CN113371193B - 一种基于折纸材料的仿鸟尾展开结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于折纸材料的仿鸟尾展开结构，属于柔性结构设计技术领域，该结构由一个前端固定板、两个侧边柔性板、一个折展板、一个密封板、一个后端板、两个拉伸弹簧和固定框架、翅脉、羽片组成，其中前端固定板、侧边柔性板、折展板、密封板和后端板组成一个密封箱体，前端固定板与固定框架连接，前端固定板中央设有圆孔，充气管从中间通过。翅脉固定在折展板的折痕波峰处并且向外伸出一段，用于连接尾翼羽片。充气时后端板向左右两边展开，并带动折展板及翅脉展开，实现仿鸟尾翼面随充气量变化时改变展开角度，且本发明的结构体积小质量轻。

Description

一种基于折纸材料的仿鸟尾展开结构

技术领域

本发明属于柔性结构设计技术领域，具体涉及一种仿鸟尾展开的结构。

背景技术

仿鸟扑翼飞行器是一种通过扑动机翼来产生升力和推力以实现飞行的飞行器，目前已知的几种扑翼飞行器都采用尾翼作为其控制面，使飞行器具备改变飞行姿态或者在不同飞行状态下都保持平衡的能力。常规的尾翼均为不可变的平面且只具有单一的展开角度，可以为飞行器提供静稳定性，但是无法在不同飞行状态下实现有效的飞行控制，缺少敏捷性。

发明内容

本发明根据上述现有技术中存在的问题，公开了一种基于折纸材料的仿鸟尾展开结构，本发明的结构设计基于鸟类飞行及起降时鸟尾展开和收拢的姿态变化，且本发明的结构采用柔性结构，可以根据飞行要求改变尾翼的展开角度，体积小质量轻。

本发明是这样实现的：

一种基于折纸材料的仿鸟尾展开结构，所述的结构包括一个密封箱体，所述的密封箱体包括前端固定板、侧边柔性板、折展板、密封板和后端板；所述的侧边柔性板设置两个，与前端固定板的两端连接，侧边柔性板上下两端设置折展板、密封板，侧边柔性板前后端分别为前端固定板、后端板；

所述的折展板、密封板和后端板均为直折叠折痕的折纸结构；其中后端板为折痕平行且上下预留一段过渡部分的折纸结构；所述的折展板与密封板均为波形相同的折痕平行的折纸结构，且折纸结构靠近前端波高较小，折纸结构的前端与前端固定板密封连接，折纸结构后端预留部分位置与后端板预留位置搭接；

所述的折展板、密封板展开后为近似扇形的形状；设定扇形形状中外折为波峰，内折为波谷；折展板的波峰上连接翅脉，翅脉尾端设置羽片，折展板的展开带动翅脉及羽片的展开。

进一步，所述的前端固定板外围设置固定框架，所述的前端固定板中央设有圆孔，充气管从圆孔中间通过，伸入至密封箱体内部；翅脉固定在折展板的折痕波峰处并且向外伸出一段，用于连接羽片；充气时后端板向左右两边展开，并带动折展板及翅脉展开。

进一步，所述的后端板也包括外折以及内折；所述的后端板折成三段折纸结构，其中上下两段分别与折展板、密封板连接。

进一步，所述的侧边柔性板是厚度较薄的长方形平板，侧边柔性板前端固接在前端固定板，后端分别与后端板的两侧边密封连接，侧边柔性板上边和下边分别与折展板和密封板相连接；当从前端固定板的充气孔充气时，侧边柔性板与前端固定板连接处固定不变，靠近后端板的一端向两边偏转，从而带动折展板展开，且调整气量时可以改变折展板展开角度。

进一步，所述的密封箱体内两个侧边柔性板内侧设置两个拉伸弹簧；其中一个拉伸弹簧位于近后端板处，另一个拉伸弹簧位于侧边柔性板中部；所述的弹簧用于在放气时提供弹性恢复力。弹簧具体位置与刚度满足充气时两个侧边柔性板可以近似平直地向两边展开，且不会产生鼓包。

进一步，所述的固定框架包括一个方形框和三根轴，分别为两端的连接轴、以及下端伸出悬臂轴；所述的方形框内侧宽度和高度分别与前端固定板的宽度和高度一致；方形框的厚度与前端固定板的厚度较为接近，且位于密封箱体前端，与前端固定板连接。为了使减轻质量，所述的前端固定板由间隔一定距离的两块板组成；所述的固定框架用于连接密封箱体和鸟体，框架两端伸出连接轴，用于将尾翼连接到鸟体上，连接轴垂直方向的位置由翅脉所在的尾翼平面在鸟体的高度确定；固定框架下端伸出悬臂轴，用于控制尾翼俯仰角。

