CN113002772B - 一种扑折一体化的仿蝙蝠扑翼飞行器 - Google Patents

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Abstract

一种扑折一体化的仿蝙蝠扑翼飞行器属仿生扑翼飞行器结构设计领域，本发明以直流无刷电机组为驱动机构，通过二级圆柱齿轮减速器降低转速并增大扭矩；双曲柄扑动机构将电机的旋转运动转化为飞行器的往复扑翼运动；单级圆锥齿轮改变旋转运动方向，再通过曲柄滑块机构将旋转运动转化为飞行器翅膀的折叠运动，所有机构都安装在机身机架上。本飞行器下冲程过程中翅膀逐渐展开，并在下扑极限处完全展开；上冲程过程中翅膀逐渐收缩，并在上扑极限处翅膀完全折叠。本发明更加贴近了蝙蝠的飞行机理，有利于提升仿生飞行器的升力，并为飞行器的保护和储存提供了便利。

Description

一种扑折一体化的仿蝙蝠扑翼飞行器
技术领域
本发明属仿生扑翼飞行器结构设计领域，具体涉及一种扑动和折叠一体化的仿蝙蝠扑翼飞行器结构设计。
背景技术
微型飞行器经过多年的发展，固定翼和旋翼微型飞行器研制技术已经相当成熟，均已广泛应用。但这两种飞行器有自身的局限性，效率不高、灵活性不足，不能适用于所有的工作环境。而扑翼飞行器在进行扑翼飞行时，翼尖涡在翼尖处产生低压区域，与前缘涡相互作用，从而提高自身的升力，充分、高效的利用了涡流能量。同时拍-挥机制、快速旋转、前缘涡导致的失速延迟、尾迹捕捉和被动俯仰等非定常流动机理，使扑翼飞行器在具备固定翼和旋翼的优点下，还可以实现快速起飞、爬升和降落、悬停、滑翔等运动，具有很高的灵活性和机动性。因此，许多科学家认为扑翼飞行器是最具有前景及发展空间的一类飞行器，近些年来一直是国内外研究的热点。
欧美一些发达国家对扑翼飞行器的研究及研制处于世界领先地位，研制的扑翼飞行器已经应用于民用和军事领域，并取得了很好的成效。我国在扑翼飞行器研制方面与国外有着不小的差距，因此我国扑翼飞行器在军事和民用方面得使用的非常少。目前扑翼飞行器的翅膀设计大部分为刚性体，飞行时翅膀面积和外形固定不变，与扑翼飞行生物扑动时翅膀结构变化不同，导致扑翼飞行器升力不足，也不利于扑翼飞行器的保护和储存。本设计旨在设计一种扑动和折叠一体化的仿蝙蝠扑翼飞行器，以解决上述问题。
发明内容
本发明由驱动机构A、减速机构B、换向机构C、折叠机构D、扑动机构E、翅膀骨架F、尾翼G组成，其中驱动机构A后端通过中心凸台7和电机支架3与机身骨架连接，前端直流无刷电机1输出轴5与减速机构B连接，位于飞行器的中心位置；减速机构B后端的高速齿轮15通过轴承组I14与驱动机构A连接，前端输出齿轮11与扑动机构E连接，位于飞行器的前端；换向机构C竖直端圆锥齿轮18与减速机构B输出轴II17连接，水平端圆锥齿轮21与折叠机构D连接，中心对称分布驱动机构A的左右两端；折叠机构D的滑块25与翅膀骨架F固定轴31连接；扑动机构E曲柄29与减速机构B输出轴II17连接，位于减速机构B前端的左右两侧，摇杆26与翅膀骨架F连接；翅膀骨架F与扑动机构E和折叠机构D连接，位于飞行器左右边的最外侧；尾翼G固定在机身骨架上，位于飞行器的尾端。
所述的机构由驱动机构A、减速机构B、换向机构C、折叠机构D、扑动机构E组成。