结构，提高了传动效率且结构简单可靠；主翼部分相对副翼部分折叠，最大效率地减小空气阻力，实现功率的最大化。

Description

一种基于主副翼模式的扑翼结构及扑翼飞行器

技术领域

本发明属于仿生飞行器技术领域，具体涉及一种基于主副翼模式的扑翼结构及扑翼飞行器。

背景技术

仿生飞行机器人，其外观相较于市面上普遍的四轴飞行器更加的美观，并且能模拟鸟类飞行时的启动、悬停和降落时的动作，可以更加高效地做到巡山护林、环境监测等工作。对于中大型的仿生机器人，大多数采用翅部有折叠的扑翼飞行，这类仿生飞行器因为外观与鸟类相似，能更好地在军事、反恐及娱乐等众多领域发挥侦查、巡逻与教育等积极作用。

但是，仿生飞行机器人相较于市面上的普通飞行器，存在着设计复杂、控制复杂等困难，多自由度仿生扑翼飞行器在飞行时的频率较低，所以在每次扑动时所要求的升力和推动力较螺旋式飞行器较大。所以现有的研究仍然不太成熟，精妙的扑翼传动结构设计是仿生飞行机器人结构设计中的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于主副翼模式的扑翼结构及扑翼飞行器，通过两段式扑翼结构使得扑翼过程中带有折叠和舒展过程，最大效率地减小空气阻力，实现功率最大化。

为解决现有技术问题，本发明公开了一种基于主副翼模式的扑翼结构，包括：机身，所述机身上设有一对主副翼机构和驱动所述主副翼机构同步活动的驱动机构，所述主副翼机构对称设置，所述驱动机构具有一对同步旋转的曲柄，所述曲柄与对应的所述主副翼机构连接以驱动所述主副翼机构活动；

所述主副翼机构包括连杆、上、下主翼主杆、肘连接节、副翼主杆和若干主、副翼型骨架；

所述连杆的近身枢接点枢接所述驱动机构对应的曲柄，其次近身枢接点枢接所述上主翼主杆的近身枢接点，其远身枢接点枢接所述下主翼主杆的近身枢接点；所述上主翼主杆的次近身枢接点枢接所述机身，其远身枢接点枢接所述肘连接节的上枢接点；所述下主翼主杆的远身枢接点枢接所述肘连接节的下枢接点，所述副翼主杆固连所述肘连接节，所述副翼型骨架依次固设于所述副翼主杆上，所述主翼型骨架依次固设于所述上主翼主杆或所述下主翼主杆上。

进一步地，

所述主副翼机构还包括主翼辅杆，所述主翼辅杆固连所述主翼型骨架。

进一步地，

所述主副翼机构还包括副翼辅杆和扭转装置，所述副翼辅杆固连所述副翼型骨架，所述扭转装置具有一个扭转端，所述扭转装置固与所述副翼辅杆固连，其扭转端与所述副翼主杆固连。

进一步地，

所述上主翼主杆通过上连接杆与所述机身和所述连杆枢接，所述下主翼主杆通过下连接杆与所述连杆枢接。

进一步地，

所述驱动机构包括电机、主动齿轮和中间齿轮；所述曲柄设有齿轮部，所述电机的转轴与所述主动齿轮抗扭连接，所述中间齿轮分别与所述主动齿轮和其中一个曲柄的齿轮部啮合，两个曲柄的齿轮部相互啮合。

进一步地，

所述中间齿轮具有同轴一体相连的小齿轮部和大齿轮部，所述大齿轮部与所述主动齿轮啮合，所述小齿轮部与其中一个曲柄的齿轮部啮合。

进一步地，

所述机身包括由前向后依次设置的机头、机架和机尾，所述机架的数目为至少两个，所述机架之间通过若干对称设置的固定杆固连，所述驱动机构固设于所述机架上。

进一步地，

所述上主翼主杆的次近身枢接点枢接于对应的一个固定杆。

进一步地，

所述主、副翼型骨架的形状与机翼截面形状相仿，所述副翼型骨架由ABS材料制成。

本发明还公开了一种基于主副翼模式的扑翼飞行器，包括骨架结构和包覆于所述骨架结构的包覆件，所述骨架结构为上述的一种扑翼结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明采用主、副翼两段式结构，提高了传动效率且结构简单可靠；主翼部分相对副翼部分折叠，最大效率地减小空气阻力，实现功率的最大化。

2.本发明采用二级减速装置，大幅提高最终输出扭矩，降低转速，使主副翼机构符合仿生学大中型鸟类扑动频率的要求。

3.本发明采用扭转装置实现副翼的扭转，提高了飞行过程中的机动性。

附图说明

图1为本发明中的扑翼结构的俯视立体图；

图2为本发明中的扑翼结构的仰视立体图；

图3为本发明中的扑翼结构的俯视图；

图4为本发明中的主副翼机构与驱动机构的连接关系图；

图5为本发明中的主副翼机构的运动原理图；

图6为本发明中左副翼的路径曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明公开了一种基于主副翼模式的扑翼飞行器，包括骨架结构和包覆于所述骨架结构的包覆件，如图1至6所示，扑翼结构包括：机身3，所述机身3上设有一对主副翼机构1和驱动所述主副翼机构1同步活动的驱动机构2，所述主副翼机构1对称设置，所述驱动机构具有一对同步旋转的曲柄204，所述曲柄204与对应的所述主副翼机构1连接以驱动所述主副翼机构1活动。

