CN110550204B - 一种可快捷更换动力的扑翼机构及动力更换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可快捷更换动力的扑翼机构及动力更换方法。该扑翼机构包含传动底座、传动机构、动力装置、动力装置底座及扑翼。本发明将传动底座与动力装置底座分离设计，铆接在传动底座上的、安装孔位固定的动力装置底座可快速拆卸，以此实现了飞行器动力装置的快捷更换。本发明一种可快捷更换动力的扑翼机构其动力更换方法，针对不同任务载荷需求的动力装置，提出了动力装置快速更换的流程，并在此过程中通过调整传动系统减速比和扑翼结构，实现了动力装置高效工作状态与翼高气动效率产生状态的匹配。

Description

一种可快捷更换动力的扑翼机构及动力更换方法

技术领域

本发明涉及微型飞行器领域，具体来说是一种可快捷更换动力的扑翼机构及动力更换方法。

背景技术

自上世纪九十年代以来，随着传统飞行器设计技术的不断提高，微电子技术的飞速发展，导致微型飞行器设计领域发展越来越迅速，在国家安全和国民经济建设等方面具有广泛的应用前景。一方面，微型飞行器体积很小，重量很轻，容易隐蔽，便于携带，能够进入狭小空间执行任务；另一方面，微型飞行器成本较低，批量生产后可以大量使用，代替人员和昂贵设备进入危险环境进行规模作业，因此微型飞行器未来将被广泛应用于复杂环境条件下的侦察、通讯、勘探和协助救援等任务。

微型飞行器尺寸小、飞行速度低，飞行受周围流体的粘性作用强，固定翼微型飞行器和旋翼微型飞行器气动效率较低、机动性较差、微型化较为困难。相比之下，仿造自然界中昆虫飞行提出的扑翼微型飞行器仍能保持较高的气动效率，相比固定翼与旋翼微型飞行飞行器在微型化和仿生方面具有巨大优势，是未来发展微型飞行器的重要方向。

目前扑翼微型飞行器的发展仍面临诸多难点。为满足微型飞行器质量轻，尺寸小等要求，目前公开的扑翼微型飞行器大多采用整体3D打印加工成型的底座，该底座上也只能固定安装特定型号和尺寸的飞行器动力装置(电机)。在实际应用过程中，扑翼微型飞行器在执行不同任务时，往往有不同的载荷与续航需求，如在执行侦察任务时，需要飞行器长时间定点侦察，此时传感器负载需求较低，而续航需求较大，飞行器适宜使用额定功率较小的动力源配以较大容量电池；而在执行爆破、运输等任务时，负载需求较大，续航要求较小，此时需要较大额定功率的动力源，以产生更高的升力携带大负载飞行。过去设计的扑翼微型飞行器底座只能安装固定型号的动力源，难以满足上述多任务作业的需求，一方面如果直接在底座上进行动力源更换会使传动机构与动力源之间不匹配，传动机构将使更换后的动力源只能在低效率的状态下工作，另一方面如果针对不同的动力需求设计不同的扑翼微型飞行器又会造成飞行器功能单一、型号复杂、通用性不强等诸多问题。

发明内容

本发明针对现有扑翼微型飞行器整体设计的底座只能安装特定型号的动力源使得该飞行器单一动力源难以满足不同负载飞行任务，现有飞行器底座即使更换动力源也无法实现动力源高效率工作的问题，提出了一种可快速更换动力的扑翼机构及相应的动力更换方法。

本发明一种可快捷更换动力的扑翼机构包括传动底座、传动机构、动力装置、动力装置底座及扑翼。

所述传动底座为空间立体结构，采用树脂材料经3D打印而成，其从功能上可划分为两层，底层为齿轮减速组及动力装置底座安装层，动力装置底座三个安装孔位于传动底座的下部，动力装置底座通过安装孔固定在传动底座下表面，通过空间结构优化，动力装置底座不被传动机构等部件干涉，可实现快速拆卸。顶层为传动机构安装层，包含有左连杆、左摇臂、右连杆、右摇臂的固定孔位以及一段挖空的滑槽。所述滑槽用于约束曲柄与左连杆、右连杆相铰接的一端，使其保持直线往复运动。