驱动机构A由直流无刷电机1、螺钉组I2、电机支架3及螺栓组4组成，直流无刷电机1由中心凸台7和螺纹孔组I6与电机支架3定位，通过螺栓组4固定，电机支架螺钉组I2的4个螺钉通过螺纹连接将直流无刷电机1和电机支架3固定在机身骨架上；所述的减速机构B由高速齿轮15、一级减速大齿轮13、一级减速小齿轮12、左侧二级减速齿轮11、右侧二级减速齿轮16、轴承组I14和输出轴17组成，高速齿轮15与一级减速大齿轮13相互啮合，一级减速大齿轮13和一级减速小齿轮11由轴承组14及轴连接，一级减速小齿轮11与右侧二级减速齿轮16相互啮合，右侧二级减速齿轮16再和左侧二级减速齿轮11相互啮合，二级减速齿轮最后通过轴承组14和输出轴II17安装在机身骨架上；所述的换向机构C由竖直端圆锥齿轮18、轴承组II19、旋转轴组20和水平端圆锥齿轮21组成，竖直端圆锥齿轮18和水平端圆锥齿轮21相互啮合，水平端圆锥齿轮21通过轴承组II19与折叠机构D连接；所述的折叠机构D由两个完全相同的曲柄滑块机构组成，曲柄滑块机构由曲柄I22、销轴组I23、连杆I24和滑块I25组成，曲柄I22、连杆I24和滑块I25之间通过销轴组I23连接；所述的扑动机构E由两个完全相同的曲柄摇杆机构组成，曲柄连杆机构由摇杆26、连杆II27、销轴组II28和曲柄II29组成，曲柄II29、连杆II27和摇杆26之间通过销轴组II28连接。
所述的翅膀骨架F由肱骨32、桡骨36、指骨I38、指骨II39、指骨III40连杆，辅助连杆I32、辅助连杆II34、辅助连杆III35、辅助连杆IV37、固定轴31和驱动滑块30组成，各连杆之间通过销轴相连。
所述的尾翼G由固定支架41、螺钉组II42、舵机组43、曲柄III44、螺纹孔组II45和尾翼连杆组46组成，舵机组43由螺钉组II42固定在固定支架41上，尾翼连杆组46与曲柄III44固连，然后与舵机组43连接。
本发明的工作过程如下：
飞行器安装时，先将扑动机构E的摇杆26转到上扑极限位置，然后将折叠机构D的滑块I移到离摇杆26最远的位置，此时翅膀骨架F处于完全折叠的状态。当本扑折一体化的仿蝙蝠扑翼飞行器开始工作时，驱动机构A的直流无刷电机1输出轴高速旋转，经过减速机构B二级圆柱齿轮减速后，转速降低，通过扑动机构E将旋转运动转化为飞行器的往复扑翼运动，扑动机构E再带动翅膀骨架F进行扑动，扑翼频率为蝙蝠飞行时的平均频率10Hz。同时，换向机构C将减速机构B输出轴II17旋转方向由水平变为竖直方向，通过折叠机构D的曲柄滑块机构将旋转运动转化为滑块的直线往复运动。折叠机构D的滑块带动翅膀骨架F的驱动滑块30进行直线运动，翅膀骨架F的辅助连杆组随驱动滑块30来回摆动，从而带动肱骨33、桡骨36、指骨I38、指骨II39、指骨III40连杆进行收缩或伸展运动。因为扑动机构E和折叠机构D均连接着减速机构B的二级减速齿轮，因此两者的运动是同步的，下冲程过程中翅膀逐渐展开，并在下扑极限处完全展开；上冲程过程中翅膀逐渐收缩，并在上扑极限处翅膀完全折叠。
本发明的有益效果如下：
本发明扑翼飞行时，翅膀形状随扑动规律变化，下扑过程中翅膀展开，上扑翅膀折叠，更加贴近了蝙蝠的飞行机理，有利于提升仿生飞行器的升力。同时，飞行器不工作时，可以将翅膀收缩大约60％，为飞行器的保护和储存提供了便利。
附图说明
图1扑折一体化的仿蝙蝠扑翼飞行器翅膀骨架完全折叠轴测图
图2扑折一体化的仿蝙蝠扑翼飞行器翅膀骨架完全折叠主视图
图3扑折一体化的仿蝙蝠扑翼飞行器翅膀骨架完全折叠俯视图
图4扑折一体化的仿蝙蝠扑翼飞行器翅膀骨架完全展开轴测图
图5扑折一体化的仿蝙蝠扑翼飞行器翅膀骨架完全展开主视图
图6扑折一体化的仿蝙蝠扑翼飞行器翅膀骨架完全展开俯视图
图7驱动机构爆炸图
图8无刷电机结构示意图
图9电机支架结构示意图
图10减速机构连接示意图
图11换向机构连接示意图
图12折叠机构完全展开时结构示意图
图13折叠机构完全折叠时结构示意图
图14扑动机构位于最低点时连接示意图
图15扑动机构位于最高点时连接示意图
图16翅膀骨架完全展开时结构示意图
图17翅膀骨架完全折叠时结构示意图
图18尾翼结构示意图
