CN111452965A - 一种对扑式可悬停扑翼结构及飞行器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种四翼对扑式可悬停扑翼结构及飞行器，属于飞行器技术领域，该可悬停扑翼结构以及飞行器包括至少两组结构相同，且纵向排列的变向齿轮模块和机翼模块；每组变向齿轮模块包括不完全齿轮、外齿轮以及内齿轮；外齿轮与内齿轮啮合；不完全齿轮在自转一周的过程中在一角度范围内与外齿轮啮合，在另一角度范围内与内齿轮啮合；相邻的两组变向齿轮模块同轴心安装，且其中一组以轴心为圆心旋转180度；内齿轮上连接两组间隔180度的机翼模块；所述机翼模块包括垂直于内齿轮的外圆周面的翼板；所述翼板在内齿轮的转动下做扇形拍动。相对于传统的扑翼结构中机翼模块上下拍打，能产生连续的正升力和实现飞行器可悬停效果。

Description

一种对扑式可悬停扑翼结构及飞行器

技术领域

本公开属于飞行器技术领域，具体是涉及一种对扑式可悬停扑翼结构及飞行器。

背景技术

这里的陈述仅提供与本公开相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

扑翼飞行器，是指模仿鸟类和昆虫飞行方式，通过翼的拍打来实现飞行的一种新型飞行器。相比于传统的旋翼和固定翼飞行器，它具有良好的飞行效率，随着微电子机械技术(MEMS)、非定常空气动力学和新型材料的发展，扑翼飞行器目前已经成为飞行器领域中的一个新的研究热点。

无论是在军事领域还是人类日常生活，扑翼飞行器都有较好的发展前景，这就对飞行器的稳定性和灵活性提出了挑战，对飞行器的悬停技术也有较高的要求。目前，国内外大多数扑翼飞行器都是机翼上下扑打的仿鸟类飞行器，此类仿鸟类飞行器难以实现悬停。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本公开为解决目前仿鸟类飞行器难以实现悬停问题提供了一种对扑式可悬停扑翼结构及飞行器。

本公开至少一个实施例公开了一种对扑式可悬停扑翼结构，该结构包括至少两组结构相同，且纵向排列的变向齿轮模块和机翼模块；

每组变向齿轮模块包括不完全齿轮、外齿轮以及内齿轮；外齿轮与内齿轮啮合；不完全齿轮在自转一周的过程中在一角度范围内与外齿轮啮合，在另一角度范围内与内齿轮啮合；相邻的两组变向齿轮模块同轴心安装，且其中一组以轴心为圆心旋转180度；

内齿轮上连接两组间隔180度的机翼模块；所述机翼模块包括垂直于内齿轮的外圆周面的翼板；所述翼板在内齿轮的转动下做扇形拍动。

进一步地，所述机翼模块还包括与内齿轮相连接的转子、限位翼筒以及在限位套筒内转动的翼梁；所述翼板固定在翼梁上；所述机翼模块还包括与所述翼梁垂直的翼肋；所述翼板连接翼肋；所述翼肋与限位翼筒靠近翼板的端面相切，所述限位翼筒靠近翼板的端面上设有两个限制翼肋转动的挡片。

进一步地，两个限制翼肋转动的挡片的开口夹角在60度到120之间。

进一步地，所述变向齿轮模块可通过改变不完全齿轮的齿数，改变与内齿轮和外齿轮在一个旋转周期内配合的齿数，从而改变内齿轮的旋转的角度。

进一步地，不完全齿轮自转一周时内齿轮顺时针旋转与逆时针旋转角度相同。

本公开至少一个实施例还公开了一种飞行器，该飞行器包括上述任一项所述一种对扑式可悬停扑翼结构。

进一步地，所述飞行器还包括位于所述变向齿轮模块下方的机架；所述机架包括平行内齿轮下表面的圆盘；机翼模块上的转子设有与圆盘的上表面和下表面接触的滚轮。

进一步地，所述机架还包括设置在圆盘下方，且对称设置的电机座和电池座；所述圆盘上设有两个轴孔；这两个孔分别与变向齿轮模块的不完全齿轮同轴。

进一步地，所述机架还包括用于实现变向齿轮模块模块中不完全齿轮转动的传动系统，所述传动系统包括第一传动轴和第二传动轴，第一传动轴与变向齿轮模块组中位于同一侧的不完全齿轮相连接；第二传动轴与变向齿轮模块组中位于另一侧的不完全齿轮相连接，第一传动轴与第二传动轴设置在圆盘上的两个轴孔中，两者通过传动系统连接，第一传动轴或第二传动轴与电机相连接。

上述公开的实施例取得的有益效果如下：

(1)本公开采用机翼模块沿机构竖直向下的中心轴线成扇形往复运动的方式，实现了四翼前后对扑的拍打，相对于传统的扑翼结构中机翼模块上下拍打，能产生连续的正升力，同时能大大减小扑动时空气阻力的影响，提高工作效率。

