CN112141332A - 一种基于刚柔耦合的空间五杆扑翼飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于刚柔耦合的空间五杆扑翼飞行器，该扑翼飞行器由机身、齿轮传动系统、空间五杆机构、两侧机翼和尾翼机构所组成。直流电机驱动齿轮传动系统，经过减速增矩的力再输入到空间五杆机构依次带动连杆一、连杆二、连杆三和连杆四，然后由于空间五杆机构中柔性球副的作用，两侧机翼做有规律的8字型运动；空间五杆机构中的连杆四又作为摇杆带动机翼连杆一，从而实现折翼运动；尾翼由两个步进电机驱动，从而实现该扑翼飞行器的俯仰和转向。本发明具有整体质量轻、驱动原动件少、能都实现扑动‑扭转‑挥摆‑折叠耦合的仿自然鸟类扑翼飞行器，同时兼顾飞行效率高和实用性高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，具体为一种基于刚柔耦合的空间五杆扑翼飞行器。
背景技术
扑翼飞行器是一种新型微型飞行器，它具有极高的灵活性和高效率性，并有广泛的应用前景。扑翼飞行器只需用一个特殊路径的扑动就能产生飞行所需的推力和升力，因此气动特性比固定翼和旋翼飞行器高出很多。扑翼飞行器依靠尾巴或者翅翼调整机身的重心从而达到转向和升降，相比较固定翼和旋翼的方式更迅速。然而，扑翼飞行器的发展较为晚，此前大多数都是以大自然中的鸟类作为参考，但是目前为止，鸟类的气动特性还不是很明确。扑翼飞行器在非定常低雷洛数环境中飞行，这极大地造成了研究的难度。结构上面，扑翼飞行器在满足设计和安装要求下，要尽可能紧凑、有效，这也是目前的挑战之一。专利(CN201821642577.2)采用带传动作为主力矩传输方式，由于带传动传动比不准确，在扑翼飞行器扑动中容易产生较大的振动，且效率不高。专利(CN201910815338.5)的齿轮布置导致机身迎风面积增大，风阻也同时增大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于刚柔耦合的空间五杆扑翼飞行器，通过完整仿照鸟类的飞行行为，实现扑-摆-扭-折四运动耦合，极大地提高扑翼飞行器的推力和升力效率，并由尾翼机构控制扑翼飞行器的俯仰和转向；能通过一些危险区域、封闭空间、救灾现场等环境较为复杂，甚至旋翼无人机也难以完成任务的地方；明具有刚柔耦合、整体质量轻的结构特点；扑-摆-扭-折四运动耦合提高了扑翼飞行器效率的运动特点；与大中型鸟类翅翼飞行模式较接近的仿生特点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种刚柔耦合的空间五杆扑翼飞行器，包括机身、两侧机翼机构、空间五杆机构、齿轮传动系统、尾翼机构组成，所述机身包括机身机架、增加机身结构强度的前支撑圆框和后支撑圆框。
优选的，所述齿轮传动系统包括直流电机、直齿轮一、直齿轮二、锥齿轮一、锥齿轮二、齿轮轴一和齿轮轴二，所述直流电机以与机身平行的方向固定在机身机架上，所述直流电机的输出端连接所述锥齿轮一，所述锥齿轮一的一侧安装所述锥齿轮二，所述锥齿轮二固定在所述齿轮轴一，所述直齿轮一通过过盈配合固定在所述齿轮轴一上，所述直齿轮一与所述直齿轮二齿合，所述直齿轮二通过过盈配合固定在所述齿轮轴二上，所述齿轮轴二通过所述机身机架上的轴孔进行铰接。上通过锥齿轮一和锥齿轮二将力矩传输方向改变，再由直齿轮一和直齿轮二进一步将力矩输出到空间五杆机构上，其中锥齿轮二和直齿轮一通过过盈配合在齿轮轴一上，直齿轮二固定在齿轮轴二上。
优选的，所述空间五杆机构包括连杆一、连杆二、连杆三、连杆四、柔性球副，所述连杆一的一端和所述齿轮轴二固连，所述连杆一的另一端与所述连杆二的一端在一个平行方向铰接，所述连杆二的另一端与所述连杆三的一端在一个垂直方向铰接，所述连杆一、所述连杆二、所述连杆三和所述连杆四形成空间机构，所述连杆三的另一端再与所述连杆四的中部段位置在一个平行方向铰接，所述连杆四的根部端与柔性球副的一端固连，所述柔性球副的另一端固定在所述机身机架上。
