CN110525646A - 一种微型扑翼飞行器的折叠翅膀及外壳 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型扑翼飞行器的扑翼，其特征在于，包括外壳机构、折叠翼机构、驱动机构，其中，外壳机构包括一对壳体，设置于连接底座上的一对小绕绳轮、与一对小绕绳轮分别同心设置的一对轴杆、一对轴承和一对分别绕在轴杆上的异形扭簧，与一对壳体铰接的光轴；连接底座过盈配合于微型扑翼飞行器上；折叠翼机构由一对结构相同的折叠翼组成，折叠翼包括附在翼膜上的五根碳纤维杆、机体连接块、第一连接构件、第二连接构件；通过本发明的技术方案，使仿生扑翼飞行器在执行任务时保护机体不受损伤以及减小空间便于携带，在保证微型飞行器轻量化的同时，以最简便最轻量的驱动方式实现折叠翅膀协同外壳展收这两个复杂运动。

Description

一种微型扑翼飞行器的折叠翅膀及外壳

技术领域

本发明属于微型飞行器领域，尤其涉及一种微型扑翼飞行器的折叠翅膀及外壳。

背景技术

微型飞行器是一种通过模仿昆虫或飞鸟的扑翼运动而产生升力和推力，从而实现各种飞行姿态的新概念飞行器。同常规飞机相比，该飞行器具有质量轻、体积小、操作性好、隐身性强、成本低、便携带等特点，因此无论在军事还是民用领域，都具有相当广泛的应用前景，并且能够完成许多其他飞行器无法执行的任务。在军事方面，微型飞行器可以装备士兵，进行低空军事侦察、监视、战场损伤评估等；可作为反辐射和微型攻击武器，摧毁敌方雷达等电子设施；用于目标搜索和通信中继；进行生化探测，并标定危险区域等。在民用方面，微型飞行器可以用于交通监控、边境巡逻、森林及野生动植物勘测、航空摄影、输电线路检查、环境监测、气象监测、森林防火监测等。在航天方面，微型飞行器可用于火星探测飞行器、航天器等领域，可辅助大型航天器进行环境探测、运行监测等工作。正是微型飞行器在军事、民用和航天领域的广阔应用前景，使其得到世界许多国家的极大关注，很快成为国际上的研究热点。折叠式扑翼将进一步提高飞行器的仿生设计，基于可折叠翼的微型仿生扑翼飞行器在提高小型化的基础上，进一步提高其便携性和隐蔽性。

为了提高扑翼式微型飞行器的整体性能，将其翅膀设计为昆虫翅膀的仿生可折叠结构，当在执行任务的过程中遇到突发情况，可将翅膀折叠收起的同时合上外壳，保护机体内部减少损伤，也可使飞行器具有更好的隐蔽性；当不执行任务时，将翅膀折叠收起，外壳合起，有效的保护了机体与翅膀，并提高了其便携性。

目前现有的微型扑翼飞行器中很少有装载折叠翼装置，大部分只是对仿生折叠翅膀的展收验证模型，原因是翅膀轻量化设计受限，且离真正搭载扑翼飞行器并为其提供升力及飞行控制还有较大差距。外壳装置的增加可使飞行器在某种艰险情况下执行任务时保护机体不受损伤，但由于会增加其整体的重量，很多扑翼飞行器都忽略了这方面的应用。

发明内容

本发明目的在于解决仿生扑翼飞行器在某种艰险情况下执行任务时保护机体不受损伤以及减小空间便于携带，提供一种微型扑翼飞行器的折叠翅膀及外壳。在保证微型飞行器轻量化的同时，实现折叠翅膀协同外壳展收这两个复杂运动。同时，驱动方面的简化，以最简便最轻量的驱动方式来驱动折叠翅膀协同外壳展收。本发明的具体技术方案如下：

一种微型扑翼飞行器的扑翼，其特征在于，包括外壳机构、折叠翼机构、驱动机构，其中，

所述外壳机构包括一对壳体，设置于连接底座上的一对小绕绳轮、与所述一对小绕绳轮分别同心设置的一对轴杆、一对轴承和一对分别绕在轴杆上的异形扭簧，与所述一对壳体铰接的光轴；所述连接底座过盈连接于微型扑翼飞行器上；