(2)本公开采用上述四翼对扑式扑翼结构，四个机翼始终保持两对对扑的运动状态，气流作用在翼面上产生的力可分解为向上的升力和水平方向的力，四个机翼在水平方向的力相互作用抵消，保持机构的稳定性。

(3)本公开采用上述四翼对扑式扑翼结构，四个机翼始终保持两对对扑的运动状态，气流作用在翼面上产生的力可分解为向上的升力和水平方向的力，对于机构整体只产生向上的升力，当升力等于上述飞行器自身重力时可以实现悬停的效果。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1a是本公开实施例提供的变向齿轮模块中不完全齿轮与外齿轮啮合的结构示意图；

图1b是本公开实施例提供的变向齿轮模块中不完全齿轮与内齿轮啮合的结构示意图；

图2是本公开实施例提供的机翼模块结构示意图；

图3是本公开实施例提供的机翼模块中限位套筒连接挡片的主视图；

图4a是本公开实施例提供的机翼模块中翼板摆动的第一种状态图；

图4b是本公开实施例提供的机翼模块中翼板摆动的第二种状态图；

图5是本公开实施例提供的飞行器中机架结构图；

图6是本公开实施例提供的飞行器中变向齿轮模块的传动结构图；

图7是本公开实施例提供的飞行器中可悬停扑翼结构与机架配合安装的结构图。

图中：11、第一不完全齿轮，12、第一外齿轮，13、第一内齿轮，14、第二不完全齿轮，15、第二外齿轮，16、第二内齿轮，21、第一传动齿轮，22、第二传动齿轮，23、第一传动轴，24、第二转动轴，31、转子，311、固定轴，312、滚轮，32、限位翼筒，33、翼梁，34、翼肋，35、翼板，36、挡片，41、圆盘，42、连接杆，43、电机座，44、电池座，51、第一转子，52、第二转子，53、第三转子，54、第四转子，55、第一翼梁，56、第二翼梁，57、第三翼梁，58、第四翼梁。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本公开的的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，本实施公开的一种对扑式可悬停扑翼结构包括至少两组纵向排列的变向齿轮模块，本实施以两组为例作进行进一步阐述，第一组变向齿轮模块包括第一不完全齿轮11、第一外齿轮12以及第一内齿轮13，这三个齿轮位于同一平面，第一不完整齿轮11即为在齿轮的整个圆周面上并不是全部是齿轮，而是部分为齿轮，只有这些齿轮参与啮合传动，这个属于现有技术，这里就不在做过多的赘述，其中第一内齿轮13与第一外齿轮12实现内啮合，第一不完全齿轮11位于第一内齿轮内部，且分别与第一内齿轮13与第一外齿轮12啮合，具体是在第一不完全齿轮11在自转的360度过程中，在某个角度内与第一内齿轮13啮合实现传动，当转到另一角度范围内的时候与第一外齿轮12啮合实现传动；比如根据图1a，当第一不完全齿轮11顺时针转动的时候，在与第一外齿轮12配合时，第一外齿轮12与第一内齿轮13配合，第一外齿轮12逆时针转动，第一内齿轮13逆时针转动；如1b图，当第一不完全11顺时针转动到在与第一内齿轮13配合时，第一内齿轮13顺时针转动；综上所述，当第一不完全齿轮11转动一周，第一内齿轮13既会顺时针转动又会逆时针转动，实现可变向的目的。

对于本实施中的第二组变向齿轮模块，该变向齿轮模块包括第二不完全齿轮14、第二外齿轮15以及第二内齿轮16，第一组变向齿轮模块和第二组变向齿轮模块同轴心安装，且第二组变向齿轮模块以第二内齿轮16的圆心为旋转点，旋转180度。这样第二不完全齿轮14与第一外齿轮12同轴心，第二外齿轮15与第一不完全齿轮11同轴心，第一不完全齿轮与第二不完全齿轮通过连接传动装置转向相反，这样就是使得两组变向齿轮模块的上内齿轮在同一时刻旋转方向是相反的。

本实施例中公开的可悬停扑翼结构通过改变不完全齿轮的齿数可以改变与内齿轮和外齿轮在一个周期内配合的齿数，从而改变内齿轮旋转的角度，进一步的改变机翼扑动的角度。但是需要注意的就是可通过去掉内齿轮的部分齿，减少内齿轮和不完全齿轮配合的齿数，使得不完全齿轮在一个自转周期内所述内齿轮顺时针旋转与逆时针旋转角度相同。

