CN111976978A - 微型飞行器用仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的微型飞行器用仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置，属于飞行器设计领域。本发明包括支撑杆、传动机构和扑翼主结构。所述支撑杆垂直安置，其底部固连于微型飞行器的机身，其中部和顶端分别与传动机构和扑翼主梁连接。传动机构包括上套管、下套管、驱动杆、Γ型连杆和限位绳；扑翼主结构包括扑翼主梁、扑翼外梁、扑翼主肋、扑翼副梁和翼膜。本发明能够解决的技术问题是：(1)在保证下拍时的升力在最大值的情况下有效降低机翼上拍时的阻力；(2)通过调整限位绳的长度即能够调整扑翼扭转角度，具有操作简单便利的优点；(3)上拍阶段阻力减小，下拍阶段阻力与传统扑翼并无明显区别，具有能源利用率高的优点。

Description

微型飞行器用仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置

技术领域

本发明涉及微型飞行器用仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置，属于飞行器设计领域。

背景技术

微型飞行器体积小携带方便，且具有良好的机动性和隐蔽性。因此微型飞行器适于在狭窄空间和恶劣环境下完成勘探、侦查、救援等任务。正是由于微型飞行器在特殊条件下的应用需求和空缺，使得微型飞行器成为近二十年来航空领域的研究热点根据飞行方式的不同，微型飞行器大致分为三类：固定翼飞行器、旋翼飞行器及扑翼飞行器。这三类飞行器各有优缺点，简单来说，固定翼飞行器具有高速飞行的传统优势，但是难以实现悬停或是垂直起降；旋翼飞行器能够实现垂直起降和悬停，但其为了平衡自身扭矩导致结构上较为复杂，而且也存在低雷诺数下气动效率低的缺点。微型扑翼飞行器是一种符合仿生学原理的新型飞行器，它具有高气动效率，高机动性的优点，能够实现垂直起降和悬停，因此微型扑翼飞行器是发展高效微型可垂直起降悬停飞行器极有潜力的方向。然而在目前的研究中，扑翼在上拍过程中翼面会带来很大的负升力，如何减小上拍过程中的负升力仍是扑翼飞行器的研究重点之一。

发明内容

针对现有技术中微型扑翼飞行器存在的上述技术问题，本发明公开的微型飞行器用仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置要解决的技术问题是：(1)在保证下拍时的升力在最大值的情况下有效降低机翼上拍时的阻力；(2)通过调整限位绳的长度即能够调整扑翼扭转角度，具有操作简单便利的优点；(3)上拍阶段阻力减小，下拍阶段阻力与传统扑翼并无明显区别，具有能源利用率高的优点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的微型飞行器用仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置，包括支撑杆、传动机构和扑翼主结构。

所述支撑杆垂直安置，其底部固连于微型飞行器的机身，其中部和顶端分别与传动机构和扑翼主梁连接。

传动机构包括上套管、下套管、驱动杆、Γ型连杆和限位绳；所述上套管通过套接轴承套接于支撑杆顶部，使上套管能够绕支撑杆自由转动；所述下套管套接于支撑杆中部，在驱动器的作用下，下套管能够沿支撑杆上下滑动，并同时通过套接轴承使下套管能够绕支撑杆自由转动；所述驱动杆一端与下套管固连，另一端与Γ型连杆铰接，被下套管带动的同时带动Γ型连杆运动；所述Γ型连杆的折角γ即两段杆之间的夹角；所述Γ型连杆的折角γ根据扑翼拍动模式设计而定，其上端与扑翼主肋一端通过销钉铰接，并在折点处粘贴垫片；所述限位绳上端与主肋连接，下端与Γ型连杆折角处圆环连接；扑翼上拍阶段Γ型连杆的顶端推动扑翼主肋的前端向上运动，使扑翼主梁绕其轴心转动，直至垫片与扑翼主梁相碰，此过程限位绳松弛不做约束；扑翼下拍阶段首先Γ型连杆的顶端拉动扑翼主肋前端向下运动直至限位绳绷直，达到最大反向扭转角后扑翼下拍。

扑翼主结构包括扑翼主梁、扑翼外梁、扑翼主肋、扑翼副梁和翼膜；所述扑翼主梁前端通过球铰与上套管一侧连接；所述扑翼主肋垂直穿过扑翼主梁内段的中心，使扑翼主肋能够绕自身轴向转动，并与翼面在同一平面上；翼膜粘接在扑翼主梁外段和扑翼副梁上。

为了使Γ型连杆在运作过程中保持竖直状态，作为优选，扑翼主梁与驱动杆的长度比在1.2-1.5之间。

为了使翼面有足够的升力，作为优选，扑翼外梁与扑翼主梁的长度比在4-5之间。

为了控制上拍过程的攻角在合理范围，作为优选，所述Γ型连杆的折角γ在110-130度间。

作为优选，所述主梁、连杆均采用高刚度、强度/质量比的材料制作，所述高刚度、强度/质量比的材料例如碳纤微复合材料；轴承及铰接部件材料采用金属材料；翼膜材料采用PVC。

