CN113044216A - 一种仿生扑翼三自由度运动测力系统 - Google Patents

一种仿生扑翼三自由度运动测力系统 Download PDF

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Abstract

一种仿生扑翼三自由度运动测力系统，其包括X和Y向铝型材组成的矩形支撑框、传动机构和控制机构；所述传动机构包括，Z向设于所述支撑框一个所述Y向铝型材外侧的驱动机构、设于所述矩形支撑框内侧且与构成所述支撑框两侧的铝型材平行的侧滑轨、两端分别与所述侧滑轨垂直的供设置所述仿生扑翼的中央平台滑动的中滑轨，和连接所述驱动机构和套设于所述滑动轨的滑动件上的同步带；所述仿生扑翼根部设有六轴力/力矩传感器。本发明提供的技术方案在平面内实现了一自由度，二自由度或三自由度的任意扑翼运动的模拟规律。

Description

一种仿生扑翼三自由度运动测力系统
技术领域
本发明涉及一种仿生扑翼运动测力系统，具体涉及一种可实现三自由度仿生扑动规律的翼面运动测力系统。
背景技术
有飞行专家美誉的昆虫通过扑动翅膀产生气动升推力，对昆虫翅膀的扑动模式进行气动模拟实验时，现有技术一般使用水平往复拍动和绕翅膀展向扭转的二自由度运动机构来进行近似实验模拟，但距昆虫翅膀的实际运动相差甚远，如有些昆虫的翼尖运动轨迹呈“8”字型等复杂运动轨迹，所以二自由度的翼面运动机构无法获得准确的结果；近年来，也有使用三自由度运动机构对昆虫翅膀扑动模式进行模拟的已有技术，但是这些三自由度运动机构的机构设计复杂，精度较低且获得的运动参数空间范围小。
发明内容
为了克服现有技术机构运动模式复杂度不足、结构复杂和运动参数空间范围小的问题，本发明提供了一种扑翼运动测力系统，具有水平X、Y方向平移和绕垂向扭转的三个自由度的模拟飞行生物与仿生飞行器的扑翼运动，并能实时测量翼面运动过程中的力和力矩。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种仿生扑翼三自由度运动测力系统，所述系统包括：X和Y向铝型材组成的矩形支撑框、传动机构和控制机构；其特征在于，所述传动机构包括，Z向设于所述支撑框一个所述Y向铝型材外侧的驱动机构、设于所述矩形支撑框内侧且与构成所述支撑框两侧的铝型材平行的侧滑轨、两端分别与所述侧滑动轨垂直的供设置所述仿生扑翼的中央平台滑动的中滑轨，和连接所述驱动机构和套设于所述滑动轨的滑动件上的同步带；所述仿生扑翼根部设有与所述控制机构连接的六轴力/力矩传感器。
其中，所述滑动件包括：分别设有与所述滑动轨同轴心的加长直线轴承，所述加长轴承的两端分别设有放置卡簧的凹槽；和Z向设置的供安放所述同步带的双层同步轮。
其中，所述驱动机构为两个Z向设于所述矩形支撑框一个Y向铝型材外侧的设有同步轮的电机。
其中，所述中央平台为一体成型的轴向与所述Y向平行的平台；该平台包括，放置两个所述中滑轨加长直线轴承且在同一平面上的Y向通孔，固定所述同步带的Y向凸块，和其一端下侧设有放置翼面扭转驱动电机的Z向凹槽。
其中，所述翼面为3D打印的翼面，其包括根部、至少两根沿根部向外延伸的尺寸较根部细的翼梁、和向所述矩形支撑框一侧延伸且较所述根部较粗的Z向延长轴。
其中，所述同步带分别与所述同步轮的驱动电机的同步轮和所述双层同步轮连接，以通过所述电机的同步轮的转动带动所述双层同步轮转动，实现中央平台在Y向的移动。
其中，所述控制机构分别通过电机驱动器同所述中央平台的驱动电机和两个设于所述支撑框一个所述Y向构件外侧的驱动电机连接，以实现对其控制。与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的仿生扑翼运动测力系统包括X、Y水平方向的运动结构设计，且在该平面运动结构的中央平台上竖直搭载一个翼面扭转驱动电机，从而实现了翼面模型的三自由度运动，本系统结构简单，制作方便，可模拟更复杂的扑翼运动规律。
(2)本发明提供的技术方案，由于两个Z向设于所述支撑框的一个所述Y向铝型材外侧的同步驱动电机控制竖直搭载翼面扭转驱动电机的中央平台在X和Y方向的移动，从而实现了对翼面模型运动的精确控制。