进一步地，本公开的扑翼结构中每组变向齿轮模块上连接两组机翼模块，这两组机翼模块间隔180度设置在变向齿轮模块中的内齿轮外表面上，如图2所示，本实施例中的每组机翼模块主要包括转子31、限位翼筒32、翼梁33、翼肋34和翼板35；其中转子通过固定轴311与每组齿轮模块上的内齿轮固定连接，具体是比如见图1所示，第一内齿轮和第二内齿轮的外表面上均匀设有多个凸台，每个凸台上都设有一个通孔，转子上的固定轴311与凸台上的通孔配合实现固定连接，当然在另外一些实施例中，转子与每组可悬停扑翼结构上的内齿轮外表面也可通过其它的方式机械固定的方式连接，只要实现了转子与内齿轮的外表面固定连接即可。限位套筒32设置在转子31的后面，且与转子31固定连接，翼梁33穿过限位翼筒32，同轴心配合，翼梁垂直于之连接的内齿轮外表面，并且可以在限位翼筒32内转动；所述翼肋垂直于翼梁，在翼肋和翼梁之间的包围的区域内设置翼板35，翼板35分别与翼肋和翼梁连接，且翼板35垂直于内齿轮的外表面，这样可以在内齿轮转动的情况下，在内齿轮上的的两个翼板实现扇形摆动。进一步地，本实施中在限位翼筒32靠近翼板的端面上设有两个挡片36，这两个挡片之间设有一定的夹角，且开口向下，以限位翼筒的竖直直径作为中心线。如图3所示，具体的，本实施例中的两个挡片36的夹角在60度和120度之间，同时翼肋与限位翼筒32靠近翼板的端面的相切，这样就限制了翼板在固定的角度内做扇形摆动。

需要注意的是，对于第一组中的内齿轮上两组机翼模块上的翼梁相隔180度，这样保证两个机翼在水平方向上的力相互作用抵消，只产生向上的升力，并且相邻的两组机翼模块上的连接翼板的翼粱摆动范围互不重叠，这样使得与两组机翼模块上的翼板扇形摆动互不干涉，实现了在变向齿轮模块的四周均匀的产生向上的升力，提高了稳定性，当升力等于安装有该可悬停扑翼结构的飞行器自身重力时可以实现悬停的效果。具体地，如图4(a)所示，当第一不完全齿轮11与第一外齿轮12配合时，第二不完全齿轮14与第二外齿轮15配合，电机提供顺时针转动时，第一内齿轮13逆时针转动，第二内齿轮16顺时针转动；进一步的，第一转子51和第三转子53连接在第一内齿轮13外侧做逆时针转动，第二转子52和第四转子54连接在第二内齿轮16外侧做顺时针转动；进一步的，第一翼梁55、第三翼梁57会做逆时针转动，第二翼梁56、第四翼梁58会做顺时针转动；各个翼板受到空气阻力的作用会向翼梁运动的反方向发生偏转，同时翼肋受到挡片的作用，限制扭转的角度。气流作用在翼面上产生的力可分解为向上的升力和水平方向的力，四个机翼在水平方向的力相互作用抵消，对于机构整体只产生向上的升力，当升力等于重力时可以实现悬停的效果。如图4(b)所示，当第一不完全齿轮11与第一内齿轮13配合时，第二不完全齿轮14与第二内齿轮16配合，各个翼梁的转动方向与上述相反，翼板的扭转也与上述相反，但是仍然呈现四翼对扑的运动状态。将会产生与上述相同的受力效果。

需要注意的是，本公开的对扑式可悬停扑翼结构不限于上述两组纵向排列的变向齿轮模块，也可包括多组变向齿轮模块，优选为以两组上变向齿轮模块为一个小组，每个小组之间的运动模式同上述所叙述的即可。

本公开另外的实施例中还公开了一种飞行器，该飞行器包括上述所述的可悬停扑翼结构，并且还包括设置在变向齿轮模块下方的机架，如图5所示，该机架主要包括由圆盘41、连接杆42、电机座43和电池座44，圆盘41的上表面与变向齿轮模块中的内齿轮的下表面相平行，圆盘41为圆形，同时在机翼模块中的转子上设有两个滚轮312见图2，转子与内齿轮外表面相连接的基础上，该转子上的两个滚轮分别卡在圆盘的上下表面并在上面滑动，机翼模块具有四个转子，都在圆盘的表面上滑动，由于它们相互作用，可以使第一内齿轮和第二内齿轮始终沿其中心轴线转动。

进一步地，本实施例中的圆盘下方还设有由于安装驱动电机的电机座43和电池座44，电机座43和电池座44对称设置，连接杆42将电机座43和电池座44与圆盘41固定在一起，这样可以方便进行飞行器重量配平，使飞行器整体重心落在结构的中心位置，圆盘41的上表面上设有两个通孔，这两个通孔分别与每组变向齿轮模块的不完全齿轮同轴，该通孔内可放置轴承配合动力传动。

