CN110525647A - 一种适用于微型四扑翼飞行器的传动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于微型四扑翼飞行器的传动机构，包括减速齿轮组、单曲柄‑单摇杆机构以及中段连接结构，其中的减速齿轮组包括机身底座，一个主轴齿轮，两双层齿轮和两个大齿轮，单曲柄‑单摇杆机构包括一个曲柄和一个摇杆；两套单曲柄‑单摇杆机构与一个减速齿轮组构成微型四扑翼飞行器一侧的传动机构，两侧的传动机构通过中段连接结构连接在一起并沿飞行器垂直中轴线对称共同构成飞行器的总传动机构。本发明通过使用两个双层齿轮增加大齿轮距飞行器水平中轴线的距离，增大摇杆运动过程中曲柄与摇杆间的夹角，改善机构传力特性，同时避免摇杆运动至上拍最大位置时由于惯性作用甩离该位置造成机构卡顿问题。

Description

一种适用于微型四扑翼飞行器的传动机构

技术领域

本发明涉及微型飞行器领域，具体来说是一种适用于微型四扑翼飞行器的传动机构。

背景技术

自20世纪90年代中期以来，随着传统飞行器设计技术的不断提高和微电子技术的不断成熟，微型飞行器(Micro-air-vehicle，简称MAV)被提出并快速发展。微型飞行器具有体积小、重量轻、机动性高等特征，其在侦察、通讯、勘探、协助救援等军事、民用领域均有广泛应用前景。21世纪以后，随着人们对昆虫等生物飞行高升力机理和飞行原理认识的不断深入，仿生学设计被越来越多的应用于微型飞行器领域，扑翼布局的微型飞行器逐渐被提出并获得快速发展。

模仿自然界中的蜂类及蝇类等生物，传统的微型扑翼飞行器通常包含两个扑翼，其通过传动机构同时驱动两个扑翼做周期性的往复拍动运动产生高升力平衡重力并产生控制所需的气动力矩实现机动飞行。传统的微型双扑翼飞行器升力产生和机动飞行都通过对仅有的两个翼运动的精确控制实现，此类飞行器大多存在升力低、控制方案复杂、控制舵效不足等问题。为解决以上问题，微型多扑翼飞行器的概念被提出，其中一类是微型四扑翼飞行器。微型四扑翼飞行器每两个扑翼为一对，两对扑翼位于水平面内前后布置，运动时两对扑翼由两套动力装置和传动机构进行独立拍动运动控制。飞行过程中，两对扑翼均能够独立地产生升力，气动面的增加带来了升力的提升，此外由于飞行器控制可以通过整体控制两对扑翼的位置实现，因而飞行器控制效率得到极大提升，控制实现难度也大大降低。

同大多数微型扑翼飞行器，当前可飞的微型四扑翼飞行器主要采用电机作为动力源，电机输出的高速旋转运动首先通过减速齿轮组进行减速，之后通过传动机构驱动翼实现拍动运动。为减少传动部件的重量，增加飞行器机构的集成化和微型化程度，降低飞行器的装配难度，多数微型四扑翼飞行器多采用单曲柄-单摇杆的传动机构形式来驱动每个翼。此类飞行器在减速组最外侧的齿轮上打偏心孔与曲柄一端相连，曲柄另一端与摇杆中部相连，摇杆一端铰接在底座上，摇杆另一端与扑翼前缘梁固连。此类传动机构实现了在减速组最外层齿轮中低速的圆周运动驱动，经曲柄及曲柄传动，驱动扑翼实现往复拍动。