(3)再者，由于X和Y向铝型材组成的矩形支撑框中的供所述中央平台侧滑轨和中滑轨的设计，从而实现了所述仿生扑翼运动测力系统沿X方向和Y方向的大范围平移运动，而翼面模型的扭转运动在XY平面之外，因此扩大了翼面模型的运动参数空间范围。
附图说明：
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的结构俯视图；
图3为本发明的结构主视图；
图4为本发明的结构左视图；
图5为本发明的中央平台结构示意图；
图6为本发明同步带套俯视示意图
其中：1-中央平台；1A-中央平台左侧；1B-电机固定凹槽；1C-同步带固定凸块；1D-固定螺栓；1E-同步带卡槽；1F-轴向孔,2-翼面扭转驱动电机，3-联轴器，4-电机同步轮，5-步进电机固定支架，6-同步带驱动电机，7-同步带，8-加长直线轴承，9-滑动件，10-侧滑轨，11-铝型材，12-型材角码，13-型材滑轨连接件，14-双层同步轮，15-延长轴，16-六轴力/力矩传感器，17-翼面模型，18-中滑轨。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的技术方案作进一步详细说明：
如图1所示，本发明提供的一种仿生扑翼三自由度运动测力系统包括：X和Y向铝型材组成的矩形支撑框、传动机构和控制机构。
其中Z向设于所述矩形支撑框的技术特征“双层同步轮”意为在所述矩形支撑框的一个Z轴向的同步轮的上下两侧各设一个同步轮的同步轮。
所述传动机构包括，Z向设于所述支撑框Y向铝型材外侧的两个同步带驱动电机6、设于所述矩形支撑框X向内侧且与构成所述支撑框两侧的铝型材平行的两个X向的侧滑轨10、两端分别与所述侧滑轨10垂直的供设置所述仿生扑翼的中央平台滑动的中滑轨18，仿生扑翼设有与所述控制机构连接的六轴力/力矩传感器16以及按图6所示套于同步带驱动电机6的电机同步轮4、14-1、14-2、14-3和14-4的双层同步轮上的同步带；
如图5所示所述中央平台为一体成型的轴向与所述Y向平行的平台；该平台包括，放置两个所述中滑轨加长直线轴承且在同一平面上的Y向通孔，固定所述同步带的Y向凸块1C，和其一端下侧设有放置翼面扭转驱动电机2的Z向凹槽1B。
如图6所示，所述侧滑轨10和中滑轨18分别通过套设的加长直线轴承8贯通所述滑动件9的X和Y向的通孔，所述滑动件9的Z向上设有所述双层同步轮14-1、14-2、14-3和14-4。该图中每个双层同步轮以两个相同的标号示出所述矩形支撑框上下两层的同步轮。
如图4所示，所述翼面为3D打印的翼面，该翼面包括Z向设置的根部、至少两根沿根部向外延伸的尺寸较根部细的翼梁，和与六轴力/力矩传感器16相连接的较所述根部粗的Z向延长轴15。所述控制机构(图中未示出)分别通过电机驱动器同所述中央平台的翼面扭转驱动电机2和两个Z向设于所述支撑框一个所述Y向铝型材外侧的同步带驱动电机6连接，以实现对这三个驱动电机的控制，驱动所述电机同步轮4的转动以及驱动翼面模型实现绕Z向电机2的输出轴的扭转运动。
使用时，按如图6箭头所示方向套设传送带，中央平台1搭载一个翼面扭转驱动电机2，驱动翼面模型实现绕Z向电机输出轴的扭转运动，同步带传动机构带动中央平台实现沿X和Y方向平移。
在所述矩形支撑框Y向铝型材外侧的两个同步带驱动电机6的电机同步轮4的驱动下，带动中央平台1在侧滑轨10上移动，实现X方向的位移；带动中央平台1在中滑轨上的移动，实现Y方向的位移。
在翼面扭转驱动电机2的驱动下实现翼面模型绕Z方向电机输出轴的扭转运动。
其中，所述加长直线轴承设有两个穿过滑动件9的轴向孔，将卡簧卡在加长直线轴承两端的凹槽内以固定轴承，每个滑动件上设有一组双层同步轮，同步带绕过双层同步轮，带动滑动件9在X方向的侧向滑动轨上滑动；
所述中央平台1的加长直线轴承穿过中央平台的通孔套设于所述中滑轨18上，将卡簧卡在加长直线轴承两端的凹槽内以固定轴承，同步带用螺栓固定在中央平台的同步带固定凸块上，带动中央平台在所述中滑轨上沿Y方向滑动；
所述同步带传动机构X方向的侧滑轨10通过四个型材滑轨连接件固定在Y方向的两根铝型材上，X方向和Y方向的四根铝型材间通过四个型材角码及配套T型螺栓连接固定，组成所述矩形支撑框。