所述折叠翼机构由一对结构相同的折叠翼组成，所述折叠翼包括附在翼膜上的五根碳纤维杆、机体连接块、第一连接构件、第二连接构件；

所述第一连接构件由两个铰接旋转块和嵌入在两个铰接旋转块中的连接扭簧组成，所述连接扭簧由销钉穿过设置在两个铰接旋转块上的销钉孔进一步连接固定，一个铰接旋转块与销钉过盈配合，另一个铰接旋转块与销钉间隙配合，连接扭簧与销钉间隙配合，所述第二连接构件的结构与所述第一连接构件相同；

所述第一根碳纤维杆一端连接至微型扑翼飞行器的机架上部，另一端连接至微型扑翼飞行器的机架下部，所述折叠翼机构能够绕所述第一根碳纤维杆旋转，所述机体连接块的一端连接至微型扑翼飞行器、另一端连接第二根碳纤维杆，第二根碳纤维杆的另一端连接至所述第一连接构件的一端，所述第一连接构件的另一端连接所述第三根碳纤维杆的一端，所述第三根碳纤维杆的另一端连接至第二连接构件的一端，所述第二连接构件的另一端连接所述第四根碳纤维杆，所述第五根碳纤维杆与所述第二连接构件过盈连接；

所述驱动机构包括电机、电机绕绳轮、电机输出轴，所述电机输出轴与所述电机绕绳轮过盈配合，所述电机绕绳轮通过绳分别连接至所述外壳机构的所述一对小绕绳轮，绳始终处于拉紧状态；所述电机绕绳轮通过绳与所述折叠翼机构的所述第五根碳纤维杆的末端连接；

所述电机驱动所述电机输出轴带动电机绕绳轮旋转，绕在所述电机绕绳轮的绳子被松开，并在所述连接扭簧的扭力作用下，所述折叠翼机构逐渐展开，直至达到所述连接扭簧的原始状态，所述折叠翼机构展开完毕，电机绕绳轮进一步带动小绕绳轮旋转，使得所述外壳机构上的所述一对异形扭簧随之旋转，所述一对异形扭簧的脚逐渐顶开所述一对壳体，使所述外壳机构完成展开；

所述外壳机构的展开与所述折叠翼机构的展开发生在所述电机驱动电机绕绳轮的状态下，控制绳的长度能够使所述外壳机构先于所述折叠翼机构展开并晚于所述折叠翼机构收起；

当所述折叠翼机构收起时，绳处于拉紧状态，所述连接扭簧处在被扭状态。

进一步地，所述一对小绕绳轮与对应的所述轴杆过盈配合，所述一对轴杆与对应的所述轴承过盈配合，所述一对异形扭簧与对应的所述轴杆过盈配合。

本发明的有益效果在于：

1.在折叠翼机构上增加连接扭簧，增强了折叠翼机构展开后的稳定性，装载在扑翼飞行器上，可保证扑动过程不发生折叠翼机构折叠的现象；将异形扭簧与绳驱动相配合，提高外壳机构展收的稳定性；

2.只用一个电机便能实现外壳机构与折叠翼机构的展收；

3.所有零件除了连接扭簧、异形扭簧、轴承以及碳纤维杆均采用3D打印技术制成，极大的减小了整体的质量，且成本不高，便于加工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本发明的一种微型扑翼飞行器的扑翼装配图；

图2是本发明的外壳机构结构图；

图3是本发明的外壳机构细节图；

图4是本发明的外壳机构轴连接图；

图5是本发明的折叠翼机构结构图；

图6是本发明的铰接旋转块装配爆炸图；

图7是本发明的电机安装图；

图8是本发明的电机与绕绳轮装配图；

图9是本发明的连接底座图；

附图标号说明：

1-外壳机构；2-折叠翼机构；3-驱动机构；4-壳体；5-异形扭簧；6-轴杆；7-连接底座；8-光轴；9-小绕绳轮；10-轴承；11-碳纤维杆；12-机体连接块；13-第一连接构件；14-第二连接构件；15-翼膜；16-连接扭簧；17-销钉孔；18-电机；19-电机绕绳轮；20-电机输出轴。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-图9所示，一种微型扑翼飞行器的扑翼，其特征在于，包括外壳机构1、折叠翼机构2、驱动机构3，其中，