空气动力学研究表明，微型扑翼飞行器为尽可能提升其翼升力，减小翼的惯性力做功，飞行器应尽可能采用大拍动幅度而尽可能降低拍动频率方案，因此传统微型双扑翼飞行器每个扑翼的拍动幅度通常设置为120°，微型四扑翼飞行器每个扑翼的拍动幅度通常取最大值90°。单翼90°拍动幅度的设计要求为传统采用单曲柄-单摇杆传动机构形式的微型四扑翼飞行器的实际应用带来了较大的问题，这主要表现以下两方面。第一方面的问题主要集中在翼拍动至上拍最大位置(即同侧的一对扑翼合拢在一起)时，此时同侧一对扑翼合拢，翼前缘梁大致与水平中轴线平行，翼拍动速度为0但拍动加速度最大。为保证飞行器的机构更加集成化、微型化，最外层的减速齿轮及摇杆旋转轴位置多靠近飞行器的水平中轴线(即两个电机的连线)，因此这类飞行器传动机构当翼拍动至上拍最大位置时，其曲柄与摇杆间夹角很小，曲柄的驱动力在摇杆运动方向上的投影较小，大的拍动加速度带来的高惯性力使得摇杆容易在惯性作用甩离上拍最大拍动位置，造成拍动机构瞬间卡死、机构运动停滞等后果，严重时还会憋坏电机，损坏飞控板。第二方面的问题集中在传动机构的传力特性方面。最外层减速组的安装位置及摇杆旋转轴位置多靠近飞行器的水平中轴线(即两个电机的连线)使得机构运动过程中，曲柄及摇杆之间的夹角较小，因此二者连接点的传动角较小，这对驱动翼实现高频拍动的电机输出功率提出了更高的扭矩要求，增加了电机的能量消耗，大大降低了飞行器的续航性能。

发明内容

为了解决单曲柄-单摇杆配合减速齿轮组的传动机构形式应用于微型四扑翼飞行器时摇杆容易在惯性作用下甩离上拍最大拍动位置造成机构卡顿以及飞行器机构传力特性较差两方面的问题，本发明提出一种适用于微型四扑翼飞行器的传动机构，该机构更改了减速齿轮组设计，增加一个双层齿轮增大减速齿轮组最外侧齿轮轴距飞行器水平中轴线的距离，从而使摇杆运动过程中曲柄与摇杆间夹角增加，达到改善机构传力特性，减小电机能量损耗，同时避免机翼拍动至上拍最大拍动位置(即同侧的一对扑翼合拢在一起)时摇杆及翼在惯性作用下甩离上拍最大拍动位置造成机构卡顿问题。

本发明的一种适用于微型四扑翼飞行器的传动机构，其中包括减速齿轮组、单曲柄-单摇杆机构以及中间连接机构。

所述减速齿轮组包括主轴齿轮、两个双层齿轮和两个大齿轮以及机身底座。主轴齿轮、双层齿轮a、双层齿轮b、大齿轮a和大齿轮b均采用塑料制作，机身底座采用光敏树脂经3D打印加工而成。主轴齿轮固定在空心杯电机输出轴上，双层齿轮和大齿轮安装在机身底座的齿轮固定轴上。主轴齿轮和一个双层齿轮下层齿在同一平面内啮合并垂直于机身底座，该双层齿轮下层齿与另一个双层齿轮下层齿在同一平面内啮合并垂直于机身底座，两者在飞行器水平中轴线两侧对称布置，主轴齿轮与两个双层齿轮下层齿构成齿轮组第一级减速；在此基础上，左侧双层齿轮上层齿与一个大齿轮在同一平面内啮合并垂直于机身底座，啮合位置位于该双层齿轮左侧，与之对称，右侧双层齿轮上层齿与另一个大齿轮在同一平面内啮合并垂直于机身底座，啮合位置位于该双层齿轮右侧，两个大齿轮沿飞行器水平中轴线对称，两个双层齿轮上层齿同与之啮合的两个大齿轮构成齿轮组第二级减速。减速齿轮组同侧双层齿轮与大齿轮中心轴连线与水平中轴线的夹角维持40°-60°。

