CN112937857A - 一种仿鸟尾展开机构的驱动单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿鸟尾展开机构的驱动单元，属于柔性结构的驱动技术领域，本发明通过充气管充气使折纸管柔性结构驱动装置带动间距调整装置等间距收缩，使相邻脉管偏转，从而实现尾翼展开；当充气管放气时驱动装置收缩，驱动力减小并且间距调整装置等间距伸长，使相邻脉管回归平行排布状态，即尾翼并拢；本发明是结构紧凑，有足够运动行程，且体积小质量轻的驱动单元。

Description

一种仿鸟尾展开机构的驱动单元
技术领域
本发明属于柔性结构的驱动技术领域，具体涉及一种仿鸟展开机构的驱动单元。
背景技术
仿鸟扑翼飞行器是一种模仿鸟类的飞行器，它的推进、举升和悬停系统都要依靠扑翼机构来实现,相对于固定翼与旋翼,它具有更好的机动灵活性。目前,各国都对仿鸟扑翼飞行器展开了研究，但是关于尾翼的设计还有待创新。鸟类飞行时尾翼羽毛并拢，盘旋或降落时尾翼展开以保持平衡，因此仿鸟飞行器要求尾翼可以独立驱动羽毛展开和收拢。
仿鸟飞行器的尾翼一般采用扇形展开，初始形态为等间距平行排布的羽毛，降落时羽毛脉管底部间距缩小形成相邻偏转，从而实现尾翼展开。该结构要求驱动器可以完成尾翼羽毛从并拢到展开的运动过程并且可以从展开状态回到并拢状态，且体积不能太大，因此，本发明的技术应运而生。
发明内容
本发明针对现有技术中仿鸟类的飞行器的基础上，根据仿鸟扑翼飞行器对尾翼的驱动要求，设计一种结构紧凑，有足够运动行程，体积小质量轻的驱动单元。
本发明是这样实现的：
一种仿鸟尾展开机构的驱动单元，包括支撑框架，支撑框架是由四个立板围成的长方形，框架前端立板设置支撑羽毛脉管支撑轴，羽毛的脉管绕支撑轴旋转，相邻脉管在搭接处距离不变，相互偏转实现尾翼的展开与并拢。
所述的支撑框架左右两侧壁均设置折纸管柔性结构驱动装置，左右两个折纸管柔性结构驱动装置之间设置间距调整装置；所述的折纸管柔性结构驱动装置一端为折纸管柔性结构驱动装置密封端板，所述的折纸管柔性结构驱动装置以及折纸管柔性结构驱动装置密封端板之间为折纸型的结构，可伸缩，所述的折纸管柔性结构驱动装置密封端板与间距调整装置相连接，在间距调整装置的竖直方向上设置若干脉管；所述的折纸管柔性结构驱动装置另一端为折纸管柔性结构驱动装置充气端板，所述的折纸管柔性结构驱动装置充气端板与支撑框架外的充气管相连通；折纸管柔性结构驱动装置固定在框架上并连接充气管，当从充气管充气时驱动装置沿轴向伸长，产生驱动力，密封端驱动间距调整装置缩小间距。
所述的充气管充气使折纸管柔性结构驱动装置带动间距调整装置等间距收缩，使相邻脉管偏转，从而实现尾翼展开；当充气管放气时驱动装置收缩，驱动力减小并且间距调整装置等间距伸长，使相邻脉管回归平行排布状态，即尾翼并拢。
进一步，所述的支撑框架的左右立板上设置悬挂轴，所述的悬挂轴与飞行器尾部相连，支撑框架整体可以在俯仰方向绕悬挂轴旋转。
进一步，所述的折纸管柔性结构驱动装置的高度位于支撑框架高度中间段，悬挂轴位于支撑框架两边立板的中部偏高处以维持总体平衡充气管在悬挂轴向下一段距离的位置。
进一步，所述的支撑框架两边的立板上设置供充气管通过的孔，使充气管穿过支撑框架的立板通向内部的折纸管柔性结构驱动装置，间距调整装置位于两个折纸管柔性结构驱动装置之间，脉管在支撑框架外与羽毛相连，若干羽毛形成尾翼。当从进气管充气时，尾翼羽毛脉管可以实现均匀张开，结构紧凑体积小并且具有自平衡的特点。
进一步，所述的支撑框架几何尺寸受鸟体尾部的空间限制，框架宽度不大于鸟尾整体的宽度，一般采用轻质铝合金材料。