外壳机构1包括一对壳体4，设置于连接底座7上的一对小绕绳轮9、与一对小绕绳轮9分别同心设置的一对轴杆6、一对轴承10和一对分别绕在轴杆6上的异形扭簧5，与一对壳体4铰接的光轴8；连接底座7过盈连接于微型扑翼飞行器上；

折叠翼机构2由一对结构相同的折叠翼组成，折叠翼包括附在翼膜15上的五根碳纤维杆11、机体连接块12、第一连接构件13、第二连接构件14；

第一连接构件13由两个铰接旋转块和嵌入在两个铰接旋转块中的连接扭簧16组成，连接扭簧16由销钉穿过设置在两个铰接旋转块上的销钉孔17进一步连接固定，一个铰接旋转块与销钉过盈配合，另一个铰接旋转块与销钉间隙配合，连接扭簧16与销钉间隙配合，第二连接构件14的结构与第一连接构件13相同；

第一根碳纤维杆一端连接至微型扑翼飞行器的机架上部，另一端连接至微型扑翼飞行器的机架下部，折叠翼机构2能够绕第一根碳纤维杆旋转，机体连接块12的一端连接至微型扑翼飞行器、另一端连接第二根碳纤维杆，第二根碳纤维杆的另一端连接至第一连接构件13的一端，第一连接构件13的另一端连接第三根碳纤维杆的一端，第三根碳纤维杆的另一端连接至第二连接构件14的一端，第二连接构件14的另一端连接第四根碳纤维杆，第五根碳纤维杆与第二连接构件过盈连接；

驱动机构3包括电机18、电机绕绳轮19、电机输出轴20，电机输出轴20与电机绕绳轮19过盈配合，电机绕绳轮19通过绳分别连接至外壳机构1的一对小绕绳轮9，绳始终处于拉紧状态；电机绕绳轮19通过绳与折叠翼机构2的第五根碳纤维杆的末端连接；

电机18驱动电机输出轴20带动电机绕绳轮19旋转，绕在电机绕绳轮19的绳子被松开，并在连接扭簧16的扭力作用下，折叠翼机构2逐渐展开，直至达到连接扭簧16的原始状态，折叠翼机构2展开完毕，电机绕绳轮19进一步带动小绕绳轮9旋转，使得外壳机构1上的一对异形扭簧5随之旋转，一对异形扭簧5的脚逐渐顶开一对壳体4，使外壳机构1完成展开；

外壳机构1的展开与折叠翼机构2的展开发生在电机18驱动电机绕绳轮19的状态下，由于只增加了一个电机来同时控制外壳机构与折叠翼机构的展开与收回，为了避免两个机构产生干涉，故分别控制两根绳的长度。由于连接外壳机构1的绳始终处于拉紧状态且电机绕绳轮19与小绕绳轮9的距离大于电机绕绳轮19与第五根碳纤维杆的距离，考虑到连接扭簧16自身的扭力，使连接折叠翼机构2的绳稍长于连接外壳机构1的绳，使外壳机构1先于折叠翼机构2展开并晚于折叠翼机构2收起。