本发明公开的微型飞行器用仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置的工作方法为：

当下套管在驱动器的作用下沿支撑杆由底点向上滑动时，与下套管连接的驱动杆及Γ型连杆被向上推动，从而推动扑翼上拍，整个上拍运动过程分为扭转和拍动两个步骤。扭转步骤为：Γ型连杆的顶端推动扑翼主肋的前端向上运动，使扑翼主梁绕其轴心转动，直至Γ型连杆的折点接触到位于其上方的扑翼主梁内段使转动受到制约，达到最大扭转角，转角幅度由Γ型连杆的折角确定，此时，扑翼处于大攻角状态；拍动步骤：Γ型连杆通过顶端和折点推动扑翼主梁绕上套管的铰点向上运动，拍动的幅度由下套管向上滑动的幅度确定。在扑翼上拍运动过程中限位绳始终处于松弛状态不对运动做任何约束。

当下套管在驱动器的作用下沿支撑杆由顶点向下滑动时，与下套管连接的驱动杆及Γ型连杆被向下拉动，从而拉动扑翼主梁的下拍运动分为扭转和拍动两个步骤。扭转步骤为：Γ型连杆的顶端拉动扑翼主肋的前端向下运动，使扑翼主梁绕其轴心转动，转向与上拍时相反，此时Γ型连杆的折点与其上方的主梁内段脱离拉开距离，直至限位绳绷直使转动受到制约，达到最大反向扭转角，此时，Γ型连杆与绷直的限位绳呈Y字形，扑翼处于小攻角或负攻角状态，转角根据扑翼拍动模式要求由限位绳的长度确定；拍动步骤：扑翼主梁在Γ型连杆和限位绳的拉动下绕上套管的铰点向下运动，拍动幅度由下套管向下滑动的幅度确定。在下拍过程中限位绳处于绷直紧状态，使扑翼保持在小攻角状态。

有益效果：

1、相较于传统扑翼，本发明公开的微型飞行器用仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置，在上下拍动时会进行扭转运动。上拍时扑翼主梁扭转带动翼面转向，从而使飞行器在上拍阶段能够减小迎风面，使得负升力大幅度减小；而在下拍阶段时由于限位绳绷直，翼面能够以最大升力下拍，从而提高扑翼在一个扑动周期内的平均升力，即在保证下拍时的升力在最大值的情况下有效降低机翼上拍时的阻力。

2、本发明公开的微型飞行器用仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置，通过调整限位绳的长度即能够调整扑翼扭转角度，具有操作简单便利的优点。

3、本发明公开的微型飞行器用仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置，在传动机构向上运动的初始瞬间，因主肋前端被向上推动使扑翼主梁瞬间转动，不仅产生气动推力，并在上拍过程中保持该转动形成的大攻角，有效降低扑翼上拍运动产生的负升力；

在传动机构向下运动的初始瞬间，因主肋前端被向下拉动使扑翼主梁瞬间反向转动，不仅产生气动推力，并在限位绳被拉直的状态下使扑翼在下拍过程中保持该转动形成的小攻角状态，有效提高扑翼产生的升力。即本发明在上拍阶段阻力减小，下拍阶段阻力与传统扑翼相仿，具有能源利用率高的优点。

附图说明

图1是本发明微型飞行器的仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置的单侧整体结构示意图；

图2是本发明微型飞行器的仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置的单个机翼结构示意图；

图3是本发明微型飞行器的仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置的上套管剖面示意图；

图4是本发明微型飞行器的仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置的下套筒结构示意图；

图5是本发明微型飞行器的仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置的Γ型连杆示意图；

图6是本发明微型飞行器的仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置的扑翼主梁与扑翼主肋示意图。

其中：1-支撑杆2-传动机构3-扑翼主结构；

201-上套管、202-下套管、203-驱动杆、204-Γ型连杆、204a-海绵垫片、205-限位绳；

301-扑翼主梁、302-扑翼外梁、303-扑翼主肋、304-扑翼副梁、305-翼膜。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例公开的微型飞行器用仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置，包括支撑杆1、传动机构2、扑翼主结构3。

如图1所示，所述传动机构包括上套管201、下套管202、驱动杆203、Γ型连杆204、限位绳205；所述扑翼主结构3包括扑翼主梁301、扑翼外梁302、扑翼主肋303、扑翼副梁304、翼膜305。