进一步，所述的间距调整装置为等节距的圆柱压缩弹簧，初始时为零载荷状态，脉管底端在弹簧每一圈的同一圆周角位置与弹簧相连，此时脉管平行放置，脉管底部的间距即弹簧的节距；弹簧受驱动力压缩使脉管底部等间距收拢，驱动力与弹簧弹力在框架内平衡；设定弹簧弹性系数k与材料剪切模量G、线径d、中径D及有效圈数N有关，公式为
Figure BDA0002933703890000021
弹簧弹力即驱动载荷大小与压缩长度成正比，比例系数即弹簧弹性系数；弹簧受两端驱动力作用压缩长度为2x时，受到的驱动力大小
Figure BDA0002933703890000022
附图说明
图1为本发明一种仿鸟尾展开机构的驱动单元的结构示意图；
图2为本发明一种仿鸟尾展开机构的驱动单元的折纸管柔性结构驱动装置示意图；
图3为本发明一种仿鸟尾展开机构的驱动单元的折纸管柔性结构驱动装置驱动装置中折纸管结构示意图；
其中，1-支撑框架，2-折纸管柔性结构驱动装置，3-折纸管柔性结构驱动装置密封端板，4-折纸管柔性结构驱动装置充气端板，5-间距调整装置，6-脉管，7-充气管，8-悬挂轴。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1～3所示，本发明的仿鸟尾展开机构的驱动单元，包括支撑框架1，所述的支撑框架1左右两侧壁均设置折纸管柔性结构驱动装置2，左右两个折纸管柔性结构驱动装置2之间设置间距调整装置5，在间距调整装置5的竖直方向上设置若干脉管6；
所述的折纸管柔性结构驱动装置2一端为折纸管柔性结构驱动装置密封端板3，所述的折纸管柔性结构驱动装置密封端板3与间距调整装置5相连接；所述的折纸管柔性结构驱动装置2另一端为折纸管柔性结构驱动装置充气端板4，所述的折纸管柔性结构驱动装置充气端板4与支撑框架1外的充气管7相连通；所述的折纸管柔性结构驱动装置2以及折纸管柔性结构驱动装置密封端板3之间为折纸型的结构，通过充气管7充气、放气可伸缩，进而带动间距调整装置5等间距收缩、间距伸长。
所述的充气管7充气使折纸管柔性结构驱动装置2带动间距调整装置5等间距收缩，使相邻脉管6偏转，从而实现尾翼展开；当充气管放气时驱动装置收缩，驱动力减小并且间距调整装置等间距伸长，使相邻脉管6回归平行排布状态，即尾翼并拢。支撑框架1的左右立板上设置悬挂轴8，所述的悬挂轴8与飞行器尾部相连，支撑框架1整体可以在俯仰方向绕悬挂轴8旋转。
间距调整装置5为等节距的圆柱压缩弹簧，初始时为零载荷状态，脉管底端在弹簧每一圈的同一圆周角位置与弹簧相连，此时脉管平行放置，脉管底部的间距即弹簧的节距。弹簧受驱动力压缩使脉管底部等间距收拢，驱动力与弹簧弹力在框架内平衡。弹簧弹性系数k与材料剪切模量G、线径d、中径D及有效圈数N有关，公式为
Figure BDA0002933703890000041
弹簧弹力即驱动载荷大小与压缩长度成正比，比例系数即弹簧弹性系数。弹簧受两端驱动力作用压缩长度为2x时，受到的驱动力大小
Figure BDA0002933703890000042
以下列举具体的实例进行叙述：