所述单曲柄-单摇杆机构用于驱动单翼的运动，在微型四扑翼飞行器中采用两套单曲柄-单摇杆机构分别同步驱动同侧的两个翼，两套机构关于飞行器纵轴线对称。两个曲柄一端分别与所在一侧的减速齿轮组最外侧齿轮(即大齿轮)上的偏心孔相连，另一端分别与两个摇杆内孔铰接；两个摇杆一端与扑翼前缘梁固连，另一端铰接在减速齿轮组机身底座上，整个摇杆驱动翼绕该铰接点实现90°的拍动幅度，以尽可能的增加翼升力，减小翼惯性力。所述单曲柄-单摇杆机构曲柄、摇杆和机身底座均采用光敏树脂制作。在微型四扑翼飞行器中，两套单曲柄-单摇杆机构与一个减速齿轮组构成一侧的传动机构，驱动一侧的一对扑翼。

所述中间连接机构将驱动两对翼的传动机构进行连接，使两侧的传动机构沿飞行器垂直中轴线对称连接在一起构成飞行器的总传动机构。

本发明一种适用于微型四扑翼飞行器的传动机构改善机构传力特性，避免机翼拍动至上拍最大拍动位置(即同侧的一对扑翼合拢在一起)时摇杆及翼在惯性作用下甩离上拍最大拍动位置造成机构卡顿问题的基本原理是：在减速齿轮组中引入大齿轮的设计，并使减速齿轮组同侧双层齿轮与大齿轮中心轴连线与水平中轴线的夹角维持40°-60°，实现增加减速齿轮组最外侧齿轮轴距飞行器水平中轴线的距离，微型四扑翼传动机构曲柄与摇杆间的夹角增大，曲柄的驱动力与摇杆运动方向间的夹角减小，使得翼拍动至上拍最大位置时，曲柄上大部分作用力可以克服摇杆惯性力，使惯性力驱动的外甩现象缓解，同时也使得拍动运动其他阶段机构传动角增加，机构传动性能优化，电机的能量消耗减小，飞行器的续航性能改善。

本发明的优点在于：

(1)一种适用于微型四扑翼飞行器的传动机构设计，通过增加大齿轮，增大减速齿轮组最外侧齿轮轴距飞行器水平中轴线的距离，使摇杆运动过程中曲柄与摇杆间夹角增加，改善了机构传力特性，减小了电机能量损耗。

(2)一种适用于微型四扑翼飞行器的传动机构设计，通过增加大齿轮，增大减速齿轮组最外侧齿轮轴距飞行器水平中轴线的距离，避免机翼拍动至上拍最大拍动位置(即同侧的一对扑翼合拢在一起)时摇杆及翼在惯性作用下甩离上拍最大拍动位置造成机构卡顿问题。

附图说明

图1是本发明一种适用于微型四扑翼飞行器的传动机构整体方案示意图；

图2是本发明一种适用于微型四扑翼飞行器的传动机构减速齿轮组示意图；

图3是本发明一种适用于微型四扑翼飞行器的传动机构单曲柄-单摇杆机构示意图；

图4是本发明一种适用于微型四扑翼飞行器的传动机构中段连接结构示意图；

图5是传统微型四扑翼飞行器传动机构运行至上拍最大位置处的示意图；

图6是本发明一种适用于微型四扑翼飞行器的传动机构运行至上拍最大位置处的示意图。

图中：

1-减速齿轮组 2-单曲柄-单摇杆机构 3-中段连接结构

101-主轴齿轮 102-双层齿轮a 103-双层齿轮b 104-大齿轮a

105-大齿轮b 106-摇杆a安装孔 107-摇杆b安装孔 108-舵机安装孔

109-底座安装孔 110-机身底座 201-曲柄a 202-曲柄b

203-摇杆a 204-摇杆b 301-机身底座定位孔a 302-机身底座定位孔b

303-舵机定位孔

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明一种适用于微型四扑翼飞行器的传动机构，包括减速齿轮组1、单曲柄-单摇杆机构2及中段连接结构3。

