CN112173101A - 基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于Clap‑Fling机制的可悬停的双扑翼飞行器，进一步提高扑翼微型飞行器的扑动效率，更好的利用昆虫高升力机理中的Clap‑Fling机制，设计了一种曲柄滑块机构，并基于该机构对微型扑翼飞行器进行了整体设计。本发明飞行器由一对曲柄滑块扑翼机构组成，对称分布在主机架两侧。单侧曲柄滑块扑翼机构由机架、减速齿轮组、曲柄、连杆、滑块与摇杆组成。与现有技术相比使用曲柄滑块机构进行设计，传动时动力大、效率高，机构可靠性高，在一个扑动周期内，能够完成四次完整的Clap‑Fling机制，使其获得更大的升力，提高飞行效率；且整体结构紧凑、体积小巧、重量轻便，以实现垂直起降、空中悬停、俯仰、偏航、滚转、倒飞等多种飞行运动。

Description

基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器

技术领域

本发明属于机械设计领域，涉及一种微型双扑翼飞行器，具体来说是一种基于Clap-Fling机制的可悬停的双扑翼飞行器。

背景技术

微型扑翼飞行器是目前国际上航空科学领域中比较热门的一个研究方向，其在各领域中的也表现出来了潜在的应用价值，相比于传统的固定翼或是旋翼式飞行器，微型扑翼飞行器尺寸小，噪声低，灵活机动，可以在低雷诺数范围内飞行，并且在低雷诺数的条件下能够进行稳定操作，可以进行机动飞行，正是由于其具有上述优点，微型扑翼飞行器有着独特的使用价值，其可以被用在军事侦察、生化环境探测等场景中。微型双扑翼飞行器相较于微型单扑翼飞行器有更大的升力，更好的操作性能，这就使得微型双扑翼飞行器可以搭载更大的载荷，有更广泛的使用范围。

现有微型扑翼飞行器由于机构的结构限制，扑动角度有限，不能充分利用Clap-Fling高升力机制，因此导致飞行效率低，能耗较高。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器，Clap-Fling机制是昆虫飞行时产生高升力的一个重要机制——昆虫在拍打翅膀时，翅膀的张开、闭合的时刻会产生较高的升力。以昆虫作为仿生对象，将Clap-Fling高升力机制用于微型双扑翼飞行器上，在双对扑翼扑动的一个周期内，能够完成四次完整的开合运动，更有效的利用Clap-Fling机制，使其获得更大的升力，提高飞行效率。本发明设计了一种基于曲柄滑块的微型双扑翼飞行器的机构，并基于该机构对微型扑翼飞行器进行了整体设计，使其能够完成上述的高升力机制，并且飞行器整体结构紧凑、体积小巧、重量轻便。

本发明基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器，其主机架两侧对称安装有曲柄滑块扑翼机构。

曲柄滑块扑翼机构由前中后三层机架构成。其中，前层机架上安装驱动电机；中层机架与前层机架间安装减速齿轮组与曲柄连杆组件；中层机架前后两侧设置有可在中层机架上滑动的滑块；中层机架与后层机架间安装有两个摇杆；摇杆末端安装翅膀固定件，翅膀固定件端部安装翅膀。

上述驱动电机产生驱动力，通过减速齿轮组传递到曲柄连杆组件，由曲柄连杆组件推动滑块滑动；两个摇杆分别安装于中层机架后侧的滑块上，通过滑块的滑动带动两摇杆同步摆动，使翅膀主动扑动。

主机架两侧的曲柄滑块扑翼机构与主机架间连接后，形成转动副；通过直线舵机驱动曲柄滑块扑翼机构转动，进而翅膀主动产生不同的运动角度，以满足微型扑翼机器人的俯仰、滚转、偏航动作。

本发明的优点在于：

1、本发明基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器，可以在一次扑动周期内完成四次Clap-Fling机制，充分利用此高升力机制，提高飞行器的升力与飞行效率。

2、本发明基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器，可以实现多自由度的运动，包括但不限于垂直起降、空中悬停、俯仰、偏航、滚转、倒飞等多种运动。

3、本发明提出的基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器，运动效率高，机构紧凑，运动稳定，震动较小，能够实现微型扑翼飞行器的功能。4、本发明基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器，所使用的零部件由碳纤维板或3D打印材料制作而成，使用碳纤维板材料可以保证零件的结构强度，增强整体的稳定性，使用3D打印材料可以降低零件的质量，两者结合使用保证了整体的结构稳定性，并且有效降低了质量。