具体地，所述主副翼机构1包括连杆105、上、下主翼主杆101、110、肘连接节104、副翼主杆102和若干主、副翼型骨架111、103。

如图4所示，所述连杆103的近身枢接点B枢接所述驱动机构2对应的曲柄204，其次近身枢接点C枢接所述上主翼主杆101的近身枢接点C，其远身枢接点D枢接所述下主翼主杆110的近身枢接点D；所述上主翼主杆101的次近身枢接点E枢接所述机身3，其远身枢接点F枢接所述肘连接节104的上枢接点；所述下主翼主杆110的远身枢接点G枢接所述肘连接节104的下枢接点，所述副翼主杆102固连所述肘连接节104，所述副翼型骨架103依次固设于所述副翼主杆102上。由于上主翼主杆101和下主翼主杆110相互运动，因此所述主翼型骨架111应当择一固定，当主翼型骨架111与上主翼主杆101固连时，主翼型骨架111的下缘应当设有供下主翼主杆110移动的槽；同理，当主翼型骨架111与下主翼主杆110固连时，主翼型骨架111的上缘应当设有供上主翼主杆101移动的槽。所述主、副翼型骨架111、103的形状与机翼截面形状相仿，所述副翼型骨架103由ABS材料制成。每个主副翼机构中的主、副翼型骨架111、103的数目总共为八个，并且按照设定间距分布。

为了提高蒙皮时主翼型骨架111之间的连接强度，所述主副翼机构1还包括主翼辅杆108，所述主翼辅杆108固连所述主翼型骨架111。主翼型骨架111上设有供主翼辅杆108固定的孔。

为了实现副翼的扭转，所述主副翼机构1还包括副翼辅杆109和扭转装置112，所述副翼辅杆109固连所述副翼型骨架111，所述扭转装置112具有一个扭转端，所述扭转装置112固与所述副翼辅杆109固连，其扭转端与所述副翼主杆102固连。副翼型骨架111与副翼主杆102采用枢接连接，即副翼型骨架111相对副翼主杆102转动从而实现副翼扭转。扭转装置112选用微型舵机，当其扭转端扭转时，会驱动副翼主杆102相对副翼辅杆109扭转，从而实现副翼的扭转。

为了提高上、下主翼主杆101、110与连杆105的连接强度，所述上主翼主杆101通过上连接杆106与所述机身3和所述连杆105枢接，所述下主翼主杆110通过上连接杆106与所述连杆105枢接。上连接杆106和上连接杆106均为金属部件或其它强度大于上、下主翼主杆101、110的连接件。

为了实现同步镜像式驱动要求，所述驱动机构2包括电机205、主动齿轮202和中间齿轮203；所述曲柄204设有齿轮部，所述电机205的转轴与所述主动齿轮202抗扭连接，所述中间齿轮203分别与所述主动齿轮202和其中一个曲柄204的齿轮部啮合，该曲柄204的齿轮部厚度较大从而满足与两个齿轮啮合的要求，两个曲柄204的齿轮部相互啮合。上述齿轮均转动安装于机身3上的相应位置处。

为了使扑翼频率符合大中型鸟类的扑翼频率，驱动机构需提供较大的动力以驱动主副翼机构产生相同频率的扑翼动作。因此，驱动机构2宜采用二级减速机构，具体地，所述中间齿轮203具有同轴一体相连的小齿轮部2032和大齿轮部2031，所述大齿轮部2031与所述主动齿轮202啮合，所述小齿轮部2032与其中一个曲柄204的齿轮部啮合。

本实施例中，主动齿轮202的齿数为9，中间齿轮203的大齿轮部的齿数为27，其小齿轮部的齿数为14，曲柄204的齿轮部的齿数为28。

所述机身3包括由前向后依次设置的机头301、机架304和机尾302，所述机架304的数目为至少两个，所述机架304之间通过若干对称设置的固定杆305固连，所述驱动机构2固设于所述机架304上。具体地，机架304具有一对向斜上方延伸的支架，支架上设有供一个固定杆305穿过以固连的孔，此处的固定杆305用于枢接安装上主翼主杆101的次近身枢接点E。机架304的中央及下发均设有安装其余固定杆305的孔，这些固定杆305分别用于转动安装相应的齿轮。机身3的轮廓前部较大，后部较小，符合大中型鸟类身体的外形，镂空的机架304结构在保证零件位置和机身强度的情况下，减轻了整机的重量。