如图2所示，机翼包括扑翼外梁302、扑翼副梁304、翼膜305，其中翼膜305粘接在扑翼外梁302和扑翼副梁304上。

支撑杆1竖直安置，上套管201固定在支撑杆1顶部，若通过轴承可用于扑旋翼飞行器。

下套管202套接在支撑杆1的中下部，能够沿支撑杆1上下滑动，若通过轴承套接可用于扑旋翼飞行器。

驱动杆203一端固连于下套管202一侧，另一端与Γ型连杆204的下端铰接。

Γ型连杆204折点处粘贴海绵垫片204a，上端与扑翼主肋303的一端铰接，驱动杆203上移会带动Γ型连杆204一同向上运动。

限位绳205一端系于Γ型连杆204折点处的圆环上，另一端系于扑翼主肋303的圆环上，绷直状态下的限位绳205与Γ型连杆204成Y字型。

扑翼主梁301通过球铰与上套管201连接，能够绕球铰自由转动；扑翼主肋303穿过扑翼主梁301中心，能够绕自身轴向旋转，扑翼主肋303一端与Γ型连杆204铰接，另一端连接限位绳205；扑翼外梁302插在扑翼主梁301外侧，确定好初始攻角后将连接处固定。

本实施例公开的一种用于微型飞行器的仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置工作方式如下：

支撑杆1垂直安置，其底部固连于微型飞行器的机身，其中部和顶端分别与传动机构和扑翼主结构连接。

传动机构包括上套管201、下套管202、驱动杆203、Γ型连杆204和限位绳205；上套管201固定在支撑杆1的顶部，下套管202套接于支撑杆1的中部，在驱动器的作用下可以沿支撑杆1上下滑动，对于扑旋翼飞行器可通过套接轴承使上套管201、下套管202同时绕支撑杆1自由转动。

驱动杆203一端与下套管202的一侧固连，另一端与Γ型连杆204的下端通过销钉铰接；Γ型连杆204的折角γ＝115度，Γ型连杆204端与扑翼主肋303的前端内侧通过销钉铰接；扑翼主肋303一端的圆环与限位绳205上端相连接，限位绳205的下端与Γ型连杆204在折点处的圆环相连接。

扑翼主梁301的内端通过球铰与上套管201的一侧连接,外端与扑翼外梁302固连；扑翼主肋303穿过扑翼主梁301的中心，并可以绕自身轴向转动。扑翼主梁301与驱动杆203的长度比为1.2；扑翼外梁302与扑翼主梁301的长度比为4。

当下套管202在驱动器的作用下沿支撑杆1由底点向上滑动时，与其连接的驱动杆203及Γ型连杆204被向上推动，从而推动扑翼上拍，整个运动分两个步骤完成。首先是Γ型连杆204的顶端推动扑翼主肋303的前端向上运动，使扑翼主梁301绕其轴心转动，直至Γ型连杆204的折点接触到位于其上方的主梁内段使转动受到制约，达到最大扭转角，转角幅度可由Γ型连杆204的折角γ确定，此时，扑翼处于大攻角状态；继而，Γ型连杆204通过顶端和折点推动扑翼主梁301绕上套管201的铰点向上运动，最大幅度由下套管202向上滑动的幅度确定。在扑翼上拍运动过程中限位绳205始终处于松弛状态不对运动做任何约束。

当下套管202在驱动器的作用下沿支撑杆1由顶点向下滑动时，与其连接的驱动杆203及Γ型连杆204被向下拉动，从而拉动扑翼主梁301的下拍运动分两个步骤完成。首先是Γ型连杆204的顶端拉动扑翼主肋303的前端向下运动，使扑翼主梁301绕其轴心转动，转向与上拍时相反，此时Γ型连杆204的折点与其上方的扑翼主梁301脱离拉开距离，直至限位绳205绷直使转动受到制约，达到最大反向扭转角，此时，Γ型连杆204与绷直的限位绳205呈Y字形，扑翼处于小攻角或负攻角状态，转角根据扑翼拍动模式要求由限位绳205的长度确定；继而，扑翼主梁301在Γ型连杆204和限位绳205的拉动下绕上套管201的铰点向下运动，最大幅度由下套管202向下滑动的幅度确定。在下拍过程中限位绳205处于绷直紧状态，使扑翼保持在小攻角状态。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.微型飞行器用仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置，其特征在于：包括支撑杆(1)、传动机构(2)和扑翼主结构(3)；