本发明与现有技术的有益效果在于：

本发明的一种基于折纸材料的仿鸟尾展开结构能够使飞行器在不同飞行状态下都能保持平衡，可以实现尾翼展开角度的变化和尾翼面的俯仰角变化，且体积小质量轻；

通过从进气管充气和放气，尾翼羽片可以实现张开和收拢，且该结构紧凑，模拟了鸟类飞行状态改变时鸟尾的形态改变。

附图说明

图1为本发明一种基于折纸材料的仿鸟尾展开结构的示意图；

图2为本发明一种基于折纸材料的仿鸟尾展开结构的密封箱体内置弹簧示意图；

图3为本发明一种基于折纸材料的仿鸟尾展开结构中的密封箱体充气展开示意图；

图4为本发明一种基于折纸材料的仿鸟尾展开结构中的折展板展开折痕及折叠效果示意图；

图5为本发明一种基于折纸材料的仿鸟尾展开结构的后端板部分展开折痕及折叠效果示意图；

其中，1-前端固定板，2-侧边柔性板，3-折展板，4-密封板，5-后端板，6-固定框架，7-翅脉，8-羽片，9-拉伸弹簧。

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，本发明的结构包括一个前端固定板1、两个侧边柔性板2、一个折展板3、一个密封板4、一个后端板5、两个拉伸弹簧9和固定框架6、翅脉7、羽片8；其中前端固定板1、侧边柔性板2、折展板3、密封板4和后端板5组成一个密封箱体，前端固定板1与固定框架6连接，前端固定板1中央设有圆孔，充气管从中间通过。

翅脉7固定在折展板3的折痕波峰处并且向外伸出一段，用于连接尾翼羽片8。充气时后端板向左右两边展开，并带动折展板及翅脉展开，实现仿鸟尾翼面随充气量变化时改变展开角度。固定框架6两边伸出连接轴，用于和鸟体连接，框架下方有一摇臂用于控制尾翼的俯仰角。

如图4~5所示，折展板3、后端板5和密封板4均为直折叠折痕的折纸结构。其中后端板5为折痕平行且上下预留一段过渡部分的折纸结构，折展板3与密封板4为波形相同的折纸结构，且靠近前端部分波高较小并与前端固定板1密封连接，后端细实线以上部分与后端板预留部分搭接，折展板与密封板展开后为近似扇形的形状，如图4所示，示意图中点划线外折，为波峰，虚线内折，为波谷。折展板的波峰上连接翅脉，折展板的展开带动翅脉及尾翼羽片的展开。后端板展开后的折痕图如图5所示，点划线外折，虚线内折。

为了使后端板与折展板和密封板的变形展开相协调，后端板折成三段折纸结构，其中上下两段分别与折展板和密封板连接，长度为d的两段作为波形过渡部分，L+2H为后端板的高度，H为折叠部分展开时的宽度。

本发明中设置侧边柔性板2是厚度较薄的长方形平板，前端固接在前端固定板1上，侧边柔性板2的后端分别与后端板5的两侧边密封连接，侧边柔性板2上边和下边分别与折展板3和密封板4相连接。当从前端固定板1的充气孔充气时，侧边柔性板2与前端固定板1连接处固定不变，靠近后端板5的一端向两边偏转，从而带动折展板展开，且调整气量时可以改变展开角度。

所述的密封箱体内两个侧边柔性板2内侧放置拉伸弹簧9，弹簧位置如图2所示，其中一个位于靠近后端板处，另一个位于侧边柔性板中部，弹簧用于在放气时提供弹性恢复力。弹簧具体位置与刚度满足充气时两个侧边柔性板可以近似平直地向两边展开，且不会产生鼓包，展开效果如图3所示。

所述的固定框架6由一个方形框和三根轴组成，方形框内侧宽度和高度分别与密封箱体前端固定板1的宽度和高度一致，方形框的厚度与前端固定板1的厚度较为接近，且位于密封箱体前端，与前端固定板连接。为了使减轻质量，前端固定板1由间隔一定距离的两块板组成。固定框架6用于连接密封箱体和鸟体，框架两端伸出连接轴，用于将尾翼连接到鸟体上，连接轴高度方向的位置由翅脉所在的尾翼平面在鸟体的高度确定。框架下端伸出悬臂轴，用于控制尾翼俯仰角。

本发明的翅脉7与折展板的波峰处连接，并在末端嵌套羽片8，从充气管充气后翅脉7及羽片8的展开模拟了鸟尾羽片的展开。折展板的厚度及角度、侧边柔性板2的厚度、拉伸弹簧9的刚度及充入压强的大小需要协调，使箱体展开到足够大的角度，而且侧边柔性板2不出现鼓包，折纸板不发生失稳。

以下列举具体的数据实例进行叙述：

本实例中采用铝合金的平板和折纸材料组成密封箱体，箱体沿纵向长度为70mm，横向宽度为54mm，高度为40mm，其中前端固定板1为两个2mm且间距6mm的薄板，两个侧边柔性板2厚度各为2mm，充气孔为直径10mm的圆。平板采用E=71.7GPa，μ=0.33的铝合金材料，三个折纸面采用较薄的铝合金材料，充气时内部压强和侧边柔性板的厚度、弹簧刚度以及折纸面的刚度相协调，确保密封箱体可以向两边展开至所需要的角度且不会产生鼓包。翅脉7连接在折展板3的波峰处，并且与羽片8粘连，一共可以连接14根翅脉7。