其中：A.驱动机构 B.减速机构 C.换向机构 D.折叠机构 E.扑动机构 F.翅膀骨架 G.尾翼 1.直流无刷电机 2.螺钉组I 3.电机支架 4.螺栓组 5.输出轴I 6.螺纹孔组I7.中心凸台 8.孔组 9.沉头孔组 10.中心孔 11.左侧二级减速齿轮 12.一级减速小齿轮13.一级减速大齿轮 14.轴承组I 15.高速齿轮 16.右侧二级减速齿轮 17.输出轴II 18.竖直端圆锥齿轮 19.轴承组II 20.旋转轴组 21.水平端圆锥齿轮 22.曲柄I 23.销轴组I24.连杆I 25.滑块I 26.摇杆 27.连杆II 28.销轴组II 29.曲柄II 30.驱动滑块 31.固定轴 32.辅助连杆I 33.肱骨连杆 34.辅助连杆II 35.辅助连杆III 36.桡骨连杆 37辅助连杆IV 38.指骨连杆I 39.指骨连杆II 40.指骨连杆III 41.固定支架 42.螺钉组II 43.舵机组 44.曲柄III 45.螺纹孔组II 46.尾翼连杆组
具体实施方式
下面结合权利要求内容和附图对本发明进行描述。
由图1至图18可知，本发明由驱动机构A、减速机构B、换向机构C、折叠机构D、扑动机构E、翅膀骨架F、尾翼G组成，其中驱动机构A后端通过中心凸台7和电机支架3与机身骨架连接，前端直流无刷电机1输出轴5与减速机构B连接，位于飞行器的中心位置；减速机构B后端的高速齿轮15通过轴承组I14与驱动机构A连接，前端输出齿轮11与扑动机构E连接，位于飞行器的前端；换向机构C竖直端圆锥齿轮18与减速机构B输出轴17连接，水平端圆锥齿轮21与折叠机构D连接，中心对称分布驱动机构A的左右两端；折叠机构D的滑块25与翅膀骨架F固定轴31连接；扑动机构E曲柄29与减速机构B输出轴17连接，位于减速机构B前端的左右两侧，摇杆26与翅膀骨架F连接；翅膀骨架F与扑动机构E和折叠机构D连接，位于飞行器左右边的最外侧；尾翼G固定在机身骨架上，位于飞行器的尾端。
由图7至图15可知，所述的机构由驱动机构A、减速机构B、换向机构C、折叠机构D、扑动机构E组成。驱动机构A由直流无刷电机1、螺钉组I2、电机支架3及螺栓组4组成，直流无刷电机1由中心凸台7和螺纹孔组I6与电机支架3定位，通过螺栓组4固定，电机支架螺钉组I2的4个螺钉通过螺纹连接将直流无刷电机1和电机支架3固定在机身骨架上；所述的减速机构B由高速齿轮15、一级减速大齿轮13、一级减速小齿轮12、左侧二级减速齿轮11、右侧二级减速齿轮16、轴承组I14和输出轴17组成，高速齿轮15与一级减速大齿轮13相互啮合，一级减速大齿轮13和一级减速小齿轮11由轴承组14及轴连接，一级减速小齿轮11与右侧二级减速齿轮16相互啮合，右侧二级减速齿轮16再和左侧二级减速齿轮11相互啮合，二级减速齿轮最后通过轴承组14和输出轴II17安装在机身骨架上；所述的换向机构C由竖直端圆锥齿轮18、轴承组II19、旋转轴组20和水平端圆锥齿轮21组成，竖直端圆锥齿轮18和水平端圆锥齿轮21相互啮合，水平端圆锥齿轮21通过轴承组II19与折叠机构D连接；所述的折叠机构D由两个完全相同的曲柄滑块机构组成，曲柄滑块机构由曲柄I22、销轴组I23、连杆I24和滑块I25组成，曲柄I22、连杆I24和滑块I25之间通过销轴组I23连接；所述的扑动机构E由两个完全相同的曲柄摇杆机构组成，曲柄连杆机构由摇杆26、连杆II27、销轴组II28和曲柄II29组成，曲柄II29、连杆II27和摇杆26之间通过销轴组II28连接。
由图16至图17可知，所述的翅膀骨架F由肱骨32、桡骨36、指骨I38、指骨II39、指骨III40连杆，辅助连杆I32、辅助连杆II34、辅助连杆III35、辅助连杆IV37、固定轴31和驱动滑块30组成，各连杆之间通过销轴相连。
由图18可知，所述的尾翼G由固定支架41、螺钉组II42、舵机组43、曲柄III44、螺纹孔组II45和尾翼连杆组46组成，舵机组43由螺钉组II42固定在固定支架41上，尾翼连杆组46与曲柄III44固连，再与舵机组43连接。

Claims (4)