优选的，所述两侧机翼机构包括机翼连杆一、机翼连杆二、机翼连杆三和翼面支撑杆，所述机翼连杆一的一端固定在所述空间机构的所述连杆四上，所述机翼连杆一的另一端与所述机翼连杆二铰接，所述机翼连杆二与所述机翼连杆三的一端铰接，所述机翼连杆三的另一端铰接在所述空间机构的所述连杆三的中部段位置。
优选的，所述尾翼机构包括步进电机一、步进电机二、尾翼连杆一、尾翼连杆二、步进电机支架和尾翼，所述步进电机一固定在所述机身机架的中后方位置，所述步进电机二固定在所述步进电机支架上，所述步进电机支架铰接在所述机身机架的尾部，所述步进电机二与尾翼固定连接。
优选的，机身整体呈流线型结构，且所述前支撑圆框的面积小于所述后支撑圆框的面积。
优选的，各个齿轮的位置应呈减速传动方向去安装。
优选的，所述机翼连杆二的一端有一分支，且分支与所述机翼连杆三铰接。
优选的，所述尾翼为包覆层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明使用了齿轮传动作为动力传输方式，传动比稳定，且布置方式有利于重心中置和减少机身迎风面积。
2.本发明使用空间五杆机构将动力传输给机翼机构，能够实现8字型运动的同时，减少原动件数和整体质量，相比较其他能实现8字型运动的机构，本发明构件数因为使用空间机构而大量减少。
3.本发明使用柔性球副比刚性球副更具有高效性，在扑翼飞行器运行过程中，机翼反复快速转动使传统刚性球面副有较大的摩擦，而柔性球副则没有摩擦，并利用回弹力使机翼回程更加迅速。
4.本发明具有刚柔耦合、整体质量轻的结构特点；扑-摆-扭-折四运动耦合提高了扑翼飞行器效率的运动特点；与大中型鸟类翅翼飞行模式较接近的仿生特点。
附图说明
图1为本发明中的整体结构示意图；
图2为本发明中的机身结构示意图；
图3为本发明中的空间五杆机构示意图；
图4为本发明中的机翼机构示意图；
图5为本发明中的尾翼机构示意图。
图中：1-机身，2-机翼机构，3-尾翼机构，101-机身机架，102-前支撑圆框，103-后支撑圆框，104-直流电机，105-锥齿轮一，106-锥齿轮二，107-齿轮轴一，108-直齿轮一，109-直齿轮二，110-齿轮轴二，111-连杆一，112-销轴一，113-连杆二，114-销轴二，115-连杆三，116-销轴三，117-连杆四，118-柔性球副，201-机翼连杆一，202-销轴四，203-机翼连杆二，204-销轴五，205-机翼连杆三，206-销轴六，207-翼面支撑杆，301-步进电机一，302-步进电机二，303-尾翼连杆一，304-销轴七，305-尾翼连杆二，306-销轴八，307-步进电机支架，308-销轴九，309-尾翼。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明提供的一种实施例：一种刚柔耦合的空间五杆扑翼飞行器，包括机身1、两侧机翼机构2、空间五杆机构、齿轮传动系统、尾翼机构3组成，机身1包括机身机架101、增加机身1结构强度的前支撑圆框102和后支撑圆框103。
在本实施例中：动力传输系统包括直流电机104、锥齿轮一105型号为：m＝1.5,z＝15、锥齿轮二106型号为：m＝1.5,z＝25、直齿轮一108型号为：m＝2,z＝10、直齿轮二109型号为：m＝2,z＝31、齿轮轴一107、齿轮轴二110，直流电机104使用可调速直流电机型号为：3.7V,800MA,6000r/min，直流电机104和锥齿轮一105固连，锥齿轮一105与锥齿轮二106啮合，锥角为90°，使传动力矩的方向改变，锥齿轮二106固连在齿轮轴一107的一端，齿轮轴一107通过机身机架101的孔与机身1铰接，直齿轮一108固连在齿轮轴一107的另一端，并与直齿轮二109啮合在一起，进一步减速增矩，直齿轮二109固连在齿轮轴二110的一端，齿轮轴二110通过机身机架101上的孔与机身1铰接，使该直齿轮二110作为空间五杆机构的驱动件。