所述支撑杆(1)垂直安置，其底部固连于微型飞行器的机身，其中部和顶端分别与传动机构(2)和扑翼主梁(301)连接；

传动机构(2)包括上套管(201)、下套管(202)、驱动杆(203)、Γ型连杆(204)和限位绳(205)；所述上套管(201)通过套接轴承套接于支撑杆(1)顶部，使上套管(201)能够绕支撑杆(1)自由转动；所述下套管(202)套接于支撑杆(1)中部，在驱动器的作用下，下套管(202)能够沿支撑杆(1)上下滑动，并同时通过套接轴承使下套管(202)能够绕支撑杆(1)自由转动；所述驱动杆(203)一端与下套管(202)固连，另一端与Γ型连杆(204)铰接，被下套管(202)带动的同时带动Γ型连杆(204)运动；所述Γ型连杆(204)的折角γ即两段杆之间的夹角；所述Γ型连杆(204)的折角γ根据扑翼拍动模式设计而定，其上端与扑翼主肋(303)一端通过销钉铰接，并在折点处粘贴垫片；所述限位绳(205)上端与主肋连接，下端与Γ型连杆(204)折角处圆环连接；扑翼上拍阶段Γ型连杆(204)的顶端推动扑翼主肋(303)的前端向上运动，使扑翼主梁(301)绕其轴心转动，直至垫片与扑翼主梁(301)相碰，此过程限位绳(205)松弛不做约束；扑翼下拍阶段首先Γ型连杆(204)的顶端拉动扑翼主肋(303)前端向下运动直至限位绳(205)绷直，达到最大反向扭转角后扑翼下拍；

扑翼主结构(3)包括扑翼主梁(301)、扑翼外梁(302)、扑翼主肋(303)、扑翼副梁(304)和翼膜(305)；所述扑翼主梁(301)前端通过球铰与上套管(201)一侧连接；所述扑翼主肋(303)垂直穿过扑翼主梁(301)内段的中心，使扑翼主肋(303)能够绕自身轴向转动，并与翼面在同一平面上；翼膜粘接在扑翼主梁(301)外段和扑翼副梁(304)上。

2.如权利要求1所述的微型飞行器用仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置，其特征在于：为了使Γ型连杆(204)在运作过程中保持竖直状态，扑翼主梁(301)与驱动杆(203)的长度比在1.2-1.5之间。

3.如权利要求1所述的微型飞行器用仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置，其特征在于：为了使翼面有足够的升力，扑翼外梁(302)与扑翼主梁(301)的长度比在4-5之间。

4.如权利要求1所述的微型飞行器用仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置，其特征在于：为了控制上拍过程的攻角在合理范围，所述Γ型连杆(204)的折角γ在110-130度间。

5.如权利要求1所述的微型飞行器用仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置，其特征在于：所述主梁、连杆均采用高刚度、强度/质量比的材料制作，轴承及铰接部件材料采用金属材料；翼膜材料采用PVC。

6.如权利要求5所述的微型飞行器用仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置，其特征在于：所述高刚度、强度/质量比的材料为碳纤微复合材料。

7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的微型飞行器用仿生扑翼拍动及扭转组合运动的传动装置，其特征在于：

当下套管(202)在驱动器的作用下沿支撑杆(1)由底点向上滑动时，与下套管(202)连接的驱动杆(203)及Γ型连杆(204)被向上推动，从而推动扑翼上拍，整个上拍运动过程分为扭转和拍动两个步骤；扭转步骤为：Γ型连杆(204)的顶端推动扑翼主肋(303)的前端向上运动，使扑翼主梁(301)绕其轴心转动，直至Γ型连杆(204)的折点接触到位于其上方的扑翼主梁(301)内段使转动受到制约，达到最大扭转角，转角幅度由Γ型连杆(204)的折角确定，此时，扑翼处于大攻角状态；拍动步骤：Γ型连杆(204)通过顶端和折点推动扑翼主梁(301)绕上套管(201)的铰点向上运动，拍动的幅度由下套管(202)向上滑动的幅度确定；在扑翼上拍运动过程中限位绳(205)始终处于松弛状态不对运动做任何约束；

当下套管(202)在驱动器的作用下沿支撑杆(1)由顶点向下滑动时，与下套管(202)连接的驱动杆(203)及Γ型连杆(204)被向下拉动，从而拉动扑翼主梁(301)的下拍运动分为扭转和拍动两个步骤；扭转步骤为：Γ型连杆(204)的顶端拉动扑翼主肋(303)的前端向下运动，使扑翼主梁(301)绕其轴心转动，转向与上拍时相反，此时Γ型连杆(204)的折点与其上方的主梁内段脱离拉开距离，直至限位绳(205)绷直使转动受到制约，达到最大反向扭转角，此时，Γ型连杆(204)与绷直的限位绳(205)呈Y字形，扑翼处于小攻角或负攻角状态，转角根据扑翼拍动模式要求由限位绳(205)的长度确定；拍动步骤：扑翼主梁(301)在Γ型连杆(204)和限位绳(205)的拉动下绕上套管(201)的铰点向下运动，拍动幅度由下套管(202)向下滑动的幅度确定；在下拍过程中限位绳(205)处于绷直紧状态，使扑翼保持在小攻角状态。

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