后端板5也包括外折以及内折；所述的后端板5折成三段折纸结构，其中上下两段分别与折展板3、密封板4连接。设定两段作为波形过渡部分为长度d；L+2H为后端板的高度，H为折叠部分展开时的宽度。取H=10mm，L=20mm，后端折纸板由横向长度为280mm，纵向长度为50mm的矩形面折成中间段波高为10mm，纵向两端分别留出长度为5mm的过渡部分的折纸结构，部分折痕和折叠后的效果如图5所示，其中折展板和密封板后端留出d=5~8mm的一端与后端折纸板的过渡部分搭接且过渡部分波高为10mm，折展板和密封板的前端处波高为5mm。在箱体靠近后端15mm处内置弹簧，根据仿真分析结果，采用k=0.4N/mm的拉伸弹簧。为了保证充气时两边侧板可以均匀展开不产生鼓包，中部拉伸弹簧的刚度k=0.8N/mm。充气时折纸箱向两边展开，在充入一个0.1MPa气压时两边可以呈约120°展开，如图3所示。同时与翅脉连接的折展板也随之展开，实现尾翼羽毛呈扇形展开，且随充气量变化可以改变展开的角度。

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 (4)

1.一种基于折纸材料的仿鸟尾展开结构，其特征在于，所述的结构包括一个密封箱体，所述的密封箱体包括前端固定板（1）、侧边柔性板（2）、折展板（3）、密封板（4）和后端板（5）；

所述的侧边柔性板（2）设置两个，与前端固定板（1）的两端连接，侧边柔性板（2）上下两端设置折展板（3）、密封板（4），侧边柔性板（2）前后端分别为前端固定板（1）、后端板（5）；所述的前端固定板（1）外围设置固定框架（6），所述的前端固定板中央设有圆孔，充气管从圆孔中间通过，伸入至密封箱体内部；翅脉（7）固定在折展板的折痕波峰处并且向外伸出一段，用于连接羽片（8）；充气时后端板（5）向左右两边展开，并带动折展板（3）及翅脉（7）展开；所述的固定框架（6）包括一个方形框和三根轴，分别为两端的连接轴、以及下端伸出悬臂轴；所述的方形框内侧宽度和高度分别与前端固定板（1）的宽度和高度一致；方形框的厚度与前端固定板的厚度一致，且位于密封箱体前端，与前端固定板连接；前端固定板（1）由间隔一定距离的两块板组成；所述的固定框架（6）用于连接密封箱体和鸟体，框架两端伸出连接轴，用于将尾翼连接到鸟体上，连接轴垂直方向的位置由翅脉所在的尾翼平面在鸟体的高度确定；固定框架（6）下端伸出悬臂轴，用于控制尾翼俯仰角；

所述的折展板（3）、密封板（4）和后端板（5）均为直折叠折痕的折纸结构；其中后端板（5）为折痕平行且上下预留一段过渡部分的折纸结构；所述的折展板（3）与密封板（4）均为波形相同的折痕平行的折纸结构，且折纸结构靠近前端波高较小，折纸结构的前端与前端固定板（1）密封连接，折纸结构后端预留部分位置与后端板（5）预留位置搭接；

所述的折展板（3）、密封板（4）展开后为近似扇形的形状；设定扇形形状中外折为波峰，内折为波谷；折展板（3）的波峰上连接翅脉（7），翅脉（7）尾端设置羽片（8），折展板（3）的展开带动翅脉（7）及羽片（8）的展开。

2.根据权利要求1所述的一种基于折纸材料的仿鸟尾展开结构，其特征在于，所述的后端板（5）也包括外折以及内折；所述的后端板（5）折成三段折纸结构，其中上下两段分别与折展板（3）、密封板（4）连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于折纸材料的仿鸟尾展开结构，其特征在于，所述的侧边柔性板（2）为长方形平板，侧边柔性板（2）前端固接在前端固定板（1），后端分别与后端板（5）的两侧边密封连接，侧边柔性板（2）上边和下边分别与折展板（3）和密封板（4）相连接；当从前端固定板（1）的充气孔充气时，侧边柔性板（2）与前端固定板（1）连接处固定不变，靠近后端板（5）的一端向两边偏转，从而带动折展板（3）展开，且调整气量时可以改变折展板（3）展开角度。

4.根据权利要求1所述的一种基于折纸材料的仿鸟尾展开结构，其特征在于，所述的密封箱体内两个侧边柔性板（2）内侧设置两个拉伸弹簧（9）；其中一个拉伸弹簧（9）位于近后端板（5）处，另一个拉伸弹簧（9）位于侧边柔性板（2）中部；所述的弹簧用于在放气时提供弹性恢复力。

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