为了实现两组中变向齿轮模块的两个内齿轮的转向相反，本公开一些实施例中的飞行器设有了上述两组变向齿轮模块的传动结构，如图6所示，该传动机构主要包括第一传动齿轮21、第二传动齿轮22、第一传动轴23以及第二传动轴24，其中第一转动轴23与第一组变向齿轮模块的中的第一不完全齿轮11和第二组变向齿轮模块中的第二外齿轮15连接，使其跟随第一传动轴23转动，第一传动轴23设置在圆盘上的一个通孔中，并通过轴承相连接；第二转动轴24与第一组变向齿轮模块的中的第一外齿轮12和第二组变向齿轮模块中的第二不完全齿轮14相连接，使其跟随第一传动轴24传动转动，与第一传动轴23一样，第二传动轴24设置在圆盘上的另一个通孔中，并通过轴承相连接；安装在第一传动轴23的第一传动齿轮21与安装在第二传动轴24上的第二传动齿轮22啮合实现两者的转动，进而保证了第一组变向齿轮模块中的内齿轮和第二组变向齿轮模块中内齿轮转向相反。

需要注意的就是，对于上述第一传动齿轮和第二传动齿轮可以整体设置在圆盘的上表面上，当然传动轴上需要设置相应的轴肩将传动齿轮与变向齿轮中的齿轮相隔开，同时圆盘上设置在靠近电池的通孔所容纳的连接轴，在圆盘的下侧需要与电机座43上的传动电机相连接，这样就带动了转动轴的转动，组装之后的结构图见图7，当然在另外一些实施中的，第一传动齿轮和第二传动齿轮可以整体设置在圆盘的的下方，同样其中一个传动轴与传动电机相连接实现。

当然在另外一些实施例中，上述第一传动轴23和第二传动轴24也可以通过其它的方式实现了传动，比如链条和链轮传动。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种对扑式可悬停扑翼结构，其特征在于：包括至少两组结构相同，且纵向排列的变向齿轮模块和机翼模块；

每组变向齿轮模块包括不完全齿轮、外齿轮以及内齿轮；外齿轮与内齿轮啮合；不完全齿轮在自转一周的过程中在一角度范围内与外齿轮啮合，在另一角度范围内与内齿轮啮合；相邻的两组变向齿轮模块同轴心安装，且其中一组以轴心为圆心旋转180度；

每组变向齿轮模块中的内齿轮上连接两组间隔180度的机翼模块；所述机翼模块包括垂直于内齿轮的外圆周面的翼板；所述翼板在内齿轮的转动下做扇形拍动。

2.如权利要求1所述的一种对扑式可悬停扑翼结构，其特征在于，所述机翼模块还包括与内齿轮相连接的转子、限位翼筒以及在限位翼筒内转动的翼梁；限位翼筒与转子固定连接；所述翼板固定在翼梁上。

3.如权利要求2所述的一种对扑式可悬停扑翼结构，其特征在于，所述机翼模块还包括与所述翼梁垂直的翼肋；所述翼板连接翼肋；所述翼肋与限位翼筒靠近翼板的端面相切，所述限位翼筒靠近翼板的端面上设有两个限制翼肋转动的挡片。

4.如权利要求3所述的一种对扑式可悬停扑翼结构，其特征在于，两个限制翼肋转动的挡片的开口夹角在60度到120之间。

5.如权利要求1所述的一种对扑式可悬停扑翼结构，其特征在于，所述变向齿轮模块可通过改变不完全齿轮的齿数改变与内齿轮和外齿轮在一个旋转周期内配合的齿数，从而改变内齿轮的旋转的角度。

6.如权利要求1所述的一种对扑式可悬停扑翼结构，其特征在于，不完全齿轮自转一周时内齿轮顺时针旋转与逆时针旋转角度相同。

7.一种飞行器，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述一种对扑式可悬停扑翼结构。

8.如权利要求7所述的一种飞行器，其特征在于，所述飞行器还包括位于所述变向齿轮模块下方的机架；所述机架包括平行内齿轮下表面的圆盘；机翼模块上的转子设有与圆盘上表面和下表面接触的滚轮。

9.如权利要求8所述的一种飞行器，其特征在于，所述机架还包括设置在圆盘下方，且对称设置的电池座和电池座；所述圆盘上设有两个轴孔；这两个孔分别与可变向齿轮模块的不完全齿轮同轴。

10.如权利要求9所述的一种飞行器，其特征在于，所述机架还包括用于实现变向齿轮模块模块中不完全齿轮转动的传动系统，所述传动系统包括第一传动轴和第二传动轴，第一传动轴与变向齿轮模块组中位于同一侧的不完全齿轮相连接；第二传动轴与变向齿轮模块组中位于另一侧的不完全齿轮相连接，第一传动轴与第二传动轴设置在圆盘上的两个轴孔中，两者通过传动系统连接，第一传动轴或第二传动轴与电机相连接。

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