本实例采用图3的形式的折纸管结构作为驱动装置，将折纸管柔性结构驱动装置2的折纸管柔性结构驱动装置密封端板3一端密封并连接间距调整装置，另一端与通过支撑框架1的充气管相连接，并且固定在支撑框架1上。从充气管7充气时驱动装置密封端的气压约为1个标准大气压。仿鸟尾翼尺寸较小，取框架两竖边的距离为60mm，弹簧原始尺寸为L＝50mm，共分布8根脉管，即有效圈数N＝8，相邻脉管初始时间距为5mm左右。选取弹簧中径为12mm，线径为1mm，材料为G＝7000kg/mm2的弹簧钢，其弹簧系数约为k＝63.3g/mm。当弹簧压缩至L1＝40mm时，相邻脉管底部间距缩短1mm，此时需要P1＝6.2N的驱动力，两边的驱动装置各伸长5mm；当弹簧压缩至L2＝30mm时，相邻脉管底部间距缩短2mm，此时需要P2＝12.41N的驱动力，两边驱动装置各伸长10mm。弹簧最小长度为Lmin＝11mm，即相邻脉管间距1mm，此时弹簧处于紧密压缩状态，需要驱动力Pmax＝24.2N。当采用内圈尺寸约16mm宽的正方形的折纸管时，从进气管通入一个标准大气压的空气时每个驱动装置可以提供约25N的驱动力，可以满足驱动力的要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种仿鸟尾展开机构的驱动单元，包括支撑框架(1)，其特征在于，所述的支撑框架(1)左右两侧壁均设置折纸管柔性结构驱动装置(2)，左右两个折纸管柔性结构驱动装置(2)之间设置间距调整装置(5)；所述的折纸管柔性结构驱动装置(2)一端为折纸管柔性结构驱动装置密封端板(3)，所述的折纸管柔性结构驱动装置密封端板(3)与间距调整装置(5)相连接，在间距调整装置(5)的竖直方向上设置若干脉管(6)；所述的折纸管柔性结构驱动装置(2)另一端为折纸管柔性结构驱动装置充气端板(4)，所述的折纸管柔性结构驱动装置充气端板(4)与支撑框架(1)外的充气管(7)相连通；所述的充气管(7)充气使折纸管柔性结构驱动装置(2)带动间距调整装置(5)等间距收缩，使相邻脉管(6)偏转，从而实现尾翼展开；当充气管放气时驱动装置收缩，驱动力减小并且间距调整装置等间距伸长，使相邻脉管(6)回归平行排布状态，即尾翼并拢。
2.根据权利要求1所述的一种仿鸟尾展开机构的驱动单元，其特征在于，所述的支撑框架(1)的左右立板上设置悬挂轴(8)，所述的悬挂轴(8)与飞行器尾部相连，支撑框架(1)整体可以在俯仰方向绕悬挂轴(8)旋转。
3.根据权利要求2所述的一种仿鸟尾展开机构的驱动单元，其特征在于，所述的折纸管柔性结构驱动装置(2)的高度位于支撑框架(1)高度中间段，悬挂轴(8)位于支撑框架(1)两边立板的中部偏高处以维持总体平衡充气管(7)在悬挂轴(8)向下一段距离的位置。
4.根据权利要求1所述的一种仿鸟尾展开机构的驱动单元，其特征在于，所述的支撑框架(1)两边的立板上设置供充气管(7)通过的孔，使充气管(7)穿过支撑框架(1)的立板通向内部的折纸管柔性结构驱动装置(2)，间距调整装置(5)位于两个折纸管柔性结构驱动装置(2)之间，脉管(6)在支撑框架(1)外与羽毛相连，若干羽毛形成尾翼。
5.根据权利要求1所述的一种仿鸟尾展开机构的驱动单元，其特征在于，所述的支撑框架(1)采用轻质铝合金材料。
6.根据权利要求1所述的一种仿鸟尾展开机构的驱动单元，其特征在于，所述的间距调整装置(5)为等节距的圆柱压缩弹簧，初始时为零载荷状态，脉管(6)底端在弹簧每一圈的同一圆周角位置与弹簧相连，此时脉管平行放置，脉管底部的间距即弹簧的节距；弹簧受驱动力压缩使脉管底部等间距收拢，驱动力与弹簧弹力在框架内平衡；设定弹簧弹性系数k与材料剪切模量G、线径d、中径D及有效圈数N有关，公式为
Figure FDA0002933703880000021
弹簧弹力即驱动载荷大小与压缩长度成正比，比例系数即弹簧弹性系数；弹簧受两端驱动力作用压缩长度为2x时，受到的驱动力大小
Figure FDA0002933703880000022
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