如图2所示，所述减速齿轮组1由主轴齿轮101、双层齿轮a102、双层齿轮b103、大齿轮a104、大齿轮b105、和机身底座110组成。主轴齿轮101、双层齿轮a102、双层齿轮b103、大齿轮a104和大齿轮b105均采用塑料制作，机身底座110采用光敏树脂经3D打印加工而成，其上预留摇杆a安装孔106、摇杆b安装孔107、舵机安装孔108。主轴齿轮101固定在空心杯电机的输出轴上，空心杯电机固定在机身底座110对应安装孔位中。双层齿轮a102、双层齿轮b103、大齿轮a104和大齿轮b105均安装于机身底座110齿轮定位孔中。主轴齿轮101和双层齿轮a102下层齿在同一平面内啮合并垂直于底座，双层齿轮a102下层齿和双层齿轮b103下层齿在同一平面内啮合并垂直于机身底座110，两者在飞行器水平中轴线(飞机器两电机连线)两侧对称布置，主轴齿轮101、双层齿轮a102下层齿和双层齿轮b103下层齿共同构成减速齿轮组第一级减速；在此基础上，左侧双层齿轮a102上层齿和大齿轮a104在同一平面内啮合并垂直于机身底座110，啮合位置位于该双层齿轮左侧，与之对称，右侧双层齿轮b103上层齿和大齿轮b105在同一平面内啮合并垂直于机身底座110，啮合位置位于该双层齿轮右侧，两个大齿轮沿飞行器水平中轴线对称，双层齿轮a102上层齿与大齿轮a104、双层齿轮b103上层齿与大齿轮b105共同构成减速齿轮组第二级减速。

如图3所示，所述单曲柄-单摇杆机构2用于驱动单翼的运动，在微型四扑翼飞行器中采用两套单曲柄-单摇杆机构分别同步驱动同侧的两个翼，两套机构关于飞行器水平中轴线对称，分别由曲柄a201、摇杆a203和曲柄b202、摇杆b204组成。如图1所示，曲柄a201一端与所在一侧的减速齿轮组最外侧齿轮(即大齿轮a104)上的偏心孔相连，另一端与摇杆a203内孔铰接；摇杆a203一端铰接在减速齿轮组机身底座110的安装孔106上，一端与扑翼前缘梁固连。与之对称，曲柄b202一端与所在一侧的减速齿轮组最外侧齿轮(即大齿轮b105)上的偏心孔相连，另一端与摇杆b204内孔铰接；摇杆b204一端铰接在减速齿轮组机身底座110的安装孔107上，另一端与扑翼前缘梁固连。所述摇杆a203和b204在运动过程中可以驱动翼实现90°的拍动幅度，以尽可能的增加翼升力，减小翼惯性力。在微型四扑翼飞行器中，单曲柄-单摇杆机构2与一个减速齿轮组1构成一侧的传动机构，两侧的传动机构通过一个中段连接结构3连接在一起共同构成飞行器的总传动机构。

如图4所示，所述中段连接结构3为微型四扑翼飞行器两侧传动机构的安装部件。两侧传动机构2的底座安装孔109分别安装在底座定位孔a301或底座定位孔b302上。

下面结合传统微型四扑翼飞行器传动机构和本发明一种适用于微型四扑翼飞行器的传动机构运行至上拍最大位置处的受力情况说明本发明改善机构传力特性，避免机翼拍动至上拍最大拍动位置(即同侧的一对扑翼合拢在一起)时摇杆及翼在惯性作用下甩离上拍最大拍动位置造成机构卡顿问题的基本原理。

如图5所示，传统微型四扑翼飞行器传动机构中减速齿轮组通常只有主轴齿轮101、一个双层齿轮a102、两个大齿轮a104和b103。双层齿轮a102驱动大齿轮a104和大齿轮b103，三个齿轮轴均靠近水平中轴线，此类飞行器当摇杆a202拍动至上拍最大位置时，摇杆a202此时的惯性力是一个拍动周期中最大的，在惯性力作用下摇杆a202将甩离上拍最大拍动位置，由于曲柄a201与摇杆a203间的夹角较小，即曲柄a201作用在摇杆a203垂直方向上的驱动力较小，此时惯性力对于摇杆a203的运动起主要作用，因此摇杆a203易甩离极限位置造成机构卡顿。同时，在其他拍动运动时刻，摇杆a203与曲柄a201之间的夹角较小也使得机构的传动角较小，传力特性较差。