所述传动机构包括齿轮减速组、曲柄、传动放大装置，其中齿轮减速组包括主轴齿轮、双层齿轮和单层齿轮。主轴齿轮安装于动力装置的输出轴上，双层齿轮安装于传动底座的预定孔位中，双层齿轮中齿数多的一层与主轴齿轮啮合，齿数少的一层与固定于传动底座孔位中的单层齿轮啮合。单层齿轮通过其上的偏心孔与曲柄一端由铆钉相连，曲柄的另一端通过铆钉与传动放大装置的左连杆、右连杆一端同轴连接，曲柄、左连杆、右连杆同轴连接点在单层齿轮带动下在传动底座的水平滑槽内往复滑动，带动传动放大装置驱动翼反复拍动。传动放大装置包括左连杆、左小连杆、左摇臂、右连杆、右小连杆、右摇臂。左连杆经其中间安装孔与传动底座对应的安装孔经铆钉连接，左连杆绕该铆接点转动，左连杆的另外一端与左小连杆的一端连接，左小连杆的另外一端与左摇臂中间的孔位通过铆钉连接，左摇臂经一侧的安装孔位通过铆钉与传动底座铆接，摇臂绕该点转动。左摇臂的另一端与左扑翼前缘梁固定，驱动翼往复拍动。右连杆经其中间安装孔与传动底座对应的安装孔经铆钉连接，右连杆绕该铆接点转动，右连杆的另外一端与右小连杆的一端连接，右小连杆的另外一端与右摇臂中间的孔位通过铆钉连接，右摇臂经一侧的安装孔位通过铆钉与传动底座铆接，摇臂绕该点转动。右摇臂的另一端与右扑翼前缘梁固定，驱动翼往复拍动。传动放大装置一方面将水平面内曲柄的小幅直线反复振荡运动转化为翼的拍动运动，另一方面将运动位移进行放大，本发明中为保证扑翼具有较高的气动效率，并减小翼的惯性载荷，翼的拍动幅度大于120°。

所述动力装置为扑翼微型飞行器的动力源，主要形式为空心杯电机或无刷电机，其为飞行器提供驱动力矩，实现扑翼的中低频(35-40Hz左右)往复运动。动力装置根据飞行器在不同任务条件下的负载需求进行选择匹配和更换。

所述动力装置底座为动力装置的安装底座，是一个可快速拆卸部件，采用树脂材料经3D打印而成。底座上有三个安装孔位与传动机构底座通过铆钉连接。不同型号的动力装置其对应的动力装置底座尺寸有所差别，但动力装置底座的预留安装孔位一致。

所述扑翼由左右两个翼组成，每个扑翼包括翼膜、主梁和张紧梁和两根辅梁，其中翼膜呈仿生扑翼形状，下部为圆弧形。翼膜的前缘与主梁粘接，翼膜的侧缘与张紧梁粘接，两根辅梁分别粘接在翼膜上，并与主梁呈10°、60°夹角；主梁的一端与传动机构的摇臂连接。所述扑翼在安装过程中，翼膜预留一定的面积，安装后翼膜呈较松状态，当翼拍动时，主梁随着摇臂拍动，辅梁受惯性力主要作用下变形，翼膜随辅梁变形呈现一定弧度，与翼膜前进方向形成一定的夹角，即翼膜攻角。当翼膜变形过大时，其变形将受张紧梁的限制，从而使翼膜攻角能够维持在有利于气动力高效产生的范围，通过调节翼膜侧缘粘接在张紧梁上的范围实现对扑翼上下拍中间时刻(气动升力最主要的产生阶段)攻角大小的控制，所述扑翼在上下拍中间时刻翼展向面积二阶矩位置处的攻角维持在25°-40°，以保证该扑翼能够高效产生升力。