1.一种扑折一体化的仿蝙蝠扑翼飞行器，其特征在于，由驱动机构(A)、减速机构(B)、换向机构(C)、折叠机构(D)、扑动机构(E)、翅膀骨架(F)、尾翼(G)组成，其中驱动机构(A)后端通过中心凸台(7)和电机支架(3)与机身骨架连接，前端直流无刷电机(1)输出轴I(5)与减速机构(B)连接，位于飞行器的中心位置；减速机构(B)后端的高速齿轮(15)通过轴承组I(14)与驱动机构(A)连接，前端输出齿轮与扑动机构(E)连接，位于飞行器的前端；换向机构(C)竖直端圆锥齿轮(18)与减速机构(B)输出轴II(17)连接，水平端圆锥齿轮(21)与折叠机构(D)连接，中心对称分布驱动机构(A)的左右两端；折叠机构(D)的滑块I(25)与翅膀骨架(F)固定轴(31)连接；扑动机构(E)曲柄II(29)与减速机构(B)输出轴II(17)连接，位于减速机构(B)前端的左右两侧，摇杆(26)与翅膀骨架(F)连接；翅膀骨架(F)与扑动机构(E)和折叠机构(D)连接，位于飞行器左右边的最外侧；尾翼(G)固定在机身骨架上，位于飞行器的尾端。
2.根据权利要求1所述的一种扑折一体化的仿蝙蝠扑翼飞行器，其特征在于，所述的驱动机构(A)由直流无刷电机(1)、螺钉组I(2)、电机支架(3)及螺栓组(4)组成，直流无刷电机(1)由中心凸台(7)和螺纹孔组I(6)与电机支架(3)定位，通过螺栓组(4)固定，电机支架的螺钉组I(2)的4个螺钉通过螺纹连接将直流无刷电机(1)和电机支架(3)固定在机身骨架上；所述的减速机构(B)由高速齿轮(15)、一级减速大齿轮(13)、一级减速小齿轮(12)、左侧二级减速齿轮(11)、右侧二级减速齿轮(16)、轴承组I(14)和输出轴II(17)组成，高速齿轮(15)与一级减速大齿轮(13)相互啮合，一级减速大齿轮(13)和一级减速小齿轮(12)由轴承组I(14)及轴连接，一级减速小齿轮(12)与右侧二级减速齿轮(16)相互啮合，右侧二级减速齿轮(16)再和左侧二级减速齿轮(11)相互啮合，二级减速齿轮最后通过轴承组(14)和输出轴II(17)安装在机身骨架上；所述的换向机构(C)由竖直端圆锥齿轮(18)、轴承组II(19)、旋转轴组(20)和水平端圆锥齿轮(21)组成，竖直端圆锥齿轮(18)和水平端圆锥齿轮(21)相互啮合，水平端圆锥齿轮(21)通过轴承组II(19)与折叠机构(D)连接；所述的折叠机构(D)由两个完全相同的曲柄滑块机构组成，曲柄滑块机构由曲柄I(22)、销轴组I(23)、连杆I(24)和滑块I(25)组成，曲柄I(22)、连杆I(24)和滑块I(25)之间通过销轴组I(23)连接；所述的扑动机构(E)由两个完全相同的曲柄摇杆机构组成，曲柄连杆机构由摇杆(26)、连杆II(27)、销轴组II(28)和曲柄II(29)组成，曲柄II(29)、连杆II(27)和摇杆(26)之间通过销轴组II(28)连接。
3.根据权利要求1所述的一种扑折一体化的仿蝙蝠扑翼飞行器，其特征在于，所述的翅膀骨架(F)由肱骨(33)、桡骨(36)、指骨I(38)、指骨II(39)、指骨III(40)连杆，辅助连杆I(32)、辅助连杆II(34)、辅助连杆III(35)、辅助连杆IV(37)、固定轴(31)和驱动滑块(30)组成，各连杆之间通过销轴相连。
4.根据权利要求1所述的一种扑折一体化的仿蝙蝠扑翼飞行器，其特征在于，所述的尾翼(G)由固定支架(41)、螺钉组II(42)、舵机组(43)、曲柄III(44)、螺纹孔组II(45)和尾翼连杆组(46)组成，舵机组(43)由螺钉组II(42)固定在固定支架(41)上，尾翼连杆组(46)与曲柄III(44)固连，然后与舵机组(43)连接。
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