在本实施例中：如图2所示，机身机架101的边框呈流线型，有利于铺盖外包装层后减少空气阻力，且机架上有三个轴孔用于铰接其他零件，直流电机104固定在机身机架101的中后方，使用紧定螺丝方式固定，此电机是整个扑翼飞行器中较大质量的物件，放置在中后方使扑翼飞行器有一个俯仰角，锥齿轮一105与直流电机104固定，使用过盈配合方式。锥齿轮二106固定在齿轮轴一107上，使用过盈配合方式，为了将锥齿轮一105的动力换向，锥齿轮二106的大端面朝机身机架101外方向，且与锥齿轮一105呈锥角90°啮合，直齿轮一108通过过盈配合固定在齿轮轴一107上，并与直齿轮二109啮合，直齿轮二109通过过盈配合固定在齿轮轴二110上，该齿轮轴二110又通过机身机架101上的轴孔进行铰接。
在本实施例中：空间五杆机构包括连杆一111、连杆二113、连杆三115、连杆四117、柔性球副118，连杆一111的一端和齿轮轴二110固连，从而作为空间五杆机构的曲柄，使动力传入空间五杆机构，连杆一111的另一端与连杆二113的一端在一个平行方向铰接，连杆二113的另一端与连杆三115的一端在一个垂直方向铰接，连杆一111、连杆二113、连杆三115和连杆四117形成空间机构，连杆三115的另一端再与连杆四117的中部段位置在一个平行方向铰接，其中连杆四117是一个关键零件，它固定在柔性球副118上，并与机翼机构2的根部固连，柔性球副118固定在机身机架101上，并与连杆四117固连，柔性球副118较刚性球副来说，运动副处没有摩擦的存在，而且弹性回力使飞行器效率更高，另一侧的空间五杆机构与上述一致，该空间五杆机构为RRRRS机构，自由度公式：
F＝6n-5p5-4p4-3p3-2p2-p1
代入该空间机构数值得：
F＝6×4-5×4-3×1＝1
故自由度为一，减少了总体的原动件数。
在本实施例中：机翼连杆一201的一端通过过盈配合与上述连杆四117固定在一起，另一端通过销轴四202与机翼连杆二203铰接，机翼连杆二203有一叉开连杆部分，该部分通过销轴五204与机翼连杆三205的一端铰接，该机翼连杆三205的另一端通过销轴六206与上述连杆三115上的位置孔铰接从而实现双摇杆机构，机翼支撑杆207通过螺丝螺母方式均匀固定在机翼连杆一201固定三个和机翼连杆二203固定五个上，方便最后固定软质机翼覆盖层。
在本实施例中，步进电机一301通过紧定螺丝固定在上述机身机架上，该步进电机一301的输出轴通过过盈配合和尾翼连杆一303一端固连，尾翼连杆一303的另一端通过销轴七304与尾翼连杆二305的一端铰接，尾翼连杆二305的另一端通过销轴八306与步进电机机架307铰接，步进电机机架307通过销轴九308与机身机架铰接，步进电机二302通过紧定螺丝固定在步进电机机架307上，且步进电机二302的输出轴通过过盈配合与尾翼309固定。
在本实施例中：尾翼309为包覆层代替实心材料，从而减少尾翼质量。
工作原理：本发明中的直流电机104通过齿轮传动系统，将动力传输到连杆一111上。进一步，连杆一111带动空间五杆机构中的连杆二113、连杆三115、连杆四117，此空间五杆机构中机身机架101是第五根杆，起固定作用；空间五杆机构中连杆一111的转动使扑翼飞行器产生扑动运动，连杆一111转动的同时，连杆二113和柔性球副118的存在是实现扑翼飞行器扭转和摆动的关键；进一步，机翼连杆一201固定在连杆四117上，并作为机翼双摇机构的相对机架，连杆三115上有一孔铰接机翼连杆三205，该孔离销轴三116的轴心有一段距离，这个距离作为机翼双摇机构的主动摇杆长度，机翼连杆二203作为被动摇杆实现扑翼的折叠；进一步，尾翼机构的步进电机一301通过一个双摇机构控制尾翼的俯仰，步进电机二302直接控制尾翼309的转动，从而实现扑翼飞行器的转向。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (9)