5、本发明基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器，使用的塑料齿轮、平头铆钉均为标准件，成本较低，易于购买，降低了微型扑翼飞行器的加工和装配难度。

附图说明

图1是本发明基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器整体结构图。

图2是本发明基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器单侧曲柄滑块机构结构图。

图3是本发明基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器单侧曲柄滑块机构爆炸结构图。

图4是本发明基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器曲柄滑块机构安装方式示意图。

图中：

1-主机架 2-曲柄滑块机构 3-翅膀

201-电机固定座 202-曲柄滑块机架 203-限位板

204-减速齿轮组 205-曲柄连杆组件 206-滑块

207-摇杆 208-摇杆连杆 209-驱动舵机

210-套筒A 211-套筒B 212-中部滑道

213-侧部滑道 214-翅膀固定件 215-机架固定座

216-前插头 217-中插头 218-后插头

219-翅根固定件 220-碳纤维定位杆 221-连接件

222-直线舵机 223-凸耳 202a-机架前层

202b-机架中层 202c-机架后层 204a-双联齿轮

204b-减速齿轮 204c-电机齿轮 205a-曲柄前部

205b-曲柄连杆 205c-曲柄后部 206a-前部滑块

206b-后部滑块

具体实施方式

下面将结合附图本发明做进一步的详细说明

本发明基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器，由主机架1、曲柄滑块机构2与翅膀3构成。

所述主机架1为框架结构，前端左右两侧为曲柄滑块机构2安装位，各安装一套曲柄滑块机构2；其余部分镂空减小整机质量。

如图2、图3所示所述曲柄滑块机构2包括电机固定座201，曲柄滑块机架202、限位板203、减速齿轮组204、曲柄连杆组件205、滑块206、摇杆207、摇杆连杆208与驱动空心杯驱动电机209。

其中，曲柄滑块机架202为三层结构，分别为机架前层202a、机架中层202b机架后层202c，且设计为镂空结构，减轻整机质量。

电机固定座201通过平头铆钉固定安装于机架前层202a的前侧面上，电机固定座201上开设孔，孔内固定安装空心杯驱动电机209，且空心杯驱动电机209输出轴穿过机架前层202a上的开孔，位于机架前层202a与机架中层202b之间。

减速齿轮组204位于机架前层202a与机架中层202b之间，包括双联齿轮204a、减速齿轮204b与电机齿轮204c。其中，电机齿轮204c同轴固定安装于空心杯驱动电机209的输出轴上；双联齿轮204a套于平头铆钉A上，平头铆钉A前端固定于机架前层202a上。同时双联齿轮204a中的大齿轮与电机齿轮204c啮合，小齿轮与减速齿轮204b啮合，减速齿轮204b套于机架前层202a上安装的平头铆钉B上。

限位板203为T型结构，置于机架前层202a与机架中层202b之间，其相对两端开孔穿入限位板安装杆，限位板安装杆后端固定于机架后层202c上，限位板安装杆上套有套筒A210，套筒A210位于限位板203与机架中层202b之间，且与两者接触，通过套筒A210实现限位板203前后方向的定位以及限位板203的支撑。限位板安装杆的前端固定于机架前层202a上，通过套筒A210的定位，使限位板203安装后，与前述平头铆钉A后段贴合，通过限位板203限制了双联齿轮204a前后位移，同时防止平头铆钉A的脱落。

曲柄连杆组件205包括曲柄前部205a、曲柄连杆205b与曲柄后部205c。其中，曲柄前部205a中心开孔套于平头铆钉B上，曲柄前部205a前侧设计有突起，与减速齿轮中心孔插接固定，同时曲柄前部205a一端设计有凸起，与减速齿轮204b上开设的偏心孔配合插接，使曲柄前部205a可同减速齿轮204b一同转动；曲柄前部205a另一端固定套接于平头铆钉C上。曲柄连杆205b一端套于平头铆钉C上；同时曲柄后部205c一端固定套接于平头铆钉C上。曲柄后部205c另一端固定于平头铆钉D上，平头铆钉D还穿过机架中层202b以及机架后层202c的开孔，并与后层机架202c固定。平头铆钉D上套有套筒B211，位于机架中层202b与机架后层202c之间，用于机架中层202b与机架后层202c间的定位。