如图5和6所示，图中的杆件AB为曲柄204，杆件BCD为连杆105，杆件DEF为上主翼主杆101，杆件CG为下主翼主杆110，连接件FGH为肘连接件104，杆件HI为副翼主杆102。杆件AB与杆件BCD枢接，以带动主翼杆件DEF和CG，在杆件DF上增加上连接件106，使机构固定位置的同时达到上下扑动的设计要求。连接件FHG的一端分别枢接杆件DF和杆件CG，另一端固定连接杆件HI，连接件FHG的另一个设计作用使杆件DEF在下行程中相对杆件CG向外舒展，杆件DEF在上行程中相对杆件向CG相反方向运动，达到折叠的效果，这样能最大效率地减小空气阻力实现功率的最大化；∠BCD的大小和CD的长度都经过试验后确定以确保其在运动时满足下行程时主翼和副翼向外舒展、上行程时主翼和副翼折叠的设计要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于主副翼模式的扑翼结构，其特征在于：包括：机身（3），所述机身（3）上设有一对主副翼机构（1）和驱动所述主副翼机构（1）同步活动的驱动机构（2），所述主副翼机构（1）对称设置，所述驱动机构具有一对同步旋转的曲柄（204），所述曲柄（204）与对应的所述主副翼机构（1）连接以驱动所述主副翼机构（1）活动；

所述主副翼机构（1）包括连杆（105）、上、下主翼主杆（101、110）、肘连接节（104）、副翼主杆（102）和若干主、副翼型骨架（111、103）；

所述连杆（103）的近身枢接点（B）枢接所述驱动机构（2）对应的曲柄（204），其次近身枢接点（C）枢接所述上主翼主杆（101）的近身枢接点（C），其远身枢接点（D）枢接所述下主翼主杆（110）的近身枢接点（D）；所述上主翼主杆（101）的次近身枢接点（E）枢接所述机身（3），其远身枢接点（F）枢接所述肘连接节（104）的上枢接点；所述下主翼主杆（110）的远身枢接点（G）枢接所述肘连接节（104）的下枢接点，所述副翼主杆（102）固连所述肘连接节（104），所述副翼型骨架（103）依次固设于所述副翼主杆（102）上，所述主翼型骨架（111）依次固设于所述上主翼主杆（101）或所述下主翼主杆（110）上。

2.根据权利要求1所述的一种基于主副翼模式的扑翼结构，其特征在于：

所述主副翼机构（1）还包括主翼辅杆（108），所述主翼辅杆（108）固连所述主翼型骨架（111）。

3.根据权利要求1所述的一种基于主副翼模式的扑翼结构，其特征在于：

所述主副翼机构（1）还包括副翼辅杆（109）和扭转装置（112），所述副翼辅杆（109）固连所述副翼型骨架（111），所述扭转装置（112）具有一个扭转端，所述扭转装置（112）固与所述副翼辅杆（109）固连，其扭转端与所述副翼主杆（102）固连。

4.根据权利要求1所述的一种基于主副翼模式的扑翼结构，其特征在于：

所述上主翼主杆（101）通过上连接杆（106）与所述机身（3）和所述连杆（105）枢接，所述下主翼主杆（110）通过下连接杆（107）与所述连杆（105）枢接。

5.根据权利要求1所述的一种基于主副翼模式的扑翼结构，其特征在于：

所述驱动机构（2）包括电机（205）、主动齿轮（202）和中间齿轮（203）；所述曲柄（204）设有齿轮部，所述电机（205）的转轴与所述主动齿轮（202）抗扭连接，所述中间齿轮（203）分别与所述主动齿轮（202）和其中一个曲柄（204）的齿轮部啮合，两个曲柄（204）的齿轮部相互啮合。

6.根据权利要求5所述的一种基于主副翼模式的扑翼结构，其特征在于：

所述中间齿轮（203）具有同轴一体相连的小齿轮部（2032）和大齿轮部（2031），所述大齿轮部（2031）与所述主动齿轮（202）啮合，所述小齿轮部（2032）与其中一个曲柄（204）的齿轮部啮合。

7.根据权利要求1所述的一种基于主副翼模式的扑翼结构，其特征在于：

所述机身（3）包括由前向后依次设置的机头（301）、机架（304）和机尾（302），所述机架（304）的数目为至少两个，所述机架（304）之间通过若干对称设置的固定杆（305）固连，所述驱动机构（2）固设于所述机架（304）上。

8.根据权利要求7所述的一种基于主副翼模式的扑翼结构，其特征在于：

所述上主翼主杆（101）的次近身枢接点（E）枢接于对应的一个固定杆（305）。

9.根据权利要求1所述的一种基于主副翼模式的扑翼结构，其特征在于：

所述主、副翼型骨架（111、103）的形状与机翼截面形状相仿，所述副翼型骨架（103）由ABS材料制成。

10.一种基于主副翼模式的扑翼飞行器，包括骨架结构和包覆于所述骨架结构的包覆件，其特征在于：

所述骨架结构为权利要求1所述的一种扑翼结构。