当折叠翼机构2收起时，绳处于拉紧状态，连接扭簧16处在被扭状态。

一对小绕绳轮9与对应的轴杆6过盈配合，一对轴杆6与对应的轴承10过盈配合，一对异形扭簧5与对应的轴杆6过盈配合。

在实现微型扑翼飞行器的折叠翼机构协同外壳展收这一功能的同时，不大幅度的增加微型扑翼飞行器的重量，只增加一个电机18用于驱动外壳机构1与折叠翼机构2的展收。

现有的折叠翼机构驱动方式有形状记忆合金驱动，绳驱动以及压电陶瓷驱动。形状记忆聚合物,是指具有初始形状的制品在一定的条件下改变其初始条件并固定后，通过外界条件的刺激又可恢复其初始形状的高分子材料。压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应,压电陶瓷除具有压电性外,还具有介电性、弹性等。绳驱动技术是一种机械式的运动传递方式，具有结构简单、惯量小、稳定性高、可同时控制多个动作等优点。上述的驱动方式各有优缺点，在折叠翼的设计中，绳驱动以及形状记忆聚合物更适合于作为折叠翼的驱动源，其能够大大简化折叠翼机构的结构，为折叠翼的轻量化设计提供了可能。考虑到成本以及实现方式的复杂程度，选用绳驱动更适合搭载折叠翼机构的微型飞行器。其中折叠翼机构的展开功能采用将连接扭簧16嵌入关节处，靠连接扭簧16自身的角度展开折叠翼机构2，使用连接扭簧16可大大增加展开后折叠翼机构2的稳定性，保证折叠翼机构扑动后不会发生折叠。外壳机构的展收是将异形扭簧5与绳驱动相配合，使用异形扭簧5可提高功能实现的稳定性。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种微型扑翼飞行器的扑翼，其特征在于，包括外壳机构、折叠翼机构、驱动机构，其中，

所述外壳机构包括一对壳体，设置于连接底座上的一对小绕绳轮、与所述一对小绕绳轮分别同心设置的一对轴杆、一对轴承和一对分别绕在轴杆上的异形扭簧，与所述一对壳体铰接的光轴；所述连接底座过盈连接于微型扑翼飞行器上；

所述折叠翼机构由一对结构相同的折叠翼组成，所述折叠翼包括附在翼膜上的五根碳纤维杆、机体连接块、第一连接构件、第二连接构件；

所述第一连接构件由两个铰接旋转块和嵌入在两个铰接旋转块中的连接扭簧组成，所述连接扭簧由销钉穿过设置在两个铰接旋转块上的销钉孔进一步连接固定，一个铰接旋转块与销钉过盈配合，另一个铰接旋转块与销钉间隙配合，连接扭簧与销钉间隙配合，所述第二连接构件的结构与所述第一连接构件相同；

所述第一根碳纤维杆一端连接至微型扑翼飞行器的机架上部，另一端连接至微型扑翼飞行器的机架下部，所述折叠翼机构能够绕所述第一根碳纤维杆旋转，所述机体连接块的一端连接至微型扑翼飞行器、另一端连接第二根碳纤维杆，第二根碳纤维杆的另一端连接至所述第一连接构件的一端，所述第一连接构件的另一端连接所述第三根碳纤维杆的一端，所述第三根碳纤维杆的另一端连接至第二连接构件的一端，所述第二连接构件的另一端连接所述第四根碳纤维杆，所述第五根碳纤维杆与所述第二连接构件过盈连接；

所述驱动机构包括电机、电机绕绳轮、电机输出轴，所述电机输出轴与所述电机绕绳轮过盈配合，所述电机绕绳轮通过绳分别连接至所述外壳机构的所述一对小绕绳轮，绳始终处于拉紧状态；所述电机绕绳轮通过绳与所述折叠翼机构的所述第五根碳纤维杆的末端连接；

所述电机驱动所述电机输出轴带动电机绕绳轮旋转，绕在所述电机绕绳轮的绳子被松开，并在所述连接扭簧的扭力作用下，所述折叠翼机构逐渐展开，直至达到所述连接扭簧的原始状态，所述折叠翼机构展开完毕，电机绕绳轮进一步带动小绕绳轮旋转，使得所述外壳机构上的所述一对异形扭簧随之旋转，所述一对异形扭簧的脚逐渐顶开所述一对壳体，使所述外壳机构完成展开；

所述外壳机构的展开与所述折叠翼机构的展开发生在所述电机驱动电机绕绳轮的状态下，控制绳的长度能够使所述外壳机构先于所述折叠翼机构展开并晚于所述折叠翼机构收起；

当所述折叠翼机构收起时，绳处于拉紧状态，所述连接扭簧处在被扭状态。

2.根据权利要求1所述的一种微型扑翼飞行器的扑翼，其特征在于，所述一对小绕绳轮与对应的所述轴杆过盈配合，所述一对轴杆与对应的所述轴承过盈配合，所述一对异形扭簧与对应的所述轴杆过盈配合。