滑块206包括前部滑块206a与后部滑块206b，分别位于中层机架202b前侧与后侧。前部滑块206a与后部滑块206b中心开孔同轴设置，并与前述曲柄连杆205b另一端共同套于平头铆钉E上；同时该平头铆钉E还穿过机架中层202b中心位置沿左右方向开设的中部滑道212。前部滑块206a与后部滑块206b周向上设计有三个连接头206c，相邻连接头206c角度间隔为90度。前部滑块206a与后部滑块206b中对应的连接头206c固定套于平头铆钉F上，则其中两根平头铆钉F位置相对，分别穿过中层机架202b上竖直设计的两条侧部滑道213，两条侧部滑道213分别位于中部滑道212两侧，且与中部滑道212平行；另一根平头铆钉F穿过中部滑道212。由于前部滑块206a与后部滑块206b的结构设计，若要实现两滑块同步等行程运动，中部滑道212长度应大于两条侧部滑道213。

摇杆连杆208为两根，内端开孔套于前述位置相对的两根平头铆钉F上，且位于后部滑块相对两侧的连接头206c与机架中层202b之间。两根摇杆连杆208外端分别安装摇杆207，摇杆207末端设计为U形结构，使摇杆连杆208外端插入摇杆207末端内，且两者均套于平头铆钉G上，该平头铆钉G两端分别固定于摇杆207末端上；同时在摇杆207上靠近摇杆U形末端位置，还开有穿孔，使摇杆207通过该穿孔套于平头铆钉H上，平头铆钉H前端与机架中层202b固连，平头铆钉H后端穿过机架后层202c后套接翅膀固定件214。上述摇杆207外端端面同轴开有盲孔，用来连接翅膀3，则每套曲柄滑块机构2具有上下两个翅膀。

为了提高整体曲柄滑块机构的稳定性，通过机架固定座215实现三层机架与限位板203间的进一步连接固定，具体为：机架固定座215由前至后分别设计有一个插口A、一个插口B、两个插口C与两个插口D；其中插口A与机架前层202a周向上一侧设计的前插头216插接固定；插口B与限位板203独立一端插接固定；两个插口C分别与机架中层202b周向一侧设计的两个中插头217插接固定；插口D分别与机架后层202c周向一侧设计的两个后插头218插接固定。

上述三层机架、限位板203、限位板安装杆以及曲柄连杆205b均为碳纤维材料，保证结构的稳定与紧凑。减速齿轮组204采用塑料标准件，其余零部件采用3D打印材料打印制成，降低整体的重量。

所述翅膀3采用PET聚酯薄膜，保证翅膀3的柔性。翅膀3的前缘、翅根与翅脉均粘接碳纤维杆。其中，翅膀3前缘的碳纤维杆末端插入摇杆207端部盲孔内，与摇杆207间固定；且每套曲柄滑块机构2的两个翅膀3的翅根处碳纤维杆还插入三角形翅根固定件219对角处的通孔内，如图1所示，翅根固定件219另一角处开孔，穿入碳纤维定位杆220，该碳纤维定位杆220端部固定于机架后层203上的开孔处，由此使同侧两个翅膀3根部碳纤维杆与碳纤维定位杆220共同被限制在一个三角形固定架中，进一步保证了扑翼翅膀的稳定性。

通过上述曲柄滑块机构2与其上安装的翅膀3，共同构成一套曲柄滑块扑翼机构。本发明中在主机架1两侧对称设置一套曲柄滑块扑翼机构，通过连接件221与螺栓实现与主机架1间的连接，具体为：

如图4所示，两套曲柄滑块扑翼机构设置于主机架1两侧，使两套曲柄滑块扑翼机构中空心杯驱动电机209输出轴线沿主机架1前后方向，且机架固定座215平行于主机架1左右两侧面设置。连接件221为矩形块，置于两套曲柄滑块扑翼机构中机架固定座215与主机架1侧壁之间，同时固定于主机架1两侧壁上，通过连接件221实现两套曲柄滑块扑翼机构的定位。螺栓穿过主机架1一侧的机架固定座215与连接件221后穿过主机架1，进一步穿过主机架1另一侧的连接件与机架固定座215，由螺母拧紧。由此实现两套曲柄滑块扑翼机构与主机架1间的安装。

本发明基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器，通过两套曲柄滑块扑翼机构中的空心杯驱动电机209实现翅膀3的主动扑动，实现飞行功能。同时通过在主机架1上固定安装的直线舵机222实现俯仰，偏航控制。所述直线舵机222为两个，分别固定于主机架1中部左右两侧，具有上下移动的运动块。两个直线舵机222的运动块分别通过两条拉杆与两套曲柄滑块扑翼机构中机架固定座215上方设计的连接凸耳223连接，由此通过两个直线舵机222的运动块上下运动，由拉杆使拉动主机架1两侧机架固定座215绕螺栓轴线转动，进而实现主机架1两侧翅膀3的扑动角度控制，从而实现俯仰、偏航、滚转的动作。