所述一种可快捷更换动力的扑翼机构其动力更换方法如下：

(1)将动力装置底座与传动底座相连接的三根铆钉拆卸，根据任务载荷要求选择不同型号的动力装置，并将其安装在动力装置底座上，不同型号动力装置底座尽管几何尺寸有所区别，但安装孔位一致，能通过三根铆钉再次与传动底座相连接。

(2)拆卸双层齿轮的安装铆钉，依据所使用的动力装置输出扭矩特性和额定工作状态，结合扑翼升力产生的拍动频率设计要求，设计齿轮减速组的减速比，据此选取与之匹配的双层齿轮进行减速比调节，保证更换后的动力装置仍能工作在高效率状态。之后将新的双层齿轮通过铆钉安装在对应的预留安装孔里。

(3)将主轴齿轮安装在动力装置的输出轴上，将动力装置安装在动力装置底座中，之后将动力装置安装在传动底座的对应位置。

(4)更改动力装置后扑翼的拍动频率会有变化，会改变翼的惯性力影响翼的变形，进而改变翼的攻角大小。因此更换动力装置后，调整扑翼翼膜粘接在张紧梁上的范围，调整翼膜的松紧程度，保证扑翼在上下拍过程中翼展向面积二阶矩位置处的攻角维持在25°-40°，以维持高气动效率。

本发明的优点在于：

(1)一种可快捷更换动力的扑翼机构，通过动力装置底座与传动底座分层设计，不改变飞行器现有结构的条件下对动力源的快速更换、安装。

(2)一种可快捷更换动力的扑翼机构其动力更换方法，在快速更换动力源的同时通过更换不同齿轮减速组实现传动机构减速比的改变，从而保障动力源能始终处于较高效率下工作，进一步提升了不同任务下负载作业的续航能力。

(3)一种可快捷更换动力的扑翼机构，通过动力装置底座与传动底座分层设计的方法，使得动力装置与传动机构分离，并通过空间孔位的设计，使得动力装置底座可通过三根铆钉的拆装实现快速更换，采用空间分层的机构布局，使得安装铆钉都处于外部可直接达到的状态，便于拆装维修。

附图说明

图1是本发明一种可快捷更换动力的扑翼机构的整体示意图；

图2是本发明一种可快捷更换动力的扑翼机构的传动底座示意图；

图3是本发明一种可快捷更换动力的扑翼机构的传动机构示意图；

图4是本发明一种可快捷更换动力的扑翼机构的动力装置底座示意图；

图5是本发明一种可快捷更换动力的扑翼机构的扑翼示意图；

图中：

1-传动底座 2-传动机构 3-动力装置底座

4-动力装置 5-扑翼

101-左摇臂安装孔 102-左张紧梁安装孔 103-左连杆安装孔

104-动力装置底座安装孔一 105-右连杆安装孔 105-右连杆安装孔

106-右张紧梁安装孔 107-右摇臂安装孔 108-动力装置底座安装孔二

109-双层齿轮安装孔一 110-滑槽 111-单层齿轮安装孔

112-双层齿轮安装孔二 113-双层齿轮安装孔三 114-动力装置底座安装孔三

201-左摇臂 202-左小连杆 203-左连杆

204-曲柄 205-右连杆 206-右小连杆

207-右摇臂 208-主轴齿轮 209-单层齿轮

210-双层齿轮 401-传动底座配合孔一 402-传动底座配合孔二

403-动力装置安装孔 404-传动底座配合孔三 501-主梁

502-辅梁二 503-辅梁二 504-张紧梁

505-翼膜

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。

一种可快捷更换动力的扑翼机构，如图1所示，包括传动底座1、传动机构2、动力装置3、动力装置底座4及扑翼5。

如图2所示，所述传动底座1为空间立体结构，采用树脂材料经3D打印而成。从功能上可划分为两层，底层为齿轮减速组及动力装置底座4安装层，传动底座1上在垂直方向分别有双层齿轮210、单层齿轮209以及动力装置底座4的三个安装孔位，其中动力装置底座4安装孔位一104、动力装置底座安装孔位二108、动力装置底座安装孔位三114位于传动底座的下部，动力装置底座4通过安装孔固定在传动底座1的下方，通过空间结构优化，使得其不被传动机构2等部件遮挡，可实现快速拆卸。顶层为传动机构2安装层，包含有左连杆203、左摇臂201、右连杆205、右摇臂207的固定孔位以及滑槽110。所述滑槽110用于限制曲柄204与左连杆203、右连杆205的共轴一端保持直线往复运动。