1.一种刚柔耦合的空间五杆扑翼飞行器，其特征在于：包括机身(1)、两侧机翼机构(2)、空间五杆机构、齿轮传动系统、尾翼机构(3)组成，所述机身(1)包括机身机架(101)、增加机身(1)结构强度的前支撑圆框(102)和后支撑圆框(103)。
2.如权利要求1所述的一种刚柔耦合的空间五杆扑翼飞行器，其特征在于：所述齿轮传动系统包括直流电机(104)、直齿轮一(108)、直齿轮二(109)、锥齿轮一(105)、锥齿轮二(106)、齿轮轴一(107)和齿轮轴二(110)，所述直流电机(104)以与机身(1)平行的方向固定在机身机架(101)上，所述直流电机(104)的输出端连接所述锥齿轮一(105)，所述锥齿轮一(105)的一侧安装所述锥齿轮二(106)，所述锥齿轮二(106)固定在所述齿轮轴一(107)，所述直齿轮一(108)通过过盈配合固定在所述齿轮轴一(107)上，所述直齿轮一(108)与所述直齿轮二(109)齿合，所述直齿轮二(109)通过过盈配合固定在所述齿轮轴二(110)上，所述齿轮轴二(110)通过所述机身机架(101)上的轴孔进行铰接。上通过锥齿轮一和锥齿轮二将力矩传输方向改变，再由直齿轮一和直齿轮二进一步将力矩输出到空间五杆机构上，其中锥齿轮二和直齿轮一通过过盈配合在齿轮轴一上，直齿轮二固定在齿轮轴二上。
3.如权利要求1所述的一种刚柔耦合的空间五杆扑翼飞行器，其特征在于：所述空间五杆机构包括连杆一(111)、连杆二(113)、连杆三(115)、连杆四(117)、柔性球副(118)，所述连杆一(111)的一端和所述齿轮轴二(110)固连，所述连杆一(111)的另一端与所述连杆二(113)的一端在一个平行方向铰接，所述连杆二(113)的另一端与所述连杆三(115)的一端在一个垂直方向铰接，所述连杆一(111)、所述连杆二(113)、所述连杆三(115)和所述连杆四(117)形成空间机构，所述连杆三(115)的另一端再与所述连杆四(117)的中部段位置在一个平行方向铰接，所述连杆四(117)的根部端与柔性球副(118)的一端固连，所述柔性球副(118)的另一端固定在所述机身机架(101)上。
4.如权利要求3所述的一种刚柔耦合的空间五杆扑翼飞行器，其特征在于：所述两侧机翼机构(2)包括机翼连杆一(201)、机翼连杆二(203)、机翼连杆三(205)和翼面支撑杆(207)，所述机翼连杆一(201)的一端固定在所述空间机构的所述连杆四(117)上，所述机翼连杆一(201)的另一端与所述机翼连杆二(203)铰接，所述机翼连杆二(203)与所述机翼连杆三(205)的一端铰接，所述机翼连杆三(205)的另一端铰接在所述空间机构的所述连杆三(115)的中部段位置。
5.如权利要求1所述的一种刚柔耦合的空间五杆扑翼飞行器，其特征在于：所述尾翼机构(3)包括步进电机一(301)、步进电机二(302)、尾翼连杆一(303)、尾翼连杆二(305)、步进电机支架(307)和尾翼(309)，所述步进电机一(301)固定在所述机身机架(101)的中后方位置，所述步进电机二(302)固定在所述步进电机支架(307)上，所述步进电机支架(307)铰接在所述机身机架(101)的尾部，所述步进电机二(302)与尾翼(309)固定连接。
6.如权利要求1所述的一种刚柔耦合的空间五杆扑翼飞行器，其特征在于：机身(1)整体呈流线型结构，且所述前支撑圆框(102)的面积小于所述后支撑圆框(103)的面积。
7.如权利要求2所述的一种刚柔耦合的空间五杆扑翼飞行器，其特征在于：各个齿轮的位置应呈减速传动方向去安装。
8.如权利要求4所述的一种刚柔耦合的空间五杆扑翼飞行器，其特征在于：所述机翼连杆二(203)的一端有一分支，且分支与所述机翼连杆三(205)铰接。
9.如权利要求5所述的一种刚柔耦合的空间五杆扑翼飞行器，其特征在于：所述尾翼(309)为包覆层。
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