本发明基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器运动过程具体如下：

由空心杯驱动电机209产生动力，由减速齿轮组204传动，带动曲柄前部205a与曲柄后部205c共同转动，进而由曲柄连杆205b带动前部滑块206a与后部滑块206b整体沿机架中层202b上的三条滑道移动，最终由两根摇杆连杆208带动摇杆207转动，实现两根摇杆207端部翅膀3拍打动作。且通过空心杯驱动电机209控制前部滑块206a与后部滑块206b整体沿机架中层202b上的三条滑道往复移动，实现两翅膀3的拍打动作。

单侧曲柄滑块扑翼机构中的两个摇杆207运动完全对称，四个翅膀3的在一次运动周期内，单侧的一对翅膀3会从闭合状态先打开，在展开的过程中会与对侧的翅膀3合拢继续运动时合拢的翅膀3会打开，单侧的一对翅膀3会继续回到闭合状态。即在一个运动周期开始时，图1中，翅膀A与翅膀B、翅膀C与翅膀D从闭合状态到打开，在展开过程中，翅膀A与翅膀D、翅膀B与翅膀C会合拢，然后合拢的翅膀继续打开，恢复到周期开始的状态，翅膀A与翅膀B和翅膀D完成两次Clap-Fling机制，翅膀C与翅膀B和翅膀D完成两次Clap-Fling机制，总共在一个周期内能够完成四次完整的Clap-Fling机制。

Claims (8)

1.基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器，其特征在于：主机架两侧对称安装有曲柄滑块扑翼机构。曲柄滑块扑翼机构由前中后三层机架构成；前层机架上安装驱动电机；中层机架与前层机架间安装减速齿轮组与曲柄连杆组件；中层机架前后两侧设置有可在中层机架上滑动的滑块；中层机架与后层机架间安装有两个摇杆；摇杆末端安装翅膀固定件，翅膀固定件端部安装翅膀；

上述驱动电机产生驱动力，通过减速齿轮组传递到曲柄连杆组件，由曲柄连杆组件推动滑块滑动；两个摇杆分别安装于中层机架后侧的滑块上，通过滑块的滑动带动两摇杆同步摆动，使翅膀主动扑动。

主机架两侧的曲柄滑块扑翼机构与主机架间连接后，形成转动副；通过直线舵机驱动曲柄滑块扑翼机构转动。

2.如权利要求1所述基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器，其特征在于：前层机架与中层机架间设置限位板，由限位板定位减速齿轮组。

3.如权利要求1所述基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器，其特征在于：上述三层机架由机架固定板固定相对位置。

4.如权利要求1所述基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器，其特征在于：中层机架两侧的滑块中心开孔同轴设置，并与曲柄连杆输出端同轴连接，连接轴穿过机架中层开设的中部滑道；同时中层机架两侧滑块周向上设计有三个连接头，相邻连接头角度间隔为90度，位置对应的连接头同轴连接，连接轴分别穿过中部滑道以及中部滑道两侧平行于中部滑道的侧部滑道。

5.如权利要求1所述一种基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器，其特征在于：直线舵机为两个，分别驱动主机架两侧的曲柄滑块扑翼机构；两个直线舵机固定于主机架上；两个直线舵机的运动块分别通过两条拉杆与两套曲柄滑块扑翼机构中机架固定座上方设计的连接凸耳连接，通过两个直线舵机的运动块上下运动，由拉杆拉动曲柄滑块扑翼机构转动，实现俯仰、偏航、滚转的动作。

6.如权利要求1所述基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器，其特征在于：翅膀采用PET聚酯薄膜，翅膀的前缘、翅根与翅脉均粘接碳纤维杆。

7.如权利要求1所述基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器，其特征在于：同侧曲柄滑块扑翼机构上安装的两个翅膀，翅根处的安装的碳纤维杆与主机架上同侧安装的碳纤维杆间插入三角形翅根固定件三角处开设的通孔内，实现定位。

8.如权利要求1所述基于Clap-Fling机制的可悬停双扑翼飞行器，其特征在于：扑翼飞行器在运动过程中，一个周期内能够完成四次完整的Clap-Fling机制。

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