如图3所示，所述传动机构2包括齿轮减速组、曲柄204、传动放大装置；其中齿轮减速组包括主轴齿轮208、双层齿轮210和单层齿轮209。主轴齿轮208安装于动力装置3的输出轴上，双层齿轮210安装于传动底座的预定孔位109中，双层齿轮210中齿数多的一层与主轴齿轮208啮合，齿数少的一层与固定于传动底座固定孔位111中的单层齿轮209啮合。单层齿轮209通过其上的偏心孔与曲柄204由铆钉相连，曲柄204的另一端通过铆钉与传动放大装置的左连杆203、右连杆205同轴连接，曲柄204、左连杆203、右连杆205同轴连接点在单层齿轮209带动下在传动底座的水平滑槽110内往复滑动，进而带动传动放大装置驱动一对扑翼5反复拍动。传动放大装置包括左连杆203、左小连杆202、左摇臂201、右连杆205、右小连杆206和右摇臂207。左连杆203经其中间安装孔与传动底座1对应的安装孔103经铆钉连接，左连杆203绕该铆接点转动，左连杆203的另外一端与左小连杆202的一端连接，左小连杆202的另外一端与左摇臂201中间的孔位通过铆钉连接，左摇臂201经一侧的安装孔位通过铆钉与传动底座的预定安装孔101铆接，摇臂绕该点转动。左摇臂201的另一端与左扑翼主梁501固定，驱动翼往复拍动。右连杆205经其中间安装孔与传动底座1对应的安装孔105经铆钉连接，右连杆205绕该铆接点转动，右连杆205的另外一端与右小连杆206的一端连接，右小连杆206的另外一端与右摇臂207中间的孔位通过铆钉连接，右摇臂207经一侧的安装孔位通过铆钉与传动底座1预定的安装孔位107铆接，摇臂绕该点转动。右摇臂207的另一端与右扑翼主梁501固定，驱动翼往复拍动。传动放大装置一方面将水平面内曲柄204的小幅直线反复振荡运动转化为扑翼5的拍动运动，另一方面将运动位移进行放大，本发明中为保证扑翼5具有较高的气动效率，并减小翼的惯性载荷，翼的拍动幅度均大于120°。

所述动力装置3为扑翼微型飞行器的动力源，主要形式为空心杯电机或无刷电机，其为飞行器提供驱动力矩，实现扑翼的中低频(35-40Hz左右)往复运动。动力源根据飞行器在不同任务条件下的负载需求进行匹配、更换。

如图4所示，所述动力装置底座4为动力装置3的安装底座，是一个可快速拆卸部件。底座上有三个安装孔位传动底座配合孔一401、传动底座配合孔二402、传动底座配合孔三404与传动底座1通过铆钉连接，另外设有动力装置安装孔403，动力装置4采用过盈配合安装于动力装置安装孔403中。

如图5所示，所述扑翼5由左右两个翼组成；每个翼包括主梁501、辅梁一502、辅梁二503、张紧梁504和翼膜505。翼膜505呈仿生扑翼形状，下部为一个圆弧形。翼膜505的前缘与主梁501粘接，翼膜505的侧缘与张紧梁504粘接，两根辅梁502和503分别粘接在翼膜505上，并与主梁501呈10°、60°夹角；主梁501的一端分别与传动机构的左摇臂201、右摇臂207连接。所述扑翼5在安装过程中，翼膜505预留一定的面积，安装后翼膜505呈较松状态，当翼拍动时，主梁501随着左摇臂201及右摇臂207拍动，辅梁502和503受惯性力主要作用下变形，翼膜505随辅梁变形呈现一定弧度，与翼膜505前进方向形成一定的夹角，即翼膜攻角。当翼膜505变形过大时，其变形将受张紧梁504的限制，从而使翼膜攻角能够维持在有利于气动力高效产生的范围，本发明通过调节翼膜侧缘粘接在张紧梁上的范围实现对扑翼上下拍中间时刻(气动升力最主要的产生阶段)攻角大小的控制，所述扑翼5在上下拍中间时刻翼展向面积二阶矩位置处的攻角维持在25°-40°，以保证翼能够高效产生升力。