所述翼面模型由3D打印而成，打印的翼面模型根部有两根较细的向外延伸的翼梁，与根部相连的向所述矩形支撑框一侧延伸的较该根部粗的Z向轴延长轴15。所述六轴力/力矩传感器安装在所述Z向延长轴15上；延长轴15的上部通过联轴器与翼面扭转驱动电机的电机输出轴连接，当翼面扭转驱动电机转动时带动翼面模型绕Z向电机输出轴做扭转运动，翼面扭转驱动电机搭载在中央平台的凹槽1B内，通过螺栓固定在凹槽1B底端。
所述驱动机构包括两个同步带驱动电机6和一个翼面扭转驱动电机2，所述两个同步带驱动电机6驱动两个电机同步轮4带动同步带转动，翼面扭转驱动电机2通过联轴器3与翼面模型17连接，带动翼面模型17绕Z向电机输出轴做扭转运动，所述驱动电机通过电机驱动器与控制器相连，以对驱动电机6和2进行编程控制。
在控制器控制下，两个同步带驱动电机6同向同速转动时，传动机构带动中央平台1在侧滑轨10上实现Y向平移运动，当两个同步带驱动电机6反向同速转动时，同步带传动机构带动中央平台在所述中滑轨18上实现X向平移运动，当两个同步带驱动电机6的转速大小和转动方向都分别随时间而改变时，同步带中央平台1便可在所述矩形支撑框平面内做任意曲线运动。
在本发明的一个实施例中，当两个同步带驱动电机6同向同速转动时，带动所述中央平台1在所述中滑轨18上沿Y向平移；当两个同步带驱动电机6反向同速转动时，带传动机构带动中央平台在侧滑轨10上沿X向平移运动；当两个同步带驱动电机6转速大小和转动方向都分别随时间而改变时，带动中央平台1在所述矩形框的XY平面内做任意曲线运动。在控制器控制下，搭载于中央平台1的翼面扭转驱动电机2随中央平台在所述矩形框的平面内运动，同时翼面模型17绕驱动电机2的Z向电机输出轴做扭转运动，实现了翼面模型的三自由度运动。
本发明提供的技术方案通过对步进电机控制系统的调整，在XY平面内实现了一自由度，二自由度或三自由度的任意扑翼运动规律。此外，本发明提供的技术方案还可在仿生翼面模型翼根处加装ATI Nano17六轴力/力矩传感器，实时精确测量翼面模型运动时的力和力矩，再配合流场显示设备(如PIV粒子图像测速设备)，可实现水洞中仿生翼面扑动的流场可视化。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种仿生扑翼三自由度运动测力系统，所述系统包括：X和Y向铝型材组成的矩形支撑框、传动机构和控制机构；其特征在于，所述传动机构包括，Z向设于所述支撑框一个所述Y向铝型材外侧的驱动机构、设于所述矩形支撑框内侧且与构成所述支撑框两侧的铝型材平行的侧滑轨、两端分别与所述侧滑动轨垂直的供设置所述仿生扑翼的中央平台滑动的中滑轨，和连接所述驱动机构和套设于所述滑动轨的滑动件上的同步带；所述仿生扑翼根部设有六轴力/力矩传感器。
2.如权利要求1所述的一种仿生扑翼三自由度运动测力系统，其特征在于，所述滑动件包括：
分别设有与所述滑动轨同轴心的加长直线轴承，所述加长轴承的两端分别设有放置卡簧的凹槽；和，Z向设置的供安放所述同步带的双层同步轮。
3.如权利要求1所述的一种仿生扑翼三自由度运动测力系统，其特征在于，所述驱动机构为两个Z向设于所述矩形支撑框一个Y向铝型材外侧的设有同步轮的电机。
4.如权利要求2所述的一种仿生扑翼三自由度运动测力系统，其特征在于，所述中央平台为一体成型的轴向与所述Y向平行的平台；
该平台包括，放置两个所述中滑轨加长直线轴承且在同一平面上的Y向通孔，固定所述同步带的Y向凸块，和其一端下侧设有放置翼面扭转驱动电机的Z向凹槽。
5.如权利要求4所述的一种仿生扑翼三自由度运动测力系统，其特征在于所述翼面为3D打印的一体翼面，其包括Z向根部、两根沿所述Z向根部外延伸的尺寸较所述根部细的翼梁，和向所述矩形支撑框一侧延长并较所述根部粗的Z向延长轴。
6.如权利要求4所述的一种仿生扑翼三自由度运动测力系统，其特征在于，所述同步带分别与所述驱动电机的同步轮和所述双层同步轮连接，以通过所述驱动电机的同步轮的转动带动所述双层同步轮转动，实现中央平台在Y向的移动。
7.如权利要求1所述的一种用于仿生扑翼运动的测力系统，其特征在于，所述控制机构分别通过电机驱动器同所述中央平台的驱动电机和两个Z向设于所述支撑框一个所述Y向铝型材外侧的驱动电机连接，以实现对其控制。
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