如图6所示，本发明中又引入一个双层齿轮b105，即减速齿轮组由主轴齿轮101，双层齿轮a102、双层齿轮b103、大齿轮a104和大齿轮b105构成。双层齿轮b103的引入后大齿轮a104轴与双层齿轮a102轴连线、大齿轮b105轴与双层齿轮b103轴连线与飞行器水平中轴线(飞机器两电机连线)的夹角为40°-60°，因此大齿轮a104、大齿轮b105两个减速齿轮组最外侧齿轮轴距飞行器水平中轴线的距离增加。本发明引入双层齿轮b103后，曲柄a201与摇杆a203间的夹角显著增大，使得曲柄a201作用在摇杆a203垂直方向上的驱动力更大，因此惯性力会在摇杆a203显著偏离极限位置前更快的被平衡掉，实现摇杆a203反向运动，这极大的避免了该时刻机构卡顿的问题。此外，本发明引入双层齿轮b103后，一个拍动周期其它时刻曲柄a201与摇杆a203间的夹角也显著增大，即机构传动角增大，这也将极大改善机构的传力特性，减小电机的能量消耗减小，大大增加飞行器的续航性能。

Claims (6)

1.一种适用于微型四扑翼飞行器的传动机构，其特征在于，包括减速齿轮组、单曲柄-单摇杆机构以及中段连接结构；

所述减速齿轮组包括机身底座、一个主轴齿轮、两个双层齿轮和两个大齿轮，双层齿轮、大齿轮和摇杆均安装在机身底座上；主轴齿轮安装在电机输出轴上，主轴齿轮与一个双层齿轮下层齿啮合，同时该双层齿轮与另一双层齿轮下层齿互相啮合，构成减速齿轮组第一级减速，两个双层齿轮上层齿分别啮合两个大齿轮，构成减速齿轮组第二级减速；两个双层齿轮与两个大齿轮均沿飞行器水平中轴线对称；

所述单曲柄-单摇杆机构包括一个曲柄和一个摇杆，曲柄一端与大齿轮上偏心孔铰接，另一端分别与摇杆内孔铰接；摇杆一端铰接在减速齿轮组机身底座上，另一端与扑翼前缘梁固连；两套单曲柄-单摇杆机构与一个减速齿轮组构成微型四扑翼飞行器一侧的传动机构，驱动一侧的一对翼往复拍动；

所述中段连接结构将两侧的传动机构连接在一起形成沿飞行器垂直中轴线对称的微型四扑翼飞行器的总传动机构。

2.如权利要求1所述的适用于微型四扑翼飞行器的传动机构，其特征在于，所述减速齿轮组相互啮合的双层齿轮与大齿轮轴连线与飞行器两电机连线，即水平中轴线，之间的夹角为40°-60°。

3.如权利要求1所述的适用于微型四扑翼飞行器的传动机构，其特征在于，所述机身底座采用光敏树脂材料，通过3D打印整体成型加工；其上有两个摇杆安装孔、两个双层齿轮安装孔、两个大齿轮安装孔、一个电机安装孔、一个舵机臂安装孔和一个底座安装孔；除电机安装孔外所有结构沿水平中轴线左右对称。

4.如权利要求1所述的适用于微型四扑翼飞行器的传动机构，其特征在于，所述曲柄采用光敏树脂材料，通过3D打印整体成型。

5.如权利要求1所述的适用于微型四扑翼飞行器的传动机构，其特征在于，所述摇杆采用光敏树脂材料，通过3D打印整体成型，运动过程中其带动翼往复拍动，拍动幅度为90°。

6.如权利要求1所述的中段连接结构采用光敏树脂材料，通过3D打印整体成型，其上存在两个机身底座定位孔用于安装微型四扑翼飞行器两侧传动机构。