所述一种可快捷更换动力的扑翼机构其动力更换方法如下：

(1)将动力装置底座3与传动底座1相连接的三根铆钉拆卸，根据任务载荷要求选择不同型号的动力装置4及对应动力装置底座3，不同型号动力装置底座3尽管几何尺寸有所区别，但安装孔位一致，能通过三根铆钉再次与传动底座1相连接。

(2)拆卸双层齿轮210的安装铆钉，依据所使用的动力装置4输出扭矩特性和额定工作状态，结合扑翼5升力产生的拍动频率设计要求，设计齿轮减速组的减速比，据此选取与之匹配的双层齿轮210进行减速比调节，保证更换后的动力装置3仍能工作在高效率状态。之后将新的双层齿轮210通过铆钉安装在传动底座1对应的预留安装孔里。

(3)将主轴齿轮208安装在动力装置4的输出轴上，将动力装置4安装在动力装置底座3中，之后将动力装置4安装在传动底座1的对应位置。

(4)更改动力装置4后扑翼5的拍动频率会有变化，会改变翼的惯性力影响翼的变形，进而改变翼的攻角大小。因此更换动力装置4后，调整扑翼翼膜505粘接在张紧梁504上的范围，调整翼膜505的松紧程度，保证扑翼5在上下拍过程中翼展向面积二阶矩位置处的攻角维持在25°-40°，以维持高气动效率。

Claims (7)

1.一种可快捷更换动力的扑翼机构，其特征在于，包括传动底座、传动机构、动力装置、动力装置底座及扑翼；

所述传动底座为空间立体结构，分为上下两层，底层为齿轮减速组及动力装置底座安装层，上层为传动机构安装层；所述传动底座底层预留有双层齿轮、单层齿轮以及动力装置底座的安装孔位，其中单层齿轮的安装孔位位于传动机构的中轴线上，双层齿轮的三个预留安装孔位沿传动机构的中轴线两侧分布，用于更换不同的双层齿轮，动力装置底座的安装孔位沿动力装置中轴线均匀排布；

所述传动机构包括齿轮减速组、曲柄、传动放大装置，实现将动力装置输出的高速圆周运动进行减速，经曲柄转化为直线往复运动，经传动放大装置转化为翼往复拍动运动；

所述动力装置底座为动力装置的安装底座，是可快速拆卸部件，动力装置底座上打有三个安装孔位，据此与传动底座通过铆钉连接，不同型号的动力装置所对应的动力装置底座上的安装孔位一致；

所述动力装置主要形式为空心杯电机或无刷电机，为飞行器提供驱动力矩，实现扑翼的往复运动，动力装置根据飞行器在不同任务条件下的负载需求进行选择匹配和更换；

所述扑翼由左右两个翼组成，每个扑翼包括翼膜、主梁和张紧梁和两根辅梁，其中翼膜呈仿生扑翼形状，下部为圆弧形；翼膜的前缘与主梁粘接，翼膜的侧缘与张紧梁粘接，两根辅梁分别粘接在翼膜上，并与主梁呈10°、60°夹角；主梁的一端与传动机构的摇臂连接，实现往复拍动。

2.如权利要求1所述的可快捷更换动力的扑翼机构，其特征在于，所述传动底座上层为传动机构安装层，包含有左连杆、左摇臂、右连杆、右摇臂的固定孔位以及一段挖空的滑槽，其中左连杆、左摇臂、右连杆、右摇臂的固定孔位沿传动底座中轴线对称排布，滑槽位于传动底座中轴线上，用于约束曲柄、左连杆及右连杆共轴一端保持直线往复运动。

3.如权利要求1所述的可快捷更换动力的扑翼机构，其特征在于，所述传动机构的齿轮减速组包括主轴齿轮、双层齿轮和单层齿轮，其传动放大装置包括左连杆、左小连杆、左摇臂、右连杆、右小连杆、右摇臂；主轴齿轮安装于动力装置的输出轴上，双层齿轮与单层齿轮安装于传动底座的预定孔位中，并相互啮合；单层齿轮通过其上的偏心孔与四连杆装置的曲柄由铆钉相连，曲柄的另一端通过铆钉与传动放大装置的左连杆、右连杆同轴连接，曲柄、左连杆、右连杆同轴连接点在单层齿轮带动下在传动底座的水平滑槽内往复滑动，左连杆经其中间安装孔与传动底座对应的安装孔经铆钉连接，左连杆绕铆接点转动，左连杆的另外一端与左小连杆的一端连接，左小连杆的另外一端与左摇臂中间的孔位通过铆钉连接，左摇臂经一侧的安装孔位通过铆钉与传动底座铆接，摇臂绕该点转动，左摇臂的另一端与左扑翼前缘梁固定，驱动左扑翼往复拍动；右连杆经其中间安装孔与传动底座对应的安装孔经铆钉连接，右连杆绕该铆接点转动，右连杆的另外一端与右小连杆的一端连接，右小连杆的另外一端与右摇臂中间的孔位通过铆钉连接，右摇臂经一侧的安装孔位通过铆钉与传动底座铆接，摇臂绕该点转动，右摇臂的另一端与右扑翼前缘梁固定，驱动右扑翼往复拍动。

4.如权利要求1所述的可快捷更换动力的扑翼机构，其特征在于，所述传动底座及动力装置底座采用树脂材料经3D打印整体成型。

5.如权利要求1所述的可快捷更换动力的扑翼机构，其特征在于，所述扑翼安装时，翼膜预留一定的面积，安装后翼膜呈较松状态，当扑翼拍动时，主梁随着摇臂拍动，辅梁受惯性力主要作用下变形，翼膜随辅梁变形呈现一定弧度，与翼膜前进方向形成一定的夹角，即翼膜攻角；当翼膜变形过大时，其变形将受张紧梁的限制，从而使翼膜攻角能够维持在有利于气动力高效产生的范围，通过调节翼膜侧缘粘接在张紧梁上的范围实现对扑翼上下拍中间时刻攻角大小的控制。

6.如权利要求5所述的可快捷更换动力的扑翼机构，其特征在于，所述扑翼其上下拍中间时刻翼展向面积二阶矩位置处的攻角维持在25°-40°，以保证该扑翼能够高效产生升力；其主梁拍动幅度大于120°。

7.采用权利要求1-6任一项所述的可快捷更换动力的扑翼机构的动力更换方法为：

(1)将动力装置底座与传动底座相连接的三根铆钉拆卸，根据任务载荷要求选择不同型号的动力装置，并将其安装在动力装置底座上，不同型号动力装置底座尽管几何尺寸有所区别，但安装孔位一致，能通过三根铆钉再次与传动底座相连接；

(2)拆卸双层齿轮的安装铆钉，依据所使用的动力装置输出扭矩特性和额定工作状态，结合扑翼升力产生的拍动频率设计要求，设计齿轮减速组的减速比，据此选取与之匹配的双层齿轮进行减速比调节，保证更换后的动力装置仍能工作在高效率状态；之后将新的双层齿轮通过铆钉安装在对应的预留安装孔里；

(3)将主轴齿轮安装在动力装置的输出轴上，将动力装置安装在动力装置底座中，之后将动力装置安装在传动底座的对应位置；

(4)更改动力装置后扑翼的拍动频率会有变化，会改变翼的惯性力影响翼的变形，进而改变翼的攻角大小；因此更换动力装置后，调整扑翼翼膜粘接在张紧梁上的范围，调整翼膜的松紧程度，保证扑翼在上下拍过程中翼展向面积二阶矩位置处的攻角维持在25°-40°，